Brevet FR2545280A1 — publié le 19841102

- ELEMENT RAYONNANT OU RECEPTEUR DE SIGNAUX HYPERFREQUENCES A POLARI- SATIONS ORTHOGONALES ET ANTENNE PLANE COMPRENANT UN RESEAU DE TELS ELEMENTS JUXTAPOSES La présente invention concerne un élément récepteur de signaux hyperfréquences à polarisations orthogonales ou, selon le principe de réciprocité des antennes, un élément rayonnant de tels signaux réalisé de façon similaire, cet élément comprenant respec- tivement, de part et d'autre d'une première couche dans laquelle est prévu un premier évidement, des première et deuxième lignes de transmission hyperfréquence disposées suivant deux axes perpendicu- laires, et comprenant également, de l'autre côté de l'une des li- gnes de transmission, une deuxième couche avec un deuxième évide- ment situé en regard du premier et, de l'autre côté de l'autre li- gne de transmission, une troisième couche avec un troisième évide- ment situé en regard des deux autres mais court-circuité à une dis- tance de cette autre ligne de transmission inférieure à l'épaisseur de cette troisième couche de façon à constituer un plan réflecteur, les première et deuxième lignes de transmission étant constituées d'une part de cannelures réalisées symétriquement dans les couches adjacentes et d'autre part de rubans conducteurs portés dans le plan médian de ces lignes et dont les extrémités pénètrent suivant lesdits axes à l'intérieur des évidements pour constituer des son- des excitatrices réalisant avec le milieu de propagation un cou- plage qui permet la réception ou le rayonnement desdits signaux hyperfréquences. L'invention concerne également une antenne plane com- prenant un réseau de tels éléments juxtaposés, et trouve notamment une application dans le domaine de la réception des signaux de té- lévision à 12 gigahertz retransmis par l'intermédiaire de satel- lites Il va de soi qu'étant donné le caractère de réciprocité d'une antenne, un élément 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 -2- de ses caractéristiques Cette remarque reste valable sans excep- tion tout au long de la description qui va suivre, et les mots ré- ception, recevoir, récepteur pourront toujours être remplacés par les mots émission, émettre, rayonnant. Un tel élément et une antenne plane hyperfréquence com- prenant tout un réseau de ces éléments ont été décrits dans deux demandes de brevet français N O 81 08 780 et n' 82 04 252, déposées par la demanderesse le 4 mai 1981 et le 12 mars 1982 respectivement et non encore publiées Lorsque ces éléments ou réseaux d'éléments sont appelés à ne recevoir des signaux que d'un seul côté 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 égale 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 ci- tées, 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 coté 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 dès 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 con- traire 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 récep- teur et une antenne (composée d'un réseau de tels éléments) dans -3lesquels notamment l'action du réflecteur soit optimisée vis-à-vis de l'un et de l'autre des deux réseaux d'alimentation. L'invention concerne à cet effet un élément récepteur, ou rayonnant, tel que défini ci-dessus en introduction et caracté- risé en ce que les longueurs de ces extrémités constituant lesdites sondes excitatrices sont distinctes et choisies de façon que, pour une épaisseur déterminée quelconque de la première couche, les cou- ples de valeurs longueur d'extrémité d'une sonde-distance de la sonde au plan réflecteur corespondent à un couplage expérimenta- lement maximal ou voisin de ce maximum entre chacune desdites sondes et le milieu de propagation contenu dans les évidements. La structure ainsi proposée permet une réalisation mé- canique très simple tout en permettant d'espacer assez largement les plans dans lesquels se trouvent les deux sondes excitatrices, ce qui autorise en particulier la mise en place, dans les couches, des cannelures formant avec les conducteurs les lignes de trans- mission (ce guidage dans l'air permet alors d'utiliser un diélec-, trique de qualité ordinaire du point de vue de ses propriétés hy- perfréquences, sans que ses pertes deviennent gênantes). L'invention concerne, d'autre part, une antenne plane hyperfréquence composée de tout un réseau de tels éléments et réalisée avec des caractéristiques similaires Les particularités et avantages de l'élément et de l'antenne ainsi concernés appa- raîtront maintenant de façon plus précise dans la description qui suit et dans les dessins annexés, donnés à titre d'exemple non li- mitatif et dans lesquels: la figure 1 montre un mode de réalisation de l'élément récepteur selon l'invention; la figure 2 montre une disposition des sondes exci- tatrices permettant d'obtenir un gain élevé pour l'élément récep- teur; 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 dite à substrat suspendu. Cet élément comprend la structure suivante: de part et d'autre d'une première couche 10, dans laquelle est prévu un pre- mier évidement 11 (dans cet exemple, circulaire) de surface inté- rieure métallisée, sont prévues une première ligne de transmission et une deuxième ligne de transmission 30 constituées de rubans conducteurs 21 et 31 portés dans le plan médian de cannelures 22 et 32 par une feuille diélectrique mince 23 et 33 réalisant un support mécanique des conducteurs L'extrémité des conducteurs centraux de ces lignes de transmission hyperfréquence à ruban suspendu réfé- rencée 24 et 34 pénètre suivant deux axes perpendiculaires à l'in- térieur des évidements, constituant ainsi deux sondes excitatrices qui réalisent avec le milieu de propagation un couplage permettant la réception des signaux hyperfréquences-; ces deux extrémités ont une longueur de pénétration en regard de l'évidement qui est dis- tincte, comme on le précise ci-dessous L'autre extrémité de chaque ligne constitue sa sortie, dans le cas de la réception. De l'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 même, 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 courtcircuité 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 unique pour les signaux hyperfréquences reçus L'élément ainsi décrit se comporte comme une transition guide d'onde-ligne à substrat suspendu dans laquelle l'axe du guide est perpendiculaire au plan des lignes. Les première, deuxième et troisième couches 10, 40 et 50 peuvent être métalliques, ou bien réalisées en un matériau diélec- trique 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 hyperfré- quences, pour éviter l'apparition ou atténuer la propagation des modes supérieurs indésirables et suffisamment élevé pour autoriser -5- la propagation du mode principal dans la bande passante considérée. Enfin l'évidement 41 se termine par un évasement de forme tronco- nique 61 éventuellement recouvert d'un écran de type polyuréthane, ces dispositions contribuant à renforcer le gain et améliorer les caractéristiques du rayonnement. Les essais réalisés avec un élément récepteur ayant la structure qui vient d'être décrite ont conduit à étudier l'in- fluence, sur les performances obtenues, de la longueur d'extrémité des lignes 20 et 30 située effectivement en regard des évidements 11, 41, 51 alignés Ces mesures expérimentales, portant essen- tiellement sur le couplage entre ces extrémités des lignes 20 et 30 et le milieu de propagation, c'est-à-dire la cavité constituée par l'ensemble des évidements alignés, ont conduit à une optimisation de ce couplage lorsque lesdites deux extrémités, ou sondes excita- trices, ont une longueur différente Plus précisénent, pour une longueur déterminée d'une des sondes excitatrices, on recherche la distance de cette sonde au plan réflecteur unique (constitué par le fond de la couche 50) qui fournit une adaptation satisfaisante et si possible maximale dans la bande de fréquences concernée (ici sensiblement de 11,7 à 12,5 gigahertz); la figure 2 montre un exemple de disposition des deux sondes de longueurs différentes. On peut ainsi disposer de correspondances entre les lon- gueurs de sonde et la distance au réflecteur, donnant les meil- leures adaptations possibles La distance entre les sondes étant ensuite fixée par l'épaisseur de la couche 10 (choisie suivant les besoins électromécaniques imposés: réalisation mécanique de la couche, mise en place d'une part dans les couches 10 et 40 et d'autre part dans les couches 10 et 50 des cannelures des lignes de transmission 20 et 30,) on cherche dans de tels tableaux de correspondance deux valeurs de longueur pour lesquelles les valeurs associées de distance au plan réflecteur unique différent de cette valeur de l'épaisseur de la couche 10. Dans le cadre d'essais réalisés avec des éléments récep- teurs carrés à sommets arrondis, il a été possible d'obtenir au bout de la ligne de transmission dont l'extrémité du conducteur -6- central constitue la sonde excitatrice un taux d'ondes station- naires inférieur à 1,6 (ce qui correspond à des pertes de trans- mission inférieures à 0,25 d B) dans les conditions suivantes: côté du carré égal à 0,31 g soit ici 15 millimètres (la longueur d'onde Xg étant celle dans la partie guide de l'élément récepteur) et rayon de courbure des sommets arrondis égal à 3 millimètres; distance sonde de la ligne 20 plan réflecteur: 0,27 Àg; distance sonde de la ligne 30 plan réflecteur: 0,17 Xg; longueur d'extrémité de la sonde de la ligne 20 dépassant dans l'évidement: 0,12 Xg; longueur d'extrémité de la sonde de la ligne 30 dépassant dans l'évidement: 0,10 Xg; distance verticale entre ces deux sondes: 0,10 g (soit, à 12 gigahertz, 5 millimètres, ce qui est suffisant pour la mise en place, par usinage, des cannelures des lignes de transmis- sion 20 et 30). Ces valeurs, correspondant à l'exemple d'éléments carrés à sommets arrondis tel que précisés, sont valables pour une impé- dance de ligne d'environ 70 ohms, correspondant à une largeur des conducteurs centraux de 1,4 millimètres, dans des cannelures de dimensions 2,5 x 1,8 millimètres. 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 les cannelures mentionnées ci-dessus, de forme rectangulaire en géné- ral, sont connues par exemple d'après la figure 4 du brevet des EtatsUnis d'Amérique N O 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 -7- polarisation circulaire gauche, un coupleur hybride 3 d B 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 ré- cepteur Enfin, sans coupleur ni structure dépolarisante, on ob- tient des signaux ayant deux polarisations linéaires perpendicu- laires. 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 En particulier, l'invention concerne également une antenne plane hyperfréquence qui est com- posée 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 élé- ments de façon satisfaisante à côté les uns des autres, ce diamètre doit être suffisamment faible (par rapport à la longueur d'onde dans le vide 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 con- dition qu'est évitée l'apparition de lobes secondaires indési- rables, dits lobes du réseau. La structure de cette antenne rayonnante ou réceptrice est tout à fait similaire à celle de l'élément rayonnant ou récep- teur, 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 con- cerne les lignes de transmission En effet, l'antenne comprend non plus seulement deux lignes de transmission conduisant de l'élément récepteur à deux connexions de sortie mais, de façon plus précise, deux réseaux de lignes de transmission hyperfréquence, électrique- ment 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 -8- prévu un coupleur hybride 3 d B (ou, au lieu du coupleur, une struc- ture dépolarisante devant l'ensemble de l'antenne) pour la recons- titution des signaux à polarisation circulaire gauche et droite. 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 O 7011449), d'une succession d'étages de combinaison Si l'antenne comprend N éléments récepteurs, les N premières extrémités de cha- que réseau servent, comme déjà décrit pour un seul élément récep- teur, au couplage avec l'espace de propagation des signaux à rece- voir, tandis que l'extrémité unique opposée de chacun des deux ré- seaux, point de convergence de toutes les lignes de transmission à travers les étages de combinaison successifs, est reliée aux cir- cuits 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 d B qui permet la reconstitution des signaux à polarisa- tions circulaires droite et gauche). Une antenne réalisée de cette manière se pr 8 te particu- lièrement bien à une réalisation modulaire de faible coût, dans laquelle des blocs élémentaires formant des sous-ensembles d'élé- ments 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, pré- sentant des diagrammes de rayonnement différents dans deux plans orthogonaux Cette dernière caractéristique est particulièrement intéressante pour les antennes de réception des signaux de télévision à 12 gigahertz retransmis par satellites, puisqu'une ouverture à 3 d B inférieure à 2 n'est dans ce cas, indispensable que dans le plan équatorial pour séparer les signaux de deux satel- lites "distants", dans ce plan, de 3 (voir les recommandations du C.C I R, Genève, 1977). Une autre réalisation de type modulaire peut aussi être -9avantageusement 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 mainte- nant 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'inven- tion à la réception des signaux de télévision à 12 gigahertz re- transmis par satellites n'est pas limitative, bien que l'antenne décrite soit en effet destinée principalement au couplage avec une ou plusieurs têtes de réception de tels signaux (un exemple de ces têtes de réception est décrit notamment dans la revue "'Onde Electrique", volume 62, n 3, mars 1982, pages 39 et 40); d'une part l'invention 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 fonction- nement dans la gamme des hyperfréquences, liée à l'application en- visagée. -10- REVENDICATIONS 1 Elèment récepteur de signaux hyperfréquences a polarisa- tions orthogonales ou, selon le principe de réciprocité des anten- nes, 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, des première et deuxième lignes de transmission hyperfréquence dispo- sées suivant deux axes perpendiculaires, 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 cÈté 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 de façon à cons- tituer un plan réflecteur, les première et deuxième lignes de transmission étant constituées d'une part de cannelures réalisées symétriquement dans les couches adjacentes et d'autre part de rubans conducteurs portés dans le plan médian de ces lignes et dont les extrémités pénètrent suivant lesdits axes à l'intérieur des évidements pour constituer des sondes excitatrices réalisant avec le milieu de propagation un couplage qui permet la réception ou le rayonnement desdits signaux hyperfréquences, caractérisé en ce que les longueurs de ces extrémités constituant lesdites sondes excitatrices sont distinctes et choisies de façon que, pour une épaisseur déterminée quelconque de la première couche, les couples de valeurs longueur d'extrémité d'une sonde- distance de la sonde au plan réflecteur unique correspondent à un couplage expérimentalement maximal ou voisin de ce maximum entre chacune desdites sondes et le milieu de propagation contenu dans les évidements. 2 Antenne plane hyperfréquence pour la réception, ou l'émission, de signaux hyperfréquences à polarisations orthogo- nales, caractérisée en ce qu'elle 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 -11- première couche dans laquelle sont prévus des premiers évide- ments, des premier et deuxième réseaux de lignes de transmission hyperfréquence assurant par l'intermédiaire d'une suc- cession d'étages de combinaison la liaison, pour chacun des deux réseaux, entre les éléments récepteurs ou rayonnants et une con- nexion unique de sortie correspondante, et de telle sorte qu'elle comprend également, de l'autre côté de l'un de ces réseaux de li- gnes de transmission, une deuxième couche o 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 o sont prévus des troisièmes évidements situés en regard des premiers et deuxièmes mais court-circuités à une dis- tance de cet autre réseau de lignes de transmission inférieure à l'épaisseur de cette troisième couche de façon à constituer un plan réflecteur à l'intérieur de chaque élément, le diamètre des évide- ments 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 lon- gueur d'onde.