Brevet FR2751471A1 — publié le 19980123

Dispositif rayonnant à large bande susceptible de plusieurs polarisations L'invention concerne les antennes ou dispositifs rayonnants. Bien qu'il existe de nombreux types d'antennes, il demeure toujours délicat de réaliser une antenne qui soit à large bande, de faible encombrement, et capable de traiter plu- sieurs polarisations, avec de bonnes performances radioélec- triques. Ces performances sont mesurées notamment par le gain de l'antenne, son diagramme de rayonnement, et le niveau résiduel de transmission d'une polarisation à l'autre. Ce problème présente d'autres composantes, comme la défini- tion exacte du centre de phase d'une telle antenne, ainsi que le couplage électrique correct de l'antenne au circuit qui coopère avec elle. Des ouvrages ont déjà proposé un dispositif rayonnant dit "antenne papillon" ("Bow-Tie antenna") ou "dipôle triangu- laire" qui comprend une paire de secteurs conducteurs minces, disposés tête-bêche de part et d'autre d'un axe de symétrie, avec un plan de symétrie passant par cet axe: - "Triangular dipole antennas", Antenna Engineering Handbook, R.C. JOHNSON & H.JASIK, Mac Graw Hill Book Company, page -12, - "Experimentally Determined Radiation Characteristics of Conical and Triangular Antennas", G.H.BROWN & O.M. WOODWARD Jr, R.C.A. Review, Vol 3 N 4, Décembre 1952. Dans sa définition la plus générale, l'antenne selon la présente invention comprend, sur un substrat, ladite paire de secteurs conducteurs et au moins une autre paire de sec- teurs conducteurs minces, semblables aux premiers, disposés chacun avec un plan de symétrie passant par ledit axe, de sorte que les plans de symétrie soient sensiblement réguliè- rement répartis autour dudit axe. Ceci permet en principe de réaliser une antenne sélective selon plusieurs directions différentes (plus exactement plans directeurs) par rapport à l'axe de symétrie. Toutefois, en pratique, la plupart des applications utilisent seulement deux directions perpendiculaires l'une à l'autre: elles correspondent à deux vecteurs de polarisation indépendants; comme on le verra plus loin il est possible de traiter, soit la polarisation horizontale et la polarisation verti- cale, soit la polarisation circulaire droite et la polarisa- tion circulaire gauche, notamment. Dans ces conditions, le dispositif proposé comporte deux paires de secteurs conducteurs dont les plans de symétrie sont perpendiculaires. Bien qu'il soit possible de procéder autrement, il est très avantageux que les secteurs conducteurs aient sensiblement la même surface que les secteurs isolants définis entre ces secteurs conducteurs. On obtient alors un dispositif rayonnant de haute performance, sans nécessiter le recours à des éléments actifs amplificateurs. Dans un mode de réalisation particulier, chacun des secteurs conducteurs des deux paires déjà mentionnées possède un angle au sommet d'environ 45 degrés. Le plus souvent, on prévoit des moyens qui empêchent la transmission du rayonnement de l'un des côtés du substrat. Et, de ce même côté, on prévoit une liaison, de préférence par câbles coaxiaux, vers un montage d'adaptation comportant deux baluns désymétriseurs. En sortie directe, ceux-ci fournissent la polarisation verticale et la polarisation horizontale, respectivement. Un montage d'interconnexion, avec déphasage 0/90 degrés, permet d'obtenir des polarisa- tions circulaires droite et gauche. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appa- raîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est le schéma de principe général d'un dispo- sitif rayonnant connu du type "papillon"; - les figures 2, ainsi que 2A à 2I, illustrent différents modes de réalisation de base d'une antenne selon l'invention; - les figures 3 et 3A montrent deux exemples de réalisation de paires de secteurs conducteurs; - les figures 4 et 4A montrent l'utilisation d'un élément rayonnant en combinaison avec un dispositif de couplage électrique; - les figures 5A à 5D montrent une réalisation avantageuse d'un tel couplage électrique; - les figures 6A à 6D montrent une autre réalisation avanta- geuse d'un tel couplage électrique; et - La figure 7 illustre une variante de réalisation de la sortie électrique. Les dessins sont pour l'essentiel de caractère certain, et définissent des caractéristiques géométriques. En consé- quence, ils sont à considérer comme partie intégrante de30 la description, et pourront non seulement permettre de mieux comprendre celleci, mais aussi contribuer à la définition de l'invention, le cas échéant. La figure 1 illustre le schéma de principe d'une antenne connue du type dit "papillon". Celle-ci se compose de deux secteurs de forme générale triangulaire 11A et llB, placés tête-bêche, opposés par leurs pointes. Les deux secteurs sont symétriques par rapport à un plan PSl, perpendiculaire à leur plan propre (dansl'hypothèse o ces secteurs sont de forme plane). En l'espèce, les secteurs ici présentés sont également symétriques par rapport à un autre plan PS2 perpendiculaire au premier, par rapport à l'axe de symétrie AS des deux secteurs 11A et 11B. Cette antenne a fait l'objet de propositions théoriques suivant lesquelles les secteurs 11A et 11B étaient dans l'air. En pratique, la Demanderesse préfère disposer ces deux sec- teurs sur un substrat 10, qui est par exemple un matériau verre-téflon tel que le "DUROID", vendu par la société ROGERS des Etats-Unis. Comme le montre la figure 2, on dispose sur la face supé- rieure plane d'un substrat 10 non seulement les deux secteurs opposés 11A et 11B, mais aussi deux autres secteurs 12A et 12B, possédant un plan de symétrie PS2 perpendiculaire au plan de symétrie PSl (figure 1) des secteurs 11A et 11B. Les figures 2A à 2D font apparaître que la face supérieure du substrat 10 n'est pas nécessairement plane, mais peut correspondre à toute forme de révolution (figures 2A et 2B), ou bien à une forme prismatique possédant les mêmes symétries que les secteurs conducteurs utilisés (figures 2C et 2D). Le bord périphérique des secteurs peut être curviligne, en principe convexe. De même, les figures 2E à 2G font appa- raitre que les bords radiaux des secteurs peuvent être curvi-35 lignes, à profil variable ou évolutif, en principe concave, pour ajuster la bande de fréquences de fonctionnement. En outre, on peut graver un ou des motifs à l'intérieur du secteur "papillon", par exemple par des trous (Figure 2H), ou par des découpes triangulaires (figure 2I). Ceci influence également le comportement en fréquence de l'an- tenne. La figure 3 montre un exemple d'application de l'invention qui est actuellement considéré comme préférentiel. On pré- voit seulement deux paires de secteurs conducteurs 11A, 12A,11B,12B, séparées par des secteurs isolants 11P,12P,11Q,12Q. Et, selon une autre caractéristique importante de l'inven- tion, on fait en sorte que la surface totale des secteurs isolants et des secteurs conducteurs soit sensiblement la même. De façon a priori inattendue, il est apparu alors que: - alors que les antennes dipôles du type papillon ont intrin- sèquement une largeur de bande relativement étroite, il est apparu que l'usage de deux dipôles tels que définis plus haut confère à ceux-ci une largeur de bande de fréquence considérablement plus élevée. Typiquement, la largeur de bande que l'on pouvait espérer d'un dipôle papillon s'est trouvée augmentée pratiquement d'un facteur 3 à 4. - en outre, dans la mesure o on utilise deux éléments rayon- nants croisés, c'est-à-dire à angle droit l'un par rapport à l'autre, il est apparu un très faible couplage parasite entre les signaux aux bornes des deux paires d'éléments rayonnants. - enfin, les paires d'éléments rayonnants possèdent un centre de phase unique et bien défini, ce qui leur confère des avantages importants pour certaines applications. Sur un autre plan, il apparaît que la bande de fréquence de fonctionnement que l'on peut ainsi obtenir aurait nécessi- té un dipôle de diamètre extérieur deux fois plus grand, avec la structure de la technique antérieure. En d'autres termes, on obtient, avec une structure dont les dimensions transversales sont deux fois plus faibles, une largeur de bande trois à quatre fois plus grande. Au vu de ce qui précède, l'homme de l'art comprendra immédia- tement que le dispositif rayonnant nouveau est extrêmement intéressant. La structure en croix de la figure 3 possède des avantages spécifiques. Mais il est envisageable également d'utiliser une structure à plus de deux paires de dipôles, comme par exemple la structure à trois paires de la figure 3A. Les dispositifs qui viennent d'être décrits peuvent être implantés dans des modules, munis de leurs circuits de cou- plage électriques. Le schéma mécanique d'un tel module est donné, sous forme simplifiée, sur la figure 4, tandis qu'un schéma électrique est donné sur la figure 4A. Les deux paires de dipôles telles que 11A et llB, qui peuvent être placées sous un radôme 20, sont placées au sommet d'un module 21, délimité par un corps métallique. La partie arriè- re du substrat 10 est en regard d'un absorbant électromagné- tique 22, placé dans le logement supérieur du boîtier 21. Au lieu d'un absorbant électromagnétique, on peut utiliser un réflecteur électromagnétique, ou bien une combinaison des deux, sur des parties différentes de la bande de fré- quence. On prévoit quatre câbles coaxiaux (un pour chaque secteur conducteur). Les blindages des câbles coaxiaux sont intercon- nectés entre eux et au boîtier métallique 21. Les âmes des câbles coaxiaux sont respectivement reliées aux points chauds de l'un des secteurs conducteurs. Ceci définit des câbles coaxiaux 31A,31B, 32A, 32B, pour les secteurs conducteurs 11A,11B, 12A,12B respectivement. Avantageusement, dans un logement intermédiaire du boîtier 21, les câbles coaxiaux forment une boucle, après quoi ils rejoignent deux baluns dé-symétriseurs 41 et 42. Le balun 41 reçoit les câbles coaxiaux 31A et 31B, tandis que le balun 42 reçoit les câbles coaxiaux 32A et 32B. A l'aide des boucles visibles sur la figure 4, on fait en sorte que les longueurs électriques des câbles coaxiaux depuis le point chaud du dipôle concerné jusqu'au balun soient les mêmes, de façon à aligner les temps de propagation des signaux. En outre, il faut tenir compte du fait que les câbles associés aux deux secteurs opposés 11A et 11B devront se rejoindre sur le même balun 41. Comme schématisé par le trait d'axe 30, il en résulte une rotation des câbles, avec croisement, pour permettre la jonction qui vient d'être décrite. Les boucles intermédiaires permettent de rattraper d'éventuelles différences de longueur dues à ce croisement. Les baluns 41 et 42 possèdent chacun deux entrées coaxiales, pour une sortie, qui est par exemple coaxiale. Une variante (figure 7) consiste en une sortie sur ligne microruban ("microstrip") qui attaque un circuit imprimé: sur un subs- trat 80, la ligne microruban 81A est opposée à un plan-masse 81B, le tout sous un blindage métallique 85. Dans un mode de réalisation, ce sont les modèles dits "Miner- va", ou bien "Marchand", décrits par exemple dans: - "Transmission Line Conversion Transformer", N. MARCHAND, Electronics, vol 17, pp 142-145, Décembre 1944, - "100:1 Bandwidth Balun Transformer", J.W.DUCAN & V.P. MINERVA, Proceedings of the I.R.E., pp 156-164, Février 1960, - "Design and performance of microstrip balun for Archimedes Spiral antennas", D.E. BAKER, J.R. NORTIER, C.A. VAN DER NEUT, Transaction of the SA Institute of electrical Engi- neers, Décembre 1987. Dans le cas de quatre dipôles, on peut tout d'abord utiliser les sorties des baluns 41 et 42, éventuellement à travers des étages de liaison 71 et 72, pour fournir sur des connec- teurs 91 et 92 des voies A et B respectivement qui correspon- dent à deux polarisations linéaires croisées, comme les polarisations horizontale et verticale. En variante, comme illustré sur la figure 4A, les deux voies sont appliquées à des subdiviseurs (coupleurs à 3 dB en inverse) 71 et 72. L'une des sorties de ceux-ci est appliquée à un déphaseur 0/90 degrés, 73 et 74, respectivement. La sortie de chaque déphaseur va vers un coupleur à 3dB, 75 et 76 situé sur l'autre voie, et recevant également l'autre sortie du coupleur 71 ou 72 de la même voie. L'homme de l'art sait que le couplage ainsi réalisé permet d'obtenir sur en sortie des signaux de polarisation circulai- re droite et gauche, respectivement. Du fait des faibles dimensions de surface des deux paires de dipôles de base, le module selon l'invention peut être réalisé avec un faible encombrement latéral, la profondeur étant un peu plus grande, comme visible sur la figure 4. Ce montage est déjà satisfaisant. Toutefois, pour certaines applications, il est souhaitable de disposer d'un grand nombre de modules de ce genre, sous un volume aussi réduit que possible, et avec une fabrication aussi simple que possible. On va maintenant décrire deux variantes de réalisation parti- culièrement intéressantes à cet égard. Les figures 5A à 5D concernent une variante de réalisation o l'on ne s'intéresse qu'à l'une des voies, par exemple la polarisation horizontale définie par les secteurs 11A et 11B. Les deux câbles coaxiaux 31A et 31B ont des âmes qui aboutis- sent respectivement à deux faces métallisées d'un autre substrat 41S. Ce substrat 41S peut être lui aussi en DUROID. D'un côté, le substrat 41S porte une métallisation relative- ment étroite 41A, qui garde la même dimension transversale sur toute sa longueur (ou s'évase très légèrement), pour aboutir à l'âme d'un connecteur coaxial 91 disposé à l'autre extrémité. La face inférieure du substrat 41S est munie d'une métallisa- tion 41B qui, du côté de l'âme du câble coaxial 31B, pos- sède pratiquement la même largeur que la métallisation 41A. Par contre, cette métallisation 41B s'élargit rapidement, pour, à l'arrivée, se trouver reliée à la masse du connecteur coaxial 91, avec une largeur beaucoup plus grande. L'homme de l'art sait que ceci réalise la dé-symétrisation conformément au principe d'un balun. L'intérêt de la réalisation ci-dessus est qu'elle permet, avec très peu de pièces, de passer directement des câbles coaxiaux reliant les dipôles au substrat 41S à un connecteur coaxial, fournissant immédiatement la sortie. L'ensemble peut être logé dans une cavité métallique 5, munie par exem- ple d'absorbeurs de mode 51A, 51B, 51C et 51D. Ceci convient bien pour le cas des polarisations rectilignes transverses. Il est maintenant fait référence aux figures 6A à 6D, qui illustrent une variante encore plus intéressante, en particu- lier pour la polarisation circulaire. Sur ces figures 6, on trouve deux substrats 41S et 42S, par exemple en DUROID. Ceux-ci se superposent au niveau d'une zone 49 qui est par exemple de forme générale rectangulaire. En dehors de cette zone, ils ont pratiquement la structure déjà décrite à propos de la figure 5. En bref, en admettant que le substrat 41S est à un niveau plus bas que le susbtrat 42S: - le susbtrat 41S porte en dessous la métallisation 41B qui s'élargit beaucoup, et au-dessus la métallisation 41A qui s'élargit peu ou pas. - Le substrat 42S porte en dessus la métallisation 42B qui s'élargit beaucoup, et en dessous la métallisation 42A qui s'élargit peu. Entre les deux susbtrats est prévu un insert de très faible épaisseur, en matériau similaire au substrat, tel que le DUROID. Au niveau de la partie de superposition 49, les métallisa- tions élargies 41B et 42B s'étalent complètement pour définir des plansmasses situés en dessus et en dessous du sandwich ainsi constitué par les deux substrats 41S et 42S, ainsi que par la couche intermédiaire très mince (non représentée). Pour leur part, les métallisations 41A et 42A peuvent être directement reliées aux connecteurs 91 et 92, pour le cas o l'on voudrait faire fonctionner ce montage en polarisation rectiligne. Mais ce montage prend tout son intérêt lors de la polarisa- tion circulaire: - il suffit alors de faire subir aux métallisations 41A et 42A, au droit de la partie de superposition 49, des tra- jets qui se croisent avec des portions très voisines. Ceci fournit un couplage entre les deux voies, avec la fonc- tion de déphasage 0/90 degrés. On obtient alors directement sur les connecteurs 91 et 92 des sorties en polarisation circulaire droite et gauche. Bien entendu, au lieu des connecteurs 91 et 92, la variante de la figure 7 est directement applicable. D'autres aspects de cette réalisation pourront apparaître dans la demande de brevet intitulée "Coupleur balun hyperfré- quence intégré, en particulier pour antenne dipôle", déposée ce jour au nom de la Demanderesse, sous le N 90...... La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisa- tion décrits. Tout d'abord, comme déjà indiqué, la forme du substrat 10 n'est pas nécessairement plane. Des formes approximativement planes, ou de révolution, ou prismatiques peuvent être utili- sées. Le radôme 20 (fig. 4) peut être conformé pour consti- tuer une loupe, ou présenter tout autre effet voulu d'optique électromagnétique. L'antenne proposée a des dimensions en lambda/4, au lieu de lambda/2 pour la technique antérieure, lambda étant la longueur d'onde la plus grande, c'est à dire du côté du bas de la large bande de fonctionnement. En outre, en bas de bande, elle présente une montée progressive du gain avec la fréquence. Il peut donc être avantageux d'utiliser des amplificateurs à haute impédance pour relever le gain en bas de bande. Plus généralement, la condition d'égalité des surfaces con- ductrices et non conductrices n'est pas nécessairement à respecter, si l'on ajoute aux éléments rayonnants des ampli- ficateurs qui en font une antenne active. Quand on s'intéresse à la polarisation, il convient de trai- ter la différence de potentiel entre deux secteurs ou dipôles opposés. Avec les modes de réalisation à plus de deux dipô- les, on peut s'intéresser à des sommes ou des différences, et plus généralement à toute combinaison linéaire des poten- tiels des secteurs conducteurs. Le traitement des signaux recueillis peut être effectué en parallèle sur différentes voies, ou par multiplexage d'une même voie de traitement. Enfin, les éléments rayonnants selon l'invention, avec leur coupleur, convenablement blindé, ont non seulement un faible encombrement latéral, mais aussi un faible rayonnement laté- ral, compte tenu de leur taille et des fréquences traitées. Ils se prêtent donc particulièrement bien à la construction d'antennes en réseau. L'invention peut s'appliquer à de nombreux domaines: télé- communications, notamment en hyperfréquences, et autres applications hyperfréquences, y compris des mesures en large bande, par exemple sur le rayonnement d'autres aériens. Revendications 1.- Dispositif rayonnant, du type comprenant une paire de secteurs conducteurs minces (llA,11B) disposés tête-bêche de part et d'autre d'un axe de symétrie (AS), avec un plan de symétrie (PSl) passant par cet axe, caractérisé en ce qu'il comprend, sur un substrat (10), ladite paire de sec- teurs conducteurs minces (11A,11B) et au moins une autre paire de secteurs conducteurs minces (12A,12B) semblables aux premiers, disposés chacun avec un plan de symétrie (PS2) passant par ledit axe (AS), de sorte que les plans de symé- trie soient sensiblement régulièrement répartis autour dudit axe. 2.Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les secteurs conducteurs (11A,11B,12A,12B) ont sensi- blement la même surface que les secteurs isolants (11P,11Q,12P,12Q) définis entre ces secteurs conducteurs. 3.- Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, carac- térisé en ce que les secteurs conducteurs sont disposés sur la même face du substrat (10), dont l'autre face est munie de moyens (22) empêchant la transmission du rayonne- ment. 4.- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens (22) empêchant la transmission du rayon- nement comprennent des moyens absorbants. 5.- Dispositif selon l'une des revendications 3 et 4, carac- térisé en ce que les moyens (22) empêchant la transmission du rayonnement comprennent des moyens réfléchissants. 6.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caracté- risé en ce que les secteurs (11A,11B,12A,12B) sont de forme générale triangulaire isocèle. 7.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caracté- risé en ce que les secteurs (llA,11B,12A,12B) ont des bords radiaux curvilignes. 8.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caracté- risé en ce que des évidements de forme choisie sont gravés à l'intérieur des secteurs (11A,11B,12A,12B). 9.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caracté- risé en ce qu'il est prévu un autre revêtement diélectrique au-dessus des secteurs conducteurs. 10.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, carac- térisé en ce qu'il comprend deux paires de secteurs conduc- teurs (11A,11B,12A,12B) dont l'angle au sommet est d'environ degrés, les plans de symétrie respectifs des deux paires étant perpendiculaires. 11.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, carac- térisé en ce qu'il comprend quatre câbles coaxiaux (31A,31B, 32A,32B) respectivement reliés d'une part aux deux paires de secteurs conducteurs, d'autre part à un montage d'adaptation comprenant deux baluns dé-symétriseurs (41,42). 12.- Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les sorties des baluns dé-symétriseurs sont intercon- nectées (71,72) avec déphasage 0/90 degrés, pour fournir des sorties (91,92) en polarisation circulaire droite et gau- che.