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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...