EP2080248A1 - Dispositif de couplage fente / pastille ellipsoïdale pour l'alimentation directe par guide d'ondes d'une antenne plate - Google Patents

Dispositif de couplage fente / pastille ellipsoïdale pour l'alimentation directe par guide d'ondes d'une antenne plate

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Publication number
EP2080248A1
EP2080248A1 EP07820977A EP07820977A EP2080248A1 EP 2080248 A1 EP2080248 A1 EP 2080248A1 EP 07820977 A EP07820977 A EP 07820977A EP 07820977 A EP07820977 A EP 07820977A EP 2080248 A1 EP2080248 A1 EP 2080248A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
slot
antenna
line
sub
coupling pad
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07820977A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
John Bartholomew
Eduardo Motta Cruz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bouygues Telecom SA
Original Assignee
Bouygues Telecom SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bouygues Telecom SA filed Critical Bouygues Telecom SA
Publication of EP2080248A1 publication Critical patent/EP2080248A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0037—Particular feeding systems linear waveguide fed arrays
    • H01Q21/0043—Slotted waveguides
    • 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
    • H01Q21/065—Patch antenna array

Definitions

  • the field of the invention is that of telecommunication antennas, and more particularly that of antennas for radio-relay systems (FH antennas).
  • FH antennas radio-relay systems
  • the invention relates to flat antennas for radio-relayed microwave systems, and more precisely to electromagnetic coupling by slot between a power transmission line, typically a waveguide, and a power supply line. of radiating elements of the flat antenna.
  • Satellite dishes are commonly used for radio-relay systems.
  • a rectangular waveguide is generally connected to a remote cabinet at the rear of the antenna to achieve radio access to the antenna.
  • Flat antennas now tend to be preferred over satellite dishes.
  • Flat antennas have the advantage of being equivalent surface, globally as effective as parabolic antennas. And these flat antennas are characterized by their compactness and low weight.
  • a flat antenna comprises a network of radiating elements integrated in the dielectric substrate of the antenna.
  • the flat antenna more specifically comprises a set of linear subarrays parallel to each other, each linear subarray consisting of a set of radiating elements.
  • the radiating elements are typically each consisting of a conductive square surface having a corner connected to a subnetwork supply line (typically in the form of a microstrip line).
  • the power supply of the flat antenna is conventionally performed by providing the antenna with a coaxial connector, and by connecting the antenna to a waveguide via a guide-coaxial transition.
  • FIG. 1 represents the solution recommended by this article, a solution according to which an electromagnetic coupler is produced from a waveguide 1 towards a microstrip line 2, using a patch 3 placed above a slot 4 in the ground plane 5 of the antenna and communicating with the waveguide 1.
  • the micro-ribbon line 2 has more precisely a rectangular coupling pad 3 placed above a rectangular slot 4.
  • the chip 3 thus harvests the energy radiated by the waveguide 1 through the slot 4, and thus makes it possible to transmit the power of the waveguide 1 to the micro-ribbon line 2.
  • BE 1 013 508 proposes a planar antenna of the type of the subject of the preamble of claim 1, having an element (element 300 in Figure 19) to ensure the slot / power line coupling radiating patches under the shape of a rectangular coupling pad.
  • JR JAMES AND PS HALL: "handbook of microstrip antennas, vol.1" relates to the generation of a circular polarization using an antenna with circular radiating elements fed by a microstrip line. It will be noted that this manual does not relate to an antenna structure according to the invention, which implements an electromagnetic coupling by slot between a waveguide and the microstrip line. A fortiori, this manual does not deal with any coupling pad able to take energy in the guide to redistribute it to the radiating elements via the microstrip line.
  • the object of the invention is to propose means for electromagnetic coupling of a waveguide to a micro-ribbon line which allow increased performances both in terms of the purity of the polarity of the radiation and in terms of power transfer of the guide. towards the line, and vice versa.
  • the invention relates to a flat antenna comprising: • a substrate; At least one sub-array of radiating elements disposed on the substrate, said sub-network comprising:
  • a sub-network supply line comprising a coupling pad
  • a power transmission line arranged with respect to the ground plane so as to perform an electromagnetic coupling by slot between said power transmission line and the coupling pad of each of the subnetwork supply lines; the antenna being characterized in that the coupling pad is of ellipsoidal shape.
  • this antenna Some preferred, but not limiting, aspects of this antenna are:
  • the pellet is circular
  • the slot is rectangular and its perimeter is of a wavelength in the middle of the substrate
  • the width of the slot is less than half the thickness of the substrate
  • the slot is rectangular, and the diameter of the pellet is chosen so that the pellet covers the slot about 2/3 of the length of the slot;
  • the antenna is an antenna for radio-relay systems in the band 37.21 GHz to 38.66 GHz;
  • the radiating elements connected to the supply line are spaced apart by half a wavelength in the medium of the substrate;
  • the radiating elements are successively connected to one side and then to the other of the supply line;
  • the supply line has two arms on either side of the coupling pad and the radiating elements are connected to the line feeding on each of the arms in the inverted position of one arm relative to the other.
  • the invention relates to a power supply line of a sub-array of radiating elements of a flat antenna, comprising a coupling pad for collecting the energy radiated by a power transmission line. through a slot, characterized in that the coupling pad is of ellipsoidal shape.
  • Figure 2 is a diagram showing the microstrip line-guide coupling according to a possible embodiment of the invention
  • Figure 3 is a diagram showing a flat antenna according to a possible embodiment of the invention.
  • an application that we will do the coupling according to the invention relates to transmissions in the band of 37.21 GHz to 38.64 GHz.
  • FIG. 2 there is shown a feed line of a sub-array of radiating elements of a flat antenna in the form of a microstrip line 20.
  • the microstrip line 20 is disposed on the dielectric substrate of the antenna, this substrate being superimposed on the ground plane 50 of the antenna.
  • the line 20 comprises a coupling pad 30, and a slot 40 is formed in the ground plane 50 facing the coupling pad 30.
  • An energy transmission line typically a waveguide 10 is arranged with respect to the ground plane 50 so as to achieve an electromagnetic coupling by slot between said power transmission line and the coupling pad of the line. 20.
  • the coupling pad thus collects the energy radiated by the waveguide 10 through the slot 40.
  • a flat antenna comprises at least one sub-network of radiating elements (typically a plurality of linear subarrays parallel to each other) disposed on the substrate, said sub-network comprising a line subnetwork power supply having a coupling pad, and a plurality of radiating elements connected to the line.
  • a slot is then made in the ground plane opposite the coupling pad of the supply line of each sub-network.
  • the energy transmission line is a rectangular waveguide, one side of which is pressed against the ground plane, and wave radiation slots are formed in said waveguide face. so that the slits of the ground plane and the slits of the waveguide coincide.
  • the energy transmission line is a waveguide having a U-shaped section, said waveguide being arranged in such a way that the ground plane closes the space of the waveguide.
  • the energy transmission line is a triplate line comprising a conductive line sandwiched between two plane planes triplate line, and wave radiation slots are made in that planes a triplate line mass which is pressed against the ground plane of the antenna so that the slits of the ground plane and the slots of the triplate line are superimposed. Note that one of the ground planes can be confused with the ground plane of the antenna.
  • the energy transmission line may be positioned perpendicularly or obliquely with respect to the supply lines of the sub-networks of radiating elements.
  • the coupling pad of the feed line 20 placed above the slot is of ellipsoidal shape.
  • any discontinuity results in a sudden change in the volume dimensions inside the transmission lines, and microstrip lines in particular. Since the micro-ribbon lines are open lines, the hard angles thus impose a change in the boundary conditions of the electromagnetic fields, and consequently cause undesired radiation within the scope of the invention.
  • an ellipsoidal pellet has the advantage of inducing a better polarization polarization of the radiation and better performance in the transfer of power from the waveguide to the microstrip line.
  • the radiation is on one of two linear polarizations (vertical or horizontal).
  • the antenna is for example vertically polarized at one end, the antenna must have the same polarity at the other end. This then makes it possible to reuse the orthogonal polarization (horizontal in the example here selected) at the same frequency to establish the connection between two other points, sometimes in the immediate vicinity.
  • Antennas must therefore have good polarization purity to allow discrimination in polarity, otherwise other proximity links using orthogonal polarization are likely to be degraded.
  • Figures 4a and 4b show by way of example the radiation patterns of a rectangular coupling pad excitation antenna and an ellipsoidal coupling pad excitation antenna, respectively.
  • the references Aa and Ab represent the copolar component
  • the references Ba and Bb represent the cross component.
  • the ellipsoidal pellet antenna according to the invention of Figure 4b is "cleaner" by 10 dB in the cross polarization (it is 10 dB below the antenna of Figure 4a).
  • the antenna of FIG. 4b thus has, with respect to the antenna of FIG. 4a, a gain in purity of polarization of the order of 9%, resulting in a better discrimination in polarity and in a better efficiency of the antenna. .
  • a circular geometry is adapted for the coupling pellet.
  • micro-ribbon guide-line coupling then depends on a reduced number of variables, namely:
  • the slot radiates in the dielectric medium. Its size is that of a slot radiating in this medium and the perimeter of the slot is then advantageously chosen so as to be close to a wavelength in this medium.
  • the width of the slot is preferably less than the thickness of the substrate. As the thickness of the substrate is very small relative to the wavelength in the medium, the length of the slot must therefore be close to half the length of the wave in the medium, in order to define the privileged polarization of the electric field transferred from the waveguide to the micro-ribbon line.
  • a circular pad is used whose diameter is approximately equal to 2/3 of the length of the slot; the pad being then positioned, as shown in Figure 2, so as to cover the slot about 2/3 of its length.
  • the width of the slot is less than half the thickness of the substrate.
  • the goal is to have enough slot width low, and preferably a slot width of about 1/3 of the thickness of the substrate is chosen.
  • slot-to-ellipsoidal patch coupling is implemented for each subarray of a flat antenna.
  • each sub-array of radiating elements of the flat antenna is independently powered by such a coupling.
  • each arm of the sub-network (the arms situated respectively on the side of the port P1 and on the side of the port P2 of the Figure 2) so that radiating elements are connected to the supply line on each arm in the inverted position of one arm relative to the other.
  • a phase inversion of 180 ° is thus established, making it possible to compensate for the phase opposition created by the coupling slot between the two arms.
  • FIG. 3 This arrangement is visible in FIG. 3 in the inverted arrangement of the two radiating elements closest to the coupling pad 30, belonging to each of the arms B1 and B2, these diametrically opposed radiating elements lying in the one and the other side of the micro ribbon line.
  • the first radiating element of the left arm B1 from the pellet is thus an element situated "at the top” of the line 20, while the first radiating element of the right arm B2 from the pellet 30 is a "bottom" element of the line 20.
  • Figure 3 illustrates this particular arrangement of the arms of each subnet.
  • a flat antenna A has a dielectric substrate on which eight subarrays a1-a8 of radiating elements 30 are arranged. These sub-networks a1-a8 are linear and parallel to each other.
  • Each sub-network comprises a microstrip supply line 20 comprising an ellipsoidal coupling pad 30, and a plurality of radiating elements 60 connected to the line on either side of the pad 30 (thus defining an arm left B1 of the sub-network carrying the elements to the left of the pellet 30, and a right arm B2 of the sub-network carrying the elements to the right of the pellet 30).
  • the radiating elements 60 are successively connected to one side and then to the other of the supply line 20.
  • Each section of microstrip line between two radiating elements confers an electrical distance of half a wavelength in the medium establishing a supply of the radiating elements in opposition of phase, the compensation being done by the successive inversion of the radiating elements from one side and the other of the arm B1 or B2.
  • the reference 10 illustrates the waveguide for energizing each of the lines 20 by a slot coupling (not shown) / coupling pad.

Abstract

L'invention concerne selon un premier aspect, une antenne plate comportant : un substrat; au moins un sous-réseau d'éléments rayonnants disposé sur le substrat, ledit sous-réseau comprenant : - une ligne d'alimentation (20) de sous-réseau comportant une pastille de couplage (30), - et une pluralité d'éléments rayonnants reliés à la ligne; un plan de masse (50) sur lequel le substrat est superposé, dans lequel une fente (40) est pratiquée en regard de la pastille de couplage (30) de la ligne d'alimentation (20) de chaque sous-réseau; une ligne de transmission d'énergie (10) agencée par rapport au plan de masse (50) de manière à réaliser un couplage électromagnétique par fente entre ladite ligne de transmission d'énergie et la pastille de couplage de chacune des lignes d'alimentation de sous-réseau, l'antenne étant caractérisée en ce que la pastille de couplage (30) est de forme ellipsoïdale. Selon un autre aspect, l'invention concerne une ligne d'alimentation en énergie comportant une pastille de couplage ellipsoïdale.

Description

DISPOSITIF DE COUPLAGE FENTE / PASTILLE ELLIPSOÏDALE POUR L'ALIMENTATION DIRECTE PAR GUIDE D'ONDES D'UNE
ANTENNE PLATE
Le domaine de l'invention est celui des antennes de télécommunication, et plus particulièrement celui des antennes pour faisceaux hertziens (antennes FH).
L'invention concerne les antennes plates pour faisceaux hertziens alimentées par guide d'ondes, et a plus précisément pour objet le couplage électromagnétique par fente entre une ligne de transmission d'énergie, typiquement un guide d'ondes, et une ligne d'alimentation d'éléments rayonnants de l'antenne plate.
Les antennes paraboliques sont couramment utilisées pour les faisceaux hertziens. Dans ces antennes paraboliques, un guide d'ondes rectangulaire est généralement connecté à un coffret déporté à l'arrière de l'antenne pour réaliser l'accès radio électrique de l'antenne.
Les antennes plates tendent désormais à être préférées aux antennes paraboliques. Les antennes plates présentent en effet l'avantage d'être à surface équivalente, globalement aussi efficaces que les antennes paraboliques. Et ces antennes plates sont caractérisées par leur compacité et leur faible poids.
Une antenne plate comprend un réseau d'éléments rayonnants intégrés au substrat diélectrique de l'antenne. L'antenne plate comprend plus précisément un ensemble de sous-réseaux linéaires parallèles entre eux, chaque sous-réseau linéaire étant constitué d'un ensemble d'éléments rayonnants. Les éléments rayonnants sont typiquement chacun constitués d'une surface carrée conductrice dont un coin est relié à une ligne d'alimentation de sous-réseau (typiquement sous la forme d'une ligne microruban). L'alimentation en énergie de l'antenne plate est classiquement réalisée en dotant l'antenne d'un connecteur coaxial, et en raccordant l'antenne à un guide d'ondes par l'intermédiaire d'une transition guide-coaxial.
Toutefois l'augmentation de la fréquence utilisée pour les faisceaux hertziens implique la diminution des dimensions physiques des éléments de l'antenne. Cette diminution entraîne des difficultés de réalisation de la solution d'alimentation par sonde coaxiale.
Afin de répondre à cette problématique, des solutions d'alimentation directe par guide d'ondes ont été proposées.
Une telle solution est par exemple présentée dans l'article de Van Der WiIt et Strijbos, intitulé "A 40 Ghz planar array antenna using hybrid coupling" (in « Perspectives on Radio Astronomy - Technologies for Large Antenna Arrays, Proceedings of the Conférence held at the ASTRON Institute in Dwingeloo on 12-14 April 1999. ISBN: 90-805434-2-X, 354 pages, 2000, p.129").
La figure 1 annexée représente la solution préconisée par cet article, solution selon laquelle on réalise un coupleur électromagnétique d'un guide d'ondes 1 vers une ligne micro-ruban 2, à l'aide d'une pastille 3 placée au dessus d'une fente 4 dans le plan de masse 5 de l'antenne et communiquant avec le guide d'ondes 1.
La ligne micro-ruban 2 présente plus précisément une pastille de couplage rectangulaire 3 placée au dessus d'une fente rectangulaire 4.
La pastille 3 récolte ainsi l'énergie rayonnée par le guide d'ondes 1 à travers la fente 4, et permet ainsi de transmettre de la puissance du guide d'ondes 1 à la ligne micro-ruban 2.
On relèvera à ce stade que la procédure de conception d'un tel coupleur nécessite de trouver les dimensions adéquates de la fente et de la pastille pour réaliser un couplage à la fréquence désirée. Quatre variables doivent alors être optimisées pour obtenir la fréquence désirée : longueur et largeur de la fente, longueur et largeur de la pastille. Si cette solution d'alimentation directe permet de répondre à la problématique exposée ci-dessus relative à l'augmentation de la fréquence de l'antenne, elle n'est toutefois pas totalement satisfaisante.
On constate en effet des pertes par rayonnement dues à la discontinuité de la pastille rectangulaire. Il en découle une dégradation des performances de pureté de polarité du rayonnement de l'antenne, et d'efficacité de transmission de la puissance du guide d'onde vers la ligne micro-ruban.
Le document BE 1 013 508 propose une antenne planaire du type de celle faisant l'objet du préambule de la revendication 1 , présentant un élément (élément 300 sur la figure 19) pour assurer le couplage fente / ligne d'alimentation de patchs rayonnants sous la forme d'une pastille de couplage rectangulaire.
Le manuel de JR JAMES AND PS HALL : « handbook of microstrip antennas, vol.1 » a trait à la génération d'une polarisation circulaire à l'aide d'une antenne à éléments rayonnants circulaires alimentés par une ligne microruban. On relèvera que ce manuel n'a pas trait à une structure d'antenne selon l'invention, laquelle met en œuvre un couplage électromagnétique par fente entre un guide d'ondes et la ligne microruban. A fortiori, ce manuel ne traite aucunement de pastille de couplage apte à prélever l'énergie dans le guide pour la redistribuer aux éléments rayonnants via la ligne microruban.
L'invention a pour objectif de proposer des moyens de couplage électromagnétique d'un guide d'ondes vers une ligne micro-ruban qui permettent des performances accrues tant en terme de pureté de polarité du rayonnement qu'en terme de transfert de puissance du guide vers la ligne, et réciproquement.
A cet effet, et selon un premier aspect, l'invention concerne une antenne plate comportant : • un substrat ; • au moins un sous-réseau d'éléments rayonnants disposé sur le substrat, ledit sous-réseau comprenant :
- une ligne d'alimentation de sous-réseau comportant une pastille de couplage,
- et une pluralité d'éléments rayonnants reliés à la ligne ;
• un plan de masse sur lequel le substrat est superposé, dans lequel une fente est pratiquée en regard de la pastille de couplage de la ligne d'alimentation de chaque sous-réseau ;
• une ligne de transmission d'énergie agencée par rapport au plan de masse de manière à réaliser un couplage électromagnétique par fente entre ladite ligne de transmission d'énergie et la pastille de couplage de chacune des lignes d'alimentation de sous-réseau ; l'antenne étant caractérisée en ce que la pastille de couplage est de forme ellipsoïdale.
Certains aspects préférés, mais non limitatifs, de cette antenne sont les suivants :
- la pastille est circulaire ;
- la fente est rectangulaire et son périmètre est d'une longueur d'onde dans le milieu du substrat ;
- la largeur de la fente est inférieure à une demi fois l'épaisseur du substrat ;
- la fente est rectangulaire, et le diamètre de la pastille est choisi de sorte que la pastille recouvre la fente sur environ 2/3 de la longueur de la fente ;
- l'antenne est une antenne pour faisceaux hertziens dans la bande de 37,21 GHz à 38 ,64 GHz ;
- les éléments rayonnants reliés à la ligne d'alimentation sont espacés d'une moitié de longueur d'onde dans le milieu du substrat ;
- les éléments rayonnants sont reliés successivement à un côté puis à l'autre de la ligne d'alimentation ;
- la ligne d'alimentation présente deux bras de part et d'autre de la pastille de couplage et les éléments rayonnants sont reliés à la ligne d'alimentation sur chacun des bras en position inversée d'un bras par rapport à l'autre.
Selon un second aspect, l'invention concerne une ligne d'alimentation d'un sous-réseau d'éléments rayonnants d'une antenne plate, comportant une pastille de couplage destinée à collecter l'énergie rayonnée par une ligne de transmission d'énergie à travers une fente, caractérisée en ce que la pastille de couplage est de forme ellipsoïdale.
D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels, outre la figure 1 déjà commentée la figure 2 est un schéma représentant le couplage guide-ligne microruban selon un mode de réalisation possible de l'invention ; la figure 3 est un schéma représentant une antenne plate selon une mode de réalisation possible de l'invention.
On précise à titre purement illustratif et non limitatif, qu'une application que l'on fera du couplage selon l'invention concerne les transmissions dans la bande de 37,21 GHz à 38,64 GHz.
En référence à la figure 2, on a représenté une ligne d'alimentation d'un sous-réseau d'éléments rayonnants d'une antenne plate sous la forme d'une ligne micro-ruban 20.
On notera que sur cette figure 2, on a uniquement représenté une portion, typiquement la portion centrale, de la ligne 20, des ports P1 et P2 représentant des accès en ligne micro-ruban pour l'excitation, de part et d'autre de cette portion centrale, des éléments rayonnants (non représentés sur cette figure) d'un sous-réseau de l'antenne plate
La ligne micro-ruban 20 est disposé sur le substrat diélectrique de l'antenne, ce substrat étant superposé au plan de masse 50 de l'antenne.
La ligne 20 comporte une pastille de couplage 30, et une fente 40 est pratiquée dans le plan de masse 50 en regard de la pastille de couplage 30. Une ligne de transmission d'énergie, typiquement un guide d'ondes 10, est agencée par rapport au plan de masse 50 de manière à réaliser un couplage électromagnétique par fente entre ladite ligne de transmission d'énergie et la pastille de couplage de la ligne 20.
La pastille de couplage collecte ainsi l'énergie rayonnée par le guide d'ondes 10 à travers la fente 40.
On aura compris que d'une manière plus générale, une antenne plate comporte au moins un sous-réseau d'éléments rayonnants (typiquement une pluralité de sous-réseaux linéaires parallèles entre eux) disposé sur le substrat, ledit sous-réseau comprenant une ligne d'alimentation de sous- réseau comportant une pastille de couplage, et une pluralité d'éléments rayonnants reliés à la ligne. Une fente est alors pratiquée dans le plan de masse en regard de la pastille de couplage de la ligne d'alimentation de chaque sous-réseau.
Selon un mode de réalisation possible, la ligne de transmission d'énergie est un guide d'ondes rectangulaire dont une face est plaquée contre le plan de masse, et des fentes de rayonnement d'onde sont pratiquées dans ladite face du guide d'ondes de manière à ce que les fentes du plan de masse et les fentes du guide d'ondes coïncident.
Selon un autre mode de réalisation possible, la ligne de transmission d'énergie est un guide d'ondes ayant une forme de U en section, ledit guide d'ondes étant agencé de manière à ce que le plan de masse ferme l'espace du guide d'ondes.
Selon encore un autre mode de réalisation possible, la ligne de transmission d'énergie est une ligne triplaque comprenant une ligne conductrice prise en sandwich entre deux plans de masse de ligne triplaque, et des fentes de rayonnement d'onde sont pratiquées dans celui des plans de masse de ligne triplaque qui est plaqué contre le plan de masse de l'antenne de manière à ce que les fentes du plan de masse et les fentes de la ligne triplaque soient superposées. On notera que l'un des plans de masse peut être confondu avec le plan de masse de l'antenne.
On trouvera une description plus détaillée de ces modes de réalisation dans la demande de brevet français de la Demanderesse déposée le 14 novembre 2005 sous le n°0511527.
On relèvera en particulier que la ligne de transmission d'énergie peut être positionnée perpendiculairement ou en oblique par rapport aux lignes d'alimentation des sous-réseaux d'éléments rayonnants.
Dans le cadre de la présente invention, la pastille de couplage de la ligne d'alimentation 20 placée au dessus de la fente est de forme ellipsoïdale.
On mentionne que la terminologie de forme ellipsoïdale ici retenue pour qualifier la géométrie de la pastille de couplage ne doit pas être entendue comme étant limitée à une ellipse stricto sensu. Cette terminologie a effectivement vocation à s'étendre à toute forme s'approchant de l'ellipse, et plus généralement à toute forme ovoïde, et encore plus généralement à toute forme dépourvue de discontinuités (en particulier, à toute forme sans angles durs, par opposition aux formes polygonales).
On mentionne ici que toute discontinuité se traduit par un changement brutal des dimensions volumiques à l'intérieur des lignes de transmission, et des lignes micro-ruban en particulier. Les lignes micro-ruban étant des lignes ouvertes, les angles durs imposent ainsi un changement des conditions limites des champs électromagnétiques, et entraînent par conséquent un rayonnement non souhaité dans le cadre de l'invention.
L'utilisation d'une pastille ellipsoïdale présente l'avantage d'induire une meilleure polarité de polarisation du rayonnement et des meilleures performances dans le transfert de puissance du guide d'ondes vers la ligne micro-ruban.
En effet, l'absence de discontinuités permet de réduire les phénomènes de rayonnement parasites qui conduisent à la dégradation de la pureté de polarisation du fait d'un rayonnement avec des champs polarisés d'une façon aléatoire.
On rappelle que dans le cas des antennes FH par exemple, le rayonnement se fait sur une parmi deux polarisations linéaires (verticale ou horizontale). Ainsi, si l'antenne est par exemple polarisée verticalement à une extrémité, l'antenne doit posséder la même polarité à l'autre extrémité. Ceci permet alors de réutiliser la polarisation orthogonale (horizontale dans l'exemple ici retenu) à la même fréquence pour établir la liaison entre deux autres points, parfois au voisinage immédiat.
Les antennes doivent donc présenter une bonne pureté de polarisation pour permettre une discrimination en polarité, faute de quoi d'autres liaisons de proximité utilisant la polarisation orthogonale sont susceptibles d'être dégradées.
Cette propriété est mesurable en vérifiant les diagrammes de rayonnement dans les deux polarités. Les figures 4a et 4b représentent à titre d'exemple les diagrammes de rayonnement d'une antenne à excitation par pastille de couplage rectangulaire et d'une antenne à excitation par pastille de couplage ellipsoïdale, respectivement. Sur ces figures, les références Aa et Ab représentent la composante copolaire, tandis que les références Ba et Bb représentent la composante croisée.
On constate que l'antenne à pastille ellipsoïdale conforme à l'invention de la figure 4b est "plus propre" de 10 dB dans la polarisation croisée (elle est de 10 dB en dessous par rapport à l'antenne de la figure 4a). L'antenne de la figure 4b présente ainsi par rapport à l'antenne de la figure 4a un gain en pureté de polarisation de l'ordre de 9%, se traduisant par une meilleure discrimination en polarité et par une meilleure efficacité de l'antenne.
Selon un mode de réalisation préférentiel, on adapte une géométrie circulaire pour la pastille de couplage.
Une telle géométrie circulaire permet en outre de simplifier la procédure de conception. En particulier, le couplage guide-ligne micro ruban dépend alors d'un nombre réduit de variables, à savoir :
- le diamètre de la pastille, et
- la longueur de la fente.
Ce couplage est ainsi nettement moins sensible aux dimensions physiques, du fait du plus petit nombre de degrés de liberté par rapport à la solution à pastille rectangulaire (2 variables contre 4).
On relèvera que la géométrie retenue dans le cadre de l'invention présente par ailleurs l'avantage d'être moins sensible aux variations des dimensions physiques (de la fente ou de la pastille de couplage) issues des procédés de fabrication industrielle.
On détaille ci-après certaines caractéristiques préférentielles du couplage fente - pastille.
• La fente rayonne dans le milieu diélectrique. Sa dimension est celle d'une fente rayonnante dans ce milieu et le périmètre de la fente est alors avantageusement choisi de manière à être proche d'une longueur d'onde dans ce milieu. La largeur de la fente est préférentiellement inférieure à l'épaisseur du substrat. L'épaisseur du substrat étant très faible par rapport à la longueur d'onde dans le milieu, la longueur de la fente doit par conséquent être proche de la moitié de la longueur de l'onde dans le milieu, cela afin de bien définir la polarisation privilégiée du champ électrique transféré du guide d'ondes vers la ligne micro ruban.
• Afin de régler le couplage à la fréquence désirée et d'optimiser le transfert de puissance, on utilise une pastille circulaire dont le diamètre est environ égal aux 2/3 de la longueur de la fente ; la pastille étant alors positionnée, comme cela est illustré sur la figure 2, de manière à recouvrir la fente sur environ 2/3 de sa longueur.
• La largeur de la fente est inférieure à la moitié de l'épaisseur du substrat. L'objectif est d'avoir une largeur de la fente suffisamment faible, et on choisit préférentiellement une largeur de fente de l'ordre de 1/3 de l'épaisseur du substrat.
• Pour la dernière fente de couplage de la série de fentes excitant la pluralité de sous-réseaux linéaires d'éléments rayonnants depuis l'arrivée du signal par le guide d'ondes, on place avantageusement un court-circuit terminant le guide d'ondes à une distance d'un quart de la longueur I de l'onde dans le guide de la fente (ou à un multiple impair du quart de cette longueur I, à savoir 3 I/4, 5 I/4, etc.) dans le but de maximiser le transfert de puissance du guide d'ondes vers la ligne micro ruban.
Comme mentionné précédemment, on met en œuvre le couplage fente- pastille ellipsoïdale pour chaque sous-réseau d'une antenne plate.
Ainsi chaque sous-réseau d'éléments rayonnants de l'antenne plate est indépendamment alimenté à l'aide d'un tel couplage.
On souligne que ce type de couplage effectue une opposition de phase de part et d'autre de la fente et le long de la ligne micro-ruban.
De ce fait, afin de remettre en phase les signaux rayonnes par les éléments rayonnants d'un sous-réseau, on peut agencer chaque bras du sous-réseau (les bras situés respectivement du côté du port P1 et du côté du port P2 de la figure 2) de sorte que éléments rayonnants sont reliés à la ligne d'alimentation sur chacun des bras en position inversée d'un bras par rapport à l'autre. On établit ainsi une inversion de phase de 180°, permettant de compenser l'opposition de phase créée par la fente de couplage entre les deux bras.
Cette disposition est visible sur la figure 3 dans la disposition inversée des deux éléments rayonnants les plus proches de la pastille de couplage 30, appartenant à chacun des bras B1 et B2, ces éléments rayonnants diamétralement opposées se situant de l'un et de l'autre côté de la ligne micro ruban. Le premier élément rayonnant du bras gauche B1 depuis la pastille est ainsi un élément situé « en haut » de la ligne 20, tandis que le premier élément rayonnant du bras droit B2 depuis la pastille 30 est un élément situé « en bas » de la ligne 20.
On obtient de la sorte un diagramme de rayonnement d'antenne directive, avec un maximum dans l'axe de l'antenne.
La figure 3 illustre cet agencement particulier des bras de chaque sous- réseau. Sur cette figure, une antenne plate A présente un substrat diélectrique sur lequel huit sous-réseaux a1 -a8 d'éléments rayonnants 30 sont disposés. Ces sous-réseaux a1 -a8 sont linéaires et parallèles entre eux.
Chaque sous-réseau comprend une ligne d'alimentation micro-ruban 20 comportant une pastille de couplage ellipsoïdale 30, et une pluralité d'éléments rayonnants 60 reliés à la ligne de part et d'autre de la pastille 30 (on définit ainsi un bras gauche B1 du sous-réseau portant les éléments à gauche de la pastille 30, et un bras droit B2 du sous-réseau portant les éléments à droite de la pastille 30).
On notera que dans chaque bras, les éléments rayonnants 60 sont reliés successivement à un côté puis à l'autre de la ligne d'alimentation 20.
Chaque tronçon de ligne micro-ruban entre deux éléments rayonnants confère une distance électrique d'une moitié de longueur d'onde dans le milieu établissant une alimentation des éléments rayonnants en opposition de phase, la compensation se faisant par l'inversion successive des éléments rayonnants de l'un côté et de l'autre du bras B1 ou B2.
La combinaison de ces deux phénomènes a comme conséquence une alimentation et un rayonnement de l'ensemble des pastilles en phase, avec le but recherché d'obtenir un maximum de rayonnement dans l'axe de l'antenne.
La référence 10 illustre le guide d'ondes permettant d'énergiser chacune des lignes 20 par un couplage fente (non représenté) / pastille de couplage.

Claims

REVENDICATIONS
1. Antenne plate (A) comportant :
• un substrat ;
• au moins un sous-réseau (a1 -a8) d'éléments rayonnants disposé sur le substrat, ledit sous-réseau comprenant :
- une ligne d'alimentation (20) de sous-réseau comportant une pastille de couplage (30),
- et une pluralité d'éléments rayonnants (60) reliés à la ligne ;
• un plan de masse (50) sur lequel le substrat est superposé, dans lequel une fente (40) est pratiquée en regard de la pastille de couplage (30) de la ligne d'alimentation (20) de chaque sous-réseau
• une ligne de transmission d'énergie (10) agencée par rapport au plan de masse (50) de manière à réaliser un couplage électromagnétique par fente entre ladite ligne de transmission d'énergie et la pastille de couplage de chacune des lignes d'alimentation de sous-réseau, l'antenne étant caractérisée en ce que la pastille de couplage (30) est de forme ellipsoïdale.
2. Antenne plate selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la pastille est circulaire.
3. Antenne plate selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la fente est rectangulaire et en ce que son périmètre est d'une longueur d'onde dans le milieu du substrat.
4. Antenne plate selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la largeur de la fente est inférieure à une demi fois l'épaisseur du substrat.
5. Antenne plate selon la revendication 2, dans laquelle la fente est rectangulaire, caractérisée en ce que le diamètre de la pastille est choisi de sorte que la pastille recouvre la fente sur environ 2/3 de la longueur de la fente.
6. Antenne plate selon l'une des revendications précédentes pour faisceaux hertziens dans la bande de 37,21 GHz à 38 ,64 GHz.
7. Antenne plate selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les éléments rayonnants reliés à la ligne d'alimentation sont espacés d'une moitié de longueur d'onde dans le milieu du substrat.
8. Antenne selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les éléments rayonnants sont reliés successivement à un côté puis à l'autre de la ligne d'alimentation.
9. Antenne selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la ligne d'alimentation présente deux bras (B1 , B2) de part et d'autre de la pastille de couplage (30) et en ce que les éléments rayonnants sont reliés à la ligne d'alimentation sur chacun des bras en position inversée d'un bras par rapport à l'autre.
10. Ligne d'alimentation (20) d'un sous-réseau (a1 -a8) d'éléments rayonnants (60) d'une antenne plate (A), comportant une pastille de couplage (30) destinée à collecter l'énergie rayonnée par une ligne de transmission d'énergie (10) à travers une fente (30), caractérisée en ce que la pastille de couplage est de forme ellipsoïdale.
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