Brevet FR2751138A1 — publié le 19980116

Antenne microruban à polarisations multiples, notamment antenne élémentaire pour réseau de type dalle La présente invention concerne une antenne microruban à polarisations multiples, notamment une antenne élémentaire pour un réseau de type dalle . Les réseaux de type dalle sont des réseaux plans de très faible épaisseur formés d'une pluralité d'antennes élémentaires non saillantes s'étendant à la surface de la dalle. La technologie microruban ou microstrip se prête particulièrement bien à la réalisation de tels réseaux, qui sont alors essentiellement constitués d'un substrat métallisé sur ses deux faces portant des motifs conducteurs (microrubans) de géométrie appropriée formés dans les métallisations des faces. Pour plus de détaila sur les antennes à microrubans, ou pourra se référer notamment à l'ouvrage de I. J. Bahl et P. Bhartia intitulé Microstrip antennas, publié en 1980 chez Artech House. Dans un certain nombre de circonstances, il peut être intéressant de prévoir une polarisation circulaire, notamment dans les applications radar, où l'on sait que la polarisation circulaire permet d'éliminer les échos produits par les obstacles à réflexion isotrope, tout particulièrement les échos de pluie (provoqués par les gouttelettes d'eau en suspension dans les nuages). En effet, l'onde émise selon une polarisation circulaire donnée, par exemple une polarisation circulaire droite, va être déphasée de 1800 par réflexion sur l'obstacle et va donc être renvoyée avec une polarisation inverse, circulaire à gauche dans cet exemple. ll sera aisé, au niveau du récepteur, de supprimer cette réflexion au moyen d'un éliminateur d'inter-polarisation. On connaît diverses techniques de polarisation circulaire d'antennes élémentaires réalisées en technologie microruban, mais qui présentent toutes l'inconvénient de n'autoriser qu'une bande passante très étroite autour de la fréquence centrale sur laquelle ils sont accordés. En particulier, des tentatives ont déjà été faites pour exciter deux fentes orthogonales disposées symétriquement en forme de croix au moyen d'une alimentation par un coupleur du type té Wilkinson , c'est-à-dire que les deux fentes sont alimentées par deux voies dont les longueurs respectives diffèrent d'un quart d'onde, comme cela est décrit notamment dans l'ouvrage de J. R. James, P. S. Hall et C. Wood intitulé Microstrip Antenna Theory and Design, publié en 1981 chez Peter Pelegrinus Ltd, aux pages 262 et 263. Cependant, du fait que le déphasage résulte de la différence de chemin dans les deux voies d'alimentation (différence d'un quart d'onde), un tel mode d'excitation est par nature dissymétrique et, surtout, sélectif en fréquence, puisque la condition de déphasage de 900 n'est plus respectée dès que l'on s'écarte de la fréquence centrale pour laquelle on a calculé les longueurs des voies d'alimentation. Un premier but de l'invention est de remédier à ces limitations, en proposant une structure d'antenne microruban à polarisation circulaire pouvant être utilisée dans une large bande de fréquences, typiquement une bande dont la largeur est de l'ordre de 20 % de la fréquence centrale de fonctionnement. Un second but de la présente invention est de proposer une structure d'antenne qui, toujours avec cette caractéristique large bande, autorise, outre la polarisation circulaire (à droite ou à gauche), une polarisation rectiligne (linéaire) surajoutée à la polarisation circulaire, typiquement une polarisation linéaire verticale et/ou horizontale. Comme on le verra, l'antenne de la présente invention permet notamment, à partir d'un unique élément rayonnant et par simple commutation sélective de voies d'entrée du signal, d'obtenir à volonté: - une polarisation circulaire droite, - une polarisation circulaire gauche, - une polarisation rectiligne horizontale, et - une polarisation rectiligne verticale. Cette caractéristique d'antenne à polarisations mutiples est particulièrement intéressante pour les antennes assurant simultanément deux fonctions, par exemple la fonction classique de surveillance - obtenue par une polarisation circulaire - et une fonction IFF (Identification Friend or Foe : identification ami ou ennemi) - obtenue par une polarisation rectiligne. On verra en outre que, en cas de polarisation circulaire, la structure de l'invention procure une symétrie d'alimentation parfaite, ce qui n'était pas le cas de l'antenne à fentes en croix de l'art antérieur mentionnée plus haut. L'antenne de la présente invention est une antenne microruban du même type que celle décrite dans l'ouvrage précité de James, Hall et Wood, à savoir une antenne comportant: - sur une face d'un substrat, un élément rayonnant constitué de deux fentes orthogonales disposées en croix, et - sur la face opposée, des premiers moyens d'excitation comprenant deux voies déphasées d'un quart d'onde couplées à chacune des deux fentes respectives de l'élément rayonnant, de manière à faire rayonner celui-ci selon une polarisation circulaire. Selon l'invention, les premiers moyens d'excitation comprennent un coupleur hybride 900, symétrique et à large bande, dont les deux branches de sortie sont couplées aux deux fentes respectives de l'élément rayonnant et dont l'une au moins des branches d'entrée reçoit un signal à rayonner. On peut notamment appliquer sélectivement le signal à rayonner sur rune ou l'autre des branches d'entrée du coupleur hybride 900 en fonction du sens, droit ou gauche, choisi pour la polarisation circulaire. Très avantageusement, l'antenne de l'invention comprend également des seconds (ainsi que, de préférence, également des troisièmes) moyens d'excitation comportant, sur la face opposée à celle portant l'élément rayonnant, une ligne directement couplée à l'une des fentes (respectivement, à l'autre des fentes) de l'élément rayonnant cruciforme, de manière à faire rayonner celui-ci selon une première (respectivement, une seconde) polarisation recti ligne, orientée perpendiculairement à la direction de la fente ainsi excitée. De préférence, pour une fente donnée de l'élément rayonnant, le point de couplage de ces seconds ou troisièmes moyens d'excitation est situé sur le côté opposé de celui du point de couplage des premiers moyens d'excitation. Pour donner une forme plus compacte à l'ensemble, l'axe médian du coupleur hybride symétrique 900 peut former un angle par rapport aux axes des fentes de l'élément rayonnant cruciforme. On peut par ailleurs prévoir en outre un directeur en forme d'élément passif disposé, dans la direction du rayonnement, devant l'élément rayonnant et à distance de celui-ci. 0 On va maintenant donner des exemples détaillés de réalisation de la présente invention, en référence aux figures annexées. La figure 1 est une vue d'un premier mode de réalisation de l'antenne de l'invention, procurant une polarisation circulaire à droite ouà gauche. La figure 2 est une représentation isolée du coupleur hybride utilisé dans la structure de la figure 1. La figure 3 est homologue de la figure 2, pour une version de dimensions réduites du même coupleur hybride (les figures 2 et 3 étant à la même échelle). La figure 4 illustre partiellement un réseau constitué à partir d'antennes élémentaires telles que celles de la figure 1. La figure 5 est homologue de la figure 1, pour un second mode de réalisation de la présente invention procurant, outre les polarisations circulaires droite et gauche, une polarisation rectiligne horizontale et une polarisation rectiligne verticale. Sur la figure 1 on a représenté, vue de dessus (c'est-àdire vu depuis un point en direction duquel rayonne l'antenne), l'antenne selon la présente invention, qui est constituée essentiellement d'un élément rayonnant cruciforme 10 formée de deux fentes orthogonales de même longueur 11 et 12 se croisant en leur centre. Cet élément rayonnant cruciforme est réalisée par élimination locale du cuivre de la métallisation de surface d'un substrat. Le substrat et les métallisations peuvent être de tout type classique utilisé en technologie microruban, par exemple des métallisations de cuivre de 35 pin d'épaisseur sur les deux face d'une plaque de verre PTFE ou de verre-époxy d'épaisseur 1,6 mm et de constante diélectrique E comprise entre 2,6 et 4 pour un coefficient de pertes tg 6 compris entre 104 et 104. Ces deux fentes définissent donc un élément rayonnant cruciforme comportant quatre bras 11a, 11b, 12a et 12b symétriques et tous de même longueur afin d'obtenir la meilleure circularité possible de la polarisation; en effet, toute dissymétrie introduirait une ellipticité préjudiciable à une utilisation correcte des signaux émis ou reçus par l'antenne. Sur l'autre face du substrat, on forme dans la métallisation, également par gravure, un coupleur permettant, de manière en elle-même connue, d'exciter les deux fentes de l'élément rayonnant cruciforme avec un déphasage relatif de 900 (quadrature). De façon caractéristique de la présente invention, le coupleur 20 est un coupleur du type coupleur hybride 3 dB , dit encore anneau hybride 3 dB ou échelle 3 dB . Ce coupleur hybride, en lui-même connu, a été représenté isolément figure 2. I1 est essentiellement constitué de deux branches d'entrée 21 et 21' symétriques (du point de vue radioélectrique) et deux branches de sortie, également symétriques 22 et 22'. Ces quatre branches aboutissent à quatre segments 23, 24, 25 et 26 ayant chacun une longueur d'environ un quart d'onde (la longueur d'onde étant considérée dans le diélectrique du substrat, et non dans l'air). Ces segments 23 à 26 peuvent être rectilignes, comme illustré figure 2 -- et l'on parle généralement de coupleur en échelle - ou curvilignes -- et l'on parle alors plutôt d' anneau hybride -, ou même prendre des formes plus complexes, comme dans le cas de la figure 3 que l'on décrira en détail plus loin, les paramètres importants étant la longueur et la largeur des lignes de transmission formées par ces segments. Les dimensions des branches d'entrée 21 et 21', des branches de sortie 22 et 22' et des lignes 25 et 26 sont telles que ces éléments sont tous adaptés sur l'impédance caractéristique de l'antenne et de ses circuits associés, typiquement 50 Q. En revanche, on donne aux lignes 23 et 24 une largeur supérieure, de manière à créer une désadaptation d'impédance. Cette désadaptation est telle que les signaux appliqués sur l'une ou l'autre branche d'entrée 21 ou 21' vont se trouver divisés et, du fait des retards introduits par les lignes quart d'onde 23 à 26, vont donner sur chacune des branches de sortie 22 et 22' des signaux semblables, de même amplitude mais déphasés de 900. Le choix d'un tel coupleur hybride 900 présente un certain nombre d'avantages, notamment le fait qu'il permet de maintenir, à la différence des coupleurs tels que le té Wilkinson, un déphasage de 90" quasiment constant sur une très large bande de fréquences, typiquement sur une largeur de bande de 20 %, avec un ROS peu affecté par les variations de fréquence dans cette bande; autrement dit, ce coupleur hybride reste parfaitement adapté même si la fréquence varie autour de la fréquence centrale pour laquelle il a été calculé. Si l'on revient maintenant à la figure 1, on voit que l'on a combiné un tel coupleur hybride à l'élément rayonnant cruciforme 10 par couplage de chacune de ses branches de sortie 22, 22' à l'une des deux fentes 11, 12. L'emplacement exact du point de couplage 27, 27' sur la fente n'est pas critique, ni l'orientation de la branche de sortie 22 ou 22' par rapport à l'axe D1 ou D2 de la fente. Cependant, pour gagner en compacité, on oriente de préférence le coupleur hybride par rapport à la fente de la manière illustrée figure 1, c'està-dire que l'axe de symétrie A du coupleur forme un angle par rapport aux axes D1 et D2 des fentes, d pouvant notamment, comme illustré, constituer une bissectrice de l'angle formé par D1 et D2. Les branches de sortie 22 et 22' du coupleur attaquent ainsi deux bras adjacents 12b et îîb, respectivement, par des signaux en quadrature. Pour réaliser une adaptation optimale, on prolonge les branches 22, 22' par un tronçon respectif 28, 28' de longueur R/4 (longueur considérée, ici encore, dans le diélectrique) permettant de faire revenir en phase au point de couplage l'énergie de fuite n'ayant pas été transmise directement à la fente rayonnante. Ainsi, Si l'on applique un signal sur la branche d'entrée 21 du coupleur hybride, on réalisera, du fait de l'alimentation symétrique équiamplitude mais en quadrature, une polarisation circulaire tournée vers la droite, tandis que, si l'on applique le signal sur la branche d'entrée 21' du coupleur hybride, on obtiendra une polarisation circulaire inverse, c'est-à-dire tournée vers la gauche. Un tel type d'antenne élémentaire se prête particulièrement bien à la constitution d'un réseau plan, comme on l'a illustré schématiquement figure 4. Sur cette figure, on a illustré trois antennes élémentaires du réseau, qui peut en comprendre plusieurs dizaines ou plusieurs centaines. Chaque élément rayonnant cruciforme 10 est associé à un coupleur hybride 20 qui lui est propre, les différents coupleurs étant alimentés de façon appropriée, de manière en elle-même connue, par des circuits répartiteurs (qui n'ont pas été représentés). On voit que la configuration de l'ensemble élément rayonnant/coupleur hybride selon la présente invention permet d'avoir une disposition très compacte, notamment si l'on excite les fentes en biais, comme on l'a exposé plus haut, ce qui permettra de rapprocher au maximum les uns des autres les divers éléments rayonnants. Or on sait que, dans une antenne réseau, si l'on veut éviter l'apparition de lobes de réseau préjudiciables à une large couverture angulaire, il est nécessaire de rapprocher le plus possible les divers éléments rayonnants, idéalement avec un espacement non supérieur à une demi-longueur d'onde. Avantageusement, on peut prévoir, de manière en ellemême connue, un patch ou pavé 30 faisant fonction de directeur ou élément rayonnant passif, formé d'une surface métallique de dimensions légèrement supérieure à celle des fentes et disposé devant l'élément rayonnant cruciforme et à distance de celui-ci. Un tel directeur a été suggéré en 30 sur la figure 4 ; les directeurs peuvent être de formes diverses, par exemple celle d'un carré dont les diagonales sont parallèles aux fentes (comme dans l'exemple illustré), d'un carré dont les côtés sont parallèles aux fentes, d'un cercle, etc. Ces directeurs procurent, outre leur effet sur le diagramme de rayonnement de l'antenne élémentaire, un élargissement de la largeur de bande de l'élément rayonnant, caractéristique particulièrement intéressante dans le cas présent. Pour accroître encore la compacité de l'antenne, on peut replier les segments 23 à 26 du coupleur hybride 20, comme on l'a illustré figure 3, en gardant les mêmes longueurs et les mêmes largeurs, pour chacun des segments, que dans le cas de la figure 2. Cette configuration permet en particulier de diminuer notablement l'entraxex des branches d'entrée et de sortie du coupleur. La figure 5 montre un mode de réalisation perfectionné de la présente invention, permettant de faire rayonner les fentes non seulement suivant des polarisations circulaires droite et gauche, mais également suivant des polarisations rectilignes, verticale ou horizontale. Les polarisations circulaires sont obtenues de la même manière que dans le cas de la figure 1, les mêmes références numériques ayant été utilisées pour désigner des éléments identiques. Pour réaliser les polarisations rectilignes, on tire parti du fait que l'élément rayonnant 10 n'est excité par le coupleur hybride 20 que par deux de ses quatre branches, à savoir les branches îîb et 12b sur l'exemple illustré. Les deux autre branches, îîa et 12a, sont alors utilisées pour réaliser une polarisation rectiligne au moyen de lignes microrubans respectives 40 et 50 alimentant, de préférence également en biais, les bras îîa et 12a des fentes 11 et 12. Ainsi, la ligne 40, alimentée par son extrémité 41, va exciter la fente verticale (avec les conventions du dessin) 11 au point de couplage 47 et produire une polarisation horizontale; de la même façon, la ligne 50, alimentée par son extrémité 51, va exciter la fente horizontale 12 au point de couplage 57 et produire une polarisation verticale. Ces lignes 40 et 50 se terminent, au-delà des points de couplage 47 et 57, par des tronçons quart d'onde 48 et 58 dont le rôle est analogue à celui des tronçons quart d'onde 28 et 28' des voies d'alimentation en polarisation circulaire. On voit ainsi que l'on pourra obtenir, avec un même élément rayonnant: - un polarisation circulaire droite, si l'on applique le signal par la voie d'entrée 21, - un polarisation circulaire gauche, si l'on applique le signal par la voie d'entrée 21', - un polarisation rectiligne horizontale, si l'on applique le signal par la voie d'entrée 41, et - un polarisation rectiligne verticale, si l'on applique le signal par la voie d'entrée 51. La sélection de polarisation souhaitée pourra s'obtenir facilement par commutation des différentes voies, par exemple au moyen de diodes PIN. REVENDICATIONS 1. Une antenne microruban, notamment une antenne élémentaire pour un réseau de type dalle, comportant: - sur une face d'un substrat, un élément rayonnant (10) constitué de deux fentes orthogonales (11,12) disposées en croix, et - sur la face opposée, des premiers moyens d'excitation comprenant deux voies déphasées d'un quart d'onde couplées à chacune des deux fentes respectives de l'élément rayonnant, de manière à faire rayonner celui-ci selon une polarisation circulaire, caractérisé en ce que les premiers moyens d'excitation (20) comprennent un coupleur hybride 90 , symétrique et à large bande, dont les deux branches de sortie (22, 22') sont couplées aux deux fentes respectives de l'élément rayonnant et dont l'une au moins des branches d'entrée (21, 21') reçoit un signal à rayonner. 2. L'antenne de la revendication 1, dans laquelle on applique sélectivement le signal à rayonner sur l'une ou l'autre des branches d'entrée du coupleur hybride 900 en fonction du sens, droit ou gauche, choisi pour la polarisation circulaire. 3. L'antenne de la revendication 1, comprenant également des seconds moyens d'excitation (40) comportant, sur la face opposée à celle portant l'élément rayonnant, une ligne directement couplée à l'une (11) des fentes de l'élément rayonnant cruciforme, de manière à faire rayonner celui-ci selon une première polarisation rectiligne, orientée perpendiculairement à la direction de la fente ainsi excitée. 4. L'antenne de la revendication 3, comprenant également des troisièmes moyens d'excitation (50) comportant, sur la face opposée à celle portant l'élément rayonnant, une ligne directement couplée à l'autre (12) des fentes de l'élément rayonnant cruciforme, de manière à faire rayonner celui-ci selon une seconde polarisation rectiligne, orientée perpendiculairement à la première. 5. L'antenne de l'une des revendications 3 ou 4, dans laquelle, pour une fente donnée (11 ; 12) de l'élément rayonnant, le point de couplage (47 ; 57) des seconds ou des troisièmes moyens d'excitation est situé sur le côté (lia ; 12a) opposé de celui (lob; 12b) du point de couplage (27 ; 27') des premiers moyens d'excitation. 6. L'antenne de l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle l'axe médian (A) du coupleur hybride symétrique 900 forme un angle par rapport aux axes (D1, D2) des fentes de l'élément rayonnant cruciforme. 7. L'antenne de l'une des revendications 1 à 6, comportant en outre un élément directeur passif (30) en forme de pavé disposé, dans la direction du rayonnement, devant l'élément rayonnant (10) et à distance de celui-ci.