Brevet FR2713020A1 — publié le 19950602

Elément rayonnant du type dipôle réalisé en technologie imprimée, procédé d'ajustement de l'adaptation et réseau correspondants. Le domaine de l'invention est celui des antennes de télécommunication jusqu'à des fréquences de l'ordre du gigahertz. Plus précisément, l'invention concerne un élément rayonnant du type dipôle. En effet, il est encore fréquent, dans les télécommunications hautes fréquences, d'utiliser un tel élément rayonnant du type dipôle en tant qu'antenne émettrice ou réceptrice omnidirectionnelle. L'invention a de nombreuses applications, telles que par exemple les relevés de champs, du type mesure de diagrammes d'antennes ou encore mesure de compatibilité électromagnétique. Les éléments rayonnants du type dipôle connus de l'état de la technique sont généralement constitués d'éléments de lignes bifilaires, c'est-à-dire de tiges cylindriques conductrices, alimentés par une ligne d'alimentation. Ces éléments rayonnants connus constitués de tiges conductrices présentent des performances relativement large-bande, ce qui les rend utilisables dans de nombreuses applications. Toutefois, plusieurs inconvénients sont liés à leur utilisation. En effet, les lignes d'alimentation (par exemple les lignes coaxiales) sont généralement dissymétriques, alors que les éléments rayonnants sont eux symétriques. Par conséquent, afin que le rayonnement de ces éléments rayonnants soit acceptable, il convient d'utiliser un symétriseur. Un symétriseur se représente traditionnelllement comme un transformateur qui fait intervenir des impédances localisées ou distribuées, et permet, lorsqu'il est placé entre un élément rayonnant symétrique et une ligne d'alimentation dissymétrique, de rendre les courants symétriques sur la structure rayonnante. Un tel symétriseur présente l'inconvénient majeur de nécessiter une mise au point toujours délicate. On connaît également des éléments rayonnants constitués de tiges cylindriques qui sont autosymétrisés, de façon à pouvoir être utilisés sans symétriseur. L'obtention, sur ces éléments rayonnants, d'une telle caractéristique d'autosymétrie ne peut toutefois être obtenue qu'au détriment d'une complexité accrue de leur structure. Un autre inconvénient de ces éléments rayonnants connus du type dipôle à tiges cylindriques est lié à leur adaptation à la ligne d'alimentation à laquelle ils sont reliés. En effet, sans une telle adaptation, l'énergie émise par un générateur et transmise à un élément rayonnant par une ligne d'alimentation n'est pas rayonnée par l'élément rayonnant mais renvoyée sur le générateur. Généralement, cette adaptation est réalisée grâce à l'utilisation de deux tronçons supplémentaires (ou stubs) placés l'un en série et l'autre en parallèle. On parle alors d'adaptation double stub. Or, la détermination de la longueur de chaque stub (série ou parallèle) étant empirique, l'adaptation nécessite de nombreuses opérations de soudure/dessoudure. Enfin, d'une façon générale, ces éléments rayonnants connus du type dipôle à tiges cylindriques présentent un encombrement relativement important ainsi qu'un maniement mécanique parfois difficile. L'invention a notamment pour objectif de pallier ces différents inconvénients de l'état de la technique. Plus précisément, un objectif de l'invention est de fournir un élément rayonnant du type dipôle qui possède une large bande passante et des diagrammes omnidirectionnels tout en présentant un faible encombrement et une mise en oeuvre mécanique très simple. L'invention a également pour objectif de fournir un tel élément rayonnant du type dipôle qui ne nécessite pas l'utilisation conjointe d'un symétriseur. Un autre objectif de l'invention est de fournir un tel élément rayonnant du type dipôle qui soit facilement adaptable à la ligne d'alimentation à laquelle il est relié. Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints selon l'invention à l'aide d'un élément rayonnant du type dipôle constitué de: - une plaque de substrat; - une ligne d'alimentation située sur la face inférieure de ladite plaque de substrat; - un dépôt métallique situé sur la face supérieure de ladite plaque de substrat et sensiblement en forme en T: la barre horizontale dudit T étant constituée de deux brins latéraux séparés par une fente de couplage, et la barre verticale dudit T constituant un plan de masse pour ladite ligne d'alimentation, lesdits brins latéraux constituant la partie rayonnante dudit élément rayonnant; ladite ligne d'alimentation présentant une première portion d'extrémité s'étendant selon un axe interceptant l'axe de ladite fente et dépassant dudit axe de la fente de couplage d'une première longueur variable, et ladite fente présentant une seconde portion d'extrémité dépassant de l'axe de ladite première portion d'extrémité de la ligne d'alimentation d'une seconde longueur variable. L'élément rayonnant selon l'invention est donc réalisé en technologie imprimée, ce qui permet un gain de place considérable et un maintien mécanique beaucoup plus aisé. Par ailleurs, le dépôt métallique comprend d'une part les deux brins latéraux (formant la barre horizontale du T) qui constituent le dipôle proprement dit, et d'autre part un prolongement, selon une direction orthogonale à ces brins latéraux (prolongement formant la barre verticale du T), qui constitue le plan de masse pour la ligne d'alimentation. Ainsi, la présence de ce plan de masse associé à la ligne d'alimentation assure que l'alimentation est autosymétrisée. En d'autres termes, l'élément rayonnant selon l'invention ne nécessite pas l'utilisation conjointe d'un symétriseur. De plus, la ligne d'alimentation alimente les deux brins latéraux par l'intermédiaire de la fente de couplage. Enfin, afin de pouvoir mettre en oeuvre le principe connu de l'adaptation double stubs dans le cas d'un élément rayonnant réalisé en technologie imprimée, l'invention propose une réalisation originale des stubs ou tronçons d'adaptation série et parallèle. En effet, selon l'invention: - le stub série est constitué de la première portion d'extrémité de la ligne d'alimentation qui dépasse de l'axe de la fente, et possède la première longueur variable; et - le stub parallèle est constitué de la seconde portion d'extrémité de la fente qui dépasse de la première portion d'extrémité de la ligne d'alimentation, et possède la seconde longueur variable. Un choix convenable de ces première et seconde longueurs variables permet d'adapter l'élément rayonnant sur une large bande. Avantageusement, ladite fente est de forme rectangulaire. Préférentiellement, la longueur cumulée de l'ensemble desdits deux brins latéraux est sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde de fonctionnement dudit élément rayonnant. Ainsi, on obtient des valeurs classiques d'impédance de rayonnement pour les deux brins latéraux constituant le dipôle proprement dit. Avantageusement, lesdits deux brins latéraux sont de même longueur. De façon avantageuse, ladite ligne d'alimentation est une ligne microruban. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, l'élément rayonnant comprend des premiers moyens à capacité variable connectés entre un plan de masse et l'extrémité de ladite ligne d'alimentation située dans ladite première portion d'extrémité De cette façon, la modification de la capacité de ces premiers moyens a le même effet qu'un allongement ou une diminution "physique" (c'est-à-dire réelle) de la première longueur variable. Dans un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, l'élément rayonnant comprend des seconds moyens à capacité variable connectés entre un plan de masse et l'extrémité de ladite fente située dans ladite seconde portion d'extrémité. Ainsi, on agit sur la seconde longueur variable comme expliqué précédemment pour la première longueur variable. Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, l'élément rayonnant comprend également des moyens de réflexion permettant de supprimer un rayonnement arrière dudit élément rayonnant. De cette façon, on dirige vers l'avant l'énergie rayonnée par l'élément rayonnant. Ceci permet de gagner à peu près 3 dB sur le maximum de directivité de l'élément rayonnant. L'invention concerne également un réseau d'éléments rayonnants comprenant au moins deux éléments rayonnants selon l'invention. Enfin, l'invention concerne aussi un procédé d'ajustement de l'adaptation d'un élément rayonnant, caractérisé en ce qu'il comprend une première étape d'ajustement de ladite première longueur variable et une seconde étape d'ajustement de ladite seconde longueur variable. En effet, il est toujours nécessaire d'ajuster les valeurs des première et seconde longueurs variables (des stubs série et parallèle) que le principe de l'adaptation double stub permet de calculer théoriquement. Dans un premier mode de réalisation avantageux de ce procédé selon l'invention, ladite première étape d'ajustement de la première longueur variable consiste à découper partiellement ladite première portion d'extrémité de la ligne d'alimentation, et ladite seconde étape d'ajustement de la seconde longueur variable consiste à boucher partiellement ladite seconde portion d'extrémité de la fente avec un matériau conducteur. Dans un second mode de réalisation avantageux du procédé selon l'invention, ladite première étape d'ajustement de la première longueur variable consiste à modifier la valeur de la capacité de premiers moyens à capacité variable connectés entre un plan de masse et l'extrémité de la ligne d'alimentation située dans la première portion d'extrémité, et ladite seconde étape d'ajustement de la seconde longueur variable consiste à modifier la valeur de la capacité de seconds moyens à capacité variable connectés entre un plan de masse et l'extrémité de la fente située dans la seconde portion d'extrémité. En d'autres termes, le premier mode de réalisation correspond par exemple à une ou plusieurs actions "manuelles" alors que le second mode de réalisation correspond par exemple à une ou plusieurs actions "électroniques". D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, donné à titre d'exemple indicatif et non limitatif, et des dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 présente une vue en perspective d'un mode de réalisation préférentiel de l'élément rayonnant selon l'invention; - la figure 2 présente un schéma électrique équivalent d'un élément rayonnant selon l'invention; - la figure 3 présente un exemple de moyens à capacité variable pouvant être mis en oeuvre dans un élément rayonnant selon l'invention; - la figure 4 présente une courbe de variation, en fonction de la fréquence, du rapport d'onde stationnaire pour un exemple d'élément rayonnant selon l'invention; - la figure 5 présente, sur un abaque de Smith, le principe de l'adaptation double stub; - la figure 6 présente un second mode de réalisation d'un élément rayonnant selon l'invention comprenant un réflecteur; - la figure 7 présente un exemple de réseau comprenant plusieurs éléments rayonnants selon l'invention; et - la figure 8 présente une courbe de variation, dans un abaque de Smith, de l'impédance d'entrée pour un exemple d'élément rayonnant selon l'invention. L'invention concerne donc un élément rayonnant du type dipôle réalisé en technologie imprimée. La figure 1 présente une vue en perspective d'un mode de réalisation d'un tel élément rayonnant. Comme montré sur cette figure 1, l'élément rayonnant selon l'invention comprend principalement une plaque de substrat 1, une ligne d'alimentation 2, et un dépôt métallique 3. La plaque de substrat 1 est par exemple un substrat Duroid du type verre téflon, possédant une permittivité relative er = 2,2 et une épaisseur h = 0,76 mm. La ligne d'alimentation 2 est située sur la face inférieure de la plaque de substrat 1. Il s'agit par exemple d'une ligne microruban de largeur w. Cette ligne d'alimentation 2 est reliée à un connecteur 4 (par exemple de type SMA) permettant de relier l'élément rayonnant à un câble coaxial traditionnel (non représenté). Le dépôt métallique 3 est situé sur la face supérieure de la plaque de substrat 1 et est en forme de T. La barre horizontale de ce T du dépôt métallique, qui est la partie rayonnante 8 de l'élément rayonnant, est constituée de deux brins latéraux 5, 6 séparés par une fente de couplage 7. La longueur L de cette partie rayonnante 8 est choisie égale à la moitié de la longueur d'onde de fonctionnement, de façon à avoir une valeur classique d'impédance, à savoir Zr = 73 Qf + j 42 Q (la partie imaginaire de Zr pouvant être annulée en retouchant légèrement la longueur L de la partie rayonnante). La longueur L et la largeur W de cette partie rayonnante 8 déterminent les propriétés mécaniques propres à l'élément rayonnant. Dans l'exemple présenté, les deux brins latéraux 5, 6 sont de même longueur L/2. La ligne d'alimentation 2 alimente la partie rayonnante 8 (c'est-à-dire les deux brins latéraux 5, 6) par l'intermédiaire de la fente de couplage 7. Cette fente 7 est par exemple de forme rectangulaire. La barre verticale 11 du T du dépôt métallique 3 s'étend à partir des deux brins latéraux 5, 6 jusqu'au connecteur 4. Cette partie 11 du dépôt métallique 3 constitue un plan de masse pour la ligne d'alimentation 2 située sur l'autre face de la plaque de substrat 1. De cette façon, l'élément rayonnant génère des courants symétriques sur la partie rayonnante 8. En d'autres termes, l'élément rayonnant de l'invention est autosymétrisé. La ligne d'alimentation 2 possède à son extrémité opposée à celle reliée au connecteur 4, une portion d'extrémité de longueur 11 s'étendant au delà de l'axe de la fente 7. Cette première longueur 11 de la portion d'extrémité de la ligne d'alimentation 2 constitue un stub série 9 circuit-ouvert. La fente de couplage 7 possède une portion d'extrémité de longueur 12 s'étendant au delà de la ligne d'alimentation 2. Cette seconde longueur 12 de la portion d'extrémité de la fente 7 constitue un stub parallèle 10 court-circuit en ligne à fente. Ainsi, l'élément rayonnant selon l'invention comprend, bien que réalisé en technologue imprimée, un stub série et un stub parallèle. Ces deux stubs série et parallèle permettent l'adaptation de l'élément rayonnant, selon le principe de l'adaptation double stub, sur une large bande de fréquences. Le principe de l'adaptation double stub est maintenant expliqué brièvement en relation avec la figure 2, qui présente un schéma électrique équivalent d'un élément rayonnant selon l'invention, et la figure 5 qui présente un abaque de Smith sur lequel apparaissent les principales étapes de mise en oeuvre de ce principe. Comme cela apparaît sur la figure 2: - la partie rayonnante présente une impédance Zr = Rr + j Xr; - le stub série de longueur 11 présente une réactance ajustable X l (Xl étant fonction de 11);et - le stub parallèle de longueur 12 présente une susceptance ajustable B2 (B2 étant fonction de 12). L'adaptation de l'élément rayonnant consiste à rendre l'impédance d'entrée Ze de cet élément rayonnant égale à l'impédance caractéristique Zc du câble coaxial. Typiquement, on a Zc = 50 Q. Cette adaptation (c'est-à- dire l'égalité Ze = Zc) est réalisée grâce à un choix convenable de la réactance X 1 et de la susceptance B2, c'est-à-dire des longueurs 11 et 12 des stubs série et parallèle. Comme présenté en relation avec la figure 5, l'abaque de Smith permet de déterminer les valeurs acceptables de X1 et B2, à partir de la valeur de Zr = l/Yr. Les étapes de calcul sont les suivantes: - on construit le cercle G = 1 décalé de 180 degrés, pour le passage en admittance: - à partir du point Yr, on ajoute j B2 en se déplaçant le long du cercle à conductance constante, jusqu'à l'intersection avec le cercle G = 1 décalé. La nouvelle valeur de l'admittance est Y'L OU Y"L; - on prend le symétrique de Y'L ou Y"L pour avoir la nouvelle valeur en impédance (à savoir Z'L ou Z"L) qui se situe comme on l'a imposé sur le cercle G = 1; - on soustrait la réactance j X' ou j X" (puisque l'origine de l'abaque correspond à une condition d'adaptation parfaite). La valeur X2 est donc X' ou X". I1 est à noter que la plus grande bande passante est obtenue quand les éléments réactifs sont choisis les plus petits possible, de sorte que le facteur de qualité du circuit d'adaptation reste faible. La figure 4 présente une courbe de variation, en fonction de la fréquence, du rapport d'onde stationnaire (ROS) pour un exemple d'élément rayonnant tel que montré sur la figure 1. Dans cet exemple, l'élément rayonnant est caractérisé par les grandeurs géométriques suivantes: - plaque de substrat 1 Duroid type verre téflon, de permittivitéé relative úr = 2,2 et d'épaisseur h = 0,76 mm; - ligne d'alimentation 2 de largeur w = 2,16 mm; - partie rayonnante (dipôle) 8 de longueur L = 55 mm et de largeur W = 10 mm; - stub série de longueur 11 = 10,5 mm; et - stub parallèle de longueur 12 = 10 mm. Cette courbe permet de calculer la bande passante [f l, f2] de l'élément rayonnant, c'est-à-dire la bande de fréquences pour lesquelles le ROS est inférieur à 2. Cette bande passante peut également s'exprimer en pourcentage, obtenu par par division de la largeur (f2-fl) de la bande passante par la fréquence centrale f3 de cette bande passante. Dans cet exemple, la bande passante est sensiblement comprise entre fl = 1,83 GHz et f2 = 2,84 GHz. Avec une fréquence centrale f3 = 2,33 GHz, cette bande passante est égale à 44 %. L'élément rayonnant selon l'invention possède donc une large bande passante. La figure 8 présente une courbe de variation, dans un abaque de Smith, de l'impédance d'entrée Ze pour l'exemple précédent d'élément rayonnant. Aux fréquences fl, f2 et f3 définissant la bande passante, on a les impédances d'entrée Zel, Ze2 et Ze3, avec: Zel = 25,55 n + j 5,53 Q et fl = 1,83 GHz; Ze2 = 48,97 D +j 3,5 Q et f2 = 2,33GHz; Ze3 = 37,22 Q + j 28,2 Q et f3 = 2,84 GHz. On remarquera la présence de la boucle qui garantit une faible dispersion en fréquence et traduit l'efficacité de l'adaptation. Lors de la phase expérimentale, il peut exister une légère désadaptation de l'élément rayonnant et il convient alors d'ajuster les longueurs 11, 12 des stubs série et parallèle, ces longueurs 11, 12 étant calculées préalablement grâce au principe de l'adaptation double stub décrite précédemment. On peut imaginer de nombreux procédés permettant un tel ajustement de l'adaptation de l'élément rayonnant. Un premier exemple d'un tel procédé consiste à: - ajuster la longueur 1l du stub série en découpant partiellement la portion d'extrémité de la ligne d'alimentation dépassant de la fente; et - ajuster la longueur 12 du stub parallèle en bouchant partiellement, avec un matériau conducteur, la portion d'extrémité de la fente dépassant de la ligne d'alimentation. Un second exemple d'un tel procédé peut être mis en oeuvre si l'élément rayonnant comprend: - des premiers moyens 31 (figure 3) à capacité variable connectés entre un plan de masse (par exemple un des brins latéraux 6) et l'extrémité 32 de la portion d'extrémité de la ligne d'alimentation constituant le stub série 9; et - des seconds moyens (non représentés) à capacité variable connectés entre un plan de masse et l'extrémité de la fente constituant le stub parallèle. Ces premiers et seconds moyens à capacité variable sont par exemple, comme présenté à la figure 3, des varactors 31 commandés électroniquement. Ainsi, la variation de la capacité de ces moyens 31 à capacité variable a le même effet qu'un allongement ou une diminution de la longueur du stub correspondant 9. La figure 6 présente un second mode de réalisation d'un élément rayonnant selon l'invention. En fait, ce second mode de réalisation se différencie du premier uniquement en ce qu'il comprend des moyens 61 de réflexion permettant de supprimer un rayonnement arrière de cet élément rayonnant. En effet, le rayonnement du dipôle seul 62 est omnidirectionnel excepté dans l'axe du dipôle. Or pour certaines applications, on souhaite diriger l'énergie rayonnée vers l'avant du dipôle (c'est-à-dire du côté opposé à l'excitation). Ces moyens 61 de réflexion visent à accroître la directivité de l'ensemble 62 réalisé en technologie imprimée (et correspondant à l'élément rayonnant du premier mode de réalisation). Ces moyens 61 de réflexion, dans le cas o ils sont constitués d'un réflecteur (à défaut d'un plan défecteur idéalement indéfini), permettent de gagner environ 3 dB sur le maximum de directivité. Il est clair que le réflecteur 61 peut posséder de nombreuses autres formes que celle présentée sur la figure 6. La figure 7 présente un exemple de réseau 71 d'éléments rayonnants 72 selon l'invention. La mise en réseau d'éléments rayonnants permet également d'obtenir une directivité accrue et peut donc être combinée ou non à un réflecteur. Dans cet exemple, le réseau 71 comprend trois élémenwts rayonnants 72 ainsi qu'un réflecteur 73. REVENDICATIONS 1. Elément rayonnant du type dipôle, caractérisé en ce qu'il est constitué de: - une plaque de substrat (1); - une ligne d'alimentation (2) située sur la face inférieure de ladite plaque de substrat (1); - un dépôt métallique (3) situé sur la face supérieure de ladite plaque de substrat (1) et sensiblement en forme en T: la barre horizontale dudit T étant constituée de deux brins latéraux (5, 6) séparés par une fente de couplage (7), et la barre verticale (11) dudit T constituant un plan de masse pour ladite ligne d'alimentation (2), lesdits brins latéraux (5, 6) constituant la partie rayonnante dudit élément rayonnant; en ce que ladite ligne d'alimentation (2) présente une première portion d'extrémité (9) s'étendant selon un axe interceptant l'axe de ladite fente de couplage (7) et dépassant dudit axe de la fente de couplage d'une première longueur variable (11), et en ce que ladite fente (7) présente une seconde portion d'extrémité (10) dépassant de l'axe de ladite première portion d'extrémité (9) de la ligne d'alimentation d'une seconde longueur variable (12). 2. Elément rayonnant selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite fente (7) est de forme rectangulaire. 3. Elémént rayonnant selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la longueur cumulée de l'ensemble desdits deux brins latéraux (5, 6) est sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde de fonctionnement dudit élément rayonnant. 4. Elémént rayonnant selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits deux brins latéraux (5, 6) sont de même longueur. 5. Elémént rayonnant selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ladite ligne d'alimentation (3) est une ligne microruban. 6. Elémént rayonnant selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des premiers moyens (31) à capacité variable connectés entre un plan de masse (6) et l'extrémité (32) de ladite ligne d'alimentation (3) située dans ladite première portion d'extrémité (9). 7. Elémént rayonnant selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend des seconds moyens à capacité variable connectés entre un plan de masse et l'extrémité de ladite fente située dans ladite seconde portion d'extrémité. 8. Elémént rayonnant selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend également des moyens de réflexion (61) permettant de supprimer un rayonnement arrière dudit élément rayonnant. 9. Réseau d'éléments rayonnants caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux éléments rayonnants (72) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Procédé d'ajustement de l'adaptation d'un élément rayonnant selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend une premiere étape d'ajustement de ladite première longueur variable (11) et une seconde étape d'ajustement de ladite seconde longueur variable (12). 1 1. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite première étape d'ajustement de la première longueur variable consiste à découper partiellement ladite première portion d'extrémité de la ligne d'alimentation, et en ce que ladite seconde étape d'ajustement de la seconde longueur variable consiste à boucher partiellement ladite seconde portion d'extrémité de la fente avec un matériau conducteur. 12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite première étape d'ajustement de la première longueur variable consiste à modifier la valeur de la capacité de premiers moyens à capacité variable connectés entre un plan de masse et l'extrémité de la ligne d'alimentation située dans la première portion d'extrémité, et en ce que ladite seconde étape d'ajustement de la seconde longueur variable consiste à modifier la valeur de la capacité de seconds moyens à capacité variable connectés entre un plan de masse et l'extrémité de la fente située dans la seconde portion d'extrémité.