Brevet FR2623020A1 — publié le 19890512

Dispositif d'excitation d'un guide d'onde en polarisation circulaire par une antenne plane. L'invention concerne un dispositif d'excitation d'un guide d'onde en polarisation circulaire par une antenne plane, par exemple imprimée ou plaquée. Ce dispositif est un dispositif compact d'excitation d'un guide d'onde en double polarisation circulaire à large bande et à haute pureté de polarisation. Il permet de générer une onde en polarisation circulaire droite et/ou gauche dans un guide à section par exemple carrée ou circulaire. Un tel dispositif est destiné à être utilisé dans une antenne multisource à réutilisation de fréquence en polarisation circulaire. Il peut également être utilisé dans tout élément rayonnant en guide d'onde, nécessitant une excitation compacte en polarisation circulaire, à partir d'une alimentation en ligne TEM ("Transverse Electro-magnétic") par exemple: ligne coaxiale, ligne triplaque ou ligne microstrip. Les systèmes connus permettant de générer une onde polarisée circulairement dans un guide d'onde à partir d'une ligne TEM sont: - soit des systèmes constitués d'une transition ligne TEM-guide d'onde et d'un polariseur ce qui conduit à des encombrements importants (longueur typique supérieure à deux longueurs d'onde) pour des performances équivalentes au dispositif de l'invention; - soit des systèmes compacts utilisant un résonateur au fond d'un guide, mais de qualité médiocre en termes de largeur de bande et de pureté de polarisation et donc incompatibles avec une utilisation en polarisation circulaire pure sur des bandes de fréquence télécommunications. Un article de C.H. Chen, A. Tulintseff, et R.M. Sorbello intitulé "Broadband two-layer microstrip antenna" paru dans IEEE 1984 (A.P.S. 8-1 "Antenna et propagation symposium" 1984) décrit une antenne imprimée bicouche à large bande en rayonnement libre. Une telle antenne est caractérisée par deux fréquences de résonance. En excitant cette antenne avec deux modes orthogonaux d'amplitudes égales et de phases en quadrature, on obtient un fonctionnement en polarisation circulaire. Par contre l'invention a pour objet de générer une onde en polarisation circulaire droite et/ou gauche dans un guide d'onde. Elle propose, à cet effet, un dispositif d'excitation d'un guide - 2 d'onde en polarisation circulaire par une antenne plane, ce guide d'onde étant un guide creux rectiligne fermé à l'une de ses extrémités, caractérisé en ce que cette antenne est excitée par au moins deux attaques coaxiales alimentées en quadrature de phase par un circuit comprenant un coupleur hybride, et en ce que cette antenne est située à l'intérieur de ce guide perpendiculairement à ses parois à proximité de son extrémité fermée. Un tel dispositif présente une excellente adaptation dans une large bande de fréquence et une excellente pureté de polarisation circulaire dans cette bande. Dans une réalisation particulière ce guide comporte un axe de symétrie, les attaques coaxiales étant situées, deux par deux, à 90 l'une de l'autre relativement à cet axe de symétrie. L'antenne comprend au moins un disque métallique disposé à la surface d'un substrat plan symétriquement par rapport à l'axe de symétrie du guide. Un tel dispositif permet de pallier les inconvénients des systèmes de l'art connu. Il permet en effet: - une diminution de l'encombrement; - un élargissement de la bande de fréquence pour des valeurs d'adaptation et d'ellipticité données. Le dispositif de l'invention présente, en effet, les caractéristiques suivantes: - Il est extrêmement compact; la polarisation circulaire est ici directement générée à partir d'une ligne TEM sur une longueur inférieure à une longueur d'onde; - Il est muni d'accès arrières longitudinaux; ce qui permet de coupler ces accès, sans câbles coaxiaux supplémentaires, à un répartiteur de puissance TEM émission et/ou réception parallèle à la section du guide; endroit o peuvent être également implantés les coupleurs hybrides de mise en quadrature; - Il est utilisable sur toute antenne en polarisation circulaire o se pose un problème de compacité ou d'encombrement pour le dispositif de polarisation. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles: - les figures 1 et 2 illustrent respectivement une vue de face suivant la flèche I représentée à la figure 2, et une vue en coupe longitudinale du dispositif de l'invention; - la figure 3 illustre une vue en coupe longitudinale d'une première variante du dispositif de l'invention; - les figures 4 et 5 illustrent respectivement une vue de face suivant la flèche IV représentée à la figure 5, et une vue en coupe longitudinale d'une seconde variante du dispositif de l'invention. Le dispositif de l'invention, tel que représenté en figure 1, est constitué par un guide 10, par exemple cylindrique, excité en polarisation circulaire par une antenne 11, par exemple plaquée ou imprimée, à simple résonateur. La forme de l'antenne est évolutive suivant les performances à attendre (typiquement carrée ou circulaire suivant la forme du guide d'onde). Le fond du guide d'onde 12 sert de plan de masse à l'antenne, ici en forme de disque. L'antenne est alimentée par deux attaques coaxiales 13 et 14 adaptées et situées à 90 l'une de l'autre relativement au centre du guide, ces deux attaques étant isolées l'une de l'autre à l'aide d'un diélectrique 18. Chaque attaque coaxiale est alimentée en quadrature de phase par un coupleur hybride 90 (15) qui peut être un coupleur hybride à branches par exemple. Un accès 16 de ce coupleur hybride 15 génère de la polarisation circulaire droite; l'autre accès 17 génère de la polarisation circulaire gauche. Ce coupleur hybride 15 est déséquilibré en amplitude de manière à compenser les couplages entre sondes et à générer dans chaque polarisation un champ présentant un rapport d'éllipticité minimal. Dans une première variante de réalisation, comme représenté à la figure 3, l'antenne, par exemple plaquée ou imprimée, est constituée par un double résonateur 11, 20; ce qui permet d'augmenter la bande passante du dispositif. Les deux parties 11 et 20 de ce double résonateur, ayant ici la forme de deux disques concentriques, sont espacées grâce à un diélectrique 21. Dans une seconde variante de réalisation, comme représenté aux figures 4 et 5, l'antenne 11 (à double résonateur ou à simple résonateur), par exemple plaquée ou imprimée, est alimentée par quatre attaques coaxiales 22, 23, 24 et 25 alimentées en quadrature (0O, - 90 , - 180 - 270 ) par un dispositif 26 composé d'un coupleur hybride et de deux "souricières" ("Rat-race" en anglais ou anneaux - 4 - hybrides) ou d'un coupleur hybride et de deux "tés" adaptés. Chaque coupleur hybride et chaque "souricière" ou "té" est équilibré (coupleur 3dB) et génère ainsi dans le guide d'onde des ondes à polarisation circulaire pure. Le coupleur hybride produit la quadrature de phase nécessaire à la polarisation circulaire. Les "souricières" ou "tés", constituant en fait un dispositif symétriseur, peuvent, d'ailleurs, être remplacés par d'autres types de "balun" ("balance unit" en anglais) ou systèmes d'équilibrage. On peut utiliser le dispositif de l'invention, tel que représenté à la figure 3, avec les dimensions suivantes: - distance entre chacune des attaques coaxiales 13 et 14 et le centre du résonateur 11 de forme circulaire: environ 20,5 millimètres; - épaisseur du diélectrique 18: environ 3 millimètres; - épaisseur du résonateur ll: environ 0,5 millimètre; - épaisseur du diélectrique 21: environ 7 millimètres; épaisseur du résonateur 20: environ 0,5 millimètre; - diamètre du résonateur 11, de forme circulaire, environ 41 millimètres; - diamètre du résonateur 20, de forme circulaire: environ 28 millimètres; - diamètre du guide 10, de forme cylindrique: environ 52 millimètres. On peut alors obtenir les performances suivantes: - Bande de fréquence: 15% (exemple 3700 MHz - 4200 MHz). - Adaptation, T.O.S. dans cette bande pour autant, sortir du cadre de l'invention. Ainsi le dispositif de l'invention peut comporter un résonateur (figure 1, 2), deux résonateurs (figure 3), mais il peut également comporter plus de deux résonateurs: trois, quatre... Ainsi ces résonateurs ne sont pas forcément de forme circulaire: ils peuvent avoir une forme quelconque: circulaire, carrée, en croix, en étoile, hexagonale, ou présenter des encoches ou accidents dissymétriques. Il peuvent également présenter des évidements (surfaces - 5 - non métallisées) de forme quelconque à l'intérieur de leur contour. Ainsi les couches diélectriques (18, 21) de support de ces résonateurs (11, 20) peuvent être remplacées partiellement ou totalement par d'autres types de supports (entretoises, colonnettes) en matière quelconque (conducteur ou isolant) connus de l'homme de l'art. Ainsi ces résonateurs peuvent être prolongés hors de leur plan ou dans leur plan par des pièces métalliques pouvant ou non entrer en contact électrique avec la paroi du guide. Ainsi les guides utilisés peuvent être de forme circulaire, carrée, mais aussi hexagonale, polygonale, elliptique ou autre. Ils peuvent présenter des accidents tels que surépaisseurs ou sillons dans le sens longitudinal, oblique ou transversal, ou présenter des accidents locaux tels que pions, iris, fentes. Ils peuvent, également, être globalement ou localement évasés ou rétrécis, ou les deux successivement, selon une loi déterminée par exemple. Ainsi le système d'excitation peut, tout aussi bien, être situé à l'intérieur du guide. Ainsi le dispositif de l'invention peut être alimenté par 2, par 4 mais aussi par un nombre plus grand d'accès, qui peuvent être connectés au premier résonateur (11), mais aussi aux autres résonateurs (20...). -6- REVENDICATIONS 1/ Dispositif d'excitation-d'un guide d'onde en polarisation circulaire par une antenne plane, ce guide d'onde (10) étant un guide creux rectiligne fermé à l'une de ses extrémités (12), caractérisé en ce que cette antenne est excitée par au moins deux attaques coaxiales (13, 14). alimentées en quadrature de phase par un circuit comprenant un coupleur hybride (15), et en ce que cette antenne est située à l'intérieur de ce guide perpendiculairement à ses parois à proximité de son extrémité fermée (12). 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'antenne est une antenne multicouche. 3/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'antenne est une antenne imprimée. 4/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'antenne est une antenne plaquée. / Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le guide comporte un axe de symétrie. 6/ Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les attaques coaxiales sont situées, deux par deux, à 90 l'une de l'autre relativement à l'axe de symétrie du guide. 7/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que l'antenne comprend au moins un disque métallique disposé à la surface d'un substrat plan, symétriquement par rapport à l'axe de symétrie du guide. 8/ Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le guide est un guide circulaire. 9/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le circuit d'alimentation des attaques coaxiales comprend au moins un dispositif symétriseur.