Brevet FR2958086A1 — publié le 20110930

ELEMENT RAYONNANT DE TYPE PAVE DOUBLE MODE A COUVERTURE ANGULAIRE ETENDUE, UTILISABLE EN RESEAU L'invention concerne un élément rayonnant ou une antenne de type pavé double mode à couverture étendue utilisable notamment en réseau, excité par sonde ou trou métallisé dans le cas d'une antenne imprimée à travers le plan de masse. L'antenne pavé selon l'invention fonctionne, par exemple, dans la gamme de fréquence variant de quelques centaines de MHz à quelques 10 dizaines de GHz, de 10MHz à 10Ghz, à titre d'exemple. La dénomination « pavé » (ou encore « pastille » ou « patch » en langue anglaise) est couramment utilisée par l'Homme du métier pour les antennes comprenant un pavé micro-ruban imprimé en surface d'un substrat diélectrique, à une certaine distance d'un plan métallique dit « plan de 15 masse » classiquement gravé sur l'autre face du substrat. Ces antennes sont de faible épaisseur. Le motif imprimé est le plus souvent de forme rectangulaire ou faible elliptique. La conception d'une antenne rayonnant sur une couverture 20 angulaire étendue, en particulier une antenne réseau à balayage électronique, se heurte au fait que les éléments rayonnants constituant ce réseau ont eux-mêmes une couverture angulaire restreinte. Un besoin typique difficilement réalisable est celui d'une antenne réseau à balayage électronique couvrant un hémisphère avec des 25 caractéristiques radioélectriques (gain, lobes) correctes. La figure 1 décrit une antenne de type microstrip illustrée dans la demande française du Demandeur FR 09 01644. L'antenne comprend une seule couche de substrat diélectrique SUB ayant une face sur laquelle est imprimé un pavé de type micro-ruban 30 PMS, et sur l'autre face est imprimé un plan de masse PM. L'antenne présente une couverture angulaire conique CI sur ± 60° autour de son axe AI, et une antenne constituée d'un réseau plan horizontal de tels pavés microstrip permet d'assurer typiquement une couverture en balayage électronique sur ± 01 ± 60° centrée sur le zénith. TR correspond au point d'excitation, dans cet exemple un trou métallisé OM, réalisé au sein du substrat SUB, de façon à amener un courant sur le pavé micro-ruban PMS. La figure 2 schématise une antenne de type monopôle « quart d'onde » au-dessus d'un plan de masse qui présente typiquement une couverture angulaire latérale C2 sur environ 40°, et une antenne constituée d'un réseau plan horizontal de tels monopôles verticaux MV au dessus d'un ~o plan de masse permet d'assurer typiquement une couverture en balayage électronique restreinte sur environ 02 = 40° vers l'horizon. Une antenne de type dipôle incurvé en ou en 'V' présente une couverture angulaire plus étendue, mais avec une réduction de gain d'une part vers le zénith, d'autre part vers l'horizon. 15 Une antenne non plane (cylindrique, sphérique, réalisée à partir de facettes) constituée d'un réseau de pavés microstrip ou de dipôles permet d'assurer une couverture angulaire en balayage électronique plus étendue, au détriment de l'encombrement, et nécessite d«( éteindre » les éléments ne participant pas au rayonnement dans la direction visée, afin de ne pas 20 perturber le diagramme de rayonnement. II est possible d'accoler deux antennes réseaux complémentaires, chacune dédiée à une zone de pointage de faisceau, voire d'envisager une antenne constituée d'un entrelacement d'éléments rayonnants utilisés pour le rayonnement vers le zénith, et d'éléments rayonnants utilisés pour le 25 rayonnement vers l'horizon. Malgré tous les avantages présentés par l'objet de la présente invention, ces derniers présentent notamment les inconvénients suivants : • les éléments rayonnants 'classiques' (pavés, monopôles, dipôles...) ne présentent pas une couverture angulaire suffisante, et ne 30 permettent donc pas en réseau d'obtenir un balayage électronique du faisceau sur une plage angulaire étendue (hémisphère) par exemple, • les éléments rayonnants de type dipôles incurvés présentent une couverture angulaire plus étendue, mais présentent d'une part une chute de gain vers l'horizon et le zénith, et d'autre part présentent en réseau une forte variation de l'impédance avec l'angle de pointage, nécessitant des systèmes complexes d'adaptation d'impédance, • les antennes réseaux non planes présentent un encombrement important, le nombre global de voies est important, et en réseau à balayage électronique, il est nécessaire de gérer l'extinction des sources ne participant pas au rayonnement dans la direction visée, • le concept d'antennes accolées présente un encombrement important, • le concept d'entrelacement d'éléments rayonnants est limité d'une part par les dimensions physiques des paires d'éléments rapportées au maillage nécessaire pour assurer un diagramme sans lobe parasite de périodicité d'autre part par la nécessité de ne pas masquer ou 15 perturber le rayonnement d'un réseau d'éléments par l'autre réseau. L'invention concerne un élément rayonnant de type pavé microstrip comprenant au moins une couche de substrat SUB et un plan de masse PM caractérisé en ce qu'il comporte au moins : 20 • deux modes de rayonnements obtenus par commutation logique d'un premier mode vers un deuxième mode et réciproquement, lesdits modes de rayonnement correspondant à une division de l'hémisphère rayonné en plusieurs zones complémentaires, une première zone étant représentée par un cône CI d'axe sensiblement vertical et une 25 deuxième zone par un cône C2 d'axe sensiblement horizontal, et en ce qu'il comporte au moins • un commutateur logique COM relié à une plaque D, PMS disposée au-dessus du plan de masse PM, • ladite plaque PMS comprenant un premier point d'excitation TRI et un 30 deuxième point d'excitation TR2, le premier point d'excitation TRI étant excentré et relié au commutateur logique COM par une ligne d'alimentation LI, le deuxième point d'excitation TR2 étant centré au niveau de la plaque PM et relié au commutateur par une ligne L2, • ledit commutateur COM comprenant une première position pour laquelle le point d'excitation TR2 est relié à la masse M et le point TRI excentré est relié via un coaxial ou ligne d'alimentation LI à la source S générateur d'hyperfréquences, de longueur ajustée pour réaliser un court-circuit au niveau du point TR2, pour obtenir un rayonnement dans la première zone de rayonnement, • ledit commutateur COM comprenant une deuxième position pour ~o laquelle le point TR2 est mis en liaison au moyen de la ligne L2 à la source génératrice d'hyperfréquence S et le point TRI est mis à la masse via la ligne LI de longueur ajustée pour réaliser un circuit ouvert au niveau du point d'excitation TRI afin d'obtenir un rayonnement dans la deuxième zone de rayonnement 15 complémentaire de la première. Dans la première position du commutateur, l'élément antennaire rayonne en mode pavé microstrip, c'est-à-dire dans une direction verticale et dans un cône d' ouverture +/-60° et dans la deuxième position du commutateur, l'élément antennaire, le rayonnement est horizontal sur une 20 couverture angulaire de l'ordre de 40 à 60°. La plaque PM comporte, par exemple, sur une de ses faces un élément antennaire en cuivre gravé sur le substrat, de forme rectangulaire et/ou de forme faible elliptique. Le pavé est par exemple un pavé de technologie multi-couches. 25 L'élément rayonnant selon l'invention est, par exemple, utilisé dans des réseaux antennaires à balayage électronique, et/ou dans une plage de fréquence variant de 10 MHz à 10 GHz. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon 3o l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif et nullement limitatif annexé des figures qui représentent : • La figure 1 illustre de façon schématique une antenne de type microstrip, • La figure 2, une antenne de type monopôle quart d'onde sur plan de masse, • La figure 3, un exemple d'antenne de type monopôle chargé par une plaque, sur plan de masse, • La figure 4, un exemple d'antenne double mode selon l'invention, • La figure 5, une illustration de l'antenne en fonctionnement suivant le mode pavé microstrip selon l'invention, et • La figure 6, une illustration de l'antenne en fonctionnement suivant le mode monopôle selon l'invention. L'idée de la présente invention repose notamment sur une utilisation spécifique de la géométrie d'un élément rayonnement et donc de son mode de fonctionnement. Ainsi, la solution proposée consiste à modifier par commutation la géométrie de cet élément rayonnant afin de le faire rayonner soit vers le zénith ou soit vers l'horizon. La figure 3 représente un élément rayonnant qui rayonne comme un monopôle. La géométrie de monopôle choisie ici est celle d'un monopôle chargé par une plaque, connu aussi sous l'abréviation anglo-saxonne `toploaded monopole' ou encore `capacitor plate monopole'. Ce concept est connu pour obtenir un fonctionnement sur une hauteur h réduite (en général inférieure à celle du monopôle `quart d'onde' de hauteur À/4, voir figure 2, où À est la longueur d'onde correspondant à la fréquence de travail de l'antenne) et pour optimiser la répartition du courant sur le brin du monopôle. Sur la figure 3 est représenté un exemple de monopôle sur plan de masse, PM chargé par une plaque D en forme de disque dans cet exemple et alimenté par l'âme AM d'un coaxial CO passant au centre de la plaque. Le coaxial passe à travers le trou métallisé TR réalisé au sein du substrat SUB. La plaque peut être de forme circulaire, ou carré ou prendre n'importe quelle forme géométrique permettant d'obtenir un fonctionnement de type monopôle. La plaque peut être une plaque métallique dans le cas où la plage 5 de travail correspond à des fréquences peu élevées. Pour des fonctionnements de l'antenne dans des gammes de fréquences plus élevées, quelques GHz, les éléments rayonnants sont, par exemple, réalisés par gravure sur une plaque ou substrat diélectrique au moyen de Cuivre, l'élément rayonnant pouvant prendre une forme de carré, 10 de disque, etc. La figure 4 schématise l'agencement d'un pavé microstrip-ruban qui, par commutation de transfert détaillée aux figures 5 et 6, va offrir un fonctionnement en mode monopôle ou en mode pavé microstrip, grâce à la présence de la plaque PL et d'un commutateur logique de transfert COM. 15 Pour le fonctionnement en mode pavé microstrip, le centre du pavé correspond à un point d'impédance nulle et peut être connecté à la masse. Dans cette configuration, le substrat comporte un premier trou métallisé OM1 et un deuxième trou métallisé OM2, traversant le substrat SUB et le plan de masse grâce aux orifices OMS et OM2 et reliés, respectivement 20 par un coaxial CO et une âme AM au commutateur logique de transfert COM. L'élément rayonnant comprend deux modes de rayonnements obtenus par commutation logique d'un premier mode vers un deuxième mode et réciproquement, lesdits modes de rayonnement correspondant à 25 une division de l'hémisphère rayonné en plusieurs zones complémentaires, une première zone étant représentée par un cône CI d'axe AI sensiblement vertical et une deuxième zone par un cône C2 d'axe A2 sensiblement horizontal. Les axes correspondent sensiblement aux axes spécifiés aux figures 1 et 2. 30 La figure 5 schématise un état de fonctionnement de l'antenne selon l'invention pour le mode pavé microstrip. Le commutateur COM est relié à une source hyperfréquence S. La position du commutateur logique est telle que le point d'excitation TR2 central à la plaque PMS est relié à la masse M via le trou OM2 et une ligne L2, alors que le point d'excitation TRI excentré est relié via un coaxial ou ligne d'alimentation LI à la source S générateur d'hyperfréquences, de longueur ajustée pour réaliser un court-circuit au niveau du point TR2. Dans cette configuration, l'antenne rayonne en mode pavé microstrip, c'est-à-dire dans une direction verticale et dans un cône de demi ouverture 60°. Pour une attaque à 500, ce point d'excitation est positionné entre le centre du pavé (point d'impédance nulle) et le bord du pavé (impédance la plus élevée). La figure 6 représente le fonctionnement de l'antenne dans un mode de fonctionnement monopôle. Dans ce cas le point d'excitation TR2 est mis en liaison au moyen de la ligne L2 à la source génératrice d'hyperfréquence S et le point TRI est mis à la masse via la ligne L, de longueur ajustée pour réaliser un circuit ouvert au niveau du point d'excitation TRI. Dans ce mode de fonctionnement, le rayonnement est horizontal sur une couverture angulaire de l'ordre de 40 à 60°. Le commutateur logique de transfert COM est relié à un dispositif de commande et de gestion G d'un radar ou d'un système de télécommunications selon l'utilisation souhaitée, qui a notamment pour fonction de commander la position du commutateur permettant ainsi le fonctionnement en mode pavé stripou en mode monopôle. Cette configuration permet d'obtenir, par balayage électronique par exemple, un faisceau plutôt pointé vers le haut, ou encore un balayage vers l'horizon. L'antenne selon l'invention permet à partir de la reconfiguration de l'excitation du pavé de modifier son mode de fonctionnement, et par là, son diagramme de rayonnement, donc la répartition dans l'espace du champ rayonné par l'antenne. Elle se caractérise, par exemple, par l'utilisation d'un seul élément rayonnant pour rayonner soit vers le zénith, soit vers l'horizon L'élément rayonnant conçu selon l'invention peut être utilisé seul ou en réseau. Un tel élément est utilisable en réseau, en particulier à balayage électronique, et permet au faisceau rayonné de balayer l'hémisphère tout en maintenant de bonnes caractéristiques (gain, lobes), l'hémisphère étant décrit en deux sections (vers le zénith, vers l'horizon) caractérisées par un mode de rayonnement distinct des éléments constitutifs. 10 REVENDICATIONS1 û Elément rayonnant de type pavé microstrip comprenant au moins une couche de substrat SUB et un plan de masse PM caractérisé en 5 ce qu'il comporte au moins • deux modes de rayonnements obtenus par commutation logique d'un premier mode vers un deuxième mode et réciproquement, lesdits modes de rayonnement correspondant à une division de l'hémisphère rayonné en plusieurs zones complémentaires, une première zone 10 étant représentée par un cône CI d'axe AI sensiblement vertical et une deuxième zone par un cône C2 d'axe A2 sensiblement horizontal, et en ce qu'il comporte au moins : • un commutateur logique COM relié à une plaque D, PMS disposée au-dessus du plan de masse PM, 15 • ladite plaque PMS comprenant un premier point d'excitation TR1 et un deuxième point d'excitation TR2, le premier point d'excitation TRI étant excentré et relié au commutateur logique COM par une ligne d'alimentation LI, le deuxième point d'excitation TR2 étant centré au niveau de la plaque PM et relié au commutateur par une ligne L2, 20 • ledit commutateur COM comprenant une première position pour laquelle le point d'excitation TR2 est relié à la masse M et le point TR1 excentré est relié via un coaxial ou ligne d'alimentation LI à la source S générateur d'hyperfréquences, de longueur ajustée pour réaliser un court-circuit au niveau du point TR2, pour obtenir un rayonnement 25 dans la première zone de rayonnement, • ledit commutateur COM comprenant une deuxième position pour laquelle le point TR2 est mis en liaison au moyen de la ligne L2 à la source génératrice d'hyperfréquence S et le point TR1 est mis à la masse via la ligne LI de longueur ajustée pour réaliser un circuit 30 ouvert au niveau du point d'excitation TRI afin d'obtenir un rayonnement dans la deuxième zone de rayonnement complémentaire de la première. 2 û Elément rayonnant selon la revendication 1 caractérisé en ce que dans la première position du commutateur, l'élément antennaire rayonne en mode pavé microstrip, c'est-à-dire dans une direction verticale et dans un cône de demi ouverture ± 60°et dans la deuxième position du commutateur, l'élément antennaire, le rayonnement est horizontal sur une couverture angulaire de l'ordre de 40 à 60.° 3 û Elément antennaire selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite plaque PM comporte sur une de ses faces un élément antennaire en cuivre gravé sur le substrat, de forme rectangulaire et/ou de forme faible elliptique. 4 û Elément antennaire selon la revendication 1 caractérisé en ce que le pavé est un pavé multi-couches. 5 û Utilisation de l'élément rayonnant selon l'une des 20 revendications précédentes dans des réseaux antennaires à balayage électronique. 6 û Utilisation de l'élément rayonnant selon la revendication 1 dans une plage de fréquence variant de 10 MHz à 10 GHz. 2515