Brevet FR2518827A1 — publié le 19830624

? DISPOSITIF D'ALIMENTATION D'UN DIPOLE RAYONNANT La présente invention concerne un dispositif d'alimentation d'un dipôle rayonnant, comprenant une ligne à fente photogravée. L'ensemble dipôle-ligne à fente constitue une source rayonnante, fonctionnant dans le domaine des hyperfréquences et est utilisable à l'émission comme à la réception, soit comme source primaire soit, comme élément rayonnant d'une antenne à balayage électronique, que cette antenne soit constituée par un réseau linéaire ou bi- dimentionnel A titre d'application particulière, l'invention vise à la réalisation d'une antenne à balayage électronique. Jusqu'à maintenant, l'alimentation directe d'un dipôle se fait au moyen d'une ligne coaxiale ou d'un guide d'ondes par -exemple. Dans ce dernier cas, le dipôle est alors monté sur une plaque métallique s'emboîtant dans l'ouverture du guide d'ondes, suivant le plan médiateur longitudinal de celui-ci En plus des difficultés de réalisation industrielle, une telle alimentation présente l'incon- vénient d'un encombrement important Le guide d'ondes peut éga-. lement être constitué par une lame diélectrique métallisée, comme il est décrit dans le brevet f rançais N O 2 452 804 au nom de la demanderesse. L'objet de linvention est un dispositif d'alimentation d'une source rayonnante du type dipôle alimentée par une ligne à fente, présentant entre autre, comme avantage, un faible encombrement radioélectrique, permettant l'utilisation d'une telle source comme élément d'une antenne réseau linéaire ou bi-dimentionnelle à petit pas de répartition mesuré en longueur d'onde > Selon une caractéristique de l'invention, le dispositif d'alimen- tation d'un dipôle rayonnant comprend, placée à l'intérieur d'un boîtier métallique parallèlépipèdique de longueur Li parallèlement à ses grands côtés, une ligne à fente réalisée sur une face d'une plaquette de matériau diélectrique dont la longueur L 2 est au moins égale à la longueur Li du bottier, ladite ligne à fente ayant une longueur L 3 inférieure ou égale à L 1 et étant constituée de deux rubans conducteurs parallèles, de largeur S constante, dont les bords en vis à vis sont séparés par une distance d déterminant la largeur de la ligne à fente et dont les deux autres bords opposés aux précédents sont en contact électrique avec les parois internes du boîtier, la largeur l des rubans décroissant à partir de l'extrémité de la ligne à fente pour réaliser une transition entre cette dernière et un tronçon de ligne bifilaire (située dans le prolongement de la ligne à fente et) aboutissant aux brins d'un dipôle. 18 Un avantage particulièrement intéressant d'un dispositif d'ali- mentation réalisé par une ligne à fente, sur substrat diélectrique est sa combinaison avec un déphaseur hyperfréquence à diodes par exemple réalisé également, sur substrat diélectrique En effet, le déphaseur, l'alimentation et l'élément rayonnant sont tous les trois connectés directement pour constituer un module, pouvant être. avantageusement utilisé dans une antenne à balayage électronique. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention appa- raîtront dans la description qui suit, illustrée par les figures suivantes qui représentent: les figures 1 et 2: deux modes de réalisation d'une source rayonnante constituée par un dipôle alimenté par une ligne à fente, selon l'invention; les figures 3 à 7: des coupes longitudinales de différents modes de réalisation d'une source rayonnante alimentée selon l'in- vention; -la figure 8: une partie d'une antenne réseau constituée de sources rayonnantes alimentées avec le dispositif selon l'invention; la figure 9: un dispositif d'alimentation selon l'invention, comportant un réseau de fils parallèles. Les éléments portant les mêmes références dans les diffé- rentes figures remplissent les mêmes fonctions et aboutissent à des résultats semblables. La figure 1 montre une source rayonnante constituée par un dipôle alimenté par une ligne à fente, selon l'invention Cette source 18827 comprend un boîtier ( 1) métallique parallélépipédique, de longueur LI, à l'intérieur duquel est placée une plaquette ( 2) de matériau diélectrique Cette dernière dont la longueur L 2 est au moins égale à la longueur L 1 du bottier, est disposée parallèlement aux grands côtés ( 3 et 4) du boîtier ( 1 > Sur une face de la plaquette ( 2) sont disposés deux rubans ( 6 et 7) conducteurs parallèles, de largeur S constante, dont les deux bords ( 8 et 9) en vis à vis l'un de l'autre sont séparés par une distance d constante et dont les deux autres bords ( 10 et 11), opposés aux précédents ( 8 et 9) sont en contact électrique avec les faces internes du boîtier ( 1) Ces deux rubans ( 6 et 7), équivalents à deux plans métalliques parallèles, réalisent ainsi une ligne à fente ( 12) de largeur d et de longueur L 3 inférieure ou égale à la longueur L 1 du boîtier. Au delà de la ligne à fente ( 12), les rubans conducteurs ( 6 et 7) se rétrécissent en largeur pour constituer une transition ( 13) entre la ligne à fente ( 12) et un tronçon de la ligne bifilaire ( 14) située dans le prolongement de la ligne à fente et aboutissant aux brins ( 15 et 16) d'un dipôle ( 17) Au niveau de la transition, la largeur 1 des rubans conducteurs peut décroître rectilignement, exponentiel lement, en escaliers, ou de façon quelconque, que les bords 8 et 9 des rubans restent ou non parallèles entre eux. Dans le cas particulier de réalisation pratique, représenté sur la figure 1, la ligne à fente ( 12), la transition ( 13), le tronçon de ligne bifilaire ( 14) et les brins du dipôle ( 17) sont photogravés sur la plaquette diélectrique ( 2) dont la largeur, égale à 2 J+ d dans le boîtier ( 1), est égale ou supérieure à cette valeur à l'extérieur du - boîtier La ligne à fente ( 12) est excitée par une ligne coaxiale ( 100), disposée perpendiculaire à la fente contre le boîtier métallique ( 1). L'âme de cette ligne coaxiale se prolonge par un fil photogravé ( 101) sur la plaquette diélectrique ( 2), sur la face opposée à celle de la ligne à fente, la transition entre ce fil et la fente étant constituée par une aile de papillon d'adaptation métallisée ( 102) quart d'onde. Ce dernier ainsi que le fil ( 101) sont dessinés en pointillés sur la figure 1 Dans un autre cas particulier de réalisation représenté sur 225 18827 la figure 2, cette plaquette peut être découpée suivant la largeur des rubans réalisant la transition ( 13) et la ligne bifilaire ( 14) mais toutes les formes de découpes entre ces deux cas sont également possibles Le substrat diélectrique peut être par exemple de la céramique ou du verre époxy. De façon pratique, la plaquette diélectrique ( 2) peut reposer sur deux épaulements ou dans deux rainures ( 109) réalisées sur les parois internes du boîtier ( 1) Pour assurer le meilleur contact électrique possible entre les 6 ords 10 et 11 de la ligne à fente ( 12) et le boîtier, ceux-ci sont soudés ou collés à l'aide d'une colle conduc- trice aux parois internes du boîtier Ainsi, sont assurés à la fois une bonne tenue mécanique de la plaquette ( 2) par rapport au boitier ( 1) et un bon contact électrique de la ligne à fente ( 12) avec le-boîtier, la ligne à fente ( 12) étant de plus placée à Pintérieur de ce dernier de façon à éviter tout mode de propagation ailleurs que dans la fente ellemême La plaquette diélectrique ( 2) supportant la ligne à fente est placée sensiblement dans le plan médian longitudinal du boîtier ( 1) pour éviter une dissymétrie de la figure de champ. Le boîtier, placé ainsi sous coupure est équivalent à deux plans parallèles métalliques infinis par rapport à la ligne à fente Le boîtier ( 1) est donc un blindage et ne doit pas se comporter comme un guide d'ondes rayonnant sauf dans certains cas très particuliers o la source rayonnerait deux ondes polarisées orthogonalement, le guide émettant une onde de polarisation croisée par rapport à celle émise par la ligne à fente. Le dipôle rayonnant peut être un dipôle onde entière ou demi- onde, ses brins ( 15 et 16) étant constitués par des languettes rectangulaires ou évasées, dites en ailes de papillon, comme ceux de la figure 3 par exemple Lorsque l'on veut augmenter l'impédance caractéristique de la source, on peut utiliser un dipôle dit replié comme le montre la figure 5. L'adaptation du dipôle rayonnant, quel que soit son type, est réalisée par les dimensions de la transition entre la ligne à fente d'alimentation et la ligne bifilaire aboutissant aux brins du dipôle, ainsi que par celles de cette ligne bifilaire et par la constante diélectrique de la plaquette sur laquelle est déposée la transition. La figure 3 est une coupe longitudinale d'une source rayon- nante selon l'invention, sur laquelle est représenté le transformateur d'impédance ( 21) de longueur égale au quart d'onde à la fréquence centrale de la bande de fonctionnement de la source Ce trans- formateur peut être réalisé soit au niveau de la ligne bifilaire ( 14), soit au niveau de la ligne à fente 12 comme cela est représenté en pointillés sur la figure Pour améliorer encore cette adaptation, il est possible d'adjoindre à ce précédent transformateur des capacités ponctuelles, réalisées par exemple sous fornie de surfaces métal- lisées ( 23) déposées sur la face de la plaquette diélectrique opposée à la ligne à fente, et représentées en pointillés sur la figure 3. Des modifications du diagramme de rayonnement de la source selon l'invention peuvent être obtenues au moyen de l'adjonction d'un réflecteur placé à une distance égale au quart de la longueur d'onde de fonctionnement, constitué par exemple, comme cela est repré- senté sur la figure 4, par deux brins ( 24 et 25) métalliques photogravés sur la plaquette diélectrique ( 2) dans le plan de l'ouver- ture du bottier ( 1) ou bien par les bords ( 26) du boîtier ( 1) selon sa section droite d'ouverture La directivité peut-être améliorée par la présence de directeurs placés devant le dipôle Dans le cas de la figure 6, trois directeurs ( 27) ou brins métalliques photogravés, sont placés parallèlement au dipôle ( 17) et sont de taille décroissant dans le sens du rayonnement émis Les caractéristiques électroma- gnétiques de la ligne à fente du dispositif d'alimentation selon l'invention sont définies par la largeur d de la fente, l'épaisseur ainsi que la valeur de la constante diélectrique de la plaquette ( 2) la supportant, ainsi que des dimensions mécaniques du boîtier métal- lique dans lequel elle est placée Comme cela a été dit au début de cette description, un avantage très important d'un tel dispositif d'alimentation d'un dipôle est la possibilité de constituer un module en plaçant, en amont de ce dispositif un déphaseur ( 28) comme le montre la figure ( 7) Ce déphaseur ( 28) comprend une-ligne à fente ( 29) couplée à une ligne coplanaire ( 30) de même axe de propagation et un dispositif à deux diodes ( 31 et 32), situé dans la zone de couplage de ces deux lignes de transmission, comme cela a été décrit dans le brevet n' 2 379 196 déposé au nom de la deman- deresse On constate qu'un tel module présente des dimensions réduites et évite les pertes d'insertion Comme cela a été dit au point de vue avantage, lorsqu'une telle source est utilisée comme élément d'une antenne réseau comme le montre la figure 8, tous les bords métalliques ( 26) des boîtiers ( 1), placés côte à côte, consti- tuent une surface réfléchissante très importante devenant un plan dans lequel se trouvent uniquement les ouvertures des boîtiers pour le passage des dipôles rayonnants Le réflecteur ainsi formé est a une distance de A 14 des brins du dipôle. Dans la source décrite ici, la hauteur du boîtier est telle qu'elle détermine un filtre pour les fréquences sous coupure en polarisation horizontale. Par contre, pour une onde polarisée verticalement la largeur du boîtier est telle que la fréquence de coupure est -placée beaucoup plus basse, la mise en place d'un réseau de fils métalliques parallèles au filtre de polarisation croisée compense ce défaut. La figure 9 représente une source rayonnante dont le dispositif d'alimentation comporte, au niveau de l'ouverture ( 34) du boîtier ( 1), un réseau de fils conducteurs ( 33) parallèles, dont la direction est orthogonale à celle du champ électrique E rayonné par la ligne à- fente ( 12) Lorsque cette source est utilisée comme élément d'une antenne réseau par exemple, fonctionnant à l'émission comme à la réception, un tel réseau permet de réfléchir toute onde dont la direction de polarisation est perpendiculaire à celle rayonnée par la source. Ainsi vient d'être décrit un dispositif d'alimentation d'une source rayonnante constituée par un dipôle, alimenté par une ligne à fente déposée sur une plaquette de substrat diélectrique dont le principal avantage est le faible encombrement radioélectrique lors- que l'on utilise un substrat diélectrique à forte constante diélec- -a e 18827 trique Cela permet par conséquent la réalisation d'antennes réseaux à faible pas de répartition mesuré en longueur d'onde. 18827 REVENDICATIONS 1 Dispositif d'alimentation d'un dipôle rayonnant caractérisé en ce qu'il comprend, placé à l'intérieur d'un boîtier (I) métallique parallélépipédique de longueur L 1, parallèlement à ses grands côtés ( 3 et 4), une ligne à fente ( 12) réalisée sur une face d'une plaquette ( 2) de matériau diélectrique dont la longueur L 2 est au moins égale à la longueur L 1 du boîtier ( 1), ladite ligne à fente ( 12) ayant une 1 longueur L 3 inférieure ou égale à L 1 et étant constituée de deux rubans ( 6 et 7) conducteurs parallèles, de largeur constante, dont les bords ( 8 et 9) en vis à vis sont séparés par une distance d déterminant la largeur de la ligne à fente et dont les deux autres bords ( 10 et 11), opposés aux précédents ( 8 et 9) sont en contact électrique avec les parois internes du boîtier ( 1), la largeur j des rubans ( 6 et 7) décroissant à partir de l'extrémité de la ligne à fente pour réaliser une transition ( 13) entre cette dernière et un tronçon de la ligne bifilaire ( 14) située dans le prolongement de la ligne à fente et aboutissant aux brins ( 15 et 16) d'un dipôle ( 17). 2 Dispositif d'alimentation selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la largeur 5 des rubans conducteurs ( 6 et 7) décroît rectilignement ou exponentiellement pour réaliser la transition ( 13) entre-la ligne à fente ( 12) et le tronçon de ligne bifilaire ( 14). 3 Dispositif d'alimentation selon la revendication 2, caracté- risé en ce que la transition ( 13), le tronçon de ligne bifilaire ( 14) et les brins ( 15 et 16) du dipôle ( 17) sont photogravés sur la même face de la plaquette diélectrique ( 2). 4 Dispositif d'alimentation selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le dipôle rayonnant ( 17) est un dipôle onde entière, ou demi-onde ou replié. Dispositif d'alimentation selon la revendication 4 caracté- risé en ce qu'il comporte un transformateur d'impédance ( 21), de longueur égale au quart de la longueur d'onde à la fréquence centrale de la bande de fonctionnement, placés au niveau de la ligne à fente ( 12) ou de la ligne bifilaire ( 14). 6 Dispositif d'alimentation selon la revendication 5, caracté- risé en ce qu'il comporte deux brins réflecteurs ( 24 et 25) métalli- ques photogravés sur la plaquette diélectrique, dans le plan de l'ouverture du boîtier ( 1). 7 Dispositif d'alimentation selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il comporte des brins directeurs ( 27) placés parallè- lement au dipôle ( 17), en aval de celui-ci par rapport à la direction du rayonnement émis. 8 Dispositif selon Pl'une des revendications I à 6, caractérisé en ce que la ligne à fente ( 12) est directement située dans le prolongement de la ligne à fente ( 29) de sortie d'un déphaseur ( 28) à diodes. 9 Dispositif selon l'une des revendications, 1 à 8, caractérisé en ce que l'ouverture ( 34) du boitier ( 1) comporte un réseau de fils ( 33) parallèles conducteurs, dont la direction est perpendiculaire à celle du champ électrique E rayonné par la ligne à fente ( 12). 1 O.Antenne réseau utilisant comme source élémentaire un dipô 81 e rayonnant alimenté par un dispositif selon l'une des revendications I à 9.