Brevet FR2598036A1 — publié le 19871030

La présente invention concerne une antenne plaque à double polarisations croisées, ces antennes étant notamment prévues pour 5 former des réseaux fonctionnant dans la bande de fréquences allant de quelques centaines de MHz à quelques dizaines de GHz. Les réseaux d'antennes plaques élémentaires constituées de doublets repliés à brin alimenté épais réalisées à l'aide de circuits imprimés conviennent particulièrement à l'émission ou à la réception 10 de signaux radioélectriques dans la bande des 12 GHz. Un tel réseau est décrit dans le brevet FR-A-2 487 588. Une antenne réseau à symétrie de révolution destinée plus particulièrement à l'émission de signaux de radiodiffusion terrestre dans la bande des 12 GHz est également décrite dans la demande de brevet francais n 85 08840 15 déposée le 10 juin 1985 aux noms conjoints des présents demandeurs et intitulée "Antenne omnidirectionnelle cylindrique". Cette antenne a, en azimut, un diagramme de rayonnement omnidirectionnel et, en élévation, un diagramme beaucoup plus étroit. Un objet de l'invention consiste à prévoir une antenne plaque 20 élémentaire basée sur le fonctionnement des doublets repliés à brins épais alimentés et réalisée en circuits imprimés qui soit capable de recevoir, mais éventuellement aussi d'émettre, des ondes électromagnétiques à polarisation quelconque, c'est-à-dire elliptique gauche ou elliptique droite, dans la bande des 12 GHz. Plus particulièrement, 25 la polarisation elliptique peut, à la limite, être circulaire ou dégénérée en rectiligne. Une telle antenne, dite à double polarisations croisées est prévue pour être utilisée dans un réseau capable de recevoir des signaux radiodiffusés par satellite avec une polarisation circulaire droite ou gauche. Suivant une caractéristique de l'invention, il est prévu une antenne élémentaire dont la partie rayonnante est formée de deux doublets rayonnants semblables situés dans un même plan et orthogonaux, les fentes entre les brins alimentés des doublets se croisant au centre de l'antenne élémentaire. Suivant une autre caractéristique, les doublets de l'antenne élémentaire sont respectivement associés à des conducteurs centraux de lignes triplaques qui sont orthogonaux avec leurs projections se croisant sous le centre de l'antenne, chaque ligne triplaque étant constituée par les plaques d'un doublet, d'une part, un réflecteur, d'autre part, et entre les plaques et le réflecteur le conducteur central, le réflecteur étant commun aux deux doublets. Suivant une autre caractéristique, les doublets sont constitués par quatre plaques séparées par une croix non conductrice dont le 5 centre coincide avec le centre de l'antenne élémentaire, chaque extrémité de branche de la croix débouchant dans une première aire non conductrice bordée extérieurement par une bande conductrice reliée aux parties arrière des deux plaques adjacentes à ladite branche, une seconde aire non conductrice finie étant prévue au-delà de 10 la bande conductrice, les premières aires, les bandes et les secondes aires étant symétriques par rapport au centre de l'antenne élémentaire et aux axes de symétrie des doublets. Suivant une autre caractéristique, l'antenne élémentaire est réalisée sous la forme d'un premier circuit imprimé avec une première 15 face métallisée dans laquelle ont été découpées la croix, les premières aires et les secondes aires, et une seconde face métallisée sur laquelle ne subsiste que le premier conducteur central, et un second circuit imprimé avec une première face sur laquelle ne subsiste que le second conducteur central et une seconde face entièrement métalli20 sée servant de réflecteur, les deux circuits imprimés étant, une fois orientés convenablement, superposés avec entre eux une couche isolante. 30 35 Suivant une autre caractéristique, il est prévu un réseau d'antennes élémentaires, telles que définies ci-dessus, les premiers conducteurs centraux étant tous associés aux premiers doublets et les seconds conducteurs centraux aux seconds doublets. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: la Fig. 1 est une vue en plan de la partie rayonnante de l'antenne suivant l'invention, la Fig. 2 est une vue en coupe de l'antenne de l'invention, suivant la ligne Y-Y' de la Fig. 1, la Fig. 3 est une vue en plan d'un premier circuit imprimé qui porte la partie rayonnante de l'antenne et d'une ligne d'alimentation, la Fig. 4 est une vue en plan d'un second circuit imprimé qui porte le réflecteur de l'antenne et de son autre ligne d'alimentation, la Fig. 5 est une vue schématique illustrant comment se croisent, superposées, les lignes d'alimentation des doublets constituant l'antenne des Figs. 1 à 4, la Fig. 6 est une vue montrant une variante du circuit imprimé de la Fig. 3, la Fig. 7 est une vue montrant une variante du circuit imprimé de la Fig. 4, et la Fig. 8 est une vue schématique d'une variante de structure rayonnante suivant l'invention. Dans un premier exemple d'antenne de l'invention, la partie rayonnante, montrée à la Fig. 1, comprend deux paires orthogonales de plaques conductrices larges, à savoir la paire de plaques 1 et 3 ayant un axe de symétrie X-X', d'une part, et la paire de plaques 2 - et 4 ayant un axe de symétrie Y-Y', d'autre part. L'ensemble des 15 plaques conductrices 1 à 4 occupe les quadrants délimités par une croix non conductrice dont les orientations des branches 5 à 8 sont décalées de 45 par rapport aux axes de symétrie X-X' et Y-Y' des plaques 1 à 4. En pratique, chaque plaque 1 à 4 a une extrémité angulaire dont les bords sont formés par deux branches adjacentes de 20 la croix. Au-delà des extrémités externes des branches 5 à 8, les plaques ont leurs deux bords latéraux 9 et 10, respectivement parallèles à l'axe de symétrie X-X' ou Y-Y' de la plaque considérée. Par ailleurs, au-delà des extrémités externes des quatre branches 5 à 8 de la croix, sont respectivement prévues quatre aires 25 bornées, non conductrices 11 à 14. A la Fig. 1, les aires 11 à 14 sont limitées vers le centre par l'extrémité de la branche correspondante, par les bords latéraux voisins 9 et 10 de deux plaques conductrices adjacentes et, vers l'extérieur, par un arc de cercle 15, centré au centre de la croix. Audelà de l'arc de cercle 15 de 30 chaque aire non conductrice 11 à 14, sont respectivement prévues des portions de couronne conductrice 16 à 19, qui sont également centrées au centre de la croix. La portion de couronne 16 relie les plaques 1 et 2, la portion 17 les plaques 2 et 3, etc. Au- delà des portions de couronnes conductrices 16 à 19, sont 35 respectivement prévues quatre couronnes non conductrices 20 à 23. Les couronnes 16 et 20 sont symétriques par rapport à l'axe de la branche 5, les portions 17 et 21 sont symétriques par rapport à l'axe de la branche 6, etc. Les portions de couronne non conductrices 20 à 23 sont plus longues que les portions de couronne conductrices 16 à 19, et leurs extrémités sont respectivement plus proches des axes X-X' et Y-Y' que les bords 9 et 10 de chaque plaque conductrice 1 à 4. Les largeurs des branches de croix 5 à 8 et des portions non conductrices 20 à 23 sont du même ordre de grandeur et, plus généralement, les plus faibles possibles compte-tenu des risques de claquage. En pratique, les parties conductrices de la partie rayonnante montrée à la Fig. 1 sont formées dans une face, initialement entière10 ment métallisée, 24 d'un circuit imprimé double faces 25, Fig. 2, dont l'autre face 26 porte le conducteur métallique central 27 d'une première ligne d'alimentation triplaque. Un autre circuit imprimé double faces 28 porte, sur une face 29, le conducteur métallique central 30 d'une seconde ligne d'alimentation triplaque et, sur son 15 autre face, le réflecteur métallisé 31. Les parties non conductrices 5 à 8, 11 à 14, et 20 à 23 sont obtenues par enlèvement des parties correspondantes de la face 24. Les deux circuits imprimés 25 et 28 sont superposés, avec leurs faces 26 et 29 en regard et avec une couche mince 32 de substrat 20 diélectrique en elles. Comme le montrent les Figs. 1 et 2, le conducteur central 27 est dirigé suivant l'axe Y-Y' et passe, en partant de la source d'alimentation non montrée, sous la plaque 2, sous le centre non conducteur C de la croix, puis sous la plaque 4 pour s'arrêter à 25 environ un quart de longueur d'onde du centre C. Sous la face 24, au-delà des portions non conductrices 20 et 21, le conducteur 27 a une largeur permettant de l'adapter à une impédance nominale, par exemple 50 ou 100 ohms; au passage sous l'intervalle entre 20 et 21, sa largeur est réduite A la moitié environ de cet intervalle; au 30 milieu de la plaque 2, sa largeur est réduite à environ la moitié de l'intervalle entre les extrémités de deux plaques opposées 1 et 3 ou 2 et 4; autour du centre, sa largeur est encore réduite comme on le verra en relation avec la Fig. 5; enfin, dans son segment final, sous la plaque 4, sa largeur redevient égale à celle qu'il avait avant le 35 centre C. Comme le montre la Fig. 4, le conducteur central 30, orienté suivant l'axe X'-X, a une largeur qui évolue comme celle du conducteur 27 en passant successivement sous les plaques 3 et 1. Chaque conducteur 27 ou 30 forme avec, d'une part, la face entièrement métallisée 31 et, d'autre part, les parties conductrices de la face 24 une ligne triplaque. La paire de plaques 1 et 3 constitue avec le conducteur central 5 30 et le réflecteur 31 un premier doublet rayonnant polarisé linéairement. Ce doublet est symétrique et ses extrémités adjacentes sont excitées en opposition de phase. De plus, il s'agit d'un doublet replié dont les brins épais sont constitués par les plaques 1 et 3 tandis que les brins repliés, non excités, sont constitués, d'une 10 part, par les portions de couronne 15 et 17, plus la partie externe de la plaque 2, et, d'autre part, par les portions de couronnes 19 et 18, plus la partie externe de la plaque 4. La paire de plaques 2 et 4 constitue, avec le conducteur central 27 et le réflecteur 31, un second doublet rayonnant polarisé 15 linéairement. Ce doublet est également symétrique et ses extrémités adjacentes sont excitées en opposition de phase. Il est facile de vérifier qu'il s'agit également d'un doublet à brin épais excité. On notera que, dans chaque partie externe d'une plaque 1 à 4, les courants des deux doublets se croisent. Toutefois, étant donné 20 que, pour le premier doublet, la ligne Y-Y' est au potentiel zéro tandis que, pour le second doublet, la ligne X-X' est aussi au potentiel zéro, le découplage entre les doublets est grand. On notera également, Fig. 2, que le conducteur d'alimentation du premier doublet est légèrement plus loin des plaques 1, 3 que 25 le conducteur 27 des plaques 2, 4 du second doublet, mais réciproquement plus près du réflecteur 31. Cette écart, égal à la demi-épaisseur de la couche 32, par rapport à une position moyenne au milieu de la couche 32 est pratiquement sans influence sur le fonctionnement des doublets, dans la mesure o l'épaisseur de la couche isolante 32 30 est faible. Comme le montre la Fig. 5 et comme on l'a déjà mentionné, autour du centre de l'antenne, en 33 et 34, les conducteurs 27 et 30 ont leurs largeurs réduites. Cette réduction permet de diminuer le couplage entre les deux doublets. Les moments électriques des deux doublets rayonnants sont ainsi situés dans un même plan et orthogonaux entre eux. Pour émettre ou recevoir une onde dont la polarisation est quelconque, il suffit de déphaser correctement les deux signaux émis ou reçus sur chacun des conducteurs centraux 27 et 30. Il n'est pas utile dans la présente description de donner des détails sur un déphaseur capable d'effectuer cette opération car de tels déphaseurs sont connus de l'homme de métier. A titre expérimental, une source rayonnante ayant la structure 5 définie dans les Figs. 1 à 5 a été réalisée et testée. Cette source a fonctionné dans la bande de fréquences comprise entre 3,65 et 4,05 GHz. Le diamètre hors-tout de la source, c'est-à-dire le diamètre D des bords externes des portions de couronne 20 à 23 était égal à 51 mm, ce qui conduit à un rapport: D D = 0,65 (Iom o (o)O désigne la longueur d'onde en espace libre à la fréquence moyenne de 3,85 GHz. Les circuits imprimés 25 et 28 avaient une épaisseur de 3,2 mm, 15 avec une constante diélectrique relative r = 2,55. La couche r isolante 32 était en téflon d'une épaisseur de 0,3 mm et d'une constante diélectrique relative Er = 2,1. L'épaisseur hors-tout e, Fig. 2, était donc égale à 6,7 mm avec un rapport: 25 30 35 e =- 0,086 on'm La résistance de rayonnement d'un doublet à la fréquence moyenne de 3,85 GHz et rapportée entre les extrémités adjacentes d'un doublet est voisine de 100 ohms. A l'aide des tronçons de différentes largeurs, mentionnées ci-dessus, des conducteurs centraux, chaque doublet était adpaté à 50 ohms. Le tableau I suivant résume les résultats expérimentaux obtenus dans la bande passante sur un doublet seul, l'autre doublet étant fermé sur une charge adaptée de 50 ohms. Tableau I f(GHz) 3,6 3,7 3,8 3,9 4 4,1 0E(degrés) 94 71 70 74 82 92 0H(degrés) 73 59 53 49 70 66 Gain max. (dB) 7,4 8,1 8,7 7,3 7,4 5,9 R.O.S./50 ohms 1,33 1,22 1,32 1,22 1,78 c.c (dB) * -23 -18 -16 -16 -16 Dec (dB) -20,0'-25,2 22,0 -21,6 -22,5 -20 avec 0E et OH représentant les ouvertures à 3 dB respectivement dans les plans "E" et "H"; R.O.S. désignant le rapport d'ondes stationnaires; c.c désignant la composante croisée suivant l'axe de rayonnement maximal; Dec désignant le découplage entre les deux doublets; et * indiquant que la mesure n'a pas été effectuée. Le tableau II montre le taux de polarisation r mesuré suivant l'axe de rayonnement maximal lorsque la source fonctionne en polarisation circulaire. Pour cela, les deux conducteurs centraux 27 et 30 sont connectés à un coupleur directionnel 3 dB qui crée un déphasage 10 de 90 entre les signaux émis ou reçus sur les deux doublets. Tableau II f(GHz) 3,6 3,7 3,8 3,9 4 4,1 (dB) 0,8 2 2,1 2,4 1 1,1 Le taux de polarisation relativement élevé résulte d'une faible 20 différence entre les impédances de rayonnement des deux doublets, due à la dissymétrie des deux lignes triplaques par rapport à la structure rayonnante. Une adaptation d'impédance, légèrement différente pour chaque doublet, permet d'obtenir des courants égaux en amplitude et en quadrature de phase et un taux de polarisation inférieur à 1 dB. Dans l'exemple de réalisation de la Fig. 6, le conducteur central 34 de la ligne triplaque servant à alimenter le second doublet formé des plaques 2 et 4, a sa partie terminale disposée, selon l'axe Y-Y', d'une manière analogue à celle du conducteur 27, mais sous la partie externe de la plaque 2, il change de direction à 30 90 pour passer sous la portion de couronne 16, pratiquement en arc de cercle jusqu'à l'axe X'-X et changer à nouveau de direction pour s'éloigner de la source selon cet axe. La variante de la Fig. 6 peut permettre un arrangement différent des sources pour former un réseau. Par ailleurs, comme le montrent les Figs. 6 et 7, les conducteurs centraux 34 et 35, ce dernier servant à exciter le premier doublet formé des plaques 1 et 3, sont chacun formés d'une bande de largeur étroite qui s'élargit après passage sous l'intervalle entre les plaques. Cette structure des conducteurs centraux est une variante de celle des Figs. 3 et 4 et permet à l'antenne de fonctionner sur une impédance nominale de 100 ohms. A la Fig. 8, on a montré schématiquement une variante de 5 structure rayonnante se composant de deux paires de doublets 1', 3' et 2', 4' qui sont tout à fait analogues aux deux paires l, 3 et 2, 4. Les plaques de ces doublets sont définies par une croix non conductrice, comme à la Fig. 1. Les principales différences de la structure tiennent aux formes carrées des aires non conductrices 12' 10 à 15' et aux formes en équerre des aires 20' à 23', alors que les aires correspondantes avaient à la Fig. 1 une géométrie circulaire. La source de la Fig. 8 a un comportement semblable à celle de la Fig. 1, toutefois ces dimensions hors-tout sont sensiblement plus importantes. Notamment son rapport C/(Xo)m, o C représente le c8té du carré 15 formé par les bords externes des aires 20' à 23' est supérieur à 1, ce qui ne permet pas son utilisation dans un réseau dense. Il faut retenir que, dans les deux structures à géométrie circulaire et à géométrie carrée, on rencontre en partant du centre de la source: - le long de l'axe X-X' ou Y-Y', une plaque conductrice, et - le long des bissectrices des quadrants définis par ces axes, une branche de croix non conductrice, suivie d'une première aire non conductrice, suivie d'une bande conductrice, suivie d'une seconde bande non conductrice, et enfin une seconde aire 25 conductrice. Dans un cas, les bandes sont des portions de couronnes, dans l'autre, ce sont des portions d'équerres. Bien entendu, toutes les formes intermédiaires entre ces deux formes pourraient convenir sur le plan fonctionnel. Toutefois la géométrie circulaire est préférée 30 car elle permet d'avoir un rapport D/(}o)m égal à 0,65, c'est-à-dire une configuration en réseau dense, dans laquelle les centres des sources, c.à. d. le pas du réseau, peuvent être inférieure à une longueur d'onde. La source rayonnante suivant l'invention permet de constituer 35 un réseau de sources identiques dans lequel les premiers doublets sont associés à des conducteurs centraux de ligne triplaque orientés suivant une même direction, tandis que les seconds doublets sont associés à des conducteurs centraux orientés perpendiculairement. REVENDICATIONS 1) Antenne plaque élémentaire à double polarisations croisées dont la partie rayonnante est formée de deux doublets rayonnants (1-3, 24) semblables caractérisée en ce que les deux doublets sont situés dans un même plan et orthogonaux, les fentes entre les brins 5 alimentés des doublets se croisant au centre (C) de l'antenne élémentaire. 2) Antenne plaque élémentaire suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les deux doublets élémentaires (1-3, 2-4) sont respectivement associés à des conducteurs centraux (27, 30) de lignes 10 triplaques qui sont orthogonaux avec leurs projections se croisant sous le centre (C) de l'antenne, chaque ligne triplaque étant constituée par les plaques (1-3 ou 2-4) d'un doublet, d'une part, un réflecteur (31), d'autre part, et, entre les plaques et le réflecteur, le conducteur central (27 ou 31), le réflecteur (31) étant 15 commun aux deux doublets. 3) Antenne plaque élémentaire suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les deux doublets sont constitués par quatre plaques (1 à 4) séparées par une croix (5 à 8) non conductrice dont le centre coincide avec le centre (C) de l'antenne plaque élémen20 taire, chaque extrémité de branche (5, 6, 7 ou 8) de la croix débouchant dans une première aire (11, 12, 13 ou 14) non conductrice bordée extérieurement par une bande (16, 17, 18 ou 19) conductrice reliée aux parties arrière des deux plaques (1, 2, 3 ou 4) adjacentes à ladite branche, une seconde aire (20, 21, 22 ou 23) non conductrice 25 finie étant prévue au-delà de la bande conductrice (16, 17, 18 ou 19), les premières aires, les bandes et les secondes aires étant symétriques par rapport au centre (C) de l'antenne élémentaire et aux axes de symétrie (X-X', Y-Y') des doublets. 4) Antenne plaque élémentaire suivant la revendication 3, carac30 térisée en ce qu'elle est réalisée sous la forme d'un premier circuit imprimé (25) avec une première face (24) métallisée dans laquelle ont été découpées la croix, les premières aires et les secondes aires, et une seconde face (26) métallisée sur laquelle ne subsiste que le premier conducteur central (27), et un second circuit imprimé (28) 35 avec une première face (29) sur laquelle ne subsiste que le second conducteur central (30) et une seconde face (31) entièrement métallisée servant de réflecteur, les deux circuits imprimés (24, 28) étant, une fois orientés convenablement, superposés avec entre eux une couche isolante (32). ) Réseau d'antennes plaques caractérisé en ce qu'il est constitué d'antennes plaques élémentaires suivant l'une des revendications 1 à 4 et en ce que les premiers conducteurs centraux (27) étant tous 5 associés aux premiers doublets et les seconds conducteurs centraux (30) aux seconds doublets.