Brevet FR2734411A1 — publié le 19961122

Antenne plate en réseau à deux polarisations. L' in'/ertion concerne les antennes formées d'un réseau d'éléments rayonnants. Certaines applications demandent une antenne-réseau de faible encombrement,dont l'alimentation soit séparable en quatre quadrants. Le but est d'obtenir au choix, et à volonté, des signaux représentatifs d'une part d'un diagramme "somme", d'autre part de diagrammes "différence site" et "différence gisement". On connait ainsi des antennes plates, comprenant un réseau de fentes rayonnantes définies par un assemblage de guides d'ondes, percés desdites fentes et coopérant avec un ou des guides d'ondes d'alimentation (voir par exemple le Brevet français No 75 37622 publié sous le No 2 335 064). Ces antennes fonctionnent en polarisation linéaire, avec un vecteur champ électrique perpendiculaire à la grande dimension de la fente. Elles permettent une bonne composition en amplitude et phase des signaux de chaque fente. De plus, elles sont également aptes à être séparées en quatre quadrants, dont les alimentations électriques sont indépendantes. Ces antennes répondent donc au problème posé plus haut, mais pour la seule polarisation dont elles sont capables. La présente invention vise à résoudre le même problème de façon plus générale. La solution passe par l'obtention d'une antenne plate propre à fonctionner selon deux polarisations. L'invention part d'une antenne plate en réseau, du type comprenant un réseau de fentes rayonnantes, définies par un assemblage de guides d'ondes, percés desdites fentes, et coopérant avec un ou des guides d'ondes d'alimentation. De façon inattendue, il s'est avéré possible d'incorporer à ce réseau de fentes un réseau de dipôles fonctionnant selon une polarisation différente, avec alimentations séparées, sans que n'apparaissent entre les deux réseaux, et leurs alimentations, des interactions électro-magnétiques préjudiciables à leur bon fonctionnement. Ainsi, l'antenne comporte, de façon surjacente au réseau de fentes et entrelacée avec lui, un réseau de d'éléments rayonnants de structure microruban, alimentés de manière entièrement séparée des fentes, et agencés pour former des dipôles dont la grande dimension est parallèle à celle des fentes, ce qui fournit une antenne unique capable de fonctionner de manière découplée selon deux polarisations différentes. En pratique, l'antenne est décomposée en quatre quadrants, alimentés séparément, tant pour le réseau de fentes que pour celui des dipôles. Selon un autre aspect de l'invention, le plan masse de la structure micro-ruban, évidé au droit des fentes, est en contact électrique avec les guides d'ondes définissant celles-ci. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la structure micro-ruban, qui possède deux substrats diélectriques superposés, comporte entre ces deux substrats un plan de lignes de distribution interconnectant le réseau de dipôles afin d'alimenter ceux-ci de façon équilibrée en amplitude et/ou en phase. De préférence, l'arrivée des micro-ondes aux lignes de distribution se fait par microlignes coaxiales traversant tout l'empilement de la structure microruban et l'assemblage des guides d'ondes à fentes. Ces microlignes coaxiales traversantes peuvent etre logées dans des pions de court-circuit faisant partie de l'assemblage de guides d'ondes à fentes, ou dans leurs parois. Selon encore un autre aspect de l'invention, les lignes de distribution sont agencées en transformateurs quart d'onde, entre leur point d'alimentation et les dipôles auxquels elles sont connectées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description ci-après et des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue de face d'une antenne-réseau à fentes de type connu; - les figures 2 et 3 illustrent en perspective des détails de la figure 1; - la figure 4 est une vue de face d'un mode de réalisation de l'invention; - les figures 5A et 5B sont une vue de face et une vue en coupe illustrant la structure micro-ruban utilisée selon l'invention; - les figures 6A et 6B illustrent deux variantes d'application de la structure micro-ruban à l'antenne de la figure 4; et - les figures 7 et 8 illustrent deux variantes préférentielles d'antennes selon l'invention, séparables en quatre quadrants. La géométrie de l'antenne selon l'invention est importante. En conséquence, les dessins annexés font partie intégrante de la présente description, et pourront contribuer à la suffisance de celle-ci, ainsi qu'à la définition de l'invention. L'antenne plate comprend, classiquement, des guides d'ondes GD (figure 1) juxtaposés, au nombre de huit dans l'antenne représentée, GD1-GD8. Chaque guide d'ondes GD (figure 2) est constitué par un tube parallélépipédique, avec de grandes faces 11 et 13 et de petites faces 12 et 14. Une grande face, 11 par exemple, est tournée vers l'espace où l'énergie radar doit être rayonnée ou captée et elle présente des fentes rayonnantes FR disposées suivant deux rangées, de part et d'autre d'un plan moyen 10 parallèle aux petites faces, le pas des fentes étant égal à la moitié de la longueur d'onde, dans le guide, de l'énergie rayonnée ou à capter. Les guides d'ondes sont accolés les uns aux autres par leurs petites faces 12 et 14 et les longueurs des guides d'ondes successifs GD1 à GD8 sont telles qu'ils s'inscrivent dans une circonférence R de centre O. Bien entendu d'autres formes géométriques telles qu'un rectangle, une ellipse, ou un polygone possédant les symétries adéquates peuvent être envisagées. De manière connue, les guides d'ondes GD sont alimentés à partir de guides d'alimentation GA, également à section rectangulaire (figure 3) dont une grande face 21 est en contact avec les faces postérieures 13 des guides d'ondes GA, la communication s'établissant par des fentes obliques FA, en superposition, que présentent respectivement les faces 21 des guides d'ondes GA et les faces 13 des guides d'ondes GD. Lorsqu'elle est souhaitée, la séparation de l'antenne en quatre quadrants est obtenue comme suit : les guides d'ondes GD, qui distribuent l'énergie micro-onde aux fentes rayonnantes FR, possèdent une séparation médiane 15, au niveau de l'axe vertical Y (figure 1). Cette séparation peut être une cloison complète; comme elle n'a à fonctionner que pour la fréquence micro-onde du guide, elle peut être réalisée par de simples pions de court-circuit, ou d'autres moyens équi valents en micro-ondes. Une fente rayonnante pouvant être considérée comme un shunt, en schéma équivalent, il s'agit de former un court-circuit à un quart de longueur d'onde (guidée) de l'extrémité de la fente. La même structure est adoptée aux extrémités libres des guides GD, en règle générale. Les guides d'ondes GA, pour leur part, possèdent une séparation médiane 25 au niveau de l'axe horizontal X. Comme le sait l'homme de l'art, cette séparation peut comporter un circuit ouvert aménagé en 25, à un quart de longueur d'onde (guidée) de chacune des fentes inclinées FA les plus proches. Ceci produit un court-circuit au niveau des fentes, qui opèrent en schéma équivalent série. On définit ainsi quatre sections de guides d'ondes d'alimentation, GA1 à GA4. La section GA1 est couplée par des fentes FA respectives aux moitiés gauche des guides GD1 à GD4. En alignement sur elle, la section GA4 est couplée par fentes respectives aux moitiés gauche des guides GD5 à GD8. I1 en est de même pour les moitiés droite des guides GD1 à GD8, avec les sections de guides alignées GA2 et GA3. L'homme de l'art sait que les quatre sections de guide GA1 à GA4 alimentent alors indépendamment les quatre quadrants de l'antenne, et ce, tant à l'émission qu'à la réception. On appelle maintenant A, B, C, D les signaux délivrés par les guides GA1 à GA4, respectivement. La somme A+B+C+D définit la réponse totale de l'antenne, au diagramme "somme". On peut construire toutes autres combinaisons linéaires, dont - (A+B) - (C+D), qui est la "différence site"; - (A+D) - (B+C), qui est la "différence gisement; Bien entendu, en certaines applications, on pourra se contenter du diagramme somme et/ou de l'une ou l'autre de ces deux différences. On pourra aussi envisager une partition différente de l'antenne, pour d'autres applications (huit secteurs par exemple). A propos des figures 4 à 6, on admet que la différence gisement suffit. Sur la figure 4, on retrouve les fentes rayonnantes FR, à l'intérieur du cercle R. Le reste de la structure sousjacente des guides d'ondes GD et GA n'est pas représenté, pour simplifier le dessin. Autour de l'axe horizontal H, un contour PM définit la limite externe d'une structure micro-ruban, qui chemine en évitant les fentes FR. Cette structure peut se multiplier, symétriquement, entre chacune des rangées de fentes FR, de manière à remplir complètement le cercle R. Seule la structure centrale est illustrée, pour simplifier le dessin. On y reviendra par la suite. Dans l'immédiat, il est fait référence aux figures SA et 5B, qui illustrent la constitution générale d'une structure d'antenne micro-ruban. Dans l'exemple illustré, un substrat diélectrique inférieur S1 est métallisé en partie basse selon une métallisation dite planmasse PM. Ce plan-masse viendra ici se fixer sur les guides d'ondes GD, avec lesquels il est avantageusement maintenu en contact électrique par une colle conductrice ou d'autres moyens équivalents. Sur le substrat diélectrique S1 est prévue une métallisation en trois parties 31A, 32A et 33A. Cette métallisation est avantageusement surmontée d'un second substrat diélectrique S2, qui porte une métallisation de géométrie choisie pour obtenir un rayonnement de caractéristiques prédéterminées. Les métallisations convenables à cet effet sont souvent dénommées "pavé". Dans l'exemple illustré, il s'agit d'une lamelle étroite formant un dipôle rayonnant DR. Une traversée 30A est prévue à travers le plan-masse et le premier substrat S1, pour permettre l'arrivée d'un microcâble coaxial au point 30A de la plage conductrice 31A. Cette plage conductrice 31A est suivie d'une plage 32A, de géométrie choisie pour former un transformateur quart d'onde. A cette plage 32A est reliée une troisième plage 33A qui vient au-dessous du dipôle DR, de façon à faire l'objet avec celui-ci d'un couplage électromagnétique de proximité. De la sorte, on peut exciter le dipôle rayonnant DR avec de l'énergie électromagnétique amenée par le microcâble coaxial passant en 30A. Des structures équivalentes peuvent aussi être réalisées avec un seul substrat diélectrique au lieu des deux représentés. Dans ce cas, les plages 31 à 33 sont dans le même plan que le dipôle DR, tout en demeurant en couplage électromagnétique de proximité avec celui-ci. On revient maintenant à la figure 4. Le contour PM représente le pourtour externe des deux substrats S1 et S2, donc du plan masse du substrat inférieur, qui est métallisé sur toute sa surface inférieure, sauf aux points 30 et 40 où arrivent les câbles coaxiaux. La structure illustrée sur la figure 4 est symétrique autour du centre, c'est-à-dire de l'intersection des axes V et H. Elle comporte, à la surface supérieure du substrat S2, quatre dipôles DR1 à DR4 à gauche de l'axe vertical V et quatre dipôles DR5 à DR8 à droite de l'axe vertical V. Entre les deux substrats sont prévues des plages 30 à 39 pour la partie gauche, et 40 à 49 pour la partie droite. Compte tenu de la symétrie, on ne décrira que la partie gauche, en faisant référence conjointement à la figure 4 et à la figure 6A, qui est une vue agrandie de la structure micro-ruban surajoutée en partie gauche de la figure 4. La traversée coaxiale aboutit en 30, sur une plage étroite 31. Cette plage 31 est suivie d'une plage 32 formant transformateur quart d'onde, puis d'une plage 33. I1 part de celle-ci une premiere dérivation 34 allant vers le dipôle DR1. Une plage 35, plus étroite que la plage 33, vient alimenter par une dérivation 36 le dipôle DR2, après quoi elle se rétrécit en 37 pour venir alimenter en 38 le dipôle DR3 et enfin en 39 le dipôle DR4. Ce type d'alimentation des dipôles assure une répartition équitable de l'énergie entre ceux-ci, en même temps qu'elle permet de respecter la phase, mais pour une bande de fréquence assez étroite, puisque la longueur des lignes séparant le point 30 des différents dipôles n'est pas la même. La figure 6B propose une variante dans laquelle les différents dipôles DR1 à DR4 sont alimentés sensiblement avec la même longueur de ligne. On retrouve l'alimentation en 130, la première plage 131, le transformateur quart d'onde 132, la plage large 133, d'où part la première dérivation 134 qui est maintenant incurvée en épingle à cheveux. La plage plus étroite 135 voit partir une nouvelle dérivation en épingle 136, tandis que la plage finale 137 se subdivise en 138 et 139 sur deux branches dont les longueurs totales sont sensiblement égales.L'examen des longueurs des dérivations 134 à 139 montrent que la distance du point 130 au milieu de chaque dipôle est à peu près la même. I1 en résulte que la distribution équitable d'énergie s'accompagne aussi d'une mise en phase des différents dipôles, pour une bande de fréquence beaucoup plus large que précédemment (figure 6A). Contrairement au mode de réalisation des figures 4, 6A et 6B, les modes de réalisation préférentiels des figures 7 et 8 permettent une séparation de l'antenne en quatre quadrants, aussi bien pour les fentes rayonnantes FR que pour les dipôles rayonnants DR. I1 est tout d'abord fait référence à la figure 7. Elle concerne le quadrant inférieur gauche de l'antenne, qui était noté D sur la figure 4. Les lignes en trait d'axe PF4 à PF8 rappellent les séparations entre les guides de distribution GD5 à GD8, qui ali tions entre les guides de distribution GD5 à GD8, qui alimentent les fentes rayonnantes telles que FR situées à leurs niveaux respectifs. A proximité des fentes FR associées au guide GD5 sont prévus des dipôles DR21 à DR25. I1 en est de même pour les fentes associées au guide GD6, avec les dipôles DR26 à DR30. Le pas vertical de la structure des dipôles fait qu'un intervalle est respecté au-dessus du guide GD7. De nouveaux dipôles DR31 à DR34 sont rencontrés près du bord supérieur du guide GD8, tandis que deux derniers dipôles DR35 et DR36 apparaissent en bas et à droite du quadrant illustré sur la figure 7. Tous ces dipôles sont alimentés à partir d'un même point d'alimentation qui démarre en 230, où il reçoit un micro-câble coaxial qui traverse la structure micro-ruban (à double ou simple diélectrique) pour passer ensuite entre les parois des guides GD6 et GD7. Observation faite que le guide GD7 se termine (au plan des micro-ondes) par des pions de courtcircuit PCC71, la réalisation de la traversée n'est pas critique dans cet exemple. On remarque que les pions de courtcircuit PCC sont dans leur ensemble illustrés en trait plein, bien qu'ils se trouvent en fait au-dessous de la structure micro-ruban. Cette convention d'illustration est prise pour permettre de mieux les distinguer des plages conductrices reliant le point d'arrivée 230 aux différents dipôles DR. Ces plages font l'objet de nombreuses dérivations. De manière connue de l'homme de l'art, chaque dérivation est pontée par une résistance mise en parallèle, qui permet d'assurer un découplaqe entre deux parties aval, et d'amé- liorer par là le fonctionnement du diviseur de signal hyperfréquence. Ces résistances ne sont pas illustrées sur le dessin. A partir du point 230, le circuit d'alimentation comprend une première plage 231 qui se subdivise en une plage de dérivation 232 à gauche, celle-ci partant horizontalement, et une plage de dérivation 250 à droite, qui part obliquement. La plage 232 s'incurve pour remonter verticalement entre les dipôles DR28 et DR29, où elle fait à nouveau l'objet d'une dérivation en deux parties 233 et 242, toutes deux horizontales. La partie 233 se subdivise à nouveau, de la gauche vers la droite en 234, 235 et 239. La dérivation 234 se subdivise une dernière fois pour alimenter par deux dérivations terminales 249 et 236 les dipôles DR27 et DR28 respectivement. La dérivation 235 se subdivise en 237 et 238 pour alimenter les dipôles DR26 et DR21, respectivement. Enfin, la dérivation 239 se subdivise en 240 et 241 pour alimenter les dipôles DR22 et DR23. On retourne maintenant à la dérivation 242 qui se subdivise en 243 et 246. La dérivation 243 se subdivise une dernière fois en 244 et 245 pour alimenter les dipôles DR24 et DR25. La dérivation 246 se subdivise en 247 et 248 pour alimenter les dipôles DR29 et DR30, ce qui complète l'alimentation des dipôles situés au-dessus du guide GD7. Allant maintenant au-dessous du guide GD7, la dérivation 250 se subdivise en 251 et 258, après un trajet oblique suivi d'un trajet vertical. La dérivation 251, horizontale, se subdivise verticalement en 252 vers le haut et 255 vers le bas. La dérivation 252 se subdivise une dernière fois en 253 et 254 pour alimenter les dipôles DR33 et DR34. La dérivation 255 se subdivise en 256 et 257 pour alimenter les dipôles DR36 et DR35. De l'autre coté, la dérivation 258 se subdivise en 259 et 260 pour alimenter les dipôles DR31 et DR32, ce qui complète l'alimentation de l'ensemble des dipôles du quadrant D de l'antenne. Un examen attentif de la figure 7 montre que l'on obtient pratiquement la même longueur électrique du point 230 à chacun des dipôles DR, sauf pour les dipôles DR21 et DR26 où la ligne est un peu plus longue. Malgré cela, l'homme de l'art comprendra que la structure d'alimentation ainsi obtenue permet un fonctionnement des dipôles sur une assez large bande de fréquence. I1 est maintenant fait référence à la figure 8 qui, pour sa part, concerne le quadrant supérieur gauche, noté A sur la figure 4. On retrouve les quatre guides d'ondes GD1 à GD4, avec leurs fentes rayonnantes telles que FR. Sur l'axe vertical, les moitiés gauche et droite de ces guides GD1 à GD4 sont séparées par des paires de pions de court-circuit respectives PCC10, PCC20, PCC30 et PCC40. La paroi supérieure du guide GD1 est illustrée par le trait d'axe PF0. Les séparations entre guides sont ensuite illustrées par les traits d'axe PF1 à PF4. L'extrémité gauche de chacun des guides GD1 et GD4 est par ailleurs fermée par d'autres paires de pions de courtcircuit PCCll, PCC21, PCC31, PCC41, respectivement. La structure des dipôles résonnants est ici beaucoup plus simple. Douze dipôles sont disposés en matrice sur trois niveaux. A partir du bas, le premier niveau est constitué des dipôles DR51 à DR54, la ligne supérieure comporte les dipôles DR55 à DR58, et la ligne supérieure comporte les dipôles DR59 à DR62. Ils sont complétés par des dipôles DR63 à DR65 au-dessus des dipôles DR60 à DR62 respectivement, et en alignement sur ceux-ci ainsi que sur les précédents. I1 s'est avéré que cette structure géométriquement simple possède, dans le quadrant A concerné, un diagramme de rayonnement comparable à celui obtenu avec les fentes que comporte ce même quadrant, mais dans la polarisation orthogonale. A son tour, l'alimentation des dipôles est réalisée de manière très simple par quatre lignes verticales implantées- entre les substrats S1 et S2 (non représentés sur cette figure) de la structure micro-ruban. De la gauche vers la droite, ces quatre lignes verticales sont notées 301 à 304. La ligne 301 interconnecte les dipôles DR51, DR55 et DR59. La ligne 302 interconnecte les dipôles DR52, DR56, DR60, DR63. La ligne 303 interconnecte les dipôles DR53, DR57, DR61 et DR64. Enfin, la ligne 304 interconnecte les dipôles DR54, DR58, DR62 et DR65. L'excitation des dipôles par chacune des lignes se fait par couplage électromagnétique de proximité, comme précédemment. Les lignes 301 à 304 sont, en leur partie basse, repliées pour former un demi-cercle vers la gauche, afin de rejoindre la ligne de séparation PF3, en trait d'axe. Des micro-câbles coaxiaux se relient alors aux extrémités ainsi définies pour les lignes 301 à 304, afin de passer dans les substrats diélectriques de la structure micro-ruban surjacente, puis de passer entre les guides GD3 et GD4, pour aboutir enfin audessous de la structure de guide. Les quatre lignes sont alors réunies pour permettre une alimentation commune, afin de réalisation le fonctionnement en quatre quadrants. Cette alimentation commune peut être obtenue par une autre structure micro-ruban, de type classique, qui est pour sa part sous-jacente à la structure des guides de distribution GD. Alors que dans le mode de réalisation de la figure 7, on obtenait pratiquement la mme longueur électrique entre le point d'alimentation et chacun des dipôles, cette condition n'est plus vérifiée dans le cas de la figure 8. La distribution de l'énergie, en amplitude et en phase, entre les différents dipôles peut néanmoins être correcte, mais pour une bande de fréquence plus limitée, puisque l'accord en phase fait maintenant intervenir les noeuds et les ventres du champ hyperfréquence sur les lignes verticales 301 à 304. Comme précédemment indiqué, l'alimentation par en dessous des lignes ou plages conductrices existant entre les substrats S1 et S2 de la structure micro-ruban peut s'effectuer de différentes manières, mais la façon préférentielle de le faire consiste à passer soit dans les passages PF ménagés dans l'épaisseur de paroi entre les différents guides distributeurs GD de l'antenne plate, soit dans les pions de court-circuit PCC qui se trouvent utilisés dans les mêmes guides. REVENDICATIONS 1.- Antenne plate en réseau, du type comprenant un réseau de fentes rayonnantes, définies par un assemblage de guides d'ondes, percés desdites fentes, et coopérant avec un ou des guides d'ondes d'alimentation, caractérisée en ce qu'elle comporte, de façon surjacente au réseau de fentes et entrelacée avec lui, un réseau d'éléments rayonnants de structure micro-ruban, alimentés de manière entièrement séparée des fentes, et agencés pour former des dipôles dont la grande dimension est parallèle à celle des fentes, ce qui fournit une antenne unique capable de fonctionner de manière découplée selon deux polarisations différentes. 2.- Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est décomposée en quatre quadrants, alimentés séparément, tant pour le réseau de fentes que pour celui des dipôles. 3.- Antenne selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le plan masse de la structure micro-ruban, évidé au droit des fentes, est en contact électrique avec les guides d'ondes définissant celles-ci. 4.- Antenne selon l'une des revendications 1 à 3,caractérisée en ce que la structure micro-ruban, qui possède deux substrats diélectriques superposés, comporte entre ces deux substrats un plan de lignes de distribution interconnectant le réseau de dipôles afin d'alimenter ceux-ci de façon équi- librée en amplitude et/ou en phase. 5.- Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'arrivée des micro-ondes aux lignes de distribution se fait par micro-lignes coaxiales traversant tout l'empilement de la structure micro-ruban et l'assemblage des guides d'ondes à fentes. 6.- Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que les micro-lignes coaxiales traversantes sont logées dans des pions de court-circuit faisant partie de l'assemblage de guides d'ondes à fentes, ou dans les parois de ces guides. 7.- Antenne selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que les lignes de distribution sont agencées en transformateurs quart d'onde, entre leur point d'alimentation et les dipôles auxquels elles sont connectées.