Brevet FR2599899A1 — publié le 19871211

"Antenne plane à réseau avec conducteurs d'alimentation imprimés à faible perte et paires incorporées de fentes superposées rayonnantes à large bande L'invention concerne une nouvelle antenne à réseau plan à large bande. On connaît déjà de telles antennes, notamment celles décrites dans les brevets français 81 08 780 déposé le 4 mai 1981 (Laboratoires d'Elec troniRee et de Physique Appliquée) et 83 06 650 déposé le 22 avril 1983 par le même déposant. L'antenne du brevet français 81 08 780 décrit une structure d'antenne à réseau réalisée selon la technique du circuit imprimé sur un support diélectrique (structure "stripline"). Or, on sait que les pertes apparaissant sur un circuit imprimé dépendent essentiellement du tvpe de diélectrique utilisé..En conséquence, on ne peut obtenir des performances élevées avec cette antenne de'l'art antérieur qu'en utilisant un diélectrique relativement onéreux. D'autre tarot. dans le cas où l'on souhaite fonctionner en double Dolarisation. le dispositif antérieur décrit propose de réaliser deux lignes d'alimentation séparéessituéesdans le même plan. Or, un tel système d'alimentation n'est possible que lorsque le réseau planaire n est constitué que d'un petit nombre d'éléments. Il existe en effet une incompatibilité géométrique à réaliser un tel réseau lorsque par exemple il doit être constitué de seize éléments sur seize, du fait que certaines des lignes doivent se croiser. Le système décrit est donc relativement onéreux et incapable de servir de principe à la réalisation d'un réseau pour satellite DBS (satellite de télécommunication directe pour la radiodiffusion ou la télédiffusion), qui comporte couramment des systèmes de 500 par 1000 éléments. Le brevet francais 83 06 650 décrit sour sa part. une antenne Dlane hDerfrésuences à réseau de lianes à substrat complètement suspendu. Cette construction présente l'avantage d'utiliser un diélectrique bon marché et de faible performance. Toutefois, le dispositif décrit présente l'inconvénient de nécessiter l'utilisation de plaques métalliques ou métallisées relativement épaisses pour former le réseau. Les éléments rayonnants de cette antenne antérieure fonctionnent en effet comme des guides d'ondes ouverts qui sont excités par les lignes imprimées et I'épaisseur des plaques métalliques. Or, lorsque l'on veut fonctionner en bande S, on obtient un système beaucoup trop encombrant du fait de l'é- paisseur des plaques métalliques : par exemple, la plaque de la couche inférieure de la figure 1A de ce brevet antérieur doit presenter une épaisseur d'au moins 7 mm environ à 12 GHz . En conséquence, la présente invention se propose de réaliser une antenne à réseau permettant notamment de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus des dispositifs connus. A cet effet, un premier objet de l'invention est de réaliser une antenne réseau de construction simple, grâce à la disposition originale des lignes d'alimentation, avec de faibles exigences de tolérancement. Un deuxième objet de l'invention est de réaliser les éléments rayonnants intégrés à la structure des lignes d'alimentation, également pour des raisons de simplicité de construction. Un autre objet de l'invention est de réaliser une telle antenne à réseau qui fonctionne sur une large bande, grâce au groupement par paires (ou en nombre plus grand) de fentes rayonnantes couplées électromagnétiquement. Un objet complémentaire de l'invention est de réaliser une antenne de grande efficacité (grâce à un système d'alimentation à faible perte), qui puisse fonctionner en double polarisation circulaire. Ces objectifs sont atteints à l'aide d'une antenne plane à réseau du type constituée de lignes d'alimentation, disposées selon un circuit plan , et coopérant en couplage en hyperfréquences avec des évidements pratiqués dans une plaque métallisée, antenne caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une structure triplaque formée d'une plaque support des lignes d'alimentation insérée en sandwich entre deux plaques métalliques légèrement espacées percées d'évidements réguliers, lesdites plaques étant positionnées de façon à aligner par paire chaque évidement de la plaque supérieure avec un évidement de la plaque inférieure, et lesdites lignes d'alimentation présentant une terminaison s'avançant en regard de chaque paire d'évidement formant ainsi un élément rayonnant de l'antenne, ladite structure triplaque étant complétée par une plaque inférieure réfléchissante. Cette structure caractérisant l'antenne selon l'invention permet alors d'obtenir un fonctionnement sur une large bande, notamment si les deux évidements d'une même paire ne présentent pas tout à fait le même diamètre, et si la structure triplaque est surmontée d'une plaque supplémentaire également évidée. En tout état de cause, les entretoises de séparation des plaques de la structure de l'antenne peuvent être réalisées dans un diélectrique bon marché sans inconvénient. Enfin, l'antenne ainsi réalisée sous forme très compacte permet d'émettre ou de recevoir en double polarisation circulaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture suivante de la description d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention et de quelques variantes, et des dessins annexés dans lesquels - la Fig. 1 représente une vue éclatée de la version de base de l'antenne suivant l'invention; - la Fig.2 représente une vue détaillée en coupe et en perspective de deux éléments rayonnantis de l'antenne de la figure 1; - la Fig. 3 représente un diviseur en T de la ligne d'alimentation de l'antenne suivant l'invention; - les Figs 4a et 4b représentent le tracé de l'impédance et des pertes de l'antenne suivant l'invention en fonction de la distance de la plaque inférieure de réflexion à la structure triplaque, dans le cas d'un fonctionnement en bande S et en bande X respectivement. - la Fig.5 représente un second mode de réalisation de l'antenne suivant l'invention permettant une double polarisation linéaire. - les Figs 6 et 7 schématisent deux versions de l'antenne suivant l'invention comportant respectivement un réflecteur additionnel de couplage électromagnétique, et une fente additionnelle de couplage électromagnétique; - la Fig.8 représente un mode de réalisation de l'antenne suivant l'invention dont le circuit d'alimentation est formé d'un circuit imprimé inversé. Comme on peut le voir sur la figure 1, la structure triplaque A de l'antenne est placée dans un cadre inférieur B dont la face de fond 14 constitue une plaque inférieure réfléchissante. La structure triplaque est formée d'une plaque centrale 12 portant le circuit d'alimentation 22 de l'antenne, insérée entre une plaque métallique supérieure 11 et une plaque métallique inférieure 13. Des entretoises 10 en matériau diélectrique assurent l'espacement entre chacune des plaques 11,12,13 de la structure triplaque. La structure triplaque A est séparée de la plaque de fond de la hauteur des entretoises 15 bordant les faces internes des côtés constitutifs du cadre B. Les plaques supérieure 11 et inférieure 13 sont percées à intervalles réguliers d'évidements 20. Ces évidements sont en correspondance deux à deux 20a, 20b, chaque paire formant un élément rayonnant élémentaire. Chaque élément rayonnant est donc complètement incorporé à la structure de l'antenne. Les évidements 20a, 20b d'une même paire ont leurscentresalignéssur un axe vertical, et peuvent présenter un diamètre égal. Toutefois, il est préférable que les diamètres des évidements d'une même paire soientlégèrement différents pour améliorer la largeur de bande. En fait, la fréquence de fonctionnement de chaque évidement dépend essentiellement de ses dimensions, et si les deux évidements d'une même paire ont une fréquence centrale de fonctionnement légèrement différente, la largeur de bande totale est augmentée. Le diamètre des évidements est de l'ordre de 0,3 à 0,5 longueur d'onde. Avantageusement, l'espacement entre deux évidements consécutifs sur une ligne ou une colonne est égal à 0,9 longueur d'onde. La Plaque réfléchissante de fond 14 permet de donner une direction à l'énergie rayonnée, et se trouve à une distance de la structure triplaque A de l'ordre d'un quart de longueur d'onde. La distance entre cette plaque réfléchissante de fond et la structure du triplaque est très importante car elle donne la possibilité d'optimiser les dimensions de la ligne d'alimentation 22. Chaque élément rayonnant formé par une paire 20a, 20b d'évidements est excité par couplage électromagnétique avec la ligne d'alimentation 22, réalisée sous forme de circuit imprimé. Le circuit 22 présente pour chaque paire d'évidements 20A, 20B une terminaison 30 faisant saillie en regard desdits évidements comme on peut le voir sur la figure 2. Le couplage entre l'impédance de la ligne 22 et l'impédance de chaque élément rayonnant 2QA, 20B dépend essentiellement de la longueur l de laquelle s'avance la terminaison 30 de la ligne entre chaque paire d'évidements 20A, 20B, et de la distance d séparant la plaque réfléchissante de fond de la ligne 22. En conclusion, la bande de fréquence de fonctionnement de chaque élément rayonnant dépend du choix de ces deux paramètres 1 et d et du diamètre des évidements 20a,20b. La bande de fréquence de fonctionnement peut par exemple être la bande X (3 cm), la bande S (1500 à 5200 NHz), ou la bande L (390 à 1550 tEz). Bien que l'antenne selon l'invention puisse également en principe fonctionner dans des bandes de fréquences supérieures, sa structure la rend plus avantageuse pour une utilisation aux fréquences de la bande X et inférieures,du fait des contraintes de tolérancement moins exigentesqui en rendent la fabrication plus aisée. Dans le mode de réalisation de la figure 2, les deux plaques métalliques supérieure 11 et inférieure 13 de la structure triplaque A sont des feuilles métalliques matricées. L'opération de matriçage permet d'une part de dégager les évidements 20A, 20B formant chaque paire rayonnante, et de former des renflements ou butées 31. Ces renflements 31 viennent prendre appui sur la plaque intermédiaire diélectrique 12, et définissent l'espacement entre les trois plaques de la structure A. On obtient ainsi un circuit d'alimentation du type "suspendu", tout en réalisant les éléments rayonnants eux-mêmes. Ce mode de réalisation permet donc une production en grande série, à coût réduit, avec de faibles pertes de matière. Un exemple de réalisation du circuit d'alimentation 22 est représenté en figure 3. L'impédance du circuit d'alimentation 22 dépend de la largeur qu'il présente en chacune de ses portions .conductrices, pour une distance d donnée du circuit 22 à la plaque de fond 14. Les diviseurs de puissance du circuit 22, comme représenté en figure 3, peuvent être facilement réalisés de façon à obtenir que les deux sorties dé ouplées41,42 soient adaptées. Ceci est réalisé si le ratio de puissance dégagéepar les deux sorties 41,42 est égal à ou proche de l'unité. Il n'est alors pas nécessaire de prévoir une quatrième sortie (par exemple sous la forme d'une résistante Wilkinson pontée entre les deux sorties découplées). Le diviseur -5 de puissance de la figure 3 est par exemple du type à deux sections de sortie 44,45 adaptées,d'un quart de longueur d'onde, avec une largeur W des portes produisant une impédance Zo et une largeur W' desdites sections présentant une impédance caractéristique égale à ZOZO. L'antenne ainsi réalisée présente donc une grande simplicité de construction qui permet une production en grande série à coût réduit. Comme on le voit en figures 4a et 4b, la distance d séparant la structure triplaque de la plaque de fond n'est pas très critique pour l'impédance résultante du système, que ce-soit pour la bande S ou la bande X. En ce qui concerne les pertes, également présentées en figures 4a et 4b, en relation avec la distance d (axe des ordonnées à droite), celles-ci sont très faibles du fait des caractéristiques diélectriqùes du système, le diélectrique étant essentiellement formé de l'air dans lequel est suspendu le circuit 22. Ceci donne donc la possibilité d'utiliser un diélectrique de faible performance pour les entretoises 10, sans provoquer des pertes importantes. Les pertes telles qu'elles sont présentées en figures 4a et 4b pour un fonctionnement en bande S (2,0GHz) et en bande X (12,1GHz) sont tout à fait réduites du fait qu'il n'existe aucun rayonnement parasite grâce à l'isolement du circuit 22. Les graphes de perte correspondent à l'utilisation d'un diélectrique à faible tangente de l'angle de perte (tan 6 ~ 0,0009). La polarisation de l'antenne selon l'invention dépend de la polarisation de chacun des éléments rayonnants. Dans le cas où, seule une ligne d'excitation est utilisée, la polarisation est linéaire avec un champ électrique Ë parallèle aux lignes d'alimentation. Une polarisation circulaire peut être obtenue en utilisant un polariseur plan imprimé (par exemple un polariseur à lignesen méandres) placé au-dessus du triplaque. Une autre méthode d'obtention d'une polarisation circulaire consiste à exciter deux pola risations linéaires perpendiculaires dans chacun des éléments rayonnants. La figure 5 représente un mode de réalisation de l'invention, dans lequel les deux lignes d'alimentation indépendantes servant à l'excitation de chacun des éléments rayonnants du réseau se trouvent à deux niveaux différents 51,52. La structure A de l'antenne est en conséquence constituée de cinq plaques supperposées, à savoir trois plaques métallisées 53, 54, 55 percées d'évidements alignés 20A, 20B, 20C,entre lesquelles sont insérées les deux plaques diélectriques 51,52 porteuses des circuits d'alimentation 56,57. L'excitation en polarisation "verticale" est par exemple fournie par le circuit 56, et la polarisation Morizontalewest fournie par le circuit 57. Toutefois, bien que cette structure à cinq plaques se justifie dans le cas d'un réseau à nombreux éléments rayonnants, il est également possible de former les deux circuits 56,57 sur une même plaque diélectrique, entre seulement deux plaques métallisées à évidements. Dans le mode de réalisation de la figure 5, la plaque de terre 54 médiane est utilisée par les deux circuits 56,57. De préférence,les deux évidements 20A, 20C externes présentent le même diamètre. L'adaptation de chaque ligne d'excitation est obtenue en ajustant la longueur de leur terminaison s'avançant en regard desdits évidements, et de la distance à la plaque de fond réfléchissante 58. En conférant un déphasage à + 900 ou - 900, aux lignes d'excitation, on peut obtenir une polarisation circulaire dans un sens ou dans l'autre. Si l'on utilise un hybride - 3dB pour combiner les signaux provenant des deux sorties de polarisation linéaire, on peut obtenir une double polarisation circulaire. Les modes de réalisation représentés en figures6 et 7 présentent des variantes de l'antenne représentée en figure 1. Le triplaque suspendu A, en figure 6, est surmonté d'un élément additionnel de couplage 60. Dans le cas de la figure 7, le triplaque A est surmonté d'une plaque supplémentaire 70 pourvue d'un évidement 71 sensiblement en alignement avec les évidements 20A,20B. Dans ce dernier cas, la plaque supplémentaire 71 peut également être matricée, et séparée du-triplaque A par des entretoises diélectriques 72. Ces deux modes de réalisation des figures 6 et 7 permettent d'augmenter la largeur de bande, celui de la figure 7 étant probablement meilleur d'un point de vue électrique. Il est à noter que pour tous les modes de réalisation représentés, il est possible d'augmenter la rigidité mécanique de l'ensemble de l'antenne par exemple en rempla9ant le diélectrique formé par l'air entre les plaques de la structure A, ou entre cette structure A et la plaque de fond B, au moyen d'un diélectrique en nid d'abeilles inséré entre les plaques. Pour des raisons de compacité et de simplicité de structure, il est également envisageable que la plaque diélectrique 12 portant le circuit d'alimentation 22 ne se trouve pas entre les deux plaques métallisées 11,13. Ce mode de réalisation est réalisé en figure 8. L'antenne à réseau est alors constituée d'une succession des plaques dans un ordre différent de celui de la figure 1, la plaque supérieure 11 et la plaque inférieure 1? étant séparéespar une entretoise 80 diélectrique. La plaque diélectrique 13 portant le circuit 22 est ensuite accolée à l'extérieur de la double plaque ainsi formée, du côté de la plaque de fond 14. De façon avantageuse le circuit d'alimentation 22 est sous forme de circuit imprimé inversé. En tout état de cause, la plaque 13 diélectrique empêche tout contact entre le circuit 22 et la plaque métallisée 12. L'antenne ré L'antenne réseau ainsi réalisée est donc de construction simple et présente de faibles pertes avec un fonctionnement sur une large bande. Elle est donc tout à fait adaptée à une production en grande série. Une application particulière de l'invention est pour la réalisation des récepteurs des satellites directs de radio ou télédiffusion dans les bandes S ou X. REVENDICATIONS 1 . Antenne réseau du type constitué de lignes d'alimentation disposées selon un circuit plan et coopérant en couplage en hyperfréquences avec au moins une plaque métallisée perçée d'évidemenbi caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une structure triplaque (A) formée d'une plaquesupport (12) des lignes d'alimentation (22) insérée en sandwich entre deux plaques métalliques (11,13) légèrement espacées et perçées d'évidements réguliers, lesdites plaques (11,13) étant positionnées de façon à aligner par paires(20A,20B) chaque évidement de la plaque supérieure (11) avec un évidement de la plaque inférieure (13), et lesdites lignes d'alimentation (22) présentant une terminaison (30? s'avancant en regard de chaque paire d'évidements (20A,20B) formant ainsi un élément rayonnant élémentaire de l'antenne, ladite structure triplaque (A) étant en outre complétée par une plaque inférieure ré fléchis- sante (14). 20. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce aue ladite plaque support (12) des lianes d'alimentation (22) est réalisée sous forme d'un circuit imprimé sur support diélectrique. 30. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les évidements (20a, 20b) d'une même paire sont de diamètre identique ou légèrement différent. 4 . Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite structure triplaque (A) est séparée de la plaque inférieure réfléchissante (14) d'une distance équivalent approximativement à un quart de longueur d'onde. 5 . Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les évidements (20) pratiqués sur chaque plaque métallique (11,13) sont alignés en lignes et colonnes, deux évidements (20) adjacents d'une même ligne ou colonne étant séparés d'une longueur d'environ 0,9 longueur d'onde. 60. Antenne selon la revendication 1, caractériséeen ce que lesdites plaques métalliques (11,13) sont des feuilles métalliques, matricées de façon à présenter des repoussements (31) d'espacement en appui contre là plaque-support diélectrique (12). 70. Antenne selon la revendication 1, pour l'excitation desdits éléments rayonnants en polarisation linéaire double, caractérisée en ce que ladite plaque support (12) porte deux circuits d'alimentation indépendants. 80. Antenne selon la revendication 1, pour l'excitation desdits éléments rayonnant en polarisation linéaire double, caractérisée en ce que deux structures triplaques sont superposées de façon à former une structure à cinq plaques (51,52,53,54,55) formée de trois plaques métalliques (53,54,55) perçées d'évidements (20a,20b,20c) en alignement pour chaque élément rayonnant, entre lesquelles sont insérées deux plaques supports (51,52) diélectriques portant chacune une ligne d'alimentation (56,57) indépendantes assurant l'excitation de chaque élément rayonnant selon deux polarisations perpendiculaires. 90. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la structure triplaque X est surmontée d'une plaque additionnelle (60) de couplage électromagnétique. 100. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la structure triplaque(A)est surmontée d'une plaque additionnelle (70) munie d'évidements (71) en alignement avec les évidements (20a,20b) de chacun des éléments rayonnants de l'antenne. 110. Antenne selon la revendication 1, caractériséeen ce que ladite plaque support (12) des lignes d'alimentation (22) est accolée sur la face externe de l'une des deux plaques métalliques (11,12), la ligne d'alimentation (22) étant située sur la face de ladite plaque support (12) en regard de la plaque de fond (14). 129. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que les espacements entre chacune des plaques (11,12,13,14; 51,52,53,54,55) sont partiellement ou totalement remplis d'un matériau diélectrique solide, par exemple un matériau diélectrique en nid d'abeilles.