Brevet FR2753568A1 — publié le 19980320

ANTENNE-RESEAU POLYVALENTE. L'invention concerne les antennes de hautes performances. En règle générale, ces antennes sont agencées en un réseau de grandes dimensions, capable d'un balayage électronique sur une couverture angulaire allant jusqu'à +/-40 , sinon plus. Les éléments rayonnants individuels du réseau sont de petites dimensions par rapport à la longueur d'onde de travail. La nature des éléments rayonnants diffère selon le domaine de fréquence et/ou l'application que l'on considère. Les applications à bande étroite (+/- 10% autour d'une fréquence centrale) privilégient le gain et l'absence de lobes secondaires. Elles font appel à des éléments rayonnants résonnants, de type pavé ou dipôle, en cherchant à leur conférer une couverture angulaire compatible avec l'étendue de balayage souhaitée. Dans les applications à large bande (au delà d'une octave), le souci premier est de couvrir au mieux la bande voulue, là aussi avec une couverture angulaire compatible avec l'étendue de balayage souhaitée, généralement au détriment du gain et de l'absence de lobes secondaires. Il y a donc antinomie entre ces deux grandes classes d'appli- cations. En d'autres termes, malgré différentes tentatives, il n'a pas été possible jusqu'à présent d'obtenir des éléments rayonnants qui puissent donner véritablement satisfaction pour des applications en bande étroite, tout en étant également capables d'un fonctionnement en large bande, de manière continue et/ou en mode multi-fréquence. La présente invention a pour but d'apporter des éléments de solution à ce problème. Le dispositif rayonnant proposé est du type comprenant un support, un substrat diélectrique plat, monté perpendiculai- rement au support, pour définir, à distance du support, un bord libre parallèle à celui-ci, avec sur au moins l'une des deux grandes faces du substrat, une métallisation assortie d'un évidement qui s'évase jusqu'au bord libre, tandis que le substrat forme ainsi une structure rayonnante, o le profil de l'évidement forme adaptation entre une zone de couplage avec une alimentation hyperfréquence, et une zone radiative à large bande au voisinage du bord libre. Selon une définition générale de l'invention, le profil de l'évidement est choisi pour posséder un centre de phase sensiblement fixe, dans une bande de fréquence étroite, s'étendant sur environ 10% autour d'une fréquence centrale choisie, et ce sensiblement sur l'ensemble de la couverture angulaire; et le support comprend un plan-masse, évidé selon un passage propre à loger le substrat, la distance entre ce passage et le bord libre du substrat étant choisie pour optimiser le rendement radiatif dans ladite bande étroite. Très avantageusement, les deux grandes faces du substrat sont munies de deux métallisations avec des évidements de même forme, en positions homologues, ce qui fournit un profil en encoche. Dans un mode de réalisation particulier actuellement préféré, l'encoche est du type dit "MONSER", possédant un profil à deux étages d'adaptation à l'espace libre. De préférence, la distance entre le passage du plan-masse et le bord libre du substrat est voisine de la demi-longueur d'onde dans l'air à la fréquence centrale de la bande étroite. Selon un autre aspect de l'invention, l'écartement latéral entre le bord longitudinal du passage du plan-masse et la grande face du substrat qui est en regard est ajusté pour obtenir un faible taux d'ondes stationnaires tout en élargis- sant la bande passante en présence du plan-masse. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 illustre schématiquement un premier type d'élé- ment rayonnant, de profil dit "exponentiel"; - la figure 2 illustre schématiquement le montage d'un élé- ment rayonnant en une antenne-réseau; - la figure 3 illustre partiellement, en proportions exactes, un mode de réalisation préférentiel d'un élément rayonnant selon la présente invention; - les figures 4A et 4B illustrent l'élément rayonnant de la figure 3, complet, respectivement avec et sans connecteur; - la figure 5 illustre schématiquement le montage de l'élé- ment rayonnant des figures 3 et 4 sur un plan-masse; - la figure 6 illustre la maille du montage en réseau de l'élément rayonnant selon l'invention; - la figure 7 illustre une partie d'une antenne-réseau selon l'invention; et - les figures 8 et 9 illustrent deux autres éléments rayon- nants utilisables pour d'autres modes de réalisation. Les dessins annexés comprennent des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la description, mais aussi contribuer à la définition de l'invention. Les éléments rayonnants des antennes-réseau utilisées en radar ou en télécommunications sont de type résonnant: pavés microruban ("patches"); dipôles. On connaît des moyens d'élargir dans une certaine mesure leur bande de travail ou de les rendre multi-fréquences. Mais, si l'on cherche des caractéristiques large-bande allant au delà d'une octave, les pavés et dipôles manifestent une dégradation très importante et rédhibitoire de leurs caractéristiques radioélectriques. D'autres applications font usage d'antennes-réseau à large bande. Leurs éléments rayonnants sont soit d'un type qui possède des propriétés radiatives indépendantes de la fréquence (éléments de type "spirale" ou de type "log- périodique"), soit d'un type qui travaille par ondes progres- sives (éléments de type "VIVALDI", ou de type "encoche"). Ces éléments sont difficilement utilisables en bande étroite, soit à cause de leur faible rendement (spirale), soit en raison de leur taille excessive (log-périodique), soit du fait de difficultés rencontrées lorsqu'on veut placer à l'arrière un plan-masse, au lieu de l'absorbant hyperfré- quence habituel (VIVALDI, encoche). En cherchant à améliorer globalement les performances et possibilités des antennes à balayage électronique en bande étroite, la Demanderesse a trouvé le moyen de construire de tels aériens à partir d'éléments rayonnants qui sont au départ à large bande. La figure 1 illustre le schéma de principe d'un élément rayonnant en encoche de profil exponentiel (décrit notamment dans l'article "A BROADBAND STRIPLINE ANTENNA", L.R. LEWIS, M. FASSETT, J. HUNT, IEEE Symposium on Antenna Propagation, 1974, pp 335-337). Un substrat diélectrique SU est métallisé sur ses deux grandes faces, en M1 et M2, sauf en deux évidements El et E2, homologues, qui s'évasent en exponentielle vers un bord libre BL, perpendiculaire aux grandes faces. A l'arrière, c'est à dire au niveau de la partie étroite des évidements, ceux-ci sont couplés dans une zone de couplage CZ à une ligne d'alimentation LA, arrivant en mode tri-plaque ("stripline") entre les métallisations M1 et M2, avec une propagation en mode TEM. Entre les bords opposés d'un même évidement est définie une fente, qui s'élargit. Les propriétés rayonnantes sont dues principalement à une propagation en ondes progressives (ondes de surface) le long de cette fente qui s'élargit vers le bord libre, ainsi qu'à la discontinuité de l'évidement au niveau du bord libre. On connaît aussi des profils d'encoche un peu différents: - encoche de MONSER (brevet US 3 836 976; "DESIGN CONSIDERA- TIONS FOR BROADBANDING PHASED ARRAY ELEMENTS BEYOND TWO OCTAVES", G.MONSER, Military Microwave Conferences, pp 392- 396, Brighton, England, 1986); - encoche de POVINELLI ("DESIGN AND PERFORMANCE OF WIDEBAND DUAL POLARIZED STRIPLINE NOTCH ARRAYS", M.J. POVINELLI, J.A. JOHNSON, IEEE Symposium on antennas and propagation, 1988, pp -203). Les éléments de type VIVALDI ressemblent aux profils d'enco- che, mais ne comprennent qu'une seule métallisation évidée, en regard de la ligne d'alimentation. La Figure 2 montre comment des éléments rayonnants R10... R19,... R70 à R79 peuvent être montés sur une base support BA pour constituer une antenne-réseau. Quoique ces éléments ne soient pas modélisables actuellement, on arrive dans une certaine mesure à les ajuster pour les faire travailler en large-bande, avec des variations de gain en fonction de la fréquence et de l'angle de rayonnement qui, pour être importantes, n'en demeurent pas moins acceptables là o la large bande est l'impératif essentiel. Par contre, pour bien fonctionner, ces éléments doivent être adossés sur un absorbant hyperfréquence, ici, le support BA. Cette nécessité pose problème lorsqu'on veut y placer le plan-masse requis (entre autres) pour les applications en bande étroite, du moins à distance suffisamment proche pour qu'il soit effectif. En effectuant des essais sur de telles encoches, la Demande- resse a trouvé le moyen de résoudre ces difficultés. La figure 3 illustre l'élément rayonnant proposé, sous la forme d'une encoche de MONSER. Comme il a été observé que les propriétés de l'élément rayonnant sont conservées avec une homothétie tri- dimensionnelle de facteur 2 (au moins), les dimensions sont rapportées à une longueur d'onde de référence , qui peut être celle de la fréquence centrale de la bande étroite à obtenir. L'élément rayonnant comprend sur un substrat diélectrique SU, constitué de deux couches superposées ayant chacune une épai- sseur e0 = 0.026 . Ce substrat peut être notamment en verre- téflon du type DUROïD 5880 (Marque déposée). Le substrat plat (en principe plan), ici de forme rectangu- laire, possède un bord libre BL, en l'espèce perpendiculaire à ses deux grandes faces, dont la longueur (plus grande dimension) est ici a0 = 0. 57 A. Sur les deux grandes faces sont prévues des métallisations M1 et M2. Ces métallisations ont deux évidements respectifs superposables, symétriques par rapport à la médiatrice du bord libre (dans l'exemple représenté). De façon générale, ces évidements s'évasent jusqu'au bord libre BL. Dans le mode de réalisation décrit, il s'agit d'un profil étagé à deux niveaux, dimensionné comme suit: - fente large, près du bord libre BL, de largeur a1 = 0.213 , et de profondeur (longueur) pl = 0.213 A, égale à sa largeur; - fente rétrécie, à l'opposé du bord libre BL, de largeur égale à un peu moins du tiers de la précédente, soit a2 = 0.066 A. - la profondeur ou longueur totale de l'évidement est P2 = 0.343 A. On notera que cette forme d'encoche se distingue de celle du brevet US 3 836 976, notamment sur les points suivants: - forme plus "carrée" de la partie de l'évidement qui forme la fente large (ici, a1 = P1), et - faible profondeur P2 - P1 de la fente étroite au fond de l'évidement. La ligne d'alimentation LA est par exemple imprimée entre les deux couches du substrat SU. Elle forme avec les métallisa- tions M1 et M2 un système tri-plaque ("stripline"), sujet à une propagation hyperfréquence de type TEM ("transverse electric mode"). Sa partie terminale LA9 se couple à la fente étroite, à la manière d'une transition tri-plaque/fente. Cette transition est ajustée pour obtenir des courants en opposition de phase entre les deux bords de la fente étroite, dans la zone de couplage. Sur la figure 3, le support BA est devenu un plan-masse conducteur et réflecteur PM. Le plan-masse peut être incurvé, dans la limite compatible avec le fonctionnement hyperfré- quence. Ce plan-masse est muni de passages traversants PT, de forme générale rectangulaire (ici avec des extrémités arrondies, pour faciliter l'usinage). Les dimensions d'un passage sont, dans l'exemple illustré: longueur fl = 0.636 A, et - largeur f0 = 0,073 A. Un élément rayonnant individuel peut être tenu en position choisie, en principe symétriquement, par rapport au passage du plan-masse. Ce positionnement peut être obtenu à l'aide d'ailes longitudinales de guidage GU montées sur son connec- teur arrière CR (Figure 4A). Comme le montre la figure 4B, à partir de l'encoche, la ligne d'alimentation LA s'incurve pour rejoindre longitudinalement l'âme CR1 du connecteur, o l'on voit également des trous CR8 pour les vis de fixation du connecteur CR. La figure 5 illustre schématiquement le montage, de part et d'autre du plan-masse PM. Sur celui-ci est adossé un support, par exemple métallique, pour le connecteur CR. La largeur de l'antenne est dans cet exemple a0 = 0,57 A. La figure 6 montre qu'il est possible de construire un réseau de maille équilatérale, avec un pas vertical pv = 0,536 A, et un pas horizontal ph = 0,619 A. Et la figure 7 illustre une partie d'un réseau ainsi obtenu. Bien entendu, le réseau réel peut avoir un nombre d'éléments bien supérieur, notamment plusieurs centaines. La Demanderesse a observé que ce réseau fonctionne dans une bande de 10% autour de la fréquence centrale (correspondant à X), avec une couverture angulaire de +/- 60 , et ce sans rencontrer de lobes secondaires dus au réseau. Ceci répond bien aux besoins de bande étroite, dans une réalisation relativement simple et économique. L'antenne réseau présente en outre l'avantage de posséder une bande passante supérieure à une octave. Ceci la rend propre à fonctionner en d'autres modes de bande étroite, notamment multi-fréquences. En l'état actuel de ses travaux, la Demanderesse estime que les performances obtenues s'expliquent de la manière indiquée ci-après. Il a été observé tout d'abord que l'encoche possède un centre de phase sensiblement fixe, sensiblement au niveau du bord libre, dans une bande de fréquence étroite, s'étendant sur environ 10% autour d'une fréquence centrale choisie, et ce sensiblement sur l'ensemble de la couverture angulaire. En plaçant un plan-masse près de la partie rayonnante d'une encoche, au lieu de l'absorbant habituel, on s'attend à dégrader sensiblement les performances, et par là, à ce que l'encoche convienne encore moins pour des applications en bande étroite, en particulier celles o la phase compte beaucoup. Toutefois, il s'est avéré que la distance entre le passage et le bord libre du substrat peut être choisie pour optimiser le rendement radiatif dans ladite bande étroite, et compenser ainsi les effets néfastes de la présence du plan-masse. De préférence, la distance do entre le passage PT du plan-masse et le bord libre BL du substrat est voisine de la demi- longueur d'onde dans l'air à la fréquence centrale de la bande étroite. Sur la figure 3, do est d'environ 0,44 A. Cependant, des valeurs différentes peuvent également conve- nir. Ceci a été observé avec l'encoche de MONSER. Il est estimé que des adaptations analogues peuvent être faites avec une encoche de POVINELLI (figure 8) ou une encoche de profil exponentiel (figure 9). De telles adaptations sont également envisageables avec les éléments VIVALDI, qui, sous certaines réserves, peuvent être considérés comme des demi-encoches. De plus, l'écartement latéral entre les bords longitudinaux du passage PT du plan-masse et chaque grande face du substrat peut être ajusté pour obtenir un faible taux d'ondes station- naires, tout en élargissant la bande passante en présence du plan-masse. L'élément décrit possède, sur une bande plus large qu'une octave, un coefficient de réflexion actif de 10 dB, ce qui correspond à un taux d'ondes stationnaires actif (TOS) de 2/1. Le diagramme de rayonnement possède une ouverture de 90 . On peut donc aussi l'utiliser en large bande, avec une couverture angulaire de +/- 45 , pour des lobes secondaires situés à au moins 10 dB sous le niveau du lobe principal. Le dépointage du balayage électronique peut être effectué par des lignes à retard, pour cette applica- tion. Les performances en large bande peuvent être amélio- rées, si les éléments rayonnants situés au pourtour de l'antenne réseau ne sont pas alimentés dans ce mode. Le substrat de l'élément rayonnant peut être prolongé vers l'arrière, pour servir de circuit imprimé supportant des organes de balayage électronique, actifs ou passifs, et/ou des éléments d'amplification. En d'autres termes, l'invention convient bien pour des modules rayonnants actifs. Pour certaines applications, nécessitant une polarisation circulaire, on peut placer un polariseur à ligne à méandres devant chaque élément rayonnant, c'est-à-dire du côté de son bord libre. Pour d'autres applications, nécessitant une diversité de polarisation, on peut disposer les éléments rayonnants en croix, soit à raison de deux en chaque position, soit en les croisant d'une position à la position adjacente. Par un choix convenable des dimensions, l'élément rayonnant est susceptible de fonctionner entre 1 et 50 GHz, environ. Revendications 1. Dispositif rayonnant, comprenant: - un support (PM), - un substrat diélectrique plat (SU), monté perpendiculaire- ment au support, pour définir, à distance du support, un bord libre (BL) parallèle à celui-ci, sur au moins l'une des deux grandes faces du substrat, une métallisation (M1,M2) assortie d'un évidement (E1,E2) qui s'évase jusqu'au bord libre, le substrat formant ainsi une structure rayonnante, o le profil de l'évidement forme adaptation entre une zone de couplage avec une alimentation hyperfréquence, et une zone radiative à large bande au voisinage du bord libre, caractérisé en ce que le profil de l'évidement (E1,E2) est choisi pour posséder un centre de phase sensiblement fixe, dans une bande de fréquence étroite, s'étendant sur environ % autour d'une fréquence centrale choisie, et ce sensible- ment sur l'ensemble de la couverture angulaire, et en ce que le support comprend un plan-masse (PM), évidé selon un passage (PT) propre à loger le substrat, la distance entre ce passage et le bord libre (BL) du substrat étant choisie pour optimiser le rendement radiatif dans ladite bande étroite. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux grandes faces du substrat sont munies de deux métallisations (M1,M2) avec des évidements (E1,E2) de même forme, en positions homologues, ce qui fournit un profil en encoche. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la dimension de l'évidement (E1,E2) perpendiculairement au bord libre est au plus à peu près égale à la longueur du bord libre (BL). 4. Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'évidement est du type dit encoche de "MONSER", possédant un profil à deux étages d'adaptation à l'espace libre. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la distance entre le passage (PT) du plan-masse et le bord libre (BL) du substrat est voisine de la demi-longueur d'onde dans l'air à la fréquence centrale de la bande étroite. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'écartement latéral entre le bord longitudinal du passage (PT) du plan-masse et la grande face du substrat qui est en regard est ajusté pour obtenir un faible taux d'ondes stationnaires tout en élargissant la bande passante en présence du plan-masse. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une ligne-ruban de couplage (LA) formant structure tri-plaque avec la métallisation (M1,M2) du substrat, et formant transition tri-plaque/fente avec l'évidement (E1,E2), au voisinage de son extrémité distante du bord libre du substrat. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la ligne-ruban de couplage (LA) opère en mode TEM. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un organe polariseur, tel qu'un polariseur à ligne en méandre, placé devant le bord libre de l'élément rayonnant. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de substrats à encoche formant un réseau bidimensionnel, sur un même plan- masse, usiné de passages en fentes homologues de ces subs- trats (Fig. 7). 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les substrats à encoche sont croisés en vue d'une diver- sité de polarisation. 12. Dispositif selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de balayage électronique selon une direction au moins.