Brevet FR2668655A1 — publié le 19920430

Antam imprimiwe pour réseau à dible polarric*ion La présente invention concerne une antenne i Mrimpre élémentaire en technologie plaquée pour réseau de réception et/ou d'émission de signaux de télc O Emnications, présentant un faible encomnbrement à des fins d'embarquement dans un engin, tel que satellite. Plus précisément, l'antenne cc Oprend, d'une manière connue, un substrat diélectrique, un plan cornducteur de masse d'une ligne d'alimentation hyperfréquence imprimé sur une face du substrat, et un élément rayonnant imprimé sur une autre face du substrat, ledit plan o 10 conducteur ayant une fente de couplage pour coupler la ligne d'alimentation à l'élément rayonnant. Dans une telle antenne, c Omme illustrée à la figure 14 6, page 824, du livre '"ICROSTRIP AENS", Vol 2, édité par J R James & P S Hall, 19, l'élément rayonnant est constitué par une plaque métallique imprée sur la face du substrat opposée à la fente pratiquée dans le plan de masse La ligne d'alimentation est par exemple une ligne microruban. La plaque rayonnante est assimilable à un résonateur ouvert qui est le siège d'ondes essentiellement polarisées suivant la largeur de la fente de couplage sous-jacente Les résonances dépendent principalement des dimensions de la fente et de la plaque. La largeur de bande est fonction du coefficient de surtension du résonateur, lui-même dépendant de l'épaisseur et des caractéristiques électriques du substrat. Pour constituer un réseau à double polarisation, celui-ci comprend un premier sous-réseau comprenant des antennes assujetties à une première polarisation, par exemple Ex, et un second sous-réseau comprenant des antennes assujetties à une seconde polarisation Ey orthogonale à la première Les antennes dans les premier et second sous-réseaux sont entrelacées et sont donc à une relative proximité les unes des autres. Les deux polarisations sont obtenues par des fentes de couplages perpendiculaires Les mesures montrent que le champ électromagnétique n'est pas parfaitement polarisé dans le voisinage d'une antenne élémentaire En effet, par exemple, les lignes de champ électrique s'incurvent en proportion de la distance au centre de la fente de couplage, le long de l'axe longitudinal de celle-ci Cette incurvation de ligne de champ rend ainsi imparfaite la polarisation, et par suite engendre des couplages néfastes entre antennes élémentaires dans un même sous-réseau, mais également entre antennes élémentaires dans les deux sous-réseaux Ces couplages sont d'autant plus prononcés que les antennes sont proches les unes des autres. Le gain d'un tel réseau est donc faible La surface occupée par celui- ci est d'autant plus grande que le gain est amélioré, au détriment de l'encombrement du réseau et donc contrairement à la recherche de ccapacité pour les matériels embarqués dans des engins. La présente invention vise à fournir une antenne imprimée élémentaire qui engendre une polarisation quasiment parfaite, c'est- à-dire quasiment rectiligne, ce qui permet de rapprocher de telles antennes ayant des polarisations croisées et donc de diminuer l'encombrement d'un réseau d'antennes. A cette fin, une antenne mprimée selon l'invention et telle que définie dans l'entrée en matière, est caractérisée en ce que l'élément rayonnant consiste en plusieurs bandes étroites conductrices s'étendant perpendiculairement à la fente de couplage. Les bandes étroites maintiennent une polarisation suivant leur direction longitudinale et empêche ainsi une excitation du mode orthogonal à la polarisation ainsi définie Dans ces conditions deux antennes élémentaires ayant des bandes conductrices perpendiculaires entre elles offrent un couplage quasiment nul, ce qui permet de les rapprocher, et donc d'augmenter la densité d'antenne et la compacité dans un réseau à double polarisation. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit de plusieurs réalisations préférées de l'invention en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels: la fig 1 est une vue éclatée en perspective d'une antenne imprimée à fente de couplage et plaque rayonnante selon la technique antérieure; les figs 2 et 3 sont respectivement une vue en coupe transversale à la fente de couplage et une vue de dessus de la plaque rayonnante, montrant des répartitions de lignes de champ électrique et du courant surfacique dans l'antenne de la fig 1; la fig 4 est analogue à la fig 3 et montre une plaque rayonnante elliptique; la fig 5 est une vue éclatée en perspective d'une antenne imprimée à bandes rayonnantes selon l'invention; les figs 6 et 7 sont des vues de dessus de bandes rayonnantes inscrites globalement dans un rectangle et une ellipse, respectivement; et la fig 8 est une vue schématique de dessus d'un réseau d'antennes à deux polarisations orthogonales selon l'invention. Afin de mieux discerner les caractéristiques de l'invention, la structure d'une antenne imprimée élémentaire la à fente de couplage selon la technique antérieure est rappelée en référence à la fig 1. Selon cet exemple, l'antenne la est alimentée par une ligne microruban hyperfréquence supporté par un premier substrat diélectrique 2 a d'épaisseur d 2 et de permittivité relative er 2 prédéterminées Le substrat 2 a est imprimé sur les deux faces La face inférieure du substrat co Erporte un ruban conducteur 3 a de largeur prédéterminée W 3 La face supérieure du substrat 2 a est recouverte d'un plan conducteur de masse 4 a Une portion rectangulaire de la face supérieure du substrat 2 a est dépourvue de matériau conducteur pour former une fente de couplage 5 a L'axe longitudinal de la fente 5 a est perpendiculaire au microruban 3 a, tandis que l'axe transversal de la fente 5 a est parallèle à et aligné verticalement avec l'axe du microruban Les longueur et largeur de la fente 5 a sont dénotées par L 5 et W 5 dans la fig 1. L'antenne élémentaire la comprend également une plaque conductrice 6 a ("patch" en terminologie anglo-saxonne) constituant l'élément rayonnant de l'antenne La plaque 6 a est superpose au-dessus du plan de masse 4 a, à l'opposé de la face inférieure du substrat 2 a supportant le microruban 3 a, au moyen d'un second substrat diélectrique 7 a Le substrat 7 a offre une épaisseur d 7 et une permittivité relative er 7 généralement différentes de d 2 et er 2 respectivement, la constante er 7 étant souvent inférieure à er 2 et voisine de l'unité pour augmenter la bande passante de l'antenne Le substrat 7 a est fixé sur le plan conducteur 4 a du premier substrat, par exemple avec du ciment époxydique. La plaque 6 a est pleine, contrairement au caractère ajouré du plan de masse 4 a conféré par la présence de la fente 5 a. La plaque 6 a est rectangulaire et a des largeur W 6 et longueur L 6 prédéterminées beaucoup plus grandes que les dimensions de la fente 5 a, comce montré à la fig 3 Selon d'autres variantes, la plaque rayonnante peut être carrée, circulaire, trapzo 1 dale, polygonale ou bien elliptique cimme montré à la fig 4 Les centres de la fente 5 a et de la plaque 6 a sont superposés verticalement, c'est-à-dire alignés perpendiculairement à l'axe longitudinal du microruban 3 a Les axes transversal et longitudinal de la fente 5 a sont ici parallèles aux axes transversal et longitudinal de la plaque 6 a, respectivement. Une plaque diélectrique mince (non représentée) servant de couverture de protection peut être collée sur la face supérieure du second substrat 7 a supportant la plaque imprimée 6 a. Les deux substrats éventuellement avec la couverture de protection forment ainsi une antenne élémentaire monolithique. La fig 2 illustre des lignes de champ électrique E dans l'antenne la qui sont vues dans le plan vertical comprenant l'axe longitudinal du microruban 3 a et l'axe transversal de la fente 5 a, et donc qui s'étendent perpendiculaireent à la fente 5 a La fig 3 montre des lignes de courant surfacique sur la plaque rayonnante 6 a. Ces figures font apparaître, cumoe déjà dit, des lignes de courant qui sont curvilignes de part et d'autre de l'axe transversal de la fente 5 a et donc des lignes de champ non perpendiculaires à la fente ce qui perturbe toute polarisation de champ dans l'environnement proche de l'antenne la, et particulièrement provoque un couplage de cette antenne la avec tout autre antenne élémentaire voisine dans un réseau plat d'antenne. Une antenne imprimée élémentaire lb à fente de couplage et ligne microruban d' alimentation hyperfréquence selon l'invention est illustrée à la fig 5 Cette antenne lb est donc du nme type que l'antenne connue la décrite ci-dessus et ccoprend des éléments 2 b, 3 b, 4 b, 5 b et 7 b, repérés avec l 'indice b, respectivement analogues à ceux 2 a, 3 a, 4 a, 5 a et 7 a de l'antenne la. L'antenne lb ccmprend, à la place de la plaque mêtallique 6 a, plusieurs bandes étroites métalliques parallèles 8 b formant l'élément rayonnant de l'antenne lb Les bandes 8 b sont imprimées sur la face supérieure du second substrat 7 b Par exemple, selon la fig 5, les bandes 8 b sont au ncambre de sept, ont chacune une longeur % = W 6 et une largeur W 8 environ L 6 /14, et sont équidistantes par intervalles de largeur I = W 8 le long de l'axe longitudinal de la fente 5 b Les bandes 8 s'étendent ainsi parallèlement au microruban 3 b et perpendiculairement à la fente 5 b, et sont réparties symétriquement de part et d'autre de l'axe transversal de la fente 5 b. Le contour formé par les extrémités des bandes 8 b peut être analogue à celui de la plaque 6 a, et est par exemple rectangulaire comme montré aux fig 5 et 6, ou elliptiques coume montré à la fig 7, ou bien encore circulaire ou polygonale. Dans les figs 6 et 7 sont indiquées par des flèches des lignes de courant surfacique qui sont confinées dans les bandes conductrices 8 b Couparativement aux figs 3 et 4, ces lignes de courant sont parfaitement rectilignes et parallèles, eu égard à la faible largeur W 8 des bandes conductrices 8 b par rapport à la longueur L 6 de la plaque 6 a Grâce à la rectitude des bandes 8 b, la polarisation de champ électrique E est parfaitement perpendiculaire à la fente de couplage 5 b, et ne peut être perturbée par et ne peut perturber un champ électrique polarisé orthogonal émis par une antenne élémentaire selon l'invention située au voisinage de l'antenne lb, came on le verra ci-après dans un réseau d'antennes. A titre d'exemple, un réseau à double polarisation cooprenant deux sousréseaux ayant chacun seize antennes élémentaires selon l'invention est montré à la fig 8. Le premier sous-réseau comprend seize antennes l X à X 16 à polarisation Ex qui sont réparties uniformément en quatre rangees parallles 1 à X 4, LX 5 a 1 X 8, X à 1 X 12 et 1 X 13 à 1 X 16, formant des réseaux linéaires Le premier sous-réseau d'antenne est alimenté par une ligne microruban 9 X qui se termine en une ligne arborescente dans le réseau au moyen de diviseurs de puissance par deux 10 X afin d'alimenter les quatre rangées, puis des paires d'antennes et enfin chacune des antennes élémentaires d'une paire Les antennes 1 X 1 à 1 X 16 sont ainsi régulièrement réparties en une matrice carrée. Le second sous-réseau c Omprend également quatre sous-réseaux linéaires d'antenne ll à 1 Y 4, 1 Y 5 à 1 Y 8, 1 Y 9 Y 12 t Y 13 Y 16 formant les lignes d'une matrice carrée entrelacées deux à deux avec les lignes du premier sous-réseau Une ligne microruban 9 Y également arborescente à travers des diviseurs de puissance par deux 10 Y alimente le second sous-réseau La ligne 9 Y est analogue à la ligne 9 X et provient d'un côté opposé à la ligne 9 X par rapport au réseau, et les antennes dans le premier sous-réseau sont disposées en quinconce par rapport aux antennes dans le second sous-réseaux, les colonnes des sous-réseaux étant également entrelacées deux à deux. Les deux sous-réseaux ont en c Emmun les deux substrats diélectriques 2 b et 7 b entre lesquels s'étend le plan de masse 5 a avec des fentes 5 X et 5 Y associées aux antennes l X 1 à 1 X 16 et l Y à 1 Y 16, et sous le premier 2 b desquels sont imprriés les microrubans de ligne 3 X et 3 Y associées auxdites antennes, respectivement. Les antennes l X 1 à 1 X 16 ont leurs bandes rayonnantes 8 X, s'étendant suivant une direction Ex, tandis que les antennes l Y à 1 Y 16 ont leurs bandes rayonnantes 8 Y s'étendant suivant une direction Ey perpendiculaire à la direction Ex Les antennes selon l'invention ainsi associées à des polarisations pures orthogonales peuvent être très proches les unes des autres, contrairement aux réseaux selon la technique antérieure, puisque les polarisations Ex et Ey sont parfaitement rectilignes et orthogonales, et donc ne se perturbent pas mutuellement Par exemple une antenne i X, 1 Y est "encadrée" par quatre autres antennes 1 Y, i X selon la fig 8 Il en résulte une plus grande conpacité qui est particulièrement avantageuse lorsque le réseau d'antenne est embarqué par exemple dans un satellite, un missile ou autre engin. Bien que l'invention ait été décrite en référence à des lignes d'alimentation microruban (microstrip), l'homie de métier saura remnplacer celles-ci par des lignes triplaques (stripline) ou des lignes coaxiales Pour une ligne triplaque, un troisième substrat diélectrique est fixé sous la face inférieure du premier substrat 2 a un plan conducteur de masse réflecteur est imprimé sous la face inférieure du troisième substrat. D'autre part, la répartition des antennes dans un réseau peut être différente de celle montrée à la fig 8. REVENDICATIONS 1 Antenne imprimée (lb) comprenant un substrat diélectrique ( 7 b), un plan conducteur de masse ( 5 b) d'une ligne d'alimentation hyperfréquence ( 3 b) imprimé sur une face du substrat, et un élément rayonnant imprimé sur une autre face du substrat, ledit plan conducteur ayant une fente de couplage ( 5 b) pour coupler la ligne d'alimentation à l'élément rayonnant, caractérisée en ce que l'élément rayonnant consiste en plusieurs bandes étroites conductrices ( 8 b) s'étendant perpendiculairement à la fente de couplage ( 5 b). 2 Antenne conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que les bandes ( 8 b) sont réparties symétriquement de part et d'autre de l'axe transversal de la fente ( 5 b). 3 Réseau d'antennes comprenant plusieurs premières antennes (X 1 à X 16) qui sont conformes à la revendication 1 ou 2 et dont les bandes ( 8 X) sont parallèles entre elles. 4 Réseau d'antennes conforme à la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs secondes antennes ( 1 Y 1 à 1 Y 16) qui sont conformes à la revendication 1 ou 2 et dont les bandes ( 8 Y) sont parallèles entre elles et s'étendent perpendiculairement aux bandes ( 8 X) des premières antennes ( 1 X 1 à IX 16). Réseau d'antennes conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que les antennes les plus proches d'une première, respectivement seconde antenne (i X, 1 Y) sont des secondes, respectivement premières antennes ( 1 Y, IX). 6 Réseau d'antennes conforme à la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les premières antennes ( 1 X 1 à 1 X 16) sont réparties suivant des rangées d'une première matrice qui sont entrelacées deux à deux avec des rangées d'une seconde matrice le long desquelles sont réparties les secondes antennes ( 1 Y 1 à 1 Y 16).