Brevet FR2677814A1 — publié le 19921218

ANTENNE PLATE HYPERFREQUENCE A DEUX POLARISATIONS ORTHOGONALES AVEC UN COUPLE DE FENTES ORTHOGONALES RAYONNANTES La présente invention concerne les antennes hyperfréquences plates à double polarisation et, plus particulièrement celles comportant, comme éléments rayonnants, un couple de fentes orthogonales disposées en croix et excitées indépendamment l'une de l'autre par deux lignes triplaques Ces antennes permettent de réaliser des réseaux plats à deux polarisations orthogonales Elles ont de nombreuses utilisations en télécommunications et en radar o, du fait de leur faible épaisseur, elles peuvent s'intégrer dans des équipements installés au sol, aéroportés ou satéllisés En dehors du domaine de rayonnement en espace libre, elles trouvent également des applications dans les systèmes fermés (guides ou cavités) o il est utile de disposer de deux polarisations orthogonales indépendantes sur deux voies distinctes. Des antennes hyperfréquences de ce genre sont connues par exemple par le brevet français enregistré sous le no 86 05990 le 23 04 86 Ce type d'antenne comporte deux plaques conductrices placées l'une au-dessus de l'autre et séparées par un volume diélectrique Les deux fentes orthogonales rayonnantes disposées en croix sont creusées dans l'une des plaques conductrices tandis que l'autre joue le rôle d'un réflecteur Les conducteurs centraux des lignes triplaques d'excitation cheminent entre les deux plaques conductrices qui complètent les structures triplaques Chaque fente orthogonale rayonnante est excitée par une ligne triplaque dont le conducteur central vient en vis-à-vis de ses flancs Pour ce faire, les conducteurs centraux des deux lignes triplaques se croisent à angle droit au droit du centre de la croix formée par les fentes rayonnantes tout en étant, au niveau de ces fentes, orientés à 450 de ces dernières Pour éviter les contacts lors du croisement, ils sont disposés dans des plans différents entre les deux plaques conductrices. Dans la pratique, les conducteurs centraux des deux lignes triplaques sont réalisés par photogravure de métallisation sur les deux faces d'un film diélectrique mince intercalé entre deux autres couches de diélectrique métallisées sur leur face extérieure pour constituer la plaque conductrice supportant les fentes rayonnantes et la plaque conductrice réflectrice. Ce mode de réalisation présente l'inconvénient de nécessiter trois couches de diélectrique En outre, il faut aligner avec une très grande précision le film diélectrique porteur des conducteurs centraux des lignes triplaques d'excitation et le substrat diélectrique o sont gravées les fentes rayonnantes en croix, ce dernier point étant très critique en ondes centimétriques. La présente invention a pour but une antenne plaque hyperfréquence à double polarisation de moindre épaisseur et de réalisation plus simple. Elle a pour objet une antenne plate, hyperfréquence, à deux polarisations orthogonales, avec un couple de fentes orthogonales rayonnantes disposées en croix et excitées par deux lignes triplaques Cette antenne comporte une première et une deuxième plaques conductrices placées l'une en dessous de l'autre et séparées par un volume diélectrique, la première plaque conductrice étant creusée d'un couple de fentes orthogonales rayonnantes, disposées en croix, la deuxième plaque conductrice jouant un rôle de réflecteur; et deux lignes triplaques d'excitation dont les conducteurs centraux cheminent entre la première et la deuxième plaques conductrices, viennent chacun en vis-à-vis des flancs de l'une des fentes et se croisent au droit du centre de la croix formée par le couple de fentes orthogonales rayonnantes tout en étant, au niveau de ces fentes, orientés à 45 de ces dernières Les conducteurs centraux des deux lignes triplaques d'excitation de cette antenne sont disposés dans un même plan entre les deux plaques conductrices et se confondent lors de leur croisement au droit du centre de la croix formée par le couple de fentes orthogonales rayonnantes. L'indépendance des lignes triplaques d'excitation malgré la connexion de leurs conducteurs centraux à leur croisement s'obtient en ramenant un court-circuit sur chaque ligne au niveau du croisement soit en les terminant en lignes ouvertes par un prolongement depuis le croisement d'une longueur égale à XL/4 (XL étant la longueur d'onde sur la ligne triplaque), soit en les terminant en ligne court-circuitée par un prolongement depuis le croisement d'une longueur égale à L/2 aboutissant sur un plot conducteur court-circuitant les deux plaques conductrices. Les conducteurs centraux des lignes triplaques étant disposés dans un même plan entre les deux plaques conductrices, l'antenne peut être réalisée à l'aide de deux couches diélectriques au lieu de trois ce qui simplifie sa construction et permet un gain d'épaisseur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description ci-après de plusieurs modes de réalisation donnés à titre d'exemple Cette description sera faite en regard du dessin dans lequel: une figure 1 est une vue en perspective d'une antenne plaque selon l'invention; une figure 2 est une vue démontée de l'antenne représentée à la figure 1, ses deux plaques de diélectrique étant écartées; une figure 3 est une vue de dessus d'une antenne selon l'invention montrant, par transparence, les trajets suivis par les lignes d'excitation au voisinage des fentes rayonnantes; une figure 4 est une vue démontée d'une antenne ne comportant qu'une plaque de diélectrique, la deuxième étant remplacée par une lame d'air; une figure 5 a est une vue de dessus d'une variante de l'antenne montrée à la figure 3 montrant par transparence des lignes d'excitation aboutissant sur des plots de court-circuit; une figure 5 b est une vue en coupe selon l'axe Ox de la figure 5 a; une figure 6 est une vue de dessus d'une variante de l'antenne montrée à la figure 3 présentant toute une série de plots de court-circuit disposés autour des fentes orthogonales disposées en croix pour étouffer un éventuel mode de propagation pair TEM; une figure 7 représente un réseau d'antennes plates selon l'invention alimentées par des lignes d'excitation communes et une figure 8 représente une antenne selon l'invention excitée en polarisation circulaire droite ou gauche par l'intermédiaire d'un coupleur hybride 90 ' à deux accès et deux sorties. L'antenne plate représentée à la figure 1 est constituée de deux plaques de diélectrique superposées 1 et 2. La première plaque de diélectrique 1 présente sur sa face interne, en contact avec l'autre plaque de diélectrique 2, des rubans de métallisation 3, 4 suivant les deux axes orthogonaux Ox et Oy d'un repère d'orientation tracé dans le plan de l'antenne au centre O de cette dernière La face externe de la première plaque de diélectrique 1 est métallisée et constitue un plan métallique 5 creusé de deux fentes orthogonales rayonnantes 6, 7 disposées selon une croix centrée sur le repère d'orientation O et orientées à 450 par rapport aux deux axes orthogonaux Ox et Oy La deuxième plaque de diélectrique 2 présente également une face externe métallisée Cette dernière constitue un plan métallique réflecteur 8. Les lignes d'excitation 3, 4 constituent, avec les plans métalliques 5 et 8, les conducteurs centraux de deux lignes triplaques Comme cela apparaît sur les figures 2 et 3, elles pénètrent entre les deux plaques superposées de diélectrique 1, 2 jusqu'à la zone des fentes rayonnantes 6, 7. Au voisinage de ces dernières, elles suivent les axes orthogonaux Ox, Oy, se croisent en se rejoignant au centre du repère O puis se séparent pour s'arrêter sur une courte distance Elles viennent chacune en regard des flancs des fentes rayonnantes 6, 7 afin de les exciter Elles sont découplées par leurs prolongements qui ramènent un court-circuit à leur jonction au centre de l'antenne au droit du repère 0. La structure de l'antenne est très plate puisqu'elle est limitée à l'assemblage de deux substrats diélectriques d'épaisseur faible qui peut être typiquement de 1,58 mm Le choix du matériau diélectrique des substrats est indifférent dans la mesure o il est à faible perte dans la bande de fréquences choisie Il est déterminé par des considérations technologiques (dilatation différentielle avec le support de l'antenne, coût) ou radioélectriques (la permittivité détermine la vitesse de phase des ondes dans les lignes triplaques et les dimensions des éléments qui sont fonction de la longueur d'onde) A la limite, le matériau diélectrique peut être de l'air si l'on sait maintenir l'espacement entre les rubans métalliques 3, 4 des conducteurs centraux des lignes triplaques et les plans métalliques 5, 8 ce qui peut être réalisé à l'aide d'entretoises métalliques et de colonnettes diélectriques localisées Enfin, les diélectriques des deux plaques peuvent être de natures différentes, en permittivité et en épaisseur Dans ce dernier cas, les lignes triplaques sont asymétriques Un cas limite est celui de l'antenne représentée démontée à la figure 4 o la deuxième plaque de diélectrique supportant le plan métallique réflecteur est remplacée par une simple plaque métallique 10 séparée de la première plaque de diélectrique 9 par une lame d'air et maintenue fixée à cette dernière par un système d'entretoises non représenté Les lignes d'excitation se rapprochent alors du mlcrostrip classique avec une couverture métallique. Dans la réalisation, il est indispensable que le point de concours des fentes rayonnantes 6, 7 coïncide avec celui des lignes d'excitation 3, 4 (figure 3) C'est une condition de G découplage entre polarisations orthogonales Pour cela, il est souhaitable de réaliser la gravure des fentes rayonnantes 6, 7 et de leurs lignes d'excitation sur le même substrat comme c'est le cas de l'antenne selon l'invention, car les repères de positionnement sur les deux faces d'un même substrat peuvent être facilement mis en coïncidence Le deuxième substrat avec son plan de masse n'intervient que pour la fermeture de la structure. La longueur LF des fentes rayonnantes 3, 4 (figure 3) est déterminée par la permittivité du matériau choisi Comme on utilise la première résonance de la fente, la longueur de cette dernière est voisine de Xe eq/2 o XE eq est la longueur d'onde tenant compte d'une permittivité équivalente à celle de l'interface diélectrique Cette longueur peut, en pratique, être légèrement modifiée lors de l'adaptation d'impédance vis-à-vis des lignes d'excitation 3, 4. Les dimensions de chaque ligne triplaque d'excitation 3, 4 sont déterminées d'une part par le choix du matériau diélectrique (épaisseur, permittivité) et d'autre part, par l'impédance caractéristique que l'on souhaite Cette dernière est typiquement de 50 ohms mais peut évoluer entre quelques dizaines et quelques centaines d'ohms Son choix dépend essentiellement du mode de liaison de l'antenne élémentaire ou de la répartition de puissance désirée entre plusieurs antennes élémentaires Le choix du matériau diélectrique étant fait, c'est la largeur du ruban métallisé du conducteur central qui définit l'impédance caractéristique d'une ligne d'excitation la détermination de cette largeur se fait selon une technique connue de l'homme de métier par exemple en se référant au livre de H Howe Jr "Stripline circuit design" Artech House 1974. Une autre condition de découplage entre les deux polarisations orthogonales est celle du découplage entre les lignes d'excitation malgré leur jonction au centre de l'antenne. Ce découplage entre lignes d'excitation s'obtient grâce au prolongement LT (figure 3) des lignes au delà de leur point de concours qui ramènent un court-circuit sur ce dernier Ces prolongements se terminent soit en circuit ouvert, soit en circuit fermé sur un court-circuit Lorsqu'ils se terminent en circuit ouvert, comme représenté à la figure 3, ils ont une longueur de l'ordre de X L/4 (AL étant la longueur d'onde de propagation sur la ligne) Lorsqu'ils se terminent sur un court-circuit formé d'un trou métallisé 20 les joignant aux deux plans métalliques 5 et 8 de l'antenne comme représenté aux figures 5 a, 5 b ils ont une longueur de l'ordre de XL/2. La figure 6 illustre une variante de réalisation préférée de l'antenne selon l'invention dans laquelle il y a un certain nombre de trous métallisés 25 qui relient les deux plans métalliques de masse de l'antenne et qui sont disposés symétriquement autour des fentes Ces trous métallisés 25 qui peuvent être remplacés par des piliers métalliques rapportés ont pour but d'éliminer la présence du mode de propagation pair TEM éventuellement engendré par l'asymétrie formée par les fentes rayonnantes sur l'un des plans métalliques. Par ailleurs des variations de largeur des lignes d'excitation 3, 4 sont envisageables, en tant qu'éléments d'adaptation d'impédance Elles sont alors identiques sur les deux lignes orthogonales d'excitation afin de préserver la symétrie de l'excitation des deux fentes rayonnantes Ces variations de largeur peuvent être soit localisées et, dans ce cas, être assimilables à des éléments réactifs en dérivation, soit étendues et, dans ce cas, être utilisées comme des tronçons d'adaptation d'impédance (type quart d'onde) Elles peuvent être situées en amont ou en aval du point de concours des lignes d'excitation. Le principe de connexion des lignes triplaques d'excitation tout en assurant leur découplage est le suivant: une ligne ouverte (chargée par une impédance infinie) ramène un courtcircuit à une distance de À L/4 En d'autres termes, à XL/4 en amont, le régime d'ondes stationnaires est caractérisé par un ventre d'intensité et un noeud de tension; la connexion d'une impédance quelconque en ce point de court- circuit n'apporte aucune modification aux régimes des courants et des tensions puisque l'impédance est non alimentée; on peut donc connecter en ce point de court-circuit une seconde ligne également ouverte à X L/4 en aval du point de connexion Les deux lignes seront découplées car elles sont interconnectées en des points de potentiel nul. Cette propriété est évidemment dépendante de la fréquence Cela limite le fonctionnement de l'antenne à une bande restreinte (typiquement quelques pour-cents) ce qui de toute façon est le cas d'un élément rayonnant de type fente associé à son alimentation. En toute rigueur, une ligne ouverte est terminée par une charge réactive de type capacitif ce qui se traduit dans les faits par un écart par rapport à À L/4 de la longueur du tronçon aval Par ailleurs la connexion en croix de deux lignes obéit à un schéma équivalent complexe De manière simplifiée, on peut cependant dire que la connexion en croix peut être modélisée par la mise en dérivation au point de concours d'un terme réactif. Dans l'hypothèse o les deux tronçons avals des lignes d'excitation sont terminés par des courts-circuits (trous métallisés traversant de part en part les deux substrats et interconnectant les deux plans métalliques et les rubans conducteurs centraux des lignes) et donc présentent une longueur voisine de) L/2, le principe de fonctionnement reste le même L'effet capacitif en bout de ligne ouverte est seulement à remplacer par un effet selfique lié à la boucle formée par le ruban central de la ligne considérée et la connexion de court-circuit. Des formes diverses de fentes préservant la symétrie et l'orthogonalité sont utilisables Il en est de même pour les profils du ruban central des lignes triplaques (variation de largeur) Dans les deux cas, l'objectif est d'élargir la bande d'adaptation d'impédance, le principe d'indépendance ou de découplage des polarisations restant inchangé. Les antennes plates qui viennent d'être décrites permettent de réaliser diverses structures rayonnantes à deux polarisations orthogonales de faible épaisseur Un exemple en est donné à la figure 7 qui représente un réseau d'antennes plates à fentes orthogonales rayonnantes 30 excitées en parallèles par deux alimentations triplaques indépendantes, l'une 31 pour la polarisation horizontale et l'autre 32 pour la polarisation verticale, qui pondèrent la répartition de puissance entre les différentes antennes. Avec le type d'antennes plates à double polarisation qui vient d'être décrit, il est également possible d'obtenir un rayonnement à polarisation circulaire tournante droite ou gauche par exemple, comme représenté à la figure 8, en alimentant les deux lignes d'excitation 41, 42 en polarisation 1 15 horizontale et verticale d'une antenne 40 à l'aide des signaux des deux sorties d'un coupleur hybride 9 Q O 43 à deux accès 44, , l'excitation par l'un 44 des accès provoquant un rayonnement de l'antenne à polarisation circulaire gauche tandis que l'excitation par l'autre accès 45 provoque un rayonnement de l'antenne à polarisation circulaire droite. REVENDICATIONS 1 Antenne plate, hyperfréquence, à deux polarisations orthogonales, avec un couple de fentes orthogonales rayonnantes ( 6, 7) disposées en croix et excitées par deux lignes triplaques ( 3, 4) comportant: une première et une deuxième plaques conductrices ( 5, 8) placées l'une en dessous de l'autre et séparées par un volume diélectrique ( 1, 2), la première plaque conductrice ( 5) étant creusée dudit couple de fentes orthogonales rayonnantes ( 6, 7), disposées en croix, la deuxième plaque conductrice ( 8) jouant un rôle de réflecteur; et les deux lignes triplaques d'excitation dont les conducteurs centraux ( 3, 4) cheminent entre la première et la deuxième plaques conductrices ( 5, 8), viennent chacun en vis-à-vis des flancs de l'une des fentes et se croisent au centre ( 0) de la croix formée par le couple de fentes orthogonales rayonnantes ( 6, 7) tout en étant, au niveau de ces fentes, orientés à 45 de ces dernières, caractérisée en ce que les conducteurs centraux ( 3, 4) des deux lignes triplaques d'excitation sont disposés dans un même plan entre les deux plaques conductrices ( 5, 8) et se confondent à leur croisement au droit du centre de la croix formée par le couple de fentes orthogonales rayonnantes ( 6, 7). 2 Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les conducteurs centraux ( 3, 4) des deux lignes triplaques d'excitation se terminent au delà de leur point de concours en lignes ouvertes par un prolongement de longueur égale environ à X L/4 (XL/4 étant la longueur d'onde dans les lignes triplaques d'excitation). 3 Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les conducteurs centraux ( 3, 4) des deux lignes triplaques d'excitation se terminent, au delà de leur point de il concours en lignes court- circuitées par un prolongement de longueur égale environ à ÀL/2 (XL étant la longueur d'onde dans les lignes triplaques d'excitation) aboutissant à un plot conducteur ( 20) court-circuitant les deux plaques conductrices ( 5, 8). 4 Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte des plots métalliques ( 25) qui relient les deux plaques conductrices ( 5, 8) et qui sont disposés symétriquement autour du couple de fentes orthogonales rayonnantes ( 6, 7). Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte une première et une deuxième plaques de diélectrique ( 1, 2), la première plaque de diélectrique ( 1) ayant sur sa face interne en regard de la deuxième plaque de diélectrique ( 2), des rubans de métallisation constituant les conducteurs centraux ( 3, 4) des lignes triplaques d'excitation et sur sa face externe un plan métallisé qui constitue la première plaque conductrice ( 5) et qui est creusé du couple de fentes orthogonales rayonnantes ( 6, 7), et la deuxième plaque de diélectrique ( 2) ayant sur sa face externe un plan métallisé qui constitue la deuxième plaque conductrice ( 8) jouant un rôle de réflecteur. 6 Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte une plaque de diélectrique ( 9) qui supporte sur sa face interne des rubans de métallisation constituant les conducteurs centraux ( 3, 4) des lignes triplaques et sur sa face externe un plan métallisé constituant la première plaque conductrice ( 5) creusée du couple de fentes orthogonales rayonnantes ( 6, 7) et qui est séparée de la deuxième plaque conductrice ( 10) par une lame d'air.