Brevet FR2645353A1 — publié le 19901005

L'invention se rapporte à une antenne plane utilisant des lignes microbandes et spécialement, à une antenne à ligne microbande en forme de manivelle ayant le nombre d'éléments réduit pour obtenir une directivité dans une direction oblique et réduire sa taille. Comme illustré par les Figures 9 et 10 de la demande de brevet japonais publiée sour le N 57-99803 ou dans les Figures 10 et 11 du brevet américain correspondant N 4 457 107, un exemple typique de l'antenne à ligne microbande en forme de manivelle est composé d'une paire de conducteurs ayant chacun des parties en bosses relativement longues et des parties en creux relativement courtes qui sont connectées alternative- ment. Les deux lignes conductrices qui forment la paire sont disposées en parallèle dans une relation telle que chaque partie en creux d'une ligne conductrice soit en regard du milieu de chaque partie en bosse de l'autre ligne. Chaque partie de la paire de lignes conductrices ayant une longueur correspondant à la somme d'une partie en bosse et d'une partie en creux constitue un élément d'antenne pour un rayonnement polarisé circulairement ou linéairement d'une onde électromagnétique correspondant à deux fois sa longueur d'onde. Par conséquent, l'antenne comme illustrée par les dessins des publications citées ci-dessus est constitué de trois éléments. Comme les lignes conductrices sont formées sur un substrat diélectrique, la longueur d'onde de l'onde électromagnétique sur les lignes conductrices diffère de la longueur d'onde dans l'espace en correspondance avec la constante diélectrique du substrat même à la même fréquence. Par exemple, la longueur d'onde d'une onde -2- électromagnétique sur une ligne-conductrice formée sur un substrat de polyéthylène ( 8- = 2,5) est réduite à environ 63 % de la longueur d'onde dans l'espace et la longueur d'onde de l'onde électromagnétique sur une ligne conductrice formée sur un substrat de polyéthylène cellulaire ( 6 = 1,7) est réduite à environ 80 % de la longueur d'onde dans l'espace. Dans l'antenne à ligne microbande en forme de manivelle mentionnée cidessus, le faisceau principal du rayonnement est dirigé perpendiculairement au plan de l'antenne quand la longueur de chaque ligne conductrice dans chaque élément d'antenne correspond à deux fois la longueur d'onde de l'onde électromagnétique. Une telle directivité est référencée comme "type à grande ouverture". Cependant, le faisceau principal du rayonnement est dirigé vers une direction oblique quand la longueur de chaque partie du conducteur en forme de manivelle est étendue dans la direction longitudinale de la ligne microbande. Une telle directivité est référencée comme "type à diagramme transversal". Quand on prévoit de recevoir une onde électrique à partir d'un satellite artificiel stationnaire dans une zone de haute ou moyenne altitude avec une antenne para- bolique ou une antenne plane de type à grande ouverture, il est nécessaire de relever l'antenne vraiment beaucoup à partir du plan horizontal de façon à mettre le plan d'ouverture de l'antenne ou le plan. d'antenne perpendiculairement à la direction incidente de l'onde électrique. Il en résulte une antenne soumise à une pression du vent accrue quand l'antenne est disposée sur le toit d'un véhicule qui circule. Cependant, cette pression du vent pourrait être réduite avec une antenne plane du type à diagramme transversal ayant une directivité convenablement inclinée, puisqu'elle peut - 3- effectuer une réception dans une position approximativement horizontale. Une antenne à ligne microbande conventionnelle inclut environ dix éléments d'antenne en forme de manivelle connectés en série. Bien que le gain de l'antenne augmente avec l'accroissement du nombre de ces éléments, la largeur de bande de fréquences devient étroite. Au contraire, la largeur de bande de fréquences augmente et le gain décroit avec la réduction du nombre des éléments d'antenne en forme de manivelle en série. En conséquence, il est devenu généralement habituel d'ajouter un élément d'antenne de raccordement à l'extrémité de chaque ligne d'éléments pour améliorer le gain dans le cas d'une antenne de type à grande ouverture ayant moins d'éléments d'antenne en forme de manivelle. Si l'on cherche à fournir l'antenne en forme de manivelle de l'art antérieur comme montré dans le brevet mentionné ci-dessus avec une propriété à diagramme transversal, il sera nécessaire d'augmenter grandement la longueur de chaque élément d'antenne. Par exemple, quand la direction du rayonnement du faisceau principal est inclinée de 28 degrés, la longueur de chaque élément d'antenne vu à partir de cette direction est réduite seulement d'un facteur de 0,88 ou cos 28 . En pratique cependant, la direction du rayonnement ne peut être inclinée de 28 degrés à moins que la longueur de chaque élément d'antenne ne soit augmentée d'un facteur de 1,5. Ceci aboutit à une réduction significative du nombre des éléments d'antenne qui peuvent être arrangés en série et par suite à une réduction du gain d'antenne. Bien que le faisceau principal du rayonnement de l'onde électrique à utiliser soit dirigé vers une direction -4- inclinée de 28 degrés quand la longueur de chaque élément d'antenne est étendue d'un facteur de 1,5, par exemple, pour obtenir -la propriété à diagramme transversal il est nécessaire de faire attention au fait que le faisceau principal de l'onde électrique ayant une longueur d'onde augmentée d'un facteur d'environ 1,5 est rayonnée suivant une direction approximativement verticale vers l'antenne plane. Pour la même raison, les ondes électriques ayant des longueurs d'onde qui sont de une à 1,5 fois la longueur d'onde de l'onde électrique utilisée sont rayonnées vers des directions respectives entre zéro et 28 degrés. Il est aussi entendu qu'une onde électrique ayant une longueur d'onde plus courte que l'onde électrique utilisée est rayonnée vers une direction inclinée à bien plus de 28 degrés. Il sera également compris en cas d'antenne à ligne microbande en forme de manivelle du type à grande ouverture que les ondes électriques indésirables ayant des longueurs d'onde plus courtes que l'onde électrique utilisée et rayonnée perpendiculairement au plan de l'antenne sont rayonnées dans des directions obliques. En conséquence, un premier but de cette invention est de supprimer le rayonnement de l'onde électrique de la longueur d'onde indésirable dirigée vers une direction indésirable pour améliorer le rapport signal/bruit de l'antenne. Comme décrit ci-dessus, dans l'antenne à ligne microbande du type à grande ouverture, la réduction de gain due au nombre réduit des éléments d'antenne en- série peut être compensée par l'addition d'un élément d'antenne de raccordement à l'extrémité de chaque ligne. Cependant, il est difficile pour l'élément d'antenne raccordé de réduire l'énergie rayonnée vers l'avant par la différence de phase pour obtenir la propriété à -5 - diagramme transversal, puisqu'il a un gain important seulement dans la direction avant. Par conséquent, il est inefficace en tant que contremesure à la réduction des éléments d'antenne effectuée pour fournir l'antenne en forme de manivelle avec la propriété à diagramme transversal. En conséquence, un second but de l'invention est de fournir une antenne à ligne microbande en forme de manivelle ayant relativement peu d'éléments, spécialement, une antenne en forme de manivelle ayant un gain d'antenne amélioré et une efficacité d'ouverture et une amélioration résultante en efficacité de rayonnement de chaque élément d'antenne et en gain de directivité sans rapport avec le nombre des éléments d'antenne réduit pour obtenir la propriété à diagramme transversal. Selon cette invention, on apporte une antenne à ligne microbande comprenant un arrangement parallèle d'une pluralité de lignes conductrices en forme de manivelle formées sur une surface d'un substrat diélectrique, et un arrangement fermé comprenant un nombre d'éléments guides d'onde d'une demi-longueur d'onde qui sont respectivement parallèles aux composantes longitudinales et latérales de la manivelle. L'arrangement des éléments conducteurs d'une demi-longueur d'onde est formé dans un plan s'étendant en parallèle au substrat e, en avant de celui-ci à une distance essentiellement égale à une demi-longueur d'onde de l'onde électrique à utiliser ou à un multiple entier de celle-ci, et chaque élément guide d'onde d'une demi-longueur d'onde a une longueur qui peut résonner avec la demi-longueur d'onde de l'onde électrique utilisée. -6- Ces buts et les autres buts et caractéristiques de cette invention seront décrits en détail ci-après en référence aux dessins annexes sur lesquels: La Figure 1 est une vue en plan en partie éclatée représentant un mode de réalisation de cette invention; la Figure 2 est une vue latérale en coupe partielle représentant le mode de réalisation de la Figure 1; la Figure 3 est une vue en plan représentant les lignes microbandes du mode de réalisation de la Figure 1; la Figure 4 est une vue en plan représentant une paire de lignes conductrices en forme de manivelle formée sur le substrat; la Figure 5 est une vue en plan représentant un arrangement des éléments guide d'onde d'une demi- longueur d'onde dans le mode de réalisation de la Figure 1; la Figure 6 est un diagramme représentant une caracté- ristique en fréquence du taux de résidu de puissance aux bornes des antennes de l'art antérieur et de l'invention; la Figure 7 est un diagramme représentant la caracté- ristique en fréquence de l'augmentation de gain dans l'antenne de l'invention; les Figures 8 et 9 sont des vues partielles en plan représentant deux -alternatives de l'arrangement des éléments guide d'onde d'une demi-longueur d'onde selon cette invention; -7- la Figure 10 est un diagramme représentant une relation entre la longueur de l'élément guide d'onde d'une demi- longueur d'onde et le gain d'antenne; la Figure Il est un diagramme représentant une relation entre la distance des éléments guides d'onde d'une demi- longueur d'onde à partir des éléments de l'antenne et le gain d'antenne; la Figure 12 est un diagramme représentant une relation entre la longueur de l'élément guide d'onde d'une demi- longueur d'onde et l'intensité du courant de résonance; la Figure 13 est un diagramme représentant une relation entre la longueur de l'élément guide d'onde d'une demi- longueur d'onde et la phase du courant de résonance; la Figure 14 est un schéma de principe représentant le transfert d'énergie à travers les éléments respectifs de l'antenne; et la Figure 15 est un diagramme représentant une relation entre l'efficacité de rayonnement de chaque élément d'antenne et le gain de l'antenne multi-éléments. Se référant aux Figures 1 et 2, un substrat 1 fait de polyéthylène cellulaire a une plaque de base d'aluminium 2 disposée en couche sur sa face arrière et un réseau de lignes conductrices en forme de manivelle 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37 et 38 formées de feuille de cuivre sur sa face avant comme montré sur la Figure 3. A titre d'exemple, le substrat 1, la plaque de base 2 et la feuille de cuivre sont respectivement épais de 0,8 mm, 1 mm et 0,03 mm. Supposant maintenant que la direction longitudinale des lignes conductrices 31 à 38 soit la direction X, la direction perpendiculaire à la direction X le long du substrat la direction Y et la direction perpendiculaire au substrat la direction Z, comme montré en Figure 4, chaque ligne conductrice inclut de façon alternée des parties relativement longues A dans la direction X et des parties relativement courtes B dans la même direction X et ces parties A et B sont connectées à travers des parties C dans la direction Y. Comme exemple, les tailles des parties respectives sont comme suit quand la fréquence de l'onde électrique est 12 GHz et que l'onde électrique est rayonnée dans la direction W qui s'incline de 28 de grés à partir de la direction Z vers la direction X comme montré. Largeur des lignes 31 à 38: 4,0 mm Longueur de la ligne centrale de la partie A: 29,2 mm Longueur de la ligne centrale de la partie B: 21,0 mm Longueur de la ligne centrale de la partie C: 10,0 mm Comme montré sur la Figure 3, les conducteurs d'entrée 311 et 312 des lignes conductrices 31 et 32 sont connectés à un conducteur 11, les conducteurs d'entrée 331 et 341 des lignes conductrices 33 et 34 sont connectés à un conducteur 12, les conducteurs-d'entrée 351 et 361 des lignes conductrices 35 et 36 sont connectés à un conducteur 13 et les conducteurs d'entrée 371 et 381 des lignes conductrices 37 et 38 sont connectés à un conducteur 14. Les conducteurs 11 et 12 sont connectés à un conducteur 16 et les conducteurs 13 et 14 sont connectés à un conducteur 16. Les conducteurs et 16 sont connectés à une borne d'entrée 4. Les conducteurs 321, 331, 341, 351, 361, 371, 381, 11, 12, 13, 14, 15 et 16 et la borne d'entrée 17 sont formés 9- également de feuille de cuivre sur le substrat de même que les lignes conductrices 31 à 38. Une résistance terminale 51 est soudée entre les conducteurs de sortie 312 et 322 des lignes conductrices 31 et 32 et un conducteur de mise à la terre 41, une résistance terminale 52 est soudée entre les conducteurs de sortie 332 et 342 des lignes conductrices 33 et 34 et un conducteur de mise à la terre 42, une résistance terminale 53 est soudée entre les conducteurs de sortie 352 et 362 des lignes conductrices 35 et 36 et un conducteur de mise à la terre 43 et la résistance terminale 54 est soudée entre les conducteurs de sortie 372 et 382 des lignes conductrices 37 et 38 et un conducteur de mise à la terre 44. Les conducteurs 312, 322, 332, 342, 352, 362, 372, 382, 41, 42, 43 et 44 sont aussi formés de feuilles de cuivre sur le substrat 1 de même que les lignes conductrices de 31 à 38. La valeur de chaque résistance terminale 51 à 54 est égale à l'impédance de la ligne conductrice et, par exemple, si l'impédance de la ligne est de 50 ohms, elle est également de 50 ohms. Les conducteurs de mise à la terre 41, 42, 43 et 44 sont mis à la terre pour une haute fréquence en étant connectés électrostatiquement à la plaque de base 2. Une plaque de styrène cellulaire de faible densité 6 est déposée sur la surface du substrat 1 sur lequel les lignes conductrices 31 à 38 sont formées et un mince film de polyester 7 est en outre déposé sur la surface de la plaque de stylène cellulaire. Sur la surface du film de polyester 7, comme montré en Figure 5, un nombre d'éléments guides d'onde d'une demi-longueur d'onde 81 dans la direction X et un nombre d'éléments guides d'onde d'une demi-longueur d'onde 82 dans la direction Y sont formés par évaporation d'aluminium. A titre -10- d'exemple, une plaque de stylène cellulaire 6 est de préférence d'une épaisseur de 14,5 à 15 mm et l'élément guide d'onde d'une demi-longueur d'onde est de préférence large de 2 mm et long de 8,75 mm dans le cas d'une onde électrique de 12 GHz. La Figure 6 montre une caractéristique en fréquence du rapport d'énergie appliqué à la borne d'entrée 4 de l'antenne mentionnée ci-dessus ayant quatre éléments dans chaque ligne et l'énergie résiduelle absorbée par les résistances terminales 51 à 54, dans laquelle la courbe D correspond au cas o les éléments guide d'onde d'une demi-longueur d'onde 81 et 82 ne sont pas utilisés et la courbe E correspond au cas o ces éléments sont utilisés. On comprend à partir de là que 94 % à 95 % de l'entrée est rayonnée en utilisant les éléments de guide d'onde d'une demi-longueur d'onde alors que seulement 75 % soient rayonnés sans ces éléments. La Figure 7 montre une caractéristique en fréquence de l'augmentation de gain de l'antenne de l'invention pour 12 GHz ayant seize lignes composées chacune de neuf éléments o l'angle d'inclinaison du faisceau est de 28 degrés comme montré en Figure 4. On comprend à partir de là que le gain d'antenne est essentiellement augmenté par l'utilisation des éléments guides d'onde d'une demi- longueur d'onde comme comparé au cas correspondant à O dB o ces éléments ne sont pas utilisés. Dans le dessin, le domaine fléché F est le domaine de fréquence de l'onde électrique à utiliser. L'arrangement des éléments guides d'onde d'une demi- longueur d'onde de la Figure 5 peut être modifié comme montré en Figure 8. Dans le dessin, les éléments guides d'onde d'une demi-longueur d'onde 81 et 82 de chaque autre ligne sont déplacées d'une longueur correspondant 11- à une demi-longueur d'onde. Cette longueur peut être non seulement d'une demi-longueur d'onde mais aussi de n'importe quelle longueur comme un quart ou un dixième de la longueur d'onde. La Figure 9 montre une autre modification dans laquelle les deux éléments guides d'onde sont superposés mutuellement pour former des croix ayant des parties X 83 et des parties Y 84. L'une et l'autre partie a une longueur correspondant à 0,35 fois la longueur d'onde. Il est pratique pour former les lignes conductrices 31 à 38 sur la face avant du substrat 1 de graver une feuille de cuivre déposée sur le substrat. Les dimensions des parties respectives de la manivelle de chaque ligne conductrice sont déterminées comme décrites en Figure 11 du brevet américain mentionné ci-dessus lorsque l'antenne est à grande ouverture, tandis qu'elles sont étendues dans la direction X selon l'angle d'inclinaison du faisceau principal du rayonnement quand l'antenne est de type à diagramme transversal. Les éléments guides d'onde d'une demi-longueur d'onde sont formés de préférence sur un film diélectrique ayant une haute perméabilité d'onde électrique par évaporation de métal ou impression avec une encre électroconductri- ce. La véritable longueur de chaque élément guide d'onde d'une demilongueur d'onde est plutôt plus courte qu'une demi-longueur d'onde de l'onde électrique réelle, puisqu'elle correspond à la longueur convenable pour que le conducteur entre en résonance avec une demi-longueur d'one de l'onde électrique afin d'augmenter le gain d'antenne. Par exemple, il a été trouvé que le gain d'antenne devient maximum quand la longueur de l'élément guide d'onde est d'environ 0,35;A comme montré en Figure 10 o est la longueur d'onde, la distance h des lignes conductrices aux éléments guide d'onde d'une demi- -12- longueur d'onde est de 0,55 et la largeur de chaque élément guide d'onde est de 0,08 A. Tandis que la plaque de polystylrène cellulaire 6 est utilisée dans le mode de réalisation ci-dessus pour garder la distance h, on peut à la place utiliser une plaque en nid d'abeilles faite d'un matériau à faible perte tel que du papier ou de la résine synthétique. Comme montré en Figure 11, le gain d'antenne devient le plus élevé lorsque l'épaisseur h de la plaque est d'environ une demi-longueur d'onde de l'onde électrique et devient également maximum quand elle est un multiple entier de celle-ci. L'onde électrique rayonnée à partir des lignes conductrices en forme de manivelle conduit les éléments guide d'onde d'une demi-longueur d'onde à induire un courant de résonance circulant à travers eux. Comme l'onde est polarisée horizontalement et verticalement, le courant de résonance circule à travers les éléments guide d'onde respectifs de la même manière que dans les parties respectives de la manivelle. Ensuite, le rapport entre la longueur de chaque élément guide d'onde et l'intensité et la phase du courant de résonance circulant à travers est respectivement tel que représenté sur les Figures 12 et 13. Plus particulièrement, tandis que le courant de résonance devient maximum quand la longueur de l'élément guide d'onde correspond à une demi-longueur d'onde (0,5 A) de l'onde électrique, cela ne contribue pas à augmenter le gain d'antenne comme montré en Figure 10 puisque la phase du courant diffère de 90 degrés de la phase de l'onde. Lorsque la longueur de l'élément guide d'onde est au-dessous de 0,3 fois la longueur d'onde. (0,3?i), elle ne contribue pas non plus à augmenter le gain d'antenne puisque le courant circulant à travers est -13- significativement faible, bien que la phase du courant coincide parfois avec la phase d'onde. Quand la longueur de l'élément guide d'onde est d'environ 0,35 fois la longueur d'onde (0,35 A) , elle augmente de façon significative le gain d'antenne comme montré en Figure , puisque le courant de résonance est essentiellement grand et sa phase est presque voisine de la phase de l'onde. Un rang à n-nombre d'éléments d'antenne composé d'une paire de lignes conductrices peut être exprimé comme un circuit série des éléments El, E2,... Ei,... En comme montré en Figure 14, o "i" est n'importe quel entier entre 1 et n. Lorsque tous les éléments d'antenne sont semblables en structure, n'importe quelle description de l'un des éléments Ei est applicable à tous les éléments de l'antenne. Quand la puissance Pi est appliquée à l'élément d'antenne Ei, la puissance Ri est rayonnée de celui-ci et l'énergie résiduelle suivante est transférée à l'élément voisin Ei + 1. Pi - Ri = Pi+l Si l'efficacité de rayonnement de chaque élément d'antenne est K( = Ri/Pi)/l'énergie suivante est laissée par le dernier élément En et absorbée par la résistance terminale R. Pn+l + P1 (1 - K)n Lorsque l'efficacité de rayonnement K de chaque élément d'antenne est mise en abscisse et que l'incrément calculé du gain d'antenne ayant un nombre n d'éléments est mis en ordonnée, on obtient le diagramme illustré par la Figure 15. Bien que l'efficacité de rayonnement de chaque élément d'antenne puisse être augmenté en -14- augmentant la largeur de la feuille de cuivre constituant la ligne conductrice, elle est généralement aussi petite que 10 % à 30 % puisque l'augmentation excessive de la largeur de la feuille affecte la forme de la manivelle. En Figure 15, la marque "x" indique des conditions telles que par elles le gain d'antenne maximum est obtenu. A partir de là on comprend que la condition de gain maximum peut être facilement atteinte si le nombre des éléments n est supérieur à huit (8) même si l'efficacité de rayonnement K de chaque élément d'antenne est dans le domaine général de 10 à 30 %, mais elle ne peut être atteinte sans que l'efficacité de rayonnement K soit au-desus de 30 %, si le nombre des éléments n est au-dessous de six (6). Une telle haute efficacité de rayonnement ne peut être réalisée par des moyens conventionnels. Selon cette invention, cependant, la valeur de K peut être augmentée jusqu'à 50 % en disposant les éléments guide d'onde d'une demi-longueur d'onde en regard des éléments d'antenne. En conséquence, le gain d'antenne peut être augmenté à la valeur maximum même quand le nombre des éléments est quatre (4). Ainsi, il est possible d'augmenter efficacement le gain d'une antenne à ligne microbande en forme de manivelle dont les éléments ont été réduits pour atteindre une petite taille, une bande large et une propriété de diagramme transversal. Les éléments guides d'onde d'une demi-longueur d'onde peuvent supprimer le rayonnement de l'onde électrique de la longueur d'onde indésirable dirigée vers une direction indésirable, puisqu'ils présentent leur fonction d'augmentation du gain d'antenne seulement en fonction d'une onde électrique de longueur d'onde prédéterminée. -15- Bien que la description ci-dessus ait été faite en liaison avec une antenne d'émission, il est évident qu'elle peut être utilisée inversement pour une antenne de réception qui est aussi dans le champ de l'invention. -16- Revendications 1. Antenne plane caractérisée en ce qu'elle comprend: - une antenne à ligne microbande incluant un substrat plat diélectrique (1) et une pluralité de lignes conductrices (31... 38) parallèles, arrangées sur ledit substrat le long d'une première direction (X), chaque dite ligne conductrice ayant un arrangement alterné de segments relativement longs (A) s'étendant le long de ladite première direction (X) et de segments relativement courts (C) s'étendant le long de la seconde direction perpendiculaire à ladite première direction, les deux dits segments étant'séquentiellement connectés pour former un motif conducteur en forme de manivelle (ABC), - un nombre d'éléments guides d'onde d'une demi- longueur d'onde (81 - 82) s'étendant sur un plan parallèle audit substrat, s'étendant respectivement auxdites première et seconde direction et chacun consistant en un conducteur ayant une longueur qui peut résonner avec une demi-longueur d'onde d'une onde électrique à utiliser, - des moyens (6) pour supporter lesdits éléments guides d'onde d'une demi- longueur d'onde en face desdites lignes conductrices à une distance d'environ une demi-longueur d'onde de ladite onde électrique à utiliser ou d'un multiple entier de celle-ci. 2. Antenne plane selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits éléments guides d'onde d'une demi- longueur d'onde sont formés sur un film diélectrique (7), lesdits moyens de support (6) étant constitués d'une plaque de matériau à faible perte, ladite plaque -17- ayant une épaisseur d'environ une demi-longueur d'onde de ladite onde électrique à utiliser ou d'un multiple entier de celle-ci et étant déposée sur le dessus de ladite antenne à ligne microbande, et en ce que ledit film diélectrique (7) ayant lesdits éléments guides d'onde d'une demi-longueur d'onde est déposé sur le dessus de ladite plaque (6). 3. Antenne plane selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite plaque de matériau à faible perte (6) est une plaque de résine cellulaire. 4. Antenne plane selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite plaque de matériau à faible perte (6) est composée d'une structure en nid d'abeilles.