Brevet FR2759814A1 — publié le 19980821

Eléments d'antenne hyperfréquence en hélice L'invention concerne les éléments d'antenne hyperfréquence, dont on peut se servir, sous la forme d'un agencement réseau, pour différentes applications de télécommunication. Par exemple, des antennes de ce type opérant à plus de 5 GHz, avec un balayage électronique de dépointage maximum d'environ 70 , permettent des télécommunications terrestres entre différents mobiles, ainsi que des télécommunications entre des satellites et la terre. Ces télécommunications s'effectuent souvent en polarisation circulaire. Les éléments d'antenne dits "hélices" conviennent particulièrement pour ces applications. Ces antennes en hélice, qui sont par exemple une hélice quadrifilaire résonante à rayonnement longitudinal, présen- tent un diagramme de rayonnement en forme générale de cardioïde, avec une bonne qualité de polarisation circulaire, ainsi qu'une couverture angulaire étendue autour de l'axe longitudinal. Cependant, il devient délicat d'utiliser des éléments rayonnants de type hélice lorsqu'on monte dans les hyperfré- quences. En effet, on rencontre alors des difficultés pour alimenter ou "exciter" de manière fiable ce type d'élément rayonnant. Ces difficultés sont aggravées dans une antenne réseau, o il faut éviter les couplages entre les éléments rayonnants voisins, et leurs circuits d'excitation ou d'ali- mentation. L'encombrement est également un facteur important, car dans les applications à balayage électronique, on recherche une maille (le pas entre éléments rayonnants) d'autant plus serrée que la zone angulaire de pointage du faisceau est plus étendue. En outre, il est généralement souhaité que les caractéristiques rayonnantes de l'antenne soient bien déterminées, en particulier leur centre de phase, ce qui nécessite le montage de l'élément rayonnant en position ajustée par rapport à un plan masse réflecteur; comme celui-ci doit se situer pratiquement au niveau des circuits d'excitation (liaison d'un circuit d'alimentation vers les brins de l'hélice), on comprend la grande difficulté qu'il y a à implanter correctement un tel plan masse. La présente invention a pour but d'améliorer la situation. Elle part d'un élément d'antenne hyperfréquence, du type comportant une pièce conformée, en particulier cylindrique, supportant plusieurs brins rayonnants qui définissent ensemble un élément rayonnant, en particulier du type hélice bifilaire ou quadrifilaire, des moyens d'alimentation (ou source) hyperfréquence, et des moyens de liaison hyperfré- quence (distributeur) entre ces moyens d'alimentation et lesdits brins rayonnants. Selon un aspect de l'invention, les brins rayonnants et une partie au moins des moyens de liaison hyperfréquence sont réalisés par gravure sur un même substrat diélectrique, tandis qu'il est prévu un blindage extérieur au niveau de ladite partie gravée des moyens de liaison hyperfréquence. Dans un mode de réalisation actuellement préféré, il est prévu un anneau de court-circuit à l'une des extrémités des brins rayonnants, tandis que les moyens de liaison sont connectés à l'autre extrémité de ces brins. Le substrat peut être un circuit imprimé plat enroulé sur la pièce conformée, ou bien être défini par la pièce conformée elle-même, sur laquelle les brins rayonnants et ladite partie des moyens de liaison hyperfréquence sont réalisés par gravure directe. Le blindage extérieur comprend avantageusement un manchon au moins superficiellement conducteur entourant extérieurement ladite partie des moyens de liaison hyperfréquence. De préférence, le manchon conducteur comprend un substrat diélectrique métallisé extérieurement, entourant immédiate- ment ladite partie des moyens de liaison hyperfréquence, tandis qu'il est prévu une métallisation conductrice à l'intérieur de la pièce conformée, ce qui forme une structure tri-plaque au niveau de ladite partie des moyens de liaison hyperfréquence. Le manchon est avantageusement évidé au niveau du point de liaison avec l'alimentation. Il est intéressant de prévoir en outre un capot conducteur de forme générale cylindrique autour du manchon, lequel capot peut être muni de fentes longitudinales lui permettant d'enserrer le manchon sur le substrat. Dans un mode de réalisation particulier, le capot comprend une section cylindrique longue enserrant le manchon sur le substrat, et prolongée par une bague cylindrique désaxée logeant une liaison micro-ruban du côté des moyens d'ali- mentation. De son côté, la métallisation conductrice interne peut être définie par un insert placé en partie intérieure basse de la pièce conformée. Et cet insert peut être agencé pour permet- tre la fixation de l'élément rayonnant sur un support. Les moyens de liaison comprennent de préférence un distribu- teur, en particulier constitué de diviseurs de type Wilkin- son. Ainsi, le dispositif peut être monté pour traverser un perçage d'un plan-masse à un niveau choisi, proche de l'émer- gence libre des brins rayonnants. On construit ainsi un agencement mono- ou bi-dimensionnel choisi d'éléments rayonnants semblables montés sur un même plan. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels: - les figures i à 8 illustrent des phases successives du montage d'un élément d'antenne en hélice quadrifilaire selon la présente invention; - les figures 9, 10 et 11 illustrent le montage d'un insert à l'intérieur de la pièce conformée supportant les brins rayonnants; - la figure 12 illustre un élément d'antenne presque terminé; - la figure 13 illustre plusieurs éléments d'antenne formant un réseau monodimensionnel, à différentes phases de leur montage; et - la figure 14 illustre un réseau bidimensionnel constitué d'éléments d'antenne selon la présente invention. Les éléments des dessins annexés sont pour la plupart de caractère certain. En conséquence, ils pourront non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à la définition de celle-ci, le cas échéant. La figure i illustre une pièce conformée 1, qui est ici un cylindre de révolution, en un matériau diélectrique tel que polysulfone, PTFE (polytétrafluoréthylène), ou un copolymère de polystyrène, tel que le stycast (Marque déposée). La figure 2 illustre un circuit imprimé souple comportant un substrat 2, sur lequel sont gravés, dans une zone oblique, quatre fils ou brins 21 à 24, réunis sur le bord libre horizontal par un court-circuit 29. La partie droite (non oblique) 3 reprend les brins deux à deux dans un premier niveau de diviseurs de Wilkinson 31 et 32, tandis que les points communs de ceux-ci sont réunis par des lignes de longueur appropriée à un second niveau de division comprenant ici un diviseur de Wilkinson 33, dont le point commun définit une ligne d'alimentation 39 en partie basse de la figure 2. Comme le montre la figure 3, ce circuit imprimé souple peut s'enrouler (métallisation vers l'extérieur) sur le cylin- dre 1, auquel il est fixé par collage. La zone inclinée se referme comme visible à l'arrière de la figure 3. Le tout peut être fait dans un outillage schématisé sous la référen- ce 9, et comportant une rainure de forme appropriée à la forme extérieure de l'ensemble. Les picots verticaux servent au positionnement d'une contre-pièce, par exemple pour le collage. Après collage, la ligne de court-circuit 29 est devenue un anneau, dont on soude les deux extrémités pour assurer la continuité électrique. Le reste de la jonction entre les bords du circuit imprimé 2 se trouve en des endroits dénués de métallisation. La figure 4 montre le résultat obtenu, o l'on distingue trois des brins en hélice, ainsi qu'une partie du système de diviseur de Wilkinson. Autour de ceci est placé un manchon 5 (figure 5), qui est constitué d'une feuille de diélectrique métallisée extérieu- rement. Les diélectriques de cette feuille ainsi que du circuit imprimé souple 2 sont par exemple des substrats utilisés pour la réalisation des antennes imprimées, suffi- samment souples pour permettre l'enroulement: par exemple de type PTFE (polytétrafluoréthylène) pur, ou renforcé de micro- fibres de verre. Dans le manchon 5 est prévue, en partie basse, une échancrure 51, qui laisse apparaître la ligne 39 destinée à être connectée au circuit d'alimentation hyperfréquence. On utilise ensuite un capot 6, constitué ici de deux parties cylindriques en prolongement l'une de l'autre. La partie cylindrique supérieure 61 est intérieurement conformée pour épouser l'extérieur de l'ensemble formé par le cylindre 1 et le circuit imprimé 2. De préférence, cette partie cylindrique 61 est munie de fentes telles que 610, qui lui permettent d'enserrer mieux les éléments situés en son intérieur. En bas, le capot comporte une bague cylindrique 62, désaxée vers la gauche, de façon à fournir plus d'espace dans sa partie creuse (en dessous, non visible), en regard de l'échancrure 51 qui laisse apparaître la ligne d'entrée. A ce stade du montage, on laisse le capot 6 en partie intermédiaire sur l'élément rayonnant, comme indiqué sur la figure 6. La position est donc celle de la figure 7. Après une opéra- tion de soudage sur laquelle on reviendra plus loin, on fait descendre le capot 6 jusqu'au bas, en affleurement ou presque, de la partie basse du cylindre 1. On examinera maintenant ce qui se trouve à l'intérieur de ce cylindre 1. Les figures 9 et 9A forment une vue de côté et une vue de dessous (en dessin de machine à la française) de ce cylindre 1. Les figures 10 et 10A forment deux vues correspondantes d'un insert 7 que l'on va placer à l'inté- rieur du cylindre 1, dans sa partie basse. Cet insert 7 est une bague cylindrique, creuse, fermée à l'une de ses extrémi- tés, sauf pour le passage d'un trou destiné à une vis. La figure 11 illustre l'insert 7 implanté à l'intérieur du manchon 1. Cette implantation de l'insert dans le manchon peut être effectuée avant les opérations décrites en référence aux figures 1 à 8. La figure 12 montre comment une vis pourra être passée à l'intérieur du cylindre 1, pour permettre la fixation de l'ensemble sur un support (la plaque 85 de la figure 13). En partie arrière de la plaque 85 sur la figure 13, on a illustré schématiquement en 8 un circuit d'alimentation hyperfréquence à déphaseur. L'homme du métier sait réaliser de tels circuits à encombrement latéral réduit. Il existe bien sûr un tel circuit (ou la fonction correspondante dans un circuit de plus grande taille) pour chacun des éléments d'antenne illustrés. Une sortie d'alimentation est définie par un picot 81. On fixe donc d'abord l'élément rayonnant à l'aide de la vis 86 sur la plaque 85, de sorte que son plot longiligne d'alimentation 39 soit juste au niveau du pi- cot 81. Ces deux éléments sont soudés l'un sur l'autre. C'est seulement après cela que l'on fait descendre le capot 6 en affleurement de la plaque support 85, comme visible sur deux autres éléments rayonnants de la figure 13. La figure 14 montre que l'on peut disposer de la sorte un réseau bidimensionnel d'éléments rayonnants, montés en position choisie par rapport à un plan masse PM, ce dernier étant fixé par exemple par rapport à la plaque 85. On note que le plan masse se situe pratiquement au niveau de l'en- droit o les brins rayonnants en hélice débordent des capots 6. L'invention est susceptible de différentes variantes. Tout d'abord, ces variantes intéressent la structure de l'hélice ellemême. L'alimentation s'effectue par le bas pour une hélice à quatre brins, dont les longueurs de brin réelles sont égales à un nombre entier de demi-longueurs d'onde. Elles peuvent être laissées en circuit ouvert si les lon- gueurs de brin sont égales à un nombre impair de quarts de longueurs d'onde. Dans tous les cas, on réalise une excitation de chacun des brins avec une amplitude identique et une loi de phase tournant sur 360 , compte tenu de la distribution des brins autour du support cylindrique. Le sens d'enroulement des brins et le sens de la phase tournante déterminent la direction de rayonnement, et le sens de la polarisation circulaire. La description détaillée donnée ici fait référence à une antenne hélice sur une pièce conformée cylindrique. Bien entendu, l'invention s'appliquerait aussi à l'antenne "dégénérée" que l'on obtient avec des brins rectilignes, suivant une génératrice du cylindre. Elle pourrait également s'appliquer à toute structure d'antenne montée sur une pièce conformée, et ayant une structure générale semblable à celle décrite; on peut notamment généraliser au cas de toute structure cylindrique à base autre que circulaire, cette base pouvant être une courbe ou un polygone. On peut également généraliser à des surfaces coniques, par exemple. Technologiquement, le mode de réalisation décrit utilise un substrat imprimé, gravé, découpé, enroulé et collé sur le cylindre plastique creux. Bien entendu, on peut également procéder à une gravure directe des métallisations sur le cylindre diélectrique creux (en PTFE ou stycast notamment), en particulier pour la fabrication d'éléments d'antenne en grande quantité. Par ailleurs, la partie interne de la structure "triplaque" (en anglais: "strip line"), qui est située au niveau des diviseurs Wilkinson (plus généralement du distributeur, ou des "moyens de liaison"), a été décrite ci-dessus comme définie par un insert métallique positionné avec précision à l'intérieur du cylindre. En variante, ou en complément, on peut également métalliser localement l'intérieur du cylindre au niveau de ce "distributeur". En utilisant l'insert métallique pour la fixation de l'élé- ment d'antenne sur un support conducteur, on obtient égale- ment un bon contact de masse. Le dispositif d'alimentation à déphaseurs 8 peut être constitué de déphaseurs à lignes commutées par diodes, par exemple. Dans la description donnée, le capot de blindage est réalisé en épousant étroitement le reste de la structure, afin d'obtenir une section "triplaque" au niveau du distributeur d'alimentation. Une variante consisterait à placer ce capot de blindage à distance, pour laisser à cette partie une structure de technologie microruban ("micro-strip"). La réalisation du capot par deux cylindres excentrés est intéressante pour des raisons de simplicité de fabrication. Toutefois, elle n'est pas limitative. On peut également réaliser ce capot à l'aide d'un matériau synthétique métal- lisé qui pourrait présenter une forme différente, par exemple celle d'appendices s'élargissant en regard de la ligne d'alimentation 39, comme esquissé sur la figure 14 en dessous du plan masse PM. On pourrait également mettre en oeuvre à cet effet des matériaux à mémoire de forme. Il est particulièrement important de relever que le disposi- tif décrit est entièrement démontable sans risques d'endomma- gements majeurs, en particulier au niveau de la liaison avec le circuit d'alimentation hyperfréquence 8. Dans les diviseurs de Wilkinson, la mise en place des éventuelles résistances de découplage peut s'effectuer à l'aide de résistances dites "chips", qui sont de très faible épaisseur, ou mieux encore de résistances imprimées sur un substrat très fin, qui est alors par exemple un film de Kapton, voire encore de résistances gravées sur le circuit imprimé: on utilise alors un substrat de type "oméga-ply" incluant une couche résistive, par laquelle on passe au niveau des résistances. La description donnée évoque des diviseurs de Wilkinson, qui sont considérés actuellement comme préférentiels. Toutefois, on peut également utiliser des distributeurs formés de coupleurs en échelons, en anneaux ou encore en T simple. Dans ce cas, une partie seulement de la structure du distributeur peut être implantée sur le circuit imprimé 2 (ou la gravure directe sur le cylindre 1). Cela est suffisant pour laisser la place pour un positionnement ajusté du plan masse, tandis que le reste ne nécessite pas un gros encombrement à l'arriè- re, et peut être placé transversalement. De façon classique, l'élément d'antenne peut être prévu avec une impédance de 50 ohms. L'adaptation d'impédance entre les brins rayonnants eux-mêmes et les diviseurs s'effectue alors par le fait que les brins sont plus larges, comme visible sur les dessins. L'adaptation d'impédance entre la structure triplaque et l'alimentation est réalisée par un léger élargissement de la plage conductrice: on note sur la figu- re 2 que cette plage conductrice 39 est plus large que les plages utilisées au coeur même du distributeur 3. En résumé, la réalisation de l'élément rayonnant s'effectue de la manière suivante: - Préparation de la première partie (cylindre avec gravure métallique des brins et du circuit d'alimentation), la gravure étant directe sur le cylindre, ou bien obtenue par collage d'un circuit imprimé souple sur ce même cylindre. - Mise en place des éventuelles résistances de découplage des coupleurs dans le circuit distributeur. - Roulage de la contre-plaque (technique des substrats enrou- lés), mise en place de cette contre-plaque, du manchon puis du capot à mi-course. - Etamage au niveau de la ligne 39 d'entrée du distributeur (si nécessaire, par exemple pour une ligne dorée). - Mise en place de l'élément d'hélice, par exemple par vissage sur son support. - Soudure de la ligne d'entrée du distributeur sur la ligne de sortie de l'alimentation hyperfréquence, par exemple à déphasage. - Descente du capot de blindage dans sa position finale. L'élément rayonnant proposé présente différents avantages: - encombrement réduit, compatible mécaniquement avec une mise en réseau "serrée", en particulier grâce à l'enroulement du distributeur d'alimentation 1 vers 4, - pas de rayonnement parasite par le distributeur d'alimenta- tion (par l'usage des technologies imprimées blindées des types triplaque et microruban blindé), - technologie compatible avec une utilisation à une puissance hyperfréquence relativement élevée, - connectique aisée avec des circuits imprimés, par exemple les modules d'une antenne réseau à balayage électronique comme décrit, ou encore avec un connecteur coaxial, - montage-démontage possible avec protection de la connecti- que (blindage) et fixation rigide (vissage possible), - aisance de mise en place d'un panneau réflecteur, de type plaque métallique trouée, à position ajustable en arrière des brins rayonnants pour modifier l'allure du diagramme de rayonnement de l'élément rayonnant, - poids réduit, - fabrication reproductible (technologie imprimée). L'une des caractéristiques de l'invention est notamment la simplicité et l'efficacité du procédé de fabrication de l'antenne proposée. Toutefois, l'invention n'est pas limitée à l'objet dont la description détaillée a été donnée. Différentes variantes ont déjà été envisagées. De façon plus générale, l'invention peut s'appliquer à la réalisation de tout ou partie de moyens de liaison hyperfréquence entre des brins ou fils rayonnants et une alimentation hyperfréquence (non nécessairement à déphasage), chaque fois qu'il est nécessaire d'avoir un encombrement très réduit au voisinage de l'émergence libre des fils ou brins rayonnants, par exemple pour y fixer un plan masse. Revendications 1. Dispositif formant élément d'antenne hyperfréquence, du type comportant une pièce conformée (1) supportant plusieurs brins rayonnants (21-24) qui définissent ensemble un élément rayonnant, des moyens d'alimentation hyperfréquence (8), et des moyens de liaison hyperfréquence (3) entre ces moyens d'alimentation et lesdits brins rayonnants, caractérisé en ce que les brins rayonnants (21-24) et une partie au moins des moyens de liaison hyperfréquence (3) sont réalisés par gravure sur un même substrat diélectrique (2), tandis qu'il est prévu un blindage extérieur (5) au niveau de ladite partie gravée des moyens de liaison hyperfréquence. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce conformée (1) est cylindrique. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que deux brins rayonnants (21,23) sont agencés en élément rayonnant du type hélice bifilaire. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que quatre brins rayonnants (21-24) sont agencés en élément rayonnant du type hélice quadrifilaire. 5. Dispositif selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce qu'il est prévu un anneau de court-circuit (29) à l'une des extrémités des brins rayonnants (21-24), tandis que les moyens de liaison (3) sont connectés à l'autre extrémité de ces brins. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le substrat (2) est un circuit imprimé plat enroulé sur la pièce conformée. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le substrat (2) est défini par la pièce conformée (1) elle-même, sur laquelle les brins rayonnants (21-24) et ladite partie des moyens de liaison hyperfréquence (3) sont réalisés par gravure directe. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le blindage extérieur comprend un manchon au moins superficiellement conducteur (5) entourant extérieurement ladite partie des moyens de liaison hyperfré- quence. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le manchon conducteur (5) comprend un substrat diélectri- que métallisé extérieurement, entourant immédiatement ladite partie des moyens de liaison hyperfréquence (3), tandis qu'il est prévu une métallisation conductrice (7) à l'intérieur de la pièce conformée, ce qui forme une structure tri-plaque au niveau de ladite partie des moyens de liaison hyperfréquence. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte un capot conducteur (6) de forme générale cylindrique autour du manchon. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le capot (6) est muni de fentes longitudinales (610) lui permettant d'enserrer le manchon (5) sur le substrat. 12. Dispositif selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que le capot (6) comprend une section cylindrique longue (61) enserrant le manchon sur le substrat, et prolongée par une bague cylindrique désaxée (62) logeant une liaison micro-ruban du côté des moyens d'alimentation. 13. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que la métallisation conductrice interne (7) est définie par un insert placé en partie intérieure basse de la pièce conformée. 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'insert (7) est agencé pour permettre la fixation de l'élément rayonnant sur un support. 15. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 14, caractérisé en ce que le manchon (5) est évidé au niveau du point de liaison avec l'alimentation. 16. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de liaison (3) comprennent un distributeur, en particulier constitué de diviseurs de type Wilkinson. 17. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est monté pour traverser un perçage d'un plan-masse (PM) à un niveau choisi, proche de l'émer- gence libre des brins rayonnants (21-24). 18. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il comporte un agencement mono- ou bi-dimensionnel choisi d'éléments rayonnants semblables montés sur un même plan- masse.