Brevet FR2533767A1 — publié le 19840330

i ANTENNE GUIDE d'ONDES A PLAQUES PARALLELES La présente invention concerne le domaine des an- tennes à micro-ondes Plus particulièrement, la présente invention concerne une antenne guide d'ondes à plaques pa- rallèles destinée à être utilisée principalementcomme an- tenne pour la-réception de signaux de radiodiffusion à mi- cro-ondes pour les systèmes de télévision Bien que la pré- sente invention puisse avoir une utilité générale dans la transmission ou la réception des micro-ondes, l'invention sera décrite dans le contexte d'utilisation préféré d'un système de radiodiffusion directe par satellite Toufois, il est entendu que l'invention peut avoir une utilité géné- rale soit comme antenne réceptrice soit comme antenne émet- trice dans des systèmes de communication à micro-ondes. En raison du potentiel de développement croissant de la transmission par satellites de signaux à micro-ondes pour les systèmes d'émission et de réception de télévision, il devient de plus en plus nécessaire de mettre au point une antenne fiable, durable et d'un coût raisonnable porrusa- ge domestique et autres applications industrielles en vue de la réception de signaux à micro-ondes transmis par satel- lite On utilise traditionnellement des antennes paraboli- ques dans les systèmes de transmission de ce type, mais ces antennes posent de nombreux problèmes pour un système de réception de signaux detêlévis- on à micro-ondes efficace et commercialement viable Parmi d'autres problèmes, les antennes paraboliques sont relativement coûteuses et elles ne sont pas suffisamment stab 1-s, même par vent faible,pour garantir une réception de S 4 inaux uniforme et,partant, la qualité de l'image En conse Lence,elles ne sont pas parti- culièrement appropriées pou':ne utilisation quotidienne dans des systèmes de réceptif de télévision à usage domes- tique ou pour d'autres applieations industrielles. Des antennes à micro bandes ou à lignes de bandes pour la transmission ou la -e-*ption des hyperfréquences sont connues dans la technique Des antennes de ce type sont illustrées, par exemple, dans GB-PS 1 529 361 pour James et Wilson, US-PS 3 995 277 pour M Olyphant,Jr, US-PS 3 987 455 pour M Olyphant,Jr et US-PS 3 803 623 pour L Scharlot,Jr Dans tous ces projets antérieurs, la structure d'antenne est constituée d'un lamifié, d'une matiè- re diélectrique avec un plan géométrique conducteur d'élec- tricité sur une surface du diélectrique et un dessin de mi- cro-bandes ou de lignes de bandes sur l'autre surface du diélectrique Il est bien connu que les propriétés de la matière diélectrique sont importantes pour le rendement de l'antenne, en particulier les propriétés relatives à la constante diélectrique et aux facteurs de dissipation Ces considérations rendent ces antennes a micro-bandes classi- ques pratiquement inappropriées comme antennes de télévi- sion pour réception uniquement (TVRO) étant donné qu'el- les limitent strictement le choix des matières diélectri- ques appropriées à des matières très coûteuses, en parti- culier lorsqu'on considère qu'une antenne TVRO doit être relativement grande, par exemple une structure carrée de l'ordre de 75 à 100 cm de côté, ou une structure circu- laire ayant un diamètre de 75 à 100 cm De même, étant don- né que les antennes TVRO seront utilisées au dehors, elles doivent être rendues résistantes aux intempéries afin de les protéger contre une exposition aux éléments atmosphéri- ques Cette remarque est particulièrement vraie avec les antennes à microbandes ou à lignes de bandes classiques de la technique antérieure dans lequel le circuit impri- mé et le plan géométrique sont situés sur l'extérieur des surfaces diélectriques nette condition requise, relative à la résistance aux intempéries, accentue davantage les problèmes économiques et pratiques que pose l'utilisation des antennes à micro-bandes de la technique antérieure dans des systèmes TVRO. Les conditions requises combinées concernant les propriétés électriques et la résistance aux intempéries li- mitent le choix des matières diélectriques qui peuvent être utilisées efficacement dans une antenne TVRO pratique si cette dernière était réalisée conformément aux techniques antérieures habituelles Les conditions requises combinées de propriétés électriques et de résistance aux intempéries limitent le choix des matières diélectriques Les matières céramiques à faibles pertes pourraient assurer un bon rende- ment de la matière diélectrique mais le coût et les dimen- sions limitées des substrats en matière céramique pourraient exclure ceux-ci Les substrats à base de polytétrafluoreéthy- lène (PTFE) ou d'autres polymètres fluorés pourraient égale- ment constituer des choix acceptables du point de vue des propriétés diélectriques mais le coût de ces substrats pour- rait les rendre inappropriés pour une utilisation domestique et les applications industrielles en général En conséquen- ce, pour des raisons économiques et d'autres raisons prati- ques, la technique n'a pas mis au point une antenne plane TVRO qui soit acceptable et pratique du point de vue, indus- triel. Les antennes à micro-bandes décrites dans les brevets déjà mentionnés GB-PS 1 529 361 et US-PS 3 995 277- 3.987 455 et 3 803 623 peuvent être décrites, d'une manière générale, comme possédant une âme diélectrique avec un plan géométrique de base sur une face et une structure rayonnante sur l'autre face On sait que les antennes de ce type peu- vent donner lieu à un problème d'ondes de surface qui sont engendrées aux limites du support diélectrique de l'élément- rayonnant et de l'air Ces ondes de surface se déplaceront entre les éléments rayonnants et donneront lieu à une perte d'énergie dans le système avec une diminution de la quali- té de la formation du faisceau. L'objet de la présente invention est de fournir une antenne guide d'ondes à plaques parallèles permettant de surmonter ou de réduire les problèmes mentionnés ci-des- sus et d'autres problèmes inhérents à l'état antérieur de la technique On peut s'attendre à ce que l'antenne suivant la présente invention trouve des applications pratiques es- sentiellement comme antenne réceptrice dans un système de radiodiffusion directe par satellite Toutefois, compte te- nu du caractère réciproque des antennes à micro-ondes, l'an- tenne suivant la présente invention peut être utilisée soit comme antenne émettrice soit comme antenne réceptrice En outre,comme l'explication du fonctionnement de la présente invention peut se faire plus commodément en envisageant le fonctionnement suivant le mode par émission, l'antenne sera décrite du point de vue du mode par émission; mais il est toutefois entendu que l'antenne est destinée essentiellement à être utilisée comme réceptrice, le mode en réception étant le réciproque du mode à émission Conformément à la présente invention, il est prévu une antenne à microondes qui est un guide d'ondes à plaques parallèles et qui comprend: une première plaque conductrice de matière diélec- trique; un dispositif conducteur sur une surface de ladite première plaque, définissant un plan géométrique de base pour une antenne à guide d'ondes à plaques parallèles; une seconde plaque en matière diélectrique dispo- sée à une certaine distance de ladite première plaque un revêtement conducteur disposé sur une surface de ladite seconde plaque, ce revêtement étant pourvu dé plusieurs ouvertures rayonnantes suivant un dessin prédéter- miné; ledit dispositif conducteur et ladite couche con- ductrice étant situés sur les surfaces se faisant face des premières et secondes plaques; les dispositifs d'écartement pour maintenir écar- tées l'une de l'autre lesdites première et seconde plaques et pour déterminer un espace entre lesdites plaques; et des dispositifs de transmission de micro-ondes 2533-767 pourvus d'un premier conducteur raccordé au dit plan géomé- trique de base et un second conducteur s'étendant dans le- dit espace entre lesdites première et seconde plaques afin de servir d'électrode génératrice. La surface métallisée de la première plaque n'est pas raccordée directement au conducteur coaxial ou à la ligne de transmission guide d'ondes; la seconde plaque est raccor- dée directement au câble coaxial ou à la ligne de transmis- sion guide d'ondes. Les signaux à micro-ondes sont transformés en on- des se propageant vers l'extérieur dans le diélectrique sous forme de cercles en expansion à partir de l'électrode géné- ratrice vers l'arête extérieure du guide d'ondes à plaques parallèles Lorsque les ondes circulaires en expansion dans le guide d'ondes rencontrent les fentes ou ouvertures du guide d'ondes, elles sont couplées avec l'espace libre sous forme d'un faisceau par radiation par lesdites fentes ou ouvertures Les signaux sont donc émis vers l'espace libre, o ils peuvent être reçus par une antenne réciproque similai- re située à la station réceptrice. Il convient de se référer au dessin o la figure représente une vue en élévation avec coupe d'une antenne construite conformément à la présente invention. La réalisation préférée de la présente invention fait appel au verre comme base ou matériau de substrat tant pour le plan géométrique de base que pour la plaque de l'é- lément rayonnant d'une antenne à plaques parallèles Lorsque le terme "verre" est utilisé dans la présente invention, il est entendu que ceci signifie et comprend toute substan- ce inorganique amorphe, transparente ou translucide obtenue par la fusion du sable, de la silice ou d'autres matériaux de façon à produire une masse qui, après refroidissement, passe à l'état rigide sans cristallisation ou bien l'une des différentes substances organiques ou inorganiques res- semblant au verre par leur transparence, leur dureté ou leur nature amorphe à condition que le matériau possède des ca- ractéristiques appropriées permettant de l'utiliser pour une antenne TVRO. L'antenne à plaques parallèles 10, (qui est de préférence circulaire en coupe dans le plan supérieur) pos- sède une plaque de verre inférieure ou base 12, qui supporte un plan géométrique de base simple monolithique 14 L'anten- ne possède également une plaque de verre supérieure 16, qui supporte un réseau métallisé de matériau 18 pourvu d'ouver- tures ou de découpes 20 et qui constituent le dessin prédé- terminé de fentes ou d'ouvertures du guide d'ondes capable de rayonner de l'antenne à micro-ondes Le dessin des fen- tes ou ouvertures 20 du guide d'ondes rayonnant sera disposé et les fentes seront profilées de façon à émettre par rayon- nement un faisceau ayant les caractéristiques désirées. Tant le plan de base 14 que la couche métallisée 18 sont liés ou collés à leur plaque de verre respective 12 et 16 par tout procédé convenable ou approprié Le plan de base 14 et la couche à structure rayonnante 18 sont des couches métallisées telles que, par exemple, du cuivre ou de l'argent Le plan de base et la structure rayonnante sont liés ou collés à leur plaque de verre respective et peuvent être collés sur leur plaque de verre par tout procédé conve- nable ou approprié y compris les techniques de métallisation spéculaire, de déposition à l'écran de soie ou d'autres techniques pour circuits imprimés ou encore par les techni- ques de transfert decal. L'antenne suivant la présente invention possède également un anneau périphérique en verre 26 entre les pla- ques 12 et 16 et autour de toute la périphérie des arêtes des plaques 12 et 16 Cet élément annulaire périphérique en verre 26 sert à la fois à maintenir les plaques de verre 12 et 16 à l'écart l'une de l'autre et également à sceller hermétiquement l'espace intérieur 28 déterminé entre les plaques de verre 12 et 16 La bande de bord 26 est liée aux plaques 12 et 16 par une soudure pour verre ou par d'au- tres colles pour verre appropriées et les coefficients de dila- tation thermique des plaques de verre 12 et 16 ainsi que de la bande de bord 16 sont adaptés les uns aux autres de façon à empêcher l'apparition de sollicitations thermiques pouvant provoquer la fissuratia de la structure ou la sépa- ration des éléments liés entre eux Un-élément annulaire 29 en matériau à fortes pertes, tel que le PTFE ou une rési- ne époxy, avec une charge de carbone, de métaux peu conduc- teurs tel-s que le plomb ou un matériau à fortes pertes peut être placé à la périphérie extérieure de l'espace 28, à l'in- térieur de l'anneau en verre 26. Un câble coaxial 30 est raccordé à l'antenne Un conducteur 32 (le conducteur extérieur) du câble coaxial est raccordé au plan de base 14 par les broches conductri- ces 33 passant à travers la plaque de verre 12 L'autre con- ducteur 34 (le conducteur intérieur ou central) du câble coaxial pénètre dans et est situé au centre de l'espace 28 mais il n'est pas raccordé à la structure métallique 18 Le conducteur 34 constitue une électrode génératrice des ondes circulaires dans le diélectrique (air, gaz inerte ou vide) de l'espace 28 Un joint approprié 36 est prévu là o le câble coaxial traverse la plaque 14 de façon à faire de l'es- pace d'air 28 un espace hermétiquement fermé Il est entendu que le câble coaxial 30 et ses raccordements au plan de base et à l'élément d'alimentation sont représentés d'une manière schématique et uniquement à titre d'illustration Tout dis- positif de raccordement approprié peut être utilisé égale- ment. Pour l'application comme antenne TVRO envisagée en premier lieu pour la présente invention, la structure sera relativement grande, par exemple une structure carrée de l'ordre de 75 cm à 100 cm de côté ou une structure cir- culaire ayant un diamètre de 75 cm à 100 cm Pour assurer une réception correcte du signal et maintenir une qualité de l'image uniforme dans l'appareil de télévision auquel l'antenne est raccordée, il est important que la disposi- tion spatiale des éléments à micro-ondes reste inchangée. Tout déplacement des plaques de verre 12 et 16 et de leurs constituants respectifs du circuit à micro-ondes par rap- port l'un à l'autre aurait des effets défavorables Un tel déplacement pourrait être provoqué par des forces (par ex. vent, sollicitations mécaniques) agissant sur la plaque 16 ou encore par l'affaissement de la plaque 16 par rapport à la plaque 12 Pourmaintenir l'écartement approprié entre les plaques 12 et 16, des éléments d'écartement en verre 38 peuvent être placés entre les plaques et peuvent être liés à ces plaques. Pour le fonctionnement de l'antenne à micro-ondes suivant la présente invention, la surface métallique 18 et le plan de base 14 constituent un guide d'ondes à plaques parallèles Les ouvertures 20 constituent des points de rayonnement ou des éléments de dispersion ou de couplage de l'énergie des micro-ondes vers l'espace libre Les éléments rayonnants 20 sont disposés et profilés de façon à obtenir un faisceau rayonnant possédant la polarisation, la largeur de faisceau désirée et toute autre caractéristique de pa- ramètre de faisceau souhaitable. Les ouvertures rayonnantes 20 sont représentées seulement à titre d'illustration On n'a tenté en aucune manière de représenter une configuration particulière d'é- lements rayonnants spéciaux ni toute disposition particu- lière Ces détails dépendront des différents paramètres de chaque installation avec antenne ainsi que des caractéris- tiques du faisceau à émettre (ou à recevoir). Un signal à micro-ondes dans le conducteur co- axial 30 est transformé ou subit une transformation en on- des circulaires rayonnant dans toutes les directions à par- tir d'électrodes génératrices 34. Lorsqu'une onde traverse une ouverture rayonnante , une partie de l'énergie de l'onde est rayonnée ou cou- plée vers l'espace L'orientation de l'ouverture rayonnante déterminera la partie d'énergie rayonnée et la distance ra- diale de l'ouverture rayonnante à partir de l'électrode 34 déterminera la phase de l'onde émise Par conséquent, si l'on comprend les facteurs qui déterminent les caractéristi- ques d'une onde rayonnée, un ensemble d'éléments rayonnants orientés peut être disposé à une série de distances radia- les à partir de l'électrode 34 avec des augmentations de distance égales à-une longueur d'onde de façon à obtenir une onde polarisée rayonnée vers l'espace avec un faisceau étroit La répartition de l'intensité de rayonnement sur l'ouverture du faisceau est commandée par l'écartement, les dimensions et la forme des éléments rayonnants D'une ma- nière idéale, le rayonnement ou les fractions diffusées de- vraient être choisis de façon à ce qu'il ne reste plus que très peu d'énergie d'onde dans l'espace diélectrique 28 au moment o l'onde atteint l'arête extérieure 26 L'an- neau à fortes pertes 29 absorbera ou dissipera-l'énergie non émise de façon à empêcher des réflexions indésirables. La plaque de verre 16 devrait avoir, idéalement parlant, une épaisseur égale à environ 2 longueur d'onde dans le verre pour la fréquence centrale du signal à émettre ou à recevoir ( 12 à 14 G Hz pour le satellite stationnaire OTS actuellement en service) Toutefois, cette configuration idéale serait susceptible de rendre l'antenne trop lourde. C'est pourquoi la plaque de verre 16 peut avoir une épais- seur de l'ordre de 2,5 mm afin de réduire son poids Ce dimensionnement donnera lieu à certaines pertes par réfle- xion mais permettra néanmoins de conférer à l'antenne des caractéristiques acceptables Comme mentionné ci-dessus, l'espace 28 entre les plaques de verre 12 et 16 est de pré- férence un espace d'air, l'air servant comme diélectrique approprié Toutefois, l'espace 28 peut être rempli égale- ment de gaz inerte ou bien l'on peut y faire le vide D'au- tre part, bien que les plaques 12 et 16 doivent être réa- lisées de préférence en verre, elles peuvent être également en tout autre matériau diélectrique rigide à condition que la plaque 16 possède une constante diélectrique de 8 ou moins et une tangente de perte de 0,01 ou moins; et la plaque 12 peut être en métal ou être constituée par une sur- face métallisée. Bien que l'antenne suivant la présente invention ait été décrite pour des raisons de commodité dans le cadre du fonctionnement comme émetteur, il est entendu, comme men- tionné ci-dessus, qu'elle fonctionnera comme antenne récep- trice d'une manière réciproque avec les ouvertures rayonnan- tes agissant comme sitesde réception du rayonnement En ef- fet, le principal usage envisagé pour l'antenne suivant la présente invention est celui de récepteur pour les signaux à micro-ondes transmis par satellite dans un système de té- lévision domestique Une antenne de ce genre construite con- formément à la présente invention sera particulièrement ef- ficace, pratique et économique L'antenne possède une bonne stabilité dimensionnelle et,par conséquent,peut être montée à l'extérieur des bâtiments (comme par exemple les toits des maisons ou d'autre structures analogues) et elle peut être montée dans une structure en rotation pour permettre son alignement en direction sans nuire à la réception du signal transmis ni par conséquent à l'uniformité de la quali- té de l'image obtenue sur l'écran de télévision auquel Pan- tenne est connectée. Une caractéristique particulièrement importante et utile pour les antennes extérieures est que l' antenne est protégée contre l'action des intempéries par la struc- ture complètement et hermétiquement fermée de l'antenne et que la plaque supérieure 16 protège la structure rayonnante contre les intempéries Par conséquent, l'antenne sera ca- pable d'assurer un service à l'extérieur pendant de nombreu- ses années. REVENDICATIONS 1 Une antenne à guide d'ondes à plaques paral- lèles comprenant une première plaque ( 12) en matière diélectrique; un dispositif conducteur ( 14) sur la surface de ladite première plaque ( 12) définissant un plan géométrique de base pour une antenne guide d'ondes à plaques parallè- les; une seconde plaque ( 16) en matière diélectrique écartée de ladite première plaque ( 12); - une couche conductrice ( 18) sur une des surfaces de ladite seconde plaque(i 6), cette couche étant pourvue de plusieurs ouvertures rayonnantes ( 20) suivant un dessin pré- déterminé; le dispositif conducteur ( 14) et ladite couche conductrice ( 18) étant situés sur les surfaces tournées vers l'intérieur des première ( 12) et seconde ( 16) plaques; des dispositifs d'écartement ( 26) pour maintenir écartées l'une de l'autre lesdites première et secondes pla- ques ( 12,16) et déterminant un espace ( 28) entre lesdites plaques; et un dispositif de transmission de micro-ondes ayant un premier conducteur ( 32) raccordé-au dit plan géométrique de base ( 14) et un second conducteur ( 34) s'étendant dans ledit espace ( 28) entre-lesdites première et seconde pla- ques ( 12, 16) pour servir d'électrode génératrice 2 Une antenne guide d'ondes à plaques parallè- les suivant-revendication 1 caractérisée en ce que ladite seconde plaque ( 16) a une constante diélectrique non supé- rieure à 8 et une tangente de perte non supérieure à 0,01. 3 Une antenne guide d'ondes à-plaques parallè- les suivant revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdites première et seconde plaques ( 12,16) sont en verre. 4 Une antenne guide d'ondes à plaques parallè- les suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, ca- ractérisée en ce que ladite seconde plaque ( 16) a une épais- seur comprise entre environ 2,5 mm et la moitié de la lon- gueur d'ondes dans la plaque d'un signal à micro-ondes re- çu par l'antenne. -5 Une antenne guide d'ondes à plaques parallè- les suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, ca- ractérisée en ce que les coefficients de dilatation thermi- que desdites première et seconde plaques( 12 et 16) et des- dits dispositifs d'écartement ( 26) sont adaptés les uns aux autres; 6 Une antenne guide d'ondes à plaques parallè- les suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5 carac- térisée en ce que ledit espace ( 28) entre lesdites plaques ( 12 et 16) est hermétiquement scellé. 7 Une antenne guide d'ondes à plaques parallè- les suivant revendication 6, caractérisée en ce que ledit espace ( 28) entre lesdites plaques ( 12 et 16) contient de l'air. 8 Une antenne guide d'ondes à plaques parallè- les suivant revendication 6, caractérisée en ce que ledit espace ( 28) entre lesdites plaques ( 12, 16) contient un gaz inerte. 9 Une antenne guide d'ondes à plaques paral- lèles suivant revendication 6, caractérisée en ce que l'on a fait le vide dans ledit espace ( 28) entre lesdites pla- ques ( 12, 16). Une antenne guide d'ondes à plaques parallè- les suivant revendication 1, comprenant un dispositif d'ab- sorption d'énergie ( 29) à la périphérie extérieure dudit espace ( 28) afin d'empêcher la réflexion de l'onde. 11 Une antenne guide d'ondes à plaques parallè- les suivant revendication 10, caractérisée en ce que ledit dispositif d'absorption d'énergie est un anneau en matériau à fortes pertes. 12 Une antenne guide d'ondes à plaques parallè- les suivant revendication 1, caractérisée en ce que ladite couche ( 18) est un revêtement métallique pourvu de plusieurs fentes ou ouvertures rayonnantes ( 20).