Brevet FR2929762A1 — publié le 20091009

Coupleur mobile pour antenne à lentille de Luneberg et antenne à lentille de Luneberg associée [0001]. La présente invention concerne un coupleur mobile pour antenne à lentille de Luneberg ainsi que l'antenne associée. L'invention a notamment pour but de limiter les perturbations électromagnétiques dus aux câbles de l'antenne lors des dépointages de l'antenne. [0002]. L'invention trouve une application particulière avantageuse pour les communications entre un véhicule en mouvement et un satellite, l'invention pouvant être installée sur tout type de véhicules civils ou militaires, tels que les véhicules terrestres, les trains, les bateaux, ou encore les avions. [0003]. Les dispositifs radioélectriques de type antenne à lentille de Luneberg ou banc de mesure en champ proche nécessitent souvent le déplacement d'une source primaire ou d'une sonde de mesure dans un volume où existe un champ électromagnétique. [0004]. En effet, comme montré sur la figure 1, une antenne 1 à lentille de Luneberg selon l'état de la technique, positionnée dans un repère de coordonnées X, Y et Z, comporte une lentille 2 de Luneberg en forme de sphère et une source primaire 3 à faible directivité reliée à au moins deux câbles 4 coaxiaux hyperfréquence (un pour l'émission et un pour la réception). [0005]. On rappelle que la lentille de Luneberg est une sphère diélectrique dont l'indice n (ou la constante diélectrique relative E= n2) est variable suivant le rayon R de la lentille selon la loi suivante n2 = E = 2-(r / R)2, pour un point de la lentille situé à une distance r du centre. [0006]. La source 3 est mobile autour de la lentille 2. A cet effet, la source primaire 3 se déplace suivant les flèches 7 en translation le long d'un rail 5 en arc de cercle, le rail 5 étant apte à tourner suivant la flèche 9 autour de l'axe Y passant par les extrémités du rail 5. [0007]. Avec une telle antenne, la source primaire 3 est focalisée dans la direction diamétralement opposée quelle que soit sa position à la surface de la sphère 2. Le pointage du faisceau dans la direction souhaitée nécessite donc simplement le déplacement de la source primaire 3 de faible masse, ce qui permet des déplacements rapides du faisceau ; contrairement aux antennes à réflecteur parabolique pour lesquelles il est nécessaire de déplacer toute l'antenne. [0008]. De la même manière, il est possible d'utiliser seulement une demi-sphère 2 associée à un plan métallique réflecteur. Le gain est alors inchangé mais le pointage n'est possible que dans le demi-espace supérieur. L'avantage est alors la compacité du système à lentille de Luneberg. [0009]. Dans d'autres dispositifs connus, comme montré sur la figure 1 b, le rail 5 présente une forme linéaire. [00010]. Toutefois, lors des déplacements de la source 3 à la surface de la sphère 2, les câbles coaxiaux 4 se déplacent dans le champ et perturbent celui-ci. Cette perturbation se traduit par une dégradation des qualités du diagramme de rayonnement (lobes secondaires) ou par des erreurs dans la mesure du champ proche. [00011]. En outre, les antennes connues nécessitent des systèmes complexes d'enrouleurs et le choix des câbles 4 est limité à des câbles de faibles diamètres présentant une grande souplesse, ce qui engendre de médiocres performances en transmission et en tenue en puissance. [00012]. Il existe donc le besoin d'un coupleur qui résout les problèmes des architectures d'antennes existantes. [00013]. L'invention comble ce besoin en proposant un coupleur qui intègre dans le rail à la fois la fonction de déplacement de la source primaire et de transmission/réception de l'onde radio, de sorte qu'il est possible de supprimer les câbles coaxiaux. [00014]. A cet effet, le coupleur selon l'invention comprend un guide d'onde formant un rail fixe le long duquel un chariot portant la source primaire est apte à se déplacer en translation. Un circuit imprimé forme avec le chariot une ligne imprimée couplée avec le guide d'onde. [00015]. A cet effet, le circuit imprimé pénètre à l'intérieur d'une fente longitudinale pratiquée au milieu du grand coté du guide d'onde. Il est connu qu'une telle fente ne modifie en rien la propagation d'une onde dans le guide d'onde et ne rayonne pas. [00016]. Etant donné que seule la source primaire se déplace dans le champ, les pertes de la liaison sont plus faibles qu'avec une source primaire utilisant un câble coaxial, et la tenue en puissance est améliorée. [00017]. Le coupleur mobile selon l'invention permet de réaliser un couplage total de l'énergie entre un guide d'onde et la ligne à micro-ruban, l'énergie hyperfréquence d'émission et de réception par l'antenne circulant à l'intérieur du guide d'onde étant entièrement prélevée ou transmise quelle que soit la position de l'antenne le long du rail. [00018]. Le coupleur selon l'invention présente donc un taux d'atténuation de OdB. Toutefois, l'invention permet également de réaliser toute autre valeur de couplage souhaitée. [00019]. L'invention concerne donc un coupleur pour antenne à lentille de Luneberg, caractérisé en ce qu'il comporte : - un guide d'onde comprenant une fente longitudinale ménagée sur au moins une partie de la longueur dudit guide d'onde, - un chariot apte à se déplacer le long du guide d'onde formant un rail pour ledit chariot, ce chariot étant destiné à déplacer une source primaire de l'antenne, et - un circuit imprimé porté par le chariot comportant des pistes électriques gravées sur le substrat du circuit imprimé, ces pistes étant positionnées en regard d'au moins un plan métallique du chariot assurant un rôle de plan masse, de manière que le chariot et le circuit imprimé forment une ligne imprimée destinée à être connectée à la source primaire, - les pistes métalliques du circuit imprimé pénétrant à l'intérieur du guide d'onde par la fente pour former des plongeurs de couplage entre le guide d'onde et la ligne imprimée. [00020]. Selon une réalisation, le chariot comporte deux plans métalliques parallèles l'un par rapport à l'autre assurant le rôle de plans masses, le circuit imprimé étant positionné entre ces deux plans métalliques, de sorte que le chariot et le circuit imprimé forment une ligne de type triplaque. [00021]. Selon une réalisation, les plongeurs de couplage sont formés par des pistes métalliques orientées transversalement par rapport à la direction d'extension du guide d'onde. [00022]. Selon une réalisation, le circuit imprimé comprend des pistes métalliques orientées longitudinalement par rapport à la direction d'extension du guide d'onde reliant les pistes transversales entre elles. [00023]. Selon une réalisation, le chariot comporte des pièges quart d'onde formés par des tronçons de ligne à air terminés par une haute impédance, ces pièges quart d'onde créant un court-circuit à la jonction entre le plan masse et le guide d'onde au niveau de la fente. [00024]. Selon une réalisation, le guide d'onde présente une forme d'arc de cercle. [00025]. Selon une réalisation, le guide d'onde est mobile en rotation autour d'un axe passant par ses extrémités. [00026]. Selon une réalisation, le guide d'onde présente une forme linéaire. [00027]. Selon une réalisation, le chariot comprend des dispositifs mécaniques de guidage de type roulements ou roulettes pour assurer le 25 déplacement du chariot par rapport au guide d'onde. [00028]. Selon une réalisation, le guide d'onde a une paroi métallique, ce guide d'onde étant rempli de diélectrique à faibles pertes de type teflon. [00029]. Selon une réalisation, le guide d'onde présente une section rectangulaire. [00030]. Selon une réalisation, les extrémités du guide d'onde sont destinées à être reliées chacune à un connecteur coaxial. [00031]. L'invention concerne en outre une antenne à lentille de Luneberg équipée d'un coupleur selon l'invention. [00032]. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. Elles montrent : [00033]. Figures la et 1 b (déjà décrites) : des représentations schématiques respectivement d'une antenne à lentille de Luneberg selon l'état de la technique et d'un rail linéaire selon l'état de la technique ; [00034]. Figure 2: une vue en perspective du coupleur mobile selon l'invention ; [00035]. Figure 3 : une vue de côté du coupleur mobile selon l'invention ; [00036]. Figure 4 : une vue en coupe selon l'axe A-A de la figure 3 du coupleur mobile selon l'invention ; [00037]. Figures 5: des représentations schématiques de coupleurs de type � branchline � respectivement simple et à multi-sections ; [00038]. Figure 6 : une représentation schématique d'une antenne à lentille de Luneberg selon l'invention munie d'un coupleur mobile selon l'invention. [00039]. Les éléments identiques conservent la même référence d'une figure à l'autre. [00040]. Les figures 2 à 4 montrent un coupleur 10 mobile selon l'invention comportant un guide d'onde 11 ayant une paroi métallique 12, ce guide 11 étant rempli d'un diélectrique 13. Une fente 15 longitudinale est ménagée sur au moins une partie de la longueur du guide d'onde 11. Le guide 11 présente en section une forme rectangulaire (comme représenté sur la figure 3) ou tubulaire. Le guide d'onde 11 fonctionne dans son mode fondamental TE10. [00041]. Le coupleur 10 comporte en outre un chariot 17 apte à se déplacer en translation en coulissant le long du guide d'onde 11. Des dispositifs mécaniques de guidage de type roulements, roulettes ou autres (non représentés) sont de préférence utilisés pour assurer le déplacement du chariot 17 par rapport au guide 11. Toutefois, il est possible d'envisager des réalisations dans lesquelles le chariot 17 glisse le long du guide d'onde 11 sans utiliser de dispositif de guidage. [00042]. Par ailleurs, un circuit imprimé 18 sur lequel sont gravées des pistes 21 électriques est porté par le chariot 17, ce circuit 18 étant positionné entre deux plans métalliques 22.1, 22.2 parallèles du chariot 17, ces deux plans métalliques 22.1, 22.2 jouant le rôle de plan masse. Le circuit imprimé 18 et les plans métalliques 22.1, 22.2 du chariot 17 constituent ainsi une ligne imprimée 23 de type triplaque (ligne stripline en anglais). [00043]. En variante, on supprime un des plans métalliques 22.1, 22.2 et on obtient une microligne à ruban (ligne microstrip en anglais). [00044]. Il est possible d'ajuster aisément la longueur d'onde guidée de la ligne triplaque 23 en fonction de la nature et de l'épaisseur du substrat du circuit imprimé 18 utilisé ainsi que de l'écartement des plans métalliques 22.1, 22.2 l'un par rapport à l'autre. [00045]. De préférence, le guide d'onde 11 est rempli de diélectrique à faibles pertes, par exemple du téflon, afin d'obtenir dans le guide d'onde 11 la même longueur d'onde guidée que dans la ligne triplaque 23. Cette condition permet d'optimiser le fonctionnement du coupleur 10. [00046]. Pour une application en bande X de télécommunications par satellite (fréquences 7.25 à 8.4 GHz), la longueur d'onde en espace libre est de l'ordre de 38 mm. Pour un guide d'onde 11 de section 25 mm par 8 mm rempli de téflon (constante diélectrique E = 2.1) la longueur d'onde guidée est de 30 mm environ. La même longueur d'onde est obtenue dans la ligne triplaque 23 avec un circuit imprimé 18 ayant un substrat standard d'épaisseur 0.4 mm et de constante diélectrique E = 2.2 entre deux plans de masse métalliques 22.1, 22.2 séparés de 1.8 mm. [00047]. En outre, des pistes métalliques 21.1 du circuit imprimé 18 orientées transversalement par rapport à la direction d'extension du guide d'onde 11 pénètrent à l'intérieur du guide d'onde 11 par la fente 15 pour former des plongeurs de couplage entre le guide 11 et la ligne triplaque 23. Lors des déplacements du chariot 17 le long du guide 11, ces plongeurs de couplage coulissent à l'intérieur de la fente 15. La géométrie de ces plongeurs est définie pour obtenir une parfaite transformation entre les deux modes de propagation, comme dans une transition bien connue du type guide d'onde / coaxial. [00048]. Par ailleurs, des pistes métalliques 21.2 orientées longitudinalement par rapport à la direction d'extension du guide d'onde 11 relient les pistes transversales 21.1 entre elles, ces pistes 21.2 constituant les autres bras du coupleur 10. Leur longueur est d'un quart de longueur d'onde guidée, soit 7.5 mm pour l'application bande X. [00049]. Par ailleurs, le coupleur 10 comporte des pièges quart d'onde 26.1 et 26.2 formés par des tronçons de ligne à air terminés par une haute impédance et ramenant un court-circuit à la jonction entre les plans masses 22.1 et 22.2 et le guide d'onde 11 au niveau de la fente 15. Ces pièges 26.1, 26.2 permettent d'établir un contact entre les plans masse 22.1, 22.2 de la ligne triplaque 23 avec la paroi 12 du guide d'onde 11, tout en permettant le déplacement du chariot 17 par rapport au guide d'onde 11. En variante, il est possible de remplacer les pièges 26.1, 26.2 par des connexions électriques entre les plans masses 22.1, 22.2 et la paroi 12. [00050]. Deux sorties 29.1, 29.2 de 50 Ohms de la ligne triplaque 23 correspondant aux accès entourés 3 et 4 sont réalisées par exemple par des connecteurs coaxiaux de type SMA reliés aux pistes 21.2 de la ligne 23. Ces sorties 29.1, 29.2 sont destinées à être reliées à une source primaire 3. [00051]. Par ailleurs, les extrémités 11.1, 11.2 du guide d'onde 11 correspondant aux accès entourés 1 et 2 sont reliées chacun à une sortie coaxiale (non représentée). [00052]. En émission, l'onde entre par l'accès 1 et ressort par l'accès 4 pour alimenter la source 3 ; tandis qu'en réception, l'onde captée par la source 3 entre par l'accès 3 et ressort par l'accès 2, ou inversement. [00053]. Les impédances caractéristiques du coupleur 10 selon l'invention sont calculées de la même manière que pour un coupleur classique. [00054]. Suivant l'application visée, le guide d'onde 11 peut présenter une forme linéaire ou en arc de cercle. [00055]. L'invention permet ainsi la réalisation d'un coupleur de type "branch line" entre le guide d'onde 11 et la ligne triplaque 23 bien que les longueurs d'onde et les modes de propagation soient différents. On rappelle que les coupleurs de type � branch line � sont des coupleurs directionnels, généralement utilisés pour une répartition à 3dB de l'énergie, avec une différence de phase de 90° entre la voie dite "directe" et la voie dite "couplée". [00056]. Comme montré sur les figures 5, le coupleur 10 possède quatre ports entourés numérotés 1 à 4. Ces quatre ports sont adaptés de sorte que S11=S22=S33=S44=0. Pour une entrée au port 1 on a les coefficients de transmission suivants: [00057]. IS21 I = V1- C2 IS41 I = C S31 = 0 [00058]. Le coefficient de couplage C est fonction des différentes impédances caractéristiques des lignes constituant le coupleur. Pour un coupleur simple représenté sur la figure 5a, des coefficients de couplage de -3dB à -20dB sont habituellement réalisables. Le coupleur multi-section représenté sur la figure 5b permet d'augmenter la largeur de bande et le couplage maximum, il est alors possible d'obtenir un couplage de 0dB (C=1). [00059]. La longueur des lignes a est voisine d'un quart de la longueur d'onde à la fréquence centrale. [00060]. Dans sa version la plus simple, le coupleur 0dB est obtenu par la mise en cascade de deux coupleurs 3dB, on a alors IS41 I = 1 et tous les autres coefficients sont nuls. La puissance qui entre sur le port 1 ressort intégralement sur le port 4. [00061]. La figure 6 montre une antenne 1' à lentille de Luneberg selon l'invention munie d'un coupleur 10 selon l'invention permettant de supprimer les câbles 4 de la figure 1, cette antenne 1' étant positionnée dans un repère de coordonnées X, Y et Z. [00062]. Plus précisément, cette antenne 1' comporte une lentille 2 en forme de demi-sphère positionnée sur un plan réflecteur 33 métallique s'étendant dans le plan XY. Une source primaire 3 à faible directivité de type cornet par exemple est installée sur le chariot 17 apte à se déplacer en translation le long du guide d'onde 11 en forme d'arc de cercle. [00063]. En outre, ce guide d'onde 11 est apte à tourner suivant la flèche 9 autour d'un axe Y passant par les extrémités du guide d'onde 11, de sorte que la source 3 peut se déplacer sur toute la surface de la demi-sphère 2. [00064]. Les accès en émission et en réception sont disponibles aux deux extrémités 11.1, 11.2 du guide 11 au voisinage de l'axe de rotation Y. [00065]. Ces accès peuvent être raccordés en partie fixe par l'intermédiaire de deux joints tournants coaxiaux mono voie (composant très simple et disponible) situés sur l'axe Y, ou alors de manière encore plus simple par deux câbles coaxiaux souples de faible longueur permettant la rotation du guide d'onde 11 autour de l'axe Y. [00066]. L'antenne 1' selon l'invention réalisée pour une application de communications par satellite en bande X sur un véhicule terrestre tout terrain en mouvement est constituée d'une lentille 2 de Luneberg hémisphérique de diamètre 440 mm. Le guide d'onde 11 est un guide rectangulaire fendu de 25mm x 8 mm rempli de téflon, son rayon de courbure étant de 280 mm environ. L'ensemble est protégé par un radôme hémisphérique de diamètre 650 mm et de hauteur 325 mm environ. [00067]. En variante, on utilise une lentille 2 sphérique et on supprime le plan réflecteur 33. REVENDICATIONS1. Coupleur (10) pour antenne (1') à lentille de Luneberg, caractérisé en ce qu'il comporte : - un guide d'onde (11) comprenant une fente (15) longitudinale ménagée sur au moins une partie de la longueur dudit guide d'onde (11), - un chariot (17) apte à se déplacer le long du guide d'onde (11) formant un rail pour ledit chariot (17), ce chariot (17) étant destiné à déplacer une source (3) primaire de l'antenne, et - un circuit imprimé (18) porté par le chariot (17) comportant des pistes (21) électriques gravées sur le substrat du circuit imprimé (18), ces pistes (21) étant positionnées en regard d'au moins un plan métallique (22.1, 22.2) du chariot (17) assurant un rôle de plan masse, de manière que le chariot (17) et le circuit imprimé (18) forment une ligne imprimée (23) destinée à être connectée à la source (3) primaire, - les pistes métalliques (21) du circuit imprimé (18) pénétrant à l'intérieur du guide d'onde (11) par la fente (15) pour former des plongeurs de couplage entre le guide d'onde (11) et la ligne imprimée (23). 2. Coupleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chariot (17) comporte deux plans (22.1, 22.2) métalliques parallèles l'un par rapport à l'autre assurant le rôle de plans masses, le circuit imprimé (18) étant positionné entre ces deux plans (22.1, 22.2) métalliques, de sorte que le chariot (17) et le circuit imprimé (18) forment une ligne de type triplaque. 3. Coupleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les plongeurs de couplage sont formés par des pistes métalliques (21.1) orientées transversalement par rapport à la direction d'extension du guide d'onde (11). 4. Coupleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit imprimé (18) comprend des pistes métalliques (21.2) orientées longitudinalement par rapport à la direction d'extension du guide d'onde (11) reliant les pistes transversales (21.1) entre elles. 35 5. Coupleur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le chariot (18) comporte des pièges quart d'onde (26.1, 26.2) formés par des tronçons de ligne à air terminés par une haute impédance, ces pièges quart d'onde (26.1, 26.2) créant un court-circuit à la jonction entre le plan masse (22.1, 22.2) et le guide d'onde (11) au niveau de la fente (15). 6. Coupleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le guide d'onde (11) présente une forme d'arc de cercle. 7. Coupleur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le guide d'onde (11) est mobile en rotation autour d'un axe (Y) passant par ses extrémités. 8. Coupleur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le guide d'onde (11) présente une forme linéaire. 9. Coupleur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le chariot comprend des dispositifs mécaniques de guidage de type roulements ou roulettes pour assurer le déplacement du chariot (17) par rapport au guide d'onde (11). 10. Coupleur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le guide d'onde (11) a une paroi métallique (12), ce guide d'onde (11) étant rempli de diélectrique à faibles pertes de type teflon. 11. Coupleur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le guide d'onde (11) présente une section rectangulaire. 12. Coupleur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce 30 que les extrémités du guide d'onde (11) sont destinées à être reliées chacune à un connecteur coaxial. 13. Antenne à lentille de Luneberg équipée d'un coupleur défini selon l'une des revendications 1 à 12. 35