Brevet FR2729011A1 — publié le 19960705

La présente invention se rapporte à une antenne réseau à double polarisation et à faibles pertes du type comportant un arrangement de sources élémentaires selon une surface donnée1 lesdites sources élémentaires étant du type à pastille carrée à deux polarisations croisées. II est connu, par la demande de brevet français ne91.15515 déposée le 13 décembre 1991 au nom de la Demanderesse, de réaliser de telles sources élémentaires à l'aide d'une pastille métallique carrée placée face à deux fentes symétriques croisées orthogonalement dans un plan de masse et de deux lignes d'alimentation triplaques orthogonales dont les conducteurs centraux sont disposés à 45" de la direction de chacune des fentes de manière que chaque conducteur excite simultanément les deux fentes, ledit plan de masse avec les deux fentes étant un des plans de masse des lignes triplaques et les conducteurs centraux desdites lignes triplaques se coupant en un point situé face au centre des fentes et au centre de la pastille. Si l'on souhaite constituer une antenne réseau à partir de telles sources élémentaires utilisant des lignes d'excitation triplaques, on pense naturellement à assurer l'alimentation des sources élémentaires également par des lignes triplaques. Cependant pour des antennes réseau de dimensions importantes, I'utilisation de lignes d'alimentation triplaques entraîne des pertes importantes. Pour résoudre ce problème, selon un premier aspect de l'invention on prévoit donc d'alimenter le réseau non par des lignes triplaques mais par des guides d'onde rectangulaires pour chaque polarisation, en effectuant, pour chaque source élémentaire, un double couplage ligne triplaque-guide d'onde. Selon ce premier aspect de l'invention, il est donc prévu une antenne réseau à double polarisation et à faibles pertes du type comportant un arrangement de sources élémentaires selon une surface donnée, lesdites sources élémentaires étant constituées chacune par une antenne élémentaire pastille carrée à deux polarisations croisées comprenant: - une pastille métallique carrée; - un plan de masse avec deux fentes symétriques croisées orthogonalement disposées face à la pastille; et - deux lignes d'alimentation triplaques orthogonales dont les conducteurs centraux sont disposés à 45e de la direction de chacune des fentes de manière que chaque conducteur central excite simultanément les deux fentes, ledit plan de masse étant un des plans de masse des lignes tri plaques et les conducteurs centraux desdites lignes se coupant en un point situé face au centre des fentes et au centre de la pastille;; ladite antenne réseau étant caractérisée en ce que l'alimentation desdites sources élémentaires est effectué par l'intermédiaire de paires de guides d'onde rectangulaires parallèles affectées chacune à un sous-réseau de l'antenne, chaque guide d'une paire assurant l'alimentation relative à une des polarisations, et en ce que des moyens de couplage sont prévus entre chaque ligne triplaque d'une source élémentaire et le guide de la polarisation correspondante. Cette solution permet de réduire notablement les pertes. Cependant elle a aussi un inconvénient dû à la présence dans un guide donné, à une distance un peu supérieure à la demi-longueur d'onde de fonctionnement en espace libre et un peu inférieure à la demiQongueur d'onde dans le guide, de coupleurs adjacents de même type entre lesquels s'établit un couplage mutuel important qui peut perturber fortement le fonctionnement correct de l'antenne. Selon un autre aspect de l'invention, il est donc prévu d'utiliser des types de coupleurs différents et de ne pas utiliser sur un guide d'onde donné deux coup leurs successifs de même type. On diminue ainsi très sensiblement les couplages mutuels et les inconvénients qui pourraient en résulter. Selon un autre aspect de l'invention, il est donc prévu une antenne réseau du type précédemment décrit caractérisée en ce que, sur chaque guide d'onde, lesdits moyens de couplage des sources élémentaires successives qui y sont couplées comprennent des coupleurs de types différents, deux coupleurs successifs sur le guide d'onde n'étant pas du même type. Selon une caractéristique particulière de l'invention, les coupleurs utilisés sont de deux types, à savoir des demidoublets et des boucles de courant. 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 représente le schéma éclaté d'une source élémentaire connue; - la figure 2 est une représentation schématique en plan vu de dessus et en coupe d'une antenne réseau selon l'invention; - la figure 3 est un schéma d'un dispositif de couplage entre source élémentaire et guide d'onde à l'aide d'un demi-doublet ouvert; - la figure 4 est le schéma d'un dispositif de couplage à boude de courant; - les figures 5 à 7 sont des diagrammes relatifs au comportement d'un demi-doublet; - les figures 8 et 9 illustrent le couplage mutuel entre demidoublets (coefficient de couplage entre guide et demi doublet et phase relative);; - les figures 10 à 12 sont des diagrammes relatifs au comportement d'une boucle de courant (coefficient de couplage entre guide et boucle de courant et phase relative); - la figure 13 illustre le coefficient de couplage mutuel entre boudes de courant; - la figure 14 montre des diagrammes de couplage mutuel entre coupleurs de différents types; - la figure 15 montre le déphasage existant entre une boude de courant et un demi-doublet; et - la figure 16 est une vue agrandie d'un mode de réalisation du système de couplage des lignes triplaques avec les guides d'une antenne réseau selon l'invention. La figure 1 montre un schéma éclaté d'une source élémentaire connue à pastille carrée à double polarisation. 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 etre 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 45e 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. Le tronçon quart d'onde d'une des lignes triplaques excite simultanément les fentes 20 et 21. Ceci induit sur la pastille 10 des courants qui correspondent au rayonnement d'une première polarisation linéaire. L'autre tronçon quart d'onde de l'autre ligne triplaque induit par l'intermédiaire des fentes 20 et 21 des courants orthogonaux dans la pastille 10 ce qui correspond au rayonnement de la deuxième polarisation, orthogonale à la première. Ce fonctionnement est expliqué de façon plus détaillée dans la demande de brevet français n" 91.15515 déjà mentionnée. La figure 2 est un schéma de l'antenne réseau selon l'invention vue en plan de dessus et en coupe sur la partie droite de la figure. L'antenne est constituée d'un arrangement régulier dans un plan de sources élémentaires SE11 à SE17 pour la première rangée, ...SE41 à SE47 pour la quatrième rangée. La structure de chaque source élémentaire est celle de la source de la figure 1. Chaque rangée forme un sous-réseau alimenté par une paire de guides d'onde rectangulaires GH1, GV1 pour la première rangée. Chaque guide d'onde d'une paire assure l'alimentation pour une polarisation donnée, par exemple verticale pour les guides GVl à GV4 et horizontale pour les guides GH1 à GH4. Bien entendu, les termes "verticale" et "horizontale" n'ont aucun effet limitatif pour l'invention, les directions de polarisation pouvant être quelconques dans l'espace (mais orthogonales) selon l'orientation de l'antenne, ces termes étant utilisés seulement pour la commodité de la description. Les lignes triplaques des sources élémentaires (30 et 31 pour la source SE11) sont couplées respectivement aux guides associés (GH1, GV1 pour les lignes 30 et 31) par des moyens de couplage tels MC pour la source SEl 3, qu'on décrira plus en détail ultérieurement. L'invention prévoit l'alimentation des sous-réseaux par des guides d'onde pour obtenir de faibles pertes d'énergie même pour des antennes réseaux de grande taille. L'ensemble des sous-réseaux peut être alimenté par deux guides d'onde supplémentaires (non représenté) disposés à une extrémité des guides GH1, GV1... perpendiculairement à ceux-ci. Le système de distribution d'énergie est situé sous les plans de masse et plan rayonnant des sources élémentaires. Celles-ci peuvent d'ailleurs, comme représenté en coupe sur la figure 2, avoir pour leurs circuits imprimés 1, 2, 3 des substrats communs de même que les plans de masse. Les guides d'onde d'alimentation sont, de préférence, juxtaposés sur leurs grands côtés pour des raisons d'encombrement. Les moyens de couplage utilisés entre guides d'onde et lignes triplaques des sources élémentaires peuvent être de plusieurs types connus tels que plongeurs à demi-doublet ouvert ou à boucle de courant, fentes, etc.... Dans la suite de la description on va considérer plus particulièrement les deux premiers types sans que cela soit limitatif. Sur la figure 3 est représenté un mode de réalisation de couplage par demi-doublet ouvert. On a supposé qu'il s'agissait du couplage entre la source élémentaire SEl 1 et le guide GV1 pour la polarisation verticale. La source Sue11 n'a été représentée que partiellement, avec seulement les circuits imprimés 2 et 3. La figure 3 est une coupe transversale du guide GV1 dans un plan contenant le conducteur central de la ligne triplaque 31. Le demi-doublet PVI comprend un conducteur 41 de diamètre + coudé à 90" connecté à une extrémité au conducteur central de la ligne 31 et dont l'autre extrémité 43 s'écarte de la paroi du grand côté du guide. Le demidoublet PV1 pénètre dans le guide par un trou 42. Le conducteur 41 est sur sa partie parallèle au grand côté du guide à une distance H de celui pour former une ligne micromban telle que sa résistance caractéristique soit égale à la résistance caractéristique normalisée des lignes triplaques égale à 100 fl. On appelle Ay la longueur du demi-doublet, c'est-à-dire la longueur de la partie 43 à 90", et Ax la profondeur du demi-doublet. La figure 4 représente un mode de réalisation de couplage par plongeur à boude de courant. On suppose qu'on se place dans le même cadre que pour la figure précédente. La boucle de courant comprend un conducteur de diamètre 9 coudé à 90" dont la partie 51 est connectée à son extrémité au conducteur central de la ligne triplaque 31 et pénètre d'une longueur Ax à l'intérieur du guide GV1 et dont la partie 53 reliée au grand côté du guide a une dimension Ay représentant la largeur de la boude. La boucle pénètre dans le guide par un trou 52 dans le petit côté du guide toumé vers la source élémentaire. Le comportement d'un coupleur à demi-doublet ouvert tel que celui de la figure 3 peut être analysé à partir des figures 5 à 9. La figure 5 représente les variations du module du coefficient de couplage en fonction de la fréquence pour une valeur donnée de la longueur du demi-doublet Ay = 4,6 mm avec un conducteur de diamètre + = 0,5 mm à une hauteur H = 0,6 mm, et ceci pour diverses valeurs de la profondeur Ax. La figure 6 représente des courbes résumant ce comportement à une fréquence de 10 GHz avec deux valeurs différentes de Ay. Les courbes en trait plein sont des courbes théoriques et les courbes en pointillé sont les courbes expérimentales montrant la variation du coefficient de couplage en fonction de Ax. II est important de noter qu'on peut donc faire varier le couplage avec une dynamique de l'ordre de 31 dB entre les valeurs extrêmes, ce qui est compatible avec des répartitions d'amplitude permettant d'obtenir pour un sous-réseau un niveau de lobes secondaires inférieur à 40 dB. La figure 7 montre les variations de phase pour différentes profondeurs aux par rapport à une référence de phase correspondant à Ax = 6 mm et Ay = 4,6 mm. On peut voir que, par exemple à 10 GHz, on obtient une variation de l'ordre de 10 pour une variation de Ax de I mm. La connaissance de ces déphasages et de leur variation régulière est évidemment nécessaire pour la réalisation de l'antenne réseau. Dans une antenne réseau, il est classique de prévoir entre deux sources élémentaires un intervalle de l'ordre d'une demi-longueur d'onde. Si l'on utilise des demi-doublets ainsi disposés sur un guide d'onde, il apparaît un couplage mutuel important. La figure 8 montre un exemple de mesures de couplage entre les puissances reçues par chaque demi-doublet et la puissance à la sortie du guide d'onde. On constate que les courbes sont très perturbes notamment pour les faibles couplages, c'est-adire pour les faibles valeurs de Ax. On a représenté sur la figure 9 les variations de la mesure des coefficients de couplage mutuels entre deux demidoublets espacés d'une distance voisine de la demi-longueur d'onde pour deux couples de demi-doublets de longueur Ax différente.Le couplage mutuel est important et peut expliquer les perturbations de la figure 8. Les mêmes types de diagrammes que sur les figures 5 à 7 sont présentés sur les figures 10 à 12 pour une boucle de courant. On a choisi à titre d'exemple une boucle avec un conducteur de diamètre + = 0,5 mm. La figure 10 représente les variations de couplage avec une boucle de courant de largeur fixée Ay = 0,8 mm et des longueurs Ax variables. On obtient une dynamique de l'ordre de 20 dB, comme on peut le voir sur la figure 11 pour une fréquence de 10 GHz. Si on augmente la largeur hy de la boude, on augmente aussi le couplage. Avec une boucle de courant de largeur passant à 3 mm, on obtient une dynamique de couplage voisine de 23 dB ce qui est suffisant pour réaliser une distribution d'énergie sur un sous-réseau avec des lobes secondaires de niveau proche de 40 dB. La figure 12 montre les variations de phase pour une boucle de courant de largeur Ay = 3 mm et différentes longueurs Ax par rapport à une référence Ay = 3 mm, Ax = 8 mm. On a là aussi une variation relativement régulière du déphasage. La figure 13 montre des courbes de mesures de couplages mutuels entre boudes de courant distantes d'environ une demiQongueur d'onde, ces boucles ayant une largeur hy de 3 mm et des longueurs Nc variables. On voit que là encore les couplages mutuels ne sont pas négligeables. Le problème supplémentaire qui se pose donc lorsque l'on veut utiliser dans une antenne réseau selon l'invention des moyens de couplage de même type le long d'un guide d'onde est celui de l'apparition de couplages mutuels non négligeables qui peuvent perturber notablement les performances de l'antenne. Selon un autre aspect de l'invention, il est donc prévu d'altemer les types de coupleurs utilisés dans le but de diminuer les couplages mutuels à la fois entre deux types de coupleurs différents à une distance de l'ordre d'une demi-longueur d'onde et entre coupleurs de même type qui sont alors à une distance au moins double. La figure 14 représente les couplages mutuels entre coupleurs dans le cas d'utilisation altemée de demi-doublets et de boudes de courant. La courbe (1) montre les variations du couplage mutuel entre deux demidoublets, distants donc d'environ une longueur d'onde (distance 34 mm dans l'exemple représenté); la courbe (2) montre les variations de couplage mutuel entre une boucle de courant et un demi-doublet distants d'environ une demi-longueur d'onde (distance 17 mm dans l'exemple représenté); et la courbe (3) montre les variations de couplage mutuel entre deux boudes de courant, distantes donc d'environ une longueur d'onde (34 mm dans l'exemple choisi). Les courbes de la figure 14 montre que dans tous les cas les couplages mutuels restent par exemple inférieurs à -22 dB entre 9,5 et 10 GHz. Ceci est un avantage notable pour la réalisation d'antennes réseaux à faibles lobes secondaires, par rapport aux antennes réseaux avec un seul type de coupleur. La figure 15 montre les variations du déphasage entre une boude de courant de largeur Ax = 3 mm et un demidoublet de longueur Ax = 4,5 mm. II existe un déphasage de l'ordre par exemple de 130e à 10 GHz, déphasage qui, dans une antenne réseau doit faire l'objet d'une compensation. Celle-ci est obtenue de manière simple en choisissant des longueurs de lignes triplaques différentes selon que c'est une boucle de courant ou un demi-doublet qui assure le couplage avec le guide. C'est la ligne triplaque reliée à la boucle de courant qui doit être plus longue que celle reliée à un demi-doublet. Cela étant, on a représenté sur la figure 16 une vue en perspective d'une partie de l'antenne réseau selon l'invention montrant la source élémentaire SE11 et les guides d'alimentation associés GH1 et GVI. On a supposé que les coupleurs couplant les lignes triplaques 30 et 31 aux guides GHI et GVI respectivement n'étaient pas du même type. Mais ce n'est en rien une obligation: la seule règle est de respecter l'alternance des coupleurs sur un guide donné. Par ailleurs pour la clarté du dessin, on n'a représenté que le circuit imprimé 3 de la source SEl 1, sans les circuits I et 2. Le couplage entre la ligne tri plaque 30 et le guide d'onde GHI s'effectue à l'aide d'un demi-doublet 41, 43 plongeant à l'intérieur du guide et connecté à une extrémité au conducteur central de la ligne triplaque 30.Celle-ci comporte, comme cela a été décrit dans la demande de brevet précitée, un tronçon 300 de ligne ouverte de longueur h14 (k longueur d'onde de fonctionnement) au-delà du point commun aux deux conducteurs centraux. Entre ce point commun et le point de connexion du demidoublet, la longueur du tronçon 302 est h Au delà du point de connexion du demidoublet enfin, s'étend un tronçon 301 de ligne ouverte dont la longueur est choisie sensiblement égale à AJ2. Le but de ce tronçon en parallèle est de compenser la perturbation liée à la transition ligne triplaquelguide d'onde. De même le conducteur central de la ligne triplaque 31 relative à la polarisation verticale comprend un tronçon 310 ouvert de longueur Â14, un tronçon 312 de longueur /112 et un tronçon 311 ouvert de longueur sensiblement égale à AJ2 pour la compensation. A la jonction des tronçons 312 et 311 est connectée une boude de courant 51, 53 plongeant dans le guide GV1 pour assurer le couplage. L'extrémité de la boucle 51, 53 est connectée en 55 (par exemple par soudure) à la paroi du guide d'onde. Comme on peut le constater et comme on l'a expliqué ci-dessus, les longueurs de ligne Îî et 2 sont différentes pour compenser le déphasage entre boucle de courant et demi-doublet. Ces différences de longueur sont bien évidemment très faciles à réaliser. Bien entendu, les exemples de réalisation décrits ne sont nullement limitatifs de l'invention. On pourrait par exemple envisager l'utilisation de plus de deux types de coupleurs. Par ailleurs les dimensions et gamme de fréquence ne constituent que des exemples non limitatifs. REVENDICATIONS 1. Antenne réseau à double polarisation et à faibles pertes du type comportant un arrangement de sources élémentaires (SEl I à SE47) selon une surface donnée, lesdites sources élémentaires étant constituées chacune par une antenne élémentaire pastille carrée à deux polarisations croisées comprenant: - une pastille métallique carrée (10); - un plan de masse (22) avec deux fentes (20, 21) symétriques croisées orthogonalement disposées face à la pastille; et - deux lignes d'alimentation triplaques orthogonales dont les conducteurs centraux (30, 31) sont disposés à 45" de la direction de chacune des fentes de manière que chaque conducteur central excite simultanément les deux fentes, ledit plan de masse (22) étant un des plans de masse (22, 32) des lignes triplaques et les conducteurs centraux desdites lignes se coupant en un point (0) situé face au centre des fentes et au centre de la pastille;; ladite antenne réseau étant caractérisée en ce que l'alimentation desdites sources élémentaires est effectué par l'intermédiaire de paires de guides d'onde (GH1, GV1..., GV4) rectangulaires parallèles affectées chacune à un sous-réseau de l'antenne, chaque guide d'une paire assurant l'alimentation relative à une des polarisations, et en ce que des moyens de couplage (MC) sont prévus entre chaque ligne triplaque d'une source élémentaire (SE13) et le guide de la polarisation correspondante (GH1, Go1). 2. Antenne réseau selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits guides d'onde sont disposés sous le plan de masse (32) des lignes triplaques desdites sources élémentaires. 3. Antenne réseau selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdits guides d'onde sont juxtaposés sur leurs grands côtés. 4. Antenne réseau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que, sur chaque guide d'onde, lesdits moyens de couplage des sources élémentaires successives qui y sont couplées comprennent des coupleurs de types différents, deux coup leurs successifs sur le guide d'onde n'étant pas du même type. 5. Antenne réseau selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdits coupleurs sont de deux types différents et sont altemés sur chaque guide d'onde. 6. Antenne réseau selon la revendication 5, caractérisée en ce que les deux types de coupleurs sont des plongeurs constitués respectivement de demi-doublets ouverts (41, 43) et de boudes de courant (51, 53). 7. Antenne réseau selon la revendication 6, caractérisée en ce que, pour compenser la perturbation introduite par chaque moyen de couplage sur la source élémentaire correspondante, la ligne triplaque (30, 31) de ladite source qui est connectée audit moyen de couplage est prolongée par un tronçon (301, 311) de ligne ouverte en parallèle dont la longueur est sensiblement égale à la demi-longueur d'onde de fonctionnement. 8. Antenne réseau selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que des moyens de compensation de déphasage (302, 312) sont prévus pour compenser le déphasage existant entre deux coupleurs successifs de type différent. 9. Antenne réseau selon la revendication 8, caractérisée en ce que lesdits moyens de compensation de déphasage sont constitués par un allongement prédéterminé (312) de la longueur de ligne triplaque entre ledit coupleur et le point d'intersection des lignes triplaques de la source élémentaire associée au coupleur ayant le plus faible déphasage.