Brevet FR2952240A1 — publié le 20110506

ANTENNE A RÉSONATEUR DIÉLECTRIQUE A DOUBLE POLARISATION DESCRIPTION Domaine technique et art antérieur L'invention concerne une antenne à résonateur diélectrique à double polarisation. L'invention concerne également un antenne réseau constituée d'antennes élémentaires disposées sous la forme de N lignes et M colonnes, chaque antenne élémentaire de l'antenne réseau étant une antenne à résonateur diélectrique à double polarisation selon l'invention. Un domaine d'application de l'antenne de l'invention est d'émettre/recevoir des signaux à partir d'un satellite vers des plateformes mobiles telles que, par exemple, des avions, des trains, des bateaux, etc. L'antenne de l'invention est destinée à être utilisée dans les antennes réseau à commande de phase. Les antennes réseau à commande de phase utilisent le principe du balayage semi-électronique dans lequel une petite fraction de la variation angulaire de l'onde émise est effectuée par balayage électronique, le reste de la variation étant effectuée par des moyens mécaniques. Une limitation du balayage est due à la géométrie du motif de l'élément rayonnant. Des antennes réseau à commande de phase ont été développées qui utilisent des antennes planaires microruban à dipôles imprimés. Le gain d'une antenne planaire microruban à dipôles imprimés diminue quand l'angle de balayage dévie de la direction perpendiculaire à l'axe des dipôles. Il en résulte une diminution de la puissance isotrope rayonnée équivalente pour des angles de balayage importants. Des dispositifs mécaniques sont alors conçus pour incliner la structure de l'antenne. De plus, les antennes microruban sont par nature à faible bande passante du fait du facteur Q très élevé des résonateurs. Ceci est également un autre inconvénient. L'antenne à résonateur diélectrique à double polarisation de l'invention ne présente pas les inconvénients mentionnés ci-dessus. De fait, l'antenne de l'invention présente une largeur de bande qui répond avantageusement aux inconvénients mentionnés ci-dessus. Exposé de l'invention En effet, l'invention concerne une antenne à double polarisation qui comprend : un substrat microruban ayant une première face recouverte d'une métallisation et une deuxième face, opposée à la première face, recouverte de deux lignes microruban ayant des axes sensiblement perpendiculaires l'un à l'autre, une gravure étant pratiquée dans la métallisation ; un résonateur diélectrique ayant une forme de cylindre de révolution fixé, de façon sensiblement centrée, sur la gravure pratiquée dans le substrat, l'axe d'une première des deux lignes et l'axe de la deuxième ligne ayant un point d'intersection sur l'axe du cylindre de révolution, une première extrémité de la première ligne formant un premier port de l'antenne et une première extrémité de la deuxième ligne formant un deuxième port de l'antenne ; et - un élément linéaire électriquement conducteur ayant un axe sensiblement parallèle à l'axe de révolution du cylindre de révolution, l'élément linéaire électriquement conducteur étant placé au contact du résonateur diélectrique et étant électriquement relié à une deuxième extrémité de la première ligne, via un trou formé dans le substrat, du côté de la première face, une deuxième extrémité de la deuxième ligne étant sensiblement à la verticale de la gravure et la longueur de la deuxième ligne étant sensiblement égale au quart de la longueur de l'onde d'une onde dont la fréquence est la fréquence centrale d'une bande d'utilisation de l'antenne. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel fait en référence aux figures jointes, parmi lesquelles : - La figure 1 représente une vue en perspective d'une antenne à résonateur diélectrique selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 représente une vue de dessous de l'antenne à résonateur diélectrique selon le premier mode de réalisation de l'invention ; - les figure 3A, 3B, 3C représentent, respectivement, une vue de dessus (figure 3A) et deux vues latérales (figures 3B et 3C) de l'antenne à résonateur diélectrique selon le premier mode de réalisation de l'invention ; - les figures 4A et 4B illustrent les paramètres en réflexion et en transmission, communément appelés paramètres S, d'une antenne selon l'invention qui travaille, respectivement, en émission et en réflexion ; - les figures 5A et 5B représentent, respectivement, la répartition du signal émis dans le plan E et dans le plan H d'une antenne selon l'invention quand un premier port de l'antenne est excité ; - les figures 6A et 6B représentent, respectivement, la répartition du signal émis dans le plan E et dans le plan H, quand un deuxième port de l'antenne est excité ; - la figure 7 représente une vue en perspective d'une antenne à résonateur diélectrique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 8 représente une vue de dessus d'une antenne à résonateur diélectrique selon le deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 9 représente les paramètres S en réflexion d'une antenne selon le deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 10 représente un exemple d'antenne réseau de l'invention. Sur toutes les figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments.30 Exposé détaillé de modes de réalisation particuliers de l'invention La figure 1 représente une vue en perspective d'une antenne à résonateur diélectrique selon une première variante d'un premier mode de réalisation de l'invention et la figure 2 représente une vue de dessous de l'antenne représentée en figure 1. L'antenne comprend un substrat diélectrique 1, un résonateur diélectrique 2 ayant la forme d'un cylindre de révolution et une tige électriquement conductrice 3 de très faible diamètre. Le résonateur diélectrique 2 est fixé sur le substrat 1, par exemple par collage. La face du substrat 1 sur laquelle le résonateur diélectrique est fixée est entièrement recouverte d'une couche de métallisation M, à l'exception d'une zone gravée en forme de H. Le résonateur diélectrique 2 fixé sur le substrat 1 recouvre la zone gravée dépourvue de métallisation de façon sensiblement centrée, c'est-à-dire de façon que le centre de la zone gravée soit placé sensiblement en regard du centre de la face du résonateur diélectrique qui est fixée sur le substrat. La face du substrat qui est opposée à la face sur laquelle le résonateur diélectrique est fixé n'est recouverte d'aucun matériau particulier, à l'exception de deux lignes conductrices L1, L2 dont les axes sont perpendiculaires et se croisent en un point situé sur l'axe du cylindre que forme le résonateur diélectrique. La barre horizontale du H est sensiblement alignée avec l'axe de la ligne L1. Une première extrémité de la ligne L1 constitue un premier port P1 de l'antenne et une première extrémité de la ligne L2 constitue un deuxième port P2 de l'antenne. La ligne L2 a une deuxième extrémité en circuit ouvert et sa longueur est sensiblement égale au quart de la longueur de l'onde d'une onde dont la fréquence est la fréquence centrale de la bande d'utilisation de l'antenne. Une ouverture 5 est pratiquée, dans le substrat 1, du côté de la face recouverte de la métallisation M et la tige électriquement conductrice 3 est placée dans l'ouverture 5 de façon qu'une première de ses extrémités soit mise en contact électrique, par exemple par soudure, avec une deuxième extrémité de la ligne L1. De façon préférentielle, l'ouverture 5 est pratiquée dans le substrat 1 de telle sorte que, une fois la tige 3 et le résonateur 2 fixés, la tige 3 et le résonateur 2 soient en contact l'un avec l'autre. La tige électriquement conductrice 3 est, par exemple, réalisée en cuivre, en or, etc. Le substrat diélectrique 1 est, par exemple, matériau ROGER 4003 C de constante diélectrique relative égale à 3,38. D'autres matériaux peuvent également être utilisés, tels que, par exemple, l'alumine, le nitrure d'aluminium, la céramique cofrittée à basse température, etc. L'épaisseur du substrat 1 est, par exemple, égale à 0,813mm. Le résonateur diélectrique 2 est réalisé, par exemple, en nitrure d'aluminium AIN. Les figures 3A, 3B, 3C représentent, respectivement, une vue de dessus (figure 3A) et deux vues latérales (figures 3B et 3C) de l'antenne à résonateur diélectrique selon le premier mode de réalisation de l'invention. Les figures 3A, 3B, 3C illustrent la géométrie de l'antenne en référence aux dimensions des différents éléments qui la constituent. Des valeurs numériques de ces dimensions sont précisées, à titre d'exemple, dans les deux tableaux ci-dessous pour, d'une part, un fonctionnement en réception (bande de fréquences 10,7GHz - 12,75GHz ; voir tableau 1) et, d'autre part, un fonctionnement en émission (bande de fréquences 14GHz - 14,5GHz ; voir tableau 2). Pour les valeurs données dans les tableaux 1 et 2 ci-dessous, le substrat est fait dans le matériau diélectrique de constante diélectrique relative égale à 3,38 mentionné ci-dessus et le résonateur diélectrique est en nitrure d'aluminium (AIN) de constante diélectrique relative égale à 8. Toutes les dimensions sont données en millimètres. Il vient . - A et B sont les dimensions des côtés du substrat 1 ; - C est la longueur de la ligne L2; - D est la longueur des deux barres verticales du H ; - E est la distance entre les deux barres verticales du H ; - F est la largeur de chacune des barres verticales du H ; - G est la largeur de la barre horizontale du H ; - H est la longueur de la deuxième ligne L1 ; - I est l'épaisseur du substrat 1 ; - J est la hauteur de la tige conductrice 3 prise à partir de la face du substrat 1 où sont gravées les lignes L1 et L2 ; - K est le diamètre de la tige 3 ; - L est la largeur des ligne L1 et L2 ; - M est le diamètre du résonateur diélectrique 2 ; - N est la hauteur du résonateur diélectrique 2 ; - a) est le diamètre de l'ouverture dans laquelle est placée la tige 3. 15 20 A 50 B 50 C 28 D 2, 4 E 2 F 0, 5 G 0, 9 H 22, 1 I 0,813 J 5 K 0,2 L 1 M 6 N 8, 7 a) 1 Tableau 1 A 50 B 50 C 29 D 2, 4 E 2 F 0, 5 G 0, 9 H 22, 5 I 0,813 J 5 K 0,2 L 1 M 5, 2 N 7, 7 a) 1 Tableau 2 Les lignes L1 et L2 sont respectivement reliées aux ports P1 et P2 de l'antenne. Une première extrémité de la ligne L1 constitue ainsi le port P1 de 25 l'antenne et une première extrémité de la ligne L2 constitue le port P2. Les lignes L1 et L2 sont perpendiculaires l'une à l'autre pour obtenir les deux polarisations linéaires verticale et horizontale. En émission, au moins l'un des deux ports P1, P2 est 30 excité par un signal d'émission selon la ou les polarisations qu'il est souhaité d'émettre. En réception, les signaux reçus sur les ports P1 et P2 sont transmis aux circuits de traitement. Selon une première variante du premier mode de réalisation de l'invention, la ligne L1 relie le port P1 à un élément d'excitation 3 qui a la forme d'une tige électriquement conductrice. Selon une deuxième variante du premier mode de réalisation de l'invention, le port P1 est relié à un élément d'excitation qui est une ligne conductrice verticale imprimée sur le résonateur diélectrique 2. Une liaison entre la ligne L1 et la ligne conductrice imprimée sur le résonateur diélectrique est alors réalisée par un fil conducteur dont un premier côté est soudé à la ligne L1 et un deuxième côté soudé à la ligne imprimée sur le résonateur diélectrique. Les figures 4A et 4B représentent, respectivement, les paramètres S d'une antenne conçue pour la réception et les paramètres S d'une antenne conçue pour l'émission selon la première variante du premier mode de réalisation de l'invention. Les courbes C1a, C2a et C3a de la figure 4A représentent, respectivement, en fonction de la fréquence et exprimé en décibels, le coefficient de réflexion S11a du port P1, le coefficient de réflexion S22a du port P2 et le coefficient de transmission S21a du port P1 vers le port P2 de l'antenne de réception. Les courbes C1b, C2b et C3b sur la figure 4B représentent, respectivement, en fonction de la fréquence et exprimé en décibels, le coefficient de réflexion S11b du port P1, le coefficient de réflexion S22b du port P2 et le coefficient de transmission S21b du port P1 vers le port P2 de l'antenne d'émission. La bande de réception est comprise entre 10,7GHZ et 12,75GHz et la bande d'émission entre 14GHz et 14,5GHz. Pour l'antenne de réception, il apparaît que le coefficient S11a est inférieur à -10dB, le coefficient S22a inférieur à -16dB et le coefficient S21a inférieur à -42dB. Pour l'antenne d'émission, il apparaît que le coefficient de réflexion Sllb est compris entre -14dB et -20dB, le coefficient de réflexion S22b entre -22dB et -18dB et le coefficient de transmission S21b inférieur à -40dB. L'homme du métier peut constater la qualité des résultats obtenus. Les figures 5A et 5B représentent, respectivement, exprimée en décibels, la répartition du signal émis dans le plan E et dans le plan H d'une antenne d'émission selon l'invention quand le port P1 de l'antenne est excité et les figures 6A et 6B représentent, respectivement, exprimée en décibels, la répartition du signal émis dans le plan E et dans le plan H d'une antenne d'émission selon l'invention quand le port P2 de l'antenne est excité. Comme cela est connu de l'homme de l'art, le plan E et le plan H sont respectivement le plan contenant le vecteur champ électrique et la direction de rayonnement maximal et le plan contenant le vecteur champ magnétique et la direction de rayonnement maximal. Il apparaît que l'antenne émet une onde ayant un rayonnement à large ouverture angulaire sur les deux ports P1, P2. L'ouverture angulaire peut encore être améliorée au niveau de l'antenne à balayage par rotation séquentielle. La différence de gain qui existe entre les deux ports est prise en compte pour générer l'état de polarisation de l'onde qui est émise. Les figures 7 et 8 représentent, respectivement, une vue en perspective et une vue de dessus d'une antenne à résonateur diélectrique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, le substrat 1 est en céramique cofrittée à basse température, également appelé matériau céramique LTCC (LTCC pour « Low Temperature Co-fired Ceramic »), par exemple le Ferro A6M, et l'ouverture 4 gravée dans le plan de masse est de forme rectangulaire. Tous les autres éléments de l'antenne sont identiques à ceux du premier mode de réalisation de l'invention. L'axe de symétrie du rectangle qui est parallèle au grand côté du rectangle est aligné selon l'axe de la ligne L1. Le grand côté du rectangle est, par exemple, sensiblement égal aux deux tiers du diamètre du résonateur diélectrique et le petit côté du rectangle, par exemple, à la moitié de la largeur des lignes L1 et L2. La figure 9 représente les paramètres d'une antenne de réception selon le deuxième mode de réalisation de l'invention. Les courbes C1c, C2c et C3c de la figure 9 représentent, respectivement, en fonction de la fréquence et exprimé en décibels, le coefficient de réflexion S11c du port P1, le coefficient de réflexion S22c du port P2 et le coefficient de transmission S21c du port P1 vers le port P2 de l'antenne de réception. Il apparaît que, dans la bande de réception, les coefficients de réflexion S11c et S22c sont inférieurs, voire très inférieurs, à -10dB et que l'isolation entre les ports P1 et P2 est très largement inférieure à -40dB. La figure 10 représente un exemple d'antenne réseau de l'invention. L'antenne réseau est constituée d'une matrice de 9 x 9 antennes élémentaires à résonateur diélectrique et à double polarisation conformes à l'invention. Les 9 x 9 antennes élémentaires partagent le même substrat diélectrique 1 et sont montées sur un même support S. Les ports P1 et P2 de chaque antenne élémentaire sont respectivement reliés à des connecteurs électriques K1 et K2 positionnés sur un même côté de l'antenne réseau. REVENDICATIONS1. Antenne à double polarisation comprenant : un substrat microruban (1) ayant une première face recouverte d'une métallisation (M) et une deuxième face, opposée à la première face, recouverte de deux lignes microruban (L1, L2) ayant des axes sensiblement perpendiculaires l'un à l'autre, une gravure (4) étant pratiquée dans la métallisation (M) ; un résonateur diélectrique (2) ayant la forme d'un cylindre de révolution fixé, de façon sensiblement centrée, sur la gravure (4) pratiquée dans le substrat, l'axe d'une première des deux lignes (L1) et l'axe de la deuxième ligne (L2) ayant un point d'intersection sur l'axe du cylindre de révolution, une première extrémité de la première ligne formant un premier port de l'antenne et une première extrémité de la deuxième ligne formant un deuxième port de l'antenne ; et un élément linéaire électriquement conducteur (3) ayant un axe sensiblement parallèle à l'axe de révolution du cylindre, l'élément linéaire électriquement conducteur étant placé au contact du résonateur diélectrique et étant électriquement relié à une deuxième extrémité de la première ligne (L1), via un trou (5) formé dans le substrat (1), du côté de la première face, une deuxième extrémité de la deuxième ligne (L2) étant sensiblement à la verticale de la gravure et la longueur de ladeuxième ligne (L2) étant sensiblement égale au quart de la longueur d'une onde dont la fréquence est la fréquence centrale d'une bande d'utilisation de l'antenne. 2. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle la gravure (4) a une forme de « H », la barre horizontale du « H » étant sensiblement alignée avec l'axe de la première ligne (L1). 10 3. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle le substrat (1) est en matériau céramique LTCC et la gravure (4) a une forme de rectangle ayant un grand côté et un petit côté, l'axe de symétrie du 15 rectangle qui est parallèle au grand côté étant sensiblement aligné avec l'axe de la première ligne (L1) . 4. Antenne selon l'une quelconque des 20 revendications précédentes, dans laquelle l'élément linéaire électriquement conducteur (3) est une tige métallique soudée à la deuxième extrémité de la première ligne (L1) . 25 5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle l'élément linéaire électriquement conducteur (3) est constitué d'un élément métallique électriquement relié à la deuxième extrémité de la première ligne et d'une métallisation 30 imprimée sur le résonateur diélectrique, l'élément5métallique étant mis en contact électrique avec la métallisation imprimée sur le résonateur diélectrique. 6. Antenne réseau constituée d'antennes élémentaires disposées sous la forme de N lignes et M colonnes, caractérisée en ce que chaque antenne élémentaire de l'antenne réseau est une antenne à résonateur diélectrique à double polarisation conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, les premiers ports des antennes élémentaires étant reliés à un même premier connecteur électrique et les deuxièmes ports des antennes élémentaires étant reliés à un même deuxième connecteur électrique.