FR2685130A1

FR2685130A1 - Square chip antenna with two crossed polarisations excited by two orthogonal slots

Info

Publication number: FR2685130A1
Application number: FR9115515A
Authority: FR
Inventors: Beguin Daniel; Dubost Gerard; Dupont Leon
Original assignee: THOMSON APPLIC RADARS CENTRE
Current assignee: THOMSON APPLIC RADARS CENTRE
Priority date: 1991-12-13
Filing date: 1991-12-13
Publication date: 1993-06-18
Anticipated expiration: 2011-12-13
Also published as: FR2685130B1

Abstract

The invention relates to a square chip antenna with two crossed polarisations excited by two orthogonal slots. This antenna comprises a square metal chip (10) on a first substrate (11). Facing it on a second substrate (23) bearing a metallisation (22), two orthogonal coupling slots (20, 21) are etched. The chip is excited through the slots by two coplanar triplate lines (30, 31) which are orthogonal and are arranged at 45@ with respect to the slots. The invention applies especially to UHF array antennae.

Description

ANTENNE PASTILLE CARREE A DEUX POLARISATIONS
CROISEES EXCLli;E PAR DEUX FENTES ORTHOGONALES
La présente invention se rapporte à une antenne pastille carrée à deux polarisations croisées du type comprenant une pastille carrée ("patch" dans la littérature anglo-saxonne), un plan de masse comportant deux fentes symétriques croisées orthogonalement disposées face à ladite pastille et des moyens d'excitation de la pastille à travers les fentes.PASTILLE ANTENNA SQUARE WITH TWO POLARIZATIONS
CROSSES EXCLUSIVE BY TWO ORTHOGONAL SLOTS
The present invention relates to a square pellet antenna with two crossed polarizations of the type comprising a square pellet ("patch" in the English literature), a ground plane comprising two symmetrical cracks orthogonally arranged facing said pellet and means exciting the pellet through the slots.

n existe déjà des solutions pour la réalisation d'antennes à deux polarisations croisées. Une première de ces solutions décrite notamment dans la demande de brevet européen N" 0 243 289 concerne une antenne plaque avec deux doublets rayonnants identiques formés dans un même plan de métallisation et excités par deux lignes triplaques orthogonales. L'avantage d'une telle antenne est qu'elle peut fonctionner dans une large bande passante et qu'elle est de conception simple. Mais sa dimension hors tout est relativement importante, de l'ordre de 0,65 kO, où SO est la longueur d'onde de fonctionnement, ce qui peut constituer un inconvénient notamment pour la réalisation d'antennes réseaux. There are already solutions for producing antennas with two crossed polarizations. A first of these solutions described in particular in the European patent application No. 0 243 289 relates to a plate antenna with two identical radiating doublets formed in the same metallization plane and excited by two orthogonal triplic lines The advantage of such an antenna is that it can operate in a wide bandwidth and is of simple design, but its overall size is relatively large, of the order of 0.65 kO, where SO is the operating wavelength, this can be a disadvantage especially for the realization of network antennas.

Une autre solution connue est décrite dans le brevet US 4 903 033. Ce brevet décrit une antenne plane à deux polarisations croisées comportant une pastille excitée par deux lignes d'alimentation orthogonales à travers deux fentes de couplage orthogonales. Chaque ligne d'alimentation se termine par deux branches parallèles disposées perpendiculairement à la fente associée qui est seule à être excitée par cette ligne. Cette solution est également assez simple mais a aussi pour inconvénient des dimensions hors tout assez importantes et la nécessité de prévoir un pont à air pour le croisement des lignes d'alimentation. Another known solution is described in US Pat. No. 4,903,033. This patent describes a plane antenna with two crossed polarizations comprising a pellet excited by two orthogonal supply lines through two orthogonal coupling slots. Each supply line ends with two parallel branches arranged perpendicular to the associated slot which is only to be excited by this line. This solution is also quite simple but also has the drawback of large overall dimensions and the need to provide an air bridge for the crossing of the supply lines.

Un objet de l'invention est une antenne pastille carrée à deux polarisations croisées, de dimensions réduites grâce à l'excitation des deux fentes pour chaque direction de polarisation, ce qui allonge le trajet des lignes de force de courant induit dans la pastille. An object of the invention is a square pellet antenna with two crossed polarizations, of reduced dimensions thanks to the excitation of the two slots for each direction of polarization, which lengthens the path of the lines of induced current force in the pellet.

Un autre objet de l'invention est une antenne à deux polarisations croisées de construction très simple grâce au fait que les lignes d'alimentation orthogonales sont dans le même plan. Another object of the invention is an antenna with two crossed polarisations of very simple construction thanks to the fact that the orthogonal supply lines are in the same plane.

Selon l'invention, il est donc prévu une antenne pastille carrée à deux polarisations croisées comprenant une pastille métallique carrée, un plan de masse comportant deux fentes symétriques croisées orthogonalement disposées face à ladite pastille et des moyens d'excitation de la pastille à travers lesdites fentes, caractérisée en ce que lesdits moyens d'excitation comprennent deux lignes d'alimentation orthogonales dont les conducteurs centraux sont disposés à 45" de la direction de chacune desdites fentes. According to the invention, there is therefore provided a square pellet antenna having two crossed polarizations comprising a square metal pellet, a ground plane comprising two orthogonally symmetrical crossed slits disposed opposite said pellet and means for exciting the pellet through the said pellet. slots, characterized in that said excitation means comprise two orthogonal supply lines whose central conductors are arranged at 45 "of the direction of each of said slots.

L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints où: - la figure 1 est un schéma éclaté de l'antenne selon l'invention; - la figure 2 illustre, vue en plan, la pastille carrée et son excitation pour une première polarisation linéaire; - la figure 3 est une vue en plan de la pastille et des fentes; et - les figures 4 et 5 sont des schémas de réalisation des lignes d'alimentation de l'antenne. The invention will be better understood and other features and advantages will become apparent from the description below and the accompanying drawings in which: FIG. 1 is an exploded diagram of the antenna according to the invention; FIG. 2 illustrates, in plan view, the square pellet and its excitation for a first linear polarization; - Figure 3 is a plan view of the pellet and slots; and FIGS. 4 and 5 are diagrams of realization of the supply lines of the antenna.

Sur la figure 1 qui montre un schéma éclaté de l'antenne, un premier circuit imprimé 1 est formé d'un substrat diélectrique 11 d'épaisseur H1 dont une face porte une pastille métallique carrée 10 obtenue par exemple par gravure d'une couche de métallisation selon les techniques connues dans les circuits imprimés. In FIG. 1, which shows an exploded diagram of the antenna, a first printed circuit 1 is formed of a dielectric substrate 11 having a thickness H1, one face of which bears a square metal pellet 10 obtained for example by etching a layer of metallization according to known techniques in printed circuits.

Vis-à-vis de la seconde face du substrat 11 est disposé, un deuxième circuit imprimé 2 formé d'un substrat 23 d'épaisseur H2 dont la face en vis-à-vis du circuit 1 porte une métallisation 22 dans laquelle sont gravées deux fentes orthogonales croisées symétriques 20, 21. Ces fentes sont situées face à la pastille 10, les axes longitudinaux des fentes étant parallèles aux côtés de la pastille ou pouvant être aussi parallèles aux diagonales de la pastille.Vis-à-vis the second face of the substrate 11 is disposed, a second printed circuit 2 formed of a substrate 23 of thickness H2 whose face vis-à-vis the circuit 1 carries a metallization 22 in which are etched two symmetrical transverse orthogonal slots 20, 21. These slots are located opposite the wafer 10, the longitudinal axes of the slots being parallel to the sides of the wafer or may also be parallel to the diagonals of the wafer.

Enfin un troisième circuit imprimé 3 est formé d'un substrat diélectrique 33 d'épaisseur H2 dont la face en vis-à-vis du deuxième circuit 2 porte les conducteurs centraux 30 et 31 de deux lignes triplaques orthogonales se croisant en
O et dont l'autre face porte une métallisation uniforme 32.Finally, a third printed circuit 3 is formed of a dielectric substrate 33 of thickness H 2, the face of which vis-à-vis the second circuit 2 carries the central conductors 30 and 31 of two orthogonal triplic lines intersecting each other.
O and whose other face carries a uniform metallization 32.

Lorsque les trois circuits sont assemblés, c'est-à-dire en contact les uns avec les autres et maintenus, par exemple par collage, le point 0, le point de croisement des fentes 20, 21 et le centre de la pastille carrée 10 sont alignés sur un axe perpendiculaire aux circuits 1, 2 et 3. Les métallisations 22 et 32, formant plan de masse, et les conducteurs centraux 30, 31 forment une structure de ligne triplaque, les substrats 23 et 33 étant de même nature et de même épaisseur. De plus, les conducteurs 30 et 31 sont orientés de manière à faire un angle de 45" avec les fentes 20 et 21. When the three circuits are assembled, that is to say in contact with each other and held, for example by gluing, the point 0, the point of intersection of the slots 20, 21 and the center of the square pellet 10 are aligned on an axis perpendicular to the circuits 1, 2 and 3. The metallizations 22 and 32, forming a ground plane, and the central conductors 30, 31 form a stripline structure, the substrates 23 and 33 being of the same nature and of same thickness. In addition, the conductors 30 and 31 are oriented at an angle of 45 "with the slots 20 and 21.

Enfin, les conducteurs 30 et 31 se prolongent au-delà du point 0 par des tronçons quart d'onde à la fréquence centrale de fonctionnement de l'antenne. Finally, the conductors 30 and 31 extend beyond the point 0 by quarter-wave sections at the central frequency of operation of the antenna.

Bien entendu, la métallisation 22 avec les fentes pourrait aussi être portée par le premier circuit 1 sans que cela change en rien le principe de l'invention. Of course, the metallization 22 with the slots could also be carried by the first circuit 1 without this in any way change the principle of the invention.

Le fonctionnement va être expliqué en se référant également à la figure 2 qui est une vue en plan partielle (une seule ligne d'alimentation représentée) de l'antenne assemblée. Le tronçon quart d'onde de la ligne triplaque 31 ouverte à son extrémité C excite simultanément les deux fentes 20 et 21 entre les points A et B. The operation will be explained with reference also to FIG. 2 which is a partial plan view (only one power line shown) of the assembled antenna. The quarter-wave section of the triplate line 31 open at its end C simultaneously excites the two slots 20 and 21 between points A and B.

La longueur BC étant sensiblement égale à un quart de longueur d'onde, les points
A et B sont portés à des potentiels opposés. Les lignes de force des courants instantanés de conduction sur le plan métallique 22, servant de réflecteur associé à la pastille rayonnante 10, sont représentées en pointillés 12, 13 et vont du point A au point B en contournant les fentes. Ces courants induisent par "effet d'image" des courants sur la pastille 10 avec des lignes de forces semblables.Since the length BC is substantially equal to a quarter of a wavelength, the points
A and B are brought to opposite potentials. The lines of force of the instantaneous conduction currents on the metal plane 22, serving as a reflector associated with the radiating chip 10, are shown in dashed lines 12, 13 and go from point A to point B, bypassing the slots. These currents induce "image effect" currents on the pellet 10 with similar lines of forces.

Le moment électrique M1 de la pastille est donc parallèle à la direction
AB et à celle de la ligne 31, ce qui correspond au rayonnement d'une première polarisation linéaire. On n'a pas représenté sur la figure 2 la deuxième ligne orthogonale 30 mais le phénomène est exactement similaire et on induit dans la pastille un moment électrique M2 perpendiculaire à M1 . The electric moment M1 of the pellet is therefore parallel to the direction
AB and that of the line 31, which corresponds to the radiation of a first linear polarization. The second orthogonal line 30 has not been represented in FIG. 2 but the phenomenon is exactly similar and an electric moment M2 perpendicular to M1 is induced in the chip.

Deux remarques importantes doivent être faites. Tout d'abord grâce à l'excitation des deux fentes pour chaque polarisation, la longueur du trajet des lignes de force est notablement plus grande que dans le cas de l'excitation d'une pastille classique au-dessus d'un plan de masse uniforme par un câble coaxial perpendiculaire ou une ligne microruban. D'où il résulte que les dimensions de la pastille carrée, excitée selon l'invention et fonctionnant à la résonance, sont voisines de 0,25ka x 0,25ka où h, est la fréquence centrale de fonctionnement, donc nettement plus faibles que dans les solutions classiques, à fréquence donnée; ou encore qu'à dimensions données, l'antenne selon l'invention a une fréquence de résonance plus basse. Two important remarks must be made. Firstly, because of the excitation of the two slots for each polarization, the length of the path of the lines of force is considerably greater than in the case of the excitation of a conventional chip above a ground plane. uniformly by a perpendicular coaxial cable or a microstrip line. From which it follows that the dimensions of the square pellet, excited according to the invention and operating at resonance, are close to 0.25 k x 0.25 k where h is the central operating frequency, therefore significantly lower than in conventional solutions at a given frequency; or that at given dimensions, the antenna according to the invention has a lower resonant frequency.

D'autre part, pour que les conducteurs centraux 30 et 31 puissent être disposés dans un même plan et se couper en 0 tout en étant découplés en hyperfréquences, il faut ramener un court-circuit au point 0 sur les deux lignes, ce qui est obtenu en prolongeant chacun des conducteurs au-delà du point 0 par un tronçon quart d'onde en circuit ouvert. On the other hand, so that the central conductors 30 and 31 can be arranged in the same plane and cut at 0 while being decoupled at microwave frequencies, it is necessary to reduce a short circuit to the point 0 on the two lines, which is obtained by extending each of the conductors beyond the point 0 by a quarter-wave section in open circuit.

n est clair que les dimensions des conducteurs 30, 31 sont déterminées d'une part par le choix du matériau diélectrique des substrats 23 et 33 (épaisseur, permittivité) et d'autre part par l'impédance caractéristique souhaitée. It is clear that the dimensions of the conductors 30, 31 are determined on the one hand by the choice of the dielectric material of the substrates 23 and 33 (thickness, permittivity) and on the other hand by the desired characteristic impedance.

On doit aussi remarquer que le point de concours des fentes doit coincider de manière aussi précise que possible avec le point de concours 0 des conducteurs centraux 30, 31 pour avoir le meilleur découplage entre polarisations orthogonales. On pourra donc avoir intérêt à réaliser les conducteurs 30, 31 sur le même substrat 23 que les fentes, ce qui ne change rien au fonctionnement de l'antenne. It should also be noted that the point of competition of the slots must coincide as accurately as possible with the competition point 0 of the central conductors 30, 31 to have the best decoupling between orthogonal polarizations. It may therefore be advantageous to make the conductors 30, 31 on the same substrate 23 as the slots, which does not change the operation of the antenna.

La figure 3 représente la pastille 10 et les fentes 20 et 21 et permet de définir les divers paramètres a. côté de la pastille carrée, L longueur d'une fente et s, largeur d'une fente. Pour mieux montrer les performances et avantages de l'antenne selon l'invention, on donne ci-après quelques caractéristiques d'une réalisation en bande X et d'une réalisation en bande Ku. Le tableau I montre les dimensions des antennes et le tableau II les caractéristiques de rayonnement obtenues. X est la longueur d'onde de phase, distincte de la longueur d'onde dans l'espace libre

FIG. 3 represents the wafer 10 and the slots 20 and 21 and makes it possible to define the various parameters a. side of the square pellet, L length of a slit and s, width of a slit. To better show the performance and advantages of the antenna according to the invention, the following gives some characteristics of an embodiment in X-band and a Ku-band embodiment. Table I shows the dimensions of the antennas and Table II the radiation characteristics obtained. X is the phase wavelength, distinct from the wavelength in free space

TABLEAU I

TABLE I

<tb> <SEP> a <SEP> s <SEP> a/kO <SEP> L(mm) <SEP> L/k <SEP> H1 <SEP> H1=H2 <SEP> (e 1=(r)2 <SEP> Hl/Bo <SEP>
<tb> <SEP> (mm)
<tb> <SEP> Bande <SEP> X
<tb> fo=9,65 <SEP> GHz <SEP> 8 <SEP> 0,6 <SEP> 0,26 <SEP> 6,6 <SEP> 0,31 <SEP> 1,6 <SEP> 2,17 <SEP> 0,051
<tb> <SEP> Bande <SEP> Ku
<tb> <SEP> fi= <SEP> 14 <SEP> GHz <SEP> 5,2 <SEP> 0,3 <SEP> 0,23 <SEP> 4,5 <SEP> 0,31 <SEP> 0,8 <SEP> 2,17 <SEP> 0,037
<tb>
TABLEAU II

<tb><SEP> a <SEP> s <SEP> a / kO <SEP> L (mm) <SEP> L / k <SEP> H1 <SEP> H1 = H2 <SEP> (e 1 = (r) 2 <SEP> Hl / Bo <SEP>
<tb><SEP> (mm)
<tb><SEP> Band <SEP> X
<tb> fo = 9.65 <SEP> GHz <SEP> 8 <SEP> 0.6 <SEP> 0.26 <SEP> 6.6 <SEP> 0.31 <SEP> 1.6 <SEP> 2 , 17 <SEP> 0.051
<tb><SEP> Band <SEP> Ku
<tb><SEP> fi = <SEP> 14 <SEP> GHz <SEP> 5.2 <SEP> 0.3 <SEP> 0.23 <SEP> 4.5 <SEP> 0.31 <SEP> 0 , 8 <SEP> 2.17 <SEP> 0.037
<Tb>
TABLE II

<tb> <SEP> Bande <SEP> Isolation <SEP> (03dB)E <SEP> (63dB)H <SEP> Niveau <SEP> lobes
<tb> <SEP> Passante <SEP> (dB) <SEP> secondaires
<tb> <SEP> R.O.S. <SEP> < <SEP> <SEP> 1,5 <SEP> (dB)
<tb> <SEP> Bande <SEP> X
<tb> fo=9,65GHz <SEP> 5,2 <SEP> 5,2 <SEP> % <SEP> < -24 <SEP> 110 <SEP> 90 <SEP> -18
<tb> <SEP> Bande <SEP> Ku
<tb> <SEP> fo=14GHz <SEP> 6,1 <SEP> % <SEP> % <SEP> < -16 <SEP> 70 <SEP> 72 <SEP> -18
<tb>
On voit que pour les deux modèles, les fentes fonctionnent en dessous de leur résonance propre qui correspondrait à L = B/2. Leur rôle est de coupler les lignes triplaques à la pastille. La dimension a/BO de la pastille est notablement plus faible que celle d'une pastille excitée de manière classique qui, avec les mêmes paramètres, aurait une valeur a/BO de l'ordre de 0,36 et une bande passante de 20 à 50 % plus faible qu'avec l'antenne selon l'invention..<tb><SEP> Band <SEP> Isolation <SEP> (03dB) E <SEP> (63dB) H <SEP> Level <SEP> lobes
<tb><SEP> Passing <SEP> (dB) <SEP> secondary
<tb><SEP> ROS <SEP><SEP><SEP> 1.5 <SEP> (dB)
<tb><SEP> Band <SEP> X
<tb> fo = 9.65GHz <SEP> 5.2 <SEP> 5.2 <SEP>% <SEP><-24<SEP> 110 <SEP> 90 <SEP> -18
<tb><SEP> Band <SEP> Ku
<tb><SEP> fo = 14GHz <SEP> 6.1 <SEP>% <SEP>% <SEP><-16<SEP> 70 <SEP> 72 <SEP> -18
<Tb>
We see that for both models, the slots operate below their own resonance that would correspond to L = B / 2. Their role is to couple the triplet lines to the pellet. The dimension a / BO of the pellet is notably smaller than that of a conventionally excited pellet which, with the same parameters, would have a value a / BO of the order of 0.36 and a bandwidth of 20 to 50% lower than with the antenna according to the invention.

La figure 4 représente un mode de réalisation des lignes d'alimentation en bande X. Les lignes 30' et 31' se coupent en 0 et sont prolongées par des tronçons sensiblement quart d'onde 301' et 311'. Des transformateurs 300' et 310' respectivement sont prévus très près des fentes pour adapter l'impédance de rayonnement à la résistance caractéristique de la ligne triplaque. Fig. 4 shows an embodiment of the X-band supply lines. The lines 30 'and 31' intersect at 0 and are extended by substantially quarter-wave sections 301 'and 311'. Transformers 300 'and 310' respectively are provided very close to the slots to match the radiation impedance to the characteristic resistance of the triplate line.

De même, la figure 5 représente un mode de réalisation en bande Ku. Similarly, Figure 5 shows a Ku-band embodiment.

Les lignes 30" et 31" se coupent en 0 et sont prolongées par des tronçons sensiblement quart d'onde 301" et 311". Des transformateurs quart d'onde 300" et 310" sont disposés à une distance voisine de k/2 du point 0.Lines 30 "and 31" intersect at 0 and are extended by substantially quarter-wave sections 301 "and 311". Quarter-wave transformers 300 "and 310" are arranged at a distance of k / 2 from the point 0.

Bien entendu, les exemples de réalisation décrits ne sont nullement limitatifs de l'invention. Of course, the described embodiments are in no way limitative of the invention.

Claims

1. A square pellet antenna with two crossed polarizations comprising a square metal pellet (10), a ground plane (22) comprising two symmetrical slots (20, 21) crossed orthogonally arranged opposite said pellet and means for exciting the pellet through said slots, characterized in that said excitation means comprise two orthogonal supply lines (30, 31) whose central conductors are arranged at 45 "of the direction of each of said slots (20, 21), that each central conductor simultaneously excites the two slots.

2. Antenna according to claim 1, characterized in that said feed lines are triplic lines, one of the ground planes is constituted by said ground plane (22) carrying the slots and in that the central conductors (30, 31) of said lines are in the same plane and intersect at a point (0) located opposite the center of said slots and in the center of said pellet (10).

3. Antenna according to one of claims 1 or 2, characterized in that it comprises: - a first printed circuit (1), a first face comprises the metal pad (10) on a dielectric substrate (11); - a second printed circuit (2) comprising a dielectric substrate (23), a face facing said first circuit (1) carries a first metallization (22) forming a ground plane and having said orthogonal slots (20, 21); and a third printed circuit (3) comprising a dielectric substrate (33), one face directed towards said second circuit (2) carries said central conductors (30, 31) orthogonal lines and the other side carries a second metallization ( 32), said first, second and third circuits being assembled so that said first and second metallizations (22, 32) together with said central conductors (30, 31) form the orthogonal triplic feed lines.

4. Antenna according to any one of claims 1 to 3, characterized in that said slots (20, 21) are directed in the direction of the respective sides of said square pellet (10).

5. Antenna according to any one of claims 1 to 3, characterized in that said slots (20, 21) are directed in the direction of respective diagonals of said square pellet (10).

6. Antenna according to any one of claims 1 to 5, characterized in that each of said supply lines (30 ', 31'; 30 ", 31") extends beyond their point of intersection over a length ( 301 ', 311'; 301 ", 311") substantially equal to one quarter of the operating wavelength of the antenna.

7. Antenna according to any one of claims 1 to 6, characterized in that each line (30 ', 31'; 30 ", 31") is provided before their point of intersection (0) with a quarter-turn transformer. wave (300, 310; 300 ", 310") of adaptation.