EP0372451B1 - Multifrequency radiating device - Google Patents
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- EP0372451B1 EP0372451B1 EP89122316A EP89122316A EP0372451B1 EP 0372451 B1 EP0372451 B1 EP 0372451B1 EP 89122316 A EP89122316 A EP 89122316A EP 89122316 A EP89122316 A EP 89122316A EP 0372451 B1 EP0372451 B1 EP 0372451B1
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- 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 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 of mass, it is not possible to multiply the number of these large antennas on the same satellite body.
Description
L'invention concerne un dispositif rayonnant multifréquence.The invention relates to a multi-frequency radiating device.
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.
- the number of brushes;
- the gain on the cover (s);
- inter-beam insulation.
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.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 of mass, it is not possible to multiply the number of these large antennas on the same satellite body.
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.In general, whether in the case of a direct radiation array or a reflector antenna using a primary array, it is attractive to use the same radiating surface: this going in the direction of maximum integration functions and better optimization of the payload at the satellite level.
Il est connu par le document EP-A-0 188 345 une antenne réseau multifréquence, constituée par la réalisation d'une antenne réseau fonctionnant à une première fréquence, et une seconde antenne réseau fonctionnant à une deuxième fréquence, cette antenne primaire étant composé d'éléments rayonnants d'un premier type, soit des fentes, soit des pavés imprimés ; et cette antenne seconde étant composé d'éléments rayonnants d'un second type, qui sont dans ce document des "patches". Ce document enseigne la construction d'une seconde antenne pratiquement transparente à la fréquence de fonctionnement de la première antenne, de façon que la juxtaposition côte à côte des deux antennes ne gêne pas trop le fonctionnement de la première antenne. Ceci constitue néanmoins une contrainte importante dans la conception des deux antennes, car on ne peut les optimiser séparément du fait de couplages inévitables entre les deux antennes.Document EP-A-0 188 345 discloses a multi-frequency network antenna, constituted by the production of a network antenna operating at a first frequency, and a second network antenna operating at a second frequency, this primary antenna being composed of 'radiating elements of a first type, either slots or printed paving stones; and this second antenna being composed of radiating elements of a second type, which are in this document "patches". This document teaches the construction of a second virtually transparent antenna at the operating frequency of the first antenna, so that the juxtaposition side by side of the two antennas does not interfere too much with the operation of the first antenna. This nevertheless constitutes an important constraint in the design of the two antennas, since they cannot be optimized separately due to inevitable couplings between the two antennas.
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.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.
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, les éléments rayonnants du premier type agissant dans une première gamme de fréquence, et les éléments rayonnants du second type agissant dans une seconde gamme de fréquence, caractérisé en ce que les éléments du premier type sont des éléments de type microruban et les éléments du deuxième type sont des éléments de type filaire, et en ce que ces éléments sont associés deux à deux pour former au moins un élément rayonnant composé.To this end, 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 type associated, side by side, on the same surface to form an antenna. array, the radiating elements of the first type acting in a first frequency range, and the radiating elements of the second type acting in a second frequency range, characterized in that the elements of the first type are elements of the microstrip type and the elements of the second type are elements of the wire type, and in that these elements are associated two by two to form at least one compound radiating element.
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.Advantageously, networking can be done optimally for different missions, at different frequencies and this on the same radiating antenna.
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.In addition, the possibility of using third radiating elements makes it possible to solve the delicate problem of the networking of elements having fundamentally different spacing needs due to their directivity or to their operating frequency.
La non intéraction entre les différents types d'éléments rayonnants permet, enfin, de traiter et a'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.
- one using the first radiating elements;
- the other using the combination of the second and third radiating elements.
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.
- Figures 1 and 2 schematically represent two respective embodiments of the device according to the invention;
- Figures 3 and 4 show two sectional views of elements of an embodiment of the device according to the invention;
- Figures 5 and 6 schematically represent two embodiments of the device according to the 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.
- first radiating
elements 11 of microstrip type or printed type ("Patch" in English); - second radiating
elements 12 of wired type.
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.There is thus obtained a dual-frequency antenna which makes it possible to carry out radiation on the same useful surface at a first frequency using a printed antenna, radiation at a second frequency using a wire antenna. The operating impedance of these two antennas make it possible to optimize these at separate frequencies, the decoupling between them being ensured by the fact that the principles which contribute to radiation are of different natures.
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.FIG. 2 represents an alternative embodiment of the device of the invention, for which the layout of the first and
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.If one thus associates on the same surface such radiating elements operating according to different principles, one obtains a dual-frequency antenna. This in fact makes it possible to produce radiation on the same useful surface at one frequency using a printed antenna, radiation at another frequency by means of a wire antenna.
Une telle réalisation présente les deux caractéristiques suivantes :
- L'antenne filaire n'affecte pas 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.
- 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.
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...A certain number of types of wire antennas 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 ...
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, résonance).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).
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 impriméeplane 16 ; cette antenne étant percée en son centre d'untrou 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'unautre type 19 ici un dipôle.
- a
ground plane 13, adielectric substrate 14 and ametal track 15 which form a planar printedantenna 16; this antenna being pierced in its center with athrough hole 17; - a
coaxial cable 18 passing through thishole 17 perpendicular to the plane of the printedantenna 16; this cable ending at its free end by an antenna of anothertype 19 here a dipole.
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.In the embodiment, shown in Figure 4, the
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.
- 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.
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.For its part, the
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
- . à une distance da de 0,70 à 0,72 λ OL pour une maille hexagonale ;
- . at a distance of about
- . at a distance da of 0.70 to 0.72 λ OL for a hexagonal mesh;
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.These operating constraints on these first radiating elements 16 (optimum coupling / spacing) freeze the inter- "patch" spacing da and therefore the general layout of the network.
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 "patches" 16. Typiquement ceux-ci présentent, une directivité de 5,20 dB.If it is desired to carry out a mission at 2.00 GHz using
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 ;
- 0,89 λ OS (bande S) en maille carrée ;
- 0,96 λ OS en maille hexagonale :
- about 0.51 λ OS for a square mesh;
- about 0.55 λ OS for a hexagonal mesh;
- 0.89 λ OS (S band) in square mesh;
- 0.96 λ OS in hexagonal mesh:
La solution à ce sous échantillonnage pour les éléments bande S consiste à disposer entre les "patchses" de troisièmes éléments 20 du même type que les seconds rayonnants donc dans la seconde gamme de fréquence.The solution to this subsampling for the band elements S consists in placing between the "patches"
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.The implantation of
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.Such a configuration, as shown in FIG. 6, therefore makes it possible to considerably densify the network of
Sur une maille hexagonale, comme représenté sur la figure 6, les distances inter dipôles obtenues correspondent, en incluant les éléments 19 et 20, à
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 :
La directivité maximale DM d'une telle cellule est donnée par :
L'association de trois éléments rayonnants 19 de 5.2 dB en amplitude et phase correspond à un diagramme de directivité.
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.
A multi-frequency network antenna can therefore be optimally realized for the various missions by calling on:
- on the one hand, composed radiating elements as shown in FIGS. 3 and 4;
- on the other hand,
additional elements 20 located between these compound radiating elements.
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.Figure 6 shows the layout of these elements on a hexagonal mesh while Figure 7 gives an example for a square mesh.
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.Networking can thus be done optimally for different missions, at different frequencies and this on the same radiating antenna.
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.The possibility of using
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.
- one using the
first radiating elements 16; - the other using the combination of the second and
19 and 20.third radiating elements
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.It is understood that the present invention has only been described and shown as a preferred example and that its constituent elements can be replaced by equivalent elements without, however, departing from the scope of the 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.Thus 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.
Claims (8)
- A multifrequency radiating device comprising at least one first radiating element (11, 16) of a first type and at least one radiating element (12, 19, 20) of a second type, the elements being associated on a common surface (10) in order to constitute an array antenna, the radiating elements of the first type (11, 16) acting in a first frequency range and the radiating elements of the second type (12, 19, 20) acting in a second frequency range, the device being characterized in that the elements of the first type (11, 16) are elements of the microstrip type and the elements of the second type (12, 19, 20) are elements of the wire type; and in that the elements are associated in pairs in order to form at least one composite radiating element (16, 19).
- A device according to claim 1, characterized in that said composite radiating element comprises a first radiating element of said first type (11, 16) constituted by a ground plane (13), a dielectric substrate (14) and a metal track (15) deposited thereon, together with a second radiating element of said second type (19) of the wire type which passes through the first element via a hole (17) passing through the center of the metal track (13), with the ground plane as seen by the wire element being built up from the metal track (15) and from the general ground plane (13) of the first element.
- An array antenna constituted at least in part from a plurality of composite elements (16, 19) according to any preceding claim, with a plurality of said composite elements disposed on a structure serving as a support and forming the general ground plane (13).
- An array antenna according to claim 3, characterized in that it further comprises intermediate radiating elements (20) of a third type associated side-by-side with the composite radiating elements (16, 19).
- An array antenna according to claim 4, characterized in that said intermediate radiating elements (20) are elements of the wire type.
- A device according to claim 1, characterized in that the two frequency bands are the L band and the S band.
- A device according to claim 1, characterized in that the radiating elements (16, 19, 20) constitute a hexagonal lattice array.
- A device according to claim 1, characterized in that the radiating elements (16, 19, 20) constitute a square lattice array.
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