Brevet FR2830987A1 — publié le 20030418

La présente invention concerne les antennes-sources alimentées par guide d'ondes. Elle concerne, notamment, des antennes qui peuvent être utilisées dans des systèmes de communication applicables en particulier dans les réseaux domestiques sans fils, les réseaux locaux sans fils tels que les réseaux connus sous la dénomination WLAN (Wireless Local Area Networks en langue anglaise), les systèmes de communication multimédia à haut débit pour la télévision et l'internet, les systèmes de communication par satellite et tout autre système nécessitant l'usage d'une structure d'antenne. La présente invention concerne donc une antenne s'appliquant à des systèmes fonctionnant à des fréquences se situant dans les bandes millimétriques et micro-ondes, notamment de la bande Ku à la bande W. Dans ce domaine de fréquences, différents types de structure d'antennes sont actuellement utilisés. On connaît notamment des structures planaires réalisées en technologie microruban ou microfente, ces structures planaires étant alimentées par une ligne d'alimentation en contact direct avec la structure ou par couplage électromagnétique à l'aide d'une fente pratiquée dans un plan de masse. Ces structures présentent l'inconvénient de fonctionner dans une bande de fréquences relativement étroite. De plus, dans le cas d'un contact direct, elles induisent un rayonnement parasite qui dégrade les performances du rayonnement. Il est aussi connu d'utiliser des structures rayonnantes en guide d'ondes. Dans ce cas, les guides d'ondes présentent sur leurs parois des fentes qui permettent de contrôler le rayonnement du dispositif rayonnant. Ces structures présentent l'inconvénient d'être encombrantes et volumineuses. La présente invention a donc pour but de proposer une nouvelle structure d'antenne-source du type alimenté par guide d'ondes, qui présente une bande de fonctionnement relativement large, une très bonne pureté de polarisation et une bonne efficacité de rayonnement. En conséquence, la présente invention a pour objet une antenne-source du type alimenté par guide d'ondes, caractérisée en ce que l'extrémité rayonnante du guide d'ondes est fermée par un plan métallique muni d'au moins une fente centrale. Selon une autre caractéristique de la présente invention, pour obtenir une polarisation circulaire ou une double polarisation linéaire, le plan métallique est muni de deux fentes croisées. Conformément à la présente invention, le plan métallique peut être réalisé de différentes manières. Ainsi, le plan métallique est constitué par une plaque métallique montée sur l'extrémité du guide, par le plan de masse d'un substrat monté sur l'extrémité du guide ou par le plan de section droite d'un court-circuit terminant le guide d'ondes. D'autre part, selon une caractéristique supplémentaire de la présente invention, lorsque le plan métallique est constitué par le plan de masse d'un substrat, sur le substrat est réalisé au moins un élément rayonnant tel qu'une pastille ou patch , un dipôle ou élément similaire. De plus, sur le substrat, une structure multicouche formée d'une succession de couches métalliques et de couches diélectriques peut être réalisée de manière à former un réseau rayonnant. Selon encore une autre caractéristique de la présente invention, le plan de masse est recouvert d'une lentille diélectrique. Ainsi, l'antenne-source peut être associée à un système de focalisation tel qu'au moins un réflecteur parabolique, une lentille diélectrique, une lentille de Fresnel. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description de divers modes de réalisation faite avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels : - figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un premier mode de réalisation d'une structure conforme à la présente invention, - figure 2 est une courbe donnant le coefficient de réflexion S 11 en fonction de la fréquence, - figure 3 est une vue en coupe verticale schématique d'un second mode de réalisation, - figure 4 est une vue en coupe verticale schématique d'un troisième mode de réalisation, - figure 5 est une vue en coupe verticale schématique d'un quatrième mode de réalisation, et - figure 6 est une vue en coupe verticale schématique d'un cinquième mode de réalisation. On décrira tout d'abord avec référence à la figure 1, un premier mode de réalisation d'une structure rayonnante alimentée par guide d'ondes, conforme à la présente invention. La structure représentée sur la figure 1 comporte un guide d'ondes 1 qui peut être de forme rectangulaire, circulaire ou polygonale. Les dimensions du guide d'ondes 1 sont choisies de manière connue en fonction de la bande de fréquences de fonctionnement. Comme représenté sur la figure 1, sur l'extrémité du guide 1 est montée une plaque métallique 2 comportant en son centre deux fentes 3a, 3b disposées perpendiculairement l'une à l'autre. Les fentes 3a et 3b permettent un couplage électromagnétique entre le guide et une structure rayonnante planaire qui sera décrite ultérieurement. Sur la figure 1, on a représenté deux fentes 3a et 3b perpendiculaires. Toutefois, il est évident pour l'homme de l'art que la plaque 2 peut comporter une seule fente ou plusieurs fentes parallèles ou en croix, les dimensions de la ou des fentes étant choisies pour obtenir une large bande passante autour de la fréquence de fonctionnement. Dans le mode de réalisation de la figure 1, sur la plaque 2 est monté un substrat 4 en matériau diélectrique, comme cela sera décrit ci- après. Sur ce substrat 4 est réalisé un motif 5 qui peut être constitué par une pastille ou patch , par un dipôle ou par des éléments similaires dont le rôle est de contrôler le diagramme de rayonnement de l'antenne. Le substrat 4 est choisi de manière à ne pas exciter d'ondes de surface. De ce fait, il présente une permittivité et une perméabilité relatives faibles et une faible épaisseur. Selon une variante de réalisation non représentée, une structure comportant plusieurs couches constituées de plaques métalliques et de substrats en matériau diélectrique peut aussi être utilisée. Elle permettra d'élargir la bande passante du système d'antenne ou d'augmenter sa directivité. On décrira maintenant avec référence aux figures 3,4, 5 et 6, différents modes de réalisation de la présente invention. Comme représenté sur la figure 3, le guide d'ondes 10 de forme rectangulaire ou circulaire est dans ce cas recouvert d'une tôle métallique 11 munie d'au moins une ouverture 12, de manière à réaliser une structure rayonnante. Dans le mode de réalisation de la figure 4, le guide d'ondes 20 est fermé par un plan de court-circuit 21. Conformément à la présente invention, dans ce cas, au moins une ouverture 22 est réalisée au milieu du plan de court-circuit 21. Selon encore une autre variante de réalisation de la présente invention, le guide d'ondes 40 est fermé par un circuit imprimé comportant un substrat en matériau diélectrique 41 muni sur la face inférieure d'un plan de masse métallique 42. La ou les ouvertures rayonnantes 43 sont réalisées dans le plan de masse 42, comme représenté sur la figure 5. D'autre part, un patch 44 a été réalisé sur la face opposée du substrat 41. Selon encore une autre variante du mode de réalisation de la présente invention, le guide d'ondes 50 est recouvert par une lentille diélectrique 51 dont la face inférieure est munie d'un plan de masse 52. Dans ce cas aussi, la ou les ouvertures 53 sont réalisées au milieu du plan de masse 52. L'utilisation d'une lentille de focalisation directement collée sur le plan métallique 52 muni d'au moins une fente permet d'augmenter la directivité du rayonnement. On décrira maintenant un mode de réalisation particulier d'une antenne-source conforme à la présente invention, réalisée en vue de tests et simulations. Ce mode de réalisation correspond en fait au mode de réalisation de la figure 5. Dans ce cas, on utilise un guide d'ondes 40 rectangulaire référencé WR-15 travaillant dans la bande V. La section droite du guide présente une longueur de 3,76 mm et une largeur de 1,88 mm. Le substrat 41 est constitué de duroïd qui présente une faible permittivité diélectrique (sr = 2,2) et des faibles pertes diélectriques (TanA = 0,0009). Dans ce cas, l'épaisseur du substrat vaut 1 27, um. Une fente 43 proche de ÀO/2 est centrée par rapport au milieu du guide et réalisée dans le plan de masse 42 présentant une épaisseur de 17, 5/im. La fente présente une longueur de 2,36 mm et une largeur 1,5 mm. Les dimensions ont été optimisées pour obtenir le maximum de bande passante autour de la fréquence d'utilisation qui est dans ce cas 60 GHz. Pour les essais, le niveau de métallisation supérieur a été laissé sans motifs, à savoir sans patch 44. Les mesures et simulations réalisées avec cette structure d'antenne conforme à la présente invention, ont permis d'obtenir une courbe donnant le coefficient de réflexion S11 en fonction de la fréquence, telle que représentée sur la figure 2. On observe qu'avec ce type de structure, une très large bande passante est obtenue. L'adaptation à-20dB est atteinte dans une bande de 4,7 GHz pour une fréquence de fonctionnement de 60 GHz. Le gain de l'antenne est de 5,5 dB. Les composantes croisées sont inférieures à-25dB, ce qui montre une très grande pureté de rayonnement. Dans le cas d'une configuration similaire à celle de la figure 5 avec une pastille ou patch 44 couplée à la fente, on obtient aussi des résultats semblables à ceux représentés à la figure 2. De nombreuses variantes peuvent être apportées au mode de réalisation décrit ci-dessus. Ainsi, lorsque l'on utilise deux fentes perpendiculaires, on obtient une double polarisation linéaire ou une polarisation circulaire. Dans le cas de la polarisation circulaire, il est préférable d'utiliser un guide d'ondes à section circulaire et les deux fentes en croix doivent présenter les mêmes dimensions pour obtenir une amplitude similaire pour les deux composantes du champ rayonné. D'autre part, un polariseur peut être utilisé en amont dans le guide pour garantir un déphasage de 900 entre les mêmes composantes de champ. Selon une autre variante de réalisation, la fente, telle que la fente 43 sur la figure 5, peut être couplée à un réseau de pastilles ou patch 44 qui seront disposées autour de la fente sur le substrat. Cela permet une plus grande flexibilité au niveau du diagramme de rayonnement. Le mode de réalisation de la figure 6, dans lequel une lentille électrique 53 est directement collée à une ou plusieurs fentes, permet d'augmenter la directivité du système d'antenne. D'autre part, lorsque l'on souhaite obtenir des antennes-source à gain élevé, il est souvent souhaitable d'associer la source primaire à un système focalisant tel qu'un réflecteur parabolique, une lentille diélectrique, une lentille de Fresnel ou des réflecteurs multiples. Ainsi, l'antenne source conforme à la présente invention peut être utilisée dans des systèmes de ce type, plus particulièrement dans ceux opérant en bandes millimétriques tels que les systèmes de communication par satellite en bande Ka, les systèmes LMDS, etc.. REVENDICATIONS 1-Antenne-source du type alimenté par guide d'ondes (1,10, 20,40, 50), caractérisée en ce que l'extrémité rayonnante du guide d'ondes est fermée par un plan métallique (2,11, 21,42, 52) muni d'au moins une fente centrale (3a, 3b, 12,22, 43,53). 2-Antenne-source selon la revendication 1, caractérisée en ce que le plan métallique est muni de deux fentes croisées (3a, 3b). 3-Antenne-source selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le plan métallique est constitué par une plaque métallique (2,11) montée sur l'extrémité du guide (1,10). 4-Antenne-source selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le plan métallique est constitué par le plan de masse (42) d'un substrat (41) montée sur l'extrémité du guide (40). 5-Antenne-source selon les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le plan métallique est constitué par le plan de section droite d'un court-circuit (21) réalisé à l'extrémité du guide d'ondes (20). 6-Antenne-source selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'au moins un élément rayonnant (5,44) est réalisé sur le substrat (4,41). 7-Antenne-source selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'élément rayonnant est constitué par une pastille ou patch ou un dipôle. 8-Antenne-source selon l'une quelconque des revendications 4,6, 7, caractérisée en ce qu'une succession de couches métalliques et de couches diélectriques formant une structure multicouche est réalisée sur le substrat. 9-Antenne-source selon les revendications 3 ou 5, caractérisée en ce que le plan de masse (52) est recouvert d'une lentille diélectrique (51). 10-Antenne-source selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le guide d'ondes a une section rectangulaire, circulaire ou carrée. 11-Antenne-source selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'elle est associée à un système de focalisation tel qu'au moins un réflecteur parabolique, une lentille diélectrique, une lentille de Fresnel.