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FR3131105A1 - Antenne élémentaire de type micro-ruban et antenne réseau améliorées - Google Patents

Antenne élémentaire de type micro-ruban et antenne réseau améliorées Download PDF

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Abstract

Antenne élémentaire (1) de type micro-ruban comprenant un empilement de couches, empilées selon une direction , ledit empilement comprenant : un premier élément rayonnant conducteur (P1) en forme de disque présentant un premier centre (C1), un axe selon la direction et passant par ledit premier centre étant appelé axe central (AC) ; un ensemble de couplage adapté pour coupler un dispositif d’excitation et le premier élément rayonnant, ledit ensemble de couplage comprenant :une première fente (F1) comprenant un centre dit centre de fente (CF) situé sur ledit axe centralune deuxième fente (F2) comprenant un centre confondu avec le centre de fente, et sensiblement perpendiculaire à la première fente, la première et la deuxième fentes comprenant chacune des extrémités (E1, E1’, E2, E2’) en arc de cercle selon un même cercle (CL) centré sur ledit centre de fente lesdites fentes et lesdites couches empilées étant adaptées pour qu’un encombrement transverse de ladite antenne élémentaire soit en forme de disque. Figure pour l’abrégé : Fig. 1A

Description

Antenne élémentaire de type micro-ruban et antenne réseau améliorées
La présente invention se rapporte au domaine des antennes électromagnétiques de type réseau et notamment des antennes actives. Elle s’applique notamment aux radars, aux systèmes de guerre électronique (tels que les détecteurs de radar et les brouilleurs de radar) ainsi qu’aux systèmes de communication ou autres systèmes multifonctions.
Une antenne dite réseau comprend une pluralité d’antennes élémentaires pouvant être préférentiellement du type microruban, aussi appelées antennes pavé ou antenne « patch » en terminologie anglo-saxonne. Ces antennes pavées comprennent un empilement de couches de substrats diélectriques pourvus de pistes métalliques, espacées le cas échéant par des matériaux ou des substrats non gravés.
La technologie des antennes élémentaires microruban permet de réaliser des antennes très compactes, en particulier des antennes réseaux à balayage électronique compactes, et plus simples à réaliser et donc moins onéreuses que d’autres types d’antennes (guides d’onde, Vivaldi…).
Une antenne élémentaire microruban comprend classiquement un élément rayonnant placé sur une couche de diélectrique disposé au-dessus d’un plan conducteur servant de masse de sorte à constituer un résonateur. L’antenne élémentaire comprend également un dispositif de répartition de puissance permettant d’exciter l’élément rayonnant à partir d’un signal d’entrée. Le dispositif rayonnant est couplé à son excitation par trou métallisé (appelé via) ou par une fente. Le couplage électromagnétique par fente permet de générer plus aisément une bande de fréquence large. Il permet également d’éviter tout via de liaison entre les éléments rayonnants et l’excitation ce qui simplifie la fabrication de l’antenne élémentaire.
On prévoit classiquement des moyens d’excitation aptes à exciter simultanément le dispositif rayonnant selon deux polarisations linéaires orthogonales. Cela permet de choisir la polarisation la plus adaptée à un environnement donné (en combinant ces 2 polarisations avec une relation amplitude phase appropriée). Un exemple d’une telle antenne est donné dans le brevet FR1873475.
Les antennes réseau forment un réseau d’antennes élémentaires dont le pas est de l’ordre de λFmax/2, où λFmaxest la plus petite longueur d’onde correspondant à la fréquence maximale Fmax de la bande ce qui est une contrainte forte sur les dimensions des antennes élémentaires.
Une telle antenne élémentaire présente un encombrement global de forme carré (ou rectangulaire) tout-à-fait adapté pour une antenne réseau à maillage carré (ou rectangulaire), pour une double polarisation linéaire h et v. La illustre une antenne réseau AR comprenant une pluralité d’antennes élémentaires AE agencées dans un maillage carré. L’obtention de polarisations +45° et -45° avec le même pas de maillage carré (donc pour la même capacité de pointage du faisceau) est impossible, du fait de l’encombrement du patch car cela nécessiterait un recouvrement des antennes élémentaires. La illustre le chevauchement qu’il existerait entre les antennes élémentaires AE d’une antenne réseau AR avec un maillage carré avec le même pas que celui de la , pour deux polarisations +45° et -45°. De même, l’utilisation de cette antenne élémentaire dans un maillage triangulaire visant une capacité de pointage semblable suivant les deux axes principaux est impossible à cause du chevauchement qu’il existerait entre les antennes élémentaires AE (voir ).
En outre, une antenne élémentaire présente typiquement un encombrement d’une demi-longueur d’onde dans le milieu diélectrique équivalent considéré à la fréquence centrale d’utilisation. On parle alors de fonctionnement en mode fondamental TM10 pour une polarisation linéaire donnée.
Toutefois, si cette bande passante est réduite autour de la fréquence centrale d’utilisation, une antenne élémentaire va se retrouver naturellement résonante aux fréquences où son encombrement devient multiple d’une demi-longueur d’onde aux fréquences considérées. L’antenne élémentaire redevient adaptée en impédance et va pouvoir à nouveau rayonner. Ainsi, l’antenne va pouvoir rayonner à la fréquence double de la fréquence centrale d’utilisation, dite harmonique 2 (H2) ou fréquence octave, ou à la fréquence triple, dite harmonique 3 (H3). La répartition des courants et des champs à l’intérieur de l’antenne élémentaire est différente de celles du mode fondamental (mode TM20 pour H2 par exemple), donnant un rayonnement différent (par exemple creux dans l’axe et rayonnement sur les côtés pour H2).
Or ces harmoniques, particulièrement H2, sont générés par les circuits actifs non linéaires des modules des antennes réseaux actives à balayage électronique. Pour des raisons d’allocation de fréquences, ou des raisons de discrétion électromagnétique, ou pour éviter des phénomènes de brouillage, il faut bloquer la possibilité de rayonnement en dehors de la bande d’utilisation de l’antenne. Pour cela il est possible d’inclure du filtrage en sortie des modules actifs, mais cette solution présente les inconvénients de pertes ohmiques, d’implantation et d’encombrement.
L’invention vise à pallier certains problèmes de l’art antérieur. A cet effet, un objet de l’invention est une antenne de type microruban versatile, pouvant être utilisés dans toute antenne réseau destinée à opérer dans une bande de fréquence donnée et dont la double polarisation linéaire est ajustable par orientation des antennes élémentaires (par exemple Horizontale et Verticale, +45° et -45°, ou encore polarisation circulaire gauche et/ou droite). L’antenne élémentaire de l’invention est excitée par l’intermédiaire de fentes afin de les coupler à une ou plusieurs lignes conductrices, sans connexion physique. Avantageusement, l’antenne élémentaire intègre une fonction de filtrage fréquentiel destiné à éliminer des signaux parasites pouvant transiter à l’émission ou à la réception, sans altérer les performances en rayonnement. De plus, l’antenne élémentaire présente une géométrie compatible de toute mise en réseau, donc en particulier compatible d’un maillage rectangulaire ou d’un maillage triangulaire.
A cet effet, un objet de l’invention est Antenne élémentaire (1) de type micro-ruban comprenant un empilement de couches, empilées selon une direction , ledit empilement comprenant :
  • un premier élément rayonnant conducteur en forme de disque présentant un premier centre, un axe selon la direction et passant par ledit premier centre étant appelé axe central ;
  • un dispositif d’excitation couplé au premier élément rayonnant et adapté pour exciter le premier élément rayonnant selon deux polarisations linéaires orthogonales, ledit dispositif d’excitation comprenant :
  • un premier dispositif d’excitation élémentaire couplé au premier élément rayonnant et comprenant une première ligne conductrice et un premier dispositif de répartition de puissance adapté pour d’exciter le premier élément rayonnant à partir d’un premier signal d’entrée ;
  • un deuxième dispositif d’excitation élémentaire couplé au premier élément rayonnant et comprenant une deuxième ligne conductrice et un deuxième dispositif de répartition de puissance adapté pour d’exciter le premier élément rayonnant à partir d’un deuxième signal d’entrée ;
  • un ensemble de couplage adapté pour coupler le dispositif d’excitation et le premier élément rayonnant, ledit ensemble de couplage comprenant :
  • une première fente comprenant un centre dit centre de fente situé sur ledit axe central
  • une deuxième fente comprenant un centre confondu avec le centre de fente, et sensiblement perpendiculaire à la première fente, la première et la deuxième fentes comprenant chacune des extrémités en arc de cercle selon un même cercle centré sur ledit centre de fente
  • lesdites fentes et lesdites couches empilées étant adaptées pour qu’un encombrement transverse de ladite antenne élémentaire soit en forme de disque.
Selon un mode de réalisation, le dispositif d’excitation comprend :
  • un premier (S1) et un deuxième segments de ligne conductrice, coplanaires et reliés à la première ligne conductrice, et non perpendiculaire à la première ligne conductrice, un angle entre le premier segment et la première ligne conductrice étant opposé à un angle entre le deuxième segment et la première ligne conductrice.
  • un troisième et un quatrième segments de ligne conductrice, coplanaires et reliés à la deuxième ligne conductrice, et non perpendiculaire à la deuxième ligne conductrice, un angle entre le troisième segment et la deuxième ligne conductrice étant opposé à un angle entre le quatrième segment et la deuxième ligne conductrice.
Préférentiellement, dans ce mode de réalisation, le premier et le deuxième segments sont parallèles à la première fente et dans laquelle le troisième et le quatrième segments sont parallèles à la deuxième fente. Préférentiellement, un ensemble formé par le premier, le deuxième segments et une portion de la première ligne conductrice reliant le premier segment au deuxième segment, forme la lettre Z, et dans laquelle un ensemble formé par le troisième, le quatrième segments et une portion de la deuxième ligne conductrice reliant le troisième segment au quatrième segment, forme la lettre Z. Préférentiellement, le premier segment est en regard d’un bord de la première fente et le troisième segment est en regard d’un bord de la deuxième fente. Préférentiellement,, les segments de ligne conductrice sont sensiblement de même longueur. Préférentiellement, la longueur des segments de ligne conductrice est environ égale à avec une longueur d’onde correspondant à une fréquence centrale d’une bande passante de ladite antenne élémentaire.
Selon un mode de réalisation, un milieu de ladite première ligne est situé sur ledit axe central, dans laquelle un milieu de ladite deuxième ligne est situé sur ledit axe central, et dans laquelle la première et la deuxième lignes sont perpendiculaire entre elles. Préférentiellement, la première ligne et la deuxième ligne sont formées sur deux faces opposées d’un premier substrat diélectrique.
Selon un mode de réalisation, ledit encombrement transverse est fixé à partir d’un diamètre dudit cercle.
Selon un mode de réalisation, un angle entre la première fente et la première ligne conductrice et un angle entre la deuxième fente et la deuxième ligne conductrice est égal à environ 45°.
Selon un mode de réalisation, les première et deuxième lignes conductrices sont interposées entre le premier élément rayonnant et la première et la deuxième fente, la première et la deuxième fente étant formées à partir d’un plan métallique, formant un plan de masse pour les première et deuxième lignes conductrices et pour le premier élément rayonnant.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend un deuxième élément rayonnant en forme de disque superposé au premier élément rayonnant, et présentant un deuxième centre situé sur ledit axe central.
Un autre objet de l’invention, est une antenne réseau comprenant une pluralité d’antennes élémentaires selon l’invention.
Selon un mode de réalisation, la pluralité d’antennes élémentaires est agencée avec un maillage carré ou rectangulaire.
Selon un mode de réalisation, la pluralité d’antennes élémentaires est agencée avec un maillage triangulaire.
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement :
, une illustration schématique d’une antenne réseau connue de l’art antérieur comprenant une pluralité d’antennes élémentaires agencées dans un maillage carré,
, une illustration schématique d’une antenne réseau avec un maillage carré avec le même pas que celui de la , pour deux polarisations +45° et -45°
, une illustration schématique d’une antenne réseau avec un maillage triangulaire avec le même pas que celui de la
, une vue schématique éclatée d’une antenne élémentaire selon l’invention,
, une vue schématique en coupe de l’antenne élémentaire selon l’invention,
, une vue schématique éclatée d’une antenne élémentaire selon un mode de réalisation de l’invention,
, une vue de dessus et en transparence d’un l’empilement formé par des éléments de l’antenne élémentaire de la ,
], une vue de dessus et en transparence d’un l’empilement formé par des éléments d’un mode de réalisation avantageux de l’antenne élémentaire de l’invention,
, une représentation graphique du paramètre S11 de deux modes de réalisation de l’antenne élémentaire de l’invention comprenant des segments de lignes S1-S4 selon le mode de réalisation de la
, une antenne réseau selon un mode de réalisation de l’invention dans laquelle les antennes élémentaires sont agencées dans un maillage carré,
, une antenne réseau selon un mode de réalisation de l’invention
, une antenne réseau selon un mode de réalisation de l’invention.
Dans les figures, sauf contre-indication, les éléments ne sont pas à l’échelle.
Par deux « éléments parallèles », dans la suite du texte, on entend qu’un angle entre les éléments est compris entre 0° et 10°.

Claims (16)

  1. Antenne élémentaire (1) de type micro-ruban comprenant un empilement de couches, empilées selon une direction , ledit empilement comprenant :
    • un premier élément rayonnant conducteur (P1) en forme de disque présentant un premier centre (C1), un axe selon la direction et passant par ledit premier centre étant appelé axe central (AC) ;
    • un dispositif d’excitation (DE) couplé au premier élément rayonnant et adapté pour exciter le premier élément rayonnant selon deux polarisations linéaires orthogonales (h, v), ledit dispositif d’excitation comprenant :
      • un premier dispositif d’excitation élémentaire couplé au premier élément rayonnant et comprenant une première ligne conductrice (L1) et un premier dispositif de répartition de puissance (DR1) adapté pour d’exciter le premier élément rayonnant à partir d’un premier signal d’entrée ;
      • un deuxième dispositif d’excitation élémentaire couplé au premier élément rayonnant et comprenant une deuxième ligne conductrice (L2) et un deuxième dispositif de répartition de puissance (DR2) adapté pour d’exciter le premier élément rayonnant à partir d’un deuxième signal d’entrée ;
    • un ensemble de couplage adapté pour coupler le dispositif d’excitation et le premier élément rayonnant, ledit ensemble de couplage comprenant :
      • une première fente (F1) comprenant un centre dit centre de fente (CF) situé sur ledit axe central
      • une deuxième fente (F2) comprenant un centre confondu avec le centre de fente, et sensiblement perpendiculaire à la première fente, la première et la deuxième fentes comprenant chacune des extrémités (E1, E1’, E2, E2’) en arc de cercle selon un même cercle (CL) centré sur ledit centre de fente
    lesdites fentes et lesdites couches empilées étant adaptées pour qu’un encombrement transverse de ladite antenne élémentaire soit en forme de disque.
  2. Antenne élémentaire selon la revendication précédente, dans laquelle le dispositif d’excitation comprend :
    • un premier (S1) et un deuxième (S2) segments de ligne conductrice, coplanaires et reliés à la première ligne conductrice, et non perpendiculaire à la première ligne conductrice (L1), un angle entre le premier segment (S1) et la première ligne conductrice étant opposé à un angle entre le deuxième segment (S2) et la première ligne conductrice.
    • un troisième (S3) et un quatrième (S4) segments de ligne conductrice, coplanaires et reliés à la deuxième ligne conductrice, et non perpendiculaire à la deuxième ligne conductrice (L2), un angle entre le troisième segment (S3) et la deuxième ligne conductrice étant opposé à un angle entre le quatrième segment (S4) et la deuxième ligne conductrice..
  3. Antenne élémentaire selon la revendication précédente, dans laquelle le premier et le deuxième segments sont parallèles à la première fente et dans laquelle le troisième et le quatrième segments sont parallèles à la deuxième fente.
  4. Antenne élémentaire selon la revendication précédente, dans laquelle un ensemble formé par le premier, le deuxième segments et une portion de la première ligne conductrice reliant le premier segment au deuxième segment, forme la lettre Z, et dans laquelle un ensemble formé par le troisième, le quatrième segments et une portion de la deuxième ligne conductrice reliant le troisième segment au quatrième segment, forme la lettre Z.
  5. Antenne élémentaire selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle le premier segment est en regard d’un bord de la première fente et le troisième segment est en regard d’un bord de la deuxième fente.
  6. Antenne élémentaire selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, dans laquelle lesdits segments de ligne conductrice sont sensiblement de même longueur.
  7. Antenne élémentaire selon la revendication précédente, dans lequel la longueur des segments de ligne conductrice est environ égale à avec une longueur d’onde correspondant à une fréquence centrale d’une bande passante de ladite antenne élémentaire.
  8. Antenne élémentaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle un milieu de ladite première ligne est situé sur ledit axe central, dans laquelle un milieu de ladite deuxième ligne est situé sur ledit axe central, et dans laquelle la première et la deuxième lignes sont perpendiculaire entre elles.
  9. Antenne élémentaire selon la revendication précédente, dans laquelle la première ligne et la deuxième ligne sont formées sur deux faces opposées d’un premier substrat diélectrique (PI2).
  10. Antenne élémentaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ledit encombrement transverse est fixé à partir d’un diamètre dudit cercle.
  11. Antenne élémentaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un angle entre la première fente et la première ligne conductrice et un angle entre la deuxième fente et la deuxième ligne conductrice est égal à environ 45°.
  12. Antenne élémentaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les première et deuxième lignes conductrices sont interposées entre le premier élément rayonnant (P1) et la première et la deuxième fente, la première et la deuxième fente étant formées à partir d’un plan métallique, formant un plan de masse pour les première et deuxième lignes conductrices et pour le premier élément rayonnant.
  13. Antenne élémentaire selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un deuxième élément rayonnant (P2) en forme de disque superposé au premier élément rayonnant, et présentant un deuxième centre (C2) situé sur ledit axe central.
  14. Antenne réseau comprenant une pluralité d’antennes élémentaires selon l’une quelconques des revendications précédentes.
  15. Antenne réseau selon la revendication précédente, dans laquelle la pluralité d’antennes élémentaires est agencée avec un maillage carré ou rectangulaire.
  16. Antenne réseau selon la revendication 14, dans laquelle la pluralité d’antennes élémentaires est agencée avec un maillage triangulaire.
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