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WO 2011/113650 1
PCT/EP2011/052048
Antenne réseau réflecteur à compensation de polarisation croisée et
procédé de réalisation d'une telle antenne
La présente invention concerne une antenne réseau réflecteur à
compensation de polarisation croisée et un procédé de réalisation d'une telle
antenne. Elle s'applique notamment aux antennes montées sur un engin
spatial tel qu'un satellite de télécommunication ou aux antennes des
terminaux terrestres pour les systèmes de télécommunications ou de
diffusion par satellite.
Les configurations d'antenne offset comportant un réflecteur à
surface formée géométriquement (en anglais : offset shaped reflector
antenna) et une source primaire décalée par rapport à l'axe normal au
réflecteur, engendrent des rayonnements dans une polarisation croisée
induite par la courbure géométrique du réflecteur et dont le niveau dépend
directement du rapport focal du réflecteur, le rapport focal étant défini par
le
rapport entre la focale et le diamètre du réflecteur. Plus le rapport focal
est
grand, plus le niveau de polarisation croisée est faible. Cependant, lorsque
l'antenne est implantée sur une face d'un satellite orientée vers la Terre, la
structure de l'antenne doit être compacte et les rapports focaux sont faibles,
ce qui induit un niveau de polarisation croisé élevé.
Dans le cas d'une antenne comportant un réflecteur illuminé par une
source primaire centrée, le niveau de polarisation croisée est nul dans la
direction normale à l'antenne mais il peut y avoir des lobes de polarisation
croisée axisymétriques dus à la courbure des lignes de champs aux
extrémités du réflecteur.
Par ailleurs, la source primaire utilisée peut, lorsqu'elle comporte des
faibles performances, engendrer elle-même des composantes de champ
comportant une polarisation croisée.
Pour répondre à des spécifications de faible niveau de polarisation
croisée, les antennes montées sur les satellites et pointant en direction de
la
Terre ont souvent une structure à double réflecteur montés dans une
configuration Grégorienne. L'utilisation de deux réflecteurs permet de définir
la géométrie du réflecteur auxiliaire par rapport à la géométrie du réflecteur
principal de façon que la polarisation croisée induite par la courbure du
réflecteur auxiliaire annule la polarisation croisée induite par la courbure
du
2
réflecteur principal. Cependant la présence du réflecteur auxiliaire et de sa
structure de support entraîne une augmentation de la masse, du volume et
du coût de l'antenne par rapport à une antenne à un seul réflecteur.
Une autre solution pour diminuer le niveau de polarisation croisée est
d'utiliser une antenne réseau réflecteur (en anglais : reflectarray antenne)
en
configuration offset. Dans ce type d'antenne, une source primaire illumine un
réseau réflecteur sous une incidence oblique. Le réflecteur comporte un
ensemble d'éléments rayonnants élémentaires assemblés en réseau à une
ou deux dimensions et formant une surface réfléchissante qui peut être
to plane. En considérant le cas où les éléments rayonnants de l'antenne
sont
tous identiques et n'induisent pas individuellement de polarisation croisée,
le
réseau réflecteur agit alors comme un miroir et le rayonnement réfléchi par le
réseau réflecteur ne comporte pas de composante en polarisation croisée s'il
est illuminé par une source primaire sans polarisation croisée placée dans
son axe de symétrie. Cependant, les éléments rayonnants d'un réseau
réflecteur comportent généralement des différences géométriques de façon à
contrôler précisément le déphasage que chaque élément rayonnant produit
sur une onde incidente. En outre, l'agencement des éléments rayonnants
élémentaires les uns par rapport aux autres sur la surface du réflecteur est
généralement synthétisé et optimisé de façon à obtenir un diagramme de
rayonnement donné dans une direction de pointage choisie avec une loi de
phase choisie. Par conséquent, il a été constaté que bien que le réflecteur
soit plan et qu'il n'y ait donc pas de polarisation croisée induite par la
courbure du réflecteur, du fait de l'illumination du réflecteur par une source
en configuration offset, le réseau réflecteur se comporte en fonctionnement
comme un réflecteur à surface formée géométriquement qui induit aussi un
rayonnement en polarisation croisée dont le niveau est du même ordre de
grandeur qu'un réflecteur à surface formée équivalent.
Un but de l'invention est de réaliser une antenne réseau réflecteur
ayant un diagramme de phase donné et dans laquelle la polarisation croisée
engendrée par une source primaire est annulée.
Pour cela, dans un aspect, l'invention concerne une antenne réseau
réflecteur à compensation de polarisation croisée comportant un réseau
réflecieur
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constitué d'une pluralité d'éléments rayonnants élémentaires régulièrement
répartis et formant une surface réfléchissante et une source primaire
destinée à illuminer le réseau réflecteur, le réseau réflecteur ayant un
diagramme de rayonnement selon deux polarisations principales
orthogonales dans une direction de propagation choisie avec une loi de
phase choisie, chaque élément rayonnant élémentaire étant réalisé en
technologie planaire et comportant un motif gravé constitué d'au moins un
patch métallique et/ou d'au moins une fente rayonnante, le patch métallique
comportant, dans une configuration symétrique, au moins quatre côtés
-Io opposés deux à deux par rapport à un centre du motif gravé et disposés
parallèlement à deux directions X, Y du plan XY de l'élément rayonnant, la
fente rayonnante comportant, dans une configuration symétrique de
l'élément rayonnant, au moins deux branches diamétralement opposées par
rapport au centre du motif gravé et disposées parallèlement à au moins l'une
des directions X et/ou Y de l'élément rayonnant. Selon l'invention, au moins
un élément rayonnant du réseau réflecteur comporte un motif gravé ayant
une forme géométrique dissymétrique par rapport à au moins l'une des
directions X et/ou Y du plan XY de l'élément rayonnant, la dissymétrie du
motif gravé de l'élément rayonnant consistant en une inclinaison angulaire
d'au moins un côté, respectivement d'au moins une branche, de la forme
géométrique du motif gravé par rapport aux directions X et/ou Y du plan de
l'élément rayonnant.
Ainsi, pour chaque élément rayonnant du réseau réflecteur, la
dissymétrie du motif gravé est calculée individuellement pour chaque
élément rayonnant à partir d'un élément rayonnant symétrique de même
motif et consiste en une inclinaison angulaire d'au moins une direction du
motif. La valeur angulaire de l'angle d'inclinaison est déterminée de manière
que l'élément rayonnant engendre une onde réfléchie ayant une
dépolarisation contrôlée qui s'oppose à une dépolarisation engendrée dans
le plan normal à la direction de propagation par le réseau réflecteur illuminé
par la source primaire. La dépolarisation contrôlée de l'élément rayonnant
correspond à une matrice de réflexion individuelle ayant des coefficients de
réflexion principaux d'amplitude similaire à ceux de l'élément rayonnant de
même motif et de forme géométrique symétrique selon les deux directions X
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et Y, et des coefficients de réflexion croisés d'amplitude non nulle
supérieure
à celle dudit élément rayonnant de même motif symétrique.
Avantageusement, dans le cas d'un motif gravé comportant un patch
6 métallique et au moins deux fentes gravées dans le patch métallique dans
lequel les fentes forment au moins quatre branches principales orientées
respectivement, deux à deux, parallèlement aux directions X et Y dans une
configuration symétrique de l'élément rayonnant, les dissymétries angulaires
consistent en des rotations angulaires des quatre branches principales des
fentes, autour du centre du motif gravé, dans le plan XY.
Avantageusement, dans le cas d'un motif gravé comportant, dans
une configuration symétrique, un patch métallique ayant une forme
géométrique carrée, les dissymétries angulaires consistent en une
.. inclinaison angulaire d'au moins deux côtés opposés du patch métallique des
éléments rayonnants dans un même sens ou dans des sens opposés de
façon à transformer la forme carrée respectivement en trapèze ou en
parallélogramme.
Avantageusement, plusieurs éléments rayonnants adjacents du
réseau réflecteur comportent un motif gravé ayant une forme géométrique
dissymétrique par rapport à au moins une direction X et/ou Y du plan XY de
chacun desdits éléments rayonnants, les inclinaisons angulaires du côté ou
de la branche de la forme géométrique du motif gravé de chacun desdits
éléments rayonnants formant un angle de valeur continûment progressive
d'un élément rayonnant à un autre élément rayonnant adjacent sur la surface
réfléchissante.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le réseau
.. réflecteur comporte plusieurs facettes planes orientées selon des plans
différents, chaque facette plane comportant une pluralité d'éléments
rayonnants élémentaires, et au moins un élément rayonnant de chaque
facette plane du réseau réflecteur comporte un motif gravé ayant une forme
géométrique dissymétrique par rapport à au moins une direction X et/ou Y du
5
plan XY de la facette à laquelle appartient l'élément rayonnant
correspondant.
L'invention concerne également un procédé de réalisation d'une telle
antenne réseau réflecteur à configuration offset et compensation de
polarisation croisée consistant à réaliser un réseau réflecteur constitué
d'une
pluralité d'éléments rayonnants élémentaires régulièrement répartis et
formant une surface réfléchissante et à illuminer le réseau réflecteur par une
source primaire. Le procédé consiste à élaborer un réseau réflecteur dans
lequel chaque élément rayonnant élémentaire est réalisé en technologie
planaire et comporte un motif gravé ayant une forme géométrique symétrique
par rapport à deux directions X et Y du plan XY de l'élément rayonnant, le
motif gravé étant constitué d'au moins un patch métallique et/ou d'au moins
une fente rayonnante, puis à introduire une dissymétrie, par rapport à au
moins l'une des directions X et/ou Y, dans la forme géométrique du motif
gravé d'au moins un élément rayonnant du réseau réflecteur, la dissymétrie
étant calculée à partir du diagramme de rayonnement du champ
électromagnétique lointain désiré dans lequel la polarisation croisée est
nulle
et à partir du champ électrique rayonné correspondant dans le plan du
réseau réflecteur.
Dans un autre aspect, l'invention concerne également une antenne à
réseau réflecteur à compensation de polarisation croisée comportant un réseau
réflecteur constitué d'une pluralité d'éléments rayonnants fixes élémentaires
régulièrement répartis et formant une surface réfléchissante et une source
primaire destinée à illuminer le réseau réflecteur, le réseau réflecteur étant
configuré pour présenter un diagramme de rayonnement selon deux
polarisations principales orthogonales dans une direction de propagation
choisie
avec une loi de phase choisie, chaque élément rayonnant élémentaire étant
réalisé en technologie planaire et étant disposé dans un plan défini par deux
directions orthogonales X et Y; ladite pluralité d'éléments rayonnants
comportant
des éléments rayonnants formés chacun par un patch métallique dont les bords
décrivent une forme symétrique par rapport aux directions X et Y, chaque patch
métallique pouvant comporter au moins une fente ou une ouverture rayonnante
dont les bords décrivent une forme symétrique par rapport aux directions X et
Y;
dans laquelle ladite pluralité d'éléments rayonnants comporte au moins un
élément rayonnant formé par un patch métallique dont les bords décrivent une
forme dissymétrique par rapport aux directions X, Y du plan de l'élément
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rayonnant, ou bien par un patch métallique présentant une ouverture ou une
fente rayonnante dont les bords décrivent une forme dissymétrique par rapport
aux directions X, Y du plan de l'élément rayonnant.
Dans un autre aspect, l'invention concerne également un procédé de
réalisation d'un réseau réflecteur pour une antenne à réseau réflecteur à
compensation de polarisation croisée tel que décrit ici, ledit procédé
consistant
à arranger une pluralité d'éléments rayonnants élémentaires, réalisés en
technologie planaire, selon une répartition régulière pour former une surface
réfléchissante et à illuminer le réseau réflecteur par une source primaire,
dans
lequel ladite pluralité d'éléments rayonnants élémentaires comporte des
éléments rayonnants comportant chacun un motif gravé formé d'un patch
métallique présentant une forme géométrique symétrique par rapport à un centre
du motif gravé, ledit patch pouvant comporter une fente ou une ouverture
rayonnante dont les bords décrivent une forme symétrique par rapport à un
centre du motif gravé; ladite pluralité d'éléments rayonnants élémentaires
comportant également au moins un élément rayonnant comportant un motif
gravé formé d'un patch métallique présentant une forme géométrique
dissymétrique par rapport à un centre du motif gravé, ou comportant une fente
ou une ouverture rayonnante dont les bords décrivent une forme dissymétrique
par rapport à un centre du motif gravé; la forme dissymétrique étant
déterminée
à partir du diagramme de rayonnement du champ électromagnétique lointain
désiré dans lequel la polarisation croisée est nulle et à partir du champ
électrique
rayonné correspondant dans le plan du réseau réflecteur.
Dans un autre aspect, l'invention concerne également une antenne à
réseau réflecteur à compensation de polarisation croisée comportant un réseau
réflecteur constitué d'une pluralité d'éléments rayonnants fixes élémentaires
juxtaposés, régulièrement répartis, alignés selon deux axes orthogonaux X et
Y,
et formant une surface réfléchissante, ainsi qu'une source primaire destinée à
illuminer le réseau réflecteur, le réseau réflecteur étant configuré pour
présenter
un diagramme de rayonnement selon deux polarisations principales
orthogonales dans une direction de propagation choisie avec une loi de phase
choisie, chaque élément rayonnant élémentaire étant réalisé en technologie
planaire et étant disposé dans un plan défini par deux directions orthogonales
X
et Y; ladite pluralité d'éléments rayonnants comportant elle-même une
pluralité
d'éléments rayonnants formés chacun par un patch métallique dont les bords
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5b
délimitent une forme symétrique par rapport aux directions X et Y; dans
laquelle
ladite pluralité d'éléments rayonnants comporte en outre au moins un élément
rayonnant formé par un patch métallique dont les bords délimitent une forme
dissymétrique par rapport aux directions X, Y du plan de l'élément rayonnant.
Dans un autre aspect, l'invention concerne également un procédé de
réalisation d'un réseau réflecteur pour une antenne réseau réflecteur à
compensation de polarisation croisée selon rune quelconque des revendications
1 à 7, ledit procédé consistant à arranger une pluralité d'éléments rayonnants
élémentaires, réalisés en technologie planaire, selon une répartition
régulière,
suivant deux axes orthogonaux X et Y, pour former une surface réfléchissante
et à illuminer le réseau réflecteur par une source primaire, dans lequel
ladite
pluralité d'éléments rayonnants élémentaires comporte elle-même une pluralité
d'éléments rayonnants comportant chacun un motif gravé formé d'un patch
métallique présentant une forme géométrique symétrique par rapport à un centre
du motif gravé; ladite pluralité d'éléments rayonnants élémentaires comportant
également au moins un élément rayonnant comportant un motif gravé formé d'un
patch métallique dont les bords délimitent une forme géométrique dissymétrique
par rapport à un centre du motif gravé; la forme dissymétrique délimitée par
les
bords du patch étant déterminée à partir du diagramme de rayonnement du
champ électromagnétique lointain désiré dans lequel la polarisation croisée
est
nulle et à partir du champ électrique rayonné correspondant dans le plan du
réseau réflecteur.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront
clairement dans la suite de la description donnée à titre d'exemple purement
illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés
qui
représentent :
figure 1 : un schéma d'un exemple d'une antenne réseau
réflecteur, selon "invention ;
figure 2 : un schéma d'un exemple d'élément rayonnant
élémentaire, selon l'invention ;
figure 3: un schéma d'un exemple d'arrangement des éléments
rayonnants d'une antenne réseau réflecteur, selon l'invention ;
figure 4a : un schéma illustrant le trajet d'une onde incidente
oblique sur un réseau réflecteur, selon l'invention ;
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figure 4b: un schéma illustrant l'orientation des composantes
de champ dans différents plans sur le trajet d'une onde
incidente et d'une onde réfléchie, selon l'invention ;
figures 5a et 5b: deux schémas illustrant la distribution du
champ électrique dans le plan de l'ouverture rayonnante dans
le cas où le rayonnement comporte une composante en
polarisation croisée et respectivement, dans le cas où le
rayonnement est parfaitement polarisé sans composante
croisée, selon l'invention ;
figure 6a: un exemple d'élément rayonnant symétrique
comportant un patch métallique et des fentes gravées dans le
patch métallique, la matrice de réflexion correspondante et la
matrice de réflexion souhaitée, selon l'invention ;
figures 6b à 6e: l'élément rayonnant de la figure 6a dans
lequel différents types de rotations sont introduits et les
diagrammes relatifs aux évolutions de l'amplitude et de la
phase des coefficients croisés correspondants, selon
l'invention ;
figure 7: un exemple d'un ensemble d'éléments rayonnants
successifs symétriques comportant une phase continûment
évolutive entre deux éléments rayonnants consécutifs,
chaque élément rayonnant comportant un motif constitué d'un
patch métallique de forme carrée et d'une ouverture
rayonnante pratiquée dans le patch métallique, selon
l'invention ;
figures 8a, 8b, 9a, 9b: un élément rayonnant de la figure 7
dans lequel différents types de rotations sont introduits et les
diagrammes relatifs aux évolutions de l'amplitude et de la
phase des coefficients croisés correspondants, selon
l'invention.
Une antenne réseau réflecteur 10 telle que représentée par exemple sur la
figure 1, comporte un ensemble d'éléments rayonnants élémentaires 20
assemblés en réseau réflecteur 11 à une ou deux dimensions et formant une
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surface réfléchissante 14 permettant d'augmenter la directivité et le gain de
l'antenne 10. Le réseau réflecteur 11 est illuminé par une source primaire 13.
Les éléments rayonnants élémentaires 20, appelés aussi cellules
élémentaires, du réseau réflecteur 11, comportent des motifs gravés de type
patchs métalliques et/ou fentes. Les motifs gravés ont des paramètres
variables, tels que par exemple les dimensions géométriques des motifs
gravés (longueur et largeur des patchs ou des fentes), qui sont réglés de
façon à obtenir un diagramme de rayonnement choisi. Comme représenté
par exemple sur la figure 2, les éléments rayonnants élémentaires 20
peuvent être constitués par des patchs métalliques chargés de fentes
rayonnantes et séparés d'un plan de masse métallique d'une distance
typique comprise entre 4/10 et 4/4, où X.g est la longueur d'onde guidée
dans le milieu espaceur. Ce milieu espaceur peut être un diélectrique, mais
aussi un sandwich composite réalisé par un agencement symétrique d'un
séparateur de type Nid d'abeille et de peaux diélectriques de fines
épaisseurs.
Sur la figure 2, l'élément rayonnant élémentaire 20 est de forme
carré ayant des côtés de longueur m, comportant un patch métallique 15
imprimé sur une face supérieure d'un substrat diélectrique 16 muni d'un plan
de masse métallique 17 sur sa face inférieure. Le patch métallique 15 a une
forme de carré ayant des côtés de dimension p et comporte deux fentes 18
de longueur b et de largeur k pratiquées en son centre, les fentes étant
disposées en forme de croix. Dans un repère à trois dimensions XYZ, le plan
de la surface réfléchissante de l'élément rayonnant est le plan XY. La forme
des éléments rayonnants élémentaires 20 n'est pas limitée à un carré, elle
peut également être rectangulaire, triangulaire, circulaire, hexagonale, en
forme de croix, ou toute autre forme géométrique. Les fentes peuvent
également être réalisées en un nombre différent de deux et leur disposition
peut être différente d'une croix. Au lieu de fentes centrales, l'élément
rayonnant pourrait également comporter un motif constitué d'un patch central
en forme de croix et d'une ou plusieurs fentes périphériques.
Alternativement, l'élément rayonnant pourrait comporter un motif constitué de
plusieurs patchs métalliques annulaires concentriques et de plusieurs fentes
annulaires ou non.
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Pour que l'antenne 10 soit performante, il faut que la cellule
élémentaire puisse contrôler précisément le déphasage qu'elle produit sur
une onde incidente, pour les différentes fréquences de la bande passante.
L'agencement (en anglais : lay-out) des éléments rayonnants
élémentaires [es uns par rapport aux autres pour constituer un réseau
réflecteur est synthétisé de façon à obtenir un diagramme de rayonnement
donné dans une direction de pointage choisie et avec une loi de phase
prédéterminée. La figure 3 montre un exemple d'arrangement des éléments
rayonnants d'une antenne réseau réflecteur, permettant d'obtenir un faisceau
directif pointé dans une direction latérale par rapport à l'antenne. En raison
de la planéité du réseau réflecteur et des différences de longueurs de trajet
d'une onde émise par une source primaire 13 jusqu'à chaque élément
rayonnant 7, 8 du réseau, l'illumination du réseau réflecteur par une onde
incidente provenant de la source primaire 13 provoque une distribution de
phase du champ électromagnétique au-dessus de la surface réfléchissante
14. Les motifs gravés de chaque élément rayonnant 7, 8 ont donc des
dimensions géométriques définies de façon que l'onde incidente soit
réfléchie par le réseau 11 avec un décalage de phase qui compense la
phase relative de l'onde incidente.
La forme géométrique du motif gravé de chaque élément rayonnant
est habituellement choisie symétrique par rapport aux deux axes
orthogonaux X et Y du plan de chaque élément rayonnant. Un élément
rayonnant symétrique isolé ne dépolarise quasiment pas une onde incidente
normale à son plan et la matrice de réflexion associée comporte donc des
coefficients de réflexion croisés très faibles, généralement inférieurs à
30dB.
Ces niveaux peuvent augmenter pour une incidence oblique,
particulièrement supérieure à 40 par rapport à la normale. Les éléments
rayonnants sont agencés sur la surface du réflecteur de façon à réaliser une
loi de phase spécifique sur l'ensemble de la surface, dans une polarisation
principale correspondant à la polarisation émise par la source primaire. Les
phénomènes de dépolarisation sont des phénomènes considérés comme
des parasites qui détériorent les performances de l'antenne mais ils ne sont
généralement pas pris en compte lors de la réalisation de l'agencement du
réseau réflecteur.
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Lorsque le réseau réflecteur 11 est illuminé par une onde incidente
oblique dans une polarisation linéaire, il engendre une onde réfléchie
comportant deux composantes de champ selon deux directions X et Y
orthogonales. Sur la figure 4a, la surface du réseau réflecteur 11 est
.. partiellement schématisée par des lignes pointillées et quatre éléments
rayonnants 20 sont représentés, chaque élément rayonnant 20 comportant
un patch métallique de forme carrée. Une source primaire 13 placée en
configuration offset, illumine le réseau réflecteur 11 selon une direction
oblique faisant un angle 8 par rapport à la direction normale n au réseau
réflecteur 11. Le champ électromagnétique incident Einc émis par la source
primaire peut être polarisé linéairement, par exemple selon une direction
verticale dans un repère orthonormé lié à la source. Du fait de son incidence
oblique, le champ incident Einc, polarisé linéairement dans le plan lié à la
source, induit, dans un repère XY lié au plan de l'élément rayonnant, un
champ incident Ei comportant deux composantes de champ Eix et Eiy selon
les deux directions X et Y du plan de l'élément rayonnant, les deux
composantes Eix et Eiy correspondant à la projection du champ incident
oblique Einc dans le plan du réseau réflecteur. Le réseau réflecteur rayonne
alors, selon une direction de propagation principale, un champ
électromagnétique réfléchi Er comportant deux composantes de champ Erx
et Ery. Le champ incident Einc polarisé linéairement dans le repère lié à la
source primaire 13 engendre donc dans un plan XY parallèle au plan du
réseau réflecteur 11, une composante de champ en polarisation croisée.
Pour un réseau réflecteur plan et dans la direction normale n au plan
du réseau réflecteur, les composantes de polarisation croisées induites au
niveau des éléments rayonnants se compensent. Pour une loi de phase
imposée pour réaliser un faisceau dans une direction donnée ou une
couverture spécifique, comme illustré sur la figure 4b, la direction normale n
au plan du réseau réflecteur est généralement différente du plan normal 44 à
la direction de propagation 45. Les composantes de polarisation croisées
sont alors sommées avec une pondération en phase et ne se compensent
plus.
L'invention consiste donc à synthétiser un réseau réflecteur
conformément à l'art antérieur, c'est-à-dire en ne se préoccupant que des
diagrammes de rayonnement requis dans les deux polarisations principales
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orthogonales et donc en ne s'intéressant qu'aux coefficients de réflexion
principaux Rxx et Ryy. Pour que le diagramme de rayonnement du réseau
réflecteur soit performant, il est important que les coefficients de réflexion
principaux R>oc et Ryy aient des amplitudes proches de 1. L'invention
consiste ensuite à perturber faiblement la polarisation induite par au moins
un élément rayonnant du réseau réflecteur de manière à compenser les
composantes de polarisation croisée induites par le réseau réflecteur. La
perturbation à introduire dans les éléments rayonnants est déterminée
individuellement, pour chacun des éléments rayonnants du réseau réflecteur.
Io La légère dépolarisation des ondes réfléchies par chaque élément
rayonnant
correspond à ['apparition, dans le plan du réseau réflecteur, d'un
rayonnement en polarisation croisée, à faible amplitude, au niveau des
éléments rayonnants individuels. La légère dépolarisation est telle qu'elle
permet d'obtenir, dans le plan normal 44 à la direction de propagation 45 des
ondes réfléchies par le réseau réflecteur 11, appelé plan d'ouverture du
réseau réflecteur ou plan d'ouverture rayonnante, une distribution de champ
électrique sans composante croisée. La dépolarisation introduite doit être
faible et ne pas perturber le mode fondamental de rayonnement de l'élément
rayonnant, ni sa phase. Par exemple, les coefficients de réflexion croisés
introduits par chaque élément rayonnant élémentaire seront
préférentiellement inférieurs à -15dB.
Pour estimer [a quantité de dépolarisation nécessaire à réaliser sur
chaque élément rayonnant individuel, l'invention consiste, dans une première
étape, à définir le diagramme de rayonnement du champ électromagnétique
lointain 46 désiré et à imposer comme condition de départ, que les
composantes de polarisation croisée sont nulles pour ce champ lointain. A ce
champ électromagnétique lointain 46 est associé une unique distribution d'un
champ électromagnétique proche sur une ouverture rayonnante infinie
définie par un plan normal 44 à la direction de propagation 45 des ondes
réfléchies par le réseau réflecteur 11. Automatiquement, les composantes de
polarisation croisées étant nulles en champ lointain, elles sont également
nulles dans un plan normal à la direction de propagation des ondes
réfléchies par le réseau réflecteur et sont donc nulles dans le plan
d'ouverture 44 du réseau réflecteur 11. A partir du diagramme de
rayonnement du champ électromagnétique lointain 46 désiré, il est possible
11
d'en déduire, au moyen d'une transformée de Fourier, les composantes de
polarisation principale du champ proche rayonné correspondant, dans le plan
d'ouverture 44 du réseau réflecteur,
11 est également possible de reconstruire le champ proche rayonné
sur une surface limitée correspondant au réseau réflecteur. Pour qu'il y ait
équivalence entre le champ proche reconstruit et le champ lointain désiré, il
est nécessaire que le champ proche soit confiné à l'intérieur de la surface du
réseau réflecteur.
Dans une deuxième étape, dans le cas général où le plan
d'ouverture 44 est différent du plan du réseau réflecteur 11, l'invention
consiste ensuite à calculer, par une technique de rétropropagation, pour
chaque élément rayonnant du réseau réflecteur, les composantes du champ
électrique rayonné correspondant dans le plan du réseau réflecteur. La
technique de rétropropagation consiste en un changement de repère du plan
d'ouverture 44 au plan du réseau réflecteur 11. Les composantes du champ
électrique rayonné dans le plan du réseau réflecteur sont les composantes
Erx et Ery réfléchies par l'élément rayonnant correspondant selon les
directions respectives X et Y. La composante Ery est faible mais non nulle si
le plan du réseau réflecteur est différent du plan d'ouverture.
Dans une troisième étape, l'invention consiste, à calculer les
composantes du champ électrique incident Eix et Eiy induit par la source
primaire 13 sur chaque élément rayonnant du réseau réflecteur. Pour une
source primaire de type cornet rayonnant, le cornet est défini par un
ensemble de coefficients modaux d'ondes sphériques avec lesquels il est
possible de calculer le champ rayonné proche ou lointain comme décrit par
exemple dans le livre de G. Franceschetti, Campi Elettromagnetici , Bollati
Boringhieri editore s.r.I., Torino 1988 (11 edizione).
Dans une quatrième étape, à partir des composantes En( et Ery
déterminées à la deuxième étape et des composantes Eix et Ely déterminées
à la troisième étape, l'invention consiste, pour chaque élément rayonnant, à
en déduire les coefficients de réflexion principaux Rxx et Ryy et les
coefficients de réflexion croisés Rxy et Ryx correspondants.
CA 2793126 2017-06-29
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WO 2011/113650 12 PCT/EP2011/052048
En effet, les composantes En< et Ery du champ réfléchi Er
engendrées par le réseau réflecteur selon les directions respectives X et Y
s'expriment en fonction des composantes Eix et Eiy du champ incident Ei
induit par la source par les équations suivantes :
Erx = Rxx Eix Rxy Eiy
Ery = Ryx Eix Ryy Eiy
to Si l'onde
incidente oblique Einc est polarisée selon deux directions
principales orthogonales X et Y, les composantes du champ réfléchi
engendrées selon les directions X et Y sont reliées au champ incident par
deux équations pour la polarisation selon la direction X et deux équations
additionnelles pour la polarisation selon la direction Y.
I a matrice de réflexion de chaque élément rayonnant du réseau
réflecteur comporte donc des coefficients de réflexion Rxx dans la direction
X, Ryy dans la direction Y et deux coefficients de réflexion croisés Rxy et
Ryx correspondant à une polarisation croisée.
Pour que les coefficients de réflexion principaux Rxx et Ryy aient des
amplitudes proches de 1, il est nécessaire que le champ rayonné lointain soit
très fortement corrélé au champ rayonné proche reconstruit dans le plan
virtuel de l'ouverture rayonnante. C'est la raison pour laquelle l'invention
consiste d'abord à synthétiser un réseau réflecteur en ne se préoccupant que
des diagrammes de rayonnement requis dans les deux polarisations
26 principales orthogonales selon les directions X et Y et donc en ne
s'intéressant qu'aux coefficients de réflexion principaux Rxx et Ryy, puis à
perturber faiblement la polarisation d'au moins un élément rayonnant de
manière à compenser la polarisation croisée induite par le réseau réflecteur
dans la direction de propagation des ondes réfléchies.
En appliquant cette méthode permettant d'estimer la quantité de
dépolarisation nécessaire à réaliser sur chaque élément rayonnant individuel,
élément rayonnant par élément rayonnant, des valeurs de coefficients de
réflexion principaux et croisés sont déduits pour chacun des éléments
rayonnants correspondants.
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Suivant la position de l'élément rayonnant 20 sur la surface
réfléchissante, l'angle d'incidence de l'onde émise par rapport à cet élément
rayonnant varie et les coefficients de réflexion croisés varient également. La
dépolarisation est d'autant plus importante que l'angle e de l'onde incidente
par rapport à la direction normale n au réseau réflecteur augmente.
Ainsi, par exemple, dans le cas d'un réseau réflecteur 11 constitué
de plusieurs facettes planes, comme représenté sur la figure 4b où le
réflecteur comporte trois facettes planes 41, 42, 43 orientées selon trois
plans différents, les composantes Erx et Ery du champ rayonné Er doivent
être déterminés pour chaque élément rayonnant, dans le plan XY de la
facette à laquelle appartient cet élément rayonnant. Différents repères XY
sont donc à considérer selon l'élément rayonnant considéré et la facette
dans laquelle il se trouve. La méthode permettant d'estimer la quantité de
dépolarisation nécessaire à réaliser sur chaque élément rayonnant individuel
doit donc être appliquée facette par facette de façon à reconstruire, selon la
méthode présentée ci-dessus, les composantes Erx et Ery du champ
rayonné dans le plan XY correspondant à l'élément rayonnant considéré.
Un réseau réflecteur synthétisé, conformément à l'art antérieur, en ne
s'intéressant qu'aux coefficients de réflexion principaux Rxx et Ryy, comporte
généralement, pour des raisons de simplicité de réalisation, des éléments
rayonnants ayant un motif gravé symétrique selon leurs axes principaux dans
les directions orthogonales X et Y du plan du réseau réflecteur. Dans le cas
OU les mêmes rayonnements sont requis pour les deux polarisations
orthogonales, les éléments rayonnants ont de plus des dimensions
identiques selon les directions X et Y.
Les dimensions précises des motifs gravés de chaque élément
rayonnant sont donc déduites des coefficients principaux Rxx et Ryy. La
polarisation croisée est dans l'art antérieur considérée comme subite, même
si des artifices ont été proposés pour limiter les effets.
Lorsque les composantes Erx et Ery permettant d'éliminer la
polarisation croisée ont été déterminées pour tous les éléments rayonnants
du réseau réflecteur, l'invention consiste alors à introduire, dans les
éléments
rayonnants individuels 20 du réseau réflecteur 11, une dépolarisation
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contrôlée, différente d'un élément rayonnant à un autre élément rayonnant,
permettant d'obtenir la totalité des coefficients de réflexion correspondant
aux valeurs souhaitées. Cette dépolarisation introduite individuellement dans
les éléments rayonnants est telle qu'elle compense alors la dépolarisation
induite par une onde incidente oblique sur le réseau réflecteur final.
La figure 5a illustre la distribution du champ électrique dans le plan
de ['ouverture rayonnante dans le cas où le réseau réflecteur a été synthétisé
sans tenir compte des phénomènes parasites liés à la polarisation croisée et
où le rayonnement comporte une composante en polarisation croisée, et la
figure 5b illustre le cas où le réseau réflecteur a été synthétisé de façon à
annuler la composante de polarisation croisée et où le rayonnement est
parfaitement polarisé sans composante croisée.
Selon l'invention, la dépolarisation introduite dans au moins un
élément rayonnant individuel du réseau réflecteur consiste à briser la
symétrie du motif de cet élément rayonnant tout en conservant la même
phase des coefficients de réflexions principaux induits par cet élément
rayonnant, afin de ne pas perturber son rayonnement dans la polarisation
principale. On agit ainsi sur l'amplitude et la phase des coefficients de
réflexion croisés. Pour cela, des dissymétries angulaires sont introduites
dans les motifs des éléments rayonnants qui engendrent de la polarisation
croisée, certains éléments rayonnants n'engendrant pas de polarisation
croisée, par exemple ceux situés dans l'axe de symétrie du réseau réflecteur,
pouvant rester symétriques. Ces dissymétries angulaires consistent en des
inclinaisons angulaires d'au moins une direction principale du motif ou des
rotations angulaires des quatre directions principales X, X', Y, Y' des
motifs,
autour du centre 50 du motif, dans le plan XY. Les rotations angulaires sont
réalisées avec des angles qui peuvent être différents ou identiques pour
toutes les directions et dans des sens qui peuvent être identiques ou
différents. Lorsque plusieurs éléments rayonnants adjacents du réseau
réflecteur comportent un motif ayant une forme géométrique dissymétrique
par rapport à au moins une direction X et/ou Y du plan XY de ces éléments
rayonnants, la dissymétrie du motif de chacun desdits éléments rayonnants
est continûment progressive d'un élément rayonnant à un autre élément
rayonnant adjacent sur la surface réfléchissante.
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Un premier exemple représenté sur les figures 6e à 6d concerne le
cas d'un élément rayonnant 20 dont le motif géométrique comporte un patch
métallique et des fentes gravées dans le patch. Sur la figure 6e, les fentes
forment une croix centrale symétrique selon deux directions orthogonales
XX' et YY', appelée croix de Jérusalem. La croix comporte quatre branches
principales 62, 63, 64, 65, opposées deux à deux, orientées respectivement
selon les directions X, X', Y, Y', chaque branche principale comportant une
extrémité pourvue d'une extension perpendiculaire. La matrice de réflexion
60 de cet élément rayonnant symétrique est telle que les coefficients de
réflexion principaux sont d'amplitudes égales et proches de la valeur
maximum 1, correspondant à OdB, et les coefficients de réflexion croisés ont
des amplitudes très faibles, typiquement de l'ordre de -29dB. La matrice de
réflexion souhaitée 61 comporte des coefficients de réflexion principaux très
peu modifiés par rapport à ceux de l'élément symétrique et des coefficients
de réflexion croisés légèrement dégradés, ayant une amplitude de l'ordre de
-21dB, cette amplitude dégradée étant cependant toujours située à un niveau
correspondant à du bruit. Sur les figures 6b, 6c, 6d, chaque branche
principale de la croix centrale a subi différents types de rotations
angulaires
par rapport au centre 50 de l'élément rayonnant. Les rotations angulaires
consistent à modifier l'inclinaison de chacune des branches principales,
indépendamment l'une de l'autre, d'un angle différent et dans un sens positif
ou négatif.
Dans les deux configurations 20e, 20b de la figure 6b, les branches
principales de la croix situées selon des directions diamétralement opposées
XX' , YY' ont été inclinées simultanément, d'un même angle, l'inclinaison
étant dans un sens positif pour deux branches opposées et dans un sens
négatif pour les deux autres branches. Les diagrammes d'amplitude et de
phase des coefficients de réflexion croisés correspondants montrent que
cette configuration a un fort impact sur l'amplitude des coefficients de
réflexion croisés alors que leur phase, modulo 180 , n'évolue pas lorsque
l'angle d'inclinaison des branches principales de la croix varie entre -10 et
+10 .
Dans les deux configurations 20c, 20d de la figure 6e, les quatre
branches principales de fa croix sont inclinées indépendamment les unes des
autres d'un même angle, les branches situées selon des directions
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diamétralement opposées étant inclinées dans des sens opposés mais deux
branches successives étant inclinées dans un même sens. Les diagrammes
d'amplitude et de phase des coefficients de réflexion croisés correspondants
montrent que cette configuration a peu d'impact sur l'amplitude des
coefficients de réflexion croisés lorsque l'angle d'inclinaison des branches
principales de la croix varie entre -4 et +40 alors que leur phase évolue
beaucoup.
Les deux configurations 20f, 20g de la figure 6d, les quatre branches
principales de la croix sont inclinées indépendamment les unes des autres
d'un même angle, les branches situées selon des directions diamétralement
opposées étant inclinées dans des sens opposés comme sur la figure 6e
mais le sens d'inclinaison de deux branches opposées est inversé. Les
diagrammes d'amplitude et de phase des coefficients de réflexion croisés
correspondants montrent que cette configuration a beaucoup d'impact sur
l'amplitude des coefficients de réflexion croisés lorsque l'angle
d'inclinaison
des branches principales de la croix varie entre -10 et +10 alors que leur
phase n'évolue pas.
La figure 6e montre un exemple d'élément rayonnant 20i optimisé
dont la matrice de réflexion est très proche de la matrice souhaitée 61
indiquée sur la figure 6a. Cet élément rayonnant 20i comporte deux branches
formant un angle de 9,35 respectivement dans un sens de rotation négatif
et dans un sens de rotation positif par rapport aux directions Y et X, et deux
branches formant un angle de 6,65 respectivement dans un sens de rotation
négatif et dans un sens de rotation positif par rapport aux directions X' et
Y'.
Les différents exemples de rotation des figures 6a à 6e montrent
donc qu'il est possible en réglant l'angle d'inclinaison des quatre branches
d'une croix orientées selon des directions principales de l'élément rayonnant,
de contrôler l'amplitude et la phase des coefficients de réflexion croisés et
donc la dépolarisation de cet élément rayonnant.
La figure 7 concerne un ensemble d'éléments rayonnants
symétriques successifs comportant une phase continûment évolutive entre
deux éléments rayonnants consécutifs, chaque élément rayonnant 20
comportant un motif constitué d'un patch métallique de forme carrée et d'une
ouverture rayonnante pratiquée dans le patch métallique. Les dimensions
respectives du patch métallique par rapport à l'ouverture rayonnante sont
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continûment évolutives d'un élément rayonnant à un autre élément rayonnant
adjacent ce qui permet de disposer d'un grand nombre de phases différentes
entre 00 et 360 , modulo 3600 à répartir sur un réseau réflecteur en fonction
de la loi de phase rayonnée désirée. Les différentes phases successives
sont obtenues sans rupture brusque des dimensions du patch par rapport à
l'ouverture rayonnante grâce à l'apparition de l'ouverture rayonnante au
centre du patch métallique et à l'augmentation progressive des dimensions
de l'ouverture rayonnante jusqu'à la disparition dudit patch métallique puis à
l'apparition au centre de l'ouverture rayonnante d'un nouveau patch
métallique dont les dimensions augmentent progressivement jusqu'à la
disparition de l'ouverture rayonnante.
En modifiant l'angle d'inclinaison de deux côtés opposés du patch
métallique de chacun de ces éléments rayonnants de façon à transformer la
forme carrée en trapèze, il est possible de contrôler la phase des
coefficients
de réflexion croisés de ces éléments rayonnants sans modifier sensiblement
les coefficients de réflexion principaux. Les figures 8a et 8b montrent les
diagrammes d'évolution de la phase et de l'amplitude des coefficients de
réflexion croisés pour un élément rayonnant soumis à une onde incidente
oblique et comportant deux côtés inclinés 81, 82 ou 83, 84 selon des
directions opposées de manière à former un trapèze, l'angle d'inclinaison des
côtés variant entre -10 et +10 par rapport à la direction YY' pour la figure
8a ou par rapport à la direction XX' pour la figure 8b. Dans ces deux figures,
l'amplitude des coefficients de réflexion croisés varie très faiblement alors
que la phase
Les figures 9a et 9b montrent d'autres diagrammes d'évolution de
la ;.-)hasz et de 1' amplitude d .ss coefficients de retlemon croisés icrsque
det.,x
côtés opposés sont inclinés d'un même angle selon une même direction de
façon à obtenir un parallélogramme.
Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des modes de
réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement
limitée et
qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi
que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.
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