Brevet FR2625616A1 — publié le 19890707

ANTENNE PLANE La présente invention concerne, d'une façon générale, des antennes planes, et elle a trait, plus particulièrement, à une antenne plane qui peut être soumise de façon appropriée à des modifications de conception en fonction de l'intensité du champs des ondes électriques diffusées par un satellite. Les antennes planes du type mentionné sont utilisées efficacement pour la réception d'ondes polarisées transmises dans la bande des hyperfréquences, en particulier la bande 12 GHz ou une fréquence supérieure, à partir d'un satellite géostationnaire de diffusion hertzienne, lancé dans l'espace cosmique de manière à se trouver à 36.000 kilomètres d'altitude de la terre. Bien que les antennes paraboliques érigées sur le toit, ou à des endroits analogues, des immeubles d'habitation aient été utilisées d'une façon générale comme antenne de réception des ondes électriques en provenance des satellites géostationnaires, ces antennes paraboliques ont pour défaut qu'elles risquent d'être abattues facilement par les vents violents en raison de leur stucture tridimensionnelles volumineuse, de sorte qu'il est nécessaire d'utiliser des moyens pour les supporter de façon stable et que de tels moyens de support entraînent des coQts de montage élevés ainsi qu'un travail d'installation pénible. Pour tenter d'éliminer ces problèmes que posent les 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 la structure peut être simplifiée considérablement, et qui peut être montée directement sur un mur extérieur, ou un endroit analogue, des immeubles d'habitation, de telle sorte qu'elle est peu.coQteuse. En outre, on demande à l'antenne plane qu'elle ait un gain élevé et, à cette fin, diverses tentatives ont été faites pour réduire la perte par insertion. Dans la demande de brevet français 87 02421 on a décrit une antenne plane dans laquelle le circuit d'alimentation et le circuit rayonnant ne sont pas reliés directement l'un à l'autre mais sont couplés électromagnétiquement afin que l'énergie en provenance du circuit d'alimentation soit fournie au circuit rayonnant tandis que les deux circuits ainsi qu'un conducteur de mise à la terre sont supportés respectivement sur chacune des plaques isolantes qui sont séparées l'une de l'autre à l'aide d'un moyen de maintien d'espacement. Par conséquent, grace à cette disposition, il est possible également de disposer le circuit d'alimentation dans l'espace ainsi maintenu de manière à réduire à un minimum la perte afin d'améliorer les possibilités d'assemblage, et il est possible de diminuer efficacement la perte par insertion. On a suggéré, en outre, avant la présente invention, dans la demande de brevet français n' 87 12274 une autre antenne plane dans laquelle un circuit rayonnant est pourvu d'un grand nombre d'évidements ou échancrures dans chacun desquels est disposé un élément de connexion ou de couplage et ce circuit rayonnant est couplé électro- magnétiquement, à l'endroit des éléments de couplage se trouvant dans les fentes, à des bornes d'alimentation opposées d'un circuit d'alimentation en énergie de façon à diminuer encore la perte tout en améliorant considérablement les possibilités d'assemblage. Dans les deux techniques antérieures mentionnées ci- dessus, il est possible de réduire la perte par insertion et d'améliorer les possibilités d'assemblage afin que l'antenne puisse être produite en grande série mais une difficulté n'a pas encore reçu de solution en ce qui concerne le fait que l'antenne ne se prête pas à une modification de conception relative au gain optimal ou aux dimensions minimales en fonction de l'intensité du champ des ondes électriques diffusées par le satellite. Un objet principal de la présente invention est donc la réalisation d'une antenne plane qui peut avoir des dimensions minimales tout en conservant un gain d'antenne élevé, ce qui évite tout accroissement inutile de taille et améliore ainsi les propriétés économiques. On atteint cet objectif, conformément à la présente invention, au moyen d'une antenne plane destinée à recevoir des ondes polarisées émises dans la bande des hyperfréquences à partir d'un satellite, antenne dans laquelle un dessin de circuit d'alimentation en énergie, formé par une matière conductrice, comprend des bornes d'alimentation en énergie, un dessin de circuit rayonnant, formé également par une matière conductrice, comprend des éléments rayonnants correspondant respectivement à chacune des bornes d'alimentation du dessin de circuit d'alimentation en énergie, et une couche conductrice de mise à la terre est disposée par rapport aux dessins de circuit d'alimentation et de 'circuit rayonnant avec une couche inductive interposée entre cette couche et ces dessins, caractérisée en ce que le dessin de circuit d'alimentation en énergie est pourvu, à des bornes choisies parmi les bornes d'alimentation en énergie, de bornes d'alimentation supplémentaires présentant une différence de phase égale à un multiple entier de kg, et 262 5 6 1 6 le dessin de circuit rayonnant est pourvu d'éléments rayonnants supplémentaires correspondant respectivement à chacune des bornes supplémentaires d'alimentation en énergie. Une autre couche inductive est interposée entre le dessin de circuit d'alimentation et le dessin de circuit rayonnant, ce qui fait que ces dessins de circuit d'alimentation et de circuit rayonnant ainsi que la couche conductrice de mise à la terre forment un agencement du type suspendu à trois plaques. De plus, les couches inductives comprennent, respectivement, un élément d'espacement ou d'entretoisement formé par une feuille en matière plastique expansée, en forme de réseau, assurant la présence d'un espace. Par ailleurs, le dessin de circuit d'alimentation comprend un guide d'ondes relié à un point d'alimentation du dessin pour alimenter simultanément les bornes d'alimentation et les bornes d'alimentation supplémentaires avec un rendement élevé. D'autres objets et avantages de la présente invention apparaîtront clairement dans la description donnée ci-après avec référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'un mode de réalisation d'une antenne plane selon la présente invention, les éléments constitutifs de cette antenne étant représentés désassemblés et omis partiellement; la figure 2 est une vue en perspective partielle agrandie de l'antenne plane de la figures; la figure 3 est une vue en coupe partielle agrandie de l'antenne plane représentée sur la figure 1; la figure 4 est une vue en plan d'une plaque de circuit d'alimentation en énergie de l'antenne plane de la figure 1; la figure 5 est une vue explicative de l'accouplement électromagnétique entre une borne d'alimentation en énergie d'un dessin de circuit d'alimentation en énergie et un élément rayonnant d'un dessin de circuit rayonnant destiné à être utilisé avec des ondes polarisées; les figures 6 et 7 sont des vues en plan partielles du dessin de circuit d'alimentation en énergie d'autres modes de réalisation selon la présente invention; et la figure 8 est une vue explicative du couplage électromagnétique entre une borne d'alimentation en énergie et un élément rayonnant destiné à être utilisé avec des zones à polarisation plane. En se référant aux figures 1 & 5, on voit qu'une antenne plane 10 selon la présente invention comprend, d'une façon générale, une plaque 11 de circuit rayonnant, une plaque 12 de circuit d'alimentation et une plaque 13 de couche conductrice de mise à la terre. La plaque 11 de circuit rayonnant comprend un dessin 14 formant circuit rayonnant et constitué par une couche d'une matière conductrice telle que le cuivre, l'aluminium, l'astatie, le fer, l'or et autres métaux analogues sur la surface d'une couche 15 de résine synthétique et, si besoin est, revêtu d'une résine synthétique sur sa surface supérieure. La plaque 12 de circuit d'alimentation comprend un dessin 16 formant circuit d'alimentation et constitué par la même matière que le dessin 14 de circuit rayonnant sur la surface d'une couche 17 de résine synthétique et, si besoin est, revêtu également avec une résine synthétique sur sa surface supérieure. La plaque 13 de couche conductrice de mise à la terre est formée dans son ensemble, par exemple, de la même matière que le dessin 14 de circuit rayonnant et, si besoin est, est revêtue par une résine synthétique sur ses surfaces supérieure et inférieure. Entre la plaque 11 de circuit rayonnant et la plaque 12 de circuit d'alimentation ainsi qu'entre la plaque 12 de circuit d'alimentation et la plaque 13 de couche conductrice de mise à la terre sont interposés, de façon appropriée, des moyens d'espacement tels que des entretoises 18 et 19, par exemple en résine synthétique sous la forme d'un réseau, comme représenté sur la figure 1, ou sous une forme en nid d'abeilles afin de définir des espaces 20 et 21, comme on peut le voir sur la figure 3. Dans ce cas, un gaz, tel que de l'air, présent dans les espaces 20 et 21 et pénétrant et sortant de ces espaces peut agir comme un élément diélectrique à faible perte. Sur ou au-dessus de la surface supérieure ou surface avant agissant comme surface active de l'antenne plane 10,on peut disposer, si cela s'avère nécessaire, un radome formé principalement d'une matière plastique expansée, perméable aux ondes électriques, afin que cette surface soit recouverte et protégée compte tenu de la possibilité de l'installation de l'antenne dans un environnement extérieur. Grâce à ce recouvrement par le radome, non seulement la surface active de l'antenne, mais également toute l'antenne plane 10 peut avoir une bonne résistance mécanique et il est possible d'éviter efficacement une diminution de la hauteur des espaces 20 et 21. En outre, le dessin 14 de circuit rayonnant formé sur la plaque Il de circuit rayonnant comprend un grand nombre d'éléments rayonnants 22 qui comprennent,- respectivement, un évidement ou échancrure 23, rectangulaire dans son ensemble et ménagée dans la couche conductrice du dessin 14, ainsi qu'un élément de connexion ou de couplage 24 formé à l'intérieur de l'évidement 23 à l'aide de la même matière conductrice que celle de la couche du dessin 14, de manière à s'étendre le long d'une diagonale de la fente 23 ou, en d'autres termes, sous la forme d'un rectangle ou d'un carré plus petit dont les sommets diagonalement opposés ont été abattus, comme représenté sur la figure 5,et.les éléments rayonnants 22 sont, respectivement, couplés électromagnétiquement à chacune des bornes d'alimentation 25.du dessin 16 d'alimentation de la plaque 12 de circuit d'alimentation, comme représenté sur les figures 3 et 5. Le nombre des ensembles, ainsi couplés, des éléments rayonnants 22 et des bornes d'alimentation 25 doit normalement être de 2n (n étant un nombre entier positif) et, dans les dessins 14 et 16 de circuit rayonnant et de circuit d'alimentation, est de 28=256 ensembles, le gain de l'antenne pouvant ainsi être obtenu est insuffisant mais lorsque les dessins sont au nombre de 29=512 ensembles, le gain dépasse largement le gain désiré au point d'avoir une valeur trop grande. Par contre, dans le cas de l'antenne parabolique, on peut concevoir ce dessin de manière à-l'adapter à l'intensité du champ des ondes diffusées par les satallites en modifiant de façon appropriée le diamètre d'ouverture de la plaque réflectrice de l'antenne pour qu'elle ait un diamètre de 45 cm, 50 cm, 60 cm, etc., par exemple, et,; à ce sujet, l'antenne plane s'est révélée désavantageuse par rapport à l'antenne parabolique. Selon une caractéristique remarquable de la présente invention, le dessin 16 de circuit d'alimentation de la plaque 12 de circuit d'alimentation est pourvu de bornes d'alimentation supplémentaires 25a s'étendant, respectivement, depuis la partie de base de chaque borne d'alimentation 25 du dessin 16 et présentant une différence de phase correspondant à un multiple entier de la longueur d'onde Xg des ondes diffusées par le satellite, tandis que le dessin 14 de circuit rayonnant de la plaque 11 de circuit rayonnant est muni d'éléments rayonnants supplémentaires 22a ayant la même disposition que les éléments rayonnants 22 et destinés à être couplés électromagnétiquement aux bornes supplémentaires d'alimentation 25a du dessin 16. Dans le présent cas, 24=16 ensembles de bornes d'alimentation 25 et d'éléments rayonnants 22 sont prévus avec 8 ensembles des bornes d'alimentation supplémentaires 25a et des éléments rayonnants supplémentaires 22a, de sorte qu'une antenne unitaire de 24 ensembles des éléments 22 et des * bornes 25 est formée et 128 de ces antennes unitaires sont alimentées électriquement à partir des bornes d'alimentation respectives 25 et 25a en phase avec les éléments rayonnants respectifs 22 et 22a et, par conséquent, on obtient ainsi une antenne plane comportant 384 ensembles d'éléments rayonnants et de bornes d'alimentation, c'est-à-dire d'un type comportant un nombre intermédiaire, compris entre 28 et 29, desdits ensembles. Dans l'agencement précité, il est préférable que l'énergie électrique soit fournie au dessin 16 de circuit d'alimentation de la plaque 12 de circuit d'alimentation, directement par l'intermédiaire d'un guide d'onde 26 prévu au centre de cette plaque 12, comme on peut le voir sur la figure 4, mais l'alimentation peut être effectuée également par l'intermédiaire d'un couplage électromagnétique d'une extrémité d'alimentation du dessin 16 avec l'extrémité d'une source d'alimentation.En outre, bien que l'entretoise 18, ou autre élément analogue, soit interposée entre la plaque 12 de circuit d'alimentation et la plaque 11 de circuit rayonnant pour définir l'espace 20, les deux plaques 11 et 12 peuvent être disposées au voisinage l'une de l'autre sans aucun espacement. Bien que les bornes d'alimentation 25 et 25a et les éléments de connexion 24 des éléments rayonnants 22 et 22a soient mentionnés comme étant couplés électromagnétiquement, on peut, en outre, fournir directement une fraction du rayonnement à chaque borne d'alimentation dans un agencement simplifié de l'antenne plane. D'autre part, comme représenté sur la figure 6, on peut munir le dessin 16A de circuit d'alimentation de bornes d'alimentation supplémentaires 25Aa sans que celles-ci s'étendent directement depuis chacune des bornes d'alimentation respectives 25A mais soient par contre couplées électromagnétiquement à ces dernières. Dans le cas o les bornes d'alimentation supplémentaires Aa sont présentes respectivement à l'une 25A1 des bornes d'alimentation appariées avec l'autre borne 25A2, il est préférable qu'une partie de circuit 25A3, shuntée de façon inégale et formée au moyen d'un diviseur de puissance de rapport 2:1, soit prévue pour l'autre borne d'alimentation 25A2 au voisinage d'une partie de shunt A4 entre les bornes appariées 25A1 et 25A2 afin d'éviter tout déséquilibre dans l'énergie qui leur serait fournie. Dans le mode de réalisation de la figure 6, les autres agencements et leur fonctionnement sont sensiblement identiques à ceux du mode de réalisation précédent. En outre, comme représenté sur la figure 7, des bornes d'alimentation appariées 25B1 et une borne d'alimentation supplémentaire 25Bla peuvent être prévues dans une disposition multi- étages par couplage électromagnétique de sorte qu'il est possible de transformer une antenne unitaire de 8 éléments, par exemple, en une antenne unitaire du type à 18 éléments. Dans ce cas, les bornes d'alimentation supplémentaires Bla, dans la disposition multi-étages, peuvent être directement reliées à la borne d'alimentation 25B1 au lieu d'être couplées électromagnétiquement. Dans le mode de réalisation, les autres agencements et leur fonctionnement sont sensiblement identiques à ceux du mode de réalisation précédent. De plus, on a considéré, dans les modes de réalisation précédents, que l'évidement de l'élément rayonnant avait une forme rectangulaire et que l'élément de couplage se trouvant dans cette évidement s'étendait dans le sens de la diagonale de l'évidement rectangulaire en vue de son adaptation à la réception et à l'émission d'ondes polarisées. Toutefois, on comprendra que, comme représenté sur la figure 8, l'élément rayonnant peut être constitué par un évidement carré 23A et par un élément de couplage carré plus petit 24A disposé au centre de cette fente et que l'antenne plane peut être adaptée à une réception et une émission d'ondes polarisées à polarisation plane. Kxemple 1: On a préparé l'antenne plane 10 de l'agencement représenté sur les figures 1 à 5 de type suspendu comportant trois plaques en disposant, dans la plaque 11 de circuit rayonnant, 384 ensembles d'éléments rayonnants 22 et d'éléments rayonnants supplémentaires 22a réalises, respectivement, avec des évidements rectangulaires 23 de x 13 mm et avec les éléments de couplage 24 obtenus par sectionnement des sommets diagonalement opposés de la forme rectangulaire, en formant le dessin 14 de circuit rayonnant et le dessin 16 de circuit d'alimentation sur un substrat flexible de circuits imprimés au moyen d'une opération de gravure pour obtenir des plaques 11 et 12 de circuit rayonnant et de circuit d'alimentation, en interposant entre- les deux plaques 11 et 12 l'entretoise 18 constituée par une feuille de polyéthylène expansée jusqu'à un taux de moussage de 20 fois et ayant une épaisseur de 1,5 mm, et en installant la plaque 13 de couche conductrice de mise à la terre formée d'aluminium en dessous de la plaque 12 de circuit d'alimentation, l'entretoise 19 en même matière et de même épaisseur que l'entretoise 18 étant interposée entre les plaques 12 et 13. On a évalué les caractéristiques de réception de cette antenne plane en ce qui concerne une diffusion par satellite d'une onde de 12 GHz, et les résultats ont montré que le rendement de l'antenne atteignait 60 % et que, du point de vue du gain, on obtenait des caractéristiques de réception sensiblement intermédiaires entre celles des antennes de type à 256 éléments et du type à 512 éléments.On a constaté que, dans cet agencement, du fait que l'antenne plane peut être conçue facultativement de manière à comporter n'importe quel nombre autre que 2n ensembles de bornies d'alimentation et d'éléments rayonnants selon l'intensité du champ des ondes électriques diffusées par satellite, on peut facilement concevoir une antenne plane présentant le gain optimal susceptible d'être obtenu en conformité avec l'intensité du champ des ondes avec, cependant, une dimension nécessaire minimale. ExemDle 2: A l'exception que les entretoises 18 et 19, formées de la même feuille de polyéthylène expansée que le feuille utilisée dans l'exemple 1, étaient perforées pour présenter la forme en réseau apparaissant sur la figure 1, on a réalisé la même antenne plane que dans l'exemple 1, cela de la même façon, puis on a évalué les caractéristiques de réception de cette antenne plane et on a constaté que le rendement de l'antenne était amélioré et atteignait 62 % avec bande élargie d'environ 200 14Hz. Exemule 3: On a réalisé des antennes unitaires de 25 éléments, respectivement, en adjoignant, au dessin 16 de circuit d'alimentation formé sur la plaque 12 de circuit d'alimentation de l'antenne plane, comme dans l'exemple 1 précédent, les bornes d'alimentation supplémentaires 25a pour deux éléments rayonnants montés en série et, respectivement, avec une différence de phase mutuelle de la longueur d'onde Xg, ainsi qu'une autre borne d'alimentation supplémentaire 25a pour un seul élément rayonnant avec une différence de phase supplémentaire de la longueur d'onde Xg, tout en adjoignant, au dessin 14 de circuit rayonnant se trouvant sur la plaque 11 de circuit rayonnant, les éléments rayonnants supplémentaires 22a en correspondance avec les bornes d'alimentation supplémentaires présentes 25a. Dans ce cas, les parties de circuit shuntées de façon inégale, à savoir le diviseur de puissance, ont été disposées respectivement au voisinage de la partie de shunt entre les bornes d'alimentation appariées du dessin de circuit d'alimentation. On a assemblé 16 antennes unitaires de 25 éléments sous la forme d'une antenne plane du type à 400 éléments. On a évalué les caractéristiques de réception de cette antenne plane en ce qui concerne la diffusion par satellite d'une onde de 12 GHz et les résultats ont -5 montré un rendement d'antenne de 56 % et ont révélé qu'il était possible d'obtenir les caractéristiques de réception intermédiaires entre le type à 256 éléments et le type à 512 éléments en ce qui concerne le gain. Exemple 4: A l'exception que le dessin de circuit d'alimentation sur la plaque de circuit d'alimentation comme dans l'exemple 1 précédent a été formé par un couplage électromagnétique des bornes d'alimentation supplémentaires aux bornes d'alimentation, ainsi qu'on l'a représenté sur la figure 6, on a réalisé la même antenne plane que celle de l'exemple 1 et cela de la même manière en obtenant un couplage électromagnétique avec une longueur de couplage d'environ 6 mm. L'évaluation des caractéristiques de réception en ce qui concerne cette antenne plane ont montré que le rendement d'antenne était de 58 % et qu'il était possible d'obtenir sensiblement une caractéristique de réception intermédiaire entre le type à 256 éléments et le type à 512 éléments. REVENDICATIONS 1. Antenne plane (10) destinée à recevoir des ondes polarisées émises dans la bande des hyperfréquences à partir d'un satellite, antenne dans laquelle un dessin (16) de circuit d'alimentation formé par une matière conductrice comprend des bornes d'alimentation (25), un dessin (14) de circuit rayonnant formé par une matière conductrice comprend des éléments rayonnants (22) correspondant, respectivement, à chacune desdites bornes d'alimentation du dessin de circuit d'alimentation, et une couche conductrice (13) de mise à la terre est disposée par rapport aux dessins précités de circuit d'alimentation et de circuit rayonnant avec une couche inductive (21) interposée entre cette couche et ces dessins caractérisée en ce que le dessin (16) de circuit d'alimentation est pourvu, à des bornes choisies parmi lesdites bornes d'alimentation, de bornes d'alimentation supplémentaires (25a) présentant une différence de phase correspondant à un multiple entier de longueur d'onde Xg et le dessin (14) de circuit rayonnant est pourvu d'éléments rayonnants supplémentaires (22a) correspondant respectivement à chacune des bornes d'alimentation suppémentaires (25a). 2. Antenne plane selon la revendication 1, caractérisée en ce que chacune des bornes d'alimentation supplémentaires est prévue, à des bornes d'alimentation prédéterminées correspondantes parmi lesdites bornes d'alimentation, avec ladite différence de phase d'une longueur d'onde Xg. 3. Antenne plane selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une autre couche inductive (20) est interposée entre le dessin (16) de circuit d'alimentation et le dessin (14) de circuit rayonnant, ce qui fait que ces dessins de circuit d'alimentation et de circuit rayonnant ainsi que la couche (13) conductrice de mise à la terre forment un agencement du type suspendu & trois plaques. 4. Antenne plane selon la revendication 3, caractérisée en ce que les couches inductrices (18,19) comprennent, respectivement, un élément d'espacement ou d'entretoisement formé par une feuille en matière plastique expansée, en. forme de réseau, assurant la présence d'un espace. 5. Antenne plane selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le dessin (16) de circuit d'alimentation comprend un guide d'ondes relié à un point d'alimentation du dessin pour alimenter simultanément les bornes d'alimentation (25) et les bornes d'alimentation supplémentaires (25a) avec un rendement élevé.