Brevet FR2535531A1 — publié le 19840504

RADIATEUR D'ONDES ELECTROMAGNETIQUES ET SON UTILISATION DANS UNE ANTENNE A BALAYAGE ELECTRONIQUE La présente invention se rapporte d'une manière générale aux radiateurs d'ondes électromagnétiques, fonctionnant en hyperfréquences, et concerne plus particulièrement un radiateur d'ondes réalisé à partir d'une plaquette de substrat diélectrique métallisée. Un domaine d'application de l'invention particulièrement intéressant est celui des antennes radar de faibles dimensions fonctionnant dans une large bande de fréquences, utilisées soit comme sources primaires éclairant des systèmes optiques focalisants soit comme sources élémentaires d'une antenne-réseau à balayage électronique par exemple. Les caractéristiques radio-électriques demandées actuellement pour les antennes à balayage électronique de l'espace par le ou les faisceaux qu'elles rayonnent sont telles qu'il est nécessaire d'utiliser des sources élémentaires présentant à la fois un faible encombrement transversal pour respecter le pas entre ces sources dont dépendent les qualités de déflexion de l'antenne et un faible encombrement longitudinal pour qu'elles ne soient pas fragiles. Dans de nombreux cas, la solution retenue consiste à utiliser soit des dipôles demi-onde imprimés sur une plaquette de diélectrique soit des éléments du type "patch" excités par une ligne microstrip. Ces deux types de sources ne fonctionnant correctement, par principe, qu'à la résonance ne peuvent pas présenter de grande largeur de bande de fonctionnement acceptable (taux d'ondes stationnaires inférieur ou égal à 1,5 et diagramme de rayonnement sans déformation excessive). Pour les éléments du type "patch", une largeur de bande de 5% ne peut guère être dépassée et pour les dipôles une largeur double est considérée comme bonne pour des éléments imprimés sur substrat et excités par une ligne coaxiale classique. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un radiateur d'ondes électromagnétiques fonctionnant dans une grande largeur de bandes de fréquences, présentant une structure très compacte entraînant un faible encombrement radioélectrique, de reproductibilité aisée et peu coûteuse, et pouvant être utilisé comme élément d'une antenne réseau linéaire ou bi-dimentionnelle à petit pas de répartition mesuré en longeur d'onde. A cet effet, l'invention a pour objet un radiateur d'ondes électromagnétiques constitué par un élément rayonnant et son dispositif d'alimentation, réalisés à partir d'une plaquette diélectrique d'axe longitudinal , métallisée sur une face selon deux rubans parallèles, dont une première partie de largeur dl constante constituant une ligne à fente est placée à l'intérieur d'un boîtier métallique parallèlépipédique pour réaliser le dispositif d'alimentation, et dont la seconde partie des rubans conducteurs a une largeur d2 qui varie continuement et symétriquement par rapport à l'axe 8, tout d'abord en décroissant de la valeur dl à une valeur do très inférieure à dl puis en croissant de d à une valeur d3 o inférieure ou égale à d1 pour réaliser une transition entre la ligne à fente et l'élément rayonnant constitué d'une part par les mêmes rubans conducteurs dont la largeur décroît de la valeur d3 à une valeur nulle à l'extrémité de la plaquette et d'autre part par une portion de ruban conducteur rectangulaire perpendiculaire à l'axe et placée sur l'autre face de la plaquette. L'invention vise également une utilisation du radiateur d'ondes, caractérisée par le fait que ce radiateur constitue une source élémentaire d'une antenne à balayage électronique, qui, associée à un déphaseur, réalise un élément appelé module d'un réseau à déphasage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective d'un radiateur d'ondes électromagnétiques selon l'invention; - la figure 2 est une coupe longitudinale d'un radiateur d'ondes selon l'invention, associé à un déphaseur; - la figure 3 est une partie d'une antenne réseau constituée de radiateurs d'ondes selon l'invention. Les éléments portant les mêmes références dans les différentes figures remplissent les mêmes fonctions et aboutissent à des résultats semblables. En se reportant à la figure 1, un radiateur d'ondes selon l'invention est réalise à partir d'une plaquette de substrat diélectrique 1, de longueur L- et d'axe médian a, sur une des faces de laquelle sont déposés deux rubans conducteurs 2 et 3, symétriques par rapport à l'axe 6. Les bords 4 et 5 en vis à vis sont parallèles. Le radiateur d'ondes est constitué d'un élément rayonnant 14, auquel est associé un dispositif d'alimentation, réalisé comme l'élément rayonnant à partir de la plaquette diétectrique 1. Le dispositif d'alimentation est réalisé à partir d'une première partie de longueur L1 de la plaquette diélectrique 1, sur laquelle les rubans conducteurs 2 et 3 de largeur totale d1 et dont les bords 4 et 5 en vis à vis l'un de l'autre sont séparés par une distance d constante et qui ont leurs deux autres bords 7 et 8, opposés aux précédents 4 et 5 en contact électrique avec les parois internes d'un boîtier métallique 6. Ces deux rubans 2 et 3 équivalents à deux plans métalliques parallèles, réalisent ainsi une ligne à fente 9 de largeur d et de longueur L1.Cette partie, de longueur L1, de la plaquette diélectrique 1 est placée à l'intérieur d'un boîtier métallique 6 dont la largeur entre les parois internes est égale à dl de sorte que la ligne à fente 9 placée à l'intérieur du boîtier 6 constitue le dispositif d'alimentation de l'élément rayonnant. L'élément rayonnant est réalisé à partir de la seconde partie de la plaquette diélectrique 1,- pour laquelle les rubans conducteurs 2 et 3 ont une largeur totale d2 qui varie continuement et symétri quement par rapport à l'axe 8, 2la distance d entre les bords 4 et 5 des deux rubans étant constante . Cette largeur d2 commence par décroître de la valeur dl qu'elle a au niveau de la ligne à fente 9 jusqu'à une valeur d très inférieure de façon à former un fort o rétrécissement entre la ligne à fente 9 et l'élément rayonnant 14. Puis elle croît de la valeur do à une valeur d3 inferieure ou égale à d Cette variation qui peut être circulaire, exponentielle ou selon une courbure représentative d'une fonction mathématique qui peut être transcendante permet de réaliser une transition 13 entre la ligne à fente 9 et l'élément rayonnant 14 constitué d'une part par les mêmes rubans conducteurs 2 et 3 dont la largeur décroît de la valeur d3 à une valeur nulle à l'extrémité de la plaquette 1 et d'autre part par une portion 10 de ruban conducteur rectangulaire, perpendiculaire à l'axe ss et placé sur l'autre face de la plaquette diélectrique 1. Des variantes de cette solution consistent à mettre la portion de ruban 10 placée sur la face opposée de la plaquette diélectrique 1 au potentiel d'un des rubans 2 ou 3 constituant la ligne à fente 9.Ceci est possible en perçant la plaquette diélectrique 1 de part en part et en introduisant dans le ou les trous pratiqués un fil conducteur I1 ou 12 dont les extrémités sont soudées d'un côté à la portion de ruban 10 et de l'autre côté à un ruban 2 ou 3 ou les deux constituant la ligne à fente 9. La position des trous autorisant la liaison électrique entre les élements rayonnants associés, la ligne à fente 9 et la portion du ruban 10 détermine de nouvelles formes de diagramme de rayonnement de la structure ainsi créée par rapport à celles données par le modèle de base (sans liaison électrique). Pour des positions particulières de ces trous, le diagramme de rayonnement dans le plan E présente un creux dans l'axe. Il est donc du type différence. Ce modèle à faible largeur de bande de bon fonctionnement peut néanmoins correspondre à des applications particulières pour lesquelles ce type de diagramme est recherché. Dans le cas particulier de réalisation pratique, représenté sur la figure 1, la ligne à fente 9 et l'élément rayonnant sont photo gravés sur la plaquette diélectrique 1 dont la largeur dans le boîtier 6 est égale ou supérieure à sa valeur à l'extérieur du boîtier. La ligne à fente 9 est excitée par une ligne coaxiale 100 disposée perpendiculairement à la fente contre le boîtier métallique 6. L'ame de cette ligne coaxiale se prolonge par un fil photogravé 101 sur la plaquette diélectrique 1, sur la face opposée à celle de la ligne a 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. Le substrat diélectrique peut être par exemple de la céramique ou du verre époxy. De façon pratique, la plaquette diélectrique 1 peut reposer sur deux épaulements ou dans deux rainures 109 réalisées sur les parois internes du boîtier 6. Pour assurer le meilleur contact électrique possible entre les bords 7 et 8 de la ligne à fente 9 et le boîtier, ceux-ci sont soudés ou collés à l'aide d'une colle conductrice aux parois internes du boîtier. Ainsi, sont assurés à la fois une bonne tenue mécanique de la plaquette 1 par rapport au boîtier 6 et un bon contact électrique de la ligne à fente 9 avec le boîtier, la ligne à fente 9 étant de plus placée à l'intérieur de ce dernier de façon à éviter tout mode de propagation ailleurs que dans la fente ellemême.La plaquette diélectrique I supportant la ligne à fente est placée sensiblement dans le plan médian longitudinal du boîtier 6 pour éviter une dissymétrie de la figure de champ. Le boîtier, placé ainsi sous coupure1 permet aux deux rubans conducteurs 2 et 3 d'être équivalents à deux plans parallèles métalliques infinis par rapport à la ligne à fente. Le boîtier 6 est donc un blindage et ne doit pas se comporter comme un guide d'ondes rayonnant sauf dans certains cas très particuliers où 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. L'adaptation de l'élémen-t rayonnant 14 avec la ligne à fente 9 est réalisée par la variation continue de la largeur des rubans conducteurs 2 et 3 ou par l'adjonction de transformateurs d'impédance 15 localisés sur la face de la plaquette diélectrique 1, opposée aux rubans 2 et 3, dans le but de modifier localement l'impédance de la ligne. Ces transformateurs 15 sont représentés en pointillés sur la figure 2. On peut également obtenir une bonne adaptation entre l'élément rayonnant et la ligne â fente ainsi qu'une grande largeur de bande de fonctionnement en faisant varier la forme de l'ouverture du guide comme le montre la figure 1, en pointiliés. Par exemple, l'ouverture du boîtier, de section droite rectangulaire, présente sur les deux grandes faces parallèles 60 et 61 du boîtier deux saillies en forme de V s'avançant dans la direction de l'axe a et symétriques par rapport à cet axe. L'ouverture du boîtier peut comporter également de façon opposée deux échancrures en forme de V, dirigées vers l'intérieur du boîtier. Les caractéristiques électromagnétiques de la ligne à fente du dispositif d'alimentation du radiateur d'ondes 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 1 la supportant, ainsi que par les dimensions mécaniques du boîtier métallique dans lequel elle est placée. Comme cela a été dit au début de cette description, un avantage très important d'un tel radiateur d'ondes alimenté par une ligne a fente est la possibilité de constituer un module en plaçant, en amont de ce radiateur un déphaseur 16 comme le montre la figure 2.Ce déphaseur 16 comprend une ligne à fente 17 couplée à une ligne coplanaire 18 de même axe de propagation et un dispositif à deux diodes 19 et 20, 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, lemodule étant placé à l'intérieur du boîtier. 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 à balayage électronique par exemple, comme le montre la figure 3, tous les bords métalliques 21 des boîtiers 6, placés côte à côte, constituent 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 à une distance de X/4 de l'extrémité de l'élément rayonnant. 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. Selon un autre exemple de réalisation de l'invention,le radiateur d'ondes peut être tel que le dispositif d'alimentation comporte, au niveau de l'ouverture du boîtier un réseau de fils conducteurs parallèles, dont la direction est orthogonale à celle du champ électrique E rayonné par la ligne à fente. 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 radiateur d'ondes électromagnétiques alimenté par une ligne à fente déposée sur une plaquette de substrat diélectrique dont le principal avantage est en dehors du faible encombrement radioélectrique lorsque l'on utilise un substrat diélectrique à forte constante diélectrique une très grande largeur de bande, de l'ordre de 20%. Cela permet par conséquent la réalisation d'antennes-réseaux à faible pas de répartition mesuré en longueur d'onde. REVENDICATIONS 1. Radiateur d'ondes électromagnétiques constitué par un élément rayonnant et son dispositif d'alimentation, réalisés à partir d'une plaquette diélectrique (1) d'axe longitudinal médian , métallisée sur une face selon deux rubans parallèles (2 et 3), dont une première partie de largeur dl constante constituant une ligne à fente (9) est placée à l'intérieur d'un boîtier métallique parallèlépipédique (6) pour réaliser le dispositif d'alimentation caractérisé en ce que la seconde partie des rubans conducteurs (2 et 3) a une largeur d2 qui varie continue ment et symétriquement par rapport à l'axe ( ), tout d'abord en décroissant de la valeur dl à une valeur do tres inférieure à dl puis en croissant de do à une valeur d3 inférieure ou égale à dl pour réaliser une transition entre la ligne à fente (9) et l'élément rayonnant (14) constitué d'une part par les mêmes rubans conducteurs (2 et 3) dont la largeur décroît de la valeur d3 à une valeur nulle à l'extrémité de la plaquette- et d'autre part par une portion (10) de ruban conducteur rectangulaire perpendiculaire à l'axe ( t) et placé sur l'autre face de la plaquette. 2. Radiateur d'ondes selon la revendication 1, caractérisé en ce que la largeur d2 des deux rubans conducteurs (2 et 3) parallèles, symétriques par rapport à l'axe ( a ), varie circulairement ou exponentiellement ou selon une courbure représentative d'une fonction mathématique qui peut être transcendante. 3. Radiateur d'ondes selon la revendication 2, caractérisé en ce que les rubans conducteurs(2 et 3) sont déposés par procédé de photogravure sur la plaquette diélectrique (1). 4. Radiateur d'onde selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un transformateur d'impédance (15) de longueur égale au quart de la longueur d'onde à la fréquence centrale de la bande de fonctionnement, placé au niveau de la ligne à fente (9). 5. Radiateur d'ondes selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins un fil conducteur (11 ou 12), mis en contact électrique par l'une de ses extrémités à la portion (10) de ruban conducteur traverse la plaquette diélectrique (1) et est mis en contact électrique par son autre extrémité à l'un des deux rubans conducteur (2 ou 3) de façon à mettre au même potentiel électrique la portion (10) et les rubans (2 et 3). 6. Radiateur d'ondes selon la revendication 1 à 5, caractérisé en ce que la ligne à fente (9) est directement située dans le prolongement de la ligne à fente (29) de sortie d'un déphaseur (28) àdiodes. 7. Radiateur d'ondes selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'ouverture du boîtier présente sur les deux grandes faces parallèles (60 et 61) du boîtier deux saillies en forme de V s'avançant dans la direction de l'axe ( Q ) et symétriques par rapport à cet axe. 8. Radiateur d'ondes selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'ouverture du boîtier comporte deux échancrures en forme de V, dirigées vers l'intérieur du boîtier. 9. Utilisation d'un radiateur d'ondes selon l'une des revendication 1 à 8 comme source élémentaire d'une antenne-réseau à balayage électronique.