Brevet FR2619658A1 — publié le 19890224

La présente invention concerne une antenne à fentesayant un guide d'onde rectangulaire pour la communication, la diffusion et autres. En se référant à la figure 44 représentant une antenne à fentesconventionnelle ayant un guide d'onde circulaire, l'onde électromagnétique est propagée dans le guide d'onde en mode coaxial TEM qui est représenté par des coordonnées cylindriques comme représenté en figure 45. Puisque l'onde se propage coaxialement autour d'une ouverture d'alimentation centrale, des fentes de rayonnement sont disposées coaxialement ou en spirale. Une telle antenne circulaire est convenable pour l'onde polarisée circulairement. Cependant, il existe des problèmes lorsqu'utilisée pour rayonner la polarisation linéaire, puisque le lobe latéral devient grand et le gain d'antenne se réduit en comparaison à l'onde polarisée circulairement. Un objet de la présente invention est de réaliser une antenne à fentesayant un guide d'onde rectangulaire qui peut émettre non seulement l'onde polarisée circulai- rement mais également la polarisation linéaire à rendement élevé. Un autre objet de la présente invention est de réaliser une antenne qui peut compenser une différence de phase d'un champ électrique dans un guide d'onde. Selon la présente invention, on réalise une antenne à fentescomprenant un guide d'onde rectangulaire entouré de plaques métalliques pour former un espace de guide d'onde rectangulaire, un guide d'onde en corne relié au guide d'onde rectangulaire afin d'y communiquer un espace de guide d'onde en corne avec l'espace de guide d'onde rectangulaire, et ayant une ouverture d'entrée d'alimentation en énergie à une extrémité de celui-ci, le guide d'onde rectangulaire ayant un certain nombre de fentes de rayonnement d'onde sur l'une des plaques métalliques. En ajustant la disposition des fentes, la polarisation linéaire et l'onde polarisée circulairement peuvent toutes les deux être émises à partir des fentes. Selon un aspect de l'invention, le guide d'onde rectangulaire a une résistance terminale à une plaque d'extrémité de celui-ci et comprend un moyen d'adaptation à une plaque d'extrémité de celui-ci pour augmenter l'énergie de l'onde rayonnée des fentes adjacentes à la plaque extrême. Selon un autre aspect, une plaque métallique opposée à la plaque métallique comportant les fentes comprend un moyen à onde lente ou de retard tel qu'une plaque métallique striée, ridée ou nervurée pour retarder l'onde propagée. De plus, la présente invention réalise une antenne à fentescomprenant un guide d'onde rectangulaire entouré de plaques métalliques pour former un espace de guide- d'onde rectangulaire, un guide d'onde en cornet relié au guide d'onde rectangulaire afin d'y communiquer un espace de guide d'onde en cornet à l'espace de guide d'onde rectangulaire, et comportant une ouverture d'entrée d'alimentation en énergie à une extrémité de celui-ci, le guide d'onde rectangulaire ayant un certain nombre de fentes de rayonnement d'onde sur l'une des plaques métalliques, un réflecteur parabolique prévu entre l'es- pace de guide d'onde en cornet et l'espace de guide d'onde rectangulaire pour réfléchir l'onde au guide d'onde rectangulaire de sorte qu'un plan compensé en phase ou plan équiphase de l'onde puisse être aplati. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective représen- tant une antenne à fentesselon un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une vue en perspective en coupe de l'antenne à fentes suivant une ligne A-A' de la figure 1; - la figure 3 est un diagramme expliquant des modes de propagation d'onde dans l'antenne à fentes représentée en coordonnées orthogonales; - la figure 4 est un diagramme expliquant des phases de propagation d'onde dans un guide d'onde en cornet de l'antenne à fentes; - la figure 5 est une courbe représentant une caractéristique de densité d'énergie à une section longitudinale d'un guide d'onde rectangulaire; - la figure 6 est un diagramme représentant une distribution de champ électrique à une section transver- sale d'un guide d'onde rectangulaire de l'antenne à fentes; - la figure 7a est une vue en perspective d'un guide d'onde en cornet réalisé dans un second mode de réalisation de la présente invention; - la figure 7b est une vue en perspective d'une modification du guide d'onde en cornet; - la figure 8 est une vue en perspective d'une autre modification du guide d'onde en cornet; - la figure 9 est une vue plane de l'antenne à fentes du second mode de réalisation; - la figure 10 est une vue en perspective en coupe d'une antenne à fentes suivant un troisième mode de réalisation de la présente invention; - la figure I1 est une courbe représentant une caractéristique de densité d'énergie à une section longitudinale de l'antenne à fentes du troisième mode de réalisation; - les figures 12 à 15 représentent des exemples de section d'une antenne à fentes suivant un quatrième mode de réalisation de la présente invention; - la figure 16 est une vue en perspective en coupe de l'antenne à fentes représentée en figure 15; - la figure 17a est une vue en perspective frag- mentaire d'une antenne à fentes suivant un cinquième mode de réalisation de la présente invention; - la figure 17b est un diagramme explicatif représentant une distribution de champ électrique dans l'antenne à fentes de la figure 17a; - la figure 18a est une vue en coupe fragmentaire d'une antenne à fentes suivant un sixième mode de réalisation de la présente invention; - la figure 18b est une vue plane d'une plaque métallique utilisée dans l'antenne à fentes de la figure 18a; - la figure 19 est une vue en coupe fragmentaire d'une antenne à fentes suivant un septième mode de réalisation de la présente invention; - la figure 20 est une vue en coupe fragmentaire d'une antenne à fentessuivant un huitième mode de réalisation de la présente invention; - la figure 21 est une vue en perspective en coupe d'une antenne à fentes suivant un neuvième mode de réalisation de la présente invention; - les figures 22 et 23 sont des vues en coupe schématique de modifications de l'antenne à fentes du neuvième mode de réalisation; - la figure 24 est une vue en perspective en coupe représentant une autre modification de l'antenne à fentes du neuvième mode de réalisation; - les figures 25 à 28 sont des diagrammes représentant des fentes et des champs électriques rayonnés d'antennes à fentes; - la figure 29 est une vue en perspective d'un guide d'onde en cornet; - la figure 30 est une vue en perspective en coupe d'une modification d'un guide d'onde en cornet; - la figure 31a est une vue en perspective d'une antenne à fentes suivant un dixième mode de réalisation de la présente invention, ayant des réflecteurs paraboliques; - la figure 31b est une vue en perspective en coupe de l'antenne à fentes du dixième mode de réalisation; - la figure 32 est une vue plane d'un guide d'onde en cornet de l'antenne à fentes; - la figure 33a est une vue en perspective de l'antenne à fentes représentée en coordonnées orthogonales; - les figures 33b et 33c sont des diagrammes explicatifs de l'antenne à fentes; - la figure 34 est une vue en perspective agrandie représentant une partie de l'antenne à fentes; la figure 35 est une vue en coupe de l'antenne à fentes; - la figure 36 est une vue en perspective en coupe d'une antenne à fentes suivant un onzième mode de réalisation; - les figures 37 et 38 représentent des vues en perspective en coupe de modifications du onzième mode de réalisation; la figure 39 est une vue en perspective en coupe d'une antenne à fentes suivant un douzième mode de réalisation; - les figures 40 à 43 sont des vues planes d'exemples de dispositions de fentes; - la figure 44 est une vue en perspective en coupe d'une fente circulaire conventionnelle du type à câble coaxial; et - la figure 45 est un diagramme expliquant la propagation d'onde dans l'antenne à fentes convention- nelle représentée en coordonnées cylindriques. En se référant aux figures 1 et 2, une antenne à fentes selon la présente invention comprend une guide d'onde rectangulaire W et un guide d'onde en cornet 5 relié au guide d'onde rectangulaire W à une ouverture d'alimentation en énergie 2 de celui-ci. Le guide d'onde rectangulaire W comprend des plaques de guide métalliques rectangulaires opposées 3 et 4, et des plaques de guide latérales métalliques 1, 7 et 8 pour former un espace de guide d'onde rectangulaire S. La plaque de guide supérieu- re 3 comprend un certain nombre de fentes de rayonnement d'onde 15, agencées en rangées. Les rangées sont coaxiale- ment agencées et chaque fente est disposée perpendiculai- rement à l'axe du guide d'onde W. A l'intérieur de la plaque latérale 1 du guide d'onde rectangulaire W, une résistance terminale 6 est prévue comme représenté en figure 2. Dans le guide d'onde rectangulaire W, l'onde électromagnétique est propagée en mode TE10 représenté par des coordonnées orthogonales comme indiqué en figure 3. En figure 3, les lignes en pointillé H représen- tent des lignes de force magnétique et les lignes E représentent des lignes de force électrique à chaque moitié de longueur d'onde (1/2 %). Puisque des lignes de force électrique ayant la même direction se produisent à chaque longueur d'onde ( X0), il est facile de former des fentes pour rayonner la force électrique. Selon l'antenne, non seulement l'onde polarisée circulairement mais également la polarisation linéaire peuvent être rayonnées à rendement élevé. Si des fentes sont formées sur la plaque latérale 8, la force magnétique est rayonnée en émise des fentes. Dans une telle antenne, des fentes sont disposées en parallèle à l'axe du guide d'onde rectangulaire. Dans le guide d'onde en cornet 5, l'onde est propagée en onde coaxiale autour d'un centre 0 dans une entrée d'alimentation d'énergie comme représenté en figure 4. De ce fait, il existe une différence de phase entre la distance de parcours de l'onde L du centre et une ouverture de sortie 22 le long de l'axe (B-B') et la distance de parcours de l'onde le long d'un côté 21. Afin de compenser la différence de phases,les fentes 15 sont agencées le long de lignes circulaires coaxiales, autour du centre 0. Ainsi, les forces électriques ayant la même phase peuvent être émises des fentes. L'énergie restante dans le guide d'onde W est absorbée dans la résistance terminale 6 à la plaque latérale d'extrémité 1. En se référant à la figure 7a représentant un second mode de réalisation de la présente invention, le guide d'onde en cornet 5 comprend, à la sortie de celui-ci, une antenne en lentille 19a en diélectrique. L'antenne en lentille a une forme semi-circulaire en vue plane de sorte que la différence de phase de l'onde puisse être compensée. Le fonctionnement et l'effet du mode de réalisation sont les mêmes que pour le premier mode de IF réalisation. Le guide d'onde en cornet 5 représenté en figure 7b comprend une antenne en lentille 19b, réalisée en un certain nombre de plaques métalliques, et le guide d'onde en cornet 5 de la figure 8 a un dispositif d'onde de retard 13 sous forme d'une plaque métallique à nervures. Par de tels moyens, un plan passant des parties équiphases devient plat. Ainsi, les fentes 15 peuvent être agencées en parallèle comme représenté en figure 9. La figure 5 représente une distribution de densité d'énergie de l'antenne suivant le premier mode de réali- sation représenté en figure 1. La densité d'énergie se réduit vers la plaque latérale d'extrémité 1 à cause du rayonnement d'énergie des fentes 15, de sorte que le gain d'antenne se réduise. Un troisième mode de réalisation représenté en figure 10 est de rayonner uniformément l'énergie. La plaque de guide 4 sans fentes est inclinée par rapport à la plaque de guide 3 pour réduire la largeur de l'espace S dans le guide d'onde vers la plaque laté- rale 1. Ainsi, l'énergie est sensiblement uniformément distribuée comme représenté en figure 11, augmentant de la sorte le gain d'antenne. En se référant à la figure 6, une ligne en pointillé D représente une distribution du champ électrique dans le plan transversal dans lequel la force électrique se réduit vers les deux côtés 7 et 8. Chacun des guides d'onde comme quatrième mode de réalisation représenté aux figures 12 et 14 a une plaque de guide en forme de V 4, et chaque guide d'onde représenté aux figures 13, 15 et 16 a une plaque de guide circulaire 4 de sorte que la dis- tribution du champ électrique puisse être unifiée. Dans un cinquième mode de réalisation de la figure 17a, deux plaques métalliques 18 sont prévues dans le guide d'onde W adjacentes aux plaques latérales 7 et 8. Chaque plaque 18 est fixée à la plaque 4 formant un intervale entre la plaque 3 afin d'étrangler le guide d'onde pour produire une impédance propre. Ainsi, la distribution du champ électrique peut être unifiée comme représenté en figure 17b. Un guide d'onde du sixième mode de réalisation représenté en figure 18a comprend une plaque métallique intermédiaire 17 ayant un grand nombre de fentes et de trous 16. En ajustant la forme et la densité des trous comme représenté en figure 18b, la densité d'énergie dans un espace S1 et le champ électrique peuvent être unifor- mément distribués. Dans le septième mode de réalisation représenté en figure 19, un élément d'adaptation Il est prévu sur la plaque d'extrémité 1 au lieu de la résistance terminale 6 du premier mode de réalisation. L'onde frappant l'élément d'adaptation est réfléchie pour être additionnée aux ondes rayonnées des fentes d'extrémité, égalisant ainsi la distribution d'énergie. Un guide d'onde suivant un huitième mode de réalisation représenté en figure 20 comprend un dispositif d'onde de retard 13 formé par une plaque nervurée ou réalisée en un diélectrique. En contrôlant la constante de phase de l'onde, il est possible de régler la direction du rayonnement et la densité d'énergie pour améliorer la directivité et le gain de l'antenne. Suivant l'antenne représentée en figure 21 comme neuvième mode de réalisation, lé guide d'onde rectangu- laire W est superposé au guide d'onde en cornet 5 pour former une construction compacte. La plaque de guide 4 est raccourcie, de sorte que l'ouverture 22 du guide d'onde en cornet 5 soit reliée à l'ouverture 2 du guide d'onde rectangulaire W, formant ainsi une connexion en forme de U. Les figures 22 et 23 représentent des connexions en forme de U, respectivement. Dans chacune des connexions, un élément de guide incliné 12 est prévu à chaque coin, de sorte quel'onde soit tournée de 1800 sans réfléchir l'onde, rayonnant efficacement l'énergie. La figure 24 représente une modification de l'antenne de la figure 21. L'antenne comprend un réflecteur parabolique 23 à la connexion en forme de U. En réfléchis- sant l'onde par le réflecteur parabolique 23, la différence de phase est compensée pour former un plan d'onde plat équiphase. Ainsi, les fentes 15 peuvent être disposées en parallèle. La figure 25 représente la disposition de fentes à des intervalles de longueur d'onde L0' Les fentes 15 représentées aux figures 26 et 27 sont formées à des intervalles d'une demi-longueur d'onde 70/2 et à 450 par rapport à l'axe de guide d'onde. Les fentes 15 sur des rangées adjacentes sont inversées pour être à 900 les unes par rapport aux autres. Ainsi, des composantes P ayant la même direction sont ajoutées les unes aux autres, augmentant de la sorte l'énergie rayonnée. Puisque la densité des fentes est augmentée, le rendement d'ouver- ture peut être augmenté pour améliorer le gain de l'antenne. Les fentes représentées aux figures 25 à 27 sont disposées pour la polarisation linéaire. Les fentes représentées en figure 28 sont agencées pour l'onde polarisée circulairement. La figure 29 représente une modification du guide d'onde en cornet 5. Le guide d'onde en cornet comprend un guide courbé 14. Le guide d'onde en cornet 5 représenté en figure 30 comprend un câble coaxial, 34 comme alimentation. Une autre alimentation telle qu'un guide d'onde à nervures et un couplage en boucle peut être utilisée. En se référant aux figures 31a et 31b représentant un dixième mode de réalisation, l'antenne comprend deux guides d'onde rectangulaires W1, W2 et deux guides d'onde en cornet. Les guides d'onde rectangulaires sont formés par des plaques de guide opposées 31, 32, des plaques latérales 33, 33a et une cloison 37 ayant des résistances terminales aux c6tés opposés de celle -ci, de sorte que 15. deux espaces de guide d'onde S1 et S sont formés. Le guide d'onde en cornet comprend des plaques de guide 32 et 34a pour former deux espaces de guide d'onde en cornet A1 et A2 qui sont symétriquement séparés par un élément d'adaptation 35. Ainsi deux antennes sont symétriquement formées. Un guide d'onde d'alimentation 34 ayant un espace de guide d'onde A est relié à une partie centrale de l'antenne qui est en communication avec les espaces A1 et A2 par des ouvertures d'alimentation en énergie. Chaque connexion C ayant un intervalle D a une plaque latérale 33a ayant une forme en section semi-circulaire ou polygonale et a un réflecteur parabolique. Le réflecteur parabolique est formé en déplaçant une parabole le long de la plaque semi- circulaire 33a. En d'autres termes, le réflecteur parabolique a une parabole à chaque section transversale de la plaque semi-circulaire 33a. De ce fait, le réflec- teur parabolique est différent de l'antenne parabolique qui est formée par la rotation d'une parabole. L'onde dans l'espace A1(A2) dans le guide d'onde en cornet se propage en mode circulaire autour de 0 comme représenté en figure 32, ayant une différence de phase. L'onde est réfléchie par le réflecteur parabolique, de sorte que la différence de phase soit compensée pour pro- duire des distances de déplacement ou de parcours égales par rapport à l'axe Y comme représenté en figure 33b.. Deplus comme représenté en figure 33c, l'onde est réfléchie au réflecteur en forme de U en parallèle. Les distances de déplacement par rapport à l'axe Z sont égalisées. Ainsi, les fentes 31a peuvent être disposées parallèlement. Puisque l'onde réfléchie au réflecteur en forme de U passe l'espace S1 différent de l'espace A1 (figure 33c), il est possible d'empêcher la réduction du gain due au blocage qui se,produit dans une antenne parabolique à double réflexion. Quant à la dimension de la fente 33a, la longueur de la fente est d'environ une moitié de longueur d'onde (1/2 X0) et la largeur est plus petite que la longueur d'onde. Il est préférable que l'intervalle h entre les fentes soit plus petit qu'une longueur d'onde d'espace libre 0 afin de réduire le lobe latéral de l'antenne, par exemple de 0,9 0 à 0,5 0. Cependant, il est impossible d'émettre l'onde des fentes disposées à de tels intervalles. Afin d'émettre l'onde, une plaque nervurée 36 comme dispositif d'onde de retard est montée sur la plaque de guide 32 comme représenté en figure 35. En retardant l'onde, les mêmes ondes de phase peuvent être émises des fentes disposées à de petits intervalles. Bien que l'inter- valle h soit réduit, la longueur de la fente 31a est d'environ une moitié de longueur d'onde. Il est possible d'augmenter le rapport de l'aire disponible des fentes 31a à l'aire en section du guide d'onde rectangulaire ayant un réflecteur parabolique, améliorant ainsi le rendement d'ouverture. Par exemple, si un guide d'onde rectangulaire à réflecteur parabolique a la longueur axiale de 80 cm et la longueur du côté long du rectangle de 60 cm, l'intervalle h est de 0,8Xo, et la fréquence de l'onde est de 12 GHz, 1.600 fentes parallèles peuvent être réalisées sur le plan de rayonnement. En se référant à la figure 36 représentant un onzième mode de réalisation un seul guide d'onde en cornet ayant une connexion C est disposé en parallèle aux guidesd'onde rectangulaires W1 et W2. La connexion C a un réflecteur parabolique et l'onde est amenée d'une partie centrale entre les guides d'onde W1 et W2. De ce fait, les résistances terminales 37 sont prévues aux extrémités opposées de l'antenne. Les figures 37 et 38 représentent des modifications du onzième mode de réalisation, dans lequel chaque connexion C est disposée perpendiculaire au guide d'onde rectangulaire. La figure 39 représente une modification du dixième mode de réalisation des figures 31a et 31b. Un câble coaxial 38 est relié à l'antenne à une partie centrale entre les guides d'onde en cornet pour émettre des ondes aux espaces de guide d'onde en cornet A1 et A2 à travers des ouvertures d'entrée d'alimentation en énergie. Les figures 40 à 43 représentent des dispositions de fentes 31a. L'antenne de la figure 40 est réalisée pour rayonner la polarisation binaire et l'antenne de la figure 41 est réalisée pour rayonner l'onde polarisée circulairement. Dans l'antenne représentée en figure 42, quatre fentes encerclées par une ligne forment une unité pour rayonner une polarisation linéaire et un certain nombre d'unités sont agencées en rangées et colonnes. R E V E N D I C A T I 0 N S 1.- Antenne à fentes, caractérisée en ce qu'elle comprend: un guide d'onde rectangulaire (W) ayant des plaques métalliques (1, 3, 4, 7, 8) pour former un espace (S) de guide d'onde rectangulaire; un guide d'onde en cornet (5) relié au guide d'onde rectangulaire afin d'y communiquer un espace de guide d'onde en cornet à l'espace de guide d'onde rectan- gulaire, et ayant une ouverture d'entrée d'alimentation en énergie 2 à une extrémité de celui-ci; le guide d'onde rectangulaire ayant un certain nombre de fentes de rayonnement d'onde (15) sur l'une des plaques métalliques. 2.- Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le guide d'onde rectangulaire comprend une résistance terminale (6) à une plaque d'extrémité de celui-ci. 3.- Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le guide d'onde rectangulaire comprend un moyen d'adaptation (11) à une plaque d'extrémité de celui-ci pour augmenter l'énergie d'onde émise des fentes (15) adjacentes à la plaque d'extrémité. 4.- Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une plaque métallique opposée à la plaque métallique ayant les fentes (15) comprend un moyen d'onde de retard (13) pour retarder l'onde propagée. 5.- Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'espace de guide d'onde rectangulaire est réduit vers une plaque d'extrémité en largeur entre la plaque métallique ayant les fentes et une plaque métallique opposée. 6.- Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le guide d'onde rectangulaire comprend deux plaques métalliques adjacentes aux plaques latérales, dont chacune est fixée à une plaque opposée à la plaque comportant les fentes afin d'effectuer un étranglement du guide d'onde rectangulaire pour produire une impédance propre, distribuant uniformément de la sorte le champ électrique. 7.- Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les fentes sont disposées perpendiculairement à l'axe du guide d'onde rectangulaire. 8.- Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le guide d'onde rectangulaire et le guide d'onde en cornet sont disposés de sorte que les axes des deux guides d'onde soient agencés sur une ligne axiale. 9.- Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le guide d'onde rectangulaire et le guide d'onde en cornet sont superposés l'un à l'autre. 10.- Antenne à fentes, caractérisée en ce qu'elle comprend: un guide d'onde rectangulaire (W) entouré par des plaques métalliques (1, 3, 4, 7 et 8) pour former un espace (S) de guide d'onde rectangulaire; un guide d'onde en cornet (5) relié au guide d'onde rectangulaire afin d'y communiquer un espace de guide d'onde en cornet à l'espace de guide d'onde rectangulaire (S), et ayant une ouverture d'entrée d'alimentation d'énergie à une extrémité de celui-ci; le guide d'onde rectangulaire ayant un certain nombre de fentes de rayonnement d'onde (15) sur l'une des plaques métalliques; un réflecteur parabolique (23) prévu entre l'espace de guide d'onde en cornet et l'espace de guide d'onde rectangulaire pour réfléchir l'onde au guide d'onde rectangulaire de sorte qu'un plan en équiphase de l'onde puisse être aplati. 11.- Antenne selon la revendication 10, caractérisée en ce que le guide d'onde rectangulaire comprend une résistance terminale (6) à une plaque d'extrémité de celui-ci. 12.- Antenne selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'une plaque métallique opposée à la plaque métallique comportant les fentes (15) comprend un moyen d'onde de retard (13) pour retarder l'onde propagée.