Brevet FR2687850A1 — publié le 19930827

i Dispositif d'alimentation pour antenne plaque à double polarisation croisée et réseau équipé d'un tel dispositif La présente invention se rapporte aux antennes plaques, et a plus particulièrement pour objet un dispositif d'alimentation, ou "distributeur", destiné à un réseau d'antennes plaques à double polarisation croisée, avantageusement réalisé en circuits imprimés Le double dispositif d'ali- mentation selon l'invention est spécialement conçu pour être intégré dans un réseau qui peut comporter plusieurs centaines d'antennes plaques. Dans l'Art Connu, il a été proposé plusieurs solutions pour la conception et l'alimentation de telles antennes. A titre d'exemple, une solution a consisté à prévoir que l'un des distributeurs, en arbre, puisse se trouver sur le circuit imprimé portant les sources rayonnantes et l'autre sur un autre circuit imprimé avec autant de passages que de sources rayonnantes (ou groupe de sources rayon- nantes constituant par exemple des sous-réseaux résonnants) Cette so- lution en réalisation triplaque pour les deux distributeurs et testée dans la bande Ku, est difficile à mettre en oeuvre lorsque plusieurs centaines de sources sont envisagées En outre, elle utilise quatre circuits imprimés juxtaposés Une telle configuration est décrite dans l'article de G DUBOST: "Dual Polarized Microstrip Arrays in S, C, X and Ku Bands", PIERS 1991, July 1,5, Cambridge, Massachussets (USA). D'autres solutions ont été proposées, mais elles ne permettent pas d'obtenir un découplage suffisant exigé pour certaines applications. L'invention vise à pallier les défauts de l'Art Connu. Pour ce faire, elle propose un dispositif d'alimentation comprenant deux lignes de transmissions complètement indépendantes: une pre- mière ligne de transmission du type triplaque et une deuxième ligne de transmission de type microruban. Elle permet d'obtenir ainsi un découplage très important entre les deux voies correspondant aux deux polarisations croisées. L'invention a donc pour objet un dispositif d'alimentation d'au moins une antenne plaque à double polarisation croisée; caractérisé en ce qu'il comprend, pour chaque source, une première ligne de type triplaque comprenant une piste de forme allongée parallèle à une pre- mière direction et disposée entre un premier plan de masse et un second plan de masse; une seconde ligne de type microruban comprenant une piste de forme allongée de direction perpendiculaire à ladite première di- rection et le premier plan de masse; et en ce que les pistes, les premier et second plans de masse sont disposés dans quatre plans, distincts et parallèles entre eux. L'invention a encore pour objet un réseau d'antennes plaques à double polarisation équipé d'un tel dispositif. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à l'aide de la description qui suit et des figures annexées, parmi lesquelles: la figure 1 illustre un dispositif d'alimentation pour antenne plaque à double polarisation croisée selon l'invention; les figures 2 et 3 illustrent un sous-réseau d'antennes plaques in- corporant le dispositif selon l'invention. La figure 1 illustre un dispositif d'alimentation pour antennes plaques à double polarisation croisée selon l'invention. De facon plus précise, le bas de la figure 1 illustre l'antenne et son dispositif d'alimentation vus de haut, par convention Le haut de la figure illustre ces mêmes éléments en coupe CC', c'est-à-dire suivant une di- rection parallèle à l'une des lignes d'alimentation R que l'on va décrire ul- térieurement. La source utilisée S est une antenne plaque, à double polarisation croisée Cette source, dans un exemple de réalisation préféré de l'in- vention, est conforme aux principaux enseignements de la demande de brevet européen publiée sous le N O EP-A O 243 289, le 28 octobre 1987 On pourra se reporter, à titre d'exemple non limitatif, à la variante de réalisation représentée sur les figures 1 et 2 de cette demande On verra cependant que l'alimentation de l'antenne selon l'invention ne n'ef- fectue plus par deux lignes triplaques, contrairement aux dispositions prises dans la demande de brevet européen précitée. Les principales caractéristiques de l'antenne plaque pouvant être utilisées dans le cadre de l'invention vont maintenant être rappelées. La source S se compose de deux doublets plaques, repliés et entrelacés, métallisés sur la même face d'un circuit imprimé Pour per- mettre son utilisation à un très grand nombre d'exemplaires dans un ré- seau, elle est découplée du plan métallique M commun à toutes les sources à l'aide de quatre fenêtres F 1 à F 4 non conductrices. La caractéristique principale de l'invention consiste à alimenter une telle source à double polarisation à l'aide de deux lignes de transmission complètement indépendantes Trois circuits imprimés juxtaposés Cll, C 12 et C 13 sont nécessaires Ces circuits imprimés peuvent naturellement être constituées des couches successives d'un circuit imprimé multicouches. L'une des lignes de transmission, du type triplaque, possède une piste T et deux plans de masse M et CP ou encore contrepoids métal- lique L'autre, du type microruban, comprend une piste R et de nouveau le plan de masse M La longueur des deux lignes ouvertes à leurs extré- mités est voisine du quart-d'onde Ces longueurs sont notées Il et 12 sur la figure 1 Dans la mesure o l'épaisseur du plan métallique M est grande devant l'épaisseur de peau (par exemple une épaisseur de circuit imprimé de 17,5 um), le couplage entre les deux lignes de transmission est très faible. Les fenêtres F 1 à F 4 sont réalisées, par exemple, par ablation de la métallisation Elles sont en forme de portion de couronnes, le centre commun O étant au point de croisement des pistes R et T, centre de la source S, lorsque l'on regarde la source en projection. Des largeurs de pistes R et T sont notées, respectivement, wl et w 2 Les épaisseurs des circuits imprimés Cll à C 13 ont été notées sur la figure 1: H 1, H 2 et H 3 Tous ces paramètres dépendent de l'application envisagées ou de choix technologiques. Des essais ont été effectués sur un dispositif conforme à l'inven- tion Avec les valeurs des paramètres caractérisant le dispositif tel que ci-dessous: H 1 = H 2 = H 3 = 0,8 mm Er = 2,2 (permittivité relative du substrat du circuit imprimé) w 1 = 0,68 mm W 2 = 0,3 mm 11 = 4,5 mm 12 = 3,55 mm Les caractéristiques radioélectriques suivantes ont été mesurées dans la bande de fréquences utilisée pour la réception du satellite "DBS" ("Direct Broadcasting Satellite") a) "rapport d'ondes stationnaires" (R O S) de l'impédance rappor- tées à 100 Q: R.OS -30 d B de 11,85 à 12,2 G Hz. Les impédances d'entrée ont été adaptées à l'aide de transforma- teurs quart-d'onde Ceux-ci ont été réalisés soit en ligne triplaque pour la ligne de transmission triplaque, soit en ligne microruban pour la ligne de transmission microruban Ils seront illustrés ultérieurement par référence aux figures 2 et 3. On voit que l'objet principal de l'invention, c'est-à-dire d'obtenir un découplage très important entre polarisations croisées est bien atteint. La réalisation d'un dispositif selon l'invention tel qu'il vient d'être décrit est susceptible de plusieurs variantes de réalisations pratiques. Le tableau 1, placé en fin de la présente description, montre quatre solutions notées A, B, C et D, pour réaliser la métallisation des éléments R, M, T et CP Le choix s'effectue en fonctions de données essentielle- ment de nature technologique, notamment des tolérances de réalisation de la métallisation des circuits imprimés et de la précision nécessaire pour assurer une bonne position mécanique pour la coïncidence des trois circuits imprimés juxtaposés Dans ce tableau, il est indiqué sur quel cir- cuit imprimé et sur quelle face de ce circuit est réalisé tel élément de mé- tallisation Par convention, les faces notées "face 1 " sont les faces su- périeures (figure 1) et "face 2 ", les faces inférieures. A titre d'exemple, si l'on considère la variante notée A, la métalli- sation de R est réalisée sur la "face 1 " du circuit imprimé Cl 1, la métallisation T sur la "face 2 " de C 12, la métallisation de M sur la "face 2 " de Cli et la métallisation de CP sur la "face 2 " de C 13. En outre, pour la variante notée D, le circuit C 12 est simplement constitué par une feuille en diélectrique Il faut noter que la métallisation CP, sur le circuit imprimé C 13, peut être remplacé par une plaque métal- lique si l'on désire une rigidité de l'ensemble plus importante Dans ce cas, et seulement pour les solutions A et B, le circuit imprimé C 13 peut être remplacé par une simple feuille métallique et une feuille de diélec- trique entre cette feuille métallique et le circuit imprimé C 12. Un réseau utilisant des dispositifs conformées à l'invention va maintenant être décrit en référence aux figures 2 et 3 En réalité, on a représenté sur ces figures deux sous-réseaux résonnants de dix sources rayonnantes chacun Plus particulièrement, ces sous-réseaux ont été réa- lisés selon la variante notée B du tableau 1. Plus particulièrement la figure 2 correspond à l'alimentation par lignes triplaques de chaque sous-réseau résonnant dont la directivité est maximale dans le "plan E" ou polarisation électrique La figure 3 corres- pond, pour sa part, à l'alimentation par lignes microrubans de chaque sous-réseau résonnant dont la directivité est maximale dans le "plan H" ou polarisation magnétique. Sur ces deux figures, on a représenté deux bandes de dix sources chacune distribuées parallèlement à un axe A Ces sources ont été libel- lés S 100 à 5109 et 5200 à 5209 Seule la source 5204, dans la zone centrale des sources 5200 à 5209, a été détaillée à titre d'illustration plus complète de l'invention. Sur la figure 2, le sous-réseau représenté est alimenté par deux lignes primaires comprenant notamment les pistes T 10 et T 20 Ces lignes alimentent à leurs tours, dans une zone centrale, deux lignes secondaires T 100 et T 200 qui se ramifient également en lignes d'alimentation indivi- duelles des sources Les lignes primaires d'alimentation T 10 et T 20 ainsi que les lignes secondaires T 100 et T 200 s'étendent parallèlement à l'axe A entre deux bandes de sources Les lignes individuelles, telle la ligne T 204, sont tout d'abord perpendiculaires à A, entre deux sources contig es puis de nouveau parallèles à A pour croiser les lignes ruban (figure 3) La ligne T 204 en constitue un exemple pour la source 5204. On a représenté également sur la figure 2, des transformateurs d'adaptation, entre les lignes primaires et secondaires: transformateurs Trj O et Tr 2 O; et entre les lignes secondaires et les lignes d'alimentation individuelles, par exemple le transformateur Tr 204 Ils sont réalisés de la même manière que les lignes elles-mêmes, c'est-à- dire en technologie triplaque pour la partie du sous-réseau de la figure 2 Le rôle de ces transformateurs a été précisé précédemment en relation avec la descrip- tion de la figure 1. Les centres de deux sources contig es sont éloignés d'une dis- tance constante d Cette largeur est donnée par la relation relation dans laquelle X O est la longueur d'onde dans l'air et er la permit- tivité relative du substrat du circuit imprimé. Cette configuration de distributeurs en arbre permet d'alimenter toutes les sources en phase, d'une part, et permet, d'autre part, d'obte- nir un réseau équilibré du fait de la symétrie dans l'alimentation des sources d'un même sous-réseau. Puisqu'on a décrit plus particulièrement la solution B, présentée dans le tableau I placée en fin de la présente description, les lignes T 10, T 20, T 100, T 200 et les lignes individuelles d'alimentation telle que la ligne T 204 sont réalisées par métallisation de la "face 2 " du circuit imprimé C 12 (figure 1) Le plan de masse M est réalisé par métallisation de la "face 1 " de ce circuit imprimé et le plan de masse CP, dit de contre-poids métallique, est réalisée par métallisation de la "face 2 " du circuit C 13. La figure 3 correspond à l'alimentation par lignes microrubans On a représenté le même sous-réseau résonnant comportant deux bandes de dix sources 5100 à 5209 réparties régulièrement parallèlement à l'axe A. La configuration des lignes microrubans est analogue à celle représentée sur la figure 2 pour les lignes triplaques On retrouve des lignes primaires R 10 et R 20 et secondaires R 100 et R 200 par bandes de dix sources La jonction entre ces deux types de lignes est réalisée au milieu des lignes secondaires. On doit cependant noter que la distance de translation, égale à d = 17 mm entre sources adjacentes d'un sous-réseau, correspond pour 11,9 G Hz, fréquence centrale de la bande de fréquence de réception du satellite DBS ( 11,7 à 12,1 G Hz), à une longueur d'onde de phase dans la ligne triplaque Comme on l'a vu précédemment, la distance d est don- née par la relation d = = 0,674 X O Pour la ligne microruban, la longueur d'onde de phase est plus grande et c'est la raison pour laquelle les lignes d'alimentation R 100 et R 200 devant avoir entre deux sources adjacentes une longueur supé- rieure à 17 mm, sont sinueuses comme il est représenté à la figure 3. Enfin, pour chaque source, telle la source 5204, partent en déri- vation des lignes R 100 ou R 200, perpendiculaires à l'axe A et des lignes d'alimentation individuelles Un exemple est donné par la ligne R 204 (source 5204). De la même manière que pour la figure 2, on a représenté sur la fi- gure 3 des transformateurs d'adaptation T'r 10, T'r 20 et T'r 204 Ils sont naturellement réalisés en technologie à ligne de type microruban. Cette configuration de distributeurs en arbre assure donc égale- ment pour cette polarisation du sous-réseau une alimentation en phase de toutes les sources et permet d'obtenir un réseau équilibré du fait de la symétrie de l'alimentation. Toujours dans le cas de la solution B, les lignes R 10, R 20, R 100, R 200 et les lignes particulières d'alimentation de sources telle la ligne R 204 sont réalisées par métallisation de la "face 1 " du circuit imprimé C 11 (figure 1), le plan de masse M étant réalisé sur la "face 1 " du circuit imprimé C 12 comme on l'a indiqué précédemment. Pour fixer les idées, sans que cela soit limitatif, on a indiqué sur les figures 2 et 3 quelques détails d'ordre constructif. Sur la figure 2, outre la distance de translation d, on a fait figuré la distance I séparant deux centres de sources Dans l'exemple d'antenne expérimentée, avec er = 2,2, I = 0,944; o (avec Xrj longueur d'onde dans le vide à la fréquence centrale). Les lignes d'alimentation individuelle, telle la ligne T 204, ont un tronçon plus large dans la zone de connexion avec les lignes secondaires T 100 et T 200 Celui-ci s'étend sur une longueur, par exemple 1204, donnée par la relation 1204 = 0,17 0. Les axes des deux rangées de sources sont éloignés d'une distance d 2, donnée par la relation d 2 = 0,944 Xr 0. La distance d est naturellement donnée par la même relation pour les figures 2 et 3 Comme il a été indiqué d = 0,674 o 0. Dans la réalité, un réseau d'antennes plaques comporte générale- ment davantage de sous-réseaux résonnants représentés sur les figures 2 et 3 Un réseau complet (non représenté) comportera typiquement des centaines d'antennes plaques Il est obtenu simplement par augmentation du nombre de sous-réseaux L'ensemble aura la configuration d'une matrice régulière de N sous-réseaux chacun comportant p source. Des sous-réseaux résonnants conformes à ceux qui viennent d'être décrits en relation avec les figures 2 et 3 ont été réalisés. Les résultats expérimentaux obtenus sur ces deux sous-réseaux résonnants sont les suivants: le rapport d'onde stationnaire (R O S) de l'impédance d'entrée rapportée à 100 ohms reste inférieur à 1,85 entre 11,8 et 12,2 G Hz. le découplage entre polarisations croisées d'une même colonne (par exemple pour les sources 5100 à 51 10), c'est-à-dire entre les deux accès du sous-réseau, reste meilleur que -30 d B; les fréquences variant de 11,7 à 12,1 G Hz. Le but principal que se fixe l'invention, un très bon découplage entre les deux polarisations croisées, est donc bien atteint. Un deuxième avantage des dispositifs d'alimentation selon l'inven- tion est que le nombre des pistes des lignes d'alimentation localisées entre deux sous-réseaux adjacents est réduit à deux Ceci est important pour éviter des couplages indésirables entre les lignes, dans la mesure o la source rayonnante a un diamètre voisin de 0,65 1 o (X O étant la lon- gueur d'onde du vide à la fréquence centrale) et o la distance entre sous-réseaux adjacents doit rester inférieure à X O pour éviter les lobes de réseaux. L'invention n'est pas limitée au seul dispositif d'alimentation préci- sément décrit En particulier, les sources du type décrit en relation avec la figure 1, bien que spécialement adaptées, peuvent être remplacées par d'autres sources de l'Art Connu dans la mesure o elles peuvent être alimentées conformément aux enseignements de l'invention. L'invention s'applique plus particulièrement aux antennes de ré- ception satellite à double polarisation, notamment pour la réception du satellite DBS, et de façon plus générale à la réception d'émissions de té- lévision. _ _ _ _ _ _ _ NI du circuit C 12 C 13 C 11 imprimé Désignation de Face 1 Face 2 Face 1 Face 2 Face 1 Face 2 la structure métallique R A, B C, D T A,B C,D M B,C A,D CP A,B C,D _ _ _ _ _ _ Répartitions des structures métalliques sur les 3 circuits imprimés. (Suivant les 4 solutions A, B, C, D) R Piste de la ligne microruban M Plan métallique commun à toutes les sources rayonnantes à double polarisation croisée. T: Piste de la ligne triplaque. CP: Contrepoids métalliques. TABLEAU I REVENDICATIONS 1 Dispositif d'alimentation d'au moins une antenne plaque (S) à double polarisation croisée; caractérisé en ce qu'il comprend, pour chaque source (S), une première ligne de type triplaque comprenant une piste (T) de forme allongée parallèle à une première direction et disposée entre un premier plan de masse (M) et un second plan de masse (CP); une seconde ligne de type microruban comprenant une piste (R) de forme allongée de direction perpendiculaire à ladite première direction et le premier plan de masse (M); et en ce que les pistes (T, R), les premier (M) et second (CP) plans de masse sont disposés dans quatre plans, dis- tincts et parallèles entre eux. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la piste (T) de la ligne de type triplaque et la piste (R) de la ligne de type micro- ruban se croisent dans une zone centrale ( 0) de chaque source (S) et se prolongent sur des longueurs (Il et 12), pour former, respectivement, une ligne quart d'onde de type triplaque et une ligne quart d'onde de type microruban, ces lignes étant ouvertes à leurs extrémités. 3 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits quatre plans constituent chacun une des faces, inférieures ou supérieures, d'un empilement de trois circuits impri- més (Cl 1 à C 13) superposés. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la ligne de type microruban est constituée par une piste (R) métallisée sur la face supérieure du circuit imprimé supérieur (CI 1) dudit empilement et d'un plan de masse (M) réalisé par métallisation de la face inférieure de ce cir- cuit imprimé (Cl 1); et en ce que la ligne triplaque est constituée par ledit plan de masse (M), une piste (T) réalisée par métallisation de la face in- férieure du circuit imprimé intermédiaire (C 12) dudit empilement et un se- cond plan de masse réalisé par métallisation de la face inférieure du cir- cuit imprimé inférieure (C 13). Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la ligne de type microruban est constituée par une piste (R) métallisée sur la face supérieure du circuit imprimé supérieur (Cl 1) dudit empilement et d'un 1 1 plan de masse (M) réalisé par métallisation de la face supérieure du cir- cuit imprimé intermédiaire (C 12); et en ce que la ligne triplaque est constituée par ledit plan de masse (M), une piste (T) réalisée par métalli- sation de la face inférieure du circuit imprimé intermédiaire (CI 2) et un second plan de masse réalisé par métallisation de la face inférieure du circuit imprimé inférieur (C 13). 6 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la ligne de type microruban est constituée par une piste (R) métallisée sur la face supérieure du circuit imprimé supérieur (Cl 1) dudit empilement d'un plan de masse (M) réalisé par métallisation de la face supérieure du circuit im- primé intermédiaire (C 02); et en ce que la ligne triplaque est constituée par ledit plan de masse (M), une piste (T) réalisée par métallisation de la face supérieure du circuit imprimé inférieur (C 13) dudit empilement et un second plan de masse réalisé par métallisation de la face inférieure de ce circuit imprimé (C 13). 7 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la ligne de type microruban est constituée par une piste (R) métallisée sur la face supérieure du circuit imprimé supérieur (Cl 1) dudit empilement et d'un plan de masse (M) réalisé par métallisation de la face inférieure de ce cir- cuit imprimé (Cli); et en ce que la ligne triplaque est constituée par ledit plan de masse (M), une piste (T) réalisée par métallisation de la face su- périeure du circuit imprimé inférieur (C 13) dudit empilement et un second plan de masse (CP) réalisé par métallisation de la face inférieure du cir- cuit imprimé inférieur (C 03). 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, ca- ractérisé en ce que la métallisation formant le second plan de masse (CP) est remplacée par une plaque métallique rigide. 9 Réseau d'antennes plaques organisé selon une matrice de n sous- réseaux résonnants chacun comportant p sources ( 5100 à 5209), caractérisé en ce qu'il est équipé d'un dispositif d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8; et en ce que chaque ligne d'alimentation, du type triplaque, respectivement du type microruban, est constitué d'un distributeur configuré en forme d'arbre comprenant, par ligne, une ligne principale (T 10 et T 20, R 10 et R 20) s'étendant parallèlement à ladite colonne et une ligne secondaire (T 100 et T 200, R 100 et R 200), parallèle à cette ligne et connectée en une zone médiane, et, pour chaque source ( 5204), une ligne d'alimentation individuelle (T 204, R 204), les connexions avec les lignes secondaires étant régulièrement réparties le long de celles-ci. Réseau selon la revendication 9; caractérisé en ce qu'à l'inté- rieur d'un sous-réseau résonnant ( 510 o à 5109, 5200 à 5209), les sources sont régulièrement réparties et leurs centres espacés d'une distance d telle que d =, o /f û-, avec '0 la longueur d'onde du rayonnement dans l'air et 8 r la permittivité relative du milieu formant les lignes. 11 Réseau selon la revendication 10, caractérisé en ce que les longueurs de pistes (T) formant la ligne de type triplaque entre deux desdites connexions, reliant les lignes secondaires (T 100 et T 200) aux lignes d'alimentation individuelles (T 204), sont égales à la distance d, ces longueurs étant égales elles-mêmes à une longueur d'onde de phase dans la ligne triplaque; et en ce que les lignes secondaires sont constituées de segments de droites de longueurs d. 12 Réseau selon la revendication 11, caractérisé en ce que les longueurs de piste (R) formant la ligne de type microruban entre deux desdites connexions reliant les lignes secondaires (R 100 et R 200) aux lignes d'alimentation individuelles (R 204) étant égales à la longueur d'onde de phase d'une ligne d'alimentation de type microruban, cette longueur d'onde de phase étant plus grande que la longueur d'onde de phase dans la ligne d'alimentation de type triplaque, les lignes secon- daires (R 100 et R 200) sont de forme sinusoïdale.