Brevet FR2685130A1 — publié le 19930618

ANTENNE PASTILLE CARREE A DEUX POLARISATIONS CROISEES EXCLli;E PAR DEUX FENTES ORTHOGONALES La présente invention se rapporte à une antenne pastille carrée à deux polarisations croisées du type comprenant une pastille carrée ("patch" dans la littérature anglo-saxonne), un plan de masse comportant deux fentes symétriques croisées orthogonalement disposées face à ladite pastille et des moyens d'excitation de la pastille à travers les fentes. n existe déjà des solutions pour la réalisation d'antennes à deux polarisations croisées. Une première de ces solutions décrite notamment dans la demande de brevet européen N" 0 243 289 concerne une antenne plaque avec deux doublets rayonnants identiques formés dans un même plan de métallisation et excités par deux lignes triplaques orthogonales. L'avantage d'une telle antenne est qu'elle peut fonctionner dans une large bande passante et qu'elle est de conception simple. Mais sa dimension hors tout est relativement importante, de l'ordre de 0,65 kO, où SO est la longueur d'onde de fonctionnement, ce qui peut constituer un inconvénient notamment pour la réalisation d'antennes réseaux. Une autre solution connue est décrite dans le brevet US 4 903 033. Ce brevet décrit une antenne plane à deux polarisations croisées comportant une pastille excitée par deux lignes d'alimentation orthogonales à travers deux fentes de couplage orthogonales. Chaque ligne d'alimentation se termine par deux branches parallèles disposées perpendiculairement à la fente associée qui est seule à être excitée par cette ligne. Cette solution est également assez simple mais a aussi pour inconvénient des dimensions hors tout assez importantes et la nécessité de prévoir un pont à air pour le croisement des lignes d'alimentation. Un objet de l'invention est une antenne pastille carrée à deux polarisations croisées, de dimensions réduites grâce à l'excitation des deux fentes pour chaque direction de polarisation, ce qui allonge le trajet des lignes de force de courant induit dans la pastille. Un autre objet de l'invention est une antenne à deux polarisations croisées de construction très simple grâce au fait que les lignes d'alimentation orthogonales sont dans le même plan. Selon l'invention, il est donc prévu une antenne pastille carrée à deux polarisations croisées comprenant une pastille métallique carrée, un plan de masse comportant deux fentes symétriques croisées orthogonalement disposées face à ladite pastille et des moyens d'excitation de la pastille à travers lesdites fentes, caractérisée en ce que lesdits moyens d'excitation comprennent deux lignes d'alimentation orthogonales dont les conducteurs centraux sont disposés à 45" de la direction de chacune desdites fentes. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints où: - la figure 1 est un schéma éclaté de l'antenne selon l'invention; - la figure 2 illustre, vue en plan, la pastille carrée et son excitation pour une première polarisation linéaire; - la figure 3 est une vue en plan de la pastille et des fentes; et - les figures 4 et 5 sont des schémas de réalisation des lignes d'alimentation de l'antenne. Sur la figure 1 qui montre un schéma éclaté de l'antenne, un premier circuit imprimé 1 est formé d'un substrat diélectrique 11 d'épaisseur H1 dont une face porte une pastille métallique carrée 10 obtenue par exemple par gravure d'une couche de métallisation selon les techniques connues dans les circuits imprimés. Vis-à-vis de la seconde face du substrat 11 est disposé, un deuxième circuit imprimé 2 formé d'un substrat 23 d'épaisseur H2 dont la face en vis-à-vis du circuit 1 porte une métallisation 22 dans laquelle sont gravées deux fentes orthogonales croisées symétriques 20, 21. Ces fentes sont situées face à la pastille 10, les axes longitudinaux des fentes étant parallèles aux côtés de la pastille ou pouvant être aussi parallèles aux diagonales de la pastille. Enfin un troisième circuit imprimé 3 est formé d'un substrat diélectrique 33 d'épaisseur H2 dont la face en vis-à-vis du deuxième circuit 2 porte les conducteurs centraux 30 et 31 de deux lignes triplaques orthogonales se croisant en O et dont l'autre face porte une métallisation uniforme 32. Lorsque les trois circuits sont assemblés, c'est-à-dire en contact les uns avec les autres et maintenus, par exemple par collage, le point 0, le point de croisement des fentes 20, 21 et le centre de la pastille carrée 10 sont alignés sur un axe perpendiculaire aux circuits 1, 2 et 3. Les métallisations 22 et 32, formant plan de masse, et les conducteurs centraux 30, 31 forment une structure de ligne triplaque, les substrats 23 et 33 étant de même nature et de même épaisseur. De plus, les conducteurs 30 et 31 sont orientés de manière à faire un angle de 45" avec les fentes 20 et 21. Enfin, les conducteurs 30 et 31 se prolongent au-delà du point 0 par des tronçons quart d'onde à la fréquence centrale de fonctionnement de l'antenne. Bien entendu, la métallisation 22 avec les fentes pourrait aussi être portée par le premier circuit 1 sans que cela change en rien le principe de l'invention. Le fonctionnement va être expliqué en se référant également à la figure 2 qui est une vue en plan partielle (une seule ligne d'alimentation représentée) de l'antenne assemblée. Le tronçon quart d'onde de la ligne triplaque 31 ouverte à son extrémité C excite simultanément les deux fentes 20 et 21 entre les points A et B. La longueur BC étant sensiblement égale à un quart de longueur d'onde, les points A et B sont portés à des potentiels opposés. Les lignes de force des courants instantanés de conduction sur le plan métallique 22, servant de réflecteur associé à la pastille rayonnante 10, sont représentées en pointillés 12, 13 et vont du point A au point B en contournant les fentes. Ces courants induisent par "effet d'image" des courants sur la pastille 10 avec des lignes de forces semblables. Le moment électrique M1 de la pastille est donc parallèle à la direction AB et à celle de la ligne 31, ce qui correspond au rayonnement d'une première polarisation linéaire. On n'a pas représenté sur la figure 2 la deuxième ligne orthogonale 30 mais le phénomène est exactement similaire et on induit dans la pastille un moment électrique M2 perpendiculaire à M1 . Deux remarques importantes doivent être faites. Tout d'abord grâce à l'excitation des deux fentes pour chaque polarisation, la longueur du trajet des lignes de force est notablement plus grande que dans le cas de l'excitation d'une pastille classique au-dessus d'un plan de masse uniforme par un câble coaxial perpendiculaire ou une ligne microruban. D'où il résulte que les dimensions de la pastille carrée, excitée selon l'invention et fonctionnant à la résonance, sont voisines de 0,25ka x 0,25ka où h, est la fréquence centrale de fonctionnement, donc nettement plus faibles que dans les solutions classiques, à fréquence donnée; ou encore qu'à dimensions données, l'antenne selon l'invention a une fréquence de résonance plus basse. D'autre part, pour que les conducteurs centraux 30 et 31 puissent être disposés dans un même plan et se couper en 0 tout en étant découplés en hyperfréquences, il faut ramener un court-circuit au point 0 sur les deux lignes, ce qui est obtenu en prolongeant chacun des conducteurs au-delà du point 0 par un tronçon quart d'onde en circuit ouvert. n est clair que les dimensions des conducteurs 30, 31 sont déterminées d'une part par le choix du matériau diélectrique des substrats 23 et 33 (épaisseur, permittivité) et d'autre part par l'impédance caractéristique souhaitée. On doit aussi remarquer que le point de concours des fentes doit coincider de manière aussi précise que possible avec le point de concours 0 des conducteurs centraux 30, 31 pour avoir le meilleur découplage entre polarisations orthogonales. On pourra donc avoir intérêt à réaliser les conducteurs 30, 31 sur le même substrat 23 que les fentes, ce qui ne change rien au fonctionnement de l'antenne. La figure 3 représente la pastille 10 et les fentes 20 et 21 et permet de définir les divers paramètres a. côté de la pastille carrée, L longueur d'une fente et s, largeur d'une fente. Pour mieux montrer les performances et avantages de l'antenne selon l'invention, on donne ci-après quelques caractéristiques d'une réalisation en bande X et d'une réalisation en bande Ku. Le tableau I montre les dimensions des antennes et le tableau II les caractéristiques de rayonnement obtenues. X est la longueur d'onde de phase, distincte de la longueur d'onde dans l'espace libre TABLEAU I a s a/kO L(mm) L/k H1 H1=H2 (e 1=(r)2 Hl/Bo (mm) Bande X fo=9,65 GHz 8 0,6 0,26 6,6 0,31 1,6 2,17 0,051 Bande Ku fi= 14 GHz 5,2 0,3 0,23 4,5 0,31 0,8 2,17 0,037 TABLEAU II Bande Isolation (03dB)E (63dB)H Niveau lobes Passante (dB) secondaires R.O.S. 1,5 (dB) Bande X fo=9,65GHz 5,2 5,2 % 110 90 -18 Bande Ku fo=14GHz 6,1 % % 70 72 -18 On voit que pour les deux modèles, les fentes fonctionnent en dessous de leur résonance propre qui correspondrait à L = B/2. Leur rôle est de coupler les lignes triplaques à la pastille. La dimension a/BO de la pastille est notablement plus faible que celle d'une pastille excitée de manière classique qui, avec les mêmes paramètres, aurait une valeur a/BO de l'ordre de 0,36 et une bande passante de 20 à 50 % plus faible qu'avec l'antenne selon l'invention.. La figure 4 représente un mode de réalisation des lignes d'alimentation en bande X. Les lignes 30' et 31' se coupent en 0 et sont prolongées par des tronçons sensiblement quart d'onde 301' et 311'. Des transformateurs 300' et 310' respectivement sont prévus très près des fentes pour adapter l'impédance de rayonnement à la résistance caractéristique de la ligne triplaque. De même, la figure 5 représente un mode de réalisation en bande Ku. Les lignes 30" et 31" se coupent en 0 et sont prolongées par des tronçons sensiblement quart d'onde 301" et 311". Des transformateurs quart d'onde 300" et 310" sont disposés à une distance voisine de k/2 du point 0. Bien entendu, les exemples de réalisation décrits ne sont nullement limitatifs de l'invention. REVENDICATIONS 1. Antenne pastille carrée à deux polarisations croisées comprenant une pastille métallique carrée (10), un plan de masse (22) comportant deux fentes symétriques (20, 21) croisées orthogonalement disposées face à ladite pastille et des moyens d'excitation de la pastille à travers lesdites fentes, caractérisée en ce que lesdits moyens d'excitation comprennent deux lignes d'alimentation (30,31) orthogonales dont les conducteurs centraux sont disposés à 45" de la direction de chacune desdites fentes (20, 21), de manière que chaque conducteur central excite simultanément les deux fentes. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites lignes d'alimentation sont des lignes triplaques dont un des plans de masse est constitué par ledit plan de masse (22) portant les fentes et en ce que les conducteurs centraux (30, 31) desdites lignes sont dans le même plan et se coupent en un point (0) situé face au centre desdites fentes et au centre de ladite pastille (10). 3. Antenne selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comprend: - un premier circuit imprimé (1) dont une première face comporte la pastille métallique (10) sur un substrat diélectrique (11); - un second circuit imprimé (2) comportant un substrat diélectrique (23) dont une face dirigée vers ledit premier circuit (1) porte une première métallisation (22) formant plan de masse et comportant lesdites fentes orthogonales (20, 21); et - un troisième circuit imprimé (3) comportant un substrat diélectrique (33) dont une face dirigée vers ledit second circuit (2) porte lesdits conducteurs centraux (30, 31) des lignes orthogonales et dont l'autre face porte une seconde métallisation (32) formant plan de masse, lesdits premier, second et troisième circuits étant assemblés de façon que lesdites première et seconde métallisations (22, 32) constituent avec lesdits conducteurs centraux (30, 31) les lignes triplaques d'alimentation orthogonales. 4. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que lesdites fentes (20, 21) sont dirigées dans la direction des côtés respectifs de ladite pastille carrée (10). 5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que lesdites fentes (20, 21) sont dirigées dans la direction des diagonales respectives de ladite pastille carrée (10). 6. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que chacune desdites lignes d'alimentation (30', 31'; 30", 31") se prolonge au delà de leur point de croisement sur une longueur (301', 311'; 301", 311") sensiblement égale au quart de la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne. 7. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que chaque ligne (30', 31'; 30", 31") est munie avant leur point de croisement (0) d'un transformateur quart d'onde (300, 310; 300", 310") d'adaptation.