Brevet FR2661782A1 — publié le 19911108

La présente invention concerne des antennes pour transmet- tre ou recevoir des ondes électromagnètiques et, plus spéciale- ment, concerne des antennes réseaux de dipôles ayant une pluralité d' unités d' antennes symétriquement disposées pour des performances améliorées. Les antennes micro-ondes sont largement utilisées dans les communications, la radioastronomie, la radiotélémétrie, les radars, etc Il a aussi été largement proposé et expérimenté l'utilisation des ondes électromagnétiques pour des transmissions d'énergie entre deux endroits séparés sans utiliser de connexions électriques Il y a un besoin de moyen efficace en fonction du prix de revient pour la réception et la conversion de la puissance électromagnétique pour diriger de la puissance conve- nant plus pour déplacer des plates-formes sur lesquelles le système de réception/conversion est situé Une antenne redresseu- se est couramment appelée une "rectenne" et comprend des éléments d' antennes et des redresseurs directement reliés à elles pour produire un courant de sortie continu Un exemple d'applica- tion de rectenne dans laquelle ce besoin se sent est la fourniture de 30 k W ou plus de la puissance de charge utile propulsive et de communications pour des avions légers à alimentation électri- que En fonctionnement, ces avions feraient des cercles sur des systèmes d'antennes fixes au sol transmettant de la puissance dans la bande ISM d'ondes électromagnétiques de 2,4 à 2,5 G Hz pendant des périodes continues de semaines ou de mois ensembles et des signaux de communication relais entre des endroits séparés. Il y a évidemment beaucoup d'autres applications dans lesquelles l'alimentation en énergie de station située à distance est désirée sous la forme d'ondes électromagnétiques, éliminant ainsi le besoin de connexions physiques, comme les fils, les tuyaux, et permettant à la station d'être mobile Il est aussi avantageux de prévoir des antennes qui peuvent fonctionner également bien pour des micro-ondes de diverses polarisations. Une application des réseaux d'antennes à des fréquences élevées et de microondes est leur usage en représentant des réseaux ou l'information concernant la puissance électromagnéti- que incidente sur chaque élément discret d'un réseau est désira- ble. Dans la demande de brevet américain No 07/124,159, déposée le 23/11/87, il est décrit un système de réception et de conversion de puissance à double polarisation Ce dispositif consiste en deux réseaux orthogonaux de rectennes en film mince à polarisation linéaire de format spécifique et des écarts entre éléments Cette antenne a prouvé être très efficace et avoir une gamme large d'angles de réception Cependant elle a certains inconvénients au point de vue de sa fabrication, de son accessi- bilité pour des tests et des réparations, et des possibilités de traiter la puissance. Le système de l'état de la technique consiste en deux couches diélectriques, chaque plaque métallique des deux côtés, au voisinage l'une de l'autre, bien qu'isolées électriquement. Cela demande une structure en circuits imprimés multicouches avec ses difficultés de mise en oeuvre et son coût De plus, l'épaisseur des redresseurs à diodes utilisés et la nécessité d'accéder à eux impliquent la coupure partielle d'une couche diélectrique, ce qui représente une procédure difficile avec les couches souples fines utilisées. Troisièmement, la possibilité de traiter la puissance de ce système de l'état de la technique est limitée à une unité de redressement pour chaque polarisation avec dissipation de puis- sance limitée au refroidissement par rayonnement et par convec- tion des prévisions exposées uniquement Le traitement de la puissance est aussi limité par la nécessité d'écarts entre les antennes d'au moins une demi-longueur d'onde, en espace libre. Cette limitation de densité de l'élément est due aux conditions pour les dipôles demi-onde résonnants et de l'isolation entre le filtre de sortie d'un élément et l'antenne de l'unité voisine. La demande canadienne N O 587 182 du 28 décembre 1988 décrit une variante du système de réception et de conversion de puissance Ce projet élimine les problèmes de fabrication, d'ins- tallation et de traitement de puissance discutés ci-dessus mais est encore limité dans son traitement de puissance par la condition que les antennes à pastilles carrées soient de dimen- sions résonantes, approximativement d'une demi-longueur d'onde dans le diélectrique utilisé Ce critère limite le nombre d'élé- ments qui peuvent être accommodés dans toute zone donnée et donc la possibilité de traitement de puissance du réseau Il y a quelques références intéressantes Ainsi "New Techniques for Combining Solid State Circuits" par Stalman dans IEEE Journal Solid State Circuits, Vol sc-3, sept 1968, pp 238-243 discute séparément les antennes de dipôles distantes et "Field Theory of Guided Waves" par Collin, McGraw-Hill, New York, 1960, p 271, analyse les réactances des antennes dans des réseaux. Comme on va le discuter en détail ci-dessous, les défauts mentionnés cidessus des rectennes et des antennes de l'état de la technique sont réduits de manière significative avec la présente invention En bref, la présente invention consiste en une antenne réseau de dipôle doublement polarisée pour la réception ou la transmission de puissance par ondes électromagné- tiques L'antenne comporte une pluralité d'unités d'antenne sensi- blement identiques arrangées symétriquement Chaque unité d'antenne comprend un élément d'antenne dipôle et a deux lignes d'alimentation identiques reliées symétriquement à l'élément dipôle Chaque ligne d'alimentation comporte des filtres d'ondes et un terminal pour une alimentation ou une charge d'antenne. Les unités d'antenne sont situées sur une seule couche diélectri- que avec un élément d'antenne dipôle et des lignes de trans- mission reliées symétriquement dans deux directions pour per- mettre la réception ou la transmission de puissance à polarisa- tion double, un retrait de puissance à courant continu et un traitement élevé de puissance Un plan réflecteur est aussi prévu de l'autre côté de la couche diélectrique à une distance prédéter- minée des unités d'antenne. Un objet de la présente invention consiste à prévoir une antenne réseau de dipôles qui soit facile à fabriquer. Un autre objet de la présente invention consiste à prévoir une antenne réseau à dipôles qui ait des caractéristiques meilleu- res de possibilité de traitement de puissance. Un autre objet de la présente invention consiste encore à prévoir une antenne réseau de dipôles ayant une large gamme d'angles de réceptionpour permettre un mouvement relatif entre les systèmes de réception et de transmission. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présen- te invention apparaîtront dans le description suivante faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: la Fig 1 est une vue en plan d'une unité d'antenne ayant deux lignes d'alimentation identiques reliées aux terminaux d'un élément d' antenne dipôle, la Fig 2 est une vue en plan d'une partie de sous-réseau de l'antenne montrant six unités d'antenne arrangées symétrique- ment orientées dans la direction x pour recueillir une polarisa- tion de l'onde, et la Fig 3 est une vue en plan d'une partie d'un réseau complet montrant l'interconnexion entre les éléments d'antenne et les lignes de transmission. Il faut noter que bien que la description suivante traite principalement de l'élément d'antenne dipôle carré dans un réseau carré, il serait évident que l'homme de métier verrait et construirait des antennes réseaux ayant un haut degré de symétrie mais non dans un format carré. la Fig 1 montre une seule unité d'antenne 1 suivant la présente invention qui est placée pour intercepter une partie d'un faisceau électromagnétique transmis dans une direction z perpendiculaire au plan x, y de l'unité L'antenne de transmis- sion éloignée émet des ondes doublement polarisées, c'est-à-dire des ondes de deux polarisations orthogonales, qui pourraient être inégales en amplitude et en phase Ces deux composantes de champ orthogonales du faisceau incident peuvent être résolues en composantes alignées dans chacune des deux directions x et y, x étant parallèle à l'élément dipôle à la Fig 1 qui est ainsi capable de recevoir sélectivement la composante du champ trans- mise dans la direction x Une unité d'antenne comprend un élément d'antenne dipôle 2 de dimension I avec deux lignes d' alimentation identique 3 et 5 symétriques fixées à l'élément dipôle, I étant sensiblement la longueur d'onde A/2 ou h/4, etc. Chacune de ces lignes d'alimentation comprend des filtres 7 et 9, et un redresseur à diode Il et 13 La Fig 1 montre aussi la polarité de la tension continue développée par les lignes de transmission et les condensateurs de dérivation 15 et 17. La Fig 2 montre une vue en plan d'une partie d'un sous-réseau de l'antenne comprenant un réseau de six unités d'antenne de la Fig 1 Il faut noter que les dipôles colinéaires dans la direction x sont contiguës, avec aucun écart entre des éléments dipôles adjacents, comme 21 et 23 Cette construction permet la réduction de la dimension 1 de l'unité d'antenne pour des valeurs petites par rapport à une longueur d'onde sans la grande augmentation de la réactance trouvée avec des dipôles distants séparément avec une petite dimension qui est décrite dans l'article déjà mentionné de Staiman Cette augmentation concomitante de réactance d' antenne avec une réduction de dimen- sion évite l'utilisation d'antennes dipôles séparées avec des densités élevées d'enregistrement puisque cette grande réactance ne peut pas être accordée sur la terminaison de réflecteur de la ligne de transmission d'appel de l'unité, comme c'est le cas pour des petites réactances d'antenne analysée dans la référence mentionnée plus haut de Collin. Des redresseurs à diode des unités d'antennes voisines sont reliées en polarité opposée aux lignes d'alimentation, comme le montre la Fig 2 Cette caractéristique est importante comme on va l'expliquer ci-dessous en relation avec la Fig 3. La Fig 3 montre une vue en plan d'une partie d'un réseau complet avec les unités d'antenne recueillant les composan- tes polarisées en x et en y de l'onde qui arrive, combinées sur le même plan Contrairement au réseau d'antenne décrit dans la demande voisine, on voit que le filtre de sortie de chaque unité rectennne est isolé de l'élément d'antenne suivant la distance de la ligne de transmission de h/4 entre le filtre de sortie et le dipôle suivant n'est pas nécessaire Cela permet à la ligne de transmission et aux éléments du réseau d'être réduits d'un même degré que l'élément d'antenne qui entraîne des densités élevées d'enregistrement Il faut aussi noter qu'un plan réflecteur, non montré dans les Figs, est prévu de l'autre côté de la couche diélectrique à une distance prédéterminée des unités d'antennes, la distance étant sensiblement)/4, mais réglable pour compenser l'effet de la réactance d'antenne et des lignes d'alimentation pour un fonctionnement optimal. La réception de la puissance continue aux bords de chaque unité d'antenne est permise par la connexion d'un fil de bus continu 31 en diagonale sur chaque jonction de condensateurs de dérivation, comme le montre le Fig 3. Etant donné la nature très commerciale des antennes et des lignes de transmission, le problème de la transmission de puis- sance à un grand réseau, ayant la forme de la Fig 3, peut être remplacé par un modèle de réseau d'une ligne de transmis- sion de cellule d'unité Le même traitement est dans la demande de brevet US No 07/124,159 pour mz=O Le problème peut alors être résolu par des techniques de circuit standard Cette appro- che de réseau de cellule d'unité est applicable à tout angle spécifique de l'incidence du faisceau ainsi qu'au faisceau norma- lement incident, et peut être utilisé pour limiter des variations dans l'efficacité de réception quand la gamme de l'incidence du faisceau ne peut pas être soigneusement limitée. De plus, une fois que le système à double polarisation est formulé en termes de réseau, suivant la configuration de la présente invention, l'effet de changements ou de modifications au système peut être quantifié ou compensé suivant le modèle de réseau mentionné ci-dessus Par exemple, un radome diélectrique peut être placé directement au-dessus du plan d'antenne pour la protection de l'environnement du système entraînant des change- ments de longueur d'onde et d'impédance caractéristique dans une petite région de la cellule au-dessus du réseau d'antennes. Avec la configuration de la Fig 3, les dimensions de chaque unité de rectenne peuvent être réduites d'une petite fraction de longueur d'onde Cette densité élevée d'enregistrement permet pour une augmentation dans le traitement de puissance par zone d'unité par rapport aux rectennes de l'état de la technique si les mêmes redresseurs à diode de haute puissance sont utilisés pour chaque unité de rectenne Inversement, les possibilités similaires de traitement de puissance des systèmes antérieurs peuvent être obtenues en utilisant des diodes à basse puissance et à bas prix de revient à la place des dispositifs haute puissance chers nécessaires pour avoir des densités de puissances désirables avec des rectennes de l'art antérieur. Avec toutes les -sources de dissipation de puissance, deux diodes par polarisation par unité de rectenne, situées sur un seul plan, le retrait de chaleur est considérablement amélioré par rapport aux systèmes de rectennes multicouches. Il faut noter que la construction à un seul plan de cette invention n'est pas limitée à des dipôles contiguës mais s'appli- que aussi au cas plus courant de dipôles séparés. Il faut aussi noter que bien que le traitement ci-dessus ait considéré uniquement des réseaux planaires, l'analyse est aussi applicable à des réseaux non planaires ayant une symétrie rotationnelle Des exemples de ces surfaces sont des réseaux d'antennes sur le fuselage cylindrique d'un avion ou d'un missile, en entier ou en partie, et que les réseaux cylindriques de rectennes prés du foyer d'un concentrateur de puissance micro- ondes. REVEND ICAT IONS 1 Antenne réseau à dipôles à polarisation double pour la réception ou la transmission de puissance en ondes électromagnéti- ques caractérisée en ce qu'elle comprend: une pluralité d'unités d'antennes ( 1) sensiblement identi- ques disposées symétriquement dans un réseau à deux directions, chacune desdites unités d'antennes comprenant un élément dipôle ( 2) avec deux lignes d'alimentation ( 3,5) symétriquement reliées à l'élément dipôle, chacune desdites lignes d'alimentation ( 3,5) comprenant des filtres ( 7, 9) d'onde sensiblement identiques, et une borne pour une alimentation d'antenne ou une charge, une couche diélectrique, sur un côté de laquelle ladite pluralité d'unités d'antennes identiques est disposée symétrique- ment dans ledit réseau en reliant en courant continu les lignes d'alimentation appropriées aux unités d'antennes adjacentes, et un réflecteur plan de l' autre côté de ladite couche diélectrique et situé à une distance prédéterminée des unités d'antennes. 2 Antenne réseau suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ladite pluralité d'unités d'antennes ( 1) identiques est disposée symétriquement dans un réseau carré dans lesdites deux directions. 3 Antenne réseau suivant la revendication 2, caractérisée en ce que chaque unité d'antenne comporte son élément dipôle ( 2) contigu à l'élément dipôle de l'unité d'antenne adjacente dans ladite direction. 4 Antenne dipôle suivant la revendication 2, caractérisée en ce que ladite distance prédéterminée entre le plan réflecteur et lesdites unités d'antennes ( 1) est réglable pour compenser l'effet de réactance d'antenne et les lignes d'alimentation ( 3,5) pour une réception ou une transmission optimales. Antenne réseau suivant la revendication 3, caractérisée en ce que ladite couche et ledit réflecteur sont courbes.