Brevet FR2550892A1 — publié le 19850222

-1 SORTIE D'ANTENNE EN GUIDE D'ONDE POUR UNE ANTENNE PLANE HYPERFREQUENCE A RESEAU D'ELEMENTS RAYONNANTS OU RECEPTEURS ET SYSTEME D'EMISSION OU DE RECEPTION DE SIGNAUX HYPERFREQUENCES COMPRENANT UNE ANTENNE PLANE EQUIPEE D'UNE TELLE SORTIE D'ANTENNE La présente invention concerne une sortie d'antenne en guide d'onde pour une antenne plane à réseau d'éléments rayonnants ou récepteurs de signaux hyperfréquences ainsi qu'un système d'émission ou de réception de signaux hyperfréquences comprenant 05 une antenne plane équipée d'une telle sortie d'antenne, et trouve une application importante dans les systèmes de réception de signaux de télévision à 12 gigahertz, notamment de signaux de télévision retransmis par l'intermédiaire de satellites géostationnaires. Les deux demandes de brevet français n 81 08 780 et n 82 04 252 déposées précédemment par la demanderesse les 4 mai 1981 et 12 mars 1982 décrivent l'une et l'autre une antenne plane hyperfréquence comprenant un réseau d'éléments rayonnants ou récepteurs La première de ces demandes concerne une antenne dont 15 les éléments sont réalisés à partir d'une part de trois plaques isolantes dans lesquelles sont prévus des mini- cornets de section carrée ou rectangulaire et de surface intérieure métallisée et d'autre part de deux réseaux d'alimentation placés respectivement entre ces plaques pour la réception des signaux se propageant dans 20 les mini-cornets La deuxième des demandes citées concerne une antenne réalisée également en trois plaques et deux réseaux d'alimentation, mais dans laquelle, plus précisément, les éléments comprennent une première couche avec un premier évidement circulaire, des premier et deuxinème réseaux de lignes de transmission 25 hyperfréquence situés de part et d'autre de cette première couche et couplés pour la réception des signaux avec chaque évidement suivant deux axes perpendiculaires (mais parallèles d'un élément à l'autre) et, de l'autre côté de l'un et l'autre de ces réseaux dits d'alimentation, une deuxième et une troisième couche avec des évi30 dements circulaires correspondant aux premiers, les trois couches -2 2550892 ou plaques ainsi prévues étant métalliques ou réalisées en un matériau diélectrique avec métallisation des parois des évidements qui les traversent Dans l'une ou l'autre de ces demandes, les évidements de la plaque ou couche arrière sont en outre court-circuités, 05 à une profondeur voisine de X/4 en général. Dans ces deux documents cités, il apparaît cependant l'inconvénient suivant, à savoir que les réseaux d'alimentation recueillant les signaux qui se propagent dans les évidements ne sont pas dans un mme plan mais à une distance l'un de l'autre égale à l'épaisseur de la première plaque et qu'il résulte de cette disposition un déphasage entre les signaux reçus par l'un et par l'autre réseau Cette épaisseur et par conséquent ledit déphasage peuvent être réduits, mais seulement dans une faible mesure si les réseaux de lignes de transmission comprennent des cannelures de guidage des conducteurs centraux de ce lignes, comme cela est prévu dans la deuxième des demandes citées. Un premier but de l'invention est donc de proposer une sortie d'antenne pour antenne plane à réseaux d'éléments dans laquelle l'inconvénient mentionné ci-dessus est complètement éliminé. 20 L'invention concerne à cet effet, dans un système de réception, ou d'émission compte tenu du caractère de réciprocité des antennes, de signaux hyperfréquences à polarisations orthogonales, une sortie d'antenne pour antenne plane à réseau d'éléments récepteurs réalisée en deux réseaux de lignes de transmission hy25 perfréquence et trois plaques agencés de telle sorte que la première plaque comprend des premiers évidements, que les premier et deuxième réseaux de lignes de transmission sont plans, situés respectivement de part et d'autre de cette première couche et, pour la réception des signaux, couplés avec chacun des évidements par au30 tant d'extrémités distinctes formant sondes excitatrices suivant deux axes perpendiculaires, et que les deuxième et troisième plaques sont situées de l'autre côté respectivement de l'un et de l'autre de ces réseaux et comprennent des deuxièmes et troisièmes évidements alignés avec les premiers, ces troisièmes évidements étant court-circuités dans un plan parallèle aux faces des plaques, -3 2 2550892 a et ces plaques étant métalliques ou diéleetriques avec métallisation des parois des évidements, ladite sortie d'antenne étant caractérisée en ce que l'extrémité unique opposée de chacun des deux réseaux de lignes de transmission forme également une sonde excita05 trice et est couplée à un guide d'ondes situé à et orienté vers l'arrière de l'antenne et constitué successivement d'un premier évidement dans la plaque arrière, dite troisième, de l'antenne, d'un deuxième évidement dans la plaque centrale dite première et, dans la plaque avant dite deuxième, d'un troisième évidement court-circuité dans un plan parallèle aux faces des plaques à une profondeur égale à celle du plan de court-circuit des éléments récepteurs. La structure ainsi proposée assure, grâce à la présence, au dos de l'antenne, d'un élément inversé par rapport aux éléments 15 récepteurs de la face avant, la remise en phase, la synchronisation rigoureuse des signaux parcourant respectivement chaque réseau de lignes de transmission: en effet, dans cet élément inversé mais sinon similaire aux autres, les sondes excitatrices réémettant les signaux qu'elles portent ont le même écart "vertical" que celles 20 des éléments de la face avant, écart qui est égal à l'épaisseur de la plaque centrale On dispose ainsi d'une sortie d'antenne à large bande. Un autre but de l'invention est de proposer une sortie d'antenne située au centre de cette dernière et évitant donc de 25 mettre en place des longueurs de ligne de transmission supplémentaire, ce qui nuirait à l'efficacité de l'antenne. L'invention concerne à cet effet soit la sortie d'antenne qui vient d'être décrite, avec trois plaques et deux réseaux de lignes de transmission, soit dans un système de réception, ou d'émission compte tenu du caractère de réciprocité des antennes, de signaux hyperfréquences, une sortie d'antenne pour antenne plane à réseau d'éléments récepteurs réalisée à l'aide d'un réseau de lignes de transmission hyperfréquence enserré entre une première plaque comprenant des premiers évidements et une deuxième plaque com35 prenant des deuxièmes évidements alignés avec les premiers mais -4 court-circuités dans un plan parallèle aux faces des plaques, ledit réseau étant plan et couplé avec chacun des évidements par autant d'extrémités distinctes formant sondes excitatrices et les plaques étant métalliques ou diélectriques avec métallisation des parois 05 des évidements, ladite antenne étant caractérisée en ce que l'extrémité unique, opposée aux sondes excitatrices, du réseau de lignes de transmission forme également une sonde excitatrice et est couplée à un guide d'ondes orienté vers l'arrière de l'antenne et constitué d'un premier évidement dans la plaque arrière de l'an10 tenne et, dans la plaque avant, d'un deuxième évidement court-circuité dans un plan parallèle aux faces des plaques, à une profondeur égale à celle du plan de court-circuit des éléments récepteurs. Avec une telle structure, on évite la présence de lignes 15 de transmission supplémentaires, mais aussi la mise en place de connecteurs extérieurs puisque la sortie d'antenne conforme à l'invention conduit directement à la ou aux têtes de réception du système. Les particularités et avantages de l'invention apparaî20 tront 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 est une vue partielle de la face arrière de l'antenne selon l'invention; la figure 2 est une coupe selon l'axe AA de la figure 1. L'antenne plane hyperfréquence selon l'invention comprend, en référence aux figures, un réseau d'éléments récepteurs réalisés de la façon suivante De part et d'autre d'une première couche 10, dans laquelle sont prévus des évidements circulaires 11 30 disposés en réseau bidimensionnel, sont placés les rubans conducteurs de deux réseaux 20 et 30 de lignes de transmission, électriquement indépendants et portés chacun par une feuille diélectrique mince réalisant un support mécanique de ces réseaux de lignes De l'autre côté des réseaux 20 et 30 sont prévues respectivement une 35 deuxième couche 40 avec des évidements circulaires 41 et une troisième couche 50 avec des évidements circulaires 51. -5 Z$ 505892 Ces évidements 41 et 51 sont situés en regard des évidements 11 Les évidements 51 de la troisième couche sont court-circuités dans un plan 52 parallèle aux faces des couches 10, 40, 50, à une profondeur bien entendu inférieure à l'épaisseur de la couche 05 50, de façon à constituer un plan réflecteur pour les signaux hyperfréquences reçus Les évidements h 1 se terminent ici, sans que cette disposition soit indispensable, par un évasement de forme tronconique 42 qui contribue à renforcer le gain Les première, deuxième et troisième couches 10, 40, 50 sont soit métalliques, 10 soit réalisées en matériau diélectrique avec métallisation de toutes les parois des évidements 11, 41, 51 qui les traversent respectivement. Les extrémités des réseaux 20 et 30 de lignes de transmission à ruban suspendu sont disposées, côté éléments récepteurs, 15 suivant deux axes perpendiculaires en regard des évidements de ces éléments récepteurs Ces extrémités (ici non représentées en raison de l'accroissement de complexité des figures qui en résulterait) forment de façon connue deux sondes excitatrices, réalisant dans chacun des éléments le couplage guideréseau qui permet la récep20 tion des signaux hyperfréquences en provenance du milieu de propagation; les longueurs de pénétration de ces sondes peuvent être éventuellement différentes l'une de l'autre afin d'optimiser ce couplage A partir de ces extrémités qui sont en nombre égal à celui des éléments récepteurs, les réseaux 20 et 30 progressent par 25 étages de combinaison successifs vers une extrémité unique opposée, 121 et 131 respectivement, constituant un point de convergence atteint après des parcours électriques d'égale longueur Ces deux extrémités 121 et 131 recueillent, pour l'une, l'ensemble des signaux hyperfréquences reçus ayant repectivement une polarisation linéaire déterminée et, pour l'autre, l'ensemble des signaux hyperfréquences reçus ayant la polarisation linéaire perpendiculaire. Un guide d'ondes circulaire 60 unique, situé ici au centre de la face arrière de l'antenne, est alors associé à ces deux extrémités 121 et 131 de la façon suivante D'une part ce guide d'ondes 60 occupe une position inverse de celle des guides d'ondes -6 2550892 & constitués dans les éléments récepteurs par l'association des évidements successifs 41, 11, 51, ce qui signifie, plus précisément, que ce guide 60, orienté vers l'arrière de l'antenne, comprend successivement un évidement circulaire 65 dans la couche arrière 50 de 05 l'antenne, un évidement circulaire 61 dans la couche centrale 10, et un évidement circulaire 64 dans la couche avant 40 Seul ce dernier évidement 64 (comme dans le cas des évidements arrières 51 des éléments récepteurs de l'antenne) est court-circuité dans un plan 62 parallèle aux faces des couches 10, 40, 50, à une profondeur 10 bien entendu inférieure à l'épaisseur de la couche 40, cette profondeur étant en outre ici égale à celle prévue pour les plans de court-circuit 52 dans les évidements 51. Cette structure du guide d'ondes 60 étant précisée, des tronçons terminaux 122 et 132 des extrémités 121 et 131 des réseaux 15 de transmission 20 et 30 sont mis en place en regard des évidements , 61, 64, de façon similaire à la mise en place des extrémités opposées des réseaux 20 et 30 dans chacun des éléments récepteurs orientés vers l'avant de l'antenne, de façon à constituer également des sondes excitatrices Il apparaît alors bien, maintenant, que, si l'un des réseaux, 20 dans le cas présent, est atteint le premier par les signaux hyperfréquences arrivant du milieu de propagation et pénétrant dans les éléments récepteurs, le déphasage par avance créé dans ce réseau est compensé par le déphasage en sens inverse obtenu lors de la réémission dans le guide d'ondes 60 des signaux 25 présents sur les tronçons terminaux 122 et 132 après leur progression à travers les réseaux 20 et 30, les longueurs de ces tronçons formant sondes excitatrices étant, éventuellement, également inversées si elles sont différentes l'une de l'autre. Les signaux hyperfréquences reçus étant ainsi à nouveau 30 rigoureusement en phase, il ne reste plus qu'à placer dans le guide d'ondes 60 une structure dépolarisante (non représentée, car de type connu; il s'agit en général d'une plaquette diélectrique placée longitudinalement et diamétralement dans le guide), puis un séparateur de modes (disposant donc de deux sorties aussi symé35 triques que possible vers deux convertisseurs de fréquence) pour -7- disposer à nouveau des signaux hyperfréquences à polarisations orthogonales qui avaient été émis (ou retransmis par l'intermédiaire de satellites géostationnaires) Le séparateur de modes peut être par exemple tel que celui décrit dans l'article "A wide-band 05 square-waveguide array polarizer" paru dans la revue IEEE Transactions on Antennas and Propagation, mai 1973, pages 389 à 391 (voir en particulier la figure 1 de ce document) Les deux convertisseurs de fréquence, ou têtes de réception, regroupant les circuits électroniques associés à l'antenne peuvent être notamment, dans le cas de la réception de signaux de télévision à 12 gigahertz transmis par l'intennrmédiaire de satellites, du type de la tête de réception décrite dans la revue "L'Onde Electrique", volume 62, n 3, mars 1982, pages 39 et 40. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée à 15 l'exemple de réalisation ci-dessus décrit et représenté, à partir duquel des variantes peuvent être proposées sans pour cela sortir du cadre de l'invention En particulier, la sortie d'antenne proposée reste avantageuse même pour une antenne appelée à ne recevoir des signaux que d'un seul type de polarisation et ne comprenant à 20 cet effet qu'un seul réseau de lignes de transmission enserré entre deux plaques; en effet, même dans ce cas, la structure proposée reste très économique, pour les raisons indiquées plus haut, par rapport aux solutions actuelles avec lignes de transmission supplémentaires et connecteurs extérieurs En outre, l'invention s'étend 25 à tout système de réception de signaux hyperfréquences comprenant une antenne plane telle que décrite, le choix de l'exemple de signaux de télévision à 12 gigahertz n'étant pas limitatif de la fréquence de fonctionnement ni de la nature de ce système (il peut être incorporé dans des réseaux de transmission terrestre aussi 30 bien que de transmission par satellites). -8- REVENDICATIONS 1 Dans un système de réception ou d'émission compte tenu du caractère de réciprocité des antennes, de signaux hyperfréquence à polarisations orthogonales, sortie d'antenne pour antenne plane à 05 réseau d'éléments récepteurs réalisée en deux réseaux de lignes de transmission hyperfréquence et trois plaques agencés de telle sorte que la première plaque comprend des premiers évidements, que les premier et deuxième réseaux de lignes de transmission sont plans, situés respectivement de part et d'autre de cette première plaque 10 et, pour la réception des signaux, couplés avec chacun des évidements par autant d'extrémités distinctes formant sondes excitatrices suivant deux axes perpendiculaires et que les deuxième et troisième plaques sont situées de l'autre c 8 té respectivement de l'un et de l'autre de ces réseaux et comprennent des deuxièmes et 15 troisièmes évidements alignés avec les premiers, ces troisièmes évidements étant court-circuités dans un plan parallèle aux faces des plaques, et ces plaques étant métalliques ou diélectriques avec métallisation des parois des évidements ladite sortie d'antenne étant caractérisée en ee que l'extrémité unique opposée de chacun 20 des deux réseaux de lignes de transmission forme également une sonde exeitatrice et est couplée à un guide d'ondes situé à et orienté vers l'arrière de l'antenne, et constitué successivement d'un premier évidement dans la plaque arrière, dite troisième, de l'antenne, d'un deuxième évidement dans la plaque centrale dite pre25 mière et, dans la plaque avant dite deuxième, d'un troisième évidement court-circuité dans un plan parallèle aux faces des plaques à une profondeur égale à celle du plan de court-circuit des éléments récepteurs. 2 Dans un système de réception, ou d'émission compte tenu du caractère de réciprocité des antennes, de signaux hyperfréquences, sortie d'antenne pour antenne plane à réseau d'éléments récepteurs réalisée à l'aide d'un réseau de lignes de transmission hyperfréquence enserré entre une première plaque comprenant des premiers évidements et une deuxième plaque comprenant des deuxièmes évidements alignés avee les premiers mais courtcircuités -9 dans un plan parallèle aux faces des plaques, ledit réseau étant plan et couplé avec chacun des évidements par autant d'extrémités distinctes formant sondes excitatrices et les plaques étant métalliques ou diélectriques avec métallisation des parois des évide05 ments, ladite antenne étant caractérisée en ce que l'extrémité unique, opposée aux sondes excitatrices, du réseau de lignes de transmission forme également une sonde excitatrice et est couplée à un guide d'ondes orienté vers l'arrière de l'antenne et constitué d'un premier évidement dans la plaque arrière de l'antenne et, dans la 10 plaque avant, d'un deuxième évidement court-circuité dans un plan parallèle aux faces des plaques, à une profondeur égale à celle du plan de court-circuit des éléments récepteurs. 3 Système d'émission ou de réception de signaux hyperfréquences comprenant une antenne plane à réseau d'éléments rayonnants 15 ou récepteurs équipée d'une sortie d'antenne selon l'une des revendications 1 et 2.