Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
CA 02342953 2001-03-29
ELEMENT RAYONNANT HYPERFREQUENCE
BI-BANDE
La présente invention concerne un élément rayonnant fonctionnant selon
deux bandes ou deux sous-bandes distinctes et à polarisation circulaire
dans le cadre, par exemple, d'applications du type radar ou de
télécommunications par satellite dans le domaine des hyperfréquences.
Dans le cas des télécommunications, ce type d'élément rayonnant est plus
particulièrement destiné à être intégré dans une antenne disposée à bord
d'un satellite ou au sol afin de permettre la communication entre les
différents ensembles du système.
L'exploitation de bandes de fréquences différentes ou de différentes plages
d'une même bande, telle que dans la bande Ka 20/30 GHz par exemple,
nécessite l'emploi de dispositifs rayonnants capables de fonctionner sur une
bande très large.
Cette nécessité d'une bande de fréquence relativement large est encore plus
flagrante lorsque l'élément rayonnant doit fonctionner selon deux sous-
bandes de fréquences différentes pour l'émission et la réception.
En effet, dans ce cas, il importe que ces sous-bandes de fréquences soient
relativement éloignées afin d'éviter que les signaux d'émission et de
réception ne se perturbent mutuellement.
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Or, les dispositifs rayonnants connus fonctionnant sur une bande
relativement large sont volumineux, donc onéreux à fabriquer et complexes
à mettre en oeuvre.
De plus, ce type de dispositif à large bande possède, du fait de leur
structure, une efficacité de surface relativement limitée.
On a été conduit, de manière connue, à développer des éléments
rayonnants fonctionnant selon plusieurs bandes ou plusieurs sous-bandes
d'une même bande de fréquence.
On connaît, par la demande de brevet européen 0 130 111, une source
radar capable d'émettre au moins deux fréquences, de manière par
exemple à disposer d'une grande résolution grâce à une fréquence élevée,
et d'une longue portée par l'intermédiaire d'une fréquence basse.
Cette source radar emploie quatre guides d'ondes entourant un cinquième
guide.
Les quatre guides périphériques sont aptes, par exemple, à fonctionner
selon la bande Ku centrée sur 16 GHz et le guide central en bande X
centrée sur 10 GHz.
Cependant, un tel dispositif ne fonctionne que selon une polarisation
linéaire, la polarisation circulaire nécessitant l'ajout d'un coupleur hybride
qui entraîne une augmentation de la taille du dispositif ainsi que de son
coût. De plus, les coupleurs hybrides à haute fréquence entraînent des
pertes importantes dans le circuit.
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De tels dispositifs connus nécessitent également un système d'alimentatio-
volumineux et complexe pour assurer un rayonnement correct, ce qui induit
un encombrement et un coût encore plus importants.
De plus, une antenne comportant une telle source est destinée à
fonctionner selon un rapport de fréquences extrêmes supérieur ou égal à 6,
rapport qui n'impose pas d'importantes contraintes de fonctionnement du
fait de l'écart existant entre les fréquences extrêmes.
Cependant, dans le cas d'un rapport de fréquences extrêmes compris entre
1.22 et 2, une telle antenne n'est pas efficace du fait des interactions
existant entre les différentes parties de l'antenne.
On connaît, en outre et notamment par la demande de brevet français 98
06200, des antennes dites "planes" fonctionnant par l'intermédiaire de
circuits du type circuits intégrés et permettant de ne pas employer de
coupleur hybride.
Cependant, le fonctionnement des antennes planes dans un rapport de
fréquences compris entre 1.22 et 2 entraîne, du fait notamment de leur
compacité, d'importantes pertes dues au couplage des éléments travaillant
en bandes haute et basse.
Dans ce contexte, la présente invention a pour but de palier ces
inconvénients en proposant un élément rayonnant hyperfréquence bi-
bande de taille réduite et ne connaissant que de faibles pertes, la
polarisation circulaire étant générée par la partie rayonnante de l'antenne
elle-même sans avoir à prévoir de circuit additionnel tel qu'un coupleur
hybride par exemple.
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A cette fin, selon un aspect de l'invention, un élément rayonnant
hyperfréquence
comportant des premiers et des seconds moyens aptes à véhiculer des ondes
électromagnétiques respectivement à une première et une seconde bandes de
fréquences, est caractérisé en ce que les guides d'ondes constituant les
premiers et seconds moyens comportent, chacun à leur extrémité, un polariseur,
les deux polarisateurs étant imbriqués l'un dans l'autre.
Selon une première forme de réalisation, les seconds moyens comportent
également un guide d'ondes creux et métallique.
Selon une seconde forme de réalisation, les seconds moyens comportent un
guide comprenant un coeur et une gaine tous deux en matériau
diélectrique, ledit gûide diélectrique étant, par exemple, une fibre
hyperfréquence apte à ne propager que le mode hybride H 1 1.
De préférence, les polariseurs présentent une section transversale de forme
réctangulaire ou elliptique.
Selon une forme préférée du second mode de réalisation de l'élément
rayonnant de l'invention, la géométrie du guide diélectrique est telle que la
polarisation des ondes électromagnétiques est circulaire.
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De préférence, le caeur du guide diélectrique comporte un prolongement
émergeant de la gaine dudit guide et présentant une section transversale de
forme elliptique, rectangulaire ou ellipsoïdale.
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L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit se
rapportant à un exemple de réalisation illustratif mais en aucun cas
limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- La figure 1 est une vue schématique en perspective d'une
première forme de réalisation d'un élément rayonnant
selon l'invention ;
- La figure 2 une vue schématique filaire en perspective de
l'élément rayonnant de la figure 1 selon un autre angle de
vue ;
- La figure 3 est une vue de côté de l'élément rayonnant de
la figure 1 ;
- La figure 4 est une vue schématique en perspective d'une
seconde forme de réalisation d'un élément rayonnant
selon l'invention.
La figure 1 représente une vue schématique en perspective d'une première
forme de réalisation d'un élément rayonnant 1 selon l'invention.
L'élément rayonnant 1 comporte un premier accès d'excitation 2 générant
l'onde destinée à être propagée. L'accès d'excitation 2 est, dans le mode de
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réalisation de la figure 1, de type coaxial, comportant une partie
périphérique tubulaire 2a et une partie centrale 2b, cylindrique et disposée
au centre de la partie périphérique 2a (voir figures 2 et 3).
A noter que l'accès d'excitation 2 pourrait utiliser toute autre technique
d'excitation connue telle que triplaque et autre, ou encore être constitué
d'un autre guide.
L'accès d'excitation 2 est lié, par l'intermédiaire de la partie centrale 2b
et
de façon connue, à une première extrémité d'un premier guide d'ondes
d'alimentation 3 apte à fonctionner, par exemple, dans la bande Ka aux
environs de 30 GHz, et plus exactement entre 27.6 et 29 GHz.
Le guide d'alimentation 3 (ci-après guide 3), perpendiculaire à l'accès
d'excitation 2 et présentant une forme de conduit creux et allongé d'axe
longitudinal Z, à section transversale rectangulaire, permet de propager les
ondes électromagnétiques polarisées linéairement.
A l'extrémité opposée de celle où se trouve l'accès d'excitation 2, le guide 3
comporte, dans son prolongement dans le sens de l'axe Z du guide 3, une
section de transition composée d'un transformateur d'adaptation 4.
Le transformateur d'adaptation 4 est constitué d'un guide creux ayant une
section de forme identique à celle du guide 3 mais de dimensions plus
grandes, sauf la direction longitudinale parallèle à l'axe Z.
Le guide 3 est centré et aligné sur le transformateur d'adaptation 4, les
différentes faces constituant le guide 3 et le transformateur d'adaptation 4
étant parallèles entre elles.
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Dans le prolongement du transformateur d'adaptation 4 se trouve un
polariseur 5, travaillant à 30 GHz, creux également, parallélépipédique, de
section transversale rectangulaire et de dimensions plus importantes que
celle du transformateur d'adaptation 4.
Afin de générer la polarisation circulaire du signal, le polariseur 5 est
décalé angulairement de 45 degrés autour de l'axe Z par rapport au
transformateur d'adaptation 4 qui se trouve, lui, dans l'alignement du guide
3.
Le polariseur 5, ici de section rectangulaire, peut aussi bien être de forme
elliptique afin d'obtenir la polarisation circulaire du signal.
Ces trois éléments, le guide 3, le transformateur d'adaptation 4 ainsi que le
polariseur 5, sont, par exemple, métalliques et associés bout à bout, au
niveau de l'une de leurs faces, par toute technique connue telle que
soudure, usinage, électroérosion ou réalisés par moulage.
On notera, en outre, que plusieurs sections de transition telles que le
transformateur d'adaptation 4 peuvent être prévues dans la forme de
réalisation représentée aux figures 1 à 3, entre le guide 3 et le polariseur
5.
Le premier guide 3 est disposé, de manière coaxiale, à l'intérieur d'un
second guide d'alimentation 6, creux et de section sensiblement
rectangulaire mais de dimensions plus grandes que celles du premier guide
3. Les faces respectives des guides 3 et 6 sont parallèles entre elles.
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Le second guide 6 comporte, sur l'une de ses faces les plus grandes, un
léger décrochement vers l'intérieur formant une rainure 6a de section
rectangulaire et parallèle à l'axe Z du guide 3.
Cette rainure 6a, appelé aussi "ridge", permet de limiter la propagation des
ondes électromagnétiques transportées par le guide comportant une telle
rainure 6a au seul mode fondamental.
Un guide comportant un tel ridge 6a est dit guide ridgé.
Le second guide 6, plus court que le premier guide 3 dans la direction de
l'axe Z, est associé à un second accès d'excitation 7 du type coaxial. Toute
autre technique que le coaxial est là aussi envisageable.
Le second guide 6 travaille également dans la bande Ka aux environs de
GHz et par exemple entre 17.8 et 19.2 GHz.
Le premier guide 3 est solidarisé au second guide 6 au niveau du ridge 6a,
la largeur du dit ridge 6a correspondant à la largeur du premier guide 3.
Dans le prolongement du second guide d'alimentation 6 se trouve une
section de transition composée d'un transformateur d'adaptation 8.
Le transformateur d'adaptation 8 est un guide comportant un ridge 8a
(guide ridgé), dont la section transversale est de même forme que celle du
second guide d'alimentation 6 mais de dimensions plus importantes.
Les ridges 6a et 8a sont ainsi alignés et parallèle à l'axe Z du premier guide
3.
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Du côté opposé à celui où se trouve le second guide 6, le transformateur
d'adaptation 8 est associé à un polariseur 9.
Le polariseur 9 présente une section transversale sensiblement
rectangulaire, de dimensions suffisamment importantes pour contenir, au
moins en partie, le polariseur 5 de la bande haute.
Comme le polarisateur 5, le polarisateur 9 est décalé angulairement de 45
degrés autour de l'axe Z par rapport au transformateur d'adaptation 8 et au
guide 6 de manière à générer une polarisation circulaire du signal.
Le polariseur 9 peut présenter une forme différente comme, par exemple,
une section transversale elliptique, capable de générer, à partir de la
polarisation linéaire du signal se propageant dans le guide 6 et le
transformateur d'adaptation 8, une polarisation circulaire.
Dans la forme de réalisation des figures 1 à 3, la géométrie et
l'agencement des différentes parties de l'élément rayonnant 1 sont tels que
les polariseurs 5 et 9 sont orientés de la même façon, leurs faces
respectives étant parallèles entre elles. Cette disposition relative des
polariseurs 5 et 9 permet d'obtenir une polarisation circulaire de même
sens pour les deux bandes.
Cependant, dans le cas de polarisations circulaires opposées, les
polariseurs 5 et 9 seront orientés relativement à 90 .
Ainsi, l'élément rayonnant 1 de la présente invention permet d'obtenir, selon
la disposition relative des polariseurs 5 et 9, quatre configurations
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différentes de polarisation circulaire : droite/droite, droite/gauche,
gauche/droite et gauche/gauche.
La figure 2 est une vue schématique filaire en perspective de l'élément
5 rayonnant de la figure 1, selon un angle de vue différent de celui de la
figure 1, où l'orientation mutuelle des différentes pièces apparaît.
L'élément rayonnant 1 est donc constitué d'un premier et d'un second
circuits coaxiaux à accès indépendants : le premier composé de l'accès
10 d'excitation 2, du guide d'alimentation 3, du transformateur d'adaptation 4
et du polariseur 5 et travaillant en bande haute (30 GHz), le second circuit
comprenant l'accès d'excitation 7, le guide ridgé d'alimentation 6, le
transformateur d'adaptation 8 et le polariseur 5 et travaillant en bande
basse (20 GHz).
La vue de côté de la figure 3 montre de nouveau la disposition relative des
différentes parties de l'élément rayonnant, et notamment la position relative
des polariseurs 5 et 9.
Le polariseur 5 est en grande partie contenu dans le polariseur 9, ne
dépassant que légèrement dans le sens de l'axe Z. Cependant, selon des
variantes de réalisation, le polariseur 5 (30 GHz) peut également se trouver
totalement inclus ou entièrement en dehors du polariseur 9 (20 GHz).
Les guides d'alimentation 3 et 6 débouchent quant à eux respectivement,
par l'intermédiaire des transformateurs d'adaptation 4 et 8, dans les
polariseurs 5 et 9.
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L'élément rayonnant 1 est donc apte à fonctionner selon deux bandes de
fréquences différentes, ou plus exactement deux sous-bandes à accès
indépendants, l'une servant à l'émission (bande haute), l'autre servant à la
réception (bande basse).
La géométrie particulière de l'élément rayonnant 1 permet de plus d'obtenir
une polarisation circulaire des ondes électromagnétiques.
La figure 4 montre, en vue schématique filaire en perspective, une seconde
forme de réalisation d'un élément rayonnant 1 selon l'invention.
Les parties de l'élément rayonnant 1 identiques à celles de la première
forme de réalisation des figures 1 à 3 portent les mêmes référence.
On retrouve ainsi la partie bande basse (20 GHz) complète de l'élément
rayonnant 1 avec :
- l'accès d'excitation 7,
- le guide d'alimentation ridgé 6,
- le transformateur d'adaptation 8 mais ne comportant pas
de ridge,
- le polariseur 9.
Outre l'absence de ridge sur le transformateur d'adaptation 8, la différence
avec le premier mode de réalisation de l'élément rayonnant 1 se situe au
niveau du circuit haute fréquence.
L'élément haute fréquence comporte un accès d'excitation coaxial 2
identique à celui de la forme de réalisation des figures 1 à 3 associé à une
première extrémité d'un guide métallique d'alimentation 10 semblable au
guide 3 des figures précédentes.
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En effet, le guide 10 est de section transversale identique à celle du guide 3
mais de longueur (suivant l'axe Z) inférieure. Le guide 10 est logé dans le
guide 6, au niveau du ridge 6a, de la même façon que le guide 3 dans les
figures 1 à 3.
Le guide 10 s'interrompt sensiblement au niveau de la jonction entre le
guide 6 et le transformateur d'adaptation 8, toute autre configuration
restant possible. Là, le guide 10 est couplé de manière connue à une fibre
hyperfréquence 11 disposée dans le prolongement du guide 10.
La fibre hyperfréquence 11 est un guide diélectrique d'axe confondu avec
l'axe Z et propageant uniquement le mode hybride M11 (mode
fondamental).
La fibre 11 comporte, à la manière d'une fibre optique, un coeur plein
cylindrique 12 entouré d'une gaine creuse 13 de forme tubulaire. Le coeur
12 et la gaine 13, peuvent être, par exemple, montés l'un dans l'autre selon
un ajustement serré, ou glissant avec une solidarisation achevée par un
collage.
Idéalement, la fibre hyperfréquence est réalisée de façon connue en
matériau diélectrique du type dit "à saut d'indice", la gaine 13 présentant un
indice relativement élevé (minimum 10 par exemple) afin d'assurer un bon
confinement du mode hybride H 11. Idéalement, l'indice du corur 12 est
légèrement supérieur à celui de la gaine 13.
Les matériaux pouvant être utilisés sont par exemple : le saphir synthétique,
l'oxyde de Berilium, l'alumine...
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Le couplage entre le guide 10 et la fibre hyperfréquence 11 se fait par
l'intermédiaire du caeur 12 qui présente, à son extrémité proche de l'accès
d'excitation 2, un prolongement 12a pénétrant dans le guide 10. Ce
prolongement 12a est de forme sensiblement conique s'évasant dans la
direction de l'axe Z.
De façon avantageuse et afin de se passer de l'emploi d'un polariseur pour
la haute fréquence, la fibre hyperfréquence 11 présente une géométrie telle
qu'elle permet la génération d'une polarisation circulaire grâce à la
génération de deux modes orthogonaux H 11.
Pour cela, le cceur 12 de la fibre hyperfréquence 11 se prolonge en dehors
de la gaine 13 du côté opposé à celui du premier prolongement 12a en un
second prolongement 12b de forme, vu en section transversale, elliptique.
Contrairement à la forme de la partie du caeur 12 qui se trouve entourée
de la gaine 13, la forme particulière ellipsoïdale (de grand axe parallèle à
l'axe Z) de la partie rayonnante 12b du cceur 12 de la fibre 11 permet une
génération de la polarisation circulaire des ondes de façon simple et sans
avoir à prévoir de pièces supplémentaires.
Comme pour la première forme de réalisation des figures 1 à 3, la partie
de l'élément rayonnant 1 travaillant en bande haute se trouve disposée
coaxialement dans la partie métallique creuse travaillant en basse bande.
Ainsi, le guide d'alimentation 10 et la fibre hyperfréquence 11 traversent le
guide d'alimentation ridgé 6, le transformateur d'adaptation 8 ainsi que le
polariseur 9.
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L'invention ne se limite pas aux formes de réalisations décrites en liaison
avec les figures 1 à 4, d'autres géométries ou agencements étant
envisageables pour les différents éléments, notamment pour les guides
d'alimentation 3, 6, 10, les polariseurs 5 et 9 ou la fibre 11, afin de
générer
une polarisation circulaire des ondes dans l'élément rayonnant coaxial 1.
Quelle que soit la géométrie adoptée, l'invention permet d'obtenir un
élément rayonnant bi-bande présentant un encombrement réduit, apte à
générer une polarisation circulaire sans faire appel à des circuits
complémentaires, possédant un accès indépendant pour chaque sous-
bande de fréquences et pouvant présenter un rapport de fréquence de
fonctionnement compris entre 1.22 et 2.
Ce type d'élément rayonnant est particulièrement adapté aux hautes
fréquences, comme celles de la bande Ka par exemple.
