Brevet FR2544920A1 — publié le 19841026

ANTENNE PLANE HYPERFREQUENOES A RESEAU DE LIGNES A SUBSTRAT COMPLETEMENT SUSPENDU La présente invention concerne une antenne plane com- posée d'éléments rayonnants récepteurs (ou selon le principe de réciprocité des antennes, d'élments rayonnants émetteurs) de si- gnaux hyperfréquences, présentant un ou deux réseaux de lignes pla- naires hyperfréquences du type "lignes à substrat suspendu" (en anglais: suspended strip lines ou SSL) enserrés entre deux ou trois plaques d'un matériau métallique ou métallisé, selon que l'antenne fonctionne en une ou deux polarisations orthogonales res- pectivement, chacune de ces plaques étant percée d'évidements pla- cés en regard les uns des autres, et l'extrémité des conducteurs centraux des lignes de transmission étant disposée en regard des évidements de manière à réaliser un couplage permettant la récep- tion (ou l'émission) de signaux hyperfréquences. Une antenne plane hyperfréquences comprenant un ensemble de tels éléments a été décrite dans trois demandes de brevet français No 81 08 780, 82 04 252 et 82 18 700, déposées par la demanderesse le 4 Mai 1981, le 12 Mars 1982 et le 8 Novembre 1982. Il y est décrit notamment (demande de brevet No 82 18 700, Figure 3) un dispositif permettant la mise en place des conducteurs centraux des lignes de transmission composant le ou les réseaux d'alimentation de l'antenne Chacun des réseaux de lignes hyperfréquences est constitué par un circuit imprimé déposé sur une feuille mince de diélectrique servant de substrat enserrée entre deux plaques métalliques ou en diélectrique métallisé Chaque ré- seau est disposé de telle sorte que les extrémités des conducteurs centraux des lignes se trouvent en regard d'évidements percés res- pectivement dans chacune des plaques qui l'enserrent, de manière à réaliser le couplage entre les lignes et les évidements La mise en place de ces réseaux de conducteurs centraux est faite dans un ré- seau correspondant de cannelures pratiquées en creux dans chacune -2 desdites plaques et destinées à former avec ces conducteurs cen- traux des lignes de transmission du type "lignes à substrat sus- pendu". De tels dispositifs présentent deux sortes d'inconvé- nients D'une part, les tolérances de fabrication des cannelures et les tolérances de mise en position des conducteurs centraux dans les cannelures sont sévères D'autre part, les pertes dans les lignes augmentent, en première approximation, en raison inverse de la largeur des cannelures. L'invention vise à fournir un dispositif permettant la mise en place des conducteurs centraux des lignes en s'affran- chissant des inconvénients décrits ci-dessus. Selon la présente invention, dans une antenne telle que décrite dans le préambule, chaque feuille de diélectrique portant le réseau de conducteurs centraux imprimés des lignes hyperfré- quences est maintenue entre les plaques qui l'enserrent, par des plots de positionnement situés sur les faces de ces plaques, en regard les uns des autres et de part et d'autre de cette feuille, ces plots étant en outre disposés par rapport à cette feuille, dans des espaces dépourvus de circuits imprimés. Dans un tel dispositif, les tolérances de fabrication des plaques sont moins sévères, la mise en place des circuits im- primés est moins critique et le rendement de l'antenne se trouve amélioré puisque les pertes dans les lignes sont minimisées du fait que chaque réseau hyperfréquence de l'antenne fonctionne en réseau de "lignes à substrat complètement suspendu", c'est-à-dire comme un réseau de "lignes à substrat suspendu" dont la largeur serait infinie. Selon une première réalisation de l'invention, les plots de positionnement sont usinés indépendamment des plaques et ajustés ensuite sur celles-ci. Selon une première variante, les plots de positionnement sont partie intégrante des plaques qui enserrent les feuilles de circuits imprimés et sont fabriqués dans une même opération d'usi- nage. -3- Selon une seconde variante, les plots de positionnement sont, de préférence, régulièrement espacés du fait de la structure périodique des circuits imprimés. Selon une troisième variante, le diélectrique portant les circuits imprimés a une épaisseur comprise entre 50 et /um, qui suffit à en assurer la rigidité, tout en limitant les pertes, qui sont aussi proportionnelles à l'épaisseur du dié- lectrique. Les particularités de l'invention et les modes de réa- lisation apparaissent de façon plus précise dans la description suivante en regard des dessins annexés. Les figures la et lb représentent en coupe une antenne comportant deux réseaux de lignes hyperfréquences, réalisée selon l'invention La figure la représente une coupe selon un axe XX' et la figure lb selon un axe YY' perpendiculaire à XX'. Les figures 2 a et 2 b représentent, vues de dessus, des portions des deux réseaux de lignes hyperfréquences de cette antenne et montrent les axes XX' et YY' selon lesquels sont faites les coupes la et lb respectivement. La figure 3 a représente (en trait plein) la courbe des variations de l'impédance Z 0, en ohms, d'une ligne à substrat suspendu, en fonction de la largeur a en millimètres (mm) de la cannelure qui contient le conducteur central. Sur la même figure 3 a, est représentée conjointement (en pointillé), la variation, en décibels par mètre (d B/m), du facteur d'atténuation totale et d'une ligne, également en fonction de la largeur a de la cannelure en millimètres (mm). La figure 3 b représente une coupe transversale d'une ligne à substrat suspendu. La figure 4 a représente la variation du facteur d'atté- nuation totale ut en décibels par mètre (d B/m) en fonction de l'épaisseur e en /um du substrat diélectrique portant le circuit imprimé de conducteurs centraux. La figure 4 b représente une coupe transversale d'une ligne à substrat complètement suspendu. Les figures sont représentées schématiquement à échelle, mais pour la clarté du dessin, les dimensions dans la di- rection de l'épaisseur, dans la section transversale, sont forte- ment exagérées. Telle qu'elle est représentée, figures la et lb, l'an- tenne comporte les éléments suivants: de part et d'autre d'une couche médiane 10, dans laquelle est prévue une série d'évidements 11, sont placées successivement une feuille de diélectrique ( 20 et ) portant un réseau de conducteurs centraux imprimés de lignes de transmission ( 22 pour la feuille 20 et 32 pour la feuille 30) et une autre couche ( 40 et 50) percée d'une autre série d'évidements ( 41 pour la couche 40 et 51 pour la-couche 50) placés dans le pro- longement des évidements 11. Les couches 10, 30 et 40 sont faites d'un matériau mé- tallique ou bien d'un diélectrique métallisé Chaque réseau de li- gnes de transmission est disposé de telle sorte que l'extrémité ( 21 pour un conducteur de la feuille 20 et 31 pour un conducteur de la feuille 30) de chaque conducteur central imprimé soit en regard d'un évidement 11 de manière à réaliser avec cet évidement un couplage permettant la réception ou l'émission des signaux hyperfréquences. Le maintien des feuilles de diélectrique 20 et 30, entre les couches 10 et-40 d'une part, et entre les couches 10 et 50 d'autre part, est réalisé par le moyen d'une série de plots de positionnement 15 et 16 associés à la couche 10, de part et d'autre de celle-ci et placés en regard de plots 45 et 55, associés respectivement aux couches 40 et 50. Comme il ressort des figures 2 a et 2 b, qui représentent respectivement une portion de la feuille diélectrique 20 et de la feuille diélectrique 30, la configuration répétitive des circuits d'antenne permet de trouver, entre les conducteurs imprimés 22 et 32 des espaces vides en suffisamment grand nombre pour que les plots soient assez rapprochés les uns des autres et assurent la rigidité de l'ensemble. Sur les figures 2 a et 2 b sont représentées, outre les -5- circuits 22 et 32 en trait plein, la projection des ouvertures il en pointillé, et la projection des plots de positionnement en hachuré Enfin, les figures 2 a et 2 b montrent les axes XX' et YY' selon lesquels sont faites les coupes représentées respectivement par les figures la et lb Les évidements lia, llb et lic des figures la et lb correspondent aux évidements de même référence sur les figures 2 a et 2 b. Dans une version améliorée de la précédente, des clips sont prévus pour l'alignement des plots 15 et 45 d'une part, et 16 et 55 d'autre part, ainsi que des circuits portés par les feuilles 20 et 30 respectivement Ces clips évitent, en outre, un déplacement ultérieur des différents éléments les uns par rapport aux autres. Les figures 3 et 4 permettent de mieux saisir l'amélioration apportée par l'invention. Les courbes de la figure 3 a ont été tracées pour une ligne à substrat suspendu illustrée par la figure 3 b et dans les conditions suivantes: la fréquence utilisée F = 12,1 G Hz largeur du conducteur en cuivre W = 1,4 mm épaisseur du diélectrique e = 25 /um constante diélectrique relative e = 3,2 facteur de pertes tg 6 = 0,02 profondeur de la ligne b = 1,8 mm. Dans ces conditions, la figure 3 a montre que le facteur d'atténuation totale at dans les lignes décroît en fonction de la largeur a des cannelures qui contiennent les conducteurs cen- traux pour atteindre une valeur faible qui reste à peu près sta- tionnaire lorsque la valeur de a dépasse 6 mm. La figure 3 a montre également qu'une telle variation de la largeur a n'entraîne qu'une augmentation d'environ 10 ohms de la valeur de l'impédance Z O de la ligne, ce qui ne présente pas d'inconvénient. Or, les figures la et lb montrent que, dans le dispo- sitif selon l'invention, la largeur a des cannelures qui contien- nent les conducteurs centraux, équivaut à la distance entre deux -6- plots de positionnement et peut être considérée comme très grande devant la largeur de la cannelure selon l'art antérieur (Figure 3 de la demande de brevet N O 82 18 700 citée) Dans ces conditions, le substrat diélectrique étant mince, le diélectrique principal est l'air, et la ligne hyperfréquence peut être assimilée à une "ligne triplaque ayant l'air comme diélectrique", ou encore à une "ligne à substrat complètement" suspendu" Le facteur de pertes dues à la largeur des cannelures est minimal. D'autre part, les pertes augmentant avec l'épaisseur du substrat diélectrique qui supporte les conducteurs centraux, comme le montre la figure 4 a, il est souhaitable de ne pas utiliser une épaisseur importante afin de ne pas dépasser pour lesdites pertes une limite permise. On notera que la courbe représentée sur la figure 4 a a été tracée pour une ligne à substrat complètement suspendu illustrée par la figure 4 b, et dans les conditions suivantes fréquence utilisée F = 12,1 G Hz largeur du conducteur en cuivre W = 1,4 mm constante diélectrique e = 3,2 facteur de perte tg 6 = 0,02 profondeur de la ligne b = 2 mm Dans le dispositif selon l'invention, une épaisseur du substrat comprise entre 50 et 100 / um, suffisant à assurer sa rigidité, on peut considérer aussi les pertes dues à l'épaisseur de ce diélectrique comme minimales. De sorte que les pertes totales des lignes hyperfré- quences, à savoir: les pertes dans le diélectrique et les pertes dans les conducteurs, étant rendues aussi faibles que possible, le rendement d'une antenne réalisée selon l'invention se trouve amé- lioré. Les plots de positionnement peuvent être réalisés indé- pendamment des plaques 10, 40 et 50, et ajustés ensuite sur celles-ci Plus favorablement, ils peuvent aussi faire partie intégrante des plaques et être réalisés en une seule opération d'usinage, avec des tolérances peu sévères Ceci étant ajouté au ,44920 -7- fait qu'ils peuvent présenter une structure périodique, puisque la configuration des circuits de lignes hyperfréquences entre lesquels ils sont placés est répétitive (figure 2), fait en sorte que la fabrication industrielle des pièces constituant une antenne selon l'invention est grandement simplifiée. D'autre part, le montage des différents éléments, les uns par rapport aux autres, est également rendu rapide et aisé, grâce aux clips d'alignement et du fait que les tolérances de po- sitionnement sont peu sévères. Enfin, les pertes dans les lignes étant rendues très faibles, il est alors possible d'utiliser comme substrat, un diélectrique de qualité courante, donc de prix peu élevé, sans pour autant détériorer trop considérablement le rendement de l'antenne. En conséquence, la simplicité d'usinage et de montage des pièces, ainsi que la qualité bon marché des matières premières font que le coût d'une antenne selon l'invention est fortement diminué. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée à une antenne à deux réseaux de lignes hyperfréquences Si l'on veut disposer d'une antenne plane destinée à recevoir ou à émettre des signaux hyperfréquences d'un seul type de polarisation, ladite an- tenne peut être obtenue à partir de celle qui a été décrite précé- demment, en omettant simplement la couche médiane 10, l'une des deux feuilles de diélectrique 20 ou 30 portant l'un des réseaux à conducteurs centraux de lignes d'alimentation, et en plaçant les plots de positionnement en conséquence. Il est manifeste enfin que l'application de l'invention à la réception des signaux de télévision à 12 gigahertz retransmis par satellites n'est pas limitative D'une part, l'invention est applicable à toutes sortes de réseaux de transmission hyperfré- quences 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 de fonctionnement, dans la gamme des hyper- fréquences, liée à telle autre application envisagée. -8- REVENDICATIONS 1 Antenne plane hyperfréquences composée d'éléments rayon- nants récepteurs (ou selon le principe de réciprocité des antennes d'éléments rayonnant émetteurs) de signaux hyperfréquences présen- tant un ou deux réseaux de lignes planaires hyperfréquences du type "lignes à substrat suspendu" enserrées entre respectivement deux ou trois plaques d'un matériau métallique ou métallisé, selon que l'antenne fonctionne en une ou deux polarisations respectivement, chacune de ces plaques étant percée d'évidements placés en regard les uns des autres, et l'extrémité des conducteurs centraux des lignes de transmission étant disposée en regard des évidements de manière à réaliser un couplage permettant la réception (ou l'émis- sion) des signaux hyperfréquences, caractérisée en ce que chaque feuille de diélectrique portant un réseau de conducteurs centraux imprimés des lignes hyperfréquences est maintenue entre les plaques qui l'enserrent par des plots de positionnement situés sur les faces de ces plaques, en regard les uns des autres et de part et d'autre de cette feuille, ces plots étant en outre disposés par rapport à cette feuille dans des espaces dépourvus de circuits imprimés, de telle sorte que ces réseaux hyperfréquences fonction- nent en réseaux de "lignes à substrat complètement suspendu". 2 Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les plots de positionnement sont parties intégrantes des plaques qui enserrent les feuilles de diélectrique portant les lignes hy- perfréquences et sont fabriqués dans une même opération d'usinage. 3 Antenne selon l'une des revendications 1 et 2, caracté- risée en ce que les plots de positionnement sont régulièrement es- pacés du fait de la structure périodique des réseaux de lignes hy- perfréquences. 4 Antenne selon l'une des revendications là 3, caracté- risée en ce que, aux plots de positionnement sont adjoints des clips de fixation prévus pour empêcher le déplacement des divers éléments de l'antenne les uns par rapport aux autres. Antenne selon l'une des revendications 1 à 4, caracté- risée en ce que l'épaisseur des feuilles de diélectrique portant -9- les réseaux de conducteurs centraux imprimés des lignes hyperfré- quences est comprise entre 50 et 100 /um, ladite épaisseur as- surant la rigidité des feuilles tout en limitant les pertes dans les lignes.