Brevet FR2622056A1 — publié le 19890421

ANTENNE PLANE La présente invention concerne, d'une façon générale, les antennes planes et elle a trait, plus particulièrement, à une antenne plane destinée à être utilisée avec des ondes polarisées circulairement et présentant d'excellentes caractéristiques de polarisation croisée sur une large bande. Les antennes planes du type dont il est question sont utilisées efficacement pour recevoir, sans interférence radio, des ondes polarisées circulairement émises dans la bande SHF (hyperfréquences), en particulier dans la bande de 12 GHz, à partir d'un satellite géostationnaire de radiodiffusion lancé dans l'espace cosmique de manière à se trouver à 36.000 km de hauteur par rapport à la terre. Bien que les antennes paraboliques érigées sur le toit, ou en des endroits analogues, des immeubles d'habitation, aient été utilisées, d'une façon générale, comme antennes pour recevoir les ondes polarisées circulairement en provenance d'un satellite géostationnaire, ces antennes paraboliques se sont révélées défectueuses par le fait qu'elles sont susceptibles d'être abattues facilement par les vents violents en raison de leur structure volumineuse à trois dimensions, de sorte qu'il a fallu utiliser des moyens supplémentaires pour les supporter de façon stable et que ces moyens de support augmentent les coûts de montage ainsi qu'un travail d'installation pénible. Pour tenter d'éliminer ces problèmes des antennes paraboliques, on a suggéré dans la demande de brevet japonais n 99803/1982 ouverte à l'inspection publique, une antenne plane dont la configuration complète est plate et selon laquelle on peut simplifier considérablement la structure et monter directement l'antenne sur un mur extérieur, ou à un autre endroit analogue, des immeubles d'habitation afin qu'elle soit peu onereuse. En outre, on demande à l'antenne plane d'avoir un gain élevé et, à cette fin, on a tenté diversement de réduire les pertes d'insertion. Par exemple, dans la demande de brevet français n 87 02421, on a décrit une antenne plane dans laquelle le circuit d'alimentation en énergie et le circuit de rayonnement ne sont pas reliés directement l'un à l'autre, mais sont couplés électromagnétiquement pour fournir l'énergie du circuit d'alimentation au circuit de rayonnement, tandis que ces deux circuits ainsi qu'un conducteur de mise à la terre sont supportés respectivement par chacune des plaques isolantes qui sont séparées l'une de l'autre à l'aide d'un moyen de maintien d'espacement. Grace à cette disposition, on peut aussi disposer le circuit d'alimentation en énergie dans l'espace ainsi maintenu afin de minimiser les pertes et d'améliorer la possibilité d'assemblage et on peut abaisser efficacement les pertes d'insertion. En outre, avant la présente invention, on a suggéré dans la demande de brevet français n 87 12274 une autre antenne plane dans laquelle se trouve un circuit de rayonnement muni de nombreux évidements ou échancrures dans chacun desquels est disposé un ilôt ou élément de couplage et ce circuit de rayonnement est couplé électromagnétiquement, à l'endroit des éléments de couplage se trouvant dans les évidements, à des bornes d'alimentation opposées du circuit d'alimentation en énergie afin de diminuer encore les pertes tout en améliorant les possibilités de montage. Dans le cas des deux techniques antérieures mentionnées ci-dessus, il est possible de réduire les pertes d'insertion et d'améliorer les possibilités de montage afin que l'antenne puisse être produite en grande série, mais la bande d'utilisation est généralement inférieure à 300 Hz et les caractéristiques de polarisation croisée ne sont maintenues qu'à environ dB, et on a demandé d'améliorer les antennes planes sur ces points. Un objet principal de la présente invention est donc de réaliser une antenne plane qui présente non seulement un gain d'antenne élevé et d'excellentes possibilités de montage, mais qui, également, permet d'élargir la bande d'utilisation et d'améliorer remarquablement les caractéristiques de polarisation transversale. On atteint cet objet, selon la présente invention, au moyen d'une antenne plane destinée à recevoir des ondes polarisées transmises dans la bande SHF (hyperfréquences) à partir d'un satellite et dans laquelle un circuit de rayonnement et un circuit d'alimentation en courant, respectivement en une matière conductrice, et un conducteur de mise à la terre, sont disposés de façon à être indépendants l'un de l'autre, une couche de matière diélectrique étant interposée entre eux, le circuit de rayonnement comporte des éléments de rayonnement comprenant chacun une échancrure dans laquelle est disposé un élément de couplage, et ces éléments de couplage du circuit de rayonnement sont couplés électromagnétiquement à des bornes d'alimentation en courant du circuit d'alimentation en courant, l'antenne susvisée étant caractérisée en ce que les éléments de rayonnement du circuit de rayonnement sont disposés par paires dans lesquelles les éléments de rayonnement présentent, l'un par rapport à l'autre, des positions décalées de 900 en rotation et des dimensions différentes, et les éléments de rayonnement de la paire sont alimentés en courant par l'intermédiaire des bornes d'alimentation en courant du circuit d'alimentation en courant déphasé mutuellement de 90 . D'autres objets et avanta9es de la présente invention apparaîtront dans la description donnée ci-après en référence aux dessins annexés qui représentent des modes de réalisation préférés et parmi lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'un mode de réalisation de l'antenne plane selon la présente invention, les éléments constitutifs de cette dernière étant montrés désassemblés l'un de l'autre et étant partiellement omis; la figure 2 est une vue en perspective partielle à plus grande échelle de l'antenne plane de la figure 1; la figure 3 est une vue en plan partielle à plus grande échelle de l'antenne plane de la figure 1; la figure 4 est une vue en coupe partielle à plus grande échelle de l'antenne plane représentée sur la figure 1; la figure 5 est un diagramme montrant les mesures respectives des rapports axiaux des éléments de rayonnement appariés dans quatre cas différents avec des dimensions modifiées; et les figures 6 à 10 sont des vues en plan partielles de l'élément de rayonnement dans divers autres cas de l'antenne plane selon la présente invention. Si l'on se réfère aux figures 1 à 4, on voit qu'une antenne plane 10 selon la présente invention comprend, d'une façon générale, une plaque 11 de circuit de rayonnement, une plaque 12 de circuit d'alimentation en courant et une plaque 13 de conducteur de mise à la terre. La plaque 11 de circuit de rayonnement comprend un circuit de rayonnement 14 constitué d'une couche d'une matière conductrice telle que le cuivre, l'aluminium, l'astate, le fer, l'or, et autre métal analogue, formée sur la surface d'une couche 15 de résine synthétique et, si besoin est, revêtue d'une résine synthétique sur sa surface supérieure. La plaque 12 de circuit d'alimentation en courant comprend un circuit 16 d'alimentation en courant formé d'une couche de la même matière conductrice que celle du circuit de rayonnement 14 formé également sur la surface d'une couche 17 de résine synthétique et, si cela s'avère nécessaire, revêtu d'une résine synthétique sur sa surface supérieure. La plaque 13 de conducteur de mise à la terre est formée, dans son ensemble, par exemple de la même matière que celle du circuit de rayonnement 14 et, si besoin est, recouverte d'une résine synthétique sur ses surfaces supérieure et inférieure. Entre la plaque 11 de circuit de rayonnement et la plaque 12 de circuit d'alimentation en courant, ainsi qu'entre la plaque 12 de circuit d'alimentation en courant et la plaque 13 de conducteur de mise à la terre, sont interposés de façon appropriée des moyens de maintien d'espacement, tels que des entretoises 18 et 19, par exemple en résine synthétique, de façon optimum en résine expansée, qui se présente sous la forme d'un réseau tel que celui représenté sur la figure 1, afin de définir des espaces 20 et 21 comme on peut le voir sur la figure 4. Dans ce cas, un gaz, en particulier de l'air, est présent dans les espaces 20 et 21 afin d'agir comme un élément à faible perte diélectrique. Sur ou au-dessus de la surface supérieure, ou face avant, agissant comme une surface d'antenne dans l'antenne plane 10, on peut disposer, si besoin est, un radome formé principalement d'une matière plastique expansée, perméable aux ondes radio-électriques, afin de recouvrir et de protéger ladite surface, compte-tenu d'une installation éventuelle de l'antenne dans un environnement extérieur. Grâce à ce recouvrement par un radome, non seulement on peut donner une bonne résistance mécanique à la surface de l'antenne, mais également à l'antenne plane complète 10 et on peut éviter efficacement une diminution de la hauteur des espaces 20 et 21. Le circuit de rayonnement 14 se trouvant sur la plaque 11 de circuit de rayonnement comprend de nombreux éléments rayonnants qui, dans la présente invention, sont formés par une pluralité de paires d'éléments rayonnants 23 et 23A. En outre, comme représenté en détail sur la figure 3, les éléments rayonnants 23 et 23A des paires respectives comprennent une paire d'évidements ou échancrures 24 et 24A formées dans la couche conductrice du circuit de rayonnement 14 et également une paire d'éléments de couplage 25 et 25a disposés respectivement dans chacune des échancrures 24 et 24a. En outre, les paires des éléments rayonnants 23 et 23A sont agencées de manière que l'un des éléments soit décalé de 90 en rotation par rapport à l'autre élément dans le sens de rotation du plan de polarisation des ondes polarisées circulairement et ait des dimensions différentes, les éléments 23 et 23A étant couplés électromagnétiquement, respectivement avec chacune des paires de bornes 26 et 26a d'alimentation en courant du circuit 16 d'alimentation en courant se trouvant sur la plaque 12. Plus spécifiquement, pour être concret, l'échancrure 24 et l'élément de couplage disposé dans cette fente 24 de l'élément rayonnant 23 supposé ici être sur le côté en retard de la phase dans le sens de rotation du plan de polarisation des ondes polarisées circulairement ont, de préférence, un rapport de superficie d'environ 1 à 7% plus petit que le rapport de superficie de l'échancrure 24a et de l'élément de couplage 25a de l'autre élément rayonnant 23A se trouvant sur le côté en avance de la phase. Dans ce cas, les échancrures 24 et 24a, qui sont rectangulaires dans le présent cas, sont disposées de telle sorte que, comme représenté sur la figure 3, l'échancrure 24 de l'un (23) des éléments rayonnants d'une paire de ces derniers a son axe longitudinal horizontal, tandis que l'échancrure 24a de l'autre élément rayonnant 23A a son axe longitudinal vertical et a une superficie plus grande que celle de l'échancrure 24. En outre, dans le présent cas, les éléments de couplage 25 et 25a ont une forme hexagonale allongée et sont formés par découpage de deux coins diagonalement opposés d'une couche conductrice de forme rectangulaire disposée sensiblement au centre de la fente 24 ou 24a, et l'élément de couplage 25a de l'élément rayonnant 23A a une superficie plus grande que celle de l'élément de couplage 25 se trouvant dans l'élément rayonnant 23. Les bornes 26 et 26a d'alimentation en courant du circuit 16 d'alimentation en courant sont agencées de manière que, en plus de leur couplage électromagnétique respectivement avec l'élément de couplage opposé desdits éléments de couplage 25 et 25a se trouvant dans les éléments rayonnants 23 et 23A, elles assurent l'alimentation en courant des éléments rayonnants appariés 23 et 23A avec une différence de phase mutuelle de 900. De ce fait, les bornes 26 et 26a d'alimentation en courant s'étendent sur la plaque 12 de circuit d'alimentation en courant, comme représenté en traits interrompus sur la figure 3 o le circuit de rayonnement 14 est vu du dessus, afin de passer sensiblement par le centre des fentes opposées 24 et 24a, de manière à atteindre une position de chevauchement vis-à-vis des deux éléments de couplage 25 et 25a dans le sens de l'épaisseur de l'antenne 10. Plus spécifiquement, une (26) des bornes d'alimentation 26,26a en courant s'étend depuis une branche 16a du circuit 16 d'alimentation en courant en étant coudée trois fois de manière à présenter une forme en U, tandis que l'autre borne 26a d'alimentation en courant s'étend également depuis la branche 16a dans une direction opposée à la borne 26 en étant coudée deux fois de manière à présenter une forme en L. On a constaté qu'il était préférable, pour minimiser les pertes de transmission, que dans les parties coudées respectives 27, 27a et 27b de la borne 26 ainsi que dans les parties coudées 28 et 28a de l'autre borne 26a, les parties coudées 27, 27a et 28, autres que les parties coudées les plus éloignées 27b, 28a, proches des extrémités prolongées des bornes respectives 26 et 26a, soient arrondies au bord intérieur coudé mais soient cambrées diagonalement au bord extérieur coudé. On a mesuré le rapport axial représentant les caractéristiques d'ondes polarisées circulairement dans des échantillons de circuit de rayonnement dans lesquels, par rapport à l'un (23) des éléments rayonnants, l'autre élément rayonnant 23A a une dimension modifiée de manière à être égale (différence de dimension de 0%) ou supérieure de 1%, 4% et 7%,. la mesure des échantillons respectifs étant représentée par les courbes O, P, Q et R, respectivement, sur la figure 5, et on remarquera que les courbes P, Q et R, relatives aux trois derniers échantillons, présentent des valeurs de rapport axial plus faibles que celles du premier échantillon dont la différence de dimension est de 0% et possèdent ainsi des caractéristiques d'ondes polarisées circulairement notablement améliorées, grâce à quoi on peut finalement augmenter la largeur de la bande d'utilisation. Dans la pratique, on s'est aperçu qu'en calculant judicieusement la relation de dimension mutuelle entre les deux éléments rayonnants 23 et 23A, on peut obtenir une fluctuation de gain de + 0,3 dB et une fluctuation de rapport axial de + 0,5 dB sur une large bande de 800 MHz. EXEMPLE 1 On a formé le circuit de rayonnement 14 sur une plaque de circuit imprimé flexible que l'on trouve sur le marché et, dans ce circuit, on a réalisé par un procédé de gravure les échancrures ou évidements 24 ayant, respectivement, un grand côté de 15 mm et un petit côté de 13 mm, ainsi que les éléments de couplage ayant, respectivement, une forme hexagonale obtenue par découpage, comme on peut le voir en figure 2, de deux coins en diagonale d'une forme carrée de 8 mm de côté dans les échancrures 24. On a formé les autres éléments rayonnants 23A dans une disposition mutuelle décalée en rotation de 90 par rapport aux éléments rayonnants 23 dans le sens de rotation du plan de polarisation et avec un accroissement de dimension sensiblement égal à 5%. On a formé sur la plaque flexible 28 paires de ces éléments rayonnants 23 et 23A. On a préparé, à l'aide du procédé de gravure, le circuit 16 d'alimentation en courant sur le même type de plaque flexible de circuit imprimé que celui de la plaque du circuit de rayonnement 14, de manière telle que les bornes 26 et 26A s'étendent en forme de U et de L, respectivement, depuis les branches '16a en forme de T, pour obtenir le couplage électromagnétique avec les éléments rayonnants appariés respectifs 23 et 23A avec la différence de phase de 90 . On a préparé la plaque 13 de conducteur de mise à la terre à l'aide d'une plaque d'aluminium de 2 mm d'épaisseur que l'on trouve sur le marché et on a réalisé une antenne plane en empilant sur la plaque 13 de conducteur de mise à la terre, la plaque 12 de circuit d'alimentation en courant munie du circuit 16 d'alimentation en courant et la plaque 11 de circuit de rayonnement munie du circuit de rayonnement 14, une feuille de polyéthylène expansé étant interposée en tant qu'élément d'espacement formant la couche diélectrique. Avec cette antenne plane, on a pu obtenir un gain de 31,5 + 0,2 dB pour un rapport axial de 0,9 + 0,4 dB avec une bande d'utilisation de 11,7 à 12,2 GHz. EXEMPLE 2 On a préparé une antenne plane de la même manière que dans l'exemple 1 précédent, sauf que l'on a utilisé comme couche diélectrique une feuille de polyéthylène expansé en forme de réseau ou de nid d'abeilles, comportant un grand nombre de cavités. 1 1 Avec cette antenne plane, on a pu obtenir un élargissement de la bande d'utilisation de 11,6 à 12,4 GHz. EXEMPLE 3 On a préparé une antenne plane de la même manière que dans l'exemple 1 précité, sauf que l'on a utilisé des éléments d'espacement 18 et 19 ayant tous deux la forme d'un cadre donnant aux espaces 20 et 21 une configuration continue sur les zones de formation de circuit respectives des plaques 11 et 12 à la place de la feuille de polyéthylène expansé entre les plaques 11 et 12 de circuit de rayonnement et de circuit d'alimentation en courant et entre la plaque 12 de circuit d'alimentation en courant et la plaque 13 de conducteur de mise à la terre. Avec cette antenne plane 10, également, on a pu obtenir les mêmes caractéristiques que dans l'exemple 2 précédent. Dans l'élément rayonnant, l'échancrure et/ou l'élément de couplage peuvent avoir diverses formes. Comme représenté, par exemple, sur la figure 6, l'élément de couplage 35 disposé dans l'échancrure rectangulaire 34 d'un élément rayonnant 33, peut être plus mince que dans le cas du mode de réalisation précédent. Sur la figure 7, l'élément rayonnant 43 peut comporter une échancrure 44 de forme carrée, et un élément de couplage 45 constitué aussi d'un corps carré comportant des coins diagonalement opposés prolongés vers le haut et vers le bas peut être prévu dans cette échancrure 44. Sur la figure 8, une échancrure 54 et un élément de couplage 55 qui y est disposé peuvent avoir tous deux une forme circulaire, tandis que l'élément de couplage circulaire 55 est pourvu d'une paire d'encoches diamétralement opposées. Dans le cas de la figure 9, un élément de couplage circulaire 65 formé dans une échancrure circulaire 64 peut être pourvu d'une paire de saillies diamétralement opposées. En outre, sur la figure 10, l'élément rayonnant 73 d'une échancrure carrée 74 peut être pourvu d'un élément de couplage pentagonal 75 dont un sommet est dirigé vers le centre d'un côté adjacent de l'échancrure carrée 74. En ce qui concerne les bornes 26 et 26a d'alimentation en courant du circuit 16 d'alimentation en courant, on peut utiliser d'autres formes d'alimentation que celles décrites pourvu que l'alimentation en courant des paires respectives d'éléments rayonnants 23 et 23A déphasés de 90 puisse être obtenue, tandis que l'on a constaté que la forme de réalisation précédente, dans laquelle les bornes sont coudées successivement sensiblement à angle droit, est efficace en ce que les parties terminales ainsi coudées du circuit d'alimentation en courant agissent comme si elles faisaient partie du circuit de rayonnement et on obtient d'excellentes caractéristiques de réception d'ondes polarisées circulairement. REVENDICATIONS 1. Antenne plane (10) destinée à recevoir des ondes polarisées émises dans la bande SHF (bande des hyperfréquences) à partir d'un satellite, dans laquelle des circuits de rayonnement et d'alimentation en courant (14,16), constitués respectivement d'une matière conductrice, et un conducteur de mise à la terre (13), sont disposes de manière à être indépendants l'un de l'autre, une couche de matière diélectrique étant interposée entre eux, le circuit de rayonnement (14) comportant des éléments rayonnants (23,23A) comprenant chacun une échancrure (24) dans laquelle est disposé un élément de couplage (25), et les éléments de couplage du circuit de rayonnement sont couplés électro- magnétiquement avec des bornes (26,26a) d'alimentation en courant du circuit d'alimentation en courant, caractérisée en ce que les éléments rayonnants (23,23A) du circuit de rayonnement (14) sont disposés par paires dans lesquelles les éléments rayonnants présentent l'un par rapport à l'autre des positions décalées de 90 en rotation et des dimensions différentes, et les éléments rayonnants de la paire sont alimentés en courant par l'intermédiaire des bornes (26,26A) d'alimentation en courant du circuit (16) d'alimentation en courant mutuellement avec une différence de phase de 90 . 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'un (23) desdits éléments des paires d'éléments rayonnants d'antenne (23,23A) que comporte ladite paire et qui se trouve sur le côté en retard de la phase dans le sens de rotation du plan de polarisation desdites ondes polarisées circulairement, est plus petit que l'autre élément rayonnant (23A) qui se trouve sur le côté en avant de la phase. 3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée par le fait que l'élément rayonnant (23) se trouvant sur le côté en retard de la phase est inférieur d'environ 1 à 7% à l'autre élément rayonnant (23A) se trouvant sur le côté en avance de la phase. 4. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le circuit rayonnant (14) comprend une pluralité de paires desdits éléments rayonnants (23,23A). 5. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les bornes (26,26A) d'alimentation en courant du circuit (16) d'alimentation en courant s'étendent dans le plan de ce circuit en étant coudées successivement de manière à se trouver respectivement en travers de chacune des échancrures en regard de chacun des éléments de couplage (25,25a). 6. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que les bornes (26,26a) d'alimentation en courant du circuit (16) d'alimentation en courant sont présentes par paires, dans chacune desquelles une (26) des bornes s'étend depuis une branche en forme de T du circuit en étant coudée sous forme d'un U, de manière à être couplée électro- magnétiquement audit élément rayonnant (23) se trouvant sur le côté en retard de la phase et l'autre borne (26a) s'étend depuis la branche en forme de T en étant coudée sous forme d'un L, de manière à être couplée électro- magnétiquement audit élément rayonnant (23A) se trouvant sur le côté en avance de la phase.