EP0497702B1 - Dispositif rayonnant pour antenne plane - Google Patents

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EP0497702B1
EP0497702B1 EP92400247A EP92400247A EP0497702B1 EP 0497702 B1 EP0497702 B1 EP 0497702B1 EP 92400247 A EP92400247 A EP 92400247A EP 92400247 A EP92400247 A EP 92400247A EP 0497702 B1 EP0497702 B1 EP 0497702B1
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EP
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line
radiating
conductive
ground plane
slot
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Olivier Remondière
Jean-François David
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Alcatel Espace Industries SA
Original Assignee
Alcatel Espace Industries SA
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/10—Resonant slot antennas
    • H01Q13/18—Resonant slot antennas the slot being backed by, or formed in boundary wall of, a resonant cavity ; Open cavity antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/064—Two dimensional planar arrays using horn or slot aerials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0464—Annular ring patch

Definitions

  • the invention relates to a radiating device for a planar antenna and in particular for a network antenna.
  • the frequencies covered range from UHF and VHF waves to millimeter waves.
  • the radiating elements are individually controlled in amplitude and / or in phase, this is called an active antenna: It is indeed possible to choose the shape of the antenna radiation diagram so as, for example, to select zones very different coverage (narrow, wide or formed beam) or perform an electronic scan.
  • the radiating elements which form the antenna condition the final performance, the technical characteristics (mass, environmental behavior, reliability), and the cost thereof by their intrinsic radio performance, their ability to be networked and their technology.
  • An antenna being made up of a few tens to a few thousand of such radiating elements, the unit cost of these is decisive in the overall cost of the antenna. This same type of reasoning also applies to other parameters such as mass.
  • the choice of technologies is important because it simplifies the conditions for adapting the antenna to its environment: For example, for space applications in geostationary orbit, it is important to be able to thermally control the antenna by simple means ( thermal blankets, paints) without using a demand for reheating power which affects the energy balance of the system. Under these conditions, temperature ranges as wide as -150 ° C; + 120 ° C can be obtained taking into account the thermo-optical characteristics of the surfaces.
  • Such an antenna is, moreover, subjected to flows of charged particles which must neither deteriorate the materials, nor cause electrostatic discharges after accumulation on insulating areas or poorly connected to ground.
  • An antenna must, moreover, retain all of its radioelectric qualities after having undergone the strong mechanical stresses due to launching.
  • the object of the invention is to solve these various problems.
  • a radiating device for a planar antenna comprising a first and a second ground plane, a slot, formed in the first ground plane, being supplied by electromagnetic coupling from a supply line, characterized in that it comprises an assembly of several conductive pieces of small thickness assembled together, the central part of the radiating slot being a conductive piece supported at its center by a support column.
  • this device comprises a body, forming a cavity, which is a machined metal part ensuring the various functions of lower ground plane for the central part of the radiating slot and for the supply line, of mechanical structure of the entire device, interface with a support structure for the entire radiating slot and support for the electrical interface between the supply line and this slot.
  • This device comprises a conductive cover attached to the body to constitute the upper ground plane allowing propagation in the line; this line being a conductive track maintained in the middle of the ground planes by dielectric spacers.
  • This device includes moreover, a coaxial cable for supplying the line, the core of which is soldered or welded on this line, and the external conductor of which is soldered or soldered directly to the body.
  • this device can be executed in the form of a sub-array of four identical elementary radiating elements, produced in a single mechanical assembly; a propagation line, which feeds four annular slots, comprising a 1 by 4 divider part between the radiating elements.
  • such a radiating device has a low mass, a low cost and remarkable radioelectric performance.
  • This device can be used both in isolation and within a network antenna. It has technical and economic qualities which are particularly suitable for spatial application, although simple adjustments do not call into question possible applications in other fields.
  • the radiating element is commonly called an annular slot.
  • annular slot Such an element is described in the article entitled "a new circularly polarized planar antenna fed by electromagnetical coupling and its subarray" by M. Haneishi, Y. Hakura, S. Saito, and T. Hasegawa ("18th European microwave conference proceeding" ; 12-15 September 1988; Swiss: pages 1074-1079).
  • a slot 10 is formed in a first ground plane 11. It is supplied by electromagnetic coupling from a supply line 12, of the triplate type, located at a lower level between the first ground plane. 11 and a second ground plane 13; this line 12 being held in position by a dielectric element 14.
  • the radiating device is shown in the Figures 2 and 3. It comprises a body 16 forming a cavity 24, a radiating annular slot 25 which is formed between the latter and a central disc (or "patch") 15, and a supply line 17.
  • the body 16 is a conductive piece, for example metallic, preferably machined in a single block, which performs the various functions of lower ground plane for the "patch” 15 and for the supply line 17, of mechanical structure of the assembly of the device, of interface with a supporting structure for the whole of the radiating slot 25 and of support for the electrical interface between the supply line and this slot 25.
  • the "patch" 15 is formed by a conductive part, for example circular, supported by a support column 18.
  • a conductive cover 19 is attached to the body 16 to form the upper ground plane allowing propagation in line 17.
  • This line 17 is a conductive track, monolithic or etched, held in the middle of the ground planes 16 and 19 by dielectric spacers 20. It can be supplied for example using a coaxial line 21.
  • the core 22 of this coaxial line 21 can be welded, or brazed, on line 17, while the external conductor 23 is welded or brazed directly on the body 16.
  • a couple of coaxial connectors is thus avoided.
  • excellent contacts are made between these different elements. These elements can either be obtained from the same block of material, or welded together (laser, electron bombardment, plasma, ...) or brazed with a filler metal known for its good properties with respect to PIMP generation.
  • This radiating device as shown in FIGS. 2 and 3, can be used alone or grouped in a sub-network, with the advantageous possibility of producing the distribution circuit of this sub-network on the same three-line line level.
  • the invention therefore provides a concrete, industrial, economical technological solution which presents exceptional radio performance, in particular from the point of view of losses and generation of passive intermodulation products (PIMP). It presents in in addition to great environmental stability, by simplifying the conditions of thermal control and protection against radiation (“Electro Static Discharge” phenomena).
  • PIMP passive intermodulation products
  • the various conductive parts used are made of light alloys, composite materials with a metallic matrix or any other insulating or conductive material provided that it is metallized; these parts being assembled together by welding, and / or by brazing, selected for their low generation of PIMP. These parts have very thin walls; the necessary stiffness or additional resistance being provided by local reinforcements.
  • Against by the support column 18 may optionally be made of dielectric material, and the pins 20 are made of dielectric.
  • a radiating device of the L-band subnetwork type with circular monopolarization comprises a sub-network of four elementary radiating elements identical to the previous one. This sub-network is produced in a single mechanical assembly. The propagation line supplying the annular slots then comprises a divider part (25) 1 by 4 between the radiating elements.
  • the production technology is identical in all respects to that described above.

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Description

  • L'invention concerne un dispositif rayonnant pour antenne plane et notamment pour antenne réseau.
  • Une antenne réseau présente la particularité de posséder une ouverture réalisée par un nombre important d'éléments rayonnants ; le rayonnement de cette antenne étant la synthèse des rayonnements de chaque élément rayonnant. Le développement de telles antennes est récent et on leur trouve actuellement des applications dans des domaines aussi variés que :
    • le contrôle du trafic aérien,
    • la réception par satellite (télévision, messagerie, communication avec les mobiles),
    • les antennes spatiales : télédétection et observation de la terre (radars), relais de données, antennes de télécommunications.
  • Les fréquences couvertes vont des ondes UHF et VHF jusqu'aux ondes millimétriques. Lorsque les éléments rayonnants sont commandés individuellement en amplitude et/ou en phase, on parle alors d'antenne active : Il est en effet possible de choisir la forme du diagramme de rayonnement de l'antenne de manière à, par exemple, sélectionner des zones de couverture très différentes (faisceau étroit, large ou formé) ou effectuer un balayage électronique.
  • Les éléments rayonnants qui forment l'antenne conditionnent les performances finales, les caractéristiques techniques (masse, tenue à l'environnement, fiabilité), et le coût de celle-ci par leurs performances radioélectriques intrinsèques, leur capacité à être mis en réseau et leur technologie.
  • Une antenne étant constituée de quelques dizaines à quelques milliers de tels éléments rayonnants, le coût unitaire de ceux-ci est déterminant dans le coût global de l'antenne. Ce même type de raisonnement s'applique aussi à d'autres paramètres tels que la masse. Le choix des technologies est important car il permet de simplifier les conditions d'adaptation de l'antenne à son environnement : Par exemple, pour des applications spatiales en orbite géostationnaire, il est important de pouvoir contrôler thermiquement l'antenne par des moyens simples (couvertures thermiques, peintures) sans avoir recours à une demande de puissance de réchauffage qui grêve le bilan énergétique du système. Dans ces conditions, des gammes de températures aussi larges que -150°C ; + 120°C peuvent être obtenues en tenant compte des caractéristiques thermo-optiques des surfaces. Une telle antenne est, de plus, soumise à des flux de particules chargées quine doivent ni détériorer les matériaux, ni provoquer de décharges électrostatiques après accumulation sur des zones isolantes ou mal reliées à la masse.
  • Une antenne doit, en outre, conserver toutes ses qualités radioélectriques après avoir subi les fortes contraintes mécaniques dues au lancement.
  • Certaines de ces qualités, par exemple l'aptitude à ne générer que de très faibles niveaux de produits d'intermodulation passifs, sont extrêmement liées aux technologies utilisées (association des différents matériau, géométries des éléments) et à la façon dont elles supportent l'environnement opérationnel (en particulier thermique).
  • L'invention a pour objet de résoudre ces différents problèmes.
  • Elle propose à cet effet un dispositif rayonnant pour antenne plane, comprenant un premier et un second plans de masse, une fente, pratiquée dans le premier plan de masse, étant alimentée par couplage électromagnétique à partir d'une ligne d'alimentation, caractérisé en ce qu'il comporte un assemblage de plusieurs pièces conductrices de faible épaisseur assemblées entre elles, la partie centrale de la fente rayonnante étant une pièce conductrice supportée en son centre par une colonne de soutien.
  • Dans une réalisation avantageuse, ce dispositif comporte un corps, formant une cavité, qui est une pièce métallique usinée assurant les différentes fonctions de plan de masse inférieur pour la partie centrale de la fente rayonnante et pour la ligne d'alimentation, de structure mécanique de l'ensemble du dispositif, d'interface avec une structure porteuse pour l'ensemble de la fente rayonnante et de support pour l'interface électrique entre la ligne d'alimentation et cette fente. Ce dispositif comporte un couvercle conducteur rapporté sur le corps pour constituer le plan de masse supérieur autorisant la propagation dans la ligne ; cette ligne étant une piste conductrice maintenue au milieu des plans de masse par des entretoises diélectriques. Ce dispositif comporte de plus un câble coaxial, d'alimentation de la ligne, dont l'âme est brasée ou soudée sur cette ligne, et dont le conducteur extérieur est soudé ou brasé directement sur le corps.
  • Dans un exemple de réalisation, ce dispositif peut être exécuté sous la forme d'un sous-réseau de quatre éléments rayonnants élémentaires identiques, réalisé en un seul ensemble mécanique ; une ligne de propagation, qui alimente quatre fentes annulaires, comportant une partie diviseur 1 par 4 entre les éléments rayonnants.
  • Avantageusement un tel dispositif rayonnant présente une faible masse, un faible coût et des performances radioélectriques remarquables. Ce dispositif peut aussi bien être utilisé isolément qu'au sein d'une antenne réseau. Il présente des qualités techniques et économiques particulièrement appropriées pour une application spatiale, bien que de simple aménagements ne mettent pas en cause des applications éventuelles dans d'autres domaines.
  • 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 :
    • La figure 1 illustre un dispositif de l'art connu ;
    • les figures 2 et 3 représentent respectivement une vue en coupe et une vue de dessus du dispositif selon l'invention ;
    • les figures 4 et 5 représentent deux exemples de réalisation du dispositif de l'invention.
  • L'élément rayonnant, tel que représenté sur la figure 1, est communément appelé fente annulaire. Un tel élément est décrit dans l'article intitulé "a new circularly polarised planar antenna fed by electromagnetical coupling and its subarray" de M. Haneishi, Y. Hakura, S. Saito, et T. Hasegawa ("18th european microwave conference proceeding" ; 12-15 septembre 1988 ; Stockholm : pages 1074 à 1079). Dans un tel élément rayonnant une fente 10 est pratiquée dans un premier plan de masse 11. Elle est alimentée par couplage électromagnétique à partir d'une ligne 12 d'alimentation, de type triplaque, située à un niveau inférieur entre le premier plan de masse 11 et un second plan de masse 13 ; cette ligne 12 étant maintenue en position grâce à un élément diélectrique 14.
  • Le dispositif rayonnant selon l'invention est représenté sur les figures 2 et 3. Il comporte un corps 16 formant une cavité 24, une fente annulaire rayonnante 25 qui est réalisée entre celui-ci et un disque central (ou "patch") 15, et une ligne 17 d'alimentation. Le corps 16 est une pièce conductrice, par exemple métallique, usinée de préférence en un seul bloc, qui assure les différentes fonctions de plan de masse inférieur pour le "patch" 15 et pour la ligne d'alimentation 17, de structure mécanique de l'ensemble du dispositif, d'interface avec une structure porteuse pour l'ensemble de la fente rayonnante 25 et de support pour l'interface électrique entre la ligne d'alimentation et cette fente 25. Le "patch" 15 est formé d'une pièce conductrice, par exemple circulaire, supportée par une colonne de soutien 18. Un couvercle conducteur 19 est rapporté sur le corps 16 pour constituer le plan de masse supérieur autorisant la propagation dans la ligne 17. Cette ligne 17 est une piste conductrice, monolithique ou gravée, maintenue au milieu des plans de masse 16 et 19 par des entretoises diélectriques 20. Elle peut être alimentée par exemple à l'aide d'une ligne coaxiale 21.
  • Dans une application où une faible génération de produits d'intermodulation passifs (PIMP) est recherchée, l'âme 22 de cette ligne coaxiale 21 peut être soudée, ou brasée, sur la ligne 17, alors que le conducteur extérieur 23 est soudé ou brasé directement sur le corps 16. Un couple de connecteurs coaxiaux est ainsi évité. De plus, on réalise des contacts excellents entre ces différents éléments. Ces éléments peuvent être soit obtenus à partir du même bloc de matière, soit soudés entre eux (laser, bombardement électronique, plasma,...) soit brasés avec un métal d'apport connu pour ses bonnes propriétés vis-à-vis de la génération PIMP.
  • Ce dispositif rayonnant, tel que représenté sur les figures 2 et 3, peut être utilisé seul ou regroupé en sous-réseau, avec la possibilité avantageuse de réaliser le circuit de répartition de ce sous-réseau sur un même niveau de ligne triplaque.
  • L'invention propose donc une solution technologique concrête, industrielle, économique qui présente des performances radioélectriques exceptionnelles en particulier du point de vue des pertes et de la génération de produits d'intermodulation passifs (PIMP). Elle présente en outre une grande stabilité à l'environnement, en simplifiant les conditions de contrôle thermique et de protection contre les radiations (phénomènes "Electro Static Discharge").
  • Dans le dispositif de l'invention les différentes pièces conductrices utilisées sont réalisées dans des alliages légers, des matériaux composites à matrice métallique ou tout autre matériau isolant ou conducteur pourvu qu'il soit métallisé ; ces pièces étant assemblées entre elles par soudure, et/ou par des brasures, sélectionnées pour leur faible génération de PIMP. Ces pièces ont des parois de très faible épaisseur ; la raideur ou la résistance supplémentaire nécessaire étant fournies par des renforts locaux. Par contre la colonne de soutien 18 peut éventuellement être réalisée en matériau diélectrique, et les pions 20 sont réalisés en diélectrique.
  • Dans un premier exemple de réalisation de l'invention, tel que représenté sur la figure 4, on considère un dispositif simple rayonnant, en bande L, et en monopolarisation circulaire. Le métal utilisé est un alliage d'aluminium. Le corps est obtenu par usinage à commande numérique, en laissant des épaisseurs de parois aussi faibles que 0,6 mm environ, et des renforts locaux pour pouvoir supporter un environnement de lancement spatial. Le "patch" 15 ainsi que le couvercle 19 sont obtenus par découpe d'une tôle en alliage d'aluminium de faible épaisseur (par exemple environ 5/10 mm). Ces éléments sont rapportés respectivement sur la colonne de soutien 18 et sur le corps 16 par soudure laser (sans métal d'apport). La piste 17 est découpée dans une tôle d'alliage de cuivre (d'épaisseur par exemple environ 3/10 mm). Elle est maintenue entre les plans de masse par des pions diélectriques 20. La piste 17 est alimentée par un câble coaxial 21 dont le conducteur extérieur est brasé (23) à l'or/étain sur le corps 16 argenté alors que l'âme est soudée par soudure laser 22 sur la piste 17 avant fermeture par le couvercle. Après une optimisation radioélectrique, il est apparu que deux étages de "patch" 15 et 15′ étaient nécessaires pour obtenir les caractéristiques radioélectriques recherchées. Ce dispositif rayonnant a été soumis à des vibrations aléatoires avec un niveau intégré entre 20 et 2000 Hz de 70 gRMS (RMS = valeur quadratique moyenne), sans dégradations. Ses caractéristiques sont les suivantes :
    • directivité : 9,7 dB
    • pertes : < 0,3 dB
    • TE : < 2 dB
    • TOS : < - 20 dB
    • bande passante : 5,5 %
    • dimensions : épaisseur = 20 mm ; largeur = 12 cm ; longueur = 18 cm
    • masse : 0,1 kg
  • Dans un second exemple de réalisation on considère un dispositif rayonnant de type sous-réseau en bande L à monopolarisation circulaire. Ce dispositif comprend un sous-réseau de quatre éléments rayonnants élémentaires identiques au précédent. Ce sous-réseau est réalisé en un seul ensemble mécanique. La ligne de propagation alimentant les fentes annulaires comporte alors une partie diviseur (25) 1 par 4 entre les éléments rayonnants. La technologie de réalisation est en tous points identique à celle décrite précédemment.
  • Les caractéristiques mesurées sont les suivantes :
    • directivité : 15 dB
    • pertes < 0,3 dB
    • TE : < 2 dB
    • TOS : < - 20 dB
    • bande passante : 10%
    • tenue en puissance : > 100 watts
    • niveau de PIMP à l'ordre 7 et 9 sous 2 x 40 W, entre - 110°C et + 110°C : < 155 dBc (dBc : dB en dessous de la valeur crête de la puissance transmise)
    • dimensions : épaisseur = 7 mm ; largeur = 35 cm ; longueur = 35 cm
    • masse : environ 0,4 kg.
  • En utilisant les caractéristiques de l'invention, il est également possible de réaliser d'autres dispositifs rayonnants, tel que :
    • . Elément simple en bande C, simple polarisation linéaire,
    • . Elément simple et sous réseau de quatre en bande Ku simple polarisation linéaire,
    • . Elément simple en bande Ku, double polarisation linéaire.

Claims (8)

  1. Dispositif rayonnant pour antenne plane, comprenant un plan de masse inférieur et un plan de masse supérieur, une fente (25), pratiquée dans le plan de masse supérieur autour d'une partie centrale étant alimentée par couplage électromagnétique à partir d'une ligne d'alimentation (17), caractérisé en ce qu'il comporte un assemblage de plusieurs pièces conductrices de faible épaisseur incluant un corps (16) formant une cavité (24), qui est une pièce conductrice usinée assurant les fonctions de plan de masse inférieur pour la partie centrale (15) de la fente rayonnante et pour la ligne d'alimentation (17) et de structure mécanique de l'ensemble du dispositif, la partie centrale de la fente rayonnante (25) étant une pièce conductrice (15) disposée dans ladite cavité (24) et supportée en son centre par une colonne de soutien (18), elle-même supportée par ledit corps (16).
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit corps (16) sert aussi d'interface avec une structure porteuse pour l'ensemble de la fente rayonnante (25) et de support pour l'interface électrique entre la ligne d'alimentation et cette fente (25).
  3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un couvercle conducteur (19) rapporté sur le corps (16) pour constituer le plan de masse supérieur autorisant la propagation dans la ligne (17) ; cette ligne (17) étant une piste conductrice maintenue au milieu des plans de masse par des entretoises diélectriques (20).
  4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte un câble coaxial (21), d'alimentation de la ligne (17), dont l'âme est brasée ou soudée sur cette ligne (17), et dont le conducteur extérieur (23) est soudé ou brasé directement sur le corps (16).
  5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un sous-réseau de quatre éléments rayonnants élémentaires identiques réalisé en un seul ensemble mécanique ; une ligne de propagation, qui alimente quatre fentes annulaires, comportant une partie diviseur (25) 1 par 4 entre les éléments rayonnants.
  6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce conductrice (15) est recouverte par au moins un autre dispositif résonant (15′) destiné à en modifier les caractéristiques radioélectriques.
  7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les pièces conductrices sont réalisées dans des alliages légers, des matériaux composites à matrice métallique ou tout autre matériau isolant ou conducteur pourvu qu'il soit métallisé.
  8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les pièces conductrices sont assemblées entre elles par soudage (laser, faisceau d'électron,...) ou brasage ou assemblage vissé.
EP92400247A 1991-02-01 1992-01-30 Dispositif rayonnant pour antenne plane Expired - Lifetime EP0497702B1 (fr)

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FR9101152A FR2672437B1 (fr) 1991-02-01 1991-02-01 Dispositif rayonnant pour antenne plane.

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EP0497702A1 EP0497702A1 (fr) 1992-08-05
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EP (1) EP0497702B1 (fr)
JP (1) JPH04320101A (fr)
DE (1) DE69202160T2 (fr)
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