Brevet FR2760131A1 — publié le 19980828

]ENSEMLE D'ANIrEES CONCEMTR.QUES POUR DES ONDES HYPEFC ERcES L'invention est relative à un ensemble d'antennes d'émission ou de réception d'ondes du domaine des hyperfré- quences. Pour un certain nombre d'applications, il est néces- saire d'émettre ou de recevoir des ondes hyperfréquences selon plusieurs bandes. En général, les antennes prévues pour une bande de fréquences ne sont pas optimisées pour une autre bande de fréquences. C'est pourquoi on prévoit habituellement une antenne par bande de fréquences. Cependant, cette multiplication des antennes pose des problèmes d'encombrement, notamment pour les applications spatiales. Pour réduire l'encombrement, il est connu de disposer les antennes concentriquement, 1' antenne centrale étant destinée aux fréquences les plus élevées. L'invention part de la constatation que la pureté des signaux émis par un ensemble à au moins deux antennes concen- triques n'est pas toujours satisfaisante et que l'origine de la perturbation se trouve dans la transmission de signaux de l'an- tenne centrale vers 1' antenne périphérique. L'invention est caractérisée en ce que, entre une antenne intérieure, par exemple centrale, et une antenne concentrique plus éloignée du centre, on prévoit un moyen pour empêcher ou atténuer la propagation des ondes de l'antenne inté- rieure vers l'autre antenne. Ledit moyen est par exemple un piège quart d'onde, accordé sur la longueur d'onde des signaux prévus pour l'antenne intérieure. Dans un mode de réalisation, particulièrement simple, chaque antenne comporte un logement conducteur présentant des parois s'étendant de façon sensiblement parallèle à l'axe de l'antenne, le piège étant formé dans l'intervalle séparant la paroi extérieure du logement de l'antenne intérieure de la paroi interne du logement annulaire de l'antenne périphérique. Dans ce cas, il suffit que l'intervalle ait une longueur, dans la direc- tion de l'axe, d'environ le quart de la longueur d'onde des signaux à émettre par l'antenne intérieure. Ainsi, avec l'invention, on atténue la propagation des ondes de la cavité logeant l'antenne intérieure vers la cavité logeant l'autre antenne. On limite ainsi l'origine du rayonnement de l'antenne de bande supérieure. La paroi extérieure du logement de l'antenne intérieure forme, dans une réalisation, une pièce d'un seul tenant avec la paroi intérieure du logement de l'antenne périphérique. Ces deux parois en une seule pièce délimitent un volume torique fermé d'un côté et ouvert de l'autre. Dans le fond de ce volume torique, on peut disposer une couronne conductrice pour ajuster la longueur du piège. L'invention n'est pas limitée à l'association de deux antennes concentriques. Dans une réalisation, on prévoit des antennes concentriques supplémentaires, et entre deux antennes adjacentes, on prévoit un moyen pour empêcher la transmission des signaux à la fréquence de l'antenne la plus intérieure vers l'an- tenne la plus extérieure. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réa- lisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci- annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma en coupe d'une antenne selon l'invention, utilisable pour deux bandes de fréquences, les figures la, lb et lc sont des diagrammes mettant en évidence des avantages de l'antenne de la figure 1, la figure 2 est un schéma en plan d'un anneau d'une antenne conforme à l'invention, la figure 3 est un schéma en plan des deux anneaux d'une antenne selon l'invention, mais pour un autre mode de réa- lisation, la figure 4 est un schéma en perspective éclatée d'une antenne du type de celle de la figure 1, la figure 5 est un schéma électrique d'alimentation d'un anneau de l'antenne de la figure 4, la figure 6 est un schéma correspondant à un mode de réalisation de la figure 5, la figure 7 est un schéma correspondant aussi à un mode de réalisation de la figure 5, la figure 8 est un schéma simplifié correspondant à celui de la figure 1, mais pour une variante, et la figure 9 est un schéma en plan d'un anneau pour une variante. L'antenne représentée sur la figure 1 est destinée à recevoir ou émettre des signaux hyperfréquences selon deux ban- des, à savoir, d'une part, la bande S à 2 GHz et, d'autre part, la bande UHF à 400 MHz. Cette antenne est principalement destinée à être implantée sur des satellites de petite taille, tels que des satellites affectés à la localisation d'objets ou pour des mis- sions de mesure ou de télécommande avec des satellites conven- tionnels. Du fait de cette application, elle doit présenter un encombrement réduit, une large couverture angulaire pour les deux bandes de fréquences ainsi qu'une polarisation circulaire avec un taux d'ellipticité convenable sur cette large couverture angu- laire, notamment pour les orientations les plus éloignées de l'axe. L'antenne 10 représentée sur la figure 1 est du type combiné. Elle est fortmée par l'association de deux antennes pla- naires concentriques, respectivement 14 et 16. Chacune des antennes 14 et 16 et l'ensemble 10 présentent un axe 12 de symé- trie de rotation. L'antenne centrale 14, de plus petites dimen- sions, est destinée à la bande S à 2 GHz et l'antenne extérieure 16, de plus grandes dimensions, est destinée à la bande UHF à 400 MHz. Chacune des antennes individuelles 14, 16 comporte un substrat diélectrique, respectivement 18 et 20, sur lequel est déposé un anneau conducteur, respectivement 22 et 24. Les deux anneaux 22 et 24 sont centrés sur l'axe 12. Des exemples de réalisation des anneaux conducteurs 22 et 24 seront décrits ci-après en relation avec les figures 2 et 3. Chacun des substrats est enfermé dans un logement métallique de forme cylindrique d'axe 12. Le logement pour l'an- tenne 14 a la référence 25 et le logement pour l'antenne 16 a la référence 26. Ce dernier logement est limité, d'une part, par une paroi extérieure cylindrique 261 et, d'autre part, par une paroi cylindrique intérieure 262 à faible distance de la paroi du loge- ment 25. L'espace 28 ménagé entre la paroi du logement 25 et la paroi 262 a une longueur (dans la direction de l'axe 12) égale au quart de la longueur des ondes en bande S, c'est-à-dire 35 mm environ. Il est ouvert, en 29, du côté o se produit l'émission. Il constitue un piège destiné à empêcher la propagation des cou- rants de fuite de l'anneau 22 vers l'anneau 24. Un anneau métallique de remplissage 36 peut être dis- posé au fond de l'espace 28 pour ajuster la longueur (parallèle- ment à l'axe 12) de cet espace 28 afin qu'elle soit égale au quart de la longueur d'onde de la bande S. Les parois 25 et 262 peuvent être formées à partir de la même feuille de métal. Autour du logement 26, sensiblement dans le plan de l'anneau 24, et donc perpendiculaire à l'axe 12, se trouve un anneau ou couronne métallique 30. Le rebord intérieur 32 de la couronne 30 se raccorde à une jupe 34 s'éloignant, d'une part, de la couronne 30 en direc- tion du-fond du logement 26 et, d'autre part, de l'axe 12. Dans un exemple l'angle formé, dans le plan de la figure 1, par le plan de la couronne 30 et la jupe 34 est de l'ordre de 45 . L'anneau 22 rayonne dans un cône d'axe 12 de demi-angle au sommiet 0 égal à environ 60 . Il subsiste cependant un rayonne- ment extérieur à ce cône. La couronne 30 a pour but de diffracter les ondes déviées vers l'extérieur afin d'augmenter 1'oenidirec- tionnalité de l'antenne 14. Cependant, on a constaté que la couronne 30 avait ten- dance à dégrader la polarisation circulaire du rayonnement, c'est-à-dire à dégrader le taux d'ellipticité. L'expérience a montré que la jupe 34 permettait de conserver un taux d'ellip- ticité des ondes à polarisation circulaire proche de 1, surtout pour les directions formant un grand angle avec l'axe 12. Le taux d'ellipticité peut être réglé empiriquement en faisant varier l'orientation de la jupe 34, c'est-à-dire l'angle qu'elle forme avec le plan de la couronne 30 ainsi qu'en faisant varier ses dimensions. L'arête extérieure 341 de la jupe 34 est plus éloignée de l'axe 12 que l'arête extérieure 301 de la couronne 30. Dans un exemple, le diamètre intérieur de la couronne est de 256 nmm, son diamètre extérieur de 300 rmm, tandis que le diamètre extérieur de la jupe 34 - qui a une forme générale tron- conique - est de 348 mmn. On pense que la jupe 34 crée une diffraction des ondes en bande S qui s'oppose à l'effet négatif de la couronne diffrac- tante 30 sur le taux d'ellipticité des ondes en bande S. Il est à noter que les logements ou cavités 25 et 26 contribuent à symétriser le diagranmme de rayonnement autour de l'axe 12 et à améliorer le taux d'ellipticité. Dans l'exemple, les substrats diélectriques 18 et 20 présentent une permittivité diélectrique relative Er de l'ordre de 2,5. Comne indiqué ci-dessus, plus cette permittivité diélec- trique est élevée, plus les dimensions des antennes peuvent être réduites. Cependant, l'augmentation de la constante diélectrique est défavorable au maintien de la polarisation circulaire. C'est pourquoi, dans l'exemple, la constante 5r ne dépasse pas la valeur 2,5. Les figures la, lb et lc sont des diagramnes permettant de mettre en évidence les avantages, d'une part, du piège quart d'onde constitué par l'espace annulaire 28 et, d'autre part, des éléments diffractants 30 et 34. Sur chacun de ces diagrammes, on a porté en abscisses, l'élévation 0 (en degrés), c'est-à-dire le demi-angle du cône d'émission d'axe 12, et en ordonnées, les amplitudes en décibels des rayonnements en polarisation normale et en polarisation croi- sée. La figure la est un diagrammne pour une antenne analogue à celle de la figure 1 mais dépourvue, d'une part, du piège quart d'onde 28 et, d'autre part, des éléments diffractants 30 et 34. La courbe 40 correspond à la polarisation normale et les courbes 41 correspondent à la polarisation croisée. La pureté de la polarisation circulaire est d'autant plus grande qu'est grand l'écart entre les courbes 40 et 41. On voit ainsi que pour un angle 0 de 0 , c'est-à- dire selon l'axe 12, l'émission est selon une polarisation circulaire. Par contre, quand on s'éloigne de l'axe 12, la polarisation circulaire se dégrade notablement. En outre, l'émission s'affaiblit sensiblement dès qu'on s'éloigne de l'axe 12. La figure lb correspond à une antenne analogue à celle de la figure 1, avec un piège 28 quart d'onde, cependant dépour- vue des éléments diffractants 30 et 34. On constate que l'omtidirectionnalité ainsi que la pureté de polarisation circulaire sont améliorés par rapport au cas de la figure la. Toutefois, la pureté de polarisation circu- laire n'est pas entièrement satisfaisante entre 30 et 60 , la distance entre les courbes 411 et 401 restant relativement faible. Le diagramme de la figure lc correspond à l'antenne représentée sur la figure 1, avec un piège quart d'onde 28, la couronne 30 et la jupe 34. On constate, par rapport à la figure lb, que l'omnidirectionnalité est tout à fait satisfaisante jus- qu'à un angle 0 de 60 . En outre, la pureté de polarisation cir- culaire est nettement anméliorée entre les angles 30 et 60 , la distance entre les courbes 402 et 412 étant sensiblement plus importante. Selon une disposition de l'invention, la compacité de l'antenne est augmentée en conférant une forme crénelée ou en méandres aux anneaux 22 et 24. Dans l'exemple de la figure 2, l'anneau 22 comporte, régulièrement répartis autour de l'axe 12, huit segments internes 461 à 468 alternés avec huit segments externes 481 à 488. Ces segments 46 et 48 en forme d'arcs de cercles se raccordent à leurs extrémités par des segments rectilignes 50, de directions radiales. Ainsi, les segments radiaux sont, dans cet exemple, au nombre de seize. Bien que non représenté sur la figure 2, l'an- neau 24 est homothétique de l'anneau 22. Dans l'exemple de la figure 3, on prévoit, pour les antennes S 22' et UHF 24', quatre segments internes et quatre segments externes. La longueur d'onde guidée du rayonnement à transmettre est directement proportionnelle à la longueur électrique de l'an- neau de l'antenne résonnante 14 (14') ou 16 (16'). Cette longueur électrique est égale à la somme des longueurs de tous les seg- ments 46, 48 et 50. Ainsi, pour une même longueur d'onde guidée, c'est-à- dire pour une même fréquence, une antenne selon l'invention pré- sente un encombrement plus réduit qu'une antenne ayant une forme simplement circulaire. En effet, on constate que, par rapport à un anneau circulaire ayant le même diamètre que le cercle sur lequel sont disposés les segments 48, la longueur électrique est augmentée d'environ la somme des longueurs des segments 50. Cependant, on a constaté que plus la longueur des seg- ments 50 est grande et plus le rendement de l'antenne diminue. L'impédance de rayonnement de l'antenne diminue car le ruban métallique masque davantage l'ouverture; ainsi, la proportion d'énergie dissipée dans le conducteur ou le diélectrique est plus importante. Il est donc préférable que le rapport entre le dia- mrtre extérieur et le diamètre intérieur soit au plus de l'ordre de deux. Par ailleurs, on a observé que la présence des segments de directions radiales n'altérait pratiquement pas le taux d'ellipticité de la polarisation du rayonnement. En effet, un segment de direction radiale a aussi pour inconvénient de per- turber le taux d'ellipticité. Toutefois, on pense que c'est la succession de segments parcourus par des courants en sens contraires qui compense l'effet négatif sur le taux d'ellipti- cité. Il faut donc prendre garde à disposer ces segments de façon telle que l'on obtienne cette compensation. La figure 4 montre, en perspective éclatée, les divers éléments constitutifs de l'antenne combinée avec des anneaux 22' et 24' du type de ceux de la figure 3. Comme on peut le voir sur cette figure, la couronne 30 et la jupe 34 inclinée à 45 constituent une pièce d'un seul tenant 50. Les anneaux 24' et 22' sont réalisés par gravure sur des substrats diélectriques, respectivement 18 et 20, en un maté- riau dénommé "polypenco". Sur la figure 4, on a représenté les anneaux 22' et 24' séparés des substrats 18 et 20; mais il va de soi que ces anneaux sont déposés sur les substrats respectifs 18 et 20. Entre le fond 52 du logement 25 et le substrat 18 est disposé un répartiteur 54 qui sera décrit plus loin en relation avec les figures 5 à 7. Un câble coaxial 60 traverse le fond 52 du logement 25 pour amener le signal d'excitation au répartiteur 54. Le rôle de ce dernier est de répartir, avec des déphasages appropriés, le signal d'excitation entre les quatre segments extérieurs 48' de l'anneau 14'. De rmême, entre le fond 56 du logement 26 et le diélec- trique 20, est disposé un répartiteur 58. Un câble coaxial 62 traverse le fond 56 pour amener le signal d'excitation UHF vers le répartiteur 58 qui distribue, avec des déphasages appropriés, ce signal d'excitation entre les quatre segments extérieurs de l'anneau 24'. Les figures 5, 6 et 7 représentent le répartiteur 54. Les circuits 64, représentés sur les figures 5 et 6, permettent, à partir du signal d'excitation fourni par le coaxial 60, d'obtenir une polarisation circulaire. A cet effet, ils alimentent les quatre segments extérieurs 48' avec des déphasages successifs de 90 . Le signal amené par le coaxial 60 est appliqué sur une entrée 66 qui, comme rmontré sur la figure 5, est connectée à l'entrée d'un déphaseur 70 de 180 par l'intermédiaire d'un transformateur 68. La sortie 701 sans déphasage du déphaseur 70 est reliée à un port 74 qui est connecté lui-même à un déphaseur 78 de 90 par l'intermédiaire d'un transformateur 76. La sortie 702 à déphasage de 180 du déphaseur 70 est reliée à un autre port 80, lequel est connecté à un second déphaseur 84 de 90 par l'intermédiaire d'un transformateur 82. La sortie 781 sans déphasage du déphaseur 78 est reliée à une première sortie 901 du circuit 64 par l'intermédiaire d'un transformateur 86 et d'un adaptateur 88. La sortie 901 est connectée à un premier segment extérieur de l'anneau 22'. De même, la sortie 782 de déphasage 90 du déphaseur 78 est reliée à une seconde sortie 902, par l'intermédiaire d'un autre transformateur et d'un autre adaptateur. La sortie 902 est reliée à un second segment extérieur de l'anneau 22'. La sortie sans déphasage 841 du déphaseur 84 est reliée à la troisième sortie 903 par l'intermédiaire d'un transformateur et d'un adaptateur. Cette sortie 903 est reliée à un troisième segment extérieur de l'anneau 221. Enfin, la sortie 842 de déphasage de 90 du déphaseur 84 est reliée à la quatrième sortie 904 du circuit 64 par l'in- termédiaire d'un transformateur et d'un adaptateur. Cette sortie 904 est reliée à un quatrième segment extérieur de l'anneau 22'. Le signal sur la sortie 901 est en phase avec le signal d'entrée sur le premier port 66, tandis que les signaux sur les sorties 902, 903 et 904 sont déphasés respectivement de 90 , 180 et 270 par rapport au signal d'entrée. Les divers éléments du circuit de la figure 5 sont réa- lisés à l'aide de découpes métalliques représentées sur la figure 6. Sur cette dernière, on a indiqué les mêmes éléments que ceux de la figure 5, avec les mêmes chiffres de références. Les sorties 901 à 904 se trouvent à la périphérie des découpes et régulièrement réparties; ces sorties sont au droit des segments extérieurs de l'anneau 22' auxquels elles sont rac- cordées. Comme on peut le voir sur la figure 7, les découpes métalliques sont en sandwich entre des diélectriques réparti- teurs, respectivement 102 et 104. La connexion de chaque sortie 90 du circuit 64 au seg- ment extérieur correspondant de l'anneau s'effectue par l'inter- médiaire d'une sonde 92. On prévoit donc quatre sondes. Sur la figure 7, on a représenté la sonde 921. Le répartiteur 64, 102, 104 est enfermé dans un loge- ment métallique 106 constituant un piège empêchant l'excitation d'ondes de surface sur le répartiteur. En variante, à la place de rubans, ou découpes métal- liques, le circuit 64 est réalisé à l'aide de gravures métal- liques sur un substrat. Dans l'exemple représenté sur la figure 8, on prévoit trois antennes concentriques, respectivement 110, pour l'antenne centrale, 112 pour l'antenne intermédiaire et 114 pour l'antenne la plus extérieure. Comme dans la réalisation représentée sur la figure 1, une couronne 30 de diffraction entoure l'antenne la plus exté- rieure et cette couronne 30 est solidaire d'une jupe 34 orientée sensiblement à 45 par rapport au plan de la couronne 30. Égale- ment comme dans la réalisation de la figure 1, un piège quart d'onde 28 empêche la propagation d'un courant de fuite de la cavité excitée vers les cavités environnantes. De façon analogue, un piège quart d'onde 116 empêche la propagation d'un courant de fuite vers l'antenne 114. Le piège 116 est de longueur (selon l'axe) plus grande que le piège 28 car il est destiné à éliminer des longueurs d'onde plus grandes, celles des signaux émis par l'antenne 112. Bien entendu, on peut prévoir un nombre d'antennes concentriques supérieur à trois. Bien que les exemples décrits ci-dessus concernent des antennes à anneaux résonnants formés par un conducteur métal- lique, on comprend aisément que l'invention s'applique aussi à une antenne réalisée par une fente dans un conducteur. Pour cer- taines applications, notamment celles pour lesquelles l'échauffe- ment doit être minimisé, cette réalisation à fente sera préférée. La variante représentée sur la figure 9 représente une cavité annulaire résonnante qui s'applique plus particulièrement à une antenne à fente. Toutefois, cet exemple pourrait s'appli- quer aussi à une antenne à anneau résonnant formé par un conduc- teur métallique. L'anneau 130 est constitué par une fente 132 dans un conducteur métallique 134. Cet anneau 130 forme des méandres ayant chacun sensiblement la forme d'un pétale. Le nombre de pétales est, dans cette réalisation, égal à 8. Bien que dans les exemples décrits ci-dessus, l'excita- tion soit réalisée sur les segments extérieurs à l'aide d'un câble coaxial, on peut également prévoir une excitation par cou- plage de proximité avec une ligne microruban ou avec une fente dans le plan de masse, c'est-à-dire dans un fond de cavité. REVENDICATIONS 1. Ensemble à deux antennes concentriques pour deux bandes de fréquences du domaine des hyperfréquences, caractérisé en ce qu'il comporte, entre les deux antennes concentriques (14, 16), un moyen (28) pour éliminer ou atténuer la propagation des ondes de l'antenne la plus proche du centre (14) vers l'antenne plus éloignée (16). 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'atténuation est un piège du type quart d'onde pour les ondes de l'antenne la plus proche du centre (14). 3. Ensemble selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque antenne étant disposée dans un logement (25, 26) en matériau conducteur, le moyen d'atténuation (28) est ménagé entre les deux logements. 4. Ensemble selon les revendications 2 et 3, caracté- risé en ce que le moyen d'atténuation est limité, d'une part, par une paroi extérieure du logement (25) de l'antenne la plus proche du centre (14), et d'autre part, par une paroi intérieure (262) du logement (26) de l'antenne plus éloignée, et en ce que ces deux parois se raccordent d'un premier côté par un fond (27), et ménagent une ouverture (29) de l'autre côté de cette ouverture débouchant sur le parcours d'un courant de fuite de l'antenne la plus proche du centre. 5. Ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites parois externe (25) du logement de l'antenne la plus proche du centre (14) et interne (262) du logement de l'antenne plus éloignée ont une forme sensiblement cylindrique centrée sur l'axe (12) de l'ensemble. 6. Ensemble selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'au fond (27) de l'intervalle (28) séparant lesdites parois, est disposée une couronne conductrice (36) de façon à ajuster la longueur de cet intervalle à environ le quart de la longueur d'onde des signaux à émettre par l'antenne (14) la plus proche du centre. 7. Ensemble selon 1 'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que chaque antenne (14, 16) est du type résonnant avec un élément rayonnant (22, 24) disposé sur un dié- lectrique (18, 20) disposé à l'intérieur du logement correspon- dant (25, 26). 8. Ensemble selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits éléments rayonnants sont sensiblement dans un même plan. 9. Ensemble selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que chacun des éléments rayonnants a sensiblement la forme d'un anneau.