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DISPOSITIF DE TRANSITION ENTRE UN GUIDE
D'ONDES ET UN ELEMENT RAYONNANT Domaine technique La présente invention se rapporte aux dispositifs de transition entre un guide d'ondes et un élément rayonnant, lesquels dispositifs peuvent être utilisés par exemple dans des détecteurs de mouvement ou de présence fonctionnant grâce à un émetteur-récepteur hyperfréquence.
Technique antérieure Divers dispositifs fonctionnent à partir d'une cellule hyperfréquence attaquant un élément rayonnant.
C'est le cas, par exemple, de détecteurs de contrôle d'accès, de détecteurs anti-intrusion, de détecteurs commandant l'ouverture et/ou la sécurisation de portes automatiques, de détecteurs de mouvement ou de présence hyperfréquences, et autres dispositifs destinés à la surveillance de locaux.
Dans les dispositifs de ce genre, les ondes électromagnétiques générées par la cellule hyperfréquence se propagent dans un guide d'ondes et sont ensuite focalisées par une antenne cornet dans une portion d'espace appelée champ de détection. Le désavantage d'un tel dispositif réside dans ses dimensions. Dans un souci de miniaturisation du produit, il est intéressant de remplacer la cellule hyperfréquence et
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l'antenne cornet par un dispositif planaire dans lequel les éléments rayonnants et autres composants actifs monolithiques se trouvent implantés ou imprimés sur un substrat diélectrique.
Si les composants actifs monolithiques opérant aux fréquences habituellement utilisées dans les détecteurs de mouvement et de présence de personnes, par exemple 24.125 GHz, sont encore rares et coûteux, par contre la technologie des antennes planaires est tout à fait abordable du point de vue économique dans les détecteurs de surveillance mentionnés plus haut et elle peut même être plus avantageuse que les antennes cornet du point de vue performances.
Compte tenu des contraintes économiques actuelles, l'optimum dimensionnel peut être obtenu en utilisant une cellule hyperfréquence en mode guide d'ondes et en y adjoignant une antenne planaire, ce qui réduirait pratiquement de moitié la longueur actuelle d'un ensemble cellule hyperfréquence et antenne cornet. Ce résultat n'est cependant possible qu'à la condition de pouvoir réaliser une transition satisfaisante entre un guide d'ondes et une antenne planaire.
Des dispositifs de transition entre un guide d'ondes et une antenne planaire sont connus et ont fait l'objet d'un certain nombre de publications.
L'ouvrage Millimeter-Wave Microstrip and Printed circuit Antennas par P. Barthia, K. V. S. Rao et R. S. Tomar, paru chez Artech House en 1991 (ISBN 0-89006- 333-8) décrit en page 132 un dispositif de transition constitué d'une sonde plongeant à l'intérieur du guide d'ondes. La sonde, formée d'une broche métal-
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lique, capte l'énergie hyperfréquence dans le guide d'ondes en un endroit où cette énergie est maximale et la transfère à l'élément rayonnant planaire fixé sur une des faces du guide d'ondes par l'intermédiaire d'une liaison coaxiale. L'inconvénient de ce dispositif de transition est qu'il ne permet pas de réduire la longueur de l'ensemble cellule hyperfréquence/élément rayonnant de manière significative et en outre la liaison coaxiale perturbe et modifie le champ de rayonnement de l'élément rayonnant.
L'ouvrage Microwave Transition Design par Jamal S. Izadian et Shadin M. Izadian, paru chez Artech House en 1988 (ISBN 0-89006-235-8) décrit en page 49 un dispositif de transition constitué d'une sonde magnétique en forme de boucle plongeant dans le guide d'ondes. La sonde, formée d'une boucle métallique, est connectée à l'élément rayonnant par l'intermédiaire d'une liaison coaxiale et d'une ligne microruban. Dans ce cas, l'élément rayonnant planaire peut être fixé sur une extrémité du guide d'ondes, ce qui permet de réduire la longueur de l'ensemble. Toutefois, comme dans le dispositif utilisant une broche métallique comme sonde, la liaison coaxiale perturbe et modifie le champ de rayonnement de l'élément rayonnant. De plus, ce dispositif connu impose une mise en oeuvre délicate car il nécessite un positionnement précis de la sonde.
Un autre dispositif de transition entre un guide d'ondes et une antenne planaire est décrit dans l'article Excitation of Waveguide by Stripline-and Microstrip-Line-Fed Slots par B. N. Das, K. V. S. V. R. Prasad et K. V. Seshagiri Rao, paru dans la revue IEEE Transactions on Microwave Theory and
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Techniques , volume MTT-34, NO 3, Mars 1986 (Pages 321-327). Dans ce dispositif connu, le substrat portant l'élément rayonnant se trouve appliqué contre l'extrémité du guide d'ondes et l'énergie hyperfréquence transitant dans le guide d'ondes se trouve couplée directement à la ligne microruban alimentant l'élément rayonnant par l'intermédiaire d'une fente.
Ce dispositif a pour avantage de réduire la longueur de l'ensemble détecteur de manière significative et de ne pas imposer une mise en oeuvre délicate. Il a cependant plusieurs inconvénients : (i) la fente de couplage est source de rayonnement parasite qui peut perturber le champ de rayonnement principal de l'élément rayonnant ; (ii) la fente de couplage est la cause de pertes d'insertion qu'il est généralement difficile de minimiser ; (iii) la performance du dispositif dépend de la précision du positionnement de la fente par rapport à son environnement, ce qui est rendu difficile par la largeur très réduite de la fente.
En bref, dans les dispositifs connus, les moyens de transition entre un guide d'ondes et un élément planaire sont constitués par : (a) une sonde en forme de broche captant le champ électrique dans le guide d'onde et alimentant une ligne microruban au moyen d'une liaison coaxiale, ou (b) une sonde en forme de boucle captant le champ magnétique dans le guide d'onde et alimentant une ligne microruban au moyen d'une liaison coaxiale, ou
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(c) un couplage électromagnétique direct entre le guide d'onde et la ligne microruban à travers une fente.
Ces différents dispositifs de transition connus sont généralement organisés pour minimiser leur propre rayonnement, qui est considéré comme un rayonnement parasite affectant et modifiant le champ de rayonnement de l'élément planaire auquel ils sont connectés.
D'autre part, ces dispositifs de transition connus sont la cause de pertes d'insertion qu'il est généralement difficile de minimiser, et leurs caractéristiques sont difficilement répétitives.
Exposé de l'invention Un but de l'invention est de remédier au problème du rayonnement parasite des dispositifs de transition connus et, à cet effet, elle propose un dispositif de couplage entre un guide d'ondes et un élément rayonnant qui, au lieu de perturber le champ de rayonnement, au contraire contribue au rayonnement de l'élément rayonnant.
Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif de couplage entre un guide d'ondes et un élément rayonnant, qui ne produit que des pertes d'insertion réduites.
Un autre but encore de l'invention est de proposer un dispositif de couplage entre un guide d'ondes et un élément rayonnant, qui soit simple à mettre en oeuvre et qui présente des caractéristiques de rayonnement répétitives.
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Ces buts sont atteints conformément à l'invention par un dispositif tel que défini dans les revendications.
Le dispositif suivant l'invention comprend un substrat diélectrique plan ayant une première face recouverte d'une plaque métallique qui est en contact avec l'extrémité de la paroi métallique d'un guide d'ondes et s'étend sensiblement perpendiculairement à l'axe longitudinal du guide d'ondes de manière à obturer la cavité du guide d'ondes. La plaque métallique présente une ouverture disposée symétriquement par rapport à la cavité du guide d'ondes, ladite ouverture ayant une superficie inférieure ou égale à celle de ladite cavité du guide d'ondes.
La seconde face du substrat diélectrique plan précité porte au moins un élément rayonnant plan intermédiaire disposé symétriquement par rapport à l'ouverture précitée, et au moins un moyen de liaison électrique relié à chaque élément rayonnant plan intermédiaire pour la connexion à celui-ci d'au moins un élément rayonnant principal.
Le dispositif tel que décrit brièvement ci-dessus est dimensionné de telle façon que l'élément rayonnant rectangulaire serve de transition entre le guide d'ondes et l'antenne planaire, en collectant l'énergie hyperfréquence dans le guide d'ondes et en la redistribuant aux éléments rayonnants de l'antenne planaire, d'une part, et contribue au rayonnement de l'antenne planaire, d'autre part.
Il est à remarquer que le dispositif selon l'invention, présente les avantages suivants :
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- l'élément rayonnant rectangulaire sert non seulement de transition entre le guide d'ondes et l'antenne planaire, mais contribue également au rayonnement de celle-ci ; le dispositif de transition, conformément à l'invention, occasionne des pertes d'insertion minimes ; le dispositif comporte un minimum de pièces, est simple à mettre en oeuvre et les caractéristiques obtenues sont répétitives.
Il convient de remarquer que le dispositif, dans l'esprit de l'invention, peut également comporter plusieurs transitions, telles que décrites ci-dessus, et cohabitant sur le même support planaire.
Le dispositif de transition suivant l'invention peut être utilisé de manière avantageuse pour alimenter une antenne planaire à partir d'une cellule hyperfréquence. Grâce à l'invention, il est ainsi possible de réaliser des détecteurs hyperfréquences compacts et développant des lobes de détection étroits dans un plan horizontal ou dans un plan vertical, par exemple des détecteurs de mouvement ou de présence destinés à commander l'ouverture ou la mise en sécurité d'un dispositif de contrôle d'accès, tel qu'une porte automatique.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, faisant référence aux dessins joints.
L'invention est décrite de façon détaillée dans ce qui suit à l'aide des dessins joints.
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Brève description des dessins La Figure 1 est une vue latérale d'une cellule hyperfréquence munie d'une antenne cornet.
La Figure 2 montre une vue en perspective d'un substrat comportant un élément rayonnant rectangulaire alimenté par une liaison coaxiale se terminant par une sonde en forme de broche plongeant dans un guide d'ondes.
La figure 3 est une coupe verticale effectuée suivant l'axe de symétrie du dispositif de la Figure 2.
La Figure 4 est une vue à échelle agrandie représentant en perspective le substrat portant un élément rayonnant imprimé, comme montré dans la Figure 2.
La Figure 5 est une vue de dessus d'une cellule hyperfréquence munie d'une portion de guide d'ondes équipée du dispositif de la Figure 2.
La Figure 6 est une vue latérale du dispositif de la
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Figure 5. La Figure 7 représente une vue en perspective d'un substrat portant un élément rayonnant rectangulaire alimenté par une liaison coaxiale se terminant par une sonde en forme de boucle aménagée dans un guide d'ondes.
La Figure 8 est une vue d'une coupe verticale effectuée suivant l'axe de symétrie du dispositif de la Figure 7.
La Figure 9 est une vue de dessus d'une cellule hyperfréquence équipée du dispositif de la Figure 7.
La Figure 10 est une vue latérale du dispositif de la Figure 9.
La Figure 11 montre une vue en perspective d'un substrat comportant un élément rayonnant rectangulaire, alimenté par une ligne microruban recevant
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l'énergie d'un guide d'ondes à travers une fente de couplage.
La Figure 12 est une coupe verticale effectuée suivant l'axe de symétrie du dispositif de la Figure 11.
La Figure 13 est une vue de dessus d'une cellule hyperfréquence équipée d'une antenne planaire alimentée par le dispositif de la Figure 11.
La Figure 14 est une vue latérale du dispositif de la Figure 13.
La Figure 15 montre une antenne planaire à deux éléments rayonnants, couplée à un guide d'ondes à travers une fente.
La Figure 16 montre le diagramme de rayonnement de l'antenne de la Figure 15, mesuré dans un plan de symétrie vertical.
La Figure 17 illustre une antenne planaire à quatre éléments rayonnants, couplée à un guide d'ondes à travers une fente.
La Figure 18 montre le diagramme de rayonnement de l'antenne de la Figure 17, mesuré dans un plan de symétrie vertical.
La Figure 19 représente un dispositif de transition entre un guide d'ondes et un élément rayonnant, suivant l'invention.
La Figure 20 est une vue écorchée du dispositif de la Figure 19.
La Figure 21 montre une vue éclatée du dispositif de la Figure 19.
La Figure 22 illustre le dispositif de transition selon l'invention, vu de devant.
La Figure 23 illustre une vue par l'arrière du dispositif de transition selon l'invention.
La Figure 24 est une vue du dispositif de transition, selon l'invention, intégré dans une antenne planaire avec deux autres éléments rayonnants.
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La Figure 25 montre le diagramme de rayonnement de l'antenne de la Figure 24, mesuré dans un plan de symétrie vertical.
La Figure 26 montre le diagramme de rayonnement de l'antenne de la Figure 24, mesuré dans un plan de symétrie horizontal.
La Figure 27 représente une variante de réalisation du dispositif suivant l'invention.
La Figure 28 est une vue éclatée du dispositif de la Figure 27.
La Figure 29 montre le diagramme de rayonnement de l'antenne de la Figure 27, mesuré dans un plan de symétrie vertical.
La Figure 30 montre le diagramme de rayonnement de l'antenne de la Figure 27, mesuré dans un plan de symétrie horizontal.
La Figure 31 est une vue frontale de la bride de fixation d'une cellule hyperfréquence.
La Figure 32 est une vue d'une antenne planaire comportant un réseau vertical d'éléments rayonnants, avec un dispositif de transition selon l'invention.
La Figure 33 montre une antenne planaire comportant deux réseaux verticaux d'éléments rayonnnants, avec des dispositifs de transition selon l'invention.
La Figure 34 représente un dispositif d'adaptation et de positionnement d'une antenne planaire.
La Figure 35 représente un dispositif de fixation d'une antenne planaire sur le dispositif de la Figure 34.
La Figure 36 est une vue de dessus de l'assemblage des dispositifs des Figures 34 et 35 sur une cellule hyperfréquence.
La Figure 37 montre une vue éclatée du dispositif de la Figure 36.
La figure 38 est une vue d'un filtre harmonique.
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La Figure 39 montre une vue éclatée de tous les éléments permettant le positionnement et la fixation du dispositif selon l'invention sur une cellue hyperfréquence.
La Figure 40 montre une vue de devant d'un dispositif de fixation intégré pour un dispositif suivant l'invention.
La Figure 41 est une vue arrière du dispositif de la Figure 40.
Description détaillée L'invention est décrite dans ce qui suit dans son application exemplaire à un détecteur de mouvement ou de présence de personnes. Pour bien faire comprendre l'innovation on considérera d'abord brièvement l'état de la technique en se reportant aux figures 1 à 17.
La figure 1 représente un détecteur comportant une cellule hyperfréquence munie d'une antenne cornet classique. La cellule hyperfréquence 110 comprend classiquement une diode Gunn 111 générant des ondes électromagnétiques qui se propagent dans une portion de guide d'ondes 112 et sont ensuite focalisées par une antenne cornet 113 dans une portion de l'espace environnant appelée champ de détection. La cellule hyperfréquence 110 comprend également une ou plusieurs diodes Schottky 114 qui reçoivent les ondes électromagnétiques réfléchies par l'environnement, préalablement focalisées par l'antenne cornet 113.
L'avantage de ce système réside en la disponibilité en masse des composants, et au prix relativement peu élevé de ceux-ci. Le désavantage du système concerne
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principalement les dimensions de celui-ci ; un ensemble cellule hyperfréquence 110 muni d'une antenne cornet 113 a une longueur L qui, pour une fréquence de 24.125 Ghz, par exemple, est de l'ordre de 55 mm. Le poids d'un tel ensemble n'est d'autre part pas négligeable. Dans un souci de miniaturisation des produits, il est donc intéressant d'associer des composants planaires, à une cellule hyperfréquence.
Les figures 2 et 3 représentent une portion d'antenne planaire 100 et un tronçon de guide d'ondes 200 avec un dispositif de transition connu constitué d'une broche plongeant dans le guide d'ondes. L'antenne planaire 100 est constituée d'un substrat diélectrique 10 portant sur une de ses faces un élément rayonnant métallique 20, de forme rectangulaire par exemple, alimenté par une ligne microruban 40. L'autre face du substrat diélectrique est recouverte d'un plan conducteur 30 ou plan de masse. Une vue en perspective à échelle agrandie de l'antenne planaire 100 est montrée en figure 4. Cette antenne planaire 100 est fixée sur une des faces d'un guide d'ondes 200, par des moyens de fixation non représentés, de telle façon qu'un contact galvanique soit établi entre le plan de masse 30 et la surface métallique du guide d'ondes.
Le guide d'onde 200 est terminé par un court-circuit, constitué d'une plaque conductrice 120 appliquée contre l'extrémité du guide d'ondes. Le but de cette plaque est de créer des ondes stationnaires afin de maximiser le champ électromagnétique à l'endroit de la sonde.
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Une sonde 60, constituée d'une broche métallique, est soudée à la ligne microruban 40 et pénètre à l'intérieur du guide d'ondes par un trou 80 pratiqué dans le plan de masse 30 et le substrat 10 de l'antenne planaire 100 et dans la face du guide d'ondes correspondante. Cette sonde 60 capte l'énergie hyperfréquence dans le guide d'ondes, en un endroit où elle est maximale et la transfère à la ligne microruban 40 qui alimente l'élément rayonnant 20.
Comme le montre la Figure 3, la sonde 60 est disposée à une distance de À/4 de la plaque de court-circuit 120. On notera que l'extrémité de la sonde 60 est située au niveau de l'axe de symétrie 121 du guide d'ondes 200. Ces conditions géométriques garantissent un transfert d'énergie maximal entre le guide d'ondes 200 et l'antenne planaire 100. Dans ce qui vient d'être dit plus haut, X représente la longueur d'onde du signal hyperfréquence transitant dans le guide d'ondes 200.
On notera que les Figures 2 et 3, qui représentent une antenne planaire à un seul élément rayonnant, n'illustrent qu'un exemple de mode d'exécution possible d'une antenne planaire. Il va de soi qu'une antenne planaire peut comporter plusieurs éléments rayonnants 20 reliés entre eux par des lignes microrubans telles que 40. Cette remarque est également valable pour les exemples qui suivent.
Le dispositif de transition connu qui vient d'être décrit peut être appliqué pour alimenter un élément rayonnant à partir d'une cellule hyperfréquence comme illustré aux Figures 5 et 6. On y voit une cellule
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hyperfréquence classique 110 qui se termine par une portion de guide d'ondes rectangulaire 112, elle-même terminée par une bride de fixation carrée 115. Les dimensions de la bride sont normalisées et dépendent de la fréquence utilisée. Par exemple, pour une fréquence de 24.125 GHz, il s'agit de la bride UG-595.
Une portion de guide d'ondes rectangulaire 200, équipée comme il vient d'être dit d'une antenne planaire 100 et d'une bride d'entrée 116, du même type que la bride 115, est fixée à la cellule hyperfréquence par des moyens non représentés, par exemple des moyens tels que vis et boulons.
On constatera que cette réalisation n'apporte aucun avantage dimensionnel par rapport à la réalisation classique avec antenne cornet, représentée en Figure 1 : en effet, la longueur L de l'ensemble n'est pas réduite de façon significative.
Les Figures 7 et 8 représentent une portion d'antenne planaire 100 et un tronçon de guide d'ondes 200 avec un dispositif de transition connu constitué d'une boucle métallique pénétrant à l'intérieur du guide d'ondes. L'antenne planaire 100 est appliquée contre l'extrémité du guide d'ondes 200, par des moyens de fixation non représentés, de telle façon qu'un contact galvanique soit établi entre le plan de masse 30 de l'antenne planaire 100 et la section métallique de l'extrémité du guide d'ondes.
La sonde 122, constituée d'une boucle métallique, est soudée en 70 à la ligne microruban 40 et pénètre à l'intérieur du guide d'ondes, en passant par un trou 80 pratiqué dans le plan de masse 30 et le substrat 10 de l'antenne planaire 100. Cette sonde 122 capte
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l'énergie hyperfréquence dans le guide d'ondes en un endroit où elle est maximale et la transfère à la ligne microruban 40 qui alimente l'élément rayonnant 20.
Les dimensions et la position de la sonde 122 dans le guide d'ondes sont calculées pour obtenir une impédance de 50 Ohms par exemple à la sortie coaxiale. On notera que l'extrémité de la sonde 122 est soudée en 71 sur une face interne du guide d'ondes 200. Ces conditions géométriques garantissent un transfert d'énergie maximal entre le guide d'ondes 200 et l'antenne planaire 100.
Le dispositif de transition connu qui vient d'être décrit peut être appliqué pour alimenter une antenne planaire à partir d'une cellule hyperfréquence comme représenté par exemple aux Figures 9 et 10. Une cellule hyperfréquence classique 110 se termine par une portion de guide d'ondes rectangulaire 112, terminée par une bride de fixation carrée 115. L'antenne planaire 100, telle que décrite ci-avant et équipée de la sonde 122, est fixée à la cellule hyperfréquence par des moyens non représentés, par exemple des moyens tels que vis et boulons.
Le plan de masse 30 de l'antenne planaire 100 est en contact galvanique avec la surface de la bride de fixation 115 de la cellule hyperfréquence 110 et les extrémités de la sonde 122 sont soudées respectivement en 70 et en 71 sur la ligne microruban 40 et sur la face intérieure de la portion de guide d'ondes 112 de la cellule hyperfréquence 110.
On constatera que cette réalisation apporte un avantage dimensionnel important par rapport à la
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réalisation classique avec antenne cornet décrite en Figure 1 : en effet, la longueur L de l'ensemble est réduite de façon significative. Cette réalisation présente cependant l'inconvénient d'une mise en oeuvre relativement délicate, car elle nécessite un positionnement précis de la sonde 122, et une soudure de celle-ci en 70 au niveau de la ligne microruban 40 et en 71 à l'intérieur du guide d'ondes. Les caractéristiques du dispositif de transition ainsi conçu peuvent donc être peu répétitives, et le dispositif peut être la cause de pertes d'insertion importantes.
Les Figures Il et 12 représentent une portion d'antenne planaire 100 et un tronçon de guide d'ondes 200 avec un dispositif de transition connu, constitué d'une fente de couplage électromagnétique. L'antenne planaire 100 telle que décrite plus haut est appliquée contre l'extrémité du guide d'ondes 200 par des moyens de fixation non représentés, de telle façon qu'un contact galvanique soit établi entre son plan de masse 30 et la section métallique de l'extrémité du guide d'ondes. L'énergie hyperfréquence transitant dans le guide d'ondes est transmise à la ligne microruban 40 par induction électromagnétique, grâce à une fente 90 pratiquée dans le plan de masse 30 de l'antenne planaire. La ligne microruban 40 permet ainsi d'alimenter l'élément rayonnant 20 de l'antenne.
La fente de couplage 90 est disposée symétriquement par rapport aux axes de symétrie de la section rectangulaire du guide d'ondes.
Le dispositif de transition connu qui vient d'être décrit peut également être appliqué pour alimenter une antenne planaire à partir d'une cellule hyperfréquence comme représenté par exemple aux Figures 13
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et 14. Une cellule hyperfréquence classique 110 se termine par une portion de guide d'ondes rectangulaire 112, elle-même terminée par une bride de fixation carrée 115. L'antenne planaire 100 telle que décrite ci-avant et équipée de la fente de couplage 90 est fixée à la cellule hyperfréquence par des moyens non représentés, par exemple des moyens tels que vis et boulons.
Le plan de masse 30 de l'antenne planaire 100 est en contact galvanique avec la surface de la bride de fixation 115 de la cellule hyperfréquence 110 et la fente de couplage 90 est située à hauteur de l'axe de symétrie 121 de la bride de fixation 115 de la cellule 110.
On constatera que cette réalisation apporte les avantages suivants : la longueur L de l'ensemble est réduite de façon significative par rapport à la réalisation classi- que avec antenne cornet (figure 1), . la mise en oeuvre du dispositif est relativement plus simple que dans les réalisations des figures
5-6 et 9-10 car elle ne nécessite pas de soudure.
Par contre, le dispositif de transition avec couplage par fente comme il vient d'être question, présente un certain nombre d'inconvénients : la fente de couplage est également une source de rayonnement parasite pouvant perturber le champ de rayonnement principal de l'antenne 100, qui est dû au (x) élements (s) rayonnant (s) 20 ; le dispositif de transition avec couplage par fente est la cause de pertes d'insertion diminuant le transfert d'énergie hyperfréquence entre le guide d'ondes 200 (ou la cellule hyperfréquence 110) et l'antenne planaire 100 ;
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bien que la mise en oeuvre du dispositif soit relativement simple, car ne nécessitant pas de soudure, la performance du dispositif dépend de la précision de positionnement de la fente par rapport à son environnement, ce qui est rendu difficile par la largeur très réduite de la fente.
L'influence du rayonnement parasite de la fente de couplage 90 entre le guide d'ondes 200 et l'antenne planaire 100 est particulièrement significative lorsque le nombre d'éléments rayonnants 20 de l'antenne planaire 100 est peu élevé, c'est-à-dire lorsque la directivité de l'antenne est faible. On sait en effet que, plus le nombre d'éléments rayonnants 20 d'une antenne planaire 100 est élevé, plus le champ de rayonnement de l'antenne est étroit, et inversément. Afin d'illustrer cette propriété, on se reportera aux Figures 15 à 18.
En Figure 15 sont représentés un guide d'ondes 200 et une antenne planaire 100 avec fente de couplage 90, cette antenne comportant deux éléments rayonnants 20 et 21, de forme rectangulaire par exemple. La ligne microruban 40 qui alimente les deux éléments rayonnants 20 et 21 reçoit l'énergie électromagnétique grâce à un couplage électromagnétique à travers la fente 90. La Figure 16 donne le diagramme de rayonnement de l'antenne 100, mesuré dans un plan vertical passant par l'axe de symétrie 121 ; il s'agit d'un diagramme polaire, gradué en décibels. L'angle de rayonnement a est d'environ 960.
En Figure 17 sont représentés un guide d'ondes 200 et une antenne planaire 100 portant quatre éléments
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rayonnants 20 à 23, avec un couplage électromagnétique par fente 90 comme décrit plus haut. Le diagramme de rayonnement de cette antenne dans un plan symétrique vertical est donné en figure 18. On voit clairement que l'angle de rayonnement a de cette antenne à quatre éléments rayonnants, qui est d'environ 520, est plus étroit que l'angle de rayonnement a mesuré sur la Figure 16 (environ 96 ), qui correspond à l'antenne à deux éléments rayonnants.
Dans ce qui vient d'être dit, l'angle de rayonnement a est l'angle mesuré à l'intersection de la courbe de
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rayonnement et du cercle polaire de coordonnée-10 dB.
On conçoit bien que, plus le nombre d'éléments rayonnants est élevé, plus l'influence relative de la fente de couplage 90 s'atténue, celle-ci n'intervenant plus que de façon minoritaire par rapport aux autres éléments rayonnants.
A cet égard, il convient également de noter que les autres dispositifs de transition connus, tels que par exemple les dispositifs des Figures 2 et 3 et des Figures 7 et 8, sont également affectés du même inconvénient cité, à savoir la perturbation du champ de rayonnement de l'antenne planaire par le dispositif de transition réalisé, qui est de type coaxial.
Se reportant à présent aux Figures 19 à 23, on voit illustré un mode de réalisation suivant l'invention.
On peut y voir une portion de guide d'ondes rectangulaire 200, dont les dimensions, comme cela a été dit plus haut, sont normalisées selon la fréquence utili-
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sée ; par exemple, pour la fréquence de 24.125 GHz, il s'agit du guide WR42 (norme EIA).
L'énergie électromagnétique générée par un dispositif non représenté, transite dans le guide d'ondes 200 dans le sens indiqué par la flèche 121. Le guide d'ondes se termine par une section droite 210, sur laquelle une antenne planaire 100 est appliquée, et fixée par des moyens non représentés, par exemple des vis et boulons.
Le dispositif planaire 100 est constitué d'un substrat diélectrique 10, sur la face antérieure duquel est imprimé un rectangle métallique 300 de largeur l et de hauteur h, lequel est relié par exemple à deux lignes microrubans 40. Ces lignes microrubans 40 sont reliées à des éléments rayonnants non représentés. La face arrière du substrat 10 est recouverte d'un plan métallique 30, dans lequel est pratiquée une ouverture rectangulaire 310, de largeur Li et de hauteur Hl.
On notera que Li > 1 et Hl > h. Un contact galvanique est établi entre la section métallique 210 du guide d'ondes 200 et le plan métallique 30.
Le rôle des éléments 300 et 310 est de prélever l'énergie électromagnétique dans le guide d'ondes 200, et de la redistribuer aux éléments rayonnants (non représentés sur la Figure 19) par l'intermédiaire de lignes microrubans 40 ; d'autre part, l'élément rectangulaire 300 contribue au rayonnement de l'antenne planaire 100, au même titre que les éléments rectangulaires non représentés sur la Figure.
Le dispositif de transition selon l'invention est caractérisé par les dimensions h et 1 de l'élement
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rectangulaire 300, de même que par les dimensions Hl et Li de l'ouverture rectangulaire 310 pratiquée dans le plan de masse 30 de l'antenne 100, ces dimensions étant calculées : 10) pour que les éléments 300 et 310 contribuent de façon contrôlée au champ de rayonnement produit perpendiculairement au plan de l'antenne planaire
100 par le réseau d'éléments rayonnants alimenté par les lignes microrubans 40, et 20) pour diminuer les pertes d'insertion de la tran- sition 300,310, ce qui permet d'optimaliser le transfert de l'énergie électromagnétique entre le guide d'ondes et l'antenne planaire.
On notera que la largeur Ll de l'ouverture 310 pratiquée dans le plan de masse 30 de l'antenne planaire 100 est, dans le cas de la Figure 19, inférieure ou égale à la largeur L2 du guide d'ondes rectangulaire 200, tandis que la hauteur Hl de cette ouverture rectangulaire 310 est sensiblement égale ou inférieure à la hauteur H2 du guide d'ondes rectangulaire. On constatera donc que le plan de masse 30 de l'antenne planaire 100 obture partiellement l'ouverture rectangulaire du guide d'ondes 200.
Il est clair que les dimensions et proportions de ces Figures ne sont données qu'à titre d'illustration, et que les dimensions réelles, dont la précision doit être de l'ordre du micron, résultent d'un calcul spécifique.
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La Figure 24 illustre un dispositif selon l'invention, dans lequel l'élément de transition rectangulaire 300 est situé au centre d'un réseau vertical comportant deux autres éléments rayonnants, par exemple rectangulaires, notés 20 et 21, ces derniers étant reliés à l'élément central 300 par les lignes microrubans 40. Les dimensions et proportions sur la Figure 24 ne sont données qu'à titre exemplaire.
La Figure 25 illustre le diagramme de rayonnement de l'antenne 100 dans un plan de symétrie vertical. Le réseau d'éléments rayonnants dans le plan vertical comprend trois éléments notés 20,21 et 300, ce dernier élément ayant les fonctions décrites plus haut.
On constate que le diagramme de rayonnement mesuré dans le plan de symétrie vertical de l'antenne planaire 100 est relativement étroit et a un angle d'ouverture a de 640, ce qui confirme la remarque faite plus haut, selon laquelle plus le nombre d'éléments rayonnants est élevé, plus le diagramme de rayonnement correspondant est étroit.
La Figure 26 montre le diagramme de rayonnement de l'antenne planaire 100 dans un plan de symétrie horizontal. Comme l'antenne planaire 100 ne comporte qu'une seule rangée verticale d'éléments rayonnants, le diagramme de rayonnement mesuré dans le plan horizontal est relativement large, ce que confirme la Figure 26, où l'on peut voir que le rayonnement est pratiquement omnidirectionnel.
Il est parfois souhaitable qu'une antenne présente un champ de rayonnement plus étroit dans un plan horizontal. Il convient donc dans ce cas de multiplier
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horizontalement le nombre de réseaux d'éléments rayonnants, tels que 20, 300, 21,..., en ce compris les éléments de transition suivant l'invention. Ceci est parfaitement possible, dans l'esprit de l'invention, tout en conservant les avantages apportés par celle-ci.
Si l'on se reporte aux Figures 19 à 23 qui décrivent un dispositif de transition selon l'invention, on voit que la largeur L2 du guide d'ondes rectangulaire 200 est du même ordre de grandeur que la largeur LI de l'ouverture 310 pratiquée dans le plan de masse 30 de l'antenne planaire. Ce mode de réalisation selon l'invention ne permet pas de faire cohabiter en largeur, à l'extrémité du guide d'ondes 200, deux ou plusieurs dispositifs de transition 300,310 selon l'invention, afin de réduire l'angle de rayonnement de l'antenne 100 dans un plan horizontal.
Les Figures 27 et 28 montrent une variante du dispositif selon l'invention, dans laquelle deux éléments de transition 300,301 sont disposés horizontalement et côte-à-côte à l'extrémité évasée 220 d'un guide d'ondes 200 dont les dimensions internes L2 et H2 sont normalisées. L'énergie électromagnétique générée par un dispositif non représenté, transite dans le guide d'ondes 200 dans le sens de la flèche 121. Dans sa partie terminale 220, le guide d'onde s'évase de telle façon que ses dimensions internes deviennent, par exemple, L3 > L2 et H3 = H2 au niveau de sa section droite 211.
L'antenne planaire 100 est appliquée contre l'extrémité 211 du guide d'ondes et est fixée par des moyens non représentés.
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L'antenne planaire 100 est constituée d'un substrat diélectrique 10, sur la face antérieure duquel sont imprimés deux rectangles métalliques 300,301 de largeur 1 et de hauteur h, lesquels sont reliés par exemple à deux lignes microrubans 40. Celles-ci sont reliées à des éléments rayonnants tels que 20,21 et 22,23 respectivement. La face arrière du substrat 10 est recouverte d'un plan métallique 30, dans lequel sont pratiquées deux ouvertures rectangulaires 310 et 311, de largeur Li et de hauteur Hl. Un contact galvanique est établi entre la section métallique terminale 211 du guide d'ondes 200,220 et le plan de masse 30 de l'antenne planaire.
Les deux dispositifs de couplage 300,310 d'une part et 301,311 d'autre part prélèvent l'énergie électromagnétique dans le guide d'ondes 200,220, et la redistribuent à deux réseaux verticaux d'éléments rayonnants 20,21 et 22,23, par l'intermédiaire des lignes microrubans 40. Chacun des éléments rectangulaires 300 et 301 contribue, selon l'invention, au rayonnement de l'antenne planaire 100, au même titre que les éléments rayonnants 20,..., 23.
Le double dispositif de transition est caractérisé par les dimensions h et l de chaque élément rectangulaire 300,301, par les dimensions Hi et Li de chaque ouverture rectangulaire 310,311 pratiquée dans le plan de masse 30 de l'antenne et par la distance d qui sépare les ouvertures rectangulaires 310,311, ces dimensions étant calculées pour que chaque dispositif de transition 300,310 et 301,311 contribue de façon contrôlée au champ de rayonnement des réseaux d'éléments rayonnants 20,21 et 22,23 alimentés par les lignes microrubans 40 et pour diminuer les pertes
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d'insertion de chaque dispositif de transition, ce qui permet d'optimaliser le transfert de l'énergie électromagnétique entre le guide d'ondes et les éléments rayonnants.
La Figure 29 illustre le diagramme de rayonnement de l'antenne 100 de la Figure 27, mesuré dans un plan de symétrie vertical ; on retrouve un diagramme similaire au diagramme présenté en Figure 25, dans la mesure où l'antenne 100 compte verticalement le même nombre d'éléments rayonnants. La Figure 30 montre le diagramme de rayonnement de la même antenne 100, mesuré dans un plan de symétrie horizontal. On constate cette fois, par rapport au diagramme de la Figure 26, que le diagramme de rayonnement mesuré dans le plan horizontal est plus étroit, ce qui est logique dans la mesure où l'antenne compte deux rangées verticales d'éléments rayonnant au lieu d'une seule rangée.
Il est entendu que toute autre variante des dispositifs décrits ci-avant, impliquant par exemple un ou plusieurs éléments de transition disposés en largeur et/ou en hauteur, à l'extrémité d'un guide d'ondes évasé ou non, doit être considérée comme faisant partie de l'invention, dans la mesure où elles sont destinées à assurer une transition entre un guide d'ondes et une antenne planaire, tout en coopérant au rayonnement de l'antenne, et en occasionnant des pertes d'insertion minimales.
Ainsi, il est possible, conformément à l'invention, de dimensionner le dispositif de transition de telle façon qu'une antenne planaire ne comportant qu'une seule rangée verticale d'éléments rayonnants, en ce compris le dispositif de transition selon l'invention
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comme montré en Figure 24, puisse être utilisée à l'extrémité évasée 220 d'un guide d'ondes en lieu et place d'une antenne planaire comportant deux rangées verticales d'éléments rayonnants comme illustré à la Figure 27.
On notera que l'utilisation de plusieurs types d'antennes planaires, munies d'un ou plusieurs dispositifs de transition selon l'invention, à l'extrémité d'un même guide d'ondes, est de nature à favoriser l'interchangeabilité.
Un dispositif conforme à l'invention peut être utilisé de façon avantageuse pour alimenter une antenne planaire à partir d'une cellule hyperfréquence, comme cela va être exposé dans les exemples ci-après.
La Figure 31 montre une vue agrandie d'une cellule hyperfréquence 110 avec la bride de fixation 115 vue de face, et la portion de guide d'ondes 112 à travers laquelle transite l'énergie hyperfréquence générée par la cellule 110. On notera que la bride de fixation 115 est munie de quatre trous 117 destinés à recevoir des moyens de fixation. Les dimensions principales de la cellule hyperfréquence dépendent de la fréquence utilisée, et sont normalisées. On notera, par exemple, que les dimensions internes L2 et H2 de la portion de guide d'ondes 112 correspondent aux dimensions L2 et H2 déjà indiquées plus haut, notamment sur les Figures 20 et 21.
Une antenne planaire 100 conforme à l'invention est appliquée contre la bride de fixation 115 de la cellule hyperfréquence 110 en respectant les contraintes géométriques et galvaniques énoncées précédemment. La
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Figure 32, par exemple, illustre une antenne planaire 100 comportant le dispositif de transition suivant l'invention, noté 300,310 (pour raison de clarté, l'ouverture 310 du dispositif n'est pas représentée), une rangée de trois éléments rayonnants 20,300 et 21, en ce compris l'élément de transition 300 selon l'invention, reliés par des lignes microrubans 40.
Une antenne planaire 100 comportant deux rangées verticales d'éléments rayonnants comme illustré à la Figure 33 peut également être utilisée. Dans ce cas, toutefois, comme on l'a vu lors de la description des Figures 27 et 28, il est nécessaire d'évaser le guide d'ondes.
La Figure 34 illustre un dispositif d'adaptation et de positionnement permettant de positionner de façon simple et précise une antenne planaire comportant un ou plusieurs dispositifs de transition selon l'inven- tion, tout en assurant l'évasement nécessaire du guide d'ondes. Ce dispositif peut être réalisé en métal, par exemple en aluminium coulé, en Zamac ou tout autre métal, ou en matière plastique, pourvu que celle-ci soit recouverte d'une couche métallique conductrice. Il comporte un support 400 percé d'une ouverture 405 dont les dimensions croissent d'une première face à la face opposée. L'épaisseur E est calculée pour permettre l'évasement progressif de la section d'entrée 112, dont les dimensions passent de
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L2 et H2 à L et H3 au niveau de la face frontale du dispositif 400. On notera que L3 2Li+d et Hg H.
La face frontale est munie d'une empreinte rectangu- laire 410, de faible profondeur, destinée à recevoir l'antenne planaire. Les dimensions de cette empreinte
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rectangulaire correspondent aux dimensions L4 et H4 des antennes planaires dont il vient d'être question, compte tenu d'une nécessaire tolérance pour leur placement, mais dont la précision doit être suffisante pour positionner l'antenne correctement par rapport à son environnement.
Le pourtour du dispositif 400 comporte une rainure 420 de faible profondeur, dont la fonction sera détaillée par la suite. Enfin, le dispositif 400 comprend également quatre trous borgnes 430, qui peuvent être filetés, destinés à assurer la fixation de la pièce 400 à la bride 115 d'une cellule hyperfréquence 110, telle que représentée à la Figure 37. A cet effet, l'écartement des trous 430 du dispositif 400 correspond parfaitement à l'écartement des trous 117 de la bride 115 de la cellule hyperfréquence 110. Les dimensions extérieures du dispositif 400 sont du même ordre de grandeur que les dimensions extérieures de la bride 115 de la cellule hyperfréquence 110.
Comme on vient de le voir, le dispositif d'adaptation et de positionnement 400 permet, d'une part, d'adapter les dimensions du guide d'ondes et, d'autre part, de positionner le dispositif de transition selon l'invention, intégré dans l'antenne planaire 100, par rapport à l'extrémité du guide d'ondes. Ce mode de positionnement s'avère particulièrement simple, et néanmoins précis : il ne demande aucune autre opération que de placer l'antenne planaire 100 dans l'empreinte 410 du dispositif 400.
On a pu vérifier que la précision de positionnement ainsi obtenue permettait au dispositif de transition correctement dimensionné de réaliser les objectifs de l'invention, à savoir :
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(i) permettre au (x) dispositif (s) de transition selon l'invention de contribuer de façon contrôlée au champ de rayonnement produit par les réseaux d'éléments rayonnants de l'antenne planaire 100, (ii) minimiser les pertes d'insertion de chaque dis- positif de transition.
On a constaté également que grâce à l'utilisation du dispositif d'adaptation et de positionnement 400, les caractéristiques du dispositif, mentionnées cidessus, sont particulièrement répétitives, ce qui répond à un des objets de l'invention.
Il est rappelé que le dispositif de transition faisant l'objet de l'invention peut notamment être intégré dans un détecteur hyperfréquence tel qu'un détecteur de mouvement ou de présence destiné à commander l'ouverture ou la mise en sécurité d'un dispositif de contrôle d'accès, par exemple une porte automatique.
Or, il est souvent souhaité qu'un tel détecteur puisse, à la demande de l'utilisateur, développer différents lobes de détection. A cet égard, on se souviendra, en consultant les Figures 25 et 30, qu'une antenne ne comportant qu'une seule rangée d'éléments rayonnants développe un champ de rayonnement assez large dans un plan horizontal, tandis qu'une antenne comportant deux ou plusieurs rangées d'éléments rayonnants développe un champ de rayonnement plus étroit.
On notera que le dispositif d'adaptation et de positionnement représenté à la Figure 34 permet de répondre à cette demande d'interchangeabilité, puisqu'il permet de positionner indifféremment et de manière
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simple l'une ou l'autre des antennes planaires illustrées aux Figures 32 et 33, par exemple. Il est clair que, dans l'esprit de l'invention, ce dispositif d'adaptation et de positionnement peut être utilisé pour plus de deux antennes planaires interchangeables.
Il est bien entendu que l'antenne planaire déposée dans l'empreinte 410 du dispositif 400 doit pouvoir être fixée à celui-ci. La Figure 35 montre un dispositif de fixation 450 qui présente l'avantage de pouvoir être monté très aisément sur le dispositif d'adaptation 400, de même qu'il peut en être démonté aussi facilement, ce qui permet de rendre très pratique l'interchangeabilité des antennes planaires.
Le dispositif de fixation 450 peut, par exemple, être réalisé en matière plastique, ce qui présente l'avantage de lui conférer une certaine souplesse. Ce dispositif, qui présente en son centre une ouverture rectangulaire 460, de dimensions Lg et Hs, est destiné à être fixé par insertion sur le dispositif de positionnement 400 de manière que l'antenne planaire 100, déposée dans l'empreinte 410, soit emprisonnée fermement entre le dispositif 400 et le dispositif 450. A cet effet, le dispositif 450 comprend quatre replis orthogonaux 470 munis de nervures 480. La fixation s'avère donc particulièrement simple : il suffit d'appliquer le dispositif 450 sur le dispositif 400, et d'exercer une légère pression jusqu'à ce que les nervues 480 viennent reposer dans la rainure 420 du dispositif 400.
Le dispositif de fixation 450 retient ainsi l'antenne planaire 100 dans son empreinte 410 sur son pourtour. Il est donc clair que les dimensions Lg et Hg du dispositif 450 doivent
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être légèrement inférieures aux dimension L4 et H4 de l'antenne planaire 100.
Les Figures 36 et 37 montrent l'assemblage d'une cellule hyperfréquence 110, équipée d'une antenne planaire 100 comportant le dispositif de transition selon l'invention, et positionnée entre les dispositifs 400 et 450. L'ensemble est par exemple solidarisé au moyen de quatre vis 490, passant dans les trous 117 de la bride 115, et vissées dans les trous 430 du dispositif 400. Comme on l'a vu plus haut, le dispositif 450 est inséré sur le dispositif 400 grâce à l'élasticité des replis orthogonaux 470, les nervures 480 coopérant ainsi intimement avec la rainure 420.
On observera sur la Figure 36 que la longueur L de l'ensemble, pour une fréquence donnée, est fortement réduite par rapport à la longueur L d'un ensemble comportant une cellule hyperfréquence 110 et une antenne cornet.
Pour être complet, il convient de signaler qu'une cellule hyperfréquence telle que 110 est généralement munie d'un dispositif de filtrage permettant de réduire les harmoniques du signal hyperfréquence, et ce afin de satisfaire aux normes en vigueur. Ce filtre, bien connu de l'homme de l'art, se présente généralement, comme illustré en Figure 38, sous la forme d'une pièce métallique 500 de faible épaisseur, dont les dimensions sont équivalentes aux dimensions de la bride de fixation 115 de la cellule hyperfréquence 110. Cette pièce 500 est munie de quatre trous 510, dont l'écartement est identique à l'écartement des trous 117 de la bride de fixation 115, ou à l'écartement des trous 430 du dispositif d'adaptation et de positionnement 400.
Le filtre 500 est percé en son
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centre d'une ouverture 520, dont la forme est spécialement étudiée pour filtrer les harmoniques du signal hyperfréquence qui le traverse. Le filtre 500 est destiné à être placé de manière symétrique à la sortie du guide d'ondes 112 de la cellule hyperfréquence 110. Il est évident que pareil filtre peut parfaitement être inséré entre la bride 115 de la cellule hyperfréquence 110 et le dispositif d'adaptation et de positionnement 400.
La Figure 39 est une vue éclatée de l'assemblage des différents dispositifs décrits ci-avant : la cellule hyperfréquence 110, le filtre harmonique 500, le dispositif d'adaptation et de positionnement 400, une antenne planaire 100, comportant un ou plusieurs dispositifs de transition 300,310,... selon l'invention, et le dispositif de fixation 450. L'assemblage est rendu solidaire par des vis 490, tandis que le dispositif de fixation 450 de l'antenne planaire 100 est fixé sur le dispositif 400 par insertion.
On notera que le dispositif ainsi conçu permet de changer aisément d'antenne : il suffit de retirer le dispositif de fixation 450, en tirant parti de l'élasticité des replis orthogonaux 470 et de la remplacer par une autre antenne. Une antenne planaire à une seule rangée verticale d'éléments rayonnants peut ainsi être remplacée aisément par une antenne à deux rangées verticales d'éléments rayonnants, ou par toute autre antenne planaire.
Il est ainsi clair que l'invention peut être mise en oeuvre simplement et de façon précise, et conduire à une production en série d'ensembles aux caractéristiques répétitives.
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Le mode de positionnement, de fixation et d'assemblage des pièces représentées à la Figure 39 doit être considéré comme un exemple non limitatif ; tout autre mode de positionnement, d'adaptation et de fixation d'une antenne planaire 100 comportant un ou plusieurs dispositifs de transition doit être considéré comme faisant partie de l'invention.
On peut, par exemple, avantageusement remplacer les pièces 500 (filtre harmonique) et 400 (dispositif d'adaptation et de positionnement de l'antenne 100) et les moyens de fixation 490 (vis) par une pièce unique 600 intégrant les éléments qui viennent d'être cités. Les Figures 40 et 41 montrent les vues avant et arrière, respectivement, d'une telle pièce intégrée 600.
On y distingue : . la section d'entrée du guide d'ondes 112, fermée par une cloison de faible épaisseur, au centre de laquelle est percée une ouverture 520 servant de filtre harmonique, . une rainure latérale 610, d'épaisseur sensiblement égale à l'épaisseur de la bride de fixation 115 de la cellule hyperfréquence 110 pour permettre de glisser jusqu'à butée la pièce 600 sur le poutour de la bride de fixation 115, tout en assurant un bon positionnement et un bon contact galvanique entre les faces respectives de ces deux éléments.
On remarquera que la pièce de fixation 600 ne présente pas de rainure sur son pourtour comme la pièce d'adaptation et de positionnement 400 de la Figure 34 dans laquelle la rainure 420 était destinée à recevoir les nervures 480 d'une pièce de fixation 450 détaillée en Figure 41. On conçoit bien cependant
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que l'insertion de la pièce de fixation 450 est toujours possible, dans la mesure où les nervures 480 de celle-ci peuvent venir s'appuyer sur le pourtour 620 de la pièce 600.
Les pièces assemblées, sans vis, peuvent être bloquées en position définitive par un moyen mécanique quelconque : vis de pression, ergot à déformation, etc...
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TRANSITION DEVICE BETWEEN A GUIDE
TECHNICAL FIELD The present invention relates to transition devices between a waveguide and a radiating element, which devices can be used for example in motion or presence detectors operating by means of a transmitter. microwave receiver.
PRIOR ART Various devices operate from a microwave cell attacking a radiating element.
This is the case, for example, of access control detectors, anti-intrusion detectors, detectors controlling the opening and / or securing of automatic doors, motion or microwave presence detectors, and other devices. intended for the surveillance of premises.
In devices of this kind, the electromagnetic waves generated by the microwave cell propagate in a waveguide and are then focused by a horn antenna in a portion of space called the detection field. The disadvantage of such a device lies in its dimensions. For the sake of miniaturization of the product, it is interesting to replace the microwave cell and
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the horn antenna by a planar device in which the radiating elements and other active monolithic components are located or printed on a dielectric substrate.
If the active monolithic components operating at the frequencies usually used in motion and presence detectors of people, for example 24.125 GHz, are still rare and expensive, on the other hand the technology of planar antennas is quite affordable from the economic point of view in the surveillance detectors mentioned above and it can even be more advantageous than the horn antennas from the performance point of view.
Given current economic constraints, the dimensional optimum can be obtained by using a microwave cell in waveguide mode and by adding a planar antenna to it, which would practically reduce by half the current length of a microwave cell and antenna assembly. horn. This result is however only possible on condition that a satisfactory transition can be made between a waveguide and a planar antenna.
Transition devices between a waveguide and a planar antenna are known and have been the subject of a certain number of publications.
The book Millimeter-Wave Microstrip and Printed circuit Antennas by P. Barthia, KVS Rao and RS Tomar, published by Artech House in 1991 (ISBN 0-89006- 333-8) described on page 132 a transition device consisting of a probe diving inside the waveguide. The probe, formed of a metal pin-
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lique, captures the microwave energy in the waveguide in a place where this energy is maximum and transfers it to the planar radiating element fixed on one of the faces of the waveguide via a coaxial connection. The disadvantage of this transition device is that it does not make it possible to reduce the length of the microwave cell / radiating element assembly significantly and furthermore the coaxial connection disturbs and modifies the radiation field of the radiating element.
The book Microwave Transition Design by Jamal S. Izadian and Shadin M. Izadian, published by Artech House in 1988 (ISBN 0-89006-235-8) describes on page 49 a transition device made up of a magnetic probe in the form of loop plunging into the waveguide. The probe, formed of a metal loop, is connected to the radiating element via a coaxial link and a microstrip line. In this case, the planar radiating element can be fixed to one end of the waveguide, which makes it possible to reduce the length of the assembly. However, as in the device using a metal pin as a probe, the coaxial connection disturbs and modifies the radiation field of the radiating element. In addition, this known device requires delicate implementation because it requires precise positioning of the probe.
Another transition device between a waveguide and a planar antenna is described in the article Excitation of Waveguide by Stripline-and Microstrip-Line-Fed Slots by BN Das, KVSVR Prasad and KV Seshagiri Rao, published in the journal IEEE Transactions on Microwave Theory and
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Techniques, volume MTT-34, NO 3, March 1986 (Pages 321-327). In this known device, the substrate carrying the radiating element is applied against the end of the waveguide and the microwave energy passing through the waveguide is directly coupled to the microstrip line supplying the radiating element. through a slot.
This device has the advantage of reducing the length of the detector assembly significantly and of not imposing a delicate implementation. However, it has several drawbacks: (i) the coupling slot is a source of stray radiation which can disturb the main radiation field of the radiating element; (ii) the coupling slot is the cause of insertion losses which are generally difficult to minimize; (iii) the performance of the device depends on the precision of the positioning of the slot relative to its environment, which is made difficult by the very reduced width of the slot.
In short, in known devices, the transition means between a waveguide and a planar element are constituted by: (a) a pin-shaped probe capturing the electric field in the waveguide and supplying a microstrip line by means of a coaxial link, or (b) a loop-shaped probe capturing the magnetic field in the waveguide and feeding a microstrip line by means of a coaxial link, or
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(c) direct electromagnetic coupling between the waveguide and the microstrip line through a slot.
These various known transition devices are generally organized to minimize their own radiation, which is considered as parasitic radiation affecting and modifying the radiation field of the planar element to which they are connected.
On the other hand, these known transition devices are the cause of insertion losses which are generally difficult to minimize, and their characteristics are difficult to repeat.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the invention is to remedy the problem of stray radiation from known transition devices and, to this end, it proposes a device for coupling between a waveguide and a radiating element which, instead to disturb the radiation field, on the contrary contributes to the radiation of the radiating element.
Another object of the invention is to propose a coupling device between a waveguide and a radiating element, which produces only reduced insertion losses.
Yet another object of the invention is to propose a coupling device between a waveguide and a radiating element, which is simple to implement and which has repetitive radiation characteristics.
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These objects are achieved in accordance with the invention by a device as defined in the claims.
The device according to the invention comprises a planar dielectric substrate having a first face covered with a metal plate which is in contact with the end of the metal wall of a waveguide and extends substantially perpendicular to the axis longitudinal of the waveguide so as to close the cavity of the waveguide. The metal plate has an opening arranged symmetrically with respect to the waveguide cavity, said opening having an area less than or equal to that of said waveguide cavity.
The second face of the above-mentioned planar dielectric substrate carries at least one intermediate planar radiating element arranged symmetrically with respect to the above-mentioned opening, and at least one electrical connection means connected to each intermediate planar radiating element for connection thereto at least one main radiating element.
The device as briefly described above is dimensioned in such a way that the rectangular radiating element serves as a transition between the waveguide and the planar antenna, collecting the microwave energy in the waveguide and in redistributing to the radiating elements of the planar antenna, on the one hand, and contributes to the radiation of the planar antenna, on the other hand.
It should be noted that the device according to the invention has the following advantages:
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- The rectangular radiating element not only serves as a transition between the waveguide and the planar antenna, but also contributes to the radiation of the latter; the transition device, in accordance with the invention, causes minimal insertion losses; the device has a minimum of parts, is simple to implement and the characteristics obtained are repetitive.
It should be noted that the device, in the spirit of the invention, can also include several transitions, as described above, and coexisting on the same planar support.
The transition device according to the invention can be used advantageously to feed a planar antenna from a microwave cell. Thanks to the invention, it is thus possible to produce compact microwave detectors and developing narrow detection lobes in a horizontal plane or in a vertical plane, for example motion or presence detectors intended to control the opening or the securing of an access control device, such as an automatic door.
Other features and advantages of the invention will become apparent on reading the description which follows, referring to the accompanying drawings.
The invention is described in detail in the following with the aid of the accompanying drawings.
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Brief description of the drawings Figure 1 is a side view of a microwave cell provided with a horn antenna.
Figure 2 shows a perspective view of a substrate comprising a rectangular radiating element supplied by a coaxial connection terminating in a pin-shaped probe immersed in a waveguide.
FIG. 3 is a vertical section taken along the axis of symmetry of the device of FIG. 2.
FIG. 4 is an enlarged view showing in perspective the substrate carrying a printed radiating element, as shown in FIG. 2.
Figure 5 is a top view of a microwave cell provided with a waveguide portion equipped with the device of Figure 2.
Figure 6 is a side view of the device of the
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Figure 5. Figure 7 shows a perspective view of a substrate carrying a rectangular radiating element supplied by a coaxial connection ending in a loop-shaped probe arranged in a waveguide.
Figure 8 is a view of a vertical section taken along the axis of symmetry of the device of Figure 7.
Figure 9 is a top view of a microwave cell equipped with the device of Figure 7.
Figure 10 is a side view of the device of Figure 9.
Figure 11 shows a perspective view of a substrate comprising a rectangular radiating element, supplied by a microstrip line receiving
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the energy of a waveguide through a coupling slot.
Figure 12 is a vertical section taken along the axis of symmetry of the device of Figure 11.
FIG. 13 is a top view of a microwave cell equipped with a planar antenna supplied by the device in FIG. 11.
Figure 14 is a side view of the device of Figure 13.
Figure 15 shows a planar antenna with two radiating elements, coupled to a waveguide through a slot.
Figure 16 shows the radiation pattern of the antenna in Figure 15, measured in a vertical plane of symmetry.
Figure 17 illustrates a planar antenna with four radiating elements, coupled to a waveguide through a slot.
Figure 18 shows the radiation pattern of the antenna in Figure 17, measured in a vertical plane of symmetry.
Figure 19 shows a transition device between a waveguide and a radiating element, according to the invention.
Figure 20 is a cutaway view of the device of Figure 19.
Figure 21 shows an exploded view of the device of Figure 19.
Figure 22 illustrates the transition device according to the invention, seen from the front.
Figure 23 illustrates a rear view of the transition device according to the invention.
Figure 24 is a view of the transition device, according to the invention, integrated in a planar antenna with two other radiating elements.
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Figure 25 shows the radiation pattern of the antenna in Figure 24, measured in a vertical plane of symmetry.
Figure 26 shows the radiation pattern of the antenna of Figure 24, measured in a horizontal plane of symmetry.
Figure 27 shows an alternative embodiment of the device according to the invention.
Figure 28 is an exploded view of the device of Figure 27.
Figure 29 shows the radiation pattern of the antenna in Figure 27, measured in a vertical plane of symmetry.
Figure 30 shows the radiation pattern of the antenna in Figure 27, measured in a horizontal plane of symmetry.
Figure 31 is a front view of the mounting flange of a microwave cell.
Figure 32 is a view of a planar antenna comprising a vertical array of radiating elements, with a transition device according to the invention.
Figure 33 shows a planar antenna comprising two vertical networks of radiating elements, with transition devices according to the invention.
Figure 34 shows a device for adapting and positioning a planar antenna.
Figure 35 shows a device for fixing a planar antenna to the device in Figure 34.
Figure 36 is a top view of the assembly of the devices of Figures 34 and 35 on a microwave cell.
Figure 37 shows an exploded view of the device in Figure 36.
Figure 38 is a view of a harmonic filter.
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Figure 39 shows an exploded view of all the elements allowing the positioning and the fixing of the device according to the invention on a microwave cell.
Figure 40 shows a front view of an integrated fixing device for a device according to the invention.
Figure 41 is a rear view of the device of Figure 40.
Detailed description The invention is described in the following in its exemplary application to a motion or presence detector. To clearly understand the innovation, we will first briefly consider the state of the art by referring to Figures 1 to 17.
FIG. 1 represents a detector comprising a microwave cell provided with a conventional horn antenna. The microwave cell 110 conventionally comprises a Gunn diode 111 generating electromagnetic waves which propagate in a portion of waveguide 112 and are then focused by a horn antenna 113 in a portion of the surrounding space called the detection field. The microwave cell 110 also includes one or more Schottky diodes 114 which receive the electromagnetic waves reflected by the environment, previously focused by the horn antenna 113.
The advantage of this system lies in the mass availability of components, and at the relatively low price of these. The disadvantage of the system concerns
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mainly the dimensions thereof; a microwave cell assembly 110 provided with a horn antenna 113 has a length L which, for a frequency of 24,125 Ghz, for example, is of the order of 55 mm. The weight of such an assembly is also not negligible. For the sake of miniaturization of products, it is therefore interesting to associate planar components with a microwave cell.
Figures 2 and 3 show a portion of planar antenna 100 and a waveguide section 200 with a known transition device consisting of a pin immersed in the waveguide. The planar antenna 100 consists of a dielectric substrate 10 carrying on one of its faces a metallic radiating element 20, of rectangular shape for example, supplied by a microstrip line 40. The other face of the dielectric substrate is covered with a conductor plane 30 or ground plane. A perspective view on an enlarged scale of the planar antenna 100 is shown in FIG. 4. This planar antenna 100 is fixed to one of the faces of a waveguide 200, by fixing means not shown, so that 'a galvanic contact is established between the ground plane 30 and the metal surface of the waveguide.
The waveguide 200 is terminated by a short circuit, consisting of a conductive plate 120 applied against the end of the waveguide. The purpose of this plate is to create standing waves in order to maximize the electromagnetic field at the location of the probe.
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A probe 60, consisting of a metal pin, is welded to the microstrip line 40 and penetrates inside the waveguide through a hole 80 made in the ground plane 30 and the substrate 10 of the planar antenna 100 and in the face of the corresponding waveguide. This probe 60 captures the microwave energy in the waveguide, in a place where it is maximum and transfers it to the microstrip line 40 which supplies the radiating element 20.
As shown in FIG. 3, the probe 60 is placed at a distance of λ / 4 from the short-circuit plate 120. It will be noted that the end of the probe 60 is situated at the level of the axis of symmetry 121 of the waveguide 200. These geometric conditions guarantee maximum energy transfer between the waveguide 200 and the planar antenna 100. In what has been said above, X represents the wavelength of the signal microwave passing through the waveguide 200.
Note that Figures 2 and 3, which represent a planar antenna with a single radiating element, illustrate only one example of a possible embodiment of a planar antenna. It goes without saying that a planar antenna can comprise several radiating elements 20 linked together by microstrip lines such as 40. This remark is also valid for the examples which follow.
The known transition device which has just been described can be applied to power a radiating element from a microwave cell as illustrated in FIGS. 5 and 6. It shows a cell therein.
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conventional microwave 110 which ends in a rectangular waveguide portion 112, itself terminated by a square fixing flange 115. The dimensions of the flange are standardized and depend on the frequency used. For example, for a frequency of 24,125 GHz, it is the UG-595 flange.
A portion of rectangular waveguide 200, equipped as has just been said with a planar antenna 100 and an input flange 116, of the same type as the flange 115, is fixed to the microwave cell by means not shown, for example means such as screws and bolts.
It will be noted that this embodiment does not provide any dimensional advantage compared to the conventional embodiment with horn antenna, shown in Figure 1: in fact, the length L of the assembly is not significantly reduced.
Figures 7 and 8 show a portion of planar antenna 100 and a waveguide section 200 with a known transition device consisting of a metal loop penetrating inside the waveguide. The planar antenna 100 is applied against the end of the waveguide 200, by fixing means not shown, so that a galvanic contact is established between the ground plane 30 of the planar antenna 100 and the metal section of the end of the waveguide.
The probe 122, made up of a metal loop, is welded at 70 to the microstrip line 40 and penetrates inside the waveguide, passing through a hole 80 made in the ground plane 30 and the substrate 10 of the planar antenna 100. This probe 122 receives
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the microwave energy in the waveguide in a place where it is maximum and transfers it to the microstrip line 40 which supplies the radiating element 20.
The dimensions and the position of the probe 122 in the waveguide are calculated to obtain an impedance of 50 Ohms, for example at the coaxial output. It will be noted that the end of the probe 122 is welded at 71 on an internal face of the waveguide 200. These geometrical conditions guarantee maximum energy transfer between the waveguide 200 and the planar antenna 100.
The known transition device which has just been described can be applied to feed a planar antenna from a microwave cell as shown for example in Figures 9 and 10. A conventional microwave cell 110 ends with a guide portion rectangular wave 112, terminated by a square fixing flange 115. The planar antenna 100, as described above and equipped with the probe 122, is fixed to the microwave cell by means not shown, for example means such as screws and bolts.
The ground plane 30 of the planar antenna 100 is in galvanic contact with the surface of the fixing flange 115 of the microwave cell 110 and the ends of the probe 122 are welded at 70 and 71 respectively on the microstrip line 40 and on the inner face of the waveguide portion 112 of the microwave cell 110.
It will be noted that this embodiment brings an important dimensional advantage compared to the
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classic embodiment with horn antenna described in Figure 1: in fact, the length L of the assembly is significantly reduced. This embodiment has the disadvantage of a relatively delicate implementation, however, since it requires precise positioning of the probe 122, and a welding of the latter at 70 at the microstrip line 40 and at 71 inside. of the waveguide. The characteristics of the transition device thus designed can therefore be not very repetitive, and the device can be the cause of significant insertion losses.
Figures 11 and 12 show a portion of planar antenna 100 and a waveguide section 200 with a known transition device, consisting of an electromagnetic coupling slot. The planar antenna 100 as described above is applied against the end of the waveguide 200 by not shown fixing means, so that a galvanic contact is established between its ground plane 30 and the metal section from the end of the waveguide. The microwave energy passing through the waveguide is transmitted to the microstrip line 40 by electromagnetic induction, through a slot 90 formed in the ground plane 30 of the planar antenna. The microstrip line 40 thus makes it possible to supply the radiating element 20 of the antenna.
The coupling slot 90 is arranged symmetrically with respect to the axes of symmetry of the rectangular section of the waveguide.
The known transition device which has just been described can also be applied to feed a planar antenna from a microwave cell as shown for example in Figures 13
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and 14. A conventional microwave cell 110 ends with a portion of rectangular waveguide 112, itself terminated by a square fixing flange 115. The planar antenna 100 as described above and equipped with the slot coupling 90 is fixed to the microwave cell by means not shown, for example means such as screws and bolts.
The ground plane 30 of the planar antenna 100 is in galvanic contact with the surface of the fixing flange 115 of the microwave cell 110 and the coupling slot 90 is located at the height of the axis of symmetry 121 of the flange of fixing 115 of the cell 110.
It will be noted that this embodiment provides the following advantages: the length L of the assembly is significantly reduced compared to the conventional embodiment with horn antenna (FIG. 1),. the implementation of the device is relatively simpler than in the embodiments of the figures
5-6 and 9-10 because it does not require welding.
On the other hand, the transition device with slot coupling as mentioned above has a certain number of drawbacks: the coupling slot is also a source of parasitic radiation which can disturb the main radiation field of the antenna 100 , which is due to the radiating element (s) 20; the transition device with slot coupling is the cause of insertion losses decreasing the transfer of microwave energy between the waveguide 200 (or the microwave cell 110) and the planar antenna 100;
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although the implementation of the device is relatively simple, since it does not require welding, the performance of the device depends on the positioning accuracy of the slot relative to its environment, which is made difficult by the very reduced width of the slot.
The influence of the parasitic radiation from the coupling slot 90 between the waveguide 200 and the planar antenna 100 is particularly significant when the number of radiating elements 20 of the planar antenna 100 is low, that is to say ie when the directivity of the antenna is weak. It is indeed known that, the higher the number of radiating elements 20 of a planar antenna 100, the narrower the radiation field of the antenna, and vice versa. In order to illustrate this property, reference is made to Figures 15 to 18.
In Figure 15 are shown a waveguide 200 and a planar antenna 100 with coupling slot 90, this antenna comprising two radiating elements 20 and 21, of rectangular shape for example. The microstrip line 40 which supplies the two radiating elements 20 and 21 receives electromagnetic energy by means of an electromagnetic coupling through the slot 90. FIG. 16 gives the radiation diagram of the antenna 100, measured in a vertical plane passing through the axis of symmetry 121; it is a polar diagram, graduated in decibels. The radiation angle a is approximately 960.
In Figure 17 are represented a waveguide 200 and a planar antenna 100 carrying four elements
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radiating 20 to 23, with an electromagnetic coupling by slot 90 as described above. The radiation diagram of this antenna in a vertical symmetrical plane is given in FIG. 18. It is clearly seen that the angle of radiation a of this antenna with four radiating elements, which is approximately 520, is narrower than the angle of radiation measured in Figure 16 (approximately 96), which corresponds to the antenna with two radiating elements.
In what has just been said, the radiation angle a is the angle measured at the intersection of the curve of
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radiation and polar circle coordinate-10 dB.
It is well understood that, the higher the number of radiating elements, the more the relative influence of the coupling slot 90 is attenuated, the latter intervening only in a minority compared to the other radiating elements.
In this regard, it should also be noted that the other known transition devices, such as for example the devices in FIGS. 2 and 3 and in FIGS. 7 and 8, are also affected by the same disadvantage mentioned, namely the disturbance of the field of radiation from the planar antenna by the transition device produced, which is of the coaxial type.
Referring now to Figures 19 to 23, there is illustrated an embodiment according to the invention.
We can see there a portion of rectangular waveguide 200, the dimensions of which, as said above, are normalized according to the frequency used.
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sée; for example, for the frequency of 24,125 GHz, it is the guide WR42 (EIA standard).
The electromagnetic energy generated by a device not shown, passes through the waveguide 200 in the direction indicated by the arrow 121. The waveguide ends in a straight section 210, on which a planar antenna 100 is applied, and fixed by means not shown, for example screws and bolts.
The planar device 100 consists of a dielectric substrate 10, on the front face of which is printed a metal rectangle 300 of width l and height h, which is connected for example to two microstrip lines 40. These microstrip lines 40 are connected to radiating elements not shown. The rear face of the substrate 10 is covered with a metal plane 30, in which a rectangular opening 310 is made, of width Li and height Hl.
Note that Li> 1 and Hl> h. A galvanic contact is established between the metal section 210 of the waveguide 200 and the metal plane 30.
The role of the elements 300 and 310 is to take the electromagnetic energy in the waveguide 200, and to redistribute it to the radiating elements (not shown in Figure 19) via microstrip lines 40; on the other hand, the rectangular element 300 contributes to the radiation of the planar antenna 100, in the same way as the rectangular elements not shown in the Figure.
The transition device according to the invention is characterized by the dimensions h and 1 of the element
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rectangular 300, as well as by the dimensions Hl and Li of the rectangular opening 310 made in the ground plane 30 of the antenna 100, these dimensions being calculated: 10) so that the elements 300 and 310 contribute in a controlled manner to the radiation field produced perpendicular to the plane of the planar antenna
100 by the network of radiating elements supplied by the microstrip lines 40, and 20) to reduce the insertion losses of the transition 300,310, which makes it possible to optimize the transfer of electromagnetic energy between the guide waves and the planar antenna.
Note that the width L1 of the opening 310 made in the ground plane 30 of the planar antenna 100 is, in the case of Figure 19, less than or equal to the width L2 of the rectangular waveguide 200, while that the height H1 of this rectangular opening 310 is substantially equal to or less than the height H2 of the rectangular waveguide. It will therefore be seen that the ground plane 30 of the planar antenna 100 partially closes the rectangular opening of the waveguide 200.
It is clear that the dimensions and proportions of these Figures are given only by way of illustration, and that the actual dimensions, the precision of which must be of the order of a micron, result from a specific calculation.
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FIG. 24 illustrates a device according to the invention, in which the rectangular transition element 300 is located at the center of a vertical network comprising two other radiating elements, for example rectangular, denoted 20 and 21, the latter being connected to the 'central element 300 by the microstrip lines 40. The dimensions and proportions in Figure 24 are given only as an example.
Figure 25 illustrates the radiation pattern of antenna 100 in a vertical plane of symmetry. The network of radiating elements in the vertical plane comprises three elements denoted 20,21 and 300, the latter element having the functions described above.
It can be seen that the radiation pattern measured in the vertical plane of symmetry of the planar antenna 100 is relatively narrow and has an opening angle α of 640, which confirms the remark made above, according to which the more the number of the higher the radiating elements, the narrower the corresponding radiation pattern.
Figure 26 shows the radiation pattern of the planar antenna 100 in a horizontal plane of symmetry. As the planar antenna 100 has only one vertical row of radiating elements, the radiation pattern measured in the horizontal plane is relatively wide, which is confirmed in Figure 26, where it can be seen that the radiation is practically omnidirectional.
It is sometimes desirable that an antenna has a narrower radiation field in a horizontal plane. In this case it is therefore advisable to multiply
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horizontally the number of networks of radiating elements, such as 20, 300, 21, ..., including the transition elements according to the invention. This is perfectly possible, in the spirit of the invention, while retaining the advantages brought by it.
If one refers to Figures 19 to 23 which describe a transition device according to the invention, it can be seen that the width L2 of the rectangular waveguide 200 is of the same order of magnitude as the width LI of the opening 310 practiced in the ground plane 30 of the planar antenna. This embodiment according to the invention does not make it possible to make cohabit in width, at the end of the waveguide 200, two or more transition devices 300,310 according to the invention, in order to reduce the radiation angle of the antenna 100 in a horizontal plane.
Figures 27 and 28 show a variant of the device according to the invention, in which two transition elements 300,301 are arranged horizontally and side-by-side at the flared end 220 of a waveguide 200 whose internal dimensions L2 and H2 are normalized. The electromagnetic energy generated by a device not shown, passes through the waveguide 200 in the direction of the arrow 121. In its terminal part 220, the waveguide flares so that its internal dimensions become, for example, L3> L2 and H3 = H2 at its straight section 211.
The planar antenna 100 is applied against the end 211 of the waveguide and is fixed by means not shown.
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The planar antenna 100 consists of a dielectric substrate 10, on the front face of which are printed two metal rectangles 300, 301 of width 1 and height h, which are connected for example to two microstrip lines 40. These are connected to radiating elements such as 20.21 and 22.23 respectively. The rear face of the substrate 10 is covered with a metal plane 30, in which two rectangular openings 310 and 311 are made, of width Li and height Hl. A galvanic contact is established between the terminal metal section 211 of the waveguide 200, 220 and the ground plane 30 of the planar antenna.
The two coupling devices 300,310 on the one hand and 301,311 on the other hand take the electromagnetic energy in the waveguide 200,220, and redistribute it to two vertical networks of radiating elements 20,21 and 22,23, by l 'Intermediate microstrip lines 40. Each of the rectangular elements 300 and 301 contributes, according to the invention, to the radiation of the planar antenna 100, in the same way as the radiating elements 20, ..., 23.
The double transition device is characterized by the dimensions h and l of each rectangular element 300,301, by the dimensions Hi and Li of each rectangular opening 310,311 formed in the ground plane 30 of the antenna and by the distance d which separates the openings rectangular 310,311, these dimensions being calculated so that each transition device 300,310 and 301,311 contributes in a controlled manner to the radiation field of the networks of radiating elements 20,21 and 22,23 supplied by the microstrip lines 40 and to reduce losses
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insertion of each transition device, which optimizes the transfer of electromagnetic energy between the waveguide and the radiating elements.
Figure 29 illustrates the radiation pattern of the antenna 100 of Figure 27, measured in a vertical plane of symmetry; we find a diagram similar to the diagram presented in Figure 25, in that the antenna 100 vertically has the same number of radiating elements. Figure 30 shows the radiation pattern of the same antenna 100, measured in a horizontal plane of symmetry. It is noted this time, compared to the diagram of Figure 26, that the radiation diagram measured in the horizontal plane is narrower, which is logical since the antenna has two vertical rows of radiating elements instead of d 'one row.
It is understood that any other variant of the devices described above, involving for example one or more transition elements arranged in width and / or in height, at the end of a flared waveguide or not, must be considered as part of the invention, insofar as they are intended to ensure a transition between a waveguide and a planar antenna, while cooperating in the radiation of the antenna, and causing minimal insertion losses.
Thus, it is possible, in accordance with the invention, to size the transition device in such a way that a planar antenna having only one vertical row of radiating elements, including the transition device according to the invention
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as shown in Figure 24, can be used at the flared end 220 of a waveguide instead of a planar antenna having two vertical rows of radiating elements as illustrated in Figure 27.
It will be noted that the use of several types of planar antennas, provided with one or more transition devices according to the invention, at the end of the same waveguide, is likely to promote interchangeability.
A device according to the invention can be advantageously used to feed a planar antenna from a microwave cell, as will be explained in the examples below.
FIG. 31 shows an enlarged view of a microwave cell 110 with the fixing flange 115 viewed from the front, and the portion of waveguide 112 through which the microwave energy generated by cell 110 passes. It will be noted that the fixing flange 115 is provided with four holes 117 intended to receive fixing means. The main dimensions of the microwave cell depend on the frequency used, and are standardized. It will be noted, for example, that the internal dimensions L2 and H2 of the waveguide portion 112 correspond to the dimensions L2 and H2 already indicated above, in particular in FIGS. 20 and 21.
A planar antenna 100 according to the invention is applied against the fixing flange 115 of the microwave cell 110 while respecting the geometric and galvanic constraints stated above. The
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FIG. 32, for example, illustrates a planar antenna 100 comprising the transition device according to the invention, noted 300.310 (for reasons of clarity, the opening 310 of the device is not shown), a row of three radiating elements 20.300 and 21, including the transition element 300 according to the invention, connected by microstrip lines 40.
A planar antenna 100 comprising two vertical rows of radiating elements as illustrated in FIG. 33 can also be used. In this case, however, as seen in the description of Figures 27 and 28, it is necessary to flare the waveguide.
Figure 34 illustrates an adaptation and positioning device making it possible to position in a simple and precise manner a planar antenna comprising one or more transition devices according to the invention, while ensuring the necessary flaring of the waveguide. This device can be made of metal, for example cast aluminum, Zamac or any other metal, or of plastic, provided that the latter is covered with a conductive metallic layer. It comprises a support 400 pierced with an opening 405 whose dimensions increase from a first face to the opposite face. The thickness E is calculated to allow the gradual flaring of the inlet section 112, the dimensions of which pass from
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L2 and H2 to L and H3 at the level of the front face of the device 400. It will be noted that L3 2Li + d and Hg H.
The front face is provided with a rectangular footprint 410, of shallow depth, intended to receive the planar antenna. The dimensions of this footprint
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rectangular correspond to the dimensions L4 and H4 of the planar antennas which have just been mentioned, taking into account a necessary tolerance for their placement, but the precision of which must be sufficient to position the antenna correctly with respect to its environment.
The periphery of the device 400 has a shallow groove 420, the function of which will be detailed later. Finally, the device 400 also comprises four blind holes 430, which can be threaded, intended to ensure the attachment of the part 400 to the flange 115 of a microwave cell 110, as shown in Figure 37. For this purpose, the spacing of the holes 430 of the device 400 corresponds perfectly to the spacing of the holes 117 of the flange 115 of the microwave cell 110. The external dimensions of the device 400 are of the same order of magnitude as the external dimensions of the flange 115 of the cell microwave 110.
As we have just seen, the adaptation and positioning device 400 makes it possible, on the one hand, to adapt the dimensions of the waveguide and, on the other hand, to position the transition device according to the invention , integrated in the planar antenna 100, relative to the end of the waveguide. This positioning mode proves to be particularly simple, and nevertheless precise: it requires no other operation than to place the planar antenna 100 in the imprint 410 of the device 400.
It was possible to verify that the positioning accuracy thus obtained enabled the correctly dimensioned transition device to achieve the objectives of the invention, namely:
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(i) allow the transition device (s) according to the invention to contribute in a controlled manner to the radiation field produced by the arrays of radiating elements of the planar antenna 100, (ii) minimize the losses of insertion of each transition device.
It has also been found that thanks to the use of the adaptation and positioning device 400, the characteristics of the device, mentioned above, are particularly repetitive, which meets one of the objects of the invention.
It is recalled that the transition device which is the subject of the invention can in particular be integrated into a microwave detector such as a motion or presence detector intended to control the opening or the securing of a safety device. access control, for example an automatic door.
However, it is often desired that such a detector can, at the request of the user, develop different detection lobes. In this regard, it will be recalled, by consulting Figures 25 and 30, that an antenna comprising only one row of radiating elements develops a fairly wide radiation field in a horizontal plane, while an antenna comprising two or several rows of radiating elements develop a narrower radiation field.
It will be noted that the adaptation and positioning device represented in FIG. 34 makes it possible to respond to this request for interchangeability, since it makes it possible to position indifferently and in a manner
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simple one or the other of the planar antennas illustrated in Figures 32 and 33, for example. It is clear that, in the spirit of the invention, this adaptation and positioning device can be used for more than two interchangeable planar antennas.
It is understood that the planar antenna deposited in the footprint 410 of the device 400 must be able to be fixed thereto. Figure 35 shows a fixing device 450 which has the advantage of being able to be mounted very easily on the adaptation device 400, just as it can be dismantled as easily, which makes interchangeability very practical. planar antennas.
The fixing device 450 can, for example, be made of plastic, which has the advantage of giving it a certain flexibility. This device, which has in its center a rectangular opening 460, of dimensions Lg and Hs, is intended to be fixed by insertion on the positioning device 400 so that the planar antenna 100, deposited in the imprint 410, is trapped firmly between the device 400 and the device 450. To this end, the device 450 comprises four orthogonal folds 470 provided with ribs 480. The attachment therefore proves to be particularly simple: it suffices to apply the device 450 to the device 400, and apply light pressure until the ribs 480 come to rest in the groove 420 of the device 400.
The fixing device 450 thus retains the planar antenna 100 in its imprint 410 on its periphery. It is therefore clear that the dimensions Lg and Hg of the device 450 must
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be slightly smaller than the dimensions L4 and H4 of the planar antenna 100.
Figures 36 and 37 show the assembly of a microwave cell 110, equipped with a planar antenna 100 comprising the transition device according to the invention, and positioned between the devices 400 and 450. The assembly is for example secured to the by means of four screws 490, passing through the holes 117 of the flange 115, and screwed into the holes 430 of the device 400. As we saw above, the device 450 is inserted on the device 400 thanks to the elasticity of the orthogonal folds 470, the ribs 480 thus cooperating intimately with the groove 420.
It will be observed in FIG. 36 that the length L of the assembly, for a given frequency, is greatly reduced compared to the length L of an assembly comprising a microwave cell 110 and a horn antenna.
To be complete, it should be noted that a microwave cell such as 110 is generally provided with a filtering device making it possible to reduce the harmonics of the microwave signal, in order to meet the standards in force. This filter, well known to those skilled in the art, is generally, as illustrated in FIG. 38, in the form of a metallic piece 500 of small thickness, the dimensions of which are equivalent to the dimensions of the fixing flange 115 of the microwave cell 110. This part 500 is provided with four holes 510, the spacing of which is identical to the spacing of the holes 117 of the fixing flange 115, or to the spacing of the holes 430 of the adaptation device and positioning 400.
Filter 500 is pierced with sound
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center of an opening 520, the shape of which is specially designed to filter the harmonics of the microwave signal passing through it. The filter 500 is intended to be placed symmetrically at the outlet of the waveguide 112 of the microwave cell 110. It is obvious that such a filter can be perfectly inserted between the flange 115 of the microwave cell 110 and the device. adaptation and positioning 400.
Figure 39 is an exploded view of the assembly of the various devices described above: the microwave cell 110, the harmonic filter 500, the adaptation and positioning device 400, a planar antenna 100, comprising one or more transition 300,310, ... according to the invention, and the fixing device 450. The assembly is made integral by screws 490, while the fixing device 450 of the planar antenna 100 is fixed on the device 400 by insertion .
It will be noted that the device thus designed makes it possible to easily change the antenna: it suffices to remove the fixing device 450, taking advantage of the elasticity of the orthogonal folds 470 and to replace it with another antenna. A planar antenna with a single vertical row of radiating elements can thus be easily replaced by an antenna with two vertical rows of radiating elements, or by any other planar antenna.
It is thus clear that the invention can be implemented simply and precisely, and lead to mass production of sets with repetitive characteristics.
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The mode of positioning, fixing and assembly of the parts shown in Figure 39 should be considered as a non-limiting example; any other mode of positioning, adaptation and fixing of a planar antenna 100 comprising one or more transition devices must be considered to be part of the invention.
One can, for example, advantageously replace the parts 500 (harmonic filter) and 400 (adaptation and positioning device of the antenna 100) and the fixing means 490 (screws) by a single part 600 integrating the elements which come to be cited. Figures 40 and 41 show the front and rear views, respectively, of such an integrated part 600.
There are: the inlet section of the waveguide 112, closed by a thin partition, at the center of which is pierced an opening 520 serving as a harmonic filter,. a lateral groove 610, of thickness substantially equal to the thickness of the fixing flange 115 of the microwave cell 110 to allow the part 600 to slide until it stops on the beam of the fixing flange 115, while ensuring a good positioning and good galvanic contact between the respective faces of these two elements.
It will be noted that the fixing piece 600 does not have a groove on its periphery like the adaptation and positioning piece 400 of FIG. 34 in which the groove 420 was intended to receive the ribs 480 of a detailed fixing piece 450 in Figure 41. It is easy to see, however
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that the insertion of the fixing piece 450 is always possible, insofar as the ribs 480 thereof can come to bear on the periphery 620 of the piece 600.
The assembled parts, without screws, can be locked in the final position by any mechanical means: pressure screw, deformation pin, etc.