EP0423853B1

EP0423853B1 - Antenne plane haute fréquence pour polarisation circulaire

Info

Publication number: EP0423853B1
Application number: EP19900202438
Authority: EP
Inventors: Marc Société Civile S.P.I.D. Boguais
Original assignee: Philips Electronique Gran Public; Koninklijke Philips Electronics NV; Philips Electronics NV
Current assignee: Philips Electronique Gran Public; Koninklijke Philips NV
Priority date: 1989-09-19
Filing date: 1990-09-14
Publication date: 1995-12-06
Anticipated expiration: 2010-09-14
Also published as: EP0423853A1; JP3000168B2; FR2652204A1; DE69024022T2; JPH03238904A; DE69024022D1

Description

La présente invention a pour objet une antenne plane de réception, et/ou d'émission, comportant une pluralité de pastilles rayonnantes pour ondes haute fréquence à polarisation circulaire, les dites pastilles rayonnantes étant dimensionnées et adaptées à une fréquence préférentielle parmi une bande de fréquences possibles, chaque pastille comportant sur sa périphérie quatre points dits N, S, E, O situés comme les points cardinaux, les dites ondes à polarisation circulaires étant équivalentes à deux ondes orthogonales polarisées linéairement, de même amplitude, en quadrature de phase, et dont les signaux hyperfréquence sont présents sur chaque pastille respectivement soit au point N et/ou S, soit au point E et/ou O, les dites pastilles rayonnantes étant disposées selon une grille en forme de parallélogramme dont la maille est un parallélogramme et étant reliées entre elles par une pluralité de lignes de propagation dans lesquelles les dits signaux hyperfréquence de la dite fréquence préférentielle se propagent avec une longueur d'onde guidée égale à "λ", la dite pluralité de lignes comportant un premier ensemble de lignes horizontales reliant chacune un à un les points E et O situés en vis à vis les uns des autres, chaque ligne ayant une longueur égale à λ/2 + iλ avec i = 0, 1, 2, etc, un deuxième ensemble de lignes verticales reliant chacune un à un les points N et S situés en vis à vis les uns des autres, chaque ligne ayant une longueur égale à λ/2 + jλ avec j = 0, 1, 2, etc, un troisième ensemble de lignes reliant entre eux les points O des pastilles situées le plus à l'ouest dans la grille ou bien les points E des pastilles situées le plus à l'est dans la grille, et un quatrième ensemble de lignes reliant entre eux les points N des pastilles situées le plus au nord dans la grille, ou bien les points S des pastilles situées le plus au sud dans la grille.
Une telle antenne est notamment destinée à la réception de la télévision par satellite de forte puissance comme TDF1, TDF2, TVSAT... .
Une antenne correspondant au préambule ci-dessus est décrite dans la demande de brevet PCT publiée sous le numéro WO 89/02662 ; cette antenne connue comporte des lignes de propagation et un mode de connexion qui ne permet pas la réception simultanée des ondes à polarisation droite et gauche. En outre, l'obtention d'un gain satisfaisant se heurte à des difficultés d'implémentation des lignes de propagation et des connexions de sortie.
La présente invention a pour but de supprimer ces inconvénients.
Un antenne conforme à la présente invention est particulièrement remarquable en ce que le troisième ensemble de lignes relie les points O ou E un à un en série, chaque ligne ayant une longueur égale ou équivalente à λ + kλ avec k = 0, 1, 2, etc, pour sommer en un unique point dit H les énergies additionnées par le premier ensemble, le point H étant situé à proximité d'un des coins de la grille, en ce que le quatrième ensemble de lignes relie les points N ou S un à un en série, chaque ligne ayant une longueur égale ou équivalente à λ + lλ avec l = 0, 1, 2, etc, pour sommer en un unique point dit V les énergies additionnées par le second ensemble, le point V étant situé à proximité du même coin de la grille que le point H, et en ce que la dite pluralité de lignes comporte en outre une ligne unique reliant les deux dits points H et V et passant par deux points de connexion D et G positionnés pour que : GH - GV = λ/4 + mλ/2 = DV - DH avec m = 0, 1, 2, etc, de telle sorte que le signal d'une onde à polarisation circulaire droite est présent au point D, et que le signal d'une onde à polarisation circulaire gauche est présent au point G.
Ainsi avec un choix judicieux des lignes de propagation et de leur longueur, une antenne plane particulièrement simple à réaliser est obtenue. Il n'y a aucune restriction quant à la forme des lignes, des pastilles et de la grille.
Préférentiellement, une cellule rayonnante élémentaire construite selon l'invention est telle que :

la grille est un carré comportant 4 pastilles rayonnantes,
chaque pastille est un carré disposé de telle sorte que ses côtés soient parallèles à ceux de la grille,
les lignes des dits premier et deuxième ensembles sont des lignes droites de longueur λ/2, c'est-à-dire que i = j = O,
les autres dites lignes de propagation ont des longueurs telles que : k = l = m = O,
cette cellule étant utilisable pour une onde à polarisation circulaire droite et/ou gauche selon que l'un ou l'autre ou les deux points de connexion D et/ou G sont connectés.

Une telle cellule rayonnante élémentaire constitue un mode préféré de réalisation compte-tenu de la surface minimum qu'elle utilise pour un gain maximum.
Afin d'augmenter le gain, avantageusement l'antenne comporte un groupe de deux dites cellules rayonnantes élémentaires utilisées pour une seule et même polarisation circulaire, les deux cellules rayonnantes étant géométriquement tournées de 90° l'une par rapport à l'autre, et physiquement disposées de telle sorte que leurs points de connexion soient en vis à vis l'un par rapport à l'autre pour être reliés à une sortie commune par deux lignes de propagation dont la différence de longueur est égale à λ/4.
Ainsi le gain est augmenté et la pureté de polarisation est améliorée.
Pour augmenter encore le gain, une antenne comporte avantageusement un sous-ensemble constitué de deux dits groupes tournés géométriquement de 180° et dont les deux sorties communes sont reliées chacune, par une ligne de propagation de longueur λ/2, à un accès unique.
Du fait de cette disposition, la composante croisée des pastilles rayonnantes est considérablement atténuée.
Enfin il est encore possible de réaliser une antenne qui comporte un ensemble constitué de quatre dits sous-ensembles alimentés deux à deux en opposition de phase.
Ainsi le rayonnement des lignes de propagation est atténué tout en augmentant encore le gain jusqu'à l'obtention d'une antenne de dimensions admissibles pour être commercialisée dans le grand public.
En effet une telle antenne plane est avantageusement réalisée en technique micro-ruban comportant trois couches, à savoir :

une couche conductrice constituant la face rayonnante réalisée soit par gravure d'un feuillard de cuivre, soit par sérigraphie à l'encre conductrice,
une couche de substrat diélectrique dont l'épaisseur est relative à la bande de fréquence choisie,
un plan de masse dont l'épaisseur est suffisante pour la rigidité mécanique et la fixation de l'antenne.

La présente invention sera mieux comprise à l'aide d'exemples, non limitatifs, de réalisation illustrés par les dessins suivants :

la figure 1 représente une antenne selon l'invention,
les figures 2a, 2b, 2c, 2d représentent des variantes d'antenne comportant 4 pastilles rayonnantes,
la figure 3 représente une antenne à 8 pastilles pour polarisation droite,
la figure 4 représente une antenne à 16 pastilles pour polarisation droite,
la figure 5 représente une antenne à 64 pastilles pour polarisation droite,
la figure 6 représente une antenne à 64 pastilles pour polarisation gauche,
les figures 7 et 8 représentent une antenne à 256 pastilles.

Toutes les figures décrites ci-après ne représentent que le plan de la surface rayonnante et des lignes de propagation de la couche conductrice ; les autres couches et la technique de connexion vers les modules de traitement du signal sont standard ; il est seulement à noter que l'adaptation de la dimension des pastilles et de la longueur des lignes de propagation dépend des caractéristiques électriques des différentes couches, notamment de la couche diélectrique : constante diélectrique, tangente de pertes,...
De ce fait, la longueur de l'onde guidée dans le micro-ruban, appelée "λ" dans la suite, ne peut pas être directement indiquée en fonction de la longueur d'onde dans l'air de la fréquence préférentielle.
Sur toutes ces figures, les éléments ayant la même fonction sont repérés de manière identique.
Sur la figure 1, un parallélogramme (PPR) composé de pastilles rayonnantes (PR) est représenté en pointillé ; les pastilles sont reliées par des lignes de propagation LV, LH,...ce qui constitue une antenne de dimension indéterminée ; le parallélogramme n'est pas nécessairement rectangle, et ses côtés peuvent être inégaux tant en nombre de pastilles qu'en dimensions des lignes, les lignes elles-mêmes ne sont pas nécessairement des lignes droites.
Cette antenne générale est agencée pour recevoir (et/ou émettre) des ondes haute fréquence à polarisation circulaire. Une onde à polarisation circulaire est équivalentes à deux ondes orthogonales à polarisation linéaire.
Chaque pastille (PR) comporte 4 points cardinaux (N, S, E, O) où apparaissent ces différentes ondes.
Avec un premier ensemble de lignes horizontales (LH), les points E et O en vis à vis l'un de l'autre sur deux pastilles voisines sont reliés et un signal est alors présent au bout de chaque ligne, par exemple aux points H1, H2,... . Pour que les signaux soient en phase, il est indispensable que chaque ligne (LH) ait une longueur, entre deux pastilles, égale à λ/2 + iλ avec i = 0, 1, 2,... . Le choix de "i" et l'éventuelle sinuosité des lignes (LH) conditionne la dimension du parallélogramme.
Similairement, avec un deuxième ensemble de lignes verticales (LV), les points N et S en vis à vis l'un de l'autre sur deux pastilles voisines sont reliés et un signal est alors présent au bout de chaque ligne, par exemple aux points V1, V2,... . Chaque ligne (LV) a une longueur égale à λ/2 + jλ avec j = 0, 1, 2,... "j" n'est pas nécessairement égal à "i".
Avec un troisième ensemble de lignes brisées LSH, les points H1, H2,... sont reliés un à un en série ; sur la figure 1, les points H1, H2,... sont situés au même endroit que les points O des pastilles situées sur le côté du parallélogramme ; chaque ligne LSH a une longueur égale à λ + kλ avec k = 0, 1, 2,... . Les lignes LSH ont pour but de rassembler en un seul point, le point H sur la figure 1, les signaux présents au bout des lignes LH.
Similairement, avec un quatrième ensemble de lignes brisées LSV , les signaux présents au bout des lignes LV sont rassemblés au point V. Chaque ligne LSV a une longueur égale à λ + lλ avec l = 0, 1, 2,... .
Les points H et V sont avantageusement choisis dans un même coin du parallélogramme de telle sorte qu'une ligne unique (HDGV) les relie en passant par deux points de connexion D et G positionnés pour que :
GH - GV = λ/4 + m λ/2 = DV - DH avec m = 0, 1, 2,... .
Ainsi, à la réception, une onde à polarisation circulaire droite est présente au point D, et une onde à polarisation circulaire gauche est présente au point G. La connexion des modules de traitement standard du signal s'effectue entre le plan de masse et soit le point D, soit le point G, soit les deux simultanément. Il en est clairement de même à l'émission pour émettre des ondes droite, gauche ou les deux. Dans tous les cas, la connexion est permanente et ne nécessite pas d'être modifiée ou coupée même momentanément.
Les figures 2a, 2b, 2c, 2d représentent des variantes de l'antenne de la figure 1. Pour simplifier la représentation, chaque variante ne comporte que quatre pastilles rayonnantes et les lignes de propagation sont représentées en prenant les valeurs minimales, c'est-à-dire : i = j = k = l = m = O, mais ces valeurs ne sont clairement pas limitatives.
La figure 2a est pratiquement similaire à la figure 1 avec seulement quatre pastilles.
La figure 2b ne se différencie que par la disposition des pastilles carrées. De ce fait, les points N, S, E, O ne sont plus au milieu des côtés mais dans les angles, toutefois, dans tous les cas, les points N, S, E, O sont situés sur la périphérie comme les points cardinaux.
Sur la figure 2c, les pastilles rayonnantes sont rondes et le reste est inchangé.
Sur la figure 2d, une variante des lignes LSH et LSV a été introduite par rapport à la figure 2a, de ce fait les points H et V ne sont plus respectivement confondus avec les points O et S de la pastille de coin ; cette disposition peut-être avantageuse pour "aérer" la gravure des lignes de propagation. Il est clair que, pour respecter les longueurs des lignes des troisième et quatrième ensembles il faut ici que : HH₁ - HH₀ = λ = VV₁ - VV₀, etc... .
L'antenne représentée par la figure 2a constitue un mode de réalisation préférentiel à partir duquel les antennes des figures suivantes sont réalisées mais ceci n'est pas une limitation, l'antenne 2a est appellée cellule rayonnante élémentaire.
L'antenne de la figure 3 comporte deux cellules rayonnantes élémentaires pour augmenter le gain et la surface rayonnante. Les points de connexion respectifs D1 et D2 sont reliés à une sortie commune SC par des lignes de propagation de longueurs telles que : $\bar{SC/D1} - \bar{SC/D2} = λ/4$

pour tenir compte du fait que les deux cellules sont géométriquement tournées de 90° l'une par rapport à l'autre. Il est en effet avantageux de disposer les deux cellules rayonnantes élémentaires de telle sorte que les points D1 et D2 sont aussi proches que possibles pour éviter des lignes de propagation trop longues, et pour améliorer la pureté de polarisation sur l'unique sortie SC.
L'antenne de la figure 4 comporte deux groupes, tels que celui de la figure 3, tournés géométriquement de 180° et dont les sorties communes SC1 et SC2 sont reliées par une ligne de propagation de longueur λ/2 pour n'avoir qu'un seul accès, ici SC2 tel que représenté. Cette agencement de l'antenne permet d'atténuer la composante croisée des pastilles rayonnantes tout en augmentant le gain.
L'antenne de la figure 5 comporte 4 sous-ensembles, tels que celui de la figure 4, dont les accès uniques respectifs AC1, AC2, AC3, AC4 sont alimentés deux à deux en opposition de phase au moyen de lignes de propagation agencées pour permettre la connexion de l'antenne par un point NEX.
L'antenne de la figure 5 est convenable pour une onde à polarisation droite puisque chaque cellule rayonnante élémentaire est connectée par son point D.
L'antenne de la figure 6 lui est tout à fait similaire, mais cette fois, convenable pour une onde gauche puisque seuls les points G sont connectés.
L'antenne de la figure 7 comporte quatre éléments tels que représentés à la figure 5, l'unique sortie (US) se trouve au centre de l'antenne.
L'antenne de la figure 8 est construite similairement à partir de la figure 6.
Telles que représentées, les antennes 7 et 8 comportent 16x16=256 pastilles rayonnantes reliées à la sortie (US) par les lignes de propagation décrites.
A titre d'exemple numérique non limitatif, des essais ont montré que l'antenne 7 est convenable pour le satellite TDF1; ce satellite émet à la fréquence de 12GHz ce qui correspond à une longueur d'onde dans l'air de 25 mm; avec une antenne dont le substrat a une épaisseur de 1,6 mm et une constante diélectrique relative à l'air de 2,2, les lignes de propagation sont dimentionnées pour une dite longueur d'onde guidée 'λ' de l'ordre de 19 mm et les pastilles carrées ont sensiblement 8 mm de côté; il en résulte une antenne plane carrée de sensiblement 300 mm de côté.
La qualité d'image obtenue avec une antenne est souvent estimée numériquement par le rapport C/N (porteuse/bruit ou carrier/noise) mesuré à la sortie du convertisseur de fréquence associé à l'antenne, l'antenne décrite étant pointée au mieux vers le satellite TDF1, c'est-à-dire face à lui, et étant associée à un convertisseur de fréquence de facteur de bruit 1,6 dB, un rapport C/N voisin de 15 dB peut être obtenu au centre de la France par temps clair.

Claims

Antenne plane de réception, et/ou d'émission, comportant une pluralité de pastilles rayonnantes (PPR) pour ondes haute fréquence à polarisation circulaire, les dites pastilles rayonnantes étant dimensionnées et adaptées à une fréquence préférentielle parmi une bande de fréquences possibles, chaque pastille comportant sur sa périphérie quatre points dits N, S, E, O situés comme les points cardinaux, les dites ondes à polarisation circulaires étant équivalentes à deux ondes orthogonales (OH et OV) polarisées linéairement, de même amplitude, en quadrature de phase, et dont les signaux hyperfréquence sont présents sur chaque pastille respectivement soit au point N et/ou S, soit au point E et/ou O, les dites pastilles rayonnantes étant disposées selon une grille en forme de parallélogramme dont la maille est un parallélogramme et étant reliées entre elles par une pluralité de lignes de propagation dans lesquelles les dits signaux hyperfréquence de la dite fréquence préférentielle se propagent avec une longueur d'onde guidée égale à "λ", la dite pluralité de lignes comportant un premier ensemble de lignes horizontales (LH) reliant chacune un à un les points E et O situés en vis à vis les uns des autres, chaque ligne ayant une longueur égale à λ/2 + iλ avec i = 0, 1, 2, etc, un deuxième ensemble de lignes verticales (LV) reliant chacune un à un les points N et S situés en vis à vis les uns des autres, chaque ligne ayant une longueur égale à λ/2 + jλ avec j = 0, 1, 2, etc, un troisième ensemble de lignes (LSH) reliant entre eux les points O des pastilles situées le plus à l'ouest dans la grille ou bien les points E des pastilles situées le plus à l'est dans la grille, et un quatrième ensemble de lignes (LSV) reliant entre eux les points N des pastilles situées le plus au nord dans la grille, ou bien les points S des pastilles situées le plus au sud dans la grille, caractérisé en ce que le troisième ensemble de lignes relie les points O ou E un à un en série, chaque ligne ayant une longueur égale ou équivalente à λ + kλ avec k = 0, 1, 2, etc, pour sommer en un unique point dit H les énergies additionnées par le premier ensemble (LH), le point H étant situé à proximité d'un des coins de la grille, en ce que le quatrième ensemble de lignes relie les points N ou S un à un en série, chaque ligne ayant une longueur égale ou équivalente à λ + lλ avec l = 0, 1, 2, etc, pour sommer en un unique point dit V les énergies additionnées par le second ensemble (LV), le point V étant situé à proximité du même coin de la grille que le point H, et en ce que la dite pluralité de lignes comporte en outre une ligne unique (HDGV) reliant les deux dits points H et V et passant par deux points de connexion D et G positionnés pour que : GH - GV = λ/4 + mλ/2 = DV - DH avec m = 0, 1, 2, etc, de telle sorte que le signal d'une onde à polarisation circulaire droite est présent au point D, et que le signal d'une onde à polarisation circulaire gauche est présent au point G.
Cellule rayonnante élémentaire construite comme une antenne plane selon la revendication 1, caractérisée en ce que :
- la grille est un carré comportant 4 pastilles rayonnantes,

- chaque pastille est un carré disposé de telle sorte que ses côtés soient parallèles à ceux de la grille,

- les lignes des dits premier et deuxième ensembles sont des lignes droites de longueur λ/2 (i = j = O),

- les autres dites lignes de propagation ont des longueurs telles que : k = l = m = O,
cette cellule étant utilisable pour une onde à polarisation circulaire droite et/ou gauche selon que l'un ou l'autre ou les deux points de connexion D et/ou G sont connectés.
Antenne plane composée de cellules rayonnantes selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comporte un groupe de deux dites cellules rayonnantes élémentaires utilisées pour une seule et même polarisation circulaire, les deux cellules rayonnantes étant géométriquement tournées de 90° l'une par rapport à l'autre, et physiquement disposées de telle sorte que leurs points de connexion soient en vis à vis l'un de l'autre pour être reliés à une sortie commune (SC) par deux lignes de propagation dont la différence de longueur est égale à λ/4.
Antenne plane selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comporte un sous-ensemble constitué de deux dits groupes tournés géométriquement de 180° et dont les deux sorties communes sont reliées chacune par une ligne de propagation de longueur λ/2 à un unique accès.
Antenne plane selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comporte un ensemble constitué de quatre dits sous-ensembles alimentés deux à deux en opposition de phase.
Antenne plane caractérisée en ce qu'elle comporte 4 ensembles selon la revendication 5.
Antenne plane selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est réalisée en technique micro-ruban comportant trois couches, à savoir :
- une couche conductrice constituant la face rayonnante réalisée soit par gravure d'un feuillard de cuivre, soit par sérigraphie à l'encre conductrice,

- une couche de substrat diélectrique dont l'épaisseur est relative à la bande de fréquence choisie,

- un plan de masse dont l'épaisseur est suffisante pour la rigidité mécanique et la fixation de l'antenne.
Antenne plane selon la revendication 7, adaptée à une fréquence d'émission de 12 GHz, caractérisée en ce que
- le dit substrat a une épaisseur de 1,6 mm et une constante diélectrique de 2,2,

- les lignes de propagation sont dimentionnées pour une dite 'λ' de l'ordre de 19 mm,

- les pastilles carrées ont sensiblement 8 mm de côté.