Brevet FR2677493A1 — publié le 19921211

RESEAU D'ELEMENTS RAYONNANTS A TOPOLOGIE AUTOCOMPLEMENTAIRE, ET ANTENNE UTILISANT UN TEL RESEAU La présente invention a pour objet un réseau d'élé- ments rayonnants à topologie autocomplémentaire, notamment applicable à la constitution d'une antenne réseau phasée, c'est-à-dire susceptible d'émettre (ou de recevoir) un faisceau d'énergie électromagnétique balayant électroniquement l'espace. Dans certaines applications, on cherche à ce qu'une antenne réseau recevant un faisceau d'énergie électromagnétique polarisée linéairement ait la même variation du gain en fonction de la direction de pointage, quelle que soit la polarisation de l'onde émise, horizontale ou verticale par exemple Lorsque ce même réseau émet une onde en polarisation circulaire, son taux d'ellipticité est alors indépendant de la direction de pointage. Lorsque le réseau fonctionne à la réception, cette propriété permet d'analyser la polarisation de l'onde reçue sans que le réseau n'introduise de distorsion dans cette mesure. Pour répondre à ce problème, différentes techniques sont connues On peut citer par exemple celle qui consiste, dans le cadre de la technologie dite des antennes plaquées, à disposer des éléments supplémentaires, souvent appelés éléments directeurs, devant ou derrière les éléments rayonnants On rappelle que la technologie des antennes plaquées est proche de celles des circuits imprimés et consiste à réaliser les éléments rayonnants du réseau à l'aide de motifs conducteurs plats, par exemple imprimés sur des substrats isolants On obtient alors une structure multicouche Cette solution présente l'inconvénient d'être complexe En outre, elle augmente la directivité des éléments rayonnants pris individuellement, et, par suite, la perte de gain aux angles de balayage élevés, ce qui constitue une limitation. La présente invention a pour objet un réseau d'éléments rayonnants qui réponde à la condition imposée, en évitant les limites et les inconvénients des solutions connues. A cet effet, le réseau d'éléments rayonnants est constitué par un ensemble de motifs conducteurs plats séparés par des motifs diélectriques, les motifs étant disposés périodiquement et formant une topologie autocomplémentaire Par 1 i O autocomplémentaire, on entend une géométrie dans laquelle, si l'on remplace les parties conductrices par un matériau diélectrique et, inversement, les parties diélectriques par un matériau conducteur, on obtient la même figure à une translation près. D'autres objets, particularités et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, illustrée par les dessins annexés qui représentent: les figures la à ld, un mode de réalisation du réseau selon l'invention; les figures 2 à 8, différents modes de réalisation du réseau selon l'invention. Sur ces différentes figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments. Les figures la et lb représentent, de façon partielle, un premier mode de réalisation du réseau selon l'invention, vu respectivement de dessus et en coupe. Le réseau est constitué d'un ensemble de motifs conducteurs plats P, également connus sous le nom anglo-saxon de patches, affectant une forme de carré dans cet exemple de la réalisation Pour la clarté de la figure la et des autres vues de dessus, les parties conductrices sont quadrillées Ces motifs sont disposés périodiquement de sorte que leurs sommets 7 soient sensiblement adjacents et que les diagonales des carrés soient alignées, selon des horizontales et des verticales dans cet exemple: ils forment ainsi un damier Les patches P sont réalisés par exemple par des dépôts métalliques sur un substrat D diélectrique 1, dont l'autre face porte également un dépôt métallique R sur l'ensemble de sa surface, formant réflecteur pour les éléments rayonnants P La géométrie obtenue est une topologie autocomplémentaire, au sens défini plus haut: en effet, si on supprime les parties conductrices P pour laisser apparaître le diélectrique 1 et, réciproquement, on dispose des patches P dans les zones, appelées zones complémentaires et repérées 8, o le diélectrique apparaît sur la figure la, on obtient une configuration identique, translatée selon l'une ou l'autre des diagonales des carrés, d'une distance D égale au côté d'un carré P. Dans ce mode de réalisation, l'excitation des motifs conducteurs est réalisée par couplage avec une ligne micro-ruban A cet effet, des fentes 3 sont réalisées dans le réflecteur R par exemple au droit des sommets 7 des patches P, ceux-ci étant coupés ou arrondis de sorte à être sans contact électrique l'un avec l'autre et à ménager un espace 9 entre deux patches P consécutifs En outre, le réseau comporte un second substrat diélectrique 2, disposé sur le réflecteur R de sorte que celui- ci soit pris en sandwich entre les deux substrats 1 et 2 Des bandes conductrices, ou rubans, sont déposés à la surface libre du substrat 2 de sorte à passer au-dessous des fentes 3, constituant ainsi, avec le substrat diélectrique 2 et le plan conducteur R, des lignes micro-rubans Dans la variante de réalisation représentée sur la figure lb, l'extrémité de chacun des rubans est connectée au réflecteur R dans le voisinage d'une fente 3. La figure lc représente une variante du mode d'excitation d'un réseau tel que celui des figures précédentes. Sur cette figure, on a représenté la structure précédente vue en perspective, o on retrouve les substrats diélectriques 1 et 2 séparés par le réflecteur R le substrat 1 portant les patches P Le réflecteur R présente les mêmes fentes 3 au droit des sommets 7 des patches P, excités comme précédemment par la ligne à ruban 4. L'excitation des patches est ici réalisée directement aux sommets 7 de deux patches voisins au moyen d'un tronçon de ligne à ruban 10, le tronçon 10 étant lui-même excité par les lèvres de la fente 3 située en vis-à-vis des sommets 7 considérés. On a représente sur la figure ld un mode de réalisation du circuit d'alimentation utilisable pour une structure telle que celle des figures précédentes. Sur cette figure, on a représenté le substrat 2, vu de dessous, et deux fentes 3 visibles en pointillés, réunies par le conducteur 4 de la ligne micro-ruban qui provient d'un conducteur unique 40, se divisant en deux branches sur chacune desquelles est par exemple disposé un déphaseur 41, électriquement commandable Chacune des fentes 3 peut être associée de la sorte à sa voisine, les conducteurs 40 étant également réunis deux à deux pour former un distributeur du type chandelier, sur les branches duquel sont disposés les déphaseurs nécessaires. Les dimensions du réseau sont déterminées de façon classique A titre d'exemple, le pas du réseau peut être de l'ordre de la demi-longueur d'onde la plus courte de la bande de fonctionnement et la longueur c de l'espace 9 entre deux patches consécutifs est petit devant cette longueur d'onde; les fentes sont étroites, c'est-à-dire de largeur petite devant la longueur d'onde et leur longueur est par exemple de l'ordre de la demi-longueur d'onde; la distance entre patches et réflecteur, c'est-à-dire l'épaisseur du substrat 1, est généralement inférieure ou égale au quart de la plus petite longueur d'onde de la bande utilisée. Un tel réseau peut émettre une énergie polarisée linéairement; les patches sont alors excités à deux de leurs sommets, situés sur des diagonales parallèles, et engendrent une énergie polarisée parallèlement à cette direction De même pour la direction normale, parallèle aux autres diagonales En excitant les patches à leurs quatre sommets, on peut engendrer une onde de polarisation quelconque ou, à la réception, analyser la polarisation d'une onde incidente. Le fonctionnement d'un tel réseau est le suivant Le théorème de BABINET montre que si un élément rayonnant excité en polarisation linéaire est caractérisé par un diagramme de rayonnement donné dans le plan du champ électrique (par exemple le plan vertical), le complémentaire de cet élément rayonnant, c'est-à-dire un élément dans lequel conducteur et diélectrique sont intervertis, possède dans ce même plan (qui devient celui du champ magnétique) un diagramme de rayonnement de même forme que le premier Selon l'invention, on utilise un réseau périodique et autocomplémentaire d'éléments rayonnants susceptible d'être excité dans diverses polarisations Par application de ce théorème, on voit que le réseau présente une surface caractéristique de rayonnement indépendante de la polarisation d'excitation, ce qui est le but recherché Il en résulte en effet que s'il est excité en polarisation circulaire, combinaison de deux polarisations linéaires orthogonales, le taux d'ellipticité sera indépendant de la direction de pointage du faisceau D'autre part, s'il fonctionne à la réception avec deux accès en polarisations linéaires orthogonales, une onde incidente à polarisation quelconque sera reçue dans les deux accès avec le même coefficient de transfert, donc sans distorsion, permettant ainsi une analyse correcte de la polarisation de l'onde reçue. Par ailleurs, ainsi qu'il est connu, le gain de l'antenne diminue lorsque l'angle de pointage du faisceau, par rapport à la normale au réseau, augmente Cette variation du gain se décompose en une loi théorique en cosinus de l'angle de pointage, à laquelle se superposent diverses causes de perte de gain Tout d'abord, d'une façon générale, il est connu, pour minimiser la perte de gain, de choisir un pas de réseau suffisamment faible, à savoir proche de la demi-longueur d'onde la plus courte de la bande de fréquences utilisées En outre, dans le cas o le pas du réseau est suffisamment faible (au sens mentionné ci-dessus), l'accroissement de la perte de gain aux grands angles de pointage est principalement due à des phénomènes de couplage entre les éléments rayonnants du réseau, qui engendrent des coefficients de réflexion dits actifs et qui sont, de plus, différents selon les plans considérés. Or, on peut montrer qu'une structure autocomplémentaire à pas faible peut être adaptée: les coefficients de réflexion sont alors théoriquement nuls, n'induisant donc pas de perte de gain supplémentaire Enfin, dans le cas particulier des figures précédentes, si on considère la normale au réseau passant par le centre d'un carré, on constate que le réseau reste invariant si on lui fait subir une rotation de 900 autour de cette normale. Cette propriété a pour conséquence que la perte de gain ne dépend alors que de l'angle de pointage avec la normale, quel que soit le plan dans lequel a lieu le pointage: en d'autres termes, la perte de gain est indépendante du plan considéré. De plus, on peut montrer qu'un tel réseau a les propriétés d'une source de HUYGENS (voir par exemple, sur les sources de HUYGENS, l'ouvrage de S DRABOWITCH et C. ANCONA "Antenas", volume 2, page 17, North Oxford Academic, London). La figure 2 représente, de façon fractionnaire et vue en coupe, une variante de réalisation du réseau selon l'invention. Sur cette figure, on retrouve les motifs du type patch, qui peuvent à titre d'exemple affecter la forme et la disposition représentées sur la figure la Ceux-ci sont maintenus parallèlement au plan réflecteur R, chacun par l'intermédiaire d'une tige 5, par exemple métallique, placée au centre du carré. A titre d'exemple, on a représenté un mode d'exci- tation direct des éléments rayonnants. Ceux-ci sont par exemple alimentés par des câbles coaxiaux 6, longeant le réflecteur R puis la tige 5, pour venir se connecter au sommet des patches P, le conducteur extérieur étant connecté au sommet d'un des patches et le conducteur central, au sommet du patch qui est disposé en vis-à-vis Une connexion de ce type peut également être réalisée en technique micro-ruban. La figure 3 représente, de façon fractionnaire et vue de dessus, une autre variante de réalisation du réseau selon ltinvention. Sur cette figure, le réseau est constitué par un ensemble de cornets 11 dont les ouvertures 12, sont par exemple carrées, chaque ouverture étant séparée des autres par des plaques métalliques 13; l'ensemble plaques métalliques (ou motifs conducteurs) ouverture des cornets (ou motifs diélectriques) forme, comme précédemment, une configuration autocomplémentaire Dans ce cas, un réflecteur est inutile. La figure 4 représente un autre mode de réalisation, vu de façon fractionnaire et de dessus, d'un réseau selon l'invention. Sur cette figure, les éléments rayonnants P sont du type patch et sont toujours à titre d'exemple de forme carrée et disposés périodiquement de sorte que leurs sommets 7 soient sensiblement adjacents La figure formée par les éléments de cette figure est identique à celle de la figure la mais tournée de 45 par rapport à cette dernière Cette rotation se traduit par un pas différent pour le réseau: on rappelle en effet que le pas du réseau est égal à la distance séparant les centres de phase de deux patches successifs, projetée sur les axes de balayage, par exemple vertical et horizontal sur les figures. La figure 5 représente un autre mode de réalisation du réseau selon l'invention, vu de dessus de façon partielle, dans lequel les patches P affectent la forme d'une croix. Ils sont, comme précédemment, disposés périodiquement de sorte que certains de leurs sommets soient sensiblement adjacents et qu'ils forment une topologie autocomplémentaire. La figure 6 représente partiellement un autre mode de réalisation du réseau selon l'invention, vu de dessus. Dans ce mode de réalisation, les patches P affectent la forme deux L renversés et accolés et sont, comme précédemment, disposés de sorte à être sensiblement adjacents par l'un de leurs sommets et être disposés régulièrement pour former une topologie autocomplémentaire. La figure 7 représente, en vue de dessus et de façon partielle, un autre mode de réalisation du réseau selon l'invention, dans lequel les patches P sont en forme de losange et séparés par une surface diélectrique 8 également en forme de losange, l'ensemble formant une structure autocomplémentaire. Avec une telle structure, le pas du réseau est différent dans la direction de la grande diagonale des losanges, repérée a (direction verticale par exemple), et dans la direction de la petite diagonale, repérée b (direction horizontale) Il en résulte que la variation de gain en fonction de l'angle de pointage du faisceau est différente dans ces deux plans, tout en restant indépendante de la polarisation. Pour obtenir, en outre, la même variation de gain dans ces deux plans, il est nécessaire que les pas a et b soient égaux, ce qui correspond par exemple aux figures 1, comme exposé plus haut. L'excitation des éléments patches représentés sur les figures 4 à 7 peut être réalisée soit entre les sommets adjacents des patches, comme représenté sur les figures l et 2, soit directement en un point (polarisation linéaire) ou en deux points (polarisation quelconque) de la surface de chacun des patches, selon toute technique connue. La figure 8 représente un autre mode de réalisation du réseau selon l'invention, toujours vu de façon fractionnaire et de dessus. Sur cette figure, les patches P affectent une forme de triangle équilatéral, chacun des sommets du triangle étant sensiblement juxtaposé au sommet d'un triangle voisin, les côtés des différents patches étant alignés Dans ce cas, à l'émission, l'excitation des patches P est réalisé pour chacun d'eux soit par un point d'une médiane, ce qui donne une polarisation parallèle à cette médiane, soit en deux points appartenant respectivement à deux médianes, ce qui permet d'obtenir une polarisation circulaire A la réception, des accès connectés en des points situés sur deux médianes différentes permettent d'analyser deux composantes de la polarisation incidente, de façon analogue à ce qui a été décrit précédemment On peut également utiliser les trois médianes d'un même triangle: cela améliore le degré de symétrie de l'ensemble mais introduit un couplage (ou une redondance) entre les accès qui ne sont plus alors indépendants. Cette structure, également autocomplémentaire, est caractérisée par une symétrie d'ordre 3 alors que les modes de réalisation précédents représentent des structures dont la symétrie est d'ordre 2. Un réseau tel que décrit par les figures précédentes est utilisable dans toute configuration d'antenne réseau connue, utilisant ou non une excitation par rayonnement primaire. La description faite ci-dessus l'a été bien entendu à titre d'exemple non limitatif C'est ainsi notamment qu'on a représenté des structures à motifs en forme de carrés, de losanges ou de triangle mais que, plus généralement, toute forme de motif est possible, sous réserve de former une topologie autocomplémentaire. t il REVEND I CATI ONS 1 Réseau d'éléments rayonnants pour l'émission et/ou la réception d'un faisceau d'énergie électromagnétique, constitué par un ensemble de motifs conducteurs (P) plats séparés par des motifs diélectriques; le réseau étant caractérisé par le fait que les motifs sont disposés périodiquement et qu'ils ont une forme et une disposition telles que la topologie qu'ils forment soit autocomplémentaire. 2 Réseau selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les motifs sont de forme sensiblement carrée. 3 Réseau selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les motifs sont sensiblement en forme de losange. 4 Réseau selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les motifs sont sensiblement en forme de triangle équilatéral. 5 Réseau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les motifs sont disposés dans un plan, devant un plan conducteur formant réflecteur. 6 Réseau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens d'excitation pour l'émission du faisceau d'énergie hyperfréquence et que les motifs excités sont les motifs conducteurs. 7 Réseau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les moyens d'excitation assurent l'excitation des motifs par couplage. 8 Réseau selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que les moyens d'excitation assurent l'excitation des motifs directement par des lignes de transmission hyperfréquence reliées aux dits motifs. 9 Réseau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les motifs sont excités à leurs sommets. Réseau selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens d'excitation pour l'émission du faisceau d'énergie hyperfréquence et que les motifs excités sont les motifs diélectriques. 11 Antenne à balayage électronique, caractérisée par le fait qu'elle utilise un réseau selon l'une des revendications précédentes.