Brevet FR2671234A1 — publié le 19920703

ANTENNE IYPERFREQUENCE DE TYPE PAVE La présente invention se rapporte aux antennes hyperfréquences de type pavé. Les antennes imprimées sur un substrat diélectrique, dites de type "pavé" ("Patch" en terminologie anglo-saxonne), sont couramment utilisées dans le domaine des hyperfréquences. Une double excitation de ces pavés au moyen de deux entrées distinctes permet d'émettre deux types de rayonnement différents avec le même élément rayonnant Généralement, les signaux envoyés sur les deux entrées génèrent chacun un rayonnement à polarisation linéaire, les deux polarisations produites étant orthogonales entre elles (par exemple l'une verticale et l'autre horizontale) Une répartition appropriée des amplitudes et phases de ces deux signaux permet également d'obtenir un rayonnement en polarisation circulaire. L'isolation en hyperfréquences des deux entrées dépend essentiellement de la forme géométrique du pavé (conducteur métallique imprimé) auquel ces entrées sont reliées (reliées galvaniquement ou par couplage). Dans le cas des antennes réseau à balayage électronique, il est difficile d'alimenter les éléments rayonnants du réseau lorsque ces éléments possèdent chacun deux entrées Il faut en effet utiliser une double distribution d'énergie hyperfréquence On peut aussi commuter le type de rayonnement de ces antennes Il est alors nécessaire d'alimenter chaque élément rayonnant à travers un commutateur à une entrée et deux sorties, ces sorties étant reliées aux entrées de l'élément rayonnant Suivant l'état d'un signal de commande électrique et le type de commutateur utilisé, le rayonnement obtenu peut être soit à polarisation linéaire (horizontale ou verticale), soit à polarisation circulaire (gauche ou droite). Dans le cas des antennes réseau à balayage électronique, les dimensions extérieures des éléments rayonnants utilisés doivent être inférieures à celles de la maille du réseau Cette contrainte impose une attaque transversale des5 éléments rayonnants, ce qui permet de limiter leur encombrement On utilise à cet effet des lignes coaxiales dont les conducteurs centraux sont reliés électriquement au pavé métallique Les deux entrées de l'élément rayonnant ne sont donc pas isolées entre elles en courant continu.10 Les commutateurs connus permettant de passer d'un rayonnement à polarisation linéaire à un rayonnement à polarisation circulaire, et réciproquement, comportent une ou plusieurs diodes connectées directement entre les deux sorties de ces commutateurs Ces commutateurs ne peuvent fonctionner15 qu'à condition que leurs deux sorties soient mutuellement isolées en courant continu Cette condition n'est pas remplie lorsque ces sorties sont reliées aux deux entrées d'une antenne pavé de l'art antérieur. Une solution connue, simple, plus coûteuse, consiste à insérer un condensateur en série entre une des sorties du commutateur et une des entrées de l'élément rayonnant Ce condensateur, qui permet l'isolation en courant continu, doit présenter une impédance négligeable en hyperfréquences. Les éléments rayonnants connus de type "pavé" à double polarisation comportent deux entrées connectées directement à un unique conducteur métallique gravé sur un substrat diélectrique Ce conducteur, appelé "pavé source", est généralement de forme carrée ou circulaire, afin de permettre un rayonnement identique selon les deux polarisations Pour élargir30 la bande de fonctionnement des éléments rayonnants, on peut disposer au-dessus du pavé source un ou plusieurs autres pavés couplés de manière électromagnétique et supportés par un matériau isolant. Afin de réaliser un élément rayonnant bipolarisé à deux entrées isolées en courant continu, on pourrait remplacer l'élément unique par deux éléments rayonnants monopolarisation indépendants et émettant suivant des polarisations orthogonales entre elles Cette solution n'est en général pas applicable pour des raisons d'encombrement. La présente invention a pour objet un élément rayonnant bipolarisé à deux entrées isolées en courant continu, sans nécessiter de condensateurs d'isolation, et présentant l'encombrement le plus faible possible. L'élément rayonnant conforme à l'invention comporte au moins deux pavés superposés, isolés entre eux par une couche d'air ou de matériau diélectrique, au moins le pavé inférieur ayant deux côtés opposés concaves, chacun des deux premiers pavés étant relié à sa ligne d'alimentation, la ligne d'alimentation du pavé supérieur passant près d'un côté concave du pavé inférieur Les deux côtés opposés concaves du pavé inférieur sont sensiblement parallèles au champ électrique rayonné (par le pavé inférieur) Cette disposition est la seule qui permette le passage de la ligne d'alimentation du pavé supérieur sans traverser le pavé inférieur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation, pris à titres d'exemples non limitatifs, illustrés par le dessin annexé, sur lequel: la figure 1 est une vue simplifiée en perspective d'un élément rayonnant bipolarisé selon l'art antérieur; la figure 2 est une vue simplifiée en perspective d'un élément rayonnant bipolarisé selon la présente invention, et les figures 3 à 5 sont des vues en plan de différents modes de réalisation de pavés conformes à l'invention. L'élément rayonnant bipolarisé 1 représenté en figure 1 comporte un substrat diélectrique 2 dont la face inférieure est métallisée en presque totalité Sur la face supérieure, également métallisée, du substrat 2, on grave un ou plusieurs pavés 3, par exemple de forme carrée Au droit des milieux 4 et de deux côtés du carré 3, on perce dans le substrat 2 et sa métallisation des trous pour le passage des âmes de conducteurs coaxiaux 6, 7 d'alimentation du pavé 3 Le conducteur 6 correspond par exemple à la polarisation verticale, et le conducteur 7 à la polarisation horizontale Comme précisé ci-dessus, un tel élément rayonnant nécessite l'emploi de condensateurs d'isolation galvanique entre le commutateur de polarisation et cet élément. L'élément rayonnant 8, conforme à l'invention et représenté en figure 2 comprend essentiellement un premier substrat diélectrique de support 9 La face inférieure 10 du substrat 9 (telle que vue sur le dessin, en fait la face opposée à la face rayonnante) est métallisée La face supérieure du substrat 9 est métallisée, puis gravée On y grave un ou plusieurs pavés (plusieurs pour obtenir un réseau) Sur le dessin, on a représenté un seul tel pavé, référencé 11 Ce pavé 11 a une forme générale de carré, mais deux de ses côtés opposés 12, 13 sont légèrement concaves (flèche F égale environ à 20 % de la longueur du côté du carré, voir figure 3) Ces deux côtés (ou plus exactement les côtés correspondants du carré d'origine) sont parallèles au champ électrique rayonné par l'élément Sur la face supérieure (celle sur laquelle est formé le pavé 11) du substrat 9, on fixe, par exemple par collage, un diélectrique solide 14 dont l'épaisseur est inférieure à celle du substrat 9 (par exemple 5 à 10 fois plus faible) La face supérieure du diélectrique 14 est d'abord métallisée, puis gravée pour y former un (ou plusieurs dans le cas d'un réseau) élément(s) rayonnant(s) 15 de mêmes forme et dimensions que celles de l'élément 11 Le centre de l'élément 15 est en vis-à-vis de celui de l'élément 15, mais ces éléments sont décalés de 90 en rotation l'un par rapport à l'autre c'est-à-dire qu'un côté concave de l'un est en vis-à-vis d'un côté rectiligne de l'autre. Au droit du milieu 16 d'un côté rectiligne de l'élément 11, on pratique dans le substrat 9 et sa métallisation un trou pour y faire passer l'âme 17 d'un conducteur coaxial d'alimentation 18 Au droit du milieu 19 d'un côté rectiligne de l'élément 15, on pratique dans le diélectrique 14, le substrat 9 et sa métallisation 10 un trou pour y faire passer l'âme 20 d'un conducteur coaxial 21 d'alimentation de l'élément 15 Etant donné que le point 19 se trouve au-dessus d'une zone de la surface supérieure du substrat 9 ne comportant pas de métallisation (grâce à la concavité du côté correspondant de l'élément 11) le trou pour le passage de l'âme du conducteur 21) peut être pratiqué tangentiellement au point 19 (et perpendiculairement à la surface du diélectrique 14 et du substrat 9) sans qu'il y ait de risque de contact entre cette âme et l'élément 11 Ainsi, l'encombrement, dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation du rayonnement de l'élément rayonnant, est le plus faible possible, ce qui peut permettre de former un réseau le plus dense possible. Les éléments 11 et 15 ont été représentés en plan sur la figure 3 Au lieu de leur conférer des faces circulaires concaves, on peut conformer deux de leurs faces opposées concaves par exemple en "Y" comme représenté en figure 4 ou en trapèze comme représenté en figure 5 Ces formes ne sont toutefois pas limitatives D'autres formes peuvent être adoptées, si l'on respecte une condition importante, qui est de supprimer suffisamment de matière dans au moins un côté du pavé inférieur pour laisser passer l'âme du conducteur d'alimentation du pavé supérieur sans que cela augmente l'encombrement dans des directions perpendiculaires à la direction de propagation du rayonnement de l'élément rayonnant. Selon une variante de l'invention, le diélectrique 14 peut être remplacé par une couche d'air Dans ce cas, le pavé supérieur peut être réalisé selon la technique du triplaque suspendu La pavé supérieur est formé sur une mince feuille de support qui est fixée sur des petits pavés en matériau Isolant. La couche diélectrique 14 ne recouvre pas nécessairement la totalité de la face supérieure du substrat 9. Elle peut, par exemple, comporter des évidements au droit des côtés concaves de l'élément 15 On peut ainsi avoir facilement accès aux côtés rectilignes de l'élément 11, et en particulier à son point d'alimentation 16. De la même façon que pour un pavé source de l'art antérieur, on peut obtenir, pour l'élément de l'invention, un élargissement de la bande passante en disposant d'autres éléments, non alimentés et excités par couplage électromagnétique, au dessus de l'élément supérieur 15 Ces éléments peuvent être carrés ou presque carrés et avoir deux côtés opposés concaves, de dimensions égales ou inférieures à celles des pavés 15 Ces éléments supplémentaires peuvent aussi avoir des formes différentes de celles du pavé 15. L'élément rayonnant de l'invention présente les avantages suivants, en plus de sa simplicité de réalisation une isolation en courant continu de ses deux entrées; une bonne accessibilité des points d'alimentation ( 16, 19) de ses deux pavés rayonnants; les positions des deux éléments 11, 15 sont confondues du point de vue de leur rayonnement hyperfréquences; un coefficient de réflexion d'amplitude comparable à l'entrée des deux éléments; un découplage hyperfréquence important entre les entrées des deux éléments; des performances similaires à celles de l'élément rayonnant d'origine, et notamment une conservation de la symétrie. L'élément rayonnant de l'invention peut être mis en oeuvre dans des applications telles que des antennes mono ou multi-éléments, actives ou passives, pouvant fonctionner en polarisations linéaire et/ou circulaire, éventuellement commutables Les pavés de cet élément rayonnant peuvent également être alimentés par d'autres types de lignes, par exemple des lignes en microruban ("microstrip"). REVENDICATIONS 1 Elément rayonnant hyperfréquences, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins deux pavés superposés ( 11, 15), isolés entre eux, au moins le pavé inférieur ( 11) ayant deux côtés opposés concaves, chacun des deux premiers pavés ( 11, 15) étant relié à sa ligne d'alimentation ( 18, 21). 2 Elément rayonnant selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les deux pavés sont isolés entre eux par une couche de matériau diélectrique ( 14). 3 Elément rayonnant selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les deux pavés sont isolés entre eux par une couche d'air. 4 Elément rayonnant selon l'une des revendications précédentes, dont les pavés sont alimentés par des lignes coaxiales, caractérisé par le fait que la ligne d'alimentation du pavé supérieur ( 15) passe prés d'un côté concave du pavé inférieur. Elément rayonnant selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les deux premiers pavés sont décalés de 90 en rotation l'un par rapport à l'autre. 6 Antenne hyperfréquences, caractérisée par le fait qu'elle comporte au moins un élément selon l'une des revendications précédentes. 7 Antenne selon la revendication 6, caractérisée par le fait qu'elle est active. 8 Antenne selon la revendication 6, caractérisée par le fait qu'elle est passive. 9 Antenne selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisée par le fait qu'elle fonctionne en polarisation linéaire. Antenne selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisée par le fait qu'elle fonctionne en polarisation circulaire.