EP0542595A1

EP0542595A1 - Dispositif d'antenne microruban perfectionné, notamment pour transmissions téléphoniques par satellite

Info

Publication number: EP0542595A1
Application number: EP92402921A
Authority: EP
Inventors: Philippe Freyssinier; Joel Medard
Original assignee: Dassault Electronique SA
Current assignee: Thomson CSF Detexis SA
Priority date: 1991-11-14
Filing date: 1992-10-27
Publication date: 1993-05-19
Anticipated expiration: 2012-10-27
Also published as: GR3032025T3; US5995047A; DK0542595T3; ES2140405T3; EP0542595B1; JP2868197B2; DE69230365D1; CA2082580A1; CA2082580C; RU2117366C1; JPH0629724A; FR2683952B1; DE69230365T2; ATE187280T1; PT542595E; FR2683952A1

Abstract

Une antenne comprend une première couche diélectrique (D1) comportant d'un côté un plan-masse (PM1), et de l'autre un premier pavé conducteur (P1) de forme choisie. Une seconde couche diélectrique (D2) surmonte la première du côté du premier pavé, et supporte de l'autre côté, en regard du premier pavé, un second pavé conducteur (P2) de forme choisie. Une troisième couche diélectrique (DR) surmonte la seconde. Le second pavé (P2) est de taille inférieure à celle du premier pavé (P1), et ce premier pavé (P1) est alimenté par le bas, en au moins un point choisi (FR1), situé entre son centre et sa périphérie. Avantageusement, le premier pavé (P1) est relié à une traversée (TR1) du plan-masse rejoignant un circuit d'alimentation (DL1, DL2) implanté dans un substrat diélectrique de structure tri-plaque (SDH, SDB).

Description

L'invention concerne les dispositifs d'antennes microrubans ou "microstrip".
De nombreuses structures d'antennes ont déjà été décrites en ce domaine. La structure rayonnante microruban la plus simple comprend une couche diélectrique, portant d'un coté un pavé conducteur de forme choisie, et de l'autre un plan conducteur que l'on appelle plan-masse. Pour obtenir une antenne, il faut définir le mode d'alimentation de cette structure en énergie hyperfréquence.
L'idée de prévoir un empilement de pavés superposés a été décrite dans l'article de LONG & WALTON, "A dual-frequency stacked circular disk antenna", IEEE Transactions on Antenna and Propagation, Vol. AF 27, N° 2, mars 1979. D'autres propositions ont été formulées depuis.
En ce qui concerne l'alimentation d'antennes à deux pavés superposés, il faut distinguer deux cas très différents du point de vue fonctionnel, suivant que l'alimentation s'effectue au niveau du pavé supérieur ou du pavé inférieur (le plus proche du plan masse).
Dans le cas où l'alimentation est réalisée au niveau du'pavé inférieur, il s'agit le plus souvent d'une connexion à la périphérie de ce pavé. De surcroît, on prévoit systématiquement un pavé supérieur de taille plus grande que celle du pavé inférieur (voir notamment l'article de TULINTSEFF, ALI, et KONG, "Input impédance of a probe-fed stacked circular microstrip antenna", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 39, N° 3, mars 1991).
L' homme du métier sait que la mise au point des antennes à pavés superposés est particulièrement délicate. Des tentatives ont été faites pour en modéliser les propriétés. On citera à titre d'exemple l'article de COCK et CHRISTODOULOU, "Design of a two-layer, capacitively coupled, microstrip patch antenna element for broad band applications", IEEE Symposium on antenna propagation, 1987. Malgré ces tentatives, il reste extrêmement difficile de prévoir par modélisation et de comprendre le comportement des structures microruban comportant deux pavés superposés, ou plus.
La Demanderesse s'est posé notamment le problème de réaliser une antenne conforme à balayage électronique, destinée au système de communication avec des mobiles tels que les aéronefs (système dit SATCOM).
Ce système est prévu pour fonctionner avec le groupe de satellites géostationnaires gérés par l'organisme INMARSAT. En ce qui concerne au moins les applications aux aéronefs, le service de télécommunications proposé est régi par une norme internationale dite ARINC 741.
Techniquement, il s'agit de mettre au point une antenne capable d'opérer d'une part en émission, d'autre part en réception, dans deux bandes très voisines, à savoir un peu plus de 1,5 gigahertz pour la réception, et un peu plus de 1,6 gigahertz pour l'émission.
La fonction balayage électronique est nécessaire pour cette antenne, du fait du mouvement du mobile porteur, que l'on suppose ici être un aéronef. Il y a lieu également de choisir entre une antenne de toit, ou deux antennes latérales. Dans le cas de deux antennes latérales, la norme ARINC précitée a défini deux empreintes officielles acceptables, délimitant le volume dans lequel doit s'inscrire l'antenne prévue.
L'antenne doit également être conforme, c'est-à-dire susceptible de s'adapter à la forme de paroi exacte du mobile porteur. Elle doit encore être peu épaisse, afin de minimiser les traînées aérodynamiques, et bien entendu conçue pour respecter les caractéristiques mécaniques requises pour la structure de l'aéronef.
Lors des recherches qu'elle a menées, la Demanderesse a constaté qu'il était possible de concevoir une antenne microruban allant pratiquement à l'opposé des solutions admises jusqu'à présent par les hommes du métier.
La présente invention propose donc un élément d'antenne fondamentalement différent de ceux connus jusqu'à présent.
Cet élément d'antenne est du type comprenant une première couche diélectrique comportant d'un côté un plan-masse, et de l'autre un premier pavé conducteur de forme choisie, une seconde couche diélectrique, qui surmonte la première couche, du côté du premier pavé, et supporte de l'autre côté, en regard du premier pavé, un second pavé conducteur de forme choisie, une troisième couche diélectrique surmontant la seconde, ainsi que des moyens d'alimentation hyperfréquence de l'un des pavés conducteurs.
Selon l'invention, le second pavé est de taille inférieure à celle du premier pavé, et ce premier pavé est alimenté par le bas, en au moins un point choisi, situé entre son centre et sa périphérie.
Avec cette structure, il est apparu possible de construire une antenne opérationnelle, sous réserve de choisir la position du point en question, en fonction des tailles respectives des premier et second pavés, des caractéristiques diélectriques des première et seconde couches diélectriques, ainsi que de celles de la troisième couche diélectrique, qui possède de préférence des constantes diélectriques nettement supérieures à celles des deux autres.
Selon un autre aspect de l'invention, le premier pavé est relié à une traversée du plan-masse rejoignant un circuit d'alimentation implanté dans un substrat diélectrique de structure type triplaque. Plus particulièrement, la structure triplaque comprend une couche-substrat implantée entre le plan-masse déjà cité et un plan-masse bas; entre les deux plans-masse sont prévues des traversées conductrices définissant un blindage périphérique de la partie alimentation de l'élément d'antenne. De préférence, on prévoit un diviseur de Wilkinson propre à alimenter le pavé inférieur en deux points formant avec son centre un triangle sensiblement rectangle isocèle, tandis que les signaux respectifs apportés à ces deux points sont en quadrature. Le diviseur de Wilkinson est implanté à un niveau intermédiaire de la couche substrat, conformément à la structure triplaque. Ce niveau intermédiaire sert en pratique de niveau de distribution de l'alimentation entre un connecteur central pour l'ensemble de l'antenne, et les différents éléments d'antennes qui vont constituer celle-ci, dans l'application comme antenne-réseau.
Dans un mode de réalisation avantageux, les deux pavés sont de forme générale circulaire, et ces deux pavés sont sensiblement coaxiaux, c'est-à-dire qu'ils sont situés sur la même perpendiculaire aux plans des couches diélectriques.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels :

la figure 1 est un schéma de principe général d'un élément d'antenne, en perspective éclatée ;
la figure 2 est une vue en coupe partielle fragmentée d'un élément d'antenne ;
la figure 3 est une vue partielle détaillée (superposée) du branchement du pavé inférieur à son alimentation par diviseur de Wilkinson ;
la figure 4 est une vue de dessous des 24 diviseurs de Wilkinson, pour une antenne à 24 éléments, interconnectés à un connecteur central ;
la figure 5 est une vue de dessus de 24 pavés inférieurs, correspondant précisément à la figure 4 ; et
la figure 6 est un diagramme représentant le coefficient de réflexion de l'antenne en fonction de la fréquence.

L'homme du métier sait que la forme est importante dans les dispositifs microrubans. Par ailleurs, les dessins sont, pour l'essentiel, de caractère certain. Ils pourront donc être incorporés à la description, non seulement pour mieux faire comprendre celle-ci, mais aussi pour contribuer à la définition de l'invention, le cas échéant.
Sur les figures 1 et 2, la référence PM0 désigne un plan-masse inférieur, qui peut être assemblé à l'aide d'une colle isolante sur une tôle à incorporer à la paroi de l'aéronef. Ce plan-masse inférieur est surmonté de deux couches diélectriques SDB et SDH (respectivement basse et haute). La couche SDH est à son tour surmontée d'un autre plan-masse PM1. L'ensemble forme une structure triplaque, avec des métallisations appropriées gravées entre les couches SDB et SDH, ou plus exactement sur l'une de ces couches.
Fondamentalement, ces métallisations comprennent une ligne d'alimentation L, qui ensuite se subdivise à la façon d'un diviseur de Wilkinson, schématisé sur la figure 1, mais mieux visible sur les figures 3 et 4. Ce diviseur comprend deux branches DL1 et DL2 qui d'abord s'écartent l'une de l'autre, pour se rejoindre à un niveau où elles sont connectées à une résistance RLL implantée dans l'épaisseur de la couche SDB, mais sans rejoindre le plan-masse inférieur PM0. Ensuite, les deux branches DL1 et DL2 s'écartent à nouveau pour rejoindre des points d'alimentation respectifs EL1 et EL2.
Ces points EL1 et EL2 sont reliés par des traversées TR1 et TR2 (non reliées au plan-masse PM1) à des points d'alimentation FR1 et FR2 prévus sur le pavé inférieur P1, ou pavé pilote, gravé sur la face supérieure d'une couche diélectrique D1 placée au-dessus du plan-masse PM1.
Comme visible sur les figures 3 et 4, les parties terminales des gravures DL1 et DL2 sont de longueurs différentes, de façon que, électromagnétiquement, les signaux disponibles au niveau des points FR1 et FR2 soient sensiblement en quadrature l'un avec l'autre. Corrélativement, les points d'alimentation FR1 et FR2 du pavé P1 sont sensiblement situés à angle droit l'un de l'autre.
Ces deux points sont situés à des distances d1 et d2 du centre du pavé P1 qui sont en principe égales. On reviendra plus loin sur le choix de ces distances. Mais il est possible d'indiquer immédiatement que ces distances d1 et d2 sont en principe comprises entre 50% et 100% du rayon du pavé P1 (noté DP1/2 sur la figure 3).
Au-dessus du pavé P1 est prévue une seconde couche diélectrique D2, de même constante diélectrique que la couche D1, mais d'épaisseur plus grande, comme visible sur la figure 2. En partie supérieure, la couche D2 reçoit par gravure un second pavé conducteur P2 (pavé couplé), qui est en principe circulaire et coaxial au pavé P1, mais comporte un diamètre inférieur à celui du pavé P1.
L'élément d'antenne se complète d'une couche diélectrique supplémentaire DR, formant radôme, et possédant en principe une constante diélectrique nettement supérieure à celle des couches D1 et D2.
Sur les figures 2 et 4, il apparaît en outre que la ligne L se poursuit jusqu'à un passage par trou métallisé, vers un connecteur hyperfréquence général CCH, du type coaxial, situé derrière la tôle métallique sous-jacente au plan-masse inférieur PM0.
Par ailleurs, rapprochant les figures 2 et 4, il apparaît que ce connecteur est muni pour chaque plot d'un blindage périphérique en forme de fer à cheval, traversant l'ensemble de la couche diélectrique SDB. Ce blindage pourrait être défini par une couche conductrice continue. La Demanderesse a constaté qu'il était suffisant de prévoir un certain nombre de plots traversants, entourant l'emplacement de la traversée CCH, avec un espacement entre ces plots qui reste suffisamment inférieur à la longueur d'onde des signaux hyperfréquence traités.
De même, les plots périphériques tels que BP11, BP12 et BP13 définissent un blindage de l'alimentation de l'élément d'antenne considéré, par rapport aux éléments d'antennes voisins, et par rapport à l'extérieur.
On notera par contre qu'au-dessus du plan-masse PM1, il n'est prévu aucune isolation de l'élément d'antenne par rapport à ses voisins.
La figure 5 montre comment l'on peut disposer 24 éléments d'antenne pour former une antenne à balayage électronique conforme, satisfaisant les conditions du problème posé. Comme déjà indiqué, ces éléments d'antenne sont reliés à un connecteur général, à 24 broches (au moins). En amont de ce connecteur, il est prévu pour chaque élément d'antenne un traitement de déphasage réciproque individuel, à l'aide de déphaseurs DPH, comme schématisé sur la figure 2.
Les principaux paramètres intervenant dans une telle antenne sont :

la hauteur et la constante diélectrique des trois couches DR, D2 et D1;
les diamètres des pavés P1 et P2; et
le rayon d = d1 = d2 des deux points d'alimentation du pavé inférieur P1.

Le problème posé, dans l'application particulière visée, est d'obtenir de l'élément d'antenne unitaire un comportement double (Figure 6):

a) un comportement bi-fréquences comportant une très bonne adaptation (meilleure que -20 décibels), sur deux fréquences F1 et F2;
b) un comportement large bande, assurant au moins une adaptation de -10 décibels entre des fréquences F3 et F4 contenant l'intervalle de fréquence F1 et F2.

La Demanderesse a observé que, pourvu que les fréquences F1 et F2 ne soient pas trop éloignées l'une de l'autre, et dès lors que sont fixés les paramètres de hauteurs et constantes diélectriques des trois couches précitées, il existe pratiquement une seule solution, en termes de rayons des deux pavés et de rayon d'alimentation du pavé P1, qui permette de satisfaire les conditions qui viennent d'être rappelées.
Toute modification de l'un des paramètres fait qu'il devient très difficile de retrouver une situation susceptible de satisfaire lesdites conditions.
Bien que les phénomènes en cause ne soient pas encore complètement compris, il semble que, dans le cas général, tout se passe comme si un seul des deux pavés P1 et P2 résonnait à la fréquence de travail. Par contre, il existe un tout petit domaine, dans les paramètres de définition de l'antenne, pour lequel les deux pavés interagissent, tout en présentant un comportement typiquement bi-fréquences, comme souhaité. Et il faut encore rechercher le point optimal de ce comportement bi-fréquences, pour répondre aux conditions de fonctionnement voulues pour l'antenne, telles que rappelées ci-dessus.
En particulier, il s'est avéré qu'il est pratiquement très difficile de faire fonctionner l'élément d'antenne, sans y adjoindre une couche supérieure de radôme DR.
La Demanderesse a ainsi pu réaliser des antennes répondant aux paramètres suivants :

épaisseur de la couche DR : 1,5 à 2,5 mm;
constante diélectrique relative de la couche DR : de 4 à 5 ; - épaisseur de la couche D2 : environ 4,8 mm;
épaisseur de la couche D1 : environ 1,6 mm;
constantes diélectriques relatives des couches D1 et D2 ainsi que SDB et SDH : environ 2 ;
diamètre du pavé P1 : environ 70 mm;
diamètre du pavé P2 : environ 60 mm;
rayon des points d'alimentation FR1 et FR2 : entre 0,5 et 0,7 fois le rayon du pavé P1.

De telles antenne peuvent satisfaire les conditions posées, pour la bande de travail SATCOM, à savoir:

coefficient de réflexion meilleur que -20 dB à la fréquence centrale de réception (1,545 GHz) ;
coefficient de réflexion meilleur que -20 dB à la fréquence centrale d'émission (1,645 GHz) ;
comportement passe-bande à mieux que -10 dB entre 1,53 et 1,66 GHz.

On s'intéressera maintenant à la constitution du réseau d'éléments d'antennes tel qu'illustré sur les figures 4 et 5.
Tout d'abord, il a été indiqué plus haut que chaque pavé inférieur est alimenté en deux points situés sur deux rayons sensiblement perpendiculaires l'un à l'autre.
Il est apparu intéressant de distribuer convenablement les deux points d'alimentation, et ce d'une façon différente pour les 24 éléments d'antenne illustrés. La Demanderesse a constaté que ceci permet de diminuer le taux d'ellipticité de l'antenne, compte tenu du fait que celle-ci opère en polarisation circulaire, et avec balayage électronique. A cet effet, il est possible soit de distribuer les points d'alimentation sensiblement au hasard, soit de rechercher expérimentalement une configuration optimale du point de vue de ce taux d'ellipticité ( par exemple comme sur la figure 5).
L'antenne réseau à balayage électronique ainsi obtenue s'est avérée capable de fonctionner pour des angles de dépointage allant jusqu'à 60°, avec des niveaux de lobes secondaires suffisamment bas, et un gain de 12 décibels au moins par rapport à une antenne isotrope.
Un bon compromis entre la perte de gain et le niveau des lobes secondaires a été obtenu en appliquant une loi d'éclairement faiblement pondérée en amplitude. Ce peut être une loi de Taylor, de type circulaire 20 décibels, ces indications étant compréhensibles pour l'homme du métier.
Les déphaseurs associés à chacun des éléments d'antenne peuvent être intégrés dans l'unité d'orientation du faisceau (ou BSU pour "Beam Steering Unit"), logée à l'intérieur de l'avion.
On utilise avantageusement des déphaseurs à lignes commutés par des diodes PIN, commandées par des mots binaires de 4 bits, ce qui procure une résolution de 22,5°.
Le distributeur, intégré au bloc déphaseur, assure la pondération en amplitude suivant la loi précitée.
Dans l'application particulière visée, l'antenne doit fonctionner simultanément en émission et en réception, à des fréquences relativement voisines. Pour ce qui concerne la calibration des déphaseurs de balayage électronique, il y a lieu de mettre en phase ou "phaser" le réseau, sur une bande d'environ 8%.
Plutôt que de calculer la loi de phase à la fréquence milieu de la bande, la Demanderesse a constaté qu'il était préférable de tenir compte de l'utilisation de deux bandes de fréquences distinctes, ainsi que de la quantification et de la nature des déphaseurs (lignes commutées). A cet effet, elle utilise le procédé de calibration décrit ci-après.
Soit un élément Ai d'une antenne conforme, donc non plane, de coordonnées (au centre) Xi, Yi, Zi. Lorsqu'on veut dépointer le faisceau principal dans la direction U,V à la fréquence f, il y a lieu d'appliquer à cet élément d'antenne Ai un déphasage théorique DPi, qui est une fonction de f, U et V que connaît l'homme de l'art: $DPi ( f, U, V)$
En pratique, on utilise une table de calibration TC (n, F) où n est un entier (ou autre variable discrète) représentant l'état requis du déphaseur, avec 0 <= n <= N, tandis qu'on se limite aussi à des valeurs discrètes de la fréquence F. Ceci s'écrit: $DQi (F, n)$
Dans l'exemple visé, on prend 101 points de fréquence dans la bande 1,53 - 1,66 GHz ; et N = 15, avec n défini sur 4 bits. Ce procédé ne "phase" le réseau correctement que pour une seule fréquence. Or l'antenne a un comportement essentiellement bi-fréquence.
La Demanderesse a alors établi une "distance" entre la phase théorique et la phase tabulée, pour les deux fréquences f1 et f2, en particulier de la forme:

où ¦ désigne la valeur absolue.
La calibration consiste alors à rechercher a priori, pour chaque direction de visée et chaque élément d'antenne, la valeur de n qui minimise cette fonction DDi.
La commande des déphaseurs est effectuée en conséquence. Bien entendu, cette calibration peut être mémorisée.
La présente invention n'est pas nécessairement limitée au mode de réalisation décrit, ni à l'application visée. L'élément d'antenne peut lui-même servir à d'autres applications, pourvu qu'on en conserve la structure nouvelle. Est également à considérer la combinaison d'un élément microruban et d'une alimentation tri-plaque, dans le même empilement diélectrique.
La polarisation peut être autre que la polarisation circulaire du mode de réalisation décrit.
Une autre particularité de l'invention est qu'elle peut éviter, pour les couches D1 et D2, le recours à des diélectriques de faible constante, ou poreux, voire constitués d'un gaz.

Claims

Dispositif d'antenne, du type comprenant une première couche diélectrique (D1) comportant d'un côté un plan-masse (PM1), et de l'autre un premier pavé conducteur (P1) de forme choisie, une seconde couche diélectrique (D2), qui surmonte la première couche, du côté du premier pavé, et supporte de l'autre côté, en regard du premier pavé, un second pavé conducteur (P2) de forme choisie, une troisième couche diélectrique (DR) surmontant la seconde, ainsi que des moyens d'alimentation hyperfréquence de l'un des pavés conducteurs, caractérisé, en combinaison, en ce que le second pavé (P2) est de taille inférieure à celle du premier pavé (P1), et en ce que le premier pavé (P1) est alimenté par le bas, en au moins un point choisi (FR1), situé entre son centre et sa périphérie.
Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier pavé (P1) est relié à une traversée (TR1) du plan-masse rejoignant un circuit d'alimentation (DL1, DL2) implanté dans un substrat diélectrique de structure tri-plaque (SDH, SDB).
Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux pavés (P1, P2) sont de forme générale circulaire.
Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les deux pavés (P1, P2) sont sensiblement coaxiaux.
Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les matériaux diélectriques des première et seconde couches (D1, D2) et du substrat (SDH, SDB) ont une constante diélectrique de l'ordre de 2, et en ce que le rapport des épaisseurs des seconde (D2) et première (D1) couches est de l'ordre de 3.
Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le matériau diélectrique de la troisième couche (DR) a une constante diélectrique de l'ordre de 4.
Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la structure triplaque comprend une couche-substrat (SDH, SDB) implantée entre le plan-masse (PM1) et un plan-masse bas (PMB), avec des traversées conductrices (BP11-BP13) définissant un blindage périphérique, et un diviseur de Wilkinson (DL1, DL2, RLL), implanté à un niveau intermédiaire de la couche-substrat, et propre à alimenter le pavé inférieur en deux points (FR1, FR2) formant avec son centre un triangle sensiblement rectangle isocèle.
Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le matériau diélectrique de la couche substrat (SDH, SDB) possède sensiblement la même constante diélectrique que ceux des première et seconde couches (D1, D2).
Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un réseau de premiers (P1) et seconds (P2) pavés respectivement implantés sur les mêmes première et seconde couches diélectriques.
Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est associé à des déphaseurs commandés (DPH) lui conférant une fonction de balayage électronique.
Dispositif selon la revendication 10, prise en combinaison avec l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que les couples de points d'alimentation (FR1, FR2) des pavés inférieurs sont distribués pour améliorer le taux d'ellipticité de l'antenne, aux forts dépointages.
Dispositif selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que les déphaseurs (DPH) sont calibrés à partir d'une fonction de distance entre valeurs théoriques et valeurs réelles, pour l'une et l'autre des deux fréquences centrales de l'antenne.