Brevet FR2050408A1 — publié le 19710402

La présente invention a pour objet des systèmes d'antennes, et plus particulièrement un réseau d'antennes imprimées alimenté à partir d'un circuit incorporé. Les systèmes de réseau d'antennes à micro-ondes, 5 légers, robustes, bon marché et compacts trouvent un large emploi à la fois dans les applications commerciales et militaires» Les systèmes d'aS.tennes imprimées, constitués généralement de plusieurs dipôles sur la surface d'un tableau de cirouit à faible constante diélectrique, présentent les caractéristiques souhaitées. 10 L'alimentation de plusieurs dipôles est effectuée soit par plusieurs lignes d'alimentation des deux côtés du tableau isolant, soitdans un plan différent de celui des dipôles» Les dipôles sont généralement disposés" en rangées, leâ dipôles de chaque rangée étant espacés approximativement d'une demi-longueur d'onde des 15 lignes d'alimentation et des dipôles croisés, si bien que les dipôles sont alimentés à phase égale* Ce type de système présente une bande étroite. L'invention a donc pour objet un système d'antennes imprimées perfectionné à large bande. 20 En résumé, le système d'antenne conforme à l'invention comprend une feuille de matériau diélectrique, plusieurs éléments dipôles planaires, la moitié de chaque élément de dipôle étant fixée sur une surface de la feuille, et la seconde moitié de chaque élément de dipôle étant fixée sur la surface opposée de cette 25 feuille, et les dispositifs d'alimentation comprennent deux bandes conductrices étroites placées en sens inverse sur les surfaces larges de la feuille diélectrique, à partir d'un centre d'alimentation commun aux éléments de dipôle, la longueur comprise entre le centre d'alimentation commun et l'un^des éléments du-dipôle 30 étant égale à celle entre le centre d'alimentation commun et tout autre élément de dipôle. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée iniquement à titre d'exemple non limiifatif, en référence au dessin annexé 35 dans lequel s - la figure 1 représente le schéma de montage général du système d'antennes conforme à un mode de réalisation de l'invention, 70 11449 2 2050408 - la figure 2 représente une surface large de la feuille de matériau isolant, avec une partie de la ligne d'alimentation et des dipôles; - la figure 3. représente la surface opposée de cette 5 feuille* avec une partie des lignes d'alimentation et des dipôles, - la figure 4 est une vue en coupe d'une partie de l'antenne conforme à un mode de réalisation de l'invention, » la figure 5 est une vue en coupe des centres d'alimentation du système d'antennes, et 10 - la figure 6 est un schéma de circuit représentant le circuit d'adaptation d'impédance» Les figures 1, 2 et 3, représentent le schéma de montage général des dipôles 11 alimentés par les centres en éventail, et la ligne d'alimentation 13 du système d'antennes 10 à panneau de 15 circuit imprimé conforme à un mode préféré de réalisation de l'invention „ Les dipôles en éventail 11 et les lignes d'alimentation 13 sont placés sur une feuille isolante 15 d'une épaisseur d'environ 0,8 mm, le matériau diélectrique étant par exemple en polyoléfine à faibles pertes diélectriques,dont"la constante diélec-20 trique est égale à 2,32» La moitié 12 de chaque élément de dipôle 11 est placée sur la surface de la feuille 15, et l'autre moitié 14 de chaque élément de dipôle 11 est placée sur la surface opposée de cette feuille» La face de la feuille 15 portant les parties 14 est représentée sur la figure 1, les moitiés 12 placées 25 sur la face opposée de la feuille 15 n'étant pas visibles sur la figure 1, sont représentées en pointillés» Comme il apparaît sur les figures 2 et 3s les lignes d'alimentation 13 sont constituées par une ligne de transmission du type à un conducteur 17 sur une surface, et un second conducteur 19 sur la surface opposée» 30 Les conducteurs 17 représentés sur la figure 2 sont couplés à la moitié 12 de chaque élément de dipôle 11 sur cette surface, et les conducteurs 19 sur la surface opposée représentée sur la figure 3, sont couplés à la moitié 14 de chaque dipôle 11, sur la surface opposée» 35 Le léger décalage dû à l'épaisseur de la feuille isolante entre les deux moitiés de chaque dipôle est négligeable électriquement, et élimine la nécessité d'utiliser des connexions qui 70 11449 3 2050408 traversent la feuille, nécessaires lorsque les deux moitiés des dipôles sont sur une même face de la feuille. La figure 1 sera décrite en détail, en rappelant que les lignes d'alimentation sont placées sur les deux faces du 5 matériau diélectrique 15, la ligne d'alimentation sur une surface étant.couplée à la moitié de l'élément de dipôle sur cette surface, et la ligne d'alimentation sur la surface opposée des feuilles isolantes étant couplée à la moitié de l'élément de dipôle sur cette surface opposée. Si les antennes doivent être" 10 unidirectionnelles, le système 10 à panneau de circuit imprimé portant une moitié du dipôle sur une face et l'autre moitié du dipôle sur la face opposée peut être constitué par de la mousse dans une cuve métallique peu profonde, cette cuve agissant comme réflecteur pour les dipôles. La figure 4 représente une vue en 15 coupe d'une partie de ce montage., Les lignes de transmission 17 et 19 sur les faces de la feuille diélectrique 15 sont espacées d'un réflecteur 23 par une épaisseur de mousse 21. Pour obtenir une protection mécanique et contre les conditions atmosphériques du circuit imprimé, une autre couche de mousse 25 et une seconde 20 feuille de diélectrique 27 peuvent être placées sur la surface opposée de la feuille 15. La figure 5 représente un conducteur coaxial 28, branché près du centre du système d'antennes 10 à panneau de circuit imprimé. Le conducteur extérieur 29 de la ligne coaxiale 25 28 est couplé au conducteur 59 sur une surface, en l'occurrence le fond du panneau à feuille diélectrique 15 à circuit imprimé, aux points 35 et 36, et est également.couplé à la cuve métallique peu profonde ou au réflecteur du fond 23« Le conducteur central 31 de la ligne coaxiale 28 est alimenté à travers la feuille 30 isolante 15 au conducteur 57 des lignes d'alimentation, sur la surface supérieure de la feuille isolante, au point 31, tel que représenté sur les figures 2 et 5= Le conducteur 57 est relié au conducteur 17s et le conducteur 59 est relié au conducteur 19* au point B . Les antennes -dipôles individuelles 11 ont la forme 35 d'éventails, dont l'angle d'ouverture est d'environ 90° de façon à obtenir une largeur de bande d'impédance supérieure. Les dipôles sont alimentés à partir d'un réseau incorporé de sections de 70 11449 4 2050408 lignes de transmission équilibrées reliés aux points 37 et 39 de la figure 1„ Les conducteurs 17 et 19, constituant les lignes d'alimentation à partir des points 37 et 39 des dipôles, sur les faces opposées de la feuille isolante, sont de même 5 largeur, pour que les lignes soient équilibrées à partir des points 37 et 39 aux dipôles 11. La largeur du conducteur 17, du point B au point 37, et du point B au point 39, sur la surface de la feuille isolante 15, varie de façon qu'une impédance équilibrée de 50 ohms aux points 37 et 39. soit transformée en 10 une impédance équilibrée de 100 ohms au point B (figure 2)„-La largeur de la ligne sur la surfa'ce opposée du panneau 15 ne varie pas du point B aux points 37 ou 39 (figure 3). Lorsque les deux moitiésdu réseau sont jointes, comme dans l'exemple représenté, on obtient une impédance de 50 ohms. L'impédance de la 15 ligne au point de branchement d'entrée coaxiale, à travers les points 31, 35 et 36, est également de 50 ohms pour adapter l'impédance de la li^ne coaxiale. L'impédance de la ligne du point B au point 31 est adaptée par une section de ligne à bandes parallèles dans laquelle, tel 20 que réprésenté sur les figures 2 et 3, le conducteur 57 représenté sur la figure 2 est beaucoup plus étroit que le conducteur 59 représenté sur la figure 3, de façon à obtenir une ligne de transmission à bandes parallèles. Un dispositif d'adaptation d'impédance à vernier58, est formé par une petite bande de matériau diélectrique 25 avec un conducteur en cuivre par exemple sur la surface supérieure. Pour obtenir une adaptation d'impédance entre la ligne coaxiale 28 à travers les points 31 et 35, 36 et B, avec un faible taux d'ondes stationnaires à la fréquence souhaité^ on fait varier la longueur de la bande 58 et sa position le long.de la ligne à bandes parallèles. 30 Lorsque la position souhaitée de cette bande est obtenue, celle-ci peut être simplement collée sur la surface du conducteur 57. Les lignes d'alimentation sur les extrémités opposées du réseau sont identiques à partir des points 37 et 39 sur la ligne d'alimentation des dipôles 11, et proviennent du même bloc 35 comme décrit en référence à la figure 6. Dans cette figure 6, chacun des quatre éléments de dipôle d'antenne 11 a une impédance de charge ZA, par exemple. Les lignes 43 et 44 représentent 70 11449 2050408 chacune la section de ligne dans le réseau directement relié à un dipôle 11. Par conséquent,il apparaît que la ligne 43 se termine au dipôle 11, constitué des parties 12 et 14. De la même manière, la ligne 44 se termine à un second dipôle 11 constituées moitiés 5 12 et 14. Il faut se rappeler à nouveau que chaque ligne 43 t 44 réprésente un conducteur sur une face de la feuille 15, et un conducteur d'adaptation sur la face opposée. Les configurations des lignes 43 et 44 permettent d'obtenir une impédance caractéristique par exemple. Les lignes 43 et 44 sont identiques, et ont 10 chacune une longueur égale à une demi-longueur d'onde. L'impédance du point de jonction 4^ est de Z"A^g , et est indépendante de la valeur de l'impédance caractéristique Z-j- des lignes 43 et-44. Une ligne 47 ayant une configuration telle que l'on peut obtenir une impédance caractéristique de Zg par exemple, est couplée 15. perpendiculairement aux lignes 43 et 44 au point 45* pour former un T avec ces lignes, et a une longueur égale à un quart de longueur d'onde (A/4) à approximativement la fréquence de fonctionnement moyenne du système d'antenne. L'impédance au point 49 «st éga3e à « O O (Zg) /(ZA^2) ou 2(Zg) /ZA» Une seconde ligne 51 dont la longueur 20 est égale à un quart de l'ongueur d'qnde à approximativement la fréquence de fonctionnement moyenne du système d'antennes, reliée à l'extrémité libre de la ligne 47 au point 49* permettra d'obtenir une impédance au point 53 (longueur d'onde A/4 du point 49) de p Z, ( Z-r étant-l'impédance caractéristique de la ligne 51) divisée p o 25 par l'impédance au point 49 de (Z^Z^ ) (2Zg ). La moitié inférieure 54 du circuit étant identique à la moitié supérieure 41, l'impédance 2 P à'la jonction 53 est divisée par deux c'est-à-dire, (ZAZ^ )/(4Zg )» Si l'impédance caractéristique Z^ de la ligne 51 est alors égale à deux fois l'impédance caractéristique ou Zg de la ligne 47* 30 l'impédance du point 53 sera égale à celle de ZA ou de la charge. Par conséquent, s'il n'y pas de couplage entre les éléments d'antennes, l'impédance d'entrée du réseau d'alimentation inGoporé est égale à l'impédance de charge de l'antenne individuelle.; L'impédance caractéristique Z^ ou Zg peut avoir n'importe quelle valeur 35 souhaitée. Il est seulement nécessaire que Z^ soit égale au double de Zg. Dans la pratique, il est souhaitable de choisir les valeurs, de Z1 et Zg de façon que le taux d'ondes stationnaires soit minimum à travers le réseau. 70 11449 6 2050408 Sur la figure l*|le réseau à quatre éléments de la figure 6 peut être l'un quelv«pque des réseaux à quatre éléments tels que le réseau de quatre éléments 6l de la figure 1. Les charges d'antennes dues aux dipôles 11 sont par exemple de 50 ohms. La 5 section des lignes d'alimentation 62 entre les dipôles 11 et le point commun 63 du réseau a par exemple une longueur égale à une demi-longueur d'onde, pour l'impédance caractéristique de la ligne égale à 50 ohms. L'impédance caractéristique Z2 de la ligne 66 entre la jonction au point 63 et au point 64 est de 10 50 ohms. L'impédance caractéristique Z2 de la ligne 66 entre la jonction au point 63 et au point 64 est de 50 ohms. La longueur de la ligne 66 entre le point 63 et le point 64 est égale à un quart de longueur d'onde» D'après le montage décrit en référence à la figure 6, la longueur de la ligne67 entre le point 64 et le 15 point commun 65 * qui est le point de jonction avec la moitié inférieure du circuit, a également une longueur d'un quart de longueur d'onde. La largeur du conducteur 67 est inférieure à celle de la ligne 66, pour obtenir une impédance caractéristique de 100 ohms. Si l'on considère le réseau à quatre éléments 61 de 20 la figure 1 et de la figure 6 comme une charge, le réseau de dipôles 6Ï est relié à un réseau incoporé similaire à trois autres réseaux similaires à quatre éléments 71* 72 et 73* pour obtenir un réseau à seize dipôles dont l'impédance d'enti'ée totale est* dans cet exemple, de 50 ohms. L'adaptation d'impédance est obtenue 25 par le branchement de A/4 à la jonction, et par le rapport de 2 à 1 de l'impédance caractéristique des deux sections de ligne. Dans cette application, ce procédé se répète encore une fois, jusqu'à ce que quatre réseaux de seize dipôles 75, 76* 77 et 78 soient combinés pour obtenir un réseau de soixante-quatre dipôles'alimentés 30 par le centre 37 de la figure 2. Par conséquent, si l'impédance d'antennes est de 50 ohms l'impédance au point 37 est également de 50 ohms et le taux d'ondes stationnaire théorique maximum à travers le système se situe aux environs de 2 à 1. Si la structure décrite au point 39 se répète à l'autre extrémité du circuit 35 imprimé, on obtient un réseau, qui lorsqu'il combiné au point B a cent-vingt-huit éléments de dipôles à impédance adaptée, aux points 37 et 39,' de 50 ohms.Les lignesd'alimentation ont également 70 11449 7 2050408 La même longueur pour tous les dipôles. Le circuit incorporé du réseau est placé dans le même plan que celui du réseau de dipôles. Des entailles 81 d'un quart de longueur d'onde telles que représentées sur la figure 1, sont effectuées dans les jonctions en T, où lés lignes horizontales rejoignent les lignes verticales. Ces entailles interrompent les courants qui peuvent être induits dans les deux lignes conductrices par les dipôles d'antennes, et dont l'intensité est égale, et les sens identiques. Le mode "Push-push" qui résulte de cette interruption de courant de même sens empêche toutes radiations de la ligne de transmission, non souhaitées. La largeur de l'entaille est suffisamment faible par rapport à la largeur de la ligne, pour que l'impédance caractéristique de la ligne en mode "push-pull" ne varie pas considérablement. L'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites et l'homme de l'ârt pourra y apporter diverses modifications sans po\^r autant sortir de son cadre. 70 11449 8 2050408 5_?»Y_?_5_Ç_ï-2_â_ï_î-2_0 1, Système d'antennes comprenant une feuille de matériau diélectrique, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs éléments 5 de dipôles planaires, une première moitié de chaque élément de dipôle étant fixée à une surface de la feuille, et la seconde moitié de chaque élément de dipôle étant fixée à une surface de ia feuille et la seconde moitié de chaque élément de dipôle étant fixée à la. surface opposée de cette feuille,et uidispositif d'alimen-10 tation composé de deux bandes conductricesétroltesen sens opposé sur les surfaces larges de la feuille diélectrique, à partir d'un centre commun de plusieurs éléments de dipôles, la longueur comprise entre ce centre et l'un des éléments de dipôle étant égale à celle comprise entre le centre et n'importe quel autre élément de 15 dipôle» 2. Système d'antennes selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments de dipôles sont placés sur la feuille de façon que les dispositifs d'alimentation soient horizontaux et verticaux par rapport au centre d'alimentation commun aux éléments, 20 les dispositifs d'alimentation horizqntaux à la jonction avec les dispositifs d'alimentation verticaux présentant une entaille de façon que les courants d'intensité égale s'écoulent dans le même sens et ne passent pas dans les dispositifs d'alimentation» 3» Système d'antennes selon l'une des revendications 1 ou 25 2, caractérisé en ce que les éléments de dipôle sont disposés de façon que chaque élément de quatre dipôles soit alimenté par un réseau incorporé d'un quart de longueur d'onde, et des transformateur d'un quart de longueur d'onde pour la fréquence de fonctionnement moyenne du système d'antennes» 30 4» Système d'antennes selon l'une des revendications 1, 2 ou 3i caractérisé en ce que l'impédance d'entrée du centre commun d'alimentation est égale à l'impédance de charge d'un élément de dipôle individuel» 5» Système d'antennes selon l'une des revendications 35 précédertes, caractérisé en ce que la largeur des bandes conductrices étroites depuis un point déterminé sur les dispositifs d'alimentation jusqu'auxéléments de dipôle est égale sur les deux faces de la feuille„ 70 11449 9 2050408 6= Système d'antennes selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les dispositifs d'alimentation sont adaptés pour une longueur donnée depuis le centre d'alimentation, et-depuis l'extrémité de cette longueur donnée éloignée de 5 ce centre jusqu'aux éléments de dipôle. 7» Système d'antennes selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'une des bandes conductrices formant cette longueur donnée du dispositif d'alimentation a une largeur constante* et la seconde bande conductrice formant la longueur donnée du disposi-10 tif d'alimentation a une largeur décroissante pour obtenir un déséquilibrage, le centre d'alimentation commun étant situé à l'extrémité la plus étroite de cette longueur»