Brevet FR2810164A1 — publié le 20011214

La présente invention concerne une antenne-source d'émission / réception d'ondes électromagnétiques, plus particulièrement un système d'antennessource permettant la réception de signaux de télévision par satellite dans une certaine bande de fréquences telle que la bande Ku i comprise entre 10,7 et 12,75 GHz et de communications par satellite dans une seconde bande de fréquences telle que la bande Ka à environ 30 GHz en transmission et à environ 20 GHz en réception, en utilisant une seule structure d'antennes. Il existe actuellement des structures d'antenne-source d'émission o / réception d'ondes électromagnétiques qui fonctionnent sur deux bandes de fréquences. Ces antennes-source permettent de répondre aux besoins des systèmes de communication par satellite pour les applications multimedia haut-débit. Une antenne de ce type a été proposée dans le brevet WO 99/35111 au nom de THOMSON multimedia. Ces structures d'antenne i5 doublebande sont composées de deux antennes co-focalisées. Ainsi, comme décrit dans la demande de brevet ci-dessus, la première antenne utilisée pour la réception ou voie descendante est constituée d'un réseau de n pastilles ou " patchs ". Ce réseau peut être utilisé en polarisation linéaire ou circulaire et bénéficier de deux polarisations orthogonales. La deuxième antenne utilisée pour l'émission ou voie montante est constituée par un guide d'ondes se terminant par une tige diélectrique appelée couramment " polyrod >, en langue anglaise. Cette antenne peut être utilisée en polarisation linéaire ou circulaire et bénéficier de deux polarisations orthogonales. Ces deux antennes sont réalisées de telle sorte que les centres de phase du " polyrod " et du réseau de patchs soient pratiquement confondus et peuvent être placés au foyer du système d'antennes. La présente invention a pour but d'intégrer à une structure d'antennesource d'émission / réception fonctionnant dans deux bandes de fréquence, une autre structure d'antenne-source qui fonctionne pour la 3o réception, à savoir la voie descendante, à une fréquence de travail plus faible que les deux autres fréquences, plus particulièrement dans une bande de fréquences permettant la réception de signaux de télévision par satellite 2 2810164 classiques. Ceci permet d'obtenir une structure d'antenne fonctionnant sur trois bandes de fréquence. Ainsi, la présente invention a pour objet une antenne source d'émission / réception d'ondes électromagnétiques comprenant des moyens d'émission d'ondes électromagnétiques à rayonnement longitudinal fonctionnant dans une première bande de fréquences et des moyens de réception d'ondes électromagnétiques, caractérisée en ce que les moyens de réception d'ondes électromagnétiques sont constitués par un premier réseau de n éléments rayonnants fonctionnant dans une seconde bande de io fréquence et un second réseau de n' éléments rayonnants fonctionnant dans une troisième bande de fréquences, les premier et second réseaux et les moyens à rayonnement longitudinal ayant un centre de phase sensiblement commun et les éléments rayonnants des premier et second réseaux étant disposés autour des moyens à rayonnement longitudinal..,, Selon un mode de réalisation, le premier réseau de, n éléments rayonnants est constitué par un réseau de n pastilles ou " patchs " en langue anglaise à double polarisation orthogonale, linéaire ou circulaire, le premier réseau de n " patchs " étant connecté à un circuit d'alimentation réalise en technologie microruban sur un premier substrat. D'autre part, les moyens d'émission d'ondes électromagnétiques à rayonnement longitudinal sont constitués par une antenne au type à ondes progressives à rayonnement longitudinal d'axe confondu avec l'axe de rayonnement excité par des moyens comportant un guide d'ondes, le guide d'ondes étant rempli d'un matériau diélectrique. Ceci permet de réduire les dimensions de la section droite du guide d'ondes et de diminuer la longueur d'ondes guidée à l'intérieur du guide. D'autre part, I'antenne du type à ondes progressives peut être constituée soit par une tige diélectrique ou " polyrod " en langue anglaise soit par une hélice. De plus, le second réseau de n' éléments rayonnants est constitué par un réseau de n' éléments rayonnants à double polarisation orthogonale, linéaire ou circulaire et à large bande. Ce réseau est réalisé, de 3 2810164 préférence, en utilisant deux substrats parallèles, I'un des substrats étant le premier substrat recevant le premier réseau. Selon un premier mode de réalisation, le substrat est recouvert d'une couche métallique formant un plan de masse comportant des zones démétallisées au niveau des éléments rayonnants du second réseau. Selon un mode de réalisation préférentiel, les éléments rayonnants du réseau à double polarisation orthogonale et à large bande sont constitués par deux " patchs " superposés réalisés respectivement sur chaque substrat et couplés électromagnétiquement. Dans ce cas, les deux io substrats peuvent être connectés à l'aplomb des zones démétallisées par des parois métalliques. Selon un autre mode de réalisation, les éléments rayonnants du réseau à double polarisation orthogonale et à large bande sont constitués par un circuit d'alimentation. Selon encore un autre mode de réalisation, les éléments rayonnants du réseau à double polarisation orthogonale et à large bande sont constitués par une ouverture réalisée dans le premier substrat et une sonde connectée au circuit d'alimentation réalisée sur le substrat parallèle. Selon encore un autre mode de réalisation, les éléments rayonnants du réseau à double polarisation orthogonale et à large bande sont constitués par une ouverture réalisée dans le premier substrat et un " patch " connecté au circuit d'alimentation réalisé sur le substrat parallèle. D'autre part, le second réseau de n' éléments rayonnants est connecté à un circuit d'alimentation réalisé en technologie microruban. Selon une caractéristique de la présente invention, le premier réseau de n éléments rayonnants est un réseau à quatre éléments disposés en carré et le second réseau de n' éléments rayonnants est un réseau à quatre éléments disposés en croix autour du premier réseau. Conformément à la présente invention, les première et seconde bandes de fréquences correspondent à la bande Ka, la troisième bande de fréquences correspond à la bande Ku. 4 2810164 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description ci-après, cette description étant faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: La figure 1 est une vue en plan de dessus d'un système d'antenne-source fonctionnant dans trois bandes de fréquence, conformément à la présente invention. La figure 2 est une vue en coupe par A-A' de figure 1. La figure 3 est une vue de dessus du substrat inférieur du système d'antenne-source des figures 1 et 2. , La figure 4 est une vue en coupe du " polyrod " utilisé pour l'émission en bande Ka dans le système des figures 1 et 2. Les figures 5a-5b à 9a-9b représentent respectivement une vue de dessus et une vue en coupe de différents modes de réalisation &déléments rayonnants ou " patchs " utilisés pour la réception en bande Ku i5 conformes à la présente invention. Pour simplifier la description, les mêmes références seront utilisées dans les différentes figures pour désigner les éléments remplissant les mêmes fonctions ou des fonctions identiques. Nous décrirons maintenant avec référence aux figures 1 à 4 un premier mode de réalisation d'une antenne-source d'émission / réception d'ondes électromagnétiques fonctionnant dans trois bandes de fréquences. De manière plus spécifique et comme représenté aux figures 2 et 4, le système d'antennes-source comporte une première antenne-source utilisée pour la transmission ou voie montante qui, dans le mode de réalisation représenté, fonctionne en bande Ka, à savoir autour de 30 Ghz. Comme représenté plus particulièrement sur les figures 2 et 4, la structure d'antenne-source utilisée dans ce cas est constituée essentiellement par un guide d'ondes 12 se terminant par une tige diélectrique 11, cette structure d'antenne étant connue sous le terme " polyrod ". La section droite du guide d'ondes 12 peut être circulaire, rectangulaire, carrée ou autre. La forme de la section droite dépend de 2810164 I'encombrement laissé libre par les deux autres structures d'antennesource, comme cela sera explique ci-apres. Dans le mode de réalisation représenté, la section droite du guide d'ondes est une section circulaire 12. Comme représenté également sur la figure 4, cette section droite est remplie de matériau diélectrique dont le but est de diminuer la longueur d'ondes guidée à l'intérieur du guide. Il est évident pour l'homme de l'art que d'autres types d'antennes-source à ondes progressives peuvent être utilisés pour réaliser la structure d'antenne de la voie montante. On pourra citer, notamment, des antennes en hélice. On décrira maintenant avec référence aux figures 1 à 3 un premier mode de réalisation des deux structures d'antenne-source utilisées à la réception, à savoir pour la voie descendante. Comme représenté plus particulièrement sur les figures 1 et 2, la structure d'antenne-source utilisée pour la voie descendante en bande Ka, à savoir autour de 20 GHz, est constituée par un réseau 20 de pastilles ou " patchs " en polarisation linéaire avec deux polarisations orthogonales et alimenté en sérieparallèle. De manière plus particulière, sur un substrat 21, ont été réalisées quatre pastilles 231, 232, 233, 234 de forme carrée et disposées en croix. Les " patchs " sont disposés autour du " polyrod " de telle sorte que leur diagonale soit à une distance D égale à 0.7 X.g o Xg est la longueur d'onde guidée. Dans le mode de réalisation représenté, les " patchs " sont connectés comme représenté sur la figure 1, à savoir le " patch " 231 est connecté au " patch " 232 par une ligne 241, le " patch " 232 est connecté au " patch " 233 par une ligne 244, le " patch " 233 est connecté au " patch " 234 par une ligne 243 et le " patch " 234 est connecté au " patch " 231 par une ligne 242. D'autre part, les lignes d'alimentation 26, 27 sont connectées de manière spécifique sur une autre entrée des " patchs " 231, 234, 233. La ligne d'alimentation 26 est connectée par une ligne 251 au " patch " 231 et par une ligne 252 au " patch " 234 et la ligne d'alimentation 27 est connectée au " patch " 234 par une ligne 253 et au " patch ", 233 par une ligne 254 de manière à réaliser une alimentation série-parallèle. Dans ce 6 2810164 cas, les lignes 241, 242, 243 et 244 sont de même longueur. Compte tenu de l'écart entre deux " patchs ", ces lignes ont des longueurs telles que kg/2 modulo la longueur d'ondes guidée. On décrira maintenant avec référence aux figures 2 et 3, un mode de réalisation de la structure d'antenne-source d'émission / réception pour la voie descendante utilisée en bande Ku, à savoir entre 10,7 GHz et 12, 75 GHz. Dans ce cas, I'antenne comporte un réseau de quatre pastilles ou " patchs ". Ce réseau de " patchs " est disposé en carré autour du réseau de quatre " patchs " en croix utilisé pour l'antenne-source d'ondes 1o électromagnétiques en bande Ka, du fait de sa fréquence de travail plus faible. Comme représenté sur la figure 2, la structure d'antenne-source en bande Ku est réalisée en utilisant deux substrats parallèles 21, 33 sur lesquels ont été réalisées des pastilles ou " patchs " parallèles couplées électromagnétiquement 321, 341, le substrat inférieur 33 étant utilisé pour réaliser le circuit d'alimentation qui sera décrit ultérieurement et pouvant recevoir des " patchs " comme représenté sur les figures 2 et 3, ces CC patchs " couplés électromagnétiquement augmentant la bande passante. Comme représenté sur les figures 1 à 3, chaque " patch " 321, 322, 323, 324 est positionné sur le premier substrat 21 dans une partie démétallisée 311, 312, 313, 314 de la couche 22 et le second substrat 33 sur lequel a été réalisé un " patch " parallèle 341 à 344 reçoit le réseau d'alimentation. Le réseau d'alimentation est représenté plus en détail sur la figure 3. Dans ce cas, chaque " patch " est alimenté en deux points de manière à obtenir les deux polarisations orthogonales. De manière plus spécifique, le " patch " 34, est connecté au point C2 du premier circuit d'alimentation par une ligne 351, le " patch " 344 est connecté au point C2 par une ligne 354, le " patch " 343 est connecté au point Cl par une ligne 353 et le " patch " 342 est connecté au point Cl par une ligne 352. Les points Cl et C2 sont connectés au point C3 respectivement par une ligne 355 et 356, le point C3 étant connecté à une ligne d'alimentation. La longueur des lignes 353 et 354 est égale, de même la longueur des lignes 352 et 354 est égale et telle que longueur 352 - longueur 7 2810164 353 = kg/2 D'autre part, le " patch " 343 est connecté par une seconde entrée au point C4 par une ligne 363, le " patch " 342 est connecté au point C4 par une ligne 362, le " patch " 341 est connecté au point C5 par une ligne 361, le " patch " 344 est connecté au point C5 par une ligne 364, le point C4 étant connecté au point C6 par une ligne 366 et le point C5 étant connecté au point C6 par une ligne 365. Le point C6 est connecté à une autre alimentation de manière à obtenir une alimentation parallèle. Dans le second cas, les lignes 361, 362, 363, 364 sont de même longueur et la différence AL entre la longueur de la ligne 365 et la longueur de la ligne 366 = Xg/2. Les différentes lignes d'alimentation sont connectées de manière connue à des circuits de réception comportant au moins un amplificateur à faible bruit et un convertisseur de fréquences. Les circuits étant bien connus de l'homme de l'art, ils ne seront pas décrits de manière plus détaillée. Ainsi, avec le circuit décrit ci-dessus, les pastilles ou " patchs ":34,, 342, 343, 344 is sont toutes alimentées en phase et avec la même amplitude par deux diviseurs de puissance réalisés en technologie microruban, I'alimentation des pastilles devant se faire en phase pour que les champs électriques s'additionnent dans le sens de propagation des ondes guidées. En effet, le déphasage d entre deux ondes polarisées horizontalement est égal d = * AL o = (2/WXg), Xg étant égale à la longueur d'onde de l'onde guidée. Dans le mode de réalisation représenté, on excite les pastilles ou " patchs " par des côtés latéraux opposés. Ainsi, la pastille 341 est excitée par son côté latéral gauche, ce qui crée un instant t, un champ E orientés de gauche à droite alors que simultanément, la pastille 344 est excitée par son côté latéral droit qui crée au même instant t un champ E orienté de droite à gauche donnant finalement des champs déphasés. En introduisant une différence de longueur d'onde donnée par la différence de la longueur des lignes 351 et 354 qui est égale à Xg/2, on crée un déphasage supplémentaire d tel que d =, * AL = (2]-/Xg)*x L/2) = rI, ce qui annule la différence des phases entre lesdits champs électriques. Cette configuration améliore la qualité de la polarisation, car elle élimine les problèmes de polarisation croisée. 8 2810164 On décrira maintenant, avec référence aux figures 5a-5b à 9a-9b, différents modes de réalisation des pastilles ou " patchs " utilisées dans le cadre de la structure d'antenne-source de réception en bande Ku. Les différentes figures représentent la partie droite inférieure du système de la figure 1. Sur les figures 5a-5b, on a représenté un autre mode de réalisation des " patchs ". Dans ce cas, sur le substrat supérieur 300 a été déposé un " patch " 302 de forme carré. Comme représenté clairement sur la figure, le plan de masse 301 a été évidé de manière à former une fenêtre 0o 303 facilitant le rayonnement. D'autre part, sur le substrat inférieur 304 est réalisé parallèlement au premier " patch " 302 un second " patch " 306 couplé électromagnétiquement au premier s est alimenté par les lignes 307 et 307'. en deux côtés orthogonaux. Conformément à ce mode de réalisation, des parois métalliques 304 sont prévues à l'aplomb de la fenêtre 303 de manière à favoriser le rayonnement vers l'avant des " patchs " 306 et 302 superposés. La partie entre les deux substrats 305-300 est remplie d'air. Selon une variante, elle pourrait être remplie d'un matériau tel qu'une mousse. Sur les figures 6a et 6b, on a représenté un autre mode de réalisation avec des " patchs " superposés. Dans ce cas, le substrat supérieur 310 muni du plan de masse 311 est évidé pour former une fenêtre 314. La partie comprise entre le substrat supérieur 310 et le substrat inférieur 315 est rempli de mousse. Le " patch " 312 est réalisé sur la mousse et est couplé électromagnétiquement au " patch " 316 réalisé sur le substrat inférieur 315. Le " patch " 316 est alimenté comme le " patch " 306 des figures 5a et 5b par les lignes 317 et 317'. Sur les figures 7a et 7b, encore un autre mode de réalisation a été représenté. Dans ce cas, un 9 2810164 ce cas, le " patch " 322 est couplé électromagnétiquement avec les lignes 327, 327'. Les modes de réalisation des figures 8a et 8b et des figures 9a et 9b sont apparentés à une ouverture rayonnante. Ainsi, comme représenté sur les figures 8a et 8b, le substrat supérieur 330 muni de son plan de masse 331 est évidé pour former une fenêtre 333. Dans le mode de réalisation représenté, le substrat supérieur 330 est monté sur le substrat inférieur 335 avec interposition de parois 334 métalliques. Sur le substrat inférieur 335 sont réalisées les lignes d'alimentation 337, 337'. Dans ce cas, o0 l'ouverture rayonnante ainsi réalisée est excitée par des sondes. Dans la variante représentée sur les figures 9a et 9b, un " patch " 336 est réalisé sur le substrat inférieur 335. Ce " patch " 336 est connecté aux lignes d'alimentation 337, 337' de manière classique. Les modes de réalisation décrits ci-dessus à titre d'exemple i5 permettent l'intégration d'une antenne-source en réception fonctionnant en bande Ka avec une antenne-source en réception fonctionnant en bande Ku, les deux antennes étant cofocalisées. Il est évident pour l'homme de l'art que les bandes de fréquence sont données à titre illustratif et que l'invention peut aussi fonctionner dans d'autres bandes. Il est évident pour l'homme de l'art que d'autres types de réseaux pourraient être utilisés pour réaliser les structures d'antennes-source utilisées à la réception. Notamment, tout type de réseaux comportant des éléments rayonnants à double polarisation orthogonale, linéaire ou circulaire. 2810164 REVENDICATIONS 1 - Antenne source d'émission/réception d'ondes électromagnétiques comprenant des moyens (11) d'émission d'ondes électromagnétiques à rayonnement longitudinal fonctionnant dans une première bande de fréquences et des moyens de réception d'ondes électromagnétiques, caractérisée en ce que les moyens de réception d'ondes électromagnétiques sont constitués par un premier réseau (234 - 234) de n éléments rayonnants fonctionnant dans une seconde bande de io fréquences et un second réseau (321 - 324 - 344 - 344) de n' éléments rayonnants fonctionnant dans une troisième bande de fréquences, les premier et second réseaux et les moyens à rayonnement longitudinal ayant un centre de phase sensiblement commun et les éléments rayonnants des premier et second réseaux étant disposés autour des moyens à rayonnement longitudinal. 2 - Antenne source selon la revendication 1, caractérisée en ce que le premier réseau de n éléments rayonnants est constitué par un réseau de n pastilles (231 - 234) ou " patchs," à double polarisation orthogonale, lineaire ou circulaire. 3 - Antenne source selon la revendication 2, caractérisée en ce que le premier réseau de n " patchs " est connecté à un circuit d'alimentation (241 - 244, 25, - 254, 26, 27) réalisé en technologie microruban sur un premier substrat. 4 - Antenne source selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens d'émission d'ondes électromagnétiques à rayonnement longitudinal sont constitués par une 3o antenne du type à ondes progressives à rayonnement longitudinal d'axe confondu avec l'axe de rayonnement, excitée par des moyens (12) comportant un guide d'ondes. il 2810164 - Antenne source selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'antenne du type à ondes progressives à rayonnement longitudinal est constituée par une tige diélectrique appelée " polyrod " (11) ou par une hélice. 6 - Antenne source selon la revendication 4, caractérisée en ce que le guide d'ondes est rempli d'un matériau diélectrique. 7 - Antenne source selon l'une quelconque des revendications 1 à 0o 6, caractérisée en ce que le second réseau de n' éléments rayonnants est constitué par un réseau de n' éléments (321 - 324; 34, - 344) rayonnants à double polarisation orthogonale, linéaire ou circulaire et à large bande. 8 - Antenne source selon la revendication 7, caractérisée en ce que le réseau de n' éléments à double polarisation orthogonale, linéaire ou circulaire et à large bande est réalisé en utilisant deux substrats parallèles (21,33), I'un des substrats étant le premier substrat (21) recevant le premier réseau. 9 - Antenne source selon la revendication 8, caractérisée en ce que le premier substrat (21) est recouvert d'une couche métallique (22) formant un plan de masse comportant des zones (311 - 314) démétallisées, au niveau des éléments rayonnants du second réseau. 10 - Antenne source selon les revendications 7 à 9, caractérisée en ce que les éléments rayonnants du réseau à double polarisation orthogonale, linéaire ou circulaire et à large bande sont constitués par deux " patchs " (321-341; 302-306; 312-316) superposés réalisés respec- tivement sur chaque substrat et couplés électromagnétiquement. 12 2810164 11 - Antenne source selon la revendication 10, caractérisée en ce que les deux substrats sont connectés à l'aplomb des zones démétallisées (303) par des parois métalliques (304). 12 - Antenne source selon les revendications 7 à 9, caractérisée en ce que les éléments rayonnants du réseau à double polarisation orthogonale, linéaire ou circulaire et à large bande sont constitués par un " patch " (322) couplé électromagnétiquement à une sonde (327, 327') connectée au circuit d'alimentation. 13 - Antenne source selon les revendications 7 à 9, caractérisée en ce que les éléments rayonnants du réseau à double polarisation orthogonale, linéaire ou circulaire et à large bande sont constitués par une ouverture (333) réalisée dans le premier substrat (330.) et une sonde (337, 337') connectée au circuit d'alimentation réalisée sur le substrat parallèle. 14 - Antenne source selon les revendications 7 à 9, caractérisée en ce que les éléments rayonnants du réseau à double polarisation orthogonale, linéaire ou circulaire et à large bande sont constitués par une ouverture (333) réalisée dans le premier substrat (330) et un " patch " (336) connecté au circuit d'alimentation réalisée sur le substrat parallèle. - Antenne source selon les revendications 7 à 14, caractérisée en ce que le second réseau de n' éléments rayonnants est connecté à un circuit d'alimentation réalisé en technologie microruban. 16 - Antenne source selon les revendications 1 à 14, caractérisée en ce que le premier réseau de n éléments rayonnants est un réseau à 4 éléments disposés en carré et en ce que le second réseau de n' éléments rayonnants est un réseau à 4 éléments disposés en croix autour du premier réseau. 13 2810164 17 - Antenne source selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisée en ce que les première et seconde bandes de fréquences correspondent à la bande Ka et ta troisième bande de fréquence correspond à la bande Ku.