Brevet FR3064408A1 — publié le 20180928

Antenne électromagnétique La présente invention concerne une antenne électromagnétique du type comportant une première partie rayonnante à guide d'onde électromagnétique de forme géométrique prédéterminée. L'invention se situe dans le domaine des antennes électromagnétiques partiellement actives ou passives, utilisées dans le domaine des radars ou des radiocommunications. De manière connue, pour les antennes partiellement actives ou passives, comme les antennes à amplification répartie, se produisent des pertes électriques liées à la distribution de la puissance du signal qui nuisent au rendement de l'antenne. En particulier, la puissance rayonnée et/ou la sensibilité de l'antenne à la réception se trouvent diminuées. Par conséquent, un système utilisateur de telles antennes, par exemple un radar, aura une portée limitée. De plus, outre les limitations dues aux pertes électriques, il est également utile d'intégrer aux antennes un ou plusieurs circuits actifs, par exemple amplificateurs ou déphaseurs, pour un traitement du signal émis ou reçu par une telle antenne, pour obtenir une antenne active plus compacte. On connaît des antennes dites à fentes, comportant une partie de rayonnement constituée d'un guide d'onde comportant des fentes rayonnantes. De telles antennes offrent l'avantage de présenter de faibles pertes électriques, mais ne permettant pas une intégration aisée de circuits actifs. On connaît également des antennes constituées d'un empilement de couches de substrats diélectriques, gravés de pistes métalliques, le couplage entre couches étant obtenu par l'intermédiaire de trous métallisés, appelés également vias, ou par couplage électromagnétique par ouverture ou par proximité. Cependant, de telles antennes à empilement de couches présentent en général des pertes électriques importantes. De plus, dans de nombreuses applications, il est utile d'avoir des antennes qui présentent un encombrement réduit. Il est donc utile de proposer des antennes améliorées, présentant de faibles pertes électriques et un encombrement réduit tout en permettant une connexion aisée à des circuits actifs. A cet effet, l'invention propose une antenne électromagnétique comportant une première partie rayonnante à guide d'ondes électromagnétiques de forme géométrique prédéterminée, formant un premier milieu de propagation électromagnétique et comportant une première paroi de rayonnement comportant une pluralité de fentes 3064408 2 rayonnantes espacées, chaque fente rayonnante s'étendant selon une première direction longitudinale, et une deuxième paroi, opposée à la première paroi de rayonnement. L'antenne comporte une deuxième partie active comprenant un empilement d'au moins deux couches diélectriques, au moins une des couches diélectriques étant gravée 5 d'au moins une piste métallique aboutissant à au moins un circuit actif, formant un deuxième milieu de propagation électromagnétique, au moins une portion de ladite deuxième partie active étant plaquée contre ladite deuxième paroi dans une zone de contact. De plus, l'antenne comporte une fente de couplage située dans ladite zone de contact, la fente de couplage traversant ladite deuxième paroi, ladite fente de couplage 10 s'étendant selon une deuxième direction formant un angle d'orientation non nul avec ladite première direction longitudinale. Avantageusement, l'antenne électromagnétique selon l'invention présente des pertes électriques faibles grâce à une surface rayonnante analogue à la surface rayonnante d'une antenne classique en guide à fentes. De plus, la fente de couplage 15 permet de minimiser l'encombrement, aucun élément de couplage ou de connexion supplémentaire n'étant ajouté. Avantageusement, l'antenne électromagnétique selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prises indépendamment ou en combinaison, selon toutes combinaisons techniquement acceptables. 20 La deuxième partie active comporte une couche métallisée gravée sur une couche diélectrique supérieure de l'empilement, ladite couche métallisée étant plaquée contre la deuxième paroi du guide d'onde, et la fente de couplage est formée de deux parties, une première partie traversant ladite deuxième paroi et une deuxième partie traversant ladite couche métallisée. 25 La deuxième partie active comporte une couche métallisée gravée sur une couche diélectrique supérieure de l'empilement, ladite couche métallisée formant ladite deuxième paroi du guide d'onde. La première paroi de rayonnement présente une pluralité de fentes rayonnantes positionnées selon une grille régulière prédéterminée, et la fente de couplage est située 30 en regard d'une zone sans fente de la première paroi. Le guide d'onde de la première partie rayonnante est un guide d'onde à section rectangulaire, lesdites première paroi et deuxième paroi étant sensiblement parallèles. La fente de couplage est centrée par rapport à la deuxième paroi du guide d'onde. L'angle d'orientation est sensiblement égal à 45 degrés. 35 Le deuxième milieu de propagation a une longueur d'onde associée, et la deuxième partie active comporte une ligne de transmission imprimée entre deux couches 3064408 3 diélectriques empilées, la ligne de transmission comportant une portion de terminaison dont la longueur est fonction de ladite longueur d'onde associée au deuxième milieu de propagation. 5 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est vue schématique éclatée d'une antenne électromagnétique selon un premier mode de réalisation de l'invention ; 10 - la figure 2 est une vue schématique de dessus de l'antenne de la figure 1 ; - la figure 3 est vue schématique d'une antenne électromagnétique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Selon un mode de réalisation une antenne électromagnétique 10 comporte une 15 première partie rayonnante 12 et une deuxième partie active 14 adaptée à être connectée à ou comprenant au moins un circuit actif 50. Par exemple, le circuit actif est un amplificateur ou un déphaseur. La figure 1 représente schématiquement la première partie rayonnante 12 et la deuxième partie active 14, en perspective éclatée. 20 La première partie rayonnante 12 est de type guide d'onde à fentes, comme expliqué plus en détail ci-après. Cette première partie rayonnante de l'antenne constitue un premier milieu de propagation électromagnétique. La deuxième partie active est constituée d'un empilement de couches de substrats diélectriques gravés de pistes métalliques, les liaisons d'une couche à l'autre étant 25 effectuées par l'intermédiaire de trous métallisés, également appelés vias. La partie active de l'antenne constitue un deuxième milieu de propagation électromagnétique. La première partie rayonnante 12 comprend un guide d'onde 16 de forme géométrique prédéterminée, qui est un guide d'onde parallélépipédique, donc à section rectangulaire, dans l'exemple illustré. 30 En variante, un guide d'onde 16 ayant une forme géométrique autre est envisageable, par exemple présentant un décrochement (en anglais `ridge') en vue d'augmenter sa bande de fréquence. Par exemple, le guide d'onde 16 est fait dans un matériau métallique, et présente des parois d'épaisseur donnée, et est rempli d'air, ou rempli complètement ou 35 partiellement d'un premier matériau diélectrique. 3064408 4 Le guide d'onde 16 comprend une première paroi 18, dite paroi de rayonnement, et une deuxième paroi 20, qui est opposée à la première paroi 18. Lorsque le guide d'onde 16 est de forme parallélépipédique, la première paroi 18 et la deuxième paroi 20 sont sensiblement parallèles. 5 Sur la première paroi 18, qui est la paroi de rayonnement, sont pratiquées au moins deux fentes rayonnantes 22. Chaque fente rayonnante 22 est une ouverture ménagée dans l'épaisseur de la première paroi 18, de forme, de taille et d'orientation données, permettant un rayonnement contrôlé des ondes électromagnétiques. 10 De préférence, plusieurs fentes rayonnantes 22 sont positionnées selon une grille régulière, selon les directions X, Y du plan. Les forme, taille, orientation et position des fentes rayonnantes permettent de définir le diagramme de rayonnement de l'antenne. Par exemple la direction X est la direction longitudinale, la direction Y est la direction transversale, et la direction Z est la direction orthogonale au plan (X,Y), de 15 manière à former un repère spatial orthonormé (X,Y,Z). Deux fentes rayonnantes successives selon une direction donnée sont espacées d'une distance prédéterminée. Dans l'exemple, chaque fente rayonnante 22 a une forme de rectangle aux angles arrondis telle que représentée sur la figure 1, s'étendant selon une première direction, qui 20 est la direction longitudinale X. Dans un mode de réalisation, toutes les fentes rayonnantes pratiquées dans la première paroi 18 du guide d'onde ont la même forme géométrique et les mêmes dimensions. En variante, les fentes rayonnantes 22 ont une forme semblable mais des dimensions différentes. 25 La première paroi 18 comporte, entre les fentes, des zones 23 sans fente, également appelées zones non rayonnantes. Le guide d'onde effectue la distribution d'un signal électromagnétique vers les fentes rayonnantes 22. Sur la figure 1, la première partie rayonnante 12 et la deuxième partie active 14 30 ont été représentées séparées pour faciliter l'explication. Dans la pratique, la première partie rayonnante 12 et la deuxième partie active 14 sont plaquées l'une contre l'autre, sans séparation entre ces deux parties. Dans le mode de réalisation de la figure 1, la première partie rayonnante 12 et la deuxième partie active 14 sont alignées longitudinalement et sont plaquées l'une contre 35 l'autre, la face extérieure 20a de la deuxième paroi 20 étant collée à une couche supérieure de la deuxième partie active et formant une zone de contact. 3064408 5 La première partie rayonnante 12 et la deuxième partie active 14 sont couplées par une fente de couplage 30, située dans la zone de contact et qui traverse la deuxième paroi 20 jusqu'à une couche diélectrique supérieure de l'empilement formant la deuxième partie active. Les couches diélectriques de la deuxième partie active sont faites avec un 5 second matériau diélectrique. La fente de couplage 30 s'étend selon une deuxième direction A formant un angle d'orientation non nul, noté a, avec la première direction X. On appelle ici angle d'orientation l'angle aigu formé entre la première direction X et la deuxième direction A. 10 La fente de couplage 30 est placée en regard de la première paroi 18 du guide d'onde 16, au niveau d'une zone sans fente 23, c'est-à-dire située entre deux fentes successives. On entend ici par placement d'un élément en regard d'une zone un positionnement de l'élément sans contact avec la zone considérée, et tel que l'axe de rayonnement 15 électromagnétique de ce dispositif est compris dans ladite zone. Dans un mode de réalisation, la fente de couplage 30 est centrée par rapport à la deuxième paroi 20. L'angle d'orientation non nul a, visible dans une représentation schématique sur la figure 2, est de préférence sensiblement égal à 45°. 20 Lorsque la fente de couplage 30 est placée à une distance égale à un quart de longueur d'onde guidée des fentes rayonnantes 22 selon l'axe longitudinal X, elle ne perturbe pas le rayonnement, et est fonctionnellement analogue à un transformateur vers la deuxième partie active 14. Avantageusement, le guide d'onde 16 est excité par l'intermédiaire de la fente de 25 couplage 30, ce qui permet de réaliser une liaison directe avec les couches diélectriques empilées de la deuxième partie active 14, et de distribuer un signal électromagnétique issu du circuit actif entre un accès de l'antenne et les fentes rayonnantes. Dans le mode de réalisation illustré, la deuxième partie active 14 est un circuit imprimé de type triplaque et comporte deux couches diélectriques empilées, notées 30 respectivement 42, 44. Le blindage destiné à bloquer la propagation de modes électromagnétiques parasites est réalisé par un ensemble de trous métallisés 45 dont un seul est symboliquement représenté à la figure 1. En variante, on utilise un circuit imprimé de type microruban. Chaque couche diélectrique 42, 44 a une face inférieure 42a, 44a et une face 35 supérieure 42b, 44b. 3064408 6 Un segment imprimé 40, formant une ligne de transmission, est imprimé entre les deux couches diélectriques, soit sur la face inférieure de la couche 42, soit sur la face supérieure de la couche 44. Plusieurs modes de réalisation de la fente de couplage sont envisagés, comme 5 détaillé ci-dessous. Dans un premier mode de réalisation, la couche 42 est au moins partiellement recouverte, sur sa face supérieure 42b, d'une couche métallisée 21 formant un premier plan de masse P1. Dans ce premier mode de réalisation, la fente de couplage 30 est réalisée en deux parties, une première partie formée par la fente 30a qui traverse la 10 deuxième paroi métallique 20, et une deuxième partie formée par la fente 30b qui traverse la couche métallisée 21. De préférence, les deux parties 30a et 30b de la fente de couplage 30 sont de même forme et alignées sur tous les bords. Dans un mode de réalisation pratique, les fentes 30a et 30b sont réalisées séparément, la fente de couplage 30 étant réalisée 15 lorsque la première partie rayonnante et la deuxième partie active sont assemblées. Dans un deuxième mode de réalisation, la couche métallisée 21 est remplacée par la deuxième paroi 20 du guide d'onde 16, lorsque celle-ci est en continuité de masse avec la face supérieure 42b de la couche 42. Dans ce cas, le premier plan de masse P1 est formé par la deuxième paroi 20, et le couplage est réalisé par la fente de couplage 30a 20 pratiquée dans la deuxième paroi 20 du guide d'onde. Dans un troisième mode de réalisation, la couche 42 comporte une couche métallisée 21 sur sa face supérieure, et la couche métallisée 21 constitue la deuxième paroi 20 du guide d'onde 16. Dans ce mode de réalisation, la fente de couplage 30 est formée par la fente 30b pratiquée dans la couche métallisée 21. 25 La couche 44 est au moins partiellement recouverte, sur sa face inférieure 44a, d'une couche métallisée 25 formant un deuxième plan de masse P2. Le segment imprimé 40 est connecté à un circuit actif 50, par exemple un amplificateur ou un déphaseur. L'exemple de la figure 1 comprend seulement deux couches de diélectriques 30 empilées, mais bien entendu, il s'agit d'un exemple, tout autre nombre de couches empilées étant envisageable. Le schéma électrique équivalent de type 'circuit' de la fente de couplage inclinée 30 est constitué d'une impédance insérée en série sur une ligne. La ligne de transmission 40 est terminée à son autre extrémité par une portion de 35 terminaison 48 en circuit ouvert, également appelé « stub », dont l'impédance ramenée 3064408 7 au niveau de la fente de couplage permet un couplage total de l'énergie vers le guide rayonnant 16. Afin de ramener un circuit ouvert au niveau de la fente de couplage, la portion de terminaison 48 a une longueur L=L0 + kL/2, avec k nombre entier positif ou nul, L, la 5 longueur d'onde dans le milieu de propagation imprimé et Lo proche de 0. Dans un mode de réalisation, on sélectionne k=1. Dans le mode de réalisation illustré schématiquement à la figure 3, l'antenne électromagnétique comporte également une première partie rayonnante et une deuxième partie active couplées par l'intermédiaire d'une fente de couplage inclinée. 10 A la différence du mode de réalisation de la figure 1, la deuxième partie active est disposée à angle droit par rapport à la direction longitudinale de la première partie rayonnante. Dans le mode de réalisation de la figure 3, lorsque l'antenne est assemblée, la première partie rayonnante et la deuxième partie active sont plaquées l'une contre l'autre 15 sur une portion métallique formant une zone de contact. De manière analogue à ce qui a été décrit ci-dessus pour le mode de réalisation de la figure 1, la portion métallique formant une zone de contact est soit réalisée par collage d'une portion de la deuxième paroi du guide d'onde et d'une portion correspondante d'une couche métallisée supérieure de la deuxième partie active, soit par une portion de la deuxième paroi du 20 guide d'onde seulement, soit par une portion d'une couche métallisée supérieure de la deuxième partie active seulement. La fente de couplage 30 traverse la portion métallique de la zone de contact jusqu'à la couche diélectrique supérieure de la deuxième partie active. De préférence, dans ce mode de réalisation également, la fente de couplage 30 25 est orientée à 45°. Ainsi, lorsqu'une fente de couplage 30 à angle d'orientation de 45° est réalisée, il est possible de réaliser une antenne dans laquelle la première partie rayonnante et la deuxième partie active sont disposées en parallèle ou transversalement, sans avoir à effectuer d'adaptation supplémentaire. 30 Avantageusement, l'antenne électromagnétique selon l'invention comprend une partie rayonnante en guide d'onde présentant des pertes ohmiques réduites, et une partie active compatible avec la mise en place et la mise en oeuvre de circuits actifs. Avantageusement, la mise en oeuvre du couplage entre la première partie rayonnante et la deuxième partie active par une fente de couplage inclinée est plus facile 35 à réaliser que dans le cas où un élément de couplage et de connexion supplémentaire 3064408 8 serait ajouté, l'encombrement total de l'antenne est réduit et les pertes ohmiques sont minimisées. REVENDICATIONS1.- Antenne électromagnétique comportant une première partie rayonnante (12) à guide d'ondes électromagnétiques de forme géométrique prédéterminée, formant un premier milieu de propagation électromagnétique et comportant une première paroi (18) de rayonnement comportant une pluralité de fentes rayonnantes (22) espacées, chaque fente rayonnante (22) s'étendant selon une première direction longitudinale, et une deuxième paroi (20), opposée à la première paroi (18) de rayonnement, caractérisée en ce qu'elle comporte une deuxième partie active (14) comprenant un empilement d'au moins deux couches diélectriques (42, 44), au moins une des couches diélectriques étant gravée d'au moins une piste métallique aboutissant à au moins un circuit actif, formant un deuxième milieu de propagation électromagnétique, au moins une portion de ladite deuxième partie active étant plaquée contre ladite deuxième paroi dans une zone de contact, et en ce qu'elle comporte une fente de couplage (30, 30a, 30b) située dans ladite zone de contact, ladite fente de couplage (30) traversant ladite deuxième paroi (20), ladite fente de couplage (30) s'étendant selon une deuxième direction formant un angle d'orientation (a) non nul avec ladite première direction longitudinale. 2.- Antenne électromagnétique selon la revendication 1, dans laquelle ladite deuxième partie active (14) comporte une couche métallisée (21) gravée sur une couche diélectrique supérieure (42) de l'empilement, ladite couche métallisée (21) étant plaquée contre la deuxième paroi (20) du guide d'onde, et dans laquelle la fente de couplage (30) est formée de deux parties, une première partie (30a) traversant ladite deuxième paroi (20) et une deuxième partie (30b) traversant ladite couche métallisée (21). 3.- Antenne électromagnétique selon la revendication 1, dans laquelle ladite deuxième partie active comporte une couche métallisée (21) gravée sur une couche diélectrique supérieure (42) de l'empilement, ladite couche métallisée (21) formant ladite deuxième paroi du guide d'onde. 4.- Antenne électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle la première paroi (18) de rayonnement présente une pluralité de fentes rayonnantes (22) positionnées selon une grille régulière prédéterminée, et la fente de couplage (30) est située en regard d'une zone (23) sans fente de la première paroi (18). 3064408 10 5.- Antenne électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle le guide d'onde (16) de la première partie rayonnante (12) est un guide d'onde à section rectangulaire, lesdites première paroi (18) et deuxième paroi (20) étant sensiblement parallèles. 5 6.- Antenne électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle ladite fente de couplage (30) est centrée par rapport à la deuxième paroi (18) du guide d'onde. 10 7.- Antenne électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle l'angle d'orientation (a) est sensiblement égal à 45 degrés. 8.- Antenne électromagnétique selon l'une des revendications 1 à 7, dans laquelle le deuxième milieu de propagation a une longueur d'onde associée, et dans laquelle la 15 deuxième partie active (14) comporte une ligne de transmission (40) imprimée entre deux couches diélectriques (42, 44) empilées, la ligne de transmission comportant une portion de terminaison (48) dont la longueur est fonction de ladite longueur d'onde associée au deuxième milieu de propagation. 20