Brevet FR2908237A1 — publié le 20080509

Le domaine de l'invention est celui des antennes de télécommunication, et plus particulièrement celui des antennes plates pour faisceaux hertziens alimentées par guide d'ondes. L'invention concerne plus particulièrement une antenne plate alimentée directement par un guide d'ondes par mise en oeuvre d'un couplage électromagnétique par fente entre le guide d'ondes et chacune des lignes d'alimentation des éléments rayonnants de l'antenne plate. Comme cela a par exemple été exposé dans la demande de brevet français de la Demanderesse déposée le 14 novembre 2005 sous le n 0511527, un tel couplage peut être réalisé en prévoyant des fentes dans le plan de masse de l'antenne en regard de chaque ligne d'alimentation d'éléments rayonnants, et un guide d'ondes agencé par rapport au plan de masse de manière de manière à réaliser un couplage électromagnétique par fente entre le guide d'ondes et chacune des lignes d'alimentation. Selon un mode de réalisation possible, le guide d'ondes a une forme de U en section, et est agencé de manière à ce que le plan de masse ferme l'espace du guide d'ondes (le plan de masse est alors utilisé comme paroi du guide d'ondes). On a représenté de manière schématique sur la figure 1 une vue en coupe de ce mode de réalisation. Un canal pratiqué, par exemple par fraisage, dans un corps métallique 1 définit un guide d'ondes 2 ayant une forme de U en section. Le substrat 3 de l'antenne repose sur un plan de masse 4, lequel plan de masse 4 est alors utilisé comme paroi du guide d'ondes 2 pour fermer 25 l'espace du guide d'ondes. Du fait des imperfections de fabrication et de la faible épaisseur du substrat 3, la surface du plan de masse 4 utilisée comme paroi du guide d'ondes 2 est susceptible de présenter un effet de gondole . Un contact électrique irrégulier peut alors s'établir entre le plan de 30 masse et le guide d'ondes. Et comme cela est représenté sur la figure 1, une 2908237 2 couche d'air 5 peut alors être interposée, au moins localement, entre le guide d'ondes 2 et le plan de masse 4. Le champ électromagnétique a alors tendance à se propager entre le guide d'ondes et le plan de masse, ce qui peut provoquer des pertes non 5 négligeables. La figure 2 représente une carte du champ E du mode de réalisation de la figure 1 selon une vue en coupe transversale. Cette figure illustre le comportement d'une onde électromagnétique traversant un tronçon de guide d'ondes fermé par un plan de masse, avec une couche d'air d'épaisseur e 10 (cf. figure 1) d'environ 0,05 mm, soit une épaisseur du même ordre de grandeur que les imperfections de fabrication et d'assemblage des pièces mécaniques. On constate la présence d'une onde progressive latérale qui engendre des pertes en transmission non négligeables, de l'ordre de 15 dB sur un 15 tronçon de guide de 16 cm. On notera que l'utilisation d'un double piège quart d'onde a été proposée pour réaliser la fixation du substrat de l'antenne au dessus du guide d'ondes sans soudure, de manière à éviter tout comportement électrique imprévisible. 20 L'article de Van Der Wilt et Strijbos, intitulé "A 40 Ghz planar array antenna using hybrid coupling" (in Perspectives on Radio Astronomy - Technologies for Large Antenna Arrays, Proceedings of the Conference held at the ASTRON Institute in Dwingeloo on 12-14 April 1999 . ISBN: 90-805434-2-X, 354 pages, 2000, p.129) prévoit ainsi (cf. figure 6 et discussion correspondante) d'associer au guide d'ondes un double piège quart d'onde ( double quater-wave choke contruction selon la terminologie utilisée dans cet article). Le substrat peut alors être fixé au guide d'ondes par simple collage. L'invention a pour objectif de réduire les pertes en transmission pour 30 accroitre l'efficacité de l'antenne. Elle vise plus particulièrement à minimiser 2908237 3 les pertes dans le guide d'ondes et dans la bande de fréquences de fonctionnement de l'antenne plate. A cet effet, et selon un premier aspect, l'invention propose un corps métallique de support de plan de masse d'antenne plate comportant : 5 un canal longitudinal définissant un guide d'ondes pour l'antenne; ù deux rainures rectangulaires s'étendant le long du canal, et aménagées de part et d'autre du canal pour définir un double piège quart d'ondes ; caractérisé en ce que la partie du corps située entre le canal et chaque rainure est usinée de sorte que lorsque le plan de masse est rapporté sur le 10 corps, ladite partie du corps est espacée du plan de masse par une couche d'air de dimension contrôlée. Certains aspects préférés, mais non limitatifs, de ce corps métallique sont les suivants : la couche d'air présente une épaisseur supérieure à la précision de 15 fabrication du plan de masse ; la couche d'air présente une épaisseur inférieure à la longueur d'onde associée à la fréquence f à laquelle le double piège est accordé ; la couche d'air présente une épaisseur comprise entre 0.05 mm et 20 1 mm; la couche d'air présente une épaisseur d'environ X/10, où X représente la longueur d'onde associée à la fréquence f à laquelle le double piège est accordé ; la partie du corps située entre le canal et chaque rainure s'étend sur 25 une distance (a) égale à X/4, et chaque rainure présente une profondeur (c) égale à X/4, où 2^, représente la longueur d'onde associée à la fréquence f à laquelle le double piège est accordé ; le double piège est accordé à la fréquence centrale f de la bande de fonctionnement de l'antenne ; le corps comporte une pluralité de paires de rainures rectangulaires s'étendant le long du canal, les rainures de chaque paires étant 2908237 4 aménagées de part et d'autre du canal pour définir une pluralité correspondante de double piège quart d'ondes, chaque double piège étant accordé à une fréquence différente ; le corps comprend deux paires de rainures définissant deux doubles 5 pièges quart d'onde, les dimensions du premier piège accordé à une première fréquence f1 (longueur d'onde XI) sont les suivantes : distance guide-piège a' = 11/8, profondeur du piège c' =311/8, épaisseur de la couche d'air b' = 2,,I/10, somme d' de la distance guide-piège et de la largeur du piège d' = X2/4 ; et les dimensions du 10 second piège accordé à une seconde fréquence f2 (longueur d'onde X2) sont les suivantes : distance guide-piège e = 3*X2/8, profondeur du piège g = X2/8, épaisseur de la couche d'air f = X2/10, somme h de la distance guide-piège et de la largeur du piège h= X2/2 ; et les doubles pièges sont accordés aux fréquences duplex des canaux 15 hauts et bas d'une bande de fonctionnement de l'antenne. Selon un second aspect, l'invention concerne une antenne comprenant un substrat, un plan de masse supportant le substrat et un corps selon le premier aspect de l'invention contre lequel le plan de masse est plaqué ou fixé. 20 D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels, outre les figures 1 et 2 déjà commentées : 25 les figures 3a et 3b représentent l'introduction, sur le circuit équivalent d'un guide représenté par son impédance caractéristique ZC, de respectivement un double piège quart d'onde et de deux doubles pièges quart d'onde ; la figure 4a représente un mode de réalisation possible d'un corps 30 métallique selon l'invention avec un double piège quart d'onde ; 2908237 5 - la figure 4b représente un mode de réalisation possible d'un corps métallique selon l'invention avec deux doubles pièges quart d'onde ; - la figure 5 représente une carte du champ électrique selon une vue en coupe transversale du couplage réalisé par un mode de mise en 5 oeuvre de l'invention. Selon un premier aspect, l'invention concerne un corps, typiquement un corps métallique, par exemple en aluminium, destiné à servir de support de plan de masse d'antenne plate. Le plan de masse supporte quant à lui le substrat diélectrique de l'antenne sur lequel sont disposés les éléments 10 rayonnants de l'antenne. Comme cela est représenté sur les vues en coupe des figures 4a et 4b, un canal longitudinal 20, 200 définissant un guide d'ondes pour l'antenne est pratiqué, par exemple par fraisage, dans un corps métallique 10, 100. La section du canal est typiquement rectangulaire, et présente une 15 forme de U en section, le plan de masse de l'antenne étant destiné à servir de paroi pour fermer l'espace du guide d'ondes. Les dimensions du canal sont une hauteur (branches latérales du U) de 2^,c/4 et une largeur (base du U) de ',c/2, où l c représente la longueur d'onde correspondant à la fréquence de coupure du guide (le guide agissant comme 20 une filtre passe haut, pour les fréquences supérieures à la fréquence de coupure). Des paires de rainures rectangulaires 31, 32 ; 310, 320, 410, 420 s'étendant le long du canal sont par ailleurs aménagées dans le corps 10 de part et d'autre du canal 20, 200 pour définir chacune un double piège quart 25 d'ondes. Ces rainures sont par exemple pratiquées par fraisage du corps métallique. Dans le cadre de l'invention, le terme double piège quart d'onde doit être compris comme désignant deux pièges quart d'ondes agencés symétriquement de part et d'autre du guide d'ondes. 30 Le terme de piège quart d'onde désigne quant à lui une rainure aménagée dans le corps de manière à former un tronçon électrique de 2908237 6 longueur égale à a,/2 depuis la paroi du canal (où représente la longueur d'onde dans le guide du signal propagé par l'antenne ; on rappelle que X=c/f, avec c la célérité et f la fréquence). Ce tronçon de longueur 1/2 permet effectivement de ramener un court-circuit (désigne par la référence CC sur 5 les figures 3a et 3b) au niveau de la paroi du canal définissant le guide d'ondes (condition limite de nullité du champ tangentiel à la paroi à cet endroit). On a représenté sur la figure 3a l'introduction d'un double piège quart d'onde sur le circuit équivalent d'un guide représenté par son impédance 10 caractéristique ZG. On cherche là à réaliser un piège accordé à la fréquence centrale f (avec X,=c/f) de la bande de fonctionnement de l'antenne. A titre d'exemple, pour une antenne fonctionnant dans la bande de 37.21 à 38.64 GHz ; la fréquence centrale f est de 37.92 Hz. Afin d'obtenir une plage de fréquence plus large, on peut concevoir des 15 pièges supplémentaires, en ramenant d'autres court-circuits en plus du premier. A cet égard, la figure 3b représente l'introduction de deux doubles pièges quart d'onde pour obtenir une plage de fréquences plus large, en utilisant deux fréquences proches fi et f2 (avec Xi= c/fi et X2= c/f2). Les pièges 2 0 sont alors accordés respectivement aux fréquences fi et f2. Dans le mode de réalisation de la figure 3b, on ramène ainsi un deuxième court-circuit CC en plus du premier. On dispose alors de deux chemins électriques en parallèle pour les deux fréquences de fonctionnement fi et f2. 25 A titre d'exemple, pour une antenne fonctionnant dans la bande de 37.21 à 38.64 GHz, on choisit les deux fréquences duplex correspondant aux fréquences centrales fi, f2 des canaux hauts et bas, soit respectivement 38.64 GHz et 37.21 GHz. Dans le cadre de l'invention, le tronçon de longueur X/2 permettant de 30 ramener un court-circuit CC au niveau de la paroi latérale du guide comprend deux portions qui mises bout à bout représentent X,/2. 2908237 7 Comme indiqué sur les figures 4a et 4b, ces portions sont respectivement: ù la distance (a) ; (a') ; (e) séparant le canal 20, 200 (paroi latérale du canal avec condition limite de nullité du champ électrique) et une 5 rainure 31, 32 ; 310 ; 320 ; 410, 420 (cette distance représentant ainsi la largeur de la "muraille", c'est à dire la largeur de la partie du corps située entre le guide d'ondes et le piège) ; et ù la profondeur (c) ; (c') ; (g) de la rainure 31, :32 ; 310, 320 ; 410, 420 (le fossé du piège). 10 En d'autres termes, on observe les relations suivantes pour définir les pièges quart d'ondes : ù sur la figure 4a représentant la mise en oeuvre d'un seul double piège accordé à la fréquence f (avec X=c/f) : X/2 = a + c ; ù sur la figure 4b représentant la mise en oeuvre de deux doubles 15 pièges accordés respectivement à la fréquence fi et la fréquence f2 (avec 2,A= c/f1 et 2,2. c/f2) : = a' + c' et X22/2= e + g. On a représenté sous la forme de flèches Fa,, Fei, et n2 sur les figures 4a et 4b ces tronçons de longueur 2^,/2 qui définissent les pièges quart d'onde permettant de réduire la perte en ligne dans le guide. 20 A l'aide de ces pièges effectivement, l'onde progressive latérale est éliminée en ramenant, par onde stationnaire, un court-circuit sur la paroi latérale du guide. Par ailleurs, l'invention prévoit que la partie du corps située entre le canal et chaque rainure (la muraille ) soit usinée de sorte que lorsque le 25 plan de masse est rapporté sur la surface 11, 110 du corps 10, 100, ladite partie du corps est espacée du plan de masse par une couche d'air de dimension contrôlée. L'épaisseur de cette couche d'air porte la référence b sur la figure 4a, et les références b" et f sur la figure 4b. 30 Le fait de pouvoir contrôler l'épaisseur de la couche d'air permet d'éviter que le plan de masse établisse un contact électrique avec le corps 2908237 8 du guide d'ondes. On s'affranchit ainsi des inconvénients liés aux imperfections de fabrication des pièces, en assurant sur toute la longueur du guide d'ondes la présence d'un piège quart d'onde à une fréquence de fonctionnement déterminée. 5 Considérant une précision de fabrication des pièces mécaniques de l'ordre de 0,01 mm, la partie du corps entre le canal et la rainure est alors usinée de sorte que l'épaisseur b, b' et f de la couche d'air soit supérieure à cette imprécision, et par exemple supérieure à 0,05mm. Par ailleurs, l'épaisseur de la couche d'air est également contrôlée par 10 l'usinage de la partie du corps entre le canal et la rainure afin que cette épaisseur reste suffisamment petite par rapport à la longueur d'onde de la fréquence de fonctionnement, ainsi que par rapport au petit côté du guide (paroi latérale du U). Il s'agit ici de privilégier la propagation du mode principal TE10, et d'éviter la création d'autres rnodes indésirables par la 15 déformation trop importante de la section transversale du guide d'ondes. Dans le cas d'une fréquence de fonctionnement de 38Ghz, l'usinage est alors par exemple réalisé de manière à ce que l'épaisseur de la couche d'air soit inférieure à I mm. Selon un mode de réalisation préférentiel, on fixe cette épaisseur à X/10 20 (soit à 0.78 mm pour une fréquence de fonctionnement de 38 GHz). Revenant à la description du mode de réalisation du corps représenté sur la figure 4a comprenant un double piège, on précise ci-après des règles de dimensionnement préférentielles : la distance (a) entre le guide et le piège est de ?J4 ; 25 - la profondeur (c) du piège est de X/4 (on vérifie bien a+c = 2,/2) ; l'épaisseur de la couche d'air (b) est de 1/10 ; - la largeur (d) du piège est de X/8. On a représenté sur la figure 5 une carte du champ E selon une vue en coupe transversale, pour le mode de réalisation de la figure 4a dans lequel 30 on a considéré une couche d'air (non représenté sur cette figure) telle que b= 0.05mm (valeur minimale de la plage 0.05 -1 mm présentée ci-dessus). 2908237 9 En comparant la figure 5 à la figure 2, on constate l'élimination de l'onde progressive latérale. Les pertes en transmission quantifiées pour un tronçon de 16 cm sont inférieures à 1 dB (à comparer avec les 15 dB de pertes sur un dispositif sans piège). 5 Et pour le mode de réalisation représenté sur la figure 4b du corps comprenant deux doubles pièges, les règles de dimensionnent préférentielles sont les suivantes (considérant les fréquences fi et f2 comme relativement proches, comme dans l'exemple ici retenu des fréquences duplex d'une antenne 38Ghz) : 10 - pour le premier double piège accordé à 20 (rainures 310 et 320) : distance guide-piège a' = XI/8 ; profondeur du piège c" =3XI/8 (on vérifie bien a'+c' = Xi/2) ; épaisseur de la couche d'air b' = Xi/10 ; somme d' de la distance guide-piège a' et de la largeur du 15 piège d' = X2/4. pour le second piège accordé à 2,2 (rainures 410 et 420) : distance guide-piège e = 3*X2/8 ; profondeur du piège g = X2/8 (on vérifie bien e + g = X2/2) épaisseur de la couche d'air f = X2/10 ; 20 somme h de la distance guide-piège e et de la largeur du piège h= X2/2. Bien entendu, on aura compris que l'invention n'est pas limitée par le nombre de doubles pièges. En particulier, afin d'obtenir une plage de fréquences encore plus large, il est possible de concevoir des pièges 25 supplémentaires, en ramenant d'autres court-circuits en plus de ceux existants. A titre d'exemple, on peut ainsi élaborer un corps métallique doté d'une pluralité de doubles pièges, en prévoyant une pluralité correspondante de paires de rainures, ces rainures respectant les règles de dimensionnement présentées précédemment. 30 Par ailleurs, l'invention n'est pas limitée à un corps métallique, mais s'étend bien entendu à une antenne plate comportant un tel corps métallique. 2908237 10 En particulier, l'invention s'étend à une antenne plate comprenant un substrat, un plan de masse supportant le substrat et un corps selon le premier aspect de l'invention contre lequel le plan de masse est plaqué ou fixé, par exemple par collage. 5 L'antenne comprend des éléments rayonnants disposés sur le substrat, une ou plusieurs lignes d'alimentation desdits éléments rayonnants, et le plan de masse peut présenter une ou plusieurs fentes en regard de chaque ligne d'alimentation de manière à assurer un couplage électromagnétique par fente entre le guide d'ondes et chaque ligne d'alimentation. 10 REVENDICATIONS 1. Corps (10 ,100) de support de plan de masse d'antenne plate 5 comportant : ù un canal longitudinal (20, 200) définissant un guide d'ondes pour l'antenne; ù deux rainures rectangulaires (31, 32 ; 310, 320 ; 410, 420) s'étendant le long du canal (20, 200), et aménagées de part et d'autre du canal pour 10 définir un double piège quart d'ondes ; caractérisé en ce que la partie du corps située entre le canal et chaque rainure est usinée de sorte que lorsque le plan de masse est rapporté sur le corps, ladite partie du corps est espacée du plan de masse par une couche d'air de dimension (b ; b' ; f) contrôlée. 15 2. Corps selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche d'air présente une épaisseur supérieure à la précision de fabrication du plan de masse. 20 3. Corps selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche d'air présente une épaisseur inférieure à la longueur d'onde associée à la fréquence f à laquelle le double piège est accordé. 4. Corps selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que 25 la couche d'air présente une épaisseur comprise entre 0.05 mm et 1 mm. 5. Corps selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche d'air présente une épaisseur d'environ X/10, où représente la longueur d'onde associée à la fréquence f à laquelle le double piège est 30 accordé. 2908237 12 6. Corps selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la partie du corps située entre le canal et chaque rainure s'étend sur une distance (a) égale à 2J4, et chaque rainure présente une profondeur (c) égale à 1/4, où 1 représente la longueur d'onde associée à la fréquence f à laquelle le double piège est accordé. 7. Corps selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le double piège est accordé à la fréquence centrale f de la bande de fonctionnement de l'antenne. 8. Corps selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de paires de rainures rectangulaires s'étendant le long du canal, les rainures de chaque paires étant aménagées de part et d'autre du canal pour définir une pluralité correspondante de double piège quart d'ondes, chaque double piège étant accordé à une fréquence différente (fi, f2). 9. Corps selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend deux paires de rainures définissant deux doubles pièges quart d'onde, en ce que les dimensions du premier piège accordé à une première fréquence f1 (longueur d'onde 11) sont les suivantes : distance guide-piège a' = 11/8, profondeur du piège c' =311/8, épaisseur de la couche d'air b' = 11/10, somme d' de la distance guide-piège et de la largeur du piège d' = 12/4 ; et en ce que les dimensions du second piège accordé à une seconde fréquence f2 (longueur d'onde X2) sont les suivantes : distance guide-piège e = 3*12/8, profondeur du piège g =12/8, épaisseur de la couche d'air f =12/10, somme h de la distance guide-piège et de la largeur du piège h=12/2. 10. Corps selon l'une des deux revendications précédentes, caractérisé en 30 ce que les doubles pièges sont accordés aux fréquences duplex des canaux hauts et bas d'une bande de fonctionnement de l'antenne. 2908237 13 11. Antenne plate comprenant un substrat, un plan de masse supportant le substrat et un corps (10, 100) selon l'une des revendications précédentes contre lequel le plan de masse est plaqué ou fixé. 5 12. Antenne selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'elle comprend des éléments rayonnants disposés sur le substrat, et une ou plusieurs lignes d'alimentation desdits éléments rayonnants, en ce que le plan de masse présente une ou plusieurs fentes en regard de chaque ligne 10 d'alimentation, de manière à assurer un couplage électromagnétique par fente entre le guide d'ondes et chaque ligne d'alimentation.