Brevet FR2544554A1 — publié le 19841019

ELEMENT RAYONNANT OU RECEPTEUR DE SIGNAUX HIPERFREQUENCES A POLARI SATIONS CIRCULAIRES GAUCHE ET DROITE ET ANTENNE PLANE COMPRENANT UN RESEAU DE TELS ELEMENTS JUXTAPOSES La présente invention concerne un élément rayonnant ou récepteur de signaux hyperfréquences à polarisations circulaires gauche et droite, ainsi qu'une antenne plane comprenant un réseau de tels éléments juxtaposés, et trouve notamment une application dans le domaine de la réception des signaux de télévision à 12 gigahertz retransmis par l'intermédiaire de satellites. Il va de soi qu'étant donné le caractère de réciprocité d'une antenne, un élé- ment de réception (ou une antenne composée d'un réseau d'éléments de réception) est capable de fonctionner en élément rayonnant (en antenne rayonnante) sans aucune modification de ses caractéristiques.Cette remarque reste valable sans exception tout au long de la description qui va suivre, et les mots réception, recevoir, récepteur pourront toujours être remplacés par les mots émission, remettre, rayonnant. Un tel élément et une antenne plane hyperfréquence comprenant tout un réseau de ces éléments ont été décrits dans deux demandes de brevet français n" 81 08 780 et n" 82 04 252, déposes par la demanderesse le 4 mai 1981 et le 12 mars 1982 respectivement et non encore publiées. Lorsque ces elements ou réseaux d'éléments sont appelés à ne recevoir des signaux que d'un seul coté du plan qu'ils définissent, il est prévu d'augmenter leur gain en plaçant du côté opposé à celui de la réception un réflecteur métallique parallèle à ce plan et situé à une distance de celui-ci egale au quart de la longueur d'onde des signaux utiles à recevoir.Les ondes ainsi réfléchies viennent renforcer les ondes déjà reçues directement. Dans la première des demandes qui viennent d'être citées, deux lignes triplaques indépendantes constituent deux réseaux d'alimentation distincts occupant le même plan médian de l'antenne, et l'action du réflecteur mis en place d'un côté de l'antenne est donc aussi identique que possible vis-à-vis de chacun de ces deux réseaux ; la structure ainsi proposée est cependant relativement complexe et de réalisation délicate, compte tenu justement de la densité des lignes d'alimentation de ces deux réseaux distincts des que le nombre d'éléments récepteurs composant l'antenne est assez élevé. Dans la seconde de ces demandes, la mise en place des premier et deuxième réseaux d'alimentation dans deux plans au contraire complètement distincts et assez éloignés l'un de l'autre résout le problème de densité des lignes mentionné ci-dessus, mais en contrepartie, avec cette disposition, l'action du réflecteur, également mis en place d'un côté de l'antenne, n'est optimale que pour l'un seulement de ces deux réseaux. Le but de l'invention est de proposer un élément récepteur et une antenne composée d'un réseau de tels éléments qui soient simples de réalisation et dans lesquels notamment l'action du réflecteur soit équivalente vis-à-vis de l'un et de l'autre des deux réseaux d'alimentation. L'invention concerne à cet effet d'une part un élément récepteur de signaux hyperfréquences à polarisations circulaires gauche et droite ou, selon le principe de réciprocité des antennes, élément rayonnant de tels signaux réalisé de façon similaire, cet élément comprenant respectivement, de part et d'autre d'une première couche dans laquelle est prévu un premier évidement circulaire, des première et deuxième lignes de transmission hyperfréquence disposées par une extrémité en regard de cet évidement suivant deux axes perpendiculaires pour réaliser avec cet évidement un couplage permettant la réception ou le rayonnement desdits signaux hyperfréquences, et comprenant également, de l'autre côté de l'une des lignes de transmission, une deuxième couche avec un deuxième évidement situé en regard du premier et, de l'autre côté de l'autre ligne de transmission, une troisième couche avec un troisième évidement situé en regard des deux autres mais court-circuité à une distance de cette autre ligne de transmission inférieure à l'épais- seur de cette troisième couche, caractérisé en ce que, pour les première et deuxième lignes de transmission, la longueur d'extrémité située effectivement en regard des évidements est déterminée de façon optimale par la recherche simultanée du gain maximal de l'élément récepteur et du couplage mutuel minimal entre ces deux lignes, en ce que le plan de court-circuit de l'évidement de la troisième couche est situé à des distances des première et deuxième lignes de transmission dont au moins une est différente du quart de la longueur d'onde desdits signaux hyperfréquences, et en ce que ltépaisseur de la première couche est suffisamment faible pour que, par rapport aux signaux hyperfréquences utiles à recevoir, les modes supérieurs indésirables puissent être considérés comme sensiblement identiques vis-à-vis des première et deuxième lignes de transmission, le diamètre des évidements étant à la fois suffisamment faible par rapport à longueur d'onde associée à la fréquence des signaux hyperfréquences pour éviter l'apparition ou atténuer la propagation des modes supérieurs indésirables et suffisamment élevé pour autoriser la propagation du mode principal dans la bande passante considérée. L'invention concerne, d'autre part, une antenne plane hyperfréquence composée de tout un réseau de tels eléments et réalisée avec des caractéristiques similaires. Les particularités et avantages de l'élément et de l'antenne ainsi concernés apparaitront maintenant de façon plus précise dans la description qui suit et dans les dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif et dans lesquels - la figure 1 montre un mode de réalisation de l'élément récepteur selon l'invention - les figures 2a et 2b montrent deux dispositions de lignes de transmission -permettant d'obtenir un gain élevé pour l'élément récepteur, et la figure 2c montre l'allure des courbes de variation de l'amplitude du couplage lignes de transmission-milieu de propagation en fonction de la longueur de pénétration des extrémités de ces lignes en regard des évidements prévus dans les couches, pour une distance de court-circuit donnée - la figure 3 est une vue en coupe partielle suivant l'axe AA de la figure 1 et met en évidence la disposition des lignes de transmission selon la structure à ruban suspendu. Cet élément comprend la structure suivante : de part et d'autre d'une première couche 10, dans laquelle est prévu un premier évidement circulaire 11 de surface intérieure métallisée, sont placées une première ligne de transmission 20 et une deuxième ligne de transmission 30, portées par une feuille diélectrique mince réa- lisant un support mécanique des lignes. Ces lignes de transmission hyperfréquence à ruban suspendu sont disposées par une extrémité (21 dans le cas de la ligne 20) en regard de l'évidement 11, suivant deux axes perpendiculaires, afin de réaliser avec cet évidement un couplage permettant la réception des signaux hyperfréquences ; l'autre extrémité de chaque ligne constitue sa sortie. De 1 'autre côté de la ligne 20 est prévue une deuxième couche 40 comprenant également un deuxième évidement 41 de surface intérieure métallisée situé en regard du premier évidement 11, et, de meme, de l'autre côté de la ligne 30 est prévue une troisième couche 50 avec un troisième évidement 51 de surface intérieure mé- tallisée situé en regard des deux autres. Cet évidement 51 est court-circuité dans un plan parallèle aux faces des couches, à une distance de la ligne 30 bien entendu inférieure à l'épaisseur de la couche 50, de façon à constituer un plan réflecteur pour les signaux hyperfréquences reçus. Les première, deuxième et troisième couches 10, 40 et 50 peuvent être métalliques, ou bien réalisées en un matériau diélectrique avec métallisation des parois des évidements 11, 41 et 51 qui les traversent respectivement. Par ailleurs, le diamètre des évidements doit être à la fois suffisamment faible, par rapport à la longueur d'onde associée à la fréquence des signaux hyperfréquences, pour éviter l'apparition ou atténuer la propagation des modes supérieurs indésirables et suffisamment élevé pour autoriser la propagation du mode principal dans la bande passante considérée. Enfin l'évidement-41 se termine par un évasement de forme tronconique 61 qui contribue à renforcer le gain. Les essais réalisés avec un élément récepteur ayant la structure qui vient d'être décrite ont conduit à étudier l'influence, sur les performances obtenues, de la longueur d'extrémité des lignes 20 et 30 située effectivement en regard des évidements 11, 111, 51 alignés. De ladite étude, il résulte qu'à deux valeurs de cette longueur (voir les figures 2a et 2b respectivement) correspondent des maximums dans la courbe de variation de l'amplitude du couplage lignes-milieu de propagation en fonction de la longueur de pénétration des extrémités des lignes en regard des évidements (voir cette courbe sur la figure 2c). Une étude complémentaire montre que la solution de la figure 2a conduit à une largeur de bande plus importante, ce qui est intéressant dans l'application envisagée plus haut (réception des signaux de télévision à 12 gigahertz).En outre, l'existence d'une telle largeur de bande rend moins contraignante la mise en place des lignes, qui peut s'effectuer avec une marge de quelques millimètres pour la bande considérée. Cette solution étant adoptée, on impose à la couche 10 une épaisseur suffisamment faible pour que les deux lignes de transmission soient adaptées avec le meme court-circuit au fond de l'évidement 51 (la limite au choix d'une faible épaisseur est imposée par la nécessité de prévoir dans la couche 10 des cannelures, comme on le précise plus loin). En outre, le plan de ce court-circuit de l'évidement 51 est situé à des distances des deux lignes de transmission dont au moins une est différente du quart de la longueur d'onde desdits signaux, contrairement à ce qui est habituellement prévu dans les réalisations antérieures où l'on recherche au contraire l'égalité au quart de longueur d'onde. Pour la mise en place des lignes 20 et 30 entre les cou ches 10 et 40 d'une part, 10 et 50 d'autre part, on notera que des cannelures, de forme rectangulaire en général, sont prévues dans les couches adjacentes (d'une part dans les couches 10 et 40, et d'autre part dans les couches 10 et 50) de façon à permettre la progression de chaque ligne de transmission vers sa sortie ; cette disposition est connue par exemple d'après la figure 4 du brevet des Etats-Unis d'Amérique n" 3.587.110 délivré le 22 juin 1971 au nom de la société RCA Corporation, figure dont le principe est repris sur la figure 3 de la présente demande (on peut se reporter aussi à l'article "Careful MIC design prevents waveguide modes", paru dans la revue Microwaves, mai 1977, p. 188 et suivantes, figure 1). On notera aussi qu'en sortie de ces lignes 20 et 30, pour permettre la reconstitution des signaux à polarisation circulaire droite et à polarisation circulaire gauche, un coupleur hybride 3 dB peut être prévu, avec ses deux entrées reliées respectivement aux sorties des lignes 20 et 30 et ses deux sorties fournissant lesdits signaux à polarisation circulaire droite ou gauche.On peut aussi, au lieu du coupleur, prévoir une structure dépolarisante devant l'élément récepteur. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée à l'élément récepteur, ou rayonnant, décrit ci-dessus, à partir duquel des variantes peuvent d'ailleurs être proposées sans pour cela sortir du cadre de l'invention. Elle concerne également une antenne plane hyperfréquence qui est composée de tout un réseau de tels éléments récepteurs, les conditions vues précédemment et relatives au diamètre des évidements étant alors complétées par le fait que, pour une mise en place des éléments de façon satisfaisante à côté les uns des autres, ce diamètre doit être suffisamment faible (par rapport à la longueur d'onde associée à la fréquence des signaux hyperfréquences) pour que la distance entre les éléments puisse être inférieure à ladite longueur d'onde. Ce n'est en effet qu'à cette dernière condition qu'est évitée l'apparition de lobes secondaires indésirables, dits lobes du réseau. La structure de cette antenne est tout à fait similaire à celle de l'élément récepteur, et tout ce qui a été dit ci-dessus à propos de celui-ci peut être transposé tel quel au cas de l'antenne, sauf en ce qui concerne les lignes de transmission. En effet, l'antenne comprend non plus seulement deux lignes de transmission conduisant de ltélément récepteur à deux connexions de sortie mais, de façon plus précise, deux réseaux de lignes de transmission hyperfréquence, électriquement indépendants comme les lignes 20 et 30 et destinés, comme elles, à assurer la transmission des signaux hyperfréquences reçus vers les circuits électroniques extérieurs à l'antenne. Dans ce cas, c'est maintenant en sortie de ces deux réseaux que peut être prévu un coupleur hybride 3 dB (ou, au lieu du coupleur, une structure dépolarisante devant l'ensemble de l'antenne). Ces réseaux sont composés chacun, de façon bien connue dans de nombreuses réalisations (voir notamment la structure de réseau représentée sur la figure 1 de la demande de brevet français n" 7011449), d'une succession d'étages de combinaison. Si l'antenne comprend n éléments récepteurs, les n premières extrémités de chaque réseau servent, comme déjà décrit pour un seul élément récepteur, au couplage avec ltespace de propagation des signaux à rece- voir, tandis que l'extrémité unique opposée de chacun des deux réseaux, point de convergence de toutes les lignes de transmission à travers les étages de combinaison successifs, est reliée aux circuits électroniques de réception extérieurs à l'antenne (et, par exemple, en premier lieu à l'une et l'autre des deux entrées du coupleur 3 dB qui permet la reconstitution des signaux à polarisations circulaires droite et gauche). Une antenne réalisée de cette manière se prête particulièrement bien à une réalisation modulaire de faible cout, dans laquelle des blocs élémentaires formant des sous-ensembles d'éléments récepteurs peuvent être utilisés en nombre approprié et par assemblage jointif pour la constitution d'antennes de dimensions, gain et diagramme de directivité bien déterminés, soit par exemple une antenne symétrique de forme carrée, soit de façon plus générale des antennes dissymétriques, notamment de forme rectangulaire, présentant des diagrammes de rayonnement différents dans deux plans orthogonaux. Cette dernière caractéristique est intéressante pour les antennes de réception des signaux de télévision à 12 gigahertz retransmis par satellites, puisque la directivité des antennes est, dans ce cas, indispensable seulement dans le plan équatorial pour séparer les signaux de deux satellites "distants", dans ce plan, de 2 à 3 . Une autre réalisation de type modulaire peut aussi être avantageusement proposée : si l'on veut disposer d'une antenne plane ne devant recevoir ou émettre des signaux hyperfréquences que d'un seul type de polarisation (linéaire, ou circulaire en maintenant une structure dépolarisante), ladite antenne peut être obtenue à partir de celle décrite précédemment simplement en omettant la couche centrale 10 et l'un des deux réseaux d'alimentation 20 ou 30. Il est manifeste, enfin, que l'application de l'invention à la réception des signaux de télévision à 12 gigahertz retransmis par satellites ntest pas limitative ; d'une part 1' inven- tion est applicable à toutes sortes de réseaux de transmission hyperfréquence purement terrestres, et d'autre part le choix d'un exemple d'application à la fréquence de 12 gigahertz n'est pas exclusif de toute autre fréquence possible de fonctionnement dans la gamme des hyperfréquences, liée à l'application envisagée. REVENDICATIONS 1. Elément récepteur de signaux hyperfréquences à polarisations circulaires gauche et droite ou, selon le principe de réciprocité des antennes, élément rayonnant de tels signaux réalisé de façon similaire, cet élément comprenant respectivement, de part et d'autre d'une première couche dans laquelle est prévu un premier évidement circulaire, des première et deuxième lignes de transmission hyperfréquence disposées par une extrémité en regard de cet évidement suivant deux axes perpendiculaires pour réaliser avec cet évidement un couplage permettant la réception ou le rayonnement desdits signaux hyperfréquences, et comprenant également, de l'autre côté de l'une des lignes de transmission, une deuxième couche avec un deuxième évidement situé en regard du premier et, de l'autre côté de l'autre ligne de transmission, une troisième couche avec un troisième évidement situé en regard des deux autres mais court-circuité à une distance de cette autre ligne de transmission inférieure à l'épaisseur de cette troisième couche, caractérisé en ce que, pour les première et deuxième lignes de transmission, la longueur d'extrémité située effectivement en regard des évidements est déterminée de façon optimale par la recherche simultanée du gain maximal de l'élément récepteur et du couplage mutuel minimal entre ces deux lignes, en ce que le plan de court-circuit de l'évi- dement de la troisième couche est situé à des distances des première et deuxième lignes de transmission dont au moins une est différente du quart de la longueur d'onde desdits signaux hyperfréquences, et en ce que l'épaisseur de la première couche est suffisamment faible pour que, par rapport aux signaux hyperfréquences utiles à recevoir, les modes supérieurs indésirables puissent être considérés comme sensiblement identiques vis-a-vis des première et deuxième lignes de transmission, le diamètre des évidements étant à la fois suffisamment faible par rapport à la longueur d'onde associée à la fréquence des signaux hyperfréquences pour éviter l'apparition ou atténuer la propagation des modes supérieurs indésirables et suffisamment élevé pour autoriser la propagation du mode principal dans la bande passante considérée. 2. Antenne plane hyperfréquence pour la réception, ou l'é- mission, de signaux hyperfréquences à polarisations circulaires gauche et droite, caractérisée en ce quelle est composée de tout un réseau d'éléments selon la revendication 1, juxtaposés et agencés de telle sorte que cette antenne comprend, de part et d'autre d'une première couche dans laquelle sont prévus des premiers évidements, des premier et deuxième réseaux de lignes de transmission hyperfréquence dont les extrémités sont disposées en regard de ces évidements parallèlement les unes aux autres et suivant deux axes perpendiculaires pour réaliser avec ces évidements un couplage permettant la réception ou le rayonnement desdits signaux, et de telle sorte qu'elle comprend également, de l'autre côté de l'un de ces réseaux de lignes de transmission, une deuxième couche où sont prévus des deuxièmes évidements situés en regard des premiers et, de l'autre côté de l'autre réseau de lignes de transmission, une troisième couche où sont prévus des troisièmes évidements situés en regard des premiers et deuxièmes mais court-circuités à une distance de cet autre réseau de lignes de transmission inférieure à l'épaisseur de cette troisième couche, le diamètre des évidements étant en outre suffisamment faible par rapport à la longueur d'onde associée à la fréquence des signaux hyperfréquences pour que la distance entre les éléments puisse être inférieure à ladite longueur d'onde. 3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que les première, deuxième et troisième couches sont réalisées en un matériau diélectrique, avec métallisation des parois des évidements qui les traversent. 4. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que les première, deuxième et troisième couches sont métalliques. 5. Antenne selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend, pour une réalisation modulaire, des blocs élémentaires formant des sous-ensembles d'éléments récepteurs ou rayonnants et pouvant être utilisés en nombre approprié et par assemblage jointif pour la constitution d'antennes de dimensions, gain et diagramme de directivité déterminés, et notamment d'antennes dissymétriques présentant des diagrammes de rayonnement différents selon les plans considérés.