Brevet FR2519476A1 — publié le 19830708

DISPOSITIF D'ALIMENTATION D'UN ELEMENT RAYONNANT La présente invention concerne un dispositif d'alimentation d'un élément rayonnant constitué soit par un cornet soit par une antenne diélectrique. L'ensemble constitué par l'élément et son alimentation constitue une source rayonnante hyperfréquence, utilisable comme source primaire ou comme source élémentaire d'une antenne-réseau. Une telle source peut notamment être utilisée dans la réalisation d'une antenne à balayage électronique. Dans l'art antérieur, I'alimentation d'un cornet se fait généra- lement au moyen d'un guide d'ondes, rectangulaire ou circulaire. Quant à l'alimentation d'une antenne diélectrique, elle peut se faire à partir de tous les types de lignes de transmission VHF connus. Il suffit qu'une discontinuité se produise entre la ligne d'alimentation et l'antenne diélectrique et qu'elle soit adaptée, autrement dit qu'elle transmette la totalité de l'énergie à rayonner. Cette ligne d'alimentation peut être par exemple, une ligne bifilaire blindée, une ligne à ruban, un guide d'onde ou encore une ligne coaxiale comme le représente la figure 1. Sur cette figure, L'antenne diélectrique 11 est fixée à une ligne coaxiale 211 sur un écran métallique 31. L'âme 41 de cette ligne aboutit à un brin 51 d'un dipôle gl, possédant un second brin 71 place à /4 de l'extrémité de la ligne coaxiale. La figure 2 représente une antenne diélectrique 81 alimentée par un cornet 91, lui-même excité par une ligne coaxiale 110. L'objet de l'invention est un dispositif d'alimentation d'un élément rayonnant, présentant principalement l'avantage d'un faible encombrement radioélectrique permettant la réalisation d'une antenne-réseau à faible pas de répartition. Selon une caractéristique de l'invention, le dispositif d'alimentation d'un élément rayonnant comporte un boîtier métallique parallélépipédique de longueur L1, à l'intérieur duquel est placée, parallèlement à ses grands cotés, une plaquette de substrat diélectrique de longueur L2 et sur une face de laquelle sont déposés deux rubans conducteurs symétriques par rapport à l'axe longitudinal médian a de la plaquette, les bords extérieurs desdits rubans en regard des parois internes du boîtier étant en contact électrique avec celles-ci et leurs bords en vis-à-vis étant parallèles sur une longueur L3 inférieure à L2, pour réaliser une ligne à fente et qui s'écartent de l'axe (a) progressivement jusqu'à être en contact avec les parois internes du boîtier pour constituer une transition entre la ligne à fente et l'élément rayonnant. Un autre avantage très important de ce dispositif d'alimentation d'un élément rayonnant, comportant une ligne à fente, réside dans son utilisation comme source élémentaire, en tant qu'élément rayonnant lié à un module. Ce module comprend au moins un moyen de déphasage constitué par des diodes disposées sur un circuit photogravé conçu selon le principe de la ligne à fente. Ainsi, le passage du déphaseur à l'élément rayonnant se fait naturellement sans solution de continulté, autrement dit sans qu'il soit fait appel à des transitions pour passer d'un modèle de ligne de transmission à un autre modèle. En conséquence, I'élément rayonnant est parfaitement intégré au module, entraînant un gain de place et de poids ainsi qu'une amélioration de l'adaptation entre l'élément et le module. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparat- tront dans la description suivante illustrée par les figures qui représentent, outre les figures 1 et 2 déjà décrites: - la figure 3, un mode de réalisation d'une source rayonnante du type cornet alimentée par le dispositif selon l'invention; - la figure 4, une vue selon une coupe longitudinale d'une source du type cornet évasé alimentée selon l'invention; - les figures 5 et 6, deux vues selon une coupe longitudinale d'une antenne rayonnante, alimentée par le dispositif selon Pinven- tison; - la figure 7, un mode de réalisation d'une antenne rayonnante alimentée par le dispositif selon l'invention; --la figure 8, une vue selon une coupe longitudinale médiane d'une antenne diélectrique reliée à un déphaseur à iigne à fente;; - la figure 9, une partie d'une antenne réseau constituée de s(Nrces rayonnantes alimentées par un dispositif selon l'invention. Les éléments portant les mêmes références sur les différentes figures ci-dessus énumérées remplissent les mêmes fonctions en vue des mêmes résultats. La figure 3 représente un mode de réalisation d'une source rayonnante constituée par un cornet non évasé à section rectangulaire, alimenté par le dispositif selon l'invention. Ce dispositif est constitué par un boîtier 1 métallique parallélépipédique de longueur déterminée L1, à l'intérieur duquel est fixée une plaquette 2 de substrat diélectrique, de longueur L2 inférieure à L1. Cette plaquette est placée parallèlement aux grands côtés 3 et 4 du boîtier 1, sur deux épaulements ou dans deux rainures 5 et 6 pratiquées dans les parois internes du boîtier. Sur une face de cette plaquette sont dépotés deux rubans conducteurs 7 et 8 symétriques par rapport à l'axe longitudinal médian !i de la plaquette, dont les bords extérieurs 9 et 10 en regard des parois internes du boîtier sont en contact électrique avec celles-ci.De façon pratique, ce contact est obtenu par soudure des rubans aux parois internes du boîtier ou par collage avec une colle conductrice. Sur une longueur L3 inférieure à L2, les bords 11 et 12 en vis-à-vis sont parallèles, réalisant une ligne à fente 13 dont la largeur de la fente est déterminée par la distance d constante entre les rubans. La ligne à fente 13 est excitée par une ligne coaxiale 100, disposée perpendiculairement à la fente contre le bottier 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 3. A partir de l'extrémité 130 de cette ligne à fente 13, la distance d croît jusqu'à ce que les bords en vis-à-vis 11 et 12 arrivent en contact avec les parois internes du boîtier 1, réalisant ainsi une ligne à fente évasée. Ces deux rubans ainsi écartés constituent une transition 14 entre la ligne à fente 13 d'alimentation et l'élément rayonnant, ici en l'occurrence un cornet non évasé .15 rectangulaire. Sur la figure 3, le cornet est non évasé et est réalisé à partir des parois du boîtier. La plaquette diélectrique 2 est disposée dans le boîtier métallique 1 de façon à éviter tout mode de propagation ailleurs que dans la fente elle-même. Cette plaquette 2 est sensiblement dans le plan médian longitudinal du boîtier pour éviter une dissymétrie de la figure de champ. Le boîtier est un blindage de la ligne à fente et aucun mode propagatif ne doit s'y établir. Le cornet rayonnant peut être évasé comme le montre la figure 4, qui est une vue suivant une coupe longitudinale d'une source rayonnante selon l'invention. Le cornet est constitué par les parois du boîtier 1 qui s'évasent mais il peut être également rapporté. Si la section droite du cornet évasé pyramidal est rectangulaire, son ouverture rayonnante rectangulaire 150 a ses deux grands côtés parallèles à la direction du champ magnétique H. Au bord de l'ouverture rayonnante 150 du cornet 15, I'épaisseur de ce dernier a été réduite, diminuant ainsi le plus possible la surface normale à la direction de propagation de l'onde rayonnée par le cornet. Ceci permet d'éviter l'apparition de courants de surface et de provoquer des directions dites aveugles lorsque une telle source rayonnante constitue un élément d'une antenne-réseau.Ces directions où la densité de puissance peut devenir très faible sont dues au couplage entre les sources élémentaires. Ce phénomène gênant une bonne utilisation d'un tel cornet rayonnant peut être réduit par l'adjonction de différents pièges hyperfréquences sur les parois externes du cornet. Sur la figure 3, sont représentés ainsi deux pièges 103 et 104, de largeur égale au quart de la longueur d'onde de fonctionnement, N 14, qui, en ramenant une impédance infinie, suppriment les courants de circulation sur le pourtour de l'ouverture rayonnante du cornet 15. Mais, le cornet rayonnant 15 peut avoir également une section circulaire par exemple ; dans ce cas, une transition progressive classique doit être réalisée entre le boîtier métallique parallélépipédique 1 et le cornet lui-même 15 pour assurer la: continuité de propagation de l'onde entre les deux. En ce qui concerne précisément l'utilisation d'un tel cornet rayonnant alimenté au moyen du dispositif selon l'invention, dans une antenne-réseau, elle présente l'avantage de dimensions mécaniques réduites tout en ayant des dimensions électriques relativement importantes grâce au substrat diélectrique constituant la plaquette 2, support de la ligne à fente 13, dont on choisit la constante diélectrique de façon appropriée. Cette plaquette diélectrique 2 permet aussi de compenser la différence de longueurs d'ondes dans les zones inférieures et supérieures délimitées entre les parois du plan magnétique H du cornet et le circuit. Selon les caractéristiques électromagnétiques de la ligne à fente 13 alimentant le cornet, la largeur de la fente, la constante diélectrique de la plaquette 2 support de ladite ligne, ainsi que son épaisseur sont déterminées de façon particulière. De cela va dépendre la nature de la transition 14 entre la ligne à fente 13 et le cornet rayonnant, cette transition étant réalisée par l'évasement des deux rubans conducteurs 8 et 7 selon un profil rectiligne, ou exponentiel, ou rectiligne entre deux zones circulaires lors des raccordements d'une part à la ligne à fente 13 et d'autre part au cornet 15, ou bien encore quelconque. Cependant, pour éviter l'apparition de modes propagatifs supérieurs dans le cornet, ce profil, ainsi que la section du boîtier doivent être relativement continus. Enfin, I'adaptation de la ligne à fente du dispositif d'alimentation à l'espace est obtenue par la présence de la plaquette diélectrique dont la longueur est choisie pour modifier la phase et l'amplitude du coefficient de réflexion. Dans un exemple de réalisation, les dimensions sont les suivantes pour une longueur d'onde de fonctionnement 2 donnée et une constante diélectrique rde la plaquette égale à 10 L1 zoo L2 = 6; L3 = et pour l'ouverture rayonnante rectangulaire 16 du cornet 15 \Ox 3)O Après avoir envisagé le cas d'un cornet rayonnant dans une première partie de la description, on va décrire dans cette seconde partie, une antenne diélectrique alimentée par le dispositif d'alimentation à ligne à fente selon l'invention. La figure 5 représente une vue selon une coupe longitudinale médiane d'un mode de réalisation d'une telle source rayonnante. Le dispositif d'alimentation est constitué par un boîtier métallique 1 parallélépipédique à l'intérieur duquel est placée une plaquette 2 de substrat diélectrique sur laquelle est réalisée une ligne à fente 13, comme cela a été expliqué auparavant. Les bords. Il et 12 en vis-àvis des deux rubans 8 et 7 s'écartent pour constituer une transition 14 entre la ligne à fente et une antenne diélectrique 16 placée au niveau de l'ouverture du boîtier 1. Cette antenne diélectrique peut avoir une forme cylindrique, conique, hémi-sphérique ou autre, et être pleine ou creuse, de sections droites intérieure comme extérieure constantes ou décroissant dans le sens de propagation de l'onde.Le choix de la forme de l'antenne diélectrique 16 ainsi que celui de la constante diélectrique du matériau à partir duquel elle est réalisée, et les dimensions respectives du boîtier métallique 1 et de l'antenne elle-même sont fonction des diagrammes de rayonnement désirés dans les deux plans principaux électrique E et magnétique H. L'adaptation d'une antenne diélectrique ainsi décrite au dispositif d'alimentation est obtenue par les dimensions de la ligne à fente, de l'antenne elle-même et de la valeur de la constante diélectrique. L'antenne diélectrique doit, de plus, avoir une forme particulière à l'intérieur du boîtier 1: en effet, elle doit présenter une transition 17 évasée dans le plan du champ électrique E et rectiligne dans le plan du champ magnétique H, comme le montrent les figures 5 et 7 - la figure 7 étant une vue en perspective d'une antenne diélectrique alimentée par un dispositif selon l'invention. L'apparition du matériau diélectrique de l'antenne dans le boîtier doit avoir lieu avant l'extrémité 130 de la ligne à fente 13, donc avant la transition 14, pour que les ondes électromagnétiques émises par la ligne à fente 13 se propagent normalement dans l'antenne diélectrique 16 car, souvent, les dimensions du boîtier 1 constituent un guide utilisé à la fréquence de coupure ; seuls existent donc les modes évanescents. Pour cela, l'antenne diélectrique 16 est fendue longitudinalement sur une longueur L4, afin que la plaquette 2 soit introduite à l'intérieur de la fente 18.La position de l'extrémité 19 de la plaquette diélectrique 2 à l'intérieur de la fente 18 de l'antenne 16 est déterminée pour assurer la meilleure adaptation entre la ligne à fente d'alimentation et l'antenne diélectrique ellemême, ceci étant dû au fait que le champ électrique se propage essentiellement sur la surface de la plaquette 2 mais aussi dans le matériau diélectrique qui supporte la ligne à fente. Sur la figure 7 également sont portées trois dimensions el, e2 et e3 de l'antenne diélectrique, el étant sa hauteur à son extrémité placée dans le boîtier 1, e2 étant sa hauteur au niveau de l'ouverture du boîtier et e3 étant celle à son extrémité rayonnante. Ces trois dimensions sont liées par la relation e14 e2 La figure 6 montre un autre exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention alimentant une antenne diélectrique, pour lequel on a cherché à éviter toute propagation d'un mode supérieur. Pour cela, les dimensions mécaniques de la section droite du boîtier 1 ont été réduites à partir de l'évasement de la ligne à fente. Comme cela a été dit au début de cette description, un avantage très important d'un tel dispositif d'alimentation d'un élément rayonnant du type cornet ou antenne diélectrique est la possibilité de constituer un module en plaçant, en amont de ce dispositif un déphaseur 20 comme le montre la figure 8. Ce déphaseur 20 comprend une ligne à fente 21 couplée à une ligne coplanaire 22 de même axe de propagation et un dispositif à deux diodes 23 et 24, 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 Demanderesse. On constate qu'un tel module présente des dimensions réduites et évite les pertes d'insertion. Comme cela a été dit auparavant également, un élément rayonnant alimenté par un dispositif selon l'invention peut être utilisé comme source élémentaire d'une antenne réseau. La figure 9 le montre, en prenant l'exemple d'une antenne diélectrique 16 alimentée par une ligne à fente 13 elle-même placée dans un boîtier métallique parallélépipédique. Ainsi vient d'être décrit un dispositif d'alimentation d'une source rayonnante constituée par un cornet ou une antenne diélectrique, alimentée par une ligne à fente déposée sur une plaquette de substrat diélectrique dont le principal avantage est le faible encombrement radioélectrique lorsque l'on utilise un substrat diélectrique à forte constante diélectrique. Cela permet par conséquent la réalisation d'antennes réseaux à faible pas de répartition mesuré en longueur d'onde. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation d'un élément rayonnant caractérisé en ce qu'il comporte un boîtier (1) métallique parallélépipédique de longueur L1, à l'intérieur duquel est placée, parallèlement à ses grands côtés (3 et 4), une plaquette (2) de substrat diélectrique de longueur L2 et sur une face de laquelle sont déposés deux rubans conducteurs (7 et 8) symétriques par rapport à l'axe longitudinal médian ss de la plaquette, les bords extérieurs (9 et 10) desdits rubans en regard des parois internes du boîtier étant en contact électrique avec celles-ci et leurs bordes (11 et 12) en vis-à-vis étant parallèles sur une longeur L3 inférieure à L1, pour réaliser une ligne à fente (13) et qui s'écartent de l'axe (ss) progressivement jusqu'à être en contact avec les parois internes du boîtier (1) pour constituer une transition (14) entre la ligne à fente (13) et l'élément rayonnant. 2. Dispositif d'alimentation d'un cornet rayonnant non évasé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce cornet (15) est réalisé à partir des parois du boîtier (1) qui se prolongent rectilignement au-delà de la transition (14). 3. Dispositif d'alimentation d'un cornet évasé pyramidal à section droite, rectangulaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cornet (15) est constitué par les parois du boîtier qui s'encartent de telle sorte que l'ouverture rayonnante (150) réctangulaire du cornet ait ses deux grands côtés parallèles à la direction du champ magnétique 4. Dispositif d'alimentation selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'épaisseur du cornet évasé (15) est réduite au bord de l'ouverture rayonnante (150) dudit cornet. 5. Dispositif d'alimentation selon la revendication 3, caractérisé en ce que le cornet (15) comporte deux pièges hyperfréquences (103 et 104), placés sur ses parois externes et de largeur égale au quart de la longueur d'onde de fonctionnement. 6. Dispositif d'alimentation d'une antenne. diélectrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que cette antenne (16) est placée au niveau de l'ouverture du boîtier (1) et est fendue longitudinalement sur une longueur L4 afin que la plaquette diélectrique (2) soit introduite à l'intérieur de cette fente (18), la partie de l'antenne (16) située à l'intérieur du boîtier présentant une transition (17) évasée dans le plan du champ électrique E et rectiligne dans le plan du champ magnétique H, commençant avant l'extrémité (130) de la ligne à fente (13). 7. Dispositif d'alimentation selon la revendication 6, caractérisé en ce que les dimensions mécaniques de la section droite du boîtier sont réduites à partir de la transition (14). 8. Dispositif d'alimentation selon l'une des revendication 1 à 7, caractérisé en ce que la ligne à fente (13) est directement située dans le prolongement de la ligne à fente (21) de sortie d'un déphaseur (20) à diodes. 9. Antenne réseau utilisant comme source élémentaire cornet ou une antenne diélectrique alimenté par un dispositif selon l'une des revendications 1 à 8.