EP0372451A1 - Dispositif rayonnant multifréquence - Google Patents

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EP0372451A1
EP0372451A1 EP89122316A EP89122316A EP0372451A1 EP 0372451 A1 EP0372451 A1 EP 0372451A1 EP 89122316 A EP89122316 A EP 89122316A EP 89122316 A EP89122316 A EP 89122316A EP 0372451 A1 EP0372451 A1 EP 0372451A1
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EP
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elements
type
radiating
radiating elements
antenna
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EP89122316A
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Gérard Raguenet
Régis Lenormand
Michel Gomez-Henry
Alain Gergondey
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Alcatel Espace Industries SA
Original Assignee
Alcatel Espace Industries SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/40—Imbricated or interleaved structures; Combined or electromagnetically coupled arrangements, e.g. comprising two or more non-connected fed radiating elements
    • H01Q5/42—Imbricated or interleaved structures; Combined or electromagnetically coupled arrangements, e.g. comprising two or more non-connected fed radiating elements using two or more imbricated arrays

Definitions

  • the invention relates to a multi-frequency radiating device.
  • the new payloads use antenna systems whose projected opening can vary from 3 to 6 meters, or even more. It is easily understood that for various reasons, and in particular of location and mass, it is not possible to multiply the number of these large antennas on the same satellite body.
  • the object of the invention is to provide a solution to this kind of problem and thus to achieve, on the same physical surface, the optimization of sets of different radiating elements working at different frequencies.
  • the invention provides a multifrequency radiating device, comprising at least a first radiating element of a first type, and at least one radiating element of a second associated type, side by side, on the same surface to form an antenna.
  • network characterized in that the radiating elements of the first type are microstrip type elements and the second of the wired type elements, the radiating elements of the first type acting in a first frequency range, and the radiating elements of the second type in a second frequency range.
  • networking can be done optimally for different missions, at different frequencies and this on the same radiating antenna.
  • third radiating elements makes it possible to solve the delicate problem of networking elements having fundamentally different spacing needs due to their directivity or their operating frequency.
  • the radiating device of the invention comprises, associated on the same surface 10, at least two types of radiating elements operating according to different principles: - first radiating elements 11 of microstrip type or printed type ("Patch" in English); - second radiating elements 12 of wire type.
  • FIG. 2 represents an alternative embodiment of the device of the invention, for which the layout of the first and second elements 11 and 12 has been modified.
  • the number of second elements 12, for example of the wired type, located between the first elements 10, for example of the printed type depends on the optimization of the antenna.
  • the network thus formed can also be of triangular, square, rectangular or hexagonal type.
  • Such an embodiment has the following two characteristics: -
  • the wire antenna does not affect the adaptation and radiation characteristics of the printed antenna. - Due to different radiation principles, the coupling between the two elements remains very weak.
  • a certain number of types of wire antenna can be envisaged as being able to be mounted on the printed antenna. The precise choice depends on an optimization in relation to a need, and directs the solution towards dipoles, monofilar propellers, quadrifilar propellers ...
  • the wired element Compared to nominal operation (without printed antenna) of the wired element there is no significant change in performance of this antenna when it is installed on a printed antenna; the ground plane seen by the wire antenna being produced by all of the printed conductor and the general ground plane of the printed antenna. As the operating frequency of the wire antenna does not correspond to a resonance of the printed antenna, the printed antenna does not play any particular role (field concentration, cavity, resonance).
  • a first element 16 is associated with a second element 19 on the same projected surface to form a radiating element called "compound”; so we have: - a ground plane 13, a dielectric substrate 14 and a metal track 15 which form a planar printed antenna 16; this antenna being pierced in its center with a through hole 17; - a coaxial cable 18 passing through this hole 17 perpendicular to the plane of the printed antenna 16; this cable ending at its free end with an antenna of another type 19 here a dipole.
  • the coaxial cable 18 passing through the hole 17 ends with an antenna 19 which is then a helical antenna.
  • the printed antenna 16 thus defined is dimensioned so as to meet the general requirements of its mission. depending on the case and depending on the desired application, it consists, for example, in: - a simple resonator printed element; - a double resonator printed element; - A double diplexing "patch" element having separate accesses for two frequency ranges, for example a transmission access and a reception access.
  • the wire element 19 is defined because of specifications specific to the mission for which it is intended. Its geometry, whether it is a dipole or a propeller, is subject to optimization in order to obtain the desired performance.
  • the antenna shown in FIG. 5, notably includes printed radiating elements 16 simple resonators to carry out, for example, a mission at 1.5 GHz.
  • This type of element having a typical directivity of the order of 7 to 8 dB, knowledge of their mutual couplings makes it possible to envisage satisfactory use; that is to say at more than 80% yield per relation to the surface of the elementary cell.
  • dipoles 19 are implanted on the "patches" 16. Typically these have a directivity of 5.20 dB.
  • This directivity requires a network of identical elements at a distance respectively: - about 0.51 ⁇ OS for a square mesh; - about 0.55 ⁇ OS for a hexagonal mesh; ⁇ OS being the wavelength of the center of the second frequency range for example the S band (2 GHz).
  • the implantation being nominally blocked by the inter-patch distances, we therefore have in the configuration considered a geometry which would correspond at inter dipole distances da of: - 0.89 ⁇ OS (S band) in square mesh; - 0.96 ⁇ OS in hexagonal mesh: Or a loss on networking of the order of 4 to 5 dB for the dipole elements 19 in S-band, too strongly constrained by the implantation of the printed elements.
  • Such a configuration as shown in FIG. 6, therefore makes it possible to considerably densify the network of second radiating elements 19, the sampling of which is greatly improved, without any significant impact on the first radiating elements 16.
  • This distance therefore corresponds to an optimal sampling for the use of dipoles in S-band.
  • the realization of the S-band network by means of elements 19 and 20 therefore allows use of the surface with maximum efficiency and corresponding to the setting optimal network of S-band elements only.
  • a second radiating element 19 is surrounded by six third radiating elements 20.
  • a multi-frequency network antenna can therefore be optimally realized for the various missions by calling on: - On the one hand of the radiating elements composed as shown in Figures 3 and 4; - on the other hand, additional elements 20 located between these compound radiating elements.
  • Figure 6 shows the layout of these elements on a hexagonal mesh while Figure 7 gives an example for a square mesh.
  • Networking can thus be done optimally for different missions, at different frequencies and this on the same radiating antenna.
  • third radiating elements 20 therefore makes it possible to solve the delicate problem of networking elements having fundamentally different spacing needs due to their directivity or to their operating frequency.
  • the non-interaction between the different types of radiating elements makes it possible to treat and optimize the entire network as two independent networks. Each being carried out optimally: - one using the first radiating elements 16; - the other using the combination of the second and third radiating elements 19 and 20.
  • the shape of the radiating device of the invention may, of course, not be planar and be provided with a certain curvature (cylindrical, spherical, etc.), depending on its particular location on a structure: for example location on concave surfaces.

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Abstract

La présente invention se rapporte à un dispositif rayonnant multifréquence, comprenant au moins un premier élément rayonnant (11) d'un premier type, et au moins un élément rayonnant (12) d'un second type associés, côte à côte, sur une même surface (10) pour former une antenne réseau, dans lequel les éléments rayonnants du premier type (16) sont des éléments de type microruban et les seconds (19, 20) des éléments de type filaire, les éléments rayonnants du premier type (16) agissant dans une première gamme de fréquence, et les éléments rayonnants du second type (19, 20) dans une seconde gamme de fréquence. Application notamment aux antennes hyperfréquences.

Description

  • L'invention concerne un dispositif rayonnant multifréquence.
  • L'évolution générale dans le domaine des satellites de télécommunication va dans le sens d'une augmentation de capacités en termes de puissance, de trafic, de nombres de missions. Le même satellite doit, pour des raisons économiques, être à même d'embarquer plusieurs charges utiles. Celles-ci font appel à des systèmes d'antennes dont les gains vont sans cesse croissant, ceci afin de garantir des spécifications toujours plus sévères sur les paramètres en vigueur, à savoir :
    - le nombre de pinceaux ;
    - le gain sur la ou/les couvertures ;
    - l'isolation interfaisceaux.
  • Les nouvelles charges utiles font appel à des systèmes d'antenne dont l'ouverture projetée peut varier de 3 à 6 mètres, voire plus. On conçoit aisément que pour diverses raisons, et notamment d'implantation et de masse, il n'est pas possible de multiplier le nombre de ces grandes antennes sur un même corps de satellite.
  • De façon générale, que ce soit dans le cas d'un réseau à rayonnement direct ou d'une antenne à réflecteur utilisant un réseau primaire, il est attractif d'utiliser la même surface rayonnante : ceci allant dans le sens d'une intégration maximale des fonctions et d'une meilleure optimisation de la charge utile au niveau du satellite.
  • L'invention a pour objet d'apporter une solution à ce genre de problème et de réaliser ainsi, sur une même surface physique, l'optimisation d'ensembles d'éléments rayonnants différents travaillant à des fréquences différentes.
  • L'invention propose à cet effet un dispositif rayonnant multifréquence, comprenant au moins un premier élément rayonnant d'un premier type, et au moins un élément rayonnant d'un second type associés, côte à côte, sur une même surface pour former une antenne réseau, caractérisé en ce que les éléments rayonnants du premier type sont des éléments de type microruban et les seconds des éléments de type filaire, les éléments rayonnants du premier type agissant dans une première gamme de fréquence, et les éléments rayonnants du second type dans une seconde gamme de fréquence.
  • Avantageusement une mise en réseau peut se faire de façon optimale pour des missions différentes, à des fréquences différentes et ce sur la même antenne rayonnante.
  • De plus la possibilité d'utiliser des troisièmes éléments rayonnants permet de résoudre le délicat problème de la mise en réseau d'éléments présentant des besoins d'espacement fondamentalement différents dus à leur directivité ou à leur fréquence de fonctionnement.
  • La non intéraction entre les différents types d'éléments rayonnants permet, enfin, de traiter et d'optimiser le réseau complet comme deux réseaux indépendants, chacun d'eux étant réalisés de façon optimum :
    - l'un utilisant les premiers éléments rayonnants ;
    - l'autre utilisant la combinaison des seconds et des troisièmes éléments rayonnants.
  • Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles :
    • - les figures 1 et 2 représentent schématiquement deux réalisations respectives du dispositif selon l'invention ;
    • - les figures 3 et 4 représentent deux vues en coupe d'éléments d'une réalisation du dispositif selon l'invention ;
    • - les figures 5 et 6 représentent schématiquement deux réalisations du dispositif selon l'invention.
  • Le dispositif rayonnant de l'invention, tel que représenté à la figure 1, comprend, associés sur une même surface 10, au moins deux types d'éléments rayonnants fonctionnant selon des principes différents :
    - des premiers éléments 11 rayonnants de type microrubans ou de type imprimés ("Patch" en anglais) ;
    - de second éléments 12 rayonnants de type filaire.
  • On obtient, ainsi, une antenne bi-fréquence qui permet de réaliser sur la même surface utile le rayonnement à une première fréquence à l'aide d'une antenne imprimée, le rayonnement à une seconde fréquence à l'aide une antenne filaire. L'impédance de fonctionnement de ces deux antennes permet d'optimiser celles-ci à des fréquences séparée, le découplage entre celle-ci étant assuré par le fait que les principes qui contribuent au rayonnement sont de natures différentes.
  • La figure 2 représente une variante de réalisation du dispositif de l'invention, pour laquelle l'implantation des premiers et des seconds éléments 11 et 12 a été modifiée. Le nombre de seconds éléments 12, par exemple de type filaire, implantés entre les premiers éléments 10, par exemple de type imprimé dépend de l'optimisation de l'antenne. Le réseau ainsi constitué peut d'ailleurs être de type triangulaire, carré, rectangulaire ou hexagonal.
  • Si l'on associe ainsi sur une même surface de tels éléments rayonnants fonctionnant selon des principes différents, on obtient une antenne bi-fréquence. Celle-ci permet en effet de réaliser sur la même surface utile le rayonnement à une fréquence à l'aide d'une antenne imprimée, le rayonnement à une autre fréquence par le biais d'une antenne filaire.
  • Une telle réalisation présente les deux caractéristiques suivantes :
    - L'antenne filaire n'affecte par les caractéristiques adaptation et rayonnement de l'antenne imprimée.
    - Du fait de principes de rayonnement différents, le couplage entre les deux éléments reste très faible.
  • Un certain nombre de types d'antennes filaires, peut être envisagé comme pouvant être montées sur l'antenne imprimée. Le choix précis dépend d'une optimisation par rapport à un besoin, et oriente la solution vers des dipôles, hélices monofilaires, hélices quadrifilaires...
  • Par rapport à un fonctionnement nominal (sans antenne imprimée) de l'élément filaire il n'y a aucun changement notable de performances de cette antenne lorsqu'elle est implantée sur une antenne imprimée ; le plan de masse vu par l'antenne filaire étant réalisé par l'ensemble du conducteur imprimé et du plan de masse général de l'antenne imprimée. Comme la fréquence de fonctionnement de l'antenne filaire ne correspond pas à une résonnance de l'antenne imprimée, l'antenne imprimée ne joue pas de rôle particulier (concentration de champ, cavité, résonnance).
  • Dans un autre l'exemple de réalisation du dispositif de l'invention, représenté à la figure 3, un premier élément 16 est associé à un second élément 19 sur une même surface projetée pour former un élément rayonnant dit "composé" ; ainsi on a :
    - un plan de masse 13, un substrat diélectrique 14 et une piste métallique 15 qui forment une antenne imprimée plane 16 ; cette antenne étant percée en son centre d'un trou 17 de passage ;
    - un câble coaxial 18 passant par ce trou 17 perpendiculairement au plan de l'antenne imprimée 16 ; ce câble se terminant à son extrémité libre par une antenne d'un autre type 19 ici un dipôle.
  • Dans l'exemple de réalisation, représenté à la figure 4, le câble coaxial 18 passant par le trou 17 se termine par une antenne 19 qui est alors une antenne en hélice.
  • L'antenne imprimée 16 ainsi définie est dimensionnée de façon à satisfaire aux exigences générales de sa mission. selon le cas et en fonction de l'application recherchée, elle consiste, par exemple, en :
    - un élément imprimé simple résonateur ;
    - un élément imprimé double résonateur ;
    - un élément double "patch" diplexant présentant des accès séparés pour deux gammes de fréquence par exemple un accès émission et un accès réception.
  • De son côté l'élément filaire 19 est défini en raison de spécifications propres à la mission à laquelle il est destiné. Sa géométrie, s'il s'agit d'un dipôle ou d'une hélice, fait l'objet d'une optimisation afin d'obtenir les performances désirées.
  • On peut alors réaliser une antenne réseau constituée d'éléments rayonnants composés ainsi décrits. Mais cette mise en réseau si elle ne fait appel qu'aux éléments tels que décrits pose de sérieux problèmes d'efficacité et l'optimisation simultanée des diverses missions s'avère délicate voire impossible à réaliser. Ainsi l'antenne, représentée à la figure 5, comprend notamment des éléments rayonnants imprimés 16 simples résonateurs pour réaliser par exemple une mission à 1,5 Ghz. Ce genre d'éléments présentant une directivité typique de l'ordre de 7 à 8 dB, la connaissance de leurs couplages mutuels permet d'envisager une utilisation satisfaisante ; c'est-à-dire à plus de 80% de rendement par rapport à la surface de la cellule élémentaire. Ces éléments sont alors situés :
    . à une distance d'environ da=0,67 λ OL pour une maille carrée ;
    . à une distance da de 0,70 à 0,72 λ OL pour une maille hexagonale ;
    λ OL étant la longueur d'onde de la fréquence du centre de la première gamme de fréquence, par exemple la bande L (1,5 - 1,6 GHz).
  • Ces contraintes de fonctionnement sur ces premiers éléments rayonnants 16 (couplage/espacement optimum) figent l'espacement inter-"patch" da et donc l'implantation générale du réseau.
  • Si l'on désire réaliser une mission à 2.00 GHz à l'aide de seconds éléments rayonnants 19, tels que décrits précédemment, on implante des dipôles 19 sur les "patch" 16. Typiquement ceux-ci présentent, une directivité de 5,20 dB.
  • Cette directivité nécessite une mise en réseau d'éléments identiques à une distance respectivement :
    - de 0,51 λ OS environ pour une maille carrée ;
    - de 0,55 λ OS environ pour une maille hexagonale ;
    λ OS étant la longueur d'onde du centre de la seconde gamme de fréquences par exemple la bande S (2 GHz).L'implantation étant nominalement bloquée par les distances inter-patch, on a donc dans la configuration considérée une géométrie qui correspondrait à des distances inter dipôles da de :
    - 0,89 λ OS (bande S) en maille carrée ;
    - 0,96 λ OS en maille hexagonale :
    Soit une perte à la mise en réseau de l'ordre de 4 à 5 dB pour les éléments dipôles 19 en bande S, trop fortement contraintes par l'implantation des éléments imprimés.
  • La solution à ce sous échantillonnage pour les éléments bande S consiste à disposer entre les "patchs" de troisièmes éléments 20 du même type que les seconds rayonnants donc dans la seconde gamme de fréquence.
  • L'implantation de tels éléments 20 est rendue possible par le fait que dans les zones considérées les densités de champ des éléments imprimés sont négligeables. Des mesures effectuées en considérant différentes distances d'implantation ont conforté ces résultats et démontré le peu d'impact de ces éléments additionnels sur le fonctionnement nominal des éléments composés bi-bandes 16-19.
  • Une telle configuration, telle que représentée sur la figure 6, permet donc de densifier considérablement le réseau des seconds éléments rayonnants 19 dont l'échantillonnage se trouve grandement amélioré et ce, sans impact notable sur les premiers éléments rayonnants 16.
  • Sur une maille hexagonale, comme représenté sur la figure 6, les distances inter dipôles obtenues correspondent, en incluant les éléments 19 et 20, à db=da/ √3 soit typiquement pour la maille hexagonale à db=0,96 λ OS/ √3, c'est-à-dire db=0,55 λ OS. Cette distance correspond donc à un échantillonnage optimal pour l'utilisation des dipôles en bande S. La réalisation du réseau bande S par l'intermédiaire des éléments 19 et 20 permet donc une utilisation de la surface avec une efficacité maximum et correspondant à la mise en réseau de façon optimale des éléments bande S seule.
  • Ce résultat s'explique, d'ailleurs, de façon immédiate en raisonnant sur les directivités : Avec un tel type de maille, un second élément rayonnant 19 se trouve entouré de six troisièmes éléments rayonnants 20. Chacun de ces éléments 20 se trouve utilisé conjointement avec trois éléments 19 de sorte que, rapporté à la maille hexagonale, tout se passe comme si ces trois éléments 19 contribuaient au rayonnement pour une cellule ; cette cellule présentant une surface S telle que : S = √3/2 . (0,96 λ OS)² soit S = 0,798 λ OS².
  • La directivité maximale DM d'une telle cellule est donnée par : DM = 4 S/ λ OS² soit DM 10=dB.
  • L'association de trois éléments rayonnants 19 de 5.2 dB en amplitude et phase correspond à un diagramme de directivité.
    Figure imgb0001
  • Une antenne réseau multifréquence peut donc être réalisée de façon optimale pour les diverses missions en faisant appel à :
    - d'une part des éléments rayonnants composés tels que représentés aux figures 3 et 4 ;
    - d'autre part des éléments additionnels 20 implantés entre ces éléments rayonnants composés..
  • La figure 6 présente l'implantation de ces éléments sur une maille hexagonale tandis que la figure 7 en donne un exemple pour une maille carrée.
  • La mise en réseau peut ainsi se faire de façon optimale pour des missions différentes, à des fréquences différentes et ce sur la même antenne rayonnante.
  • La possibilité d'utiliser des troisièmes éléments rayonnants 20 permet donc de résoudre le délicat problème de la mise en réseau d'éléments présentant des besoins d'espacement fondamentalement différents dus à leur directivité ou à leur fréquence de fonctionnement.
  • La non intéraction entre les différents types d'éléments rayonnants permet de traiter et d'optimiser le réseau complet comme deux réseaux indépendants. Chacun étant réalisés de façon optimum :
    - l'un utilisant les premiers éléments rayonnants 16 ;
    - l'autre utilisant la combinaison des seconds et des troisièmes éléments rayonnants 19 et 20.
  • Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et que l'on pourra remplacer ses éléments constitutifs par des éléments équivalents sans, pour autant, sortir du cadre de l'invention.
  • Ainsi la forme du dispositif rayonnant de l'invention peut, bien évidemment, ne pas être plane et être munie d'une certaine courbure (cylindrique, sphérique....), dépendant de son implantation particulière sur une structure : par exemple implantation sur des surfaces concaves.

Claims (8)

1/ Dispositif rayonnant multifréquence, comprenant au moins un premier élément rayonnant (11) d'un premier type, et au moins un élément rayonnant (12) d'un second type associés, côte à côte, sur une même surface (10) pour former une antenne réseau, caractérisé en ce que les éléments rayonnants du premier type (16) sont des éléments de type microruban et les seconds (19, 20) des éléments de type filaire, les éléments rayonnants du premier type (16) agissant dans une première gamme de fréquence, et les éléments rayonnants du second type (19, 20) dans une seconde gamme de fréquence.
2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ces éléments sont associés deux à deux pour former respectivement au moins un élément rayonnant composé (16, 19).
3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que de troisièmes éléments rayonnants (20) sont associés côte à côte à des éléments rayonnants composés (16, 19) pour former une antenne réseau.
4/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ces troisièmes éléments rayonnants (20) sont des éléments du second type.
5/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un élément rayonnant composé comprend un premier élément (16) formé d'un plan de masse (13), d'un substrat diélectrique (14) sur lequel est disposée une piste métallique (15), et un second élément (19) de type filaire qui traverse le premier élément dans un trou de passage (17) percé au centre de symétrie de la piste métallique (13), le plan de masse vu par l'élément filaire étant composé de la piste métallique (15) ainsi que du plan de masse général (13) de l'élément imprimé.
6/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux gammes de fréquence sont la bande L et la bande S.
7/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments rayonnants (16, 19, 20) forment un réseau en maille hexagonale.
8/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ces éléments rayonnants (16, 19, 20) forment un réseau en maille carrée.
EP89122316A 1988-12-08 1989-12-04 Dispositif rayonnant multifréquence Expired - Lifetime EP0372451B1 (fr)

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FR8816140A FR2640431B1 (fr) 1988-12-08 1988-12-08 Dispositif rayonnant multifrequence

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EP0372451A1 true EP0372451A1 (fr) 1990-06-13
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EP (1) EP0372451B1 (fr)
JP (1) JPH02214306A (fr)
CA (1) CA2004870C (fr)
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