Brevet FR2724491A1 — publié le 19960315

Antenne plaquée miniaturisée à double polarisation à très large bande. L'invention concerne un dispositif d'alimentation par couplage à fentes, miniaturisées et déformées géométriquement, pouvant engendrer des ondes polarisées linéairement ou circulairement dans une antenne imprimée ou plaquée à très large bande. Le domaine de l'invention est très vaste. Non seulement l'invention peut s'appliquer dans les dispositifs de guidage, de poursuite, de surveillance et de réception multisatellites, mais encore elle présente un grand intérêt pour les antennes à large bande passante de 10,7 à 14,5 GHz ( supérieure à 30% embarquées sur satellites. Les antennes imprimées tentent à supplanter les antennes paraboliques. En effet, elles présentent des avantages évidents non seulement en ce qui concerne les dimensions, l'encombrement, le poids, le coût et la facilité d'installation, mais encore du point de vue de la précision du pointage et de la largeur de bande Cependant l'amélioration des performances notamment la montée en fréquence en bande K.U. nécessite de reconsidérer la technologie pour éviter l'accroissement des pertes, permettre une meilleure miniaturisation du dispositif et parfaire la technique de connexion et de réalisation des éléments. Les modes d'alimentation d'une antenne imprimée de type patch sont multiples, ia meilleure étant l'alimentation par couplage par fente à partir d'une ligne microruban ou triplaque. Ces dispositifs d'alimentation sont parfaitement connus et facilement réalisables pour une simple polarisation dans une largeur de bande passante relativement peu élevée. La nécessité d'obtenir une double polarisation entraîne des difficultés car la multiplicité des éléments rayonnants peut perturber la pureté de la polarisation, la qualité du rayonnement et la largeur de la bande passante. De plus, la nécessité de transition entre les éléments entraîne l'utilisation d'une technologie de plus en plus complexe et la mise au point du système d'autant plus compliquée. Une solution connue concernant la miniaturisation est proposée dans le brevet n" 2685130. Ce brevet décrit une antenne pastille carrée à deux polarisations, excitée par deux fentes croisées orthogonalement, de dimensions réduites et dont les lignes d'alimentation, orthogonales et croisées dans un même plan,.sont disposées à 45" des fentes. Dans un tel dispositif, les dimensions ont été relativement réduites mais la bande passante est très faible en bande K.U. ainsi que le découplage. En effet, pour que le découplage entre les deux polarisations orthogonales puisse se faire correctement, il est nécessaire de respecter la symétrie des fentes par rapport à leur axe de résonance. Dans ce dispositif le centre des fentes doit donc coïncider exactement avec le point de concours des lignes, ce qui est très difficile à réaliser même si les fentes et les lignes appartiennent au même substrat; cet inconvénient a été mentionné dans le brevet n" 2677814. En outre, dans ce dispositif les deux lignes croisées ne sont pas indépendantes, ce qui empêche de réduire le découplage. Une autre solution d'antenne plaquée à double polarisation est décrite dans le brevet n" 2700067. Chaque élément rayonnant générant deux ondes à polarisation distincte, est alimenté par deux lignes indépendantes à travers plusieurs fentes découpées dans un plan de masse. La réalisation d'un tel dispositif permet un bon découplage mais la largeur de bande reste faible par rapport à notre objectif. De plus la structure n'est pas compacte et sa réalisation s' avère difficile et inapplicable en bande X et K.U.. La présente invention a pour objectif la construction d'un dispositif compact, simple, facile à réaliser où chaque élément rayonnant engendre deux ondes polarisées bien indépendantes avec une très grande largeur de bande passante en bande K.U. et un bon découplage entre les deux voies. Le dispositif comprend deux lignes d'alimentation orthogonales, situées dans un même plan sous l'élément rayonnant et pouvant engendrer des ondes polarisées linéairement horizontalement et verticalement ) et indépendantes, ou deux ondes polarisées circulairement et opposées. Chaque ligne, microruban ou triplaque, en général radiale, alimente une fente par couplage électromagnétique. L'appartenance des lignes et des fentes au même substrat simplifie la construction du dispositif et permet un gain d'épaisseur. Les lignes ne se croisent pas et sont donc totalement indépendantes. Les fentes grâce à leur forme géométrique trapèzoidale sont bien séparées l'une de l'autre. Chaque fente est perpendiculaire à une ligne de transmission. Cette disposition originale des lignes et des fentes permet de miniaturiser le dispositif et d'obtenir un bon découplage. Chaque fente se couple avec un résonateur situé au-dessus d'elle. Un deuxième résonateur superposé permet d'élargir la bande passante. Ces couplages entrainent une grande largeur de bande, supérieure à 40% de bande passante entre 10 et 15 GHz bande d'émission et de réception des satellites embarqués ) à un R.O.S. inférieur à 1,9. Pour une largeur de bande passante de 10,7 à 12,75 GHz ( bande d'émission des satellites ), le R.O.S. est inférieur à 1,2. Aucune radiation à partir de la ligne de transmission microruban ou triplaque ne peut interférer avec le mode de radiation principal puisqu'un plan de masse sépare les deux mécanismes. Ceci confère au dispositif une grande pureté de polarisation linéaire ( horizontale/ verticale ) et circulaire. La configuration est bien adaptée à des systèmes monolithiques, où les éléments actifs peuvent être intégrés, par exemple sur un substrat de gallium-arsenic contenant la ligne de transmission, et les éléments radiaux peuvent être localisés sur un substrat adjacent de faible constante diélectrique et couplés aux lignes de transmission à travers des ouvertures dans le plan de masse séparant les deux substrats. Cette nouvelle méthode d'excitation d'une antenne imprimée n' exige aucune connexion directe entre l'antenne et les éléments de transmission. Le couplage à la ligne microstrip s'effectue par une petite ouverture localisée sous le patch dans le plan de masse et dont la forme est généralement celle d'un stub ouvert L'absence de connexion directe évite les problèmes posés par les grandes réactances dues aux connexions d'entrée ( self ) ,ou par les largeurs importantes de microruban relatives à la taille du patch , lesquelles sont critiques aux fréquences millimétriques. De plus, cette absence de connexion directe, permet de choisir le polypropylène, substrat qui évite tout problème de surfusion rencontré à la soudure d'un dépôt d'étain-plomb en surface, et dont le coût est cinq fois moindre que celui du téflon. Cette structure compacte due à la miniaturisation des éléments, notamment des stups et des fentes, nécessaire pour s'adapter au patch , et la géométrie des fentes de couplage entraînent une excellente isolation entre les deux voies, horizontale et verticale, inférieure à - 30 dB. Les dimensions du dispositif sont : épaisseur d'environ 5 cm selon le convertisseur intégré utilisé, hauteur de 20 cm et largeur de 20 ou 30 cm selon la puissance ( forte ou faible ) du satellite. Le poids du dispositif et son encombrement sont réduits du fait de ses dimensions. Les matériaux utilisés sont peu coûteux.. La structure du dispositif est évolutive; en effet le diagramme de rayonnement peut être modifié à volonté en agissant sur le déphasage ou l'amplitude La figure 1 représente une vue de dessus d'un mode de réalisation préférentiel d'une antenne selon l'invention La figure 2 représente une vue en coupe de l'antenne précédente présentée à la figure 1. Les figures 3 et 4 représentent la courbe de variation du rapport d'onde stationnaire ( R.O.S.) en fonction de la fréquence, respectivement pour la première et la seconde voie de transmission d'une antenne telle que celle présentée sur les figures 1 et 2. Les bandes de fréquence des courbes représentées sur les figures 3 et 4 correspondent aux fréquences d'émission des satellites, c'est à dire à des valeurs comprises entre 10,7 et 12,75 GHz. Les figures 5 et 6 représentent la courbe de variation du rapport d'onde stationnaire ( R.O.S.) en fonction de la fréquence, respectivement pour la première et la seconde voie de transmission d'une antenne telle que celle présentée sur les figures 1 et 2. Les bandes de fréquence des courbes représentées sur ces figures correspondent aux fréquences d'émission et de réception des satellites embarqués, c'est à dire à des valeurs comprises entre 10,7 et 14,5 GKz. En référence à ces figures données en annexe, la description suivante permettra de mieux comprendre les caractéristiques du dispositif et ses avantages. Le dispositif comprend deux lignes d'alimentation 5a et 5b orthogonales, mais ne se croisant pas, situées dans un même plan 5 sous les éléments rayonnants superposés 10 et 11, et pouvant engendrer des ondes polarisées linéairement ( horizontalement et verticalement ) indépendantes, ou deux ondes polarisées circulairement opposées. Chaque ligne 5a ou 5b, en général radiale, alimente une fente 3a ou 3b par couplage électromagnétique. Ces lignes conductrices 5a et 5b sont de type microruban ou triplaque selon la nature du substrat 9. Ces dites lignes sont déposées orthogonalement sur un substrat 6 diélectrique selon la technique classique des circuits imprimés. Elles ne se croisent pas et sont donc totalement indépendantes l'une de l'autre. Les fentes 3a et 3b, bien séparées l'une de l'autre grâce à leur géométrie trapèzoidale, sont gravées sur le même substrat 6 dans le plan de masse 4 opposé au plan conducteur 5. L'appartenance des lignes 5a et 5b et des fentes 3a et 3b au même substrat 6 permet de simplifier la construction du dispositif et de diminuer son épaisseur. En général, chaque ligne d'alimentation s' étend en circuit ouvert au-delà de la fente d'une longueur de X/4, k étant la longueur d'onde dans les dites lignes d'excitation. De même la fente s'étend de part et d'autre de la ligne de la même longueur k/4. Dans l'invention, du fait que les lignes 5a et 5b ne se croisent pas et sont donc indépendantes, chaque ligne s'étend au delà de chaque fente d'une longueur inférieure à k/4. Les lignes se terminent en circuit ouvert. De même, les fentes 3a et 3b s'étendent perpendiculairement de part et d'autre des lignes 5a et 5b d'une valeur inférieure à la longueur classique de k/4. En outre, elles sont indépendantes l'une de l'autre grâce à leur forme trapèzoïdale apparaissant sur la figure 1. Ces caractéristiques de l'invention, concernant la disposition et la dimension des lignes et des fentes d'une part, la forme géométrique des fentes d'autre part, permettent un bon découplage. Chaque fente 3a ou 3b se couple avec un résonateur 10 situé au dessus d'elle. Un deuxième résonateur 11 superposé au premier permet d'élargir la bande passante. Les plans des éléments rayonnants 10 et 11 sont parallèles au plan de masse 4. Le centre de chaque résonateur 10 et ll et le centre de résonance des fentes 3a et 3b sont alignés sur une droite orthogonale aux plans des éléments rayonnants 10 et 11 et au plan de masse 4. Cet alignement des centres des deux éléments rayonnants avec le centre de résonance des fentes permet d'éliminer le dépointage du faisceau. Ainsi les éléments rayonnants participent tous deux à la génération de deux ondes hyperfréquence à polarisations distinctes. Selon l'invention, il est possible de diminuer lesdimensions des éléments rayonnants afin d'augmenter le découplage fréquentiel entre les deux voies. L'élément rayonnant 11 est protégé par un diélectrique 12 de faible épaisseur. La figure 3 représente la courbe de variation du R.O.S. en fonction de la fréquence pour la première ligne de transmission 5a. La bande de fréquence se situe entre 10,55 et 13,6 GHz. L'atténuation de cette bande correspond à un R.O.S. inférieur ou égal à 1,3. Pour cette largeur de bande bf de 3,05 GHz, la fréquence centrale fc est 12,07 Ghz; ce qui donne un pourcentage Af/ f égal à 25%. La figure 4 représente la courbe de variation du R.O.S. en fonction de la fréquence pour la deuxième ligne de transmission 5b. La bande de fréquence se situe entre 10,7 et 13,8 GHz. L'atténuation de cette bande correspond à un R.O.S. inférieur ou égal à 1,3. Pour cette largeur de bande Af de 3,1 GHz, la fréquence centrale f est 12,25 Ghz; ce qui donne un pourcentage Af/ f égal à environ 25%. Dans la bande de réception des satellites, entre 10,7 et 12,75 GHz, comme le montrent les figures 3 et 4, le R.O.S. est inférieur ou égal à 1,2. Dans cette même bande de fréquence le découplage est inférieur ou égal à - 25 dB, comme le montre la figure 5. Ce bon découplage est dû aux caractéristiques de l'invention -disposition et dimension des lignes de transmission 5a et 5b, et des fentes 3a et 3b, -forme géométrique des fentes, -diminution de la taille des éléments rayonnants 10 et 11. Les figures 5 et 6 représentent la courbe de variation du R.O.S. en fonction de la fréquence pour respectivement la première et la seconde ligne de transmission. La bande passante de fréquence se situe entre 10 et 15 GHz. Le pourcentage correspondant est 40%. Le R.O.S. est inférieur à 1,9. Ces résultats remarquables sont obtenus en changeant les dimensions des éléments de rayonnement et, l'épaisseur et la nature des diélectriques 7 et 8. Ce dispositif peut alors être utilisé pour l'émission et la réception des satellites embarqués. Jusqu'à présent, aucune antenne n' a permis d'obtenir une si grande largeur de bande passante. Le dispositif décrit précédemment génère deux ondes orthogonales polarisées linéairement ( horizontale et verticale ), indépendantes l'une de l'autre. En associant un coupleur hybride de 90" au dispositif précédent, il est possible de générer une ou deux ondes de polarisation circulaire, tout en conservant la symétrie du système. La structure du dispositif est en effet évolutive et le diagramme de rayonnement peut être modifié à volonté en agissant sur le déphasage et l'amplitude. Par exemple, l'application de plusieurs déphaseurs permet de concevoir une antenne active de poursuite ou de surveillance. Le dispositif selon l'invention est plus particulièrement destiné -à la réception des satellites car cette antenne peut couvrir à elle seule tous les canaux de 10,7 à 12,75 GHz -à l'émission et à la réception des satellites embarqués du fait de la très grande largeur de bande de cette antenne, de 10,7 à 14,5 GHz. Revendications 1) Antenne plaquée miniaturisée dont au moins un élément rayonnant (10) engendre deux ondes polarisées orthogonales indépendantes. Chaque élément rayonnant (10, 11) est alimenté par deux lignes d'excitation (5a, 5b) orthogonales, situées dans un même plan (5) et indépendantes l'une de l'autre, à travers deux fentes (3a, 3b), orthogonales entre elles, perpendiculaires aux lignes, gravées dans un plan de masse (4) et séparées l'une de l'autre. Les lignes d'alimentation (5a, 5b) sont des lignes microruban ou triplaque selon la nature du substrat (9), elles se terminent en circuit ouvert, elles ne se croisent pas et elles s'étendent au-delà des fentes (3a, 3b) d'une longueur inférieure à B/4 (k étant la longueur d'onde dans les dites lignes Les fentes (3a, 3b) sont de forme trapézoïdale grâce à quoi elles sont bien séparées l'une de l'autre et elles se prolongent perpendiculairement de part et d'autre des lignes d'alimentation (5a, 5b) d'une longueur inférieure à B/4. 2) Antenne selon la revendication 1 caractérisée en ce que les éléments rayonnants (10, 11) sont de forme carrée, qu'ils sont situés dans des plans paralléles au plan de masse (4), qu'ils sont séparés par des diélectriques (7, 8) d'épaisseur et de nature variable et que l'élément (11) est protégé par un diélectrique (12) de faible épaisseur. 3) Antenne selon les revendications 1 et 2 caractérisée en ce que le centre de chaque résonateur (10, 11) et le centre de résonance des fentes (3a, 3b) sont alignés sur une droite perpendiculaire aux plans des dits résonateurs et du substrat (6) contenant le plan de masse (4). 4) Antenne selon la revendication 1 caractérisée en ce que le plan conducteur (5) commun aux lignes d'alimentation (Sa, 5b) et le plan de masse (4) où sont gravées les fentes (3a, 3b) appartiennent au même substrat diélectrique (6). 5) Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le premier élément rayonnant (10) est de dimension inférieure à celle des éléments rayonnants classiques. 6) Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que les fentes sont de dimension et de géométrie identiques. 7) Dispositif d'émission et/ou de réception constitué d'au moins une antenne selon les revendications de 1 à 6.