Brevet FR2652204A1 — publié le 19910322

La présente invention a pour objet une antenne plane de réception, et/ou d'émission, comportant une pluralité de pastilles rayonnantes pour ondes haute fréquence à polarisation circulaire, les dites pastilles rayonnantes étant dimentionnées et adaptées à une fréquence préférentielle parmi une bande de fréquences possibles, chaque pastille comportant sur sa périphérie quatre points (N., S, E, O) situés comme les points cardinaux, les dites ondes à polarisation circulaires étant équivalentes à deux ondes orthogonales (OH et OV) pola- risées linéairement, de même amplitude, en quadrature de pha- se, et dont les signaux hyperfréquence sont présents sur cha- que pastille respectivement soit en N et/ou S, soit en E et/ou 0, les dites pastilles rayonnantes étant disposées selon un parallélogramme et étant, ou non, reliées entre elles par une pluralité de lignes de propagation dans lesquelles les dits signaux hyperfréquence de la dite fréquence préférentielle se propagent avec une longueur d'onde guidée égale à 'À'. Une telle antenne est notamment destinée pour la réception de la télévision par satellite de forte puissance comme TDF1, TDF2, TVSAT.... Une antenne de ce type est décrite dans la demande de brevet PCT publiée sous le numéro Wo 89/02662; cette an- tenne connue comporte des lignes de propagation et un mode de connexion qui ne permet pas la réception simultanée des ondes à polarisation droite et gauche. En outre, l'obtention d'un gain satisfaisant se heurte à des difficultés d'implémentation des lignes de propagation et des connexions de sortie. La présente invention a pour but de supprimer ces inconvénients. Un antenne conforme à la présente invention est particulièrement remarquable en ce que la dite pluralité de lignes comporte: - un premier ensemble de lignes horizontales reliant un à un les points E et O situés en vis à vis les uns des autres, chaque ligne ayant une longueur égale à A/2 + iA avec i = 0, 1, 2,... - un deuxième ensemble de lignes verticales reliant un à un les points N et S situés en vis à vis les uns des autres, chaque ligne ayant une longueur égale à. A/2 + jA avec j = 0, 1, 2,... - un troisième ensemble de lignes reliant un à un en série les points 0 (ou E) situés sur un même côté du parallélogramme, chaque ligne ayant une longueur égale (ou équivalente) à A + kA avec k = 0, 1, 2,... pour sommer en un unique point H les énergies additionnées par le dit premier ensemble, le point H étant situé à proximité d'un des coins du parallélogramme, - un quatrième ensemble de lignes reliant un à un en série les points N (ou S) situés sur un même côté du parallélogramme, chaque ligne ayant une longueur égale (ou équivalente) à A + lA avec 1 = 0, 1, 2,... pour sommer en un unique point V les énergies additionnées par le dit deuxième ensemble, le dit point V étant choisi à proximité du même coin du parallélogramme que le dit point H, - et une ligne unique reliant les deux dits points H et V et passant par deux points de connexion D et G positionnés pour que: GH - GV = A/4 + mA/2 = DV - DH avec m = 0, 1, 2,... de telle sorte que le signal d'une onde à polarisation circu- laire droite est totalement présent au point D, et que le si- gnal d'une onde à polarisation circulaire gauche est totale- ment présent au point G. Ainsi avec un choix judicieux des lignes de propa- gation et de leur longueur, une antenne plane particulièrement simple à réaliser est obtenue. Il n'y a aucune restriction quant à la forme des lignes, des pastilles et du parallélo- gramme. Préférentiellement, une antenne plane est telle que: - le dit parallélogramme est un carré comportant 4 pastilles rayonnantes, - chaque pastille est un carré disposé de telle sorte que ses côtés soient parallèles à ceux du parallélogramme, - les lignes des dits premier et deuxième ensembles sont des lignes droites de longueur A/2 (i = i = "0'), - les autres dites lignes de propagation ont des longueurs telles que: k = 1 = m = "0", pour ainsi constituer une cellule rayonnante élémentaire uti- lisable pour onde(s) à polarisation circulaire droite et/ou gauche selon que le(s) point(s) de connexion D et/ou G est (sont) connecté(s) ou non. Une telle cellule rayonnante élémentaire constitue un mode préféré de réalisation compte-tenu de la surface mini- muni qu'elle utilise pour un gain maximum. Afin d'augmenter le gain, avantageusement l'anten- ne comporte un groupe de deux dites cellules rayonnantes élé- mentaires utilisées pour une seule et même polarisation circu- laire, les deux cellules rayonnantes étant géométriquement tournées de 90" l'une par rapport à l'autre, et physiquement disposées de telle sorte que leurs points de connexion soient en vis à vis l'un par rapport à l'autre pour être reliés à une sortie commune par deux lignes de propagation dont la différence de longueur est égale à À/4. Ainsi le gain est augmenté et la pureté de polari- sation est améliorée. Pour augmenter encore le gain, une antenne compor- te un sous-ensemble constitué de deux dits groupes tournés géométriquement de 1800 et dont les deux sorties communes sont reliées chacune, par une ligne de propagation de longueur >/2, à un unique accès. Du fait de cette disposition, la composante croi- sée des pastilles rayonnantes est considérablement atténuée. Enfin il est encore possible de réaliser une antenne qui comporte un ensemble constitué de quatre dits sous-ensembles alimentés deux à deux en opposition de phase. Ainsi le rayonnement des lignes de propagation est atténué tout en augmentant encore le gain jusqu'à l'obtention d'une antenne de dimensions admissibles pour être commercialisée dans le grand public. En effet une telle antenne plane est avantageuse- ment réalisée en technique micro-ruban comportant trois cou- ches, à savoir: - une couche conductrice constituant la face rayonnante réali- sée soit par gravure d'un feuillard de cuivre, soit par séri- graphie à l'encre conductrice, - une couche de substrat diélectrique dont l'épaisseur est relative à la bande de fréquence choisie, - un plan de masse dont l'épaisseur est suffisante pour la ri- gidité mécanique et la fixation de l'antenne. La présente invention sera mieux comprise à l'aide d'exemples, non limitatifs, de réalisation illustrés par les dessins suivants: - la figure 1 représente une antenne selon l'invention, - les figures 2a, 2b, 2c, 2d représentent des variantes d'an- tenne comportant 4 pastilles rayonnantes, - la figure 3 représente une antenne à 8 pastilles pour pola- risation droite, - la figure 4 représente une antenne à 16 pastilles pour pola- risation droite, - la figure 5 représente une antenne à 64 pastilles pour pola- risation droite, - la figure 6 représente une antenne à 64 pastilles pour pola- risation gauche, - les figures 7 et 8 représentent une antenne à 256 pastilles. Toutes les figures décrites ci-après ne représen- tent que le plan de la surface rayonnante et des lignes de propagation de la couche conductrice; les autres couches et la technique de connexion vers les modules de traitement du signal sont standard; il est seulement à noter que l'adapta- tion de la dimension des pastilles et de la longueur des li- gnes de propagation dépend des caractéristiques électriques OS des différentes couches, notamment de la couche diélectrique: constante diélectrique, tangente de pertes,... De ce fait, la longueur de l'onde guidée dans le micro-ruban, appelée 'A" dans la suite, ne peut pas être di- rectement indiquée en fonction de la longueur d'onde dans l'air de la fréquence préférentielle. Sur toutes ces figures, les éléments ayant la même fonction sont repérés de manière identique. Sur la figure 1, un parallélogramme (PPR) composé de pastilles rayonnantes (PR) est représenté en pointillé; les pastilles sont reliées par des lignes de propagation LV, LH,...ce qui constitue une antenne de dimension indéterminée; le parallélogramme n'est pas nécessairement rectangle, et ses côtés peuvent être inégaux tant en nombre de pastilles qu'en dimensions des lignes, les lignes elles-mêmes ne sont pas né- cessairement des lignes droites. Cette antenne générale est agencée pour recevoir (et/ou émettre) des ondes haute fréquence à polarisation cir- culaire. Une onde à polarisation circulaire est équivalentes à deux ondes orthogonales à polarisation linéaire. Chaque pastille (PR) comporte 4 points cardinaux (N, S, E, 0) o apparaissent ces différentes ondes. Avec un premier ensemble de lignes horizontales (LH), les points E et 0 en vis à vis l'un de l'autre sur deux pastilles voisines sont reliés et un signal est alors présent au bout de chaque ligne, par exemple aux points H1, H2,.... Pour que les signaux soient en phase, il est indispensable que chaque ligne (LH) ait une longueur, entre deux pastilles, éga- le à A/2 + iA avec i = 0, 1, 2,.... Le choix de "i" et l'éventuelle sinuosité des lignes (LH) conditionne la dimen- sion du parallélogramme. Similairement, avec un deuxième ensemble de lignes verticales (LV), les points N et S en vis à vis l'un de l'au- tre sur deux pastilles voisines sont reliés et un signal est alors présent au bout de chaque ligne, par exemple aux points Vl, V2,.... Chaque ligne (LV) a une longueur égale à À/2 + jA avec j = 0, 1, 2,... "j" n'est pas nécessairement égal à ni" Avec un troisième ensemble de lignes brisées LSH, les points H1, H2,... sont reliés un à un en série; sur la figure 1, les points H1, H2,... sont situés au même endroit que les points 0 des pastilles situées sur le côté du parallélogramme; chaque ligne LSH a une longueur égale à X + KX avec k = 0, 1, 2,.... Les lignes LSH ont pour but de rassembler en un seul point, le point H sur la figure 1, les signaux présents au bout des lignes LEH. Similairement, avec un quatrième ensemble de li- gnes brisées LSV, les signaux présents au bout des lignes LV sont rassemblés au point V. Chaque ligne LSV a une longueur égale à X + l1 avec 1 = O, 1, 2,.... Les points H et V sont avantageusement choisis dans un même coin du parallélogramme de telle sorte qu'une ligne unique (HDGV) les relie en passant par deux points de connexion D et G positionnés pour que: GH - GV = À/4 + m A/2 = DV - DH avecm = 0, 1, 2,... Ainsi, à la réception, une onde à polarisation circulaire droite est présente au point D, et une onde à pola- risation circulaire gauche est présente au point G. La con- nexion des modules de traitement standard du signal s'effectue entre le plan de masse et soit le point D, soit le point G, soit les deux simultanément. Il en est clairement de même à l'émission pour émettre des ondes droite, gauche ou les deux. Dans tous les cas, la connexion est permanente et ne nécessite pas d'être modifiée ou coupée même momentanément. Les figures 2a, 2b, 2c, 2d représentent des variantes de l'antenne de la figure 1. Pour simplifier la représentation, chaque variante ne comporte que quatre pastilles rayonnantes et les lignes de propagation sont représentées en prenant les valeurs minimales, c'est-à-dire: i = j = k = 1 = m = 0, mais ces valeurs ne sont clairement pas limitatives. La figure 2a est pratiquement similaire à la figu- re 1 avec seulement quatre pastilles. La figure 2b ne se différencie que par la disposi- tion des pastilles carrées. De ce fait, les points N, S, E, O ne sont plus au milieu des côtés mais dans les angles, toute- fois, dans tous les cas, les points N, S, E, 0 sont situés sur la périphérie comme les points cardinaux. Sur la figure 2c, les pastilles rayonnantes sont rondes et le reste est inchangé. Sur la figure 2d, une variante des lignes LSH et LSV a été introduite par rapport à la figure 2a, de ce fait les points H et V ne sont plus respectivement confondus avec les points 0 et S de la pastille de coin; cette disposition peut-être avantageuse pour 'aérer' la gravure des lignes de propagation. Il est clair que, pour respecter les longueurs des lignes des troisième et quatrième ensembles il faut ici que: HH1 - HHo = A= VV - WVVO, etc... L'antenne représentée par la figure 2a constitue un mode de réalisation préférentiel à partir duquel les anten- nes des figures suivantes sont réalisées mais ceci n'est pas une limitation, l'antenne 2a est appellée cellule rayonnante élémentaire. L'antenne de la figure 3 comporte deux cellules rayonnantes élémentaires pour augmenter le gain et la surface rayonnante. Les points de connexion respectifs D1 et D2 sont reliés à une sortie commune SC par des lignes de propagation de longueurs telles que: SC/Dl - SC/D2 = À/4 pour tenir compte du fait que les deux cellules sont géométri- quement tournées de 90 l'une par rapport à l'autre. Il est en effet avantageux de disposer les deux cellules rayonnantes élémentaires de telle sorte que les points D1 et D2 sont aussi proches que possibles pour éviter des lignes de propagation trop longues, et pour améliorer la pureté de polarisation sur l'unique sortie SC. L'antenne de la figure 4 comporte deux groupes, tels que celui de la figure 3, tournés géométriquement de 180 et dont les sorties communes SC1 et SC2 sont reliées par une ligne de propagation de longueur À/2 pour n'avoir qu'un seul accès, ici SC2 tel que représenté. Cette agencement de l'an- tenne permet d'atténuer la composante croisée des pastilles rayonnantes tout en augmentant le gain. L'antenne de la figure 5 comporte 4 sous-ensem- bles, tels que celui de la figure 4, dont les accès uniques respectifs AC1, AC2, AC3, AC4 sont alimentés deux à deux en opposition de phase au moyen de lignes de propagation agencées pour permettre la connexion de l'antenne par un point NEX. L'antenne de la figure 5 est convenable pour une onde à polarisation droite puisque chaque cellule rayonnante élémentaire est connectée par son point D. L'antenne de la figure 6 lui est tout à fait simi- laire, mais cette fois, convenable pour une onde gauche puis- que seuls les points G sont connectés. L'antenne de la figure 7 comporte quatre éléments tels que représentés à la figure 5, l'unique sortie (US) se trouve-au centre de l'antenne. L'antenne de la figure 8 est construite similaire- ment à partir de la figure 6. Telles que représentées, les antennes 7 et 8 com- portent 16x16=256 pastilles rayonnantes reliées à la sortie (US) par les lignes de propagation décrites. A titre d'exemple numérique non limitatif, des es- sais ont montré que l'antenne 7 est convenable pour le satel- lite TDF1; ce satellite émet à la fréquence de 12GHz ce qui correspond à une longueur d'onde dans l'air de 25 mm; avec une antenne dont le substrat a une épaisseur de 1,6 mm et une constante diélectrique relative à l'air de 2,2, les lignes de propagation sont dimentionnées pour une dite longueur d'onde guidée 'A' de l'ordre de 19 mm et les pastilles carrées ont sensiblement 8 mm de côté; il en résulte une antenne plane carrée de sensiblement 300 mm de côté. La qualité d'image obtenue avec une antenne est souvent estimée numériquement par le rapport C/N (porteuse/bruit ou carrier/noise) mesuré à la sortie du convertisseur de fréquence associé à l'antenne, l'antenne décrite étant pointée au mieux vers le satellite TDF1, c'est-à-dire face à lui, et étant associée à un convertisseur de fréquence de facteur de bruit 1,6 dB, un rapport C/N voisin de 15 dB peut être obtenu au centre de la France par temps clair. REVENDICATIONS 1. Antenne plane de réception, et/ou d'émission, com- portant une pluralité de pastilles rayonnantes (PPR) pour on- des haute fréquence à polarisation circulaire, les dites pas- tilles rayonnantes étant dimentionnées et adaptées à une fréquence préférentielle parmi une bande de fréquences possibles, chaque pastille comportant sur sa périphérie quatre points (N S, E, O) situés comme les points cardinaux, les dites ondes à polarisation circulaires étant équivalentes à deux ondes orthogonales (OH et OV) polarisées linéairement, de même amplitude, en quadrature de phase, et dont les signaux hyperfréquence sont présents sur chaque pastille respective- ment soit en N et/ou S, soit en E et/ou O, les dites pastilles rayonnantes étant disposées selon un parallélogramme et étant, ou non, reliées entre elles par une pluralité de lignes de propagation dans lesquelles les dits signaux hyperfréquence de la dite fréquence préférentielle se propagent avec une longueur d'onde guidée égale à "A", caractérisée en ce que la dite pluralité de lignes comporte: - un premier ensemble de lignes horizontales (LH) reliant un à un les points E et O situés en vis à vis les uns des autres, chaque ligne ayant une longueur égale à A/2 + iX avec i = 0, 1, 2,... - un deuxième ensemble de lignes verticales (LV) reliant un à un les points N et S situés en vis à vis les uns des autres, chaque ligne ayant une longueur égale à A/2 + jÀ avec j = O, 1, 2,... - un troisième ensemble de lignes (LSH) reliant un à un en série les points O (ou E) situés sur un même côté du paral- lélogramme, chaque ligne ayant une longueur égale (ou équiva- lente) à A + kA avec k = O, 1, 2,... pour sommer en un unique point (H) les énergies additionnées par le dit premier ensemble (LH), le point (H) étant situé à proximité d'un des coins du parallélogramme, - un quatrième ensemble de lignes (LSV) reliant un à un en série les points N (ou S) situés sur un même côté du parallélogramme, chaque ligne ayant une longueur égale (ou équivalente) à À + 1À avec 1 = 0, 1, 2,... pour sommer en un unique point (V) les énergies additionnées par le dit deuxième ensemble (LV), le dit point (V) étant choisi à proximité du même coin du parallélogramme que le dit point (H), - et une ligne unique (HDGV) reliant les deux dits points H et V et passant par deux points de connexion D et G positionnés pour que: GH - GV = A/4 + mA/2 = DV - DH avec m = 0, 1, 2,... de telle sorte que le signal d'une onde à polarisation circu- laire droite est totalement présent au point D, et que le signal d'une onde à polarisation circulaire gauche est totalement présent au point G. 2. Antenne plane selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que: - le dit parallélogramme est un carré comportant 4 pastilles rayonnantes, - chaque pastille est un carré disposé de telle sorte que ses côtés soient parallèles à ceux du parallélogramme, - les lignes des dits premier et deuxième ensembles sont des lignes droites de longueur À/2 (i = j = "0), - les autres dites lignes de propagation ont des longueurs telles que: k = 1 = m = "0", pour ainsi constituer une cellule rayonnante élémentaire uti- lisable pour onde(s) à polarisation circulaire droite et/ou gauche selon que le(s) point(s) de connexion D et/ou G est (sont) connecté(s) ou non. 3. Antenne plane selon la revendication 2, caractéri- sée en ce qu'elle comporte un groupe de deux dites cellules rayonnantes élémentaires utilisées pour une seule et même po- larisation circulaire, les deux cellules rayonnantes étant géométriquement tournées de 90 l'une par rapport à l'autre, et physiquement disposées de telle sorte que leurs points de connexion soient en vis à vis l'un de l'autre pour être reliés à une sortie commune (SC) par deux lignes de propagation dont la différence de longueur est égale à A/4. 4. Antenne plane selon la revendication 3, caractéri- sée en ce qu'elle comporte un sous-ensemble constitué de deux dits groupes tournés géométriquement de 180 et dont les deux sorties communes sont reliées chacune par une ligne de propa- gation de longueur A/2 à un unique accès. 5. Antenne plane selon la revendication 4, caractéri- sée en ce qu'elle comporte un ensemble constitué de quatre dits sousensembles alimentés deux à deux en opposition de phase. 6. Antenne plane caractérisée en ce qu'elle comporte 4 ensembles selon la revendication 5. 7. Antenne plane selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisée en ce qu'elle est réalisée en technique micro-ruban comportant trois couches, à savoir: - une couche conductrice constituant la face rayonnante réali- sée soit par gravure d'un feuillard de cuivre, soit par séri- graphie à l'encre conductrice, - une couche de substrat diélectrique dont l'épaisseur est re- lative à la bande de fréquence choisie, - un plan de masse dont l'épaisseur est suffisante pour la ri- gidité mécanique et la fixation de l'antenne. 8. Antenne plane selon la revendication 7, adaptée à une fréquence d'émission de 12 GHz, caractérisée en ce que - le dit substrat a une épaisseur de 1,6 mm et une constante diélectrique de 2,2, - les lignes de propagation sont dimentionnées pour une dite A' de l'ordre de 19 mm, - les pastilles carrées ont sensiblement 8 mm de côté.