EP2432072A1 - Symétriseur large bande sur circuit multicouche pour antenne réseau - Google Patents

Symétriseur large bande sur circuit multicouche pour antenne réseau Download PDF

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EP2432072A1
EP2432072A1 EP11182224A EP11182224A EP2432072A1 EP 2432072 A1 EP2432072 A1 EP 2432072A1 EP 11182224 A EP11182224 A EP 11182224A EP 11182224 A EP11182224 A EP 11182224A EP 2432072 A1 EP2432072 A1 EP 2432072A1
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EP
European Patent Office
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balun
line
conductive layer
transmission line
transmission
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Granted
Application number
EP11182224A
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German (de)
English (en)
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EP2432072B1 (fr
Inventor
Bernard Perpere
Stéphane Mallegol
Joël HERAULT
Ludovic Schreider
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Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/08—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices
    • H01P5/10—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices for coupling balanced lines or devices with unbalanced lines or devices

Definitions

  • the invention lies in the field of network antennas, in particular broadband network antennas with electronic scanning. It relates to a balun that can feed an elementary antenna of the network antenna. It also relates to a set of baluns adapted to power each elementary antenna of a network antenna and an antenna device comprising a network antenna and a set of baluns adapted to power each elementary antenna of the network antenna.
  • An electronic scanning array antenna comprises in particular a set of radiating elements arranged in the form of a matrix and, for each radiating element, a transmission chain, a reception chain and a circulator or commutator allowing the unidirectional transfer of microwave signals. from the transmission chain to the associated radiating element and from the radiating element to the associated reception channel.
  • the transmission chains each include a phase shift element so as to allow the modification of the directivity and the orientation of the beam emitted by the network antenna.
  • a scanning electron network antenna thus allows, in relatively short times, to ensure either a continuous scanning of the space, or successive pointing in specific directions, or alternations beam narrow - extended beam, or any other combination of these situations.
  • a network antenna may further comprise a cavity intended to absorb the radiation emitted in the direction of the antenna support, called the back radiation, and therefore to reduce the radiation reflected in phase shift with the radiation emitted in the opposite direction, called radiation. before.
  • a network antenna When a network antenna has a large number of radiating elements, which can reach several thousand, it can comprise a channel trainer grouping the radiating elements into different sets called sub-networks. The radiating elements are then no longer fed individually but in blocks, all the radiating elements of the same sub-network receiving the same signal microwave. All the components of the network antenna for supplying the radiating elements is called the control circuit.
  • Network antennas comprising planar-type radiating elements can be produced on multilayer circuits.
  • the planar-type radiating elements form, for example, square patterns, also called "patches".
  • a multilayer circuit can integrate all the microwave components of a network antenna with a relatively small footprint. In particular, it allows the integration of monolithic microwave integrated circuits, for example encapsulated in ball housings, or BGA boxes according to the English expression "Ball Grid Array”.
  • a layer of the circuit can fulfill the cavity function. The thickness of this layer is then of the order of a quarter of the wavelength of the central frequency ( ⁇ / 4) and its dielectric constant is chosen relatively low.
  • balun also called “balun” according to the English expression " bal anced-to- a balanced transformer” not only ensures a transition between a symmetrical propagation mode and an asymmetrical propagation mode, but also to gradually adapt the impedance of each radiating element, typically of the order of 200 ohms to that of the control circuit, in principle 50 ohms.
  • a so-called progressive balun consists of a printed circuit comprising, on two opposite sides separated by a dielectric substrate, two conductive lines extending between a symmetrical connector and an asymmetrical connector, of electrical length close to the wavelength of the central frequency. .
  • the conductive line of the first face is of constant width and the conductive line of the second face sees its width decrease from the asymmetrical connector to the symmetrical connector.
  • Balancers progressive are generally arranged in planes orthogonal to the radiating surface, that is to say orthogonal to the different layers of the multilayer circuit. Therefore, they can not be integrated in the multilayer circuit of a network antenna. There are several disadvantages.
  • baluns congestion of these baluns in the direction orthogonal to the radiating surface, which affects the compactness of the network antenna.
  • a second disadvantage is that the progressive baluns impose a mechanical separation between the multilayer circuit incorporating the control circuit and the printed or multilayer circuit on which the radiating elements are located.
  • a third disadvantage is related to the difficulty of making a reliable connection between the control circuit and the baluns on the one hand, and between the baluns and the radiators on the other hand.
  • each balun would comprise a connecting element which is inserted between the symmetrical connector and the supply line of a radiating element.
  • baluners allow of course to gain space in the direction orthogonal to the radiating surface, but there is then a problem of implantation in a plane parallel to the plane of the radiating surface. Indeed, the matrix arrangement of the radiating elements imposes a similar arrangement of the baluns. Therefore, each balun should have a surface, in a plane parallel to the plane of the radiating surface, which is smaller than the surface of a radiating element. This surface must even be halved for bipolarized network antennas, that is to say having two radiating elements per elementary cell. At the same time, the baluns must remain sufficiently decoupled from each other to avoid any electromagnetic interaction.
  • the invention has the particular advantage that the entire network antenna device, the control circuit to the radiating elements through the baluns, can be realized on a multilayer circuit.
  • the balun according to the invention makes it possible to obtain a relatively wide bandwidth, for example between one and three octaves.
  • the fourth conductive layer may be adapted to receive the elementary antenna, the balun further comprising a metallized hole through the first, second and fourth substrate layers. for electrically connecting the first asymmetrical connection point to an input point of the balun on the fifth conductive layer, the entry point being isolated from the ground plane formed on the conductive layer.
  • the entry point of the balun is for example formed by a coaxial type connector.
  • the balun may further comprise two metallized holes passing through the first, second and third substrate layers so as to electrically connect each symmetrical connection point to an output point of the balun located on the fourth conductive layer, the output points being isolated from the ground plane formed on this conductive layer.
  • At least the first transmission line, or the fifth transmission line, or the second, third and fourth transmission lines are curved so as to reduce their bulk on the conductive layer on which they are formed.
  • At least one transmission line may be surrounded by metallized holes connected to ground planes to enhance the electromagnetic isolation of this transmission line.
  • the symmetrizer junction is for example made by a savings zone intersecting the fourth transmission line.
  • the predetermined frequency is substantially equal to the central frequency of the operating frequency band of the balun.
  • the invention also relates to a set of baluns as described above, each balun being able to feed an elementary antenna, the elementary antennas forming globally a network antenna, the conductive layers of each balun forming a same multilayer circuit.
  • the balancers of the assembly can be arranged in such a way that their exit points are able to coincide with feed points of an elementary antenna.
  • the invention finally relates to a network antenna device comprising a network antenna formed of elementary antennas each comprising two radiating elements and a set of baluns as described above.
  • balun also called balun in the English literature, allows a gradual transition of impedance between an input impedance and an output impedance. It also makes it possible to ensure a transition between an asymmetric propagation mode and a symmetrical propagation mode.
  • the balun allows an impedance transition between the impedance of a control circuit, typically 50 ohms, and the impedance of radiating elements, of the order of 190 ohms for radiating elements of a planar antenna. It also makes it possible to supply two radiating elements of an elementary antenna with two microwave signals in phase opposition from a coaxial connector.
  • the balun subject of the invention is based on a Laughlin type balun as described in the document LAUGHLIN, GJ: "A New Impedance-Matched Wide-Band Balun and Magic Tee", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. MTT-24, March 1976 . It relies in particular on the microstrip version ("Microstrip balun") of this balun.
  • the figure 1 represents a Laughlin type balun 10 with conventional topology.
  • a balun is composed of quarter-wave transformers at the center frequency of the operating frequency band. In the band L, this central frequency f 0 is equal to 1.45 GHz.
  • the balun 10 comprises six transmission lines, denoted 11 to 16, of respective impedance Z11 to Z16.
  • the transmission lines 14 to 16 are split. In other words, they each comprise two line sections, denoted XA and XB, where X designates one of the transmission lines 14 to 16.
  • Each line section XA and XB has an impedance Z'X that is twice as low as the ZX impedance of the transmission line to which it belongs.
  • the transmission lines 12 to 15 each have one end connected to the others at a point called junction of the balun 18.
  • the free end of the second transmission line 12 is connected to one end of the first transmission line 11, the other end of the transmission line 11 forming an asymmetrical entry point IN of the balun 10.
  • the free end of the third transmission line 13 ends with an open circuit.
  • the free end of the fourth transmission line 14 ends in a short-circuit, the line sections 14A and 14B being connected to an electrical mass of the balun 10.
  • the free end of the fifth transmission line 15 is connected to one end of the sixth transmission line 16. More specifically, the free end of each line section 15A and 15B is connected to one end of a line section 16A and 16B, respectively.
  • the free ends of the line sections 16A and 16B form the symmetrical output points, denoted OUTA and OUTB, of the balun 10.
  • the electrical length of each transmission line is approximately equal to 29 mm.
  • the balun 10 therefore has dimensions substantially equal to 58 mm by 116 mm. These dimensions are incompatible with the dimensions of a mesh of a network antenna operating in the L-band, namely of the order of 80 mm by 80 mm.
  • the invention proposes a balun made from a multilayer circuit and whose dimensions can be compatible with the dimensions of a mesh of a network antenna.
  • the figure 2 represents an example of multilayer circuit on which can be integrated one or more baluns according to the invention.
  • the multilayer circuit 20 comprises for example four substrate layers of dielectric material.
  • the dielectric material preferably has a low dielectric constant.
  • the transmission lines of the balun can be made from metal tracks of width greater than one tenth of a millimeter while having a relatively high impedance.
  • a low dielectric constant allows the substrate layers on which the transmission lines are made to be sufficiently thick to make metallized holes thereon.
  • the dielectric constant of the dielectric material may differ between the different substrate layers in order to obtain the desired impedances.
  • the dielectric material also preferably has a relatively low dielectric loss angle tangent to limit the contribution of the material losses to the insertion losses of the multilayer circuit.
  • the dielectric material preferably has a coefficient of thermal expansion along the stacking axis of the relatively small circuit layers.
  • the stacking axis corresponds to the axis of the metallized holes that can be made in the substrate layers.
  • the metallized holes thus have good mechanical resistance to possible variations in temperature.
  • Each substrate layer comprises a so-called upper face, denoted YA, and a so-called lower face, denoted YB, where Y denotes a substrate layer.
  • a first substrate layer 21 is metallized on its upper face 21A so as to form a first conductive layer 21 AM.
  • This conductive layer 21 AM can serve as a support for a network antenna.
  • an integrated circuit or a multilayer circuit comprising radiating elements may be mounted on the conductive layer 21 AM.
  • the conductive layer 21 AM forms a first ground plane and thus constitutes an electromagnetic shielding vis-à-vis the network antenna.
  • the first substrate layer 21 is mounted on a second substrate layer 22, the lower face 21B of the first substrate layer 21 facing the upper face 22A of the second substrate layer 22.
  • the substrate layer 22 is metallized on its upper 22A and lower 22B faces so as to form respectively second and third conductive layers 22AM and 22BM.
  • the conductive layer 22AM forms a second ground plane in which are cut off three respective impedance transmission lines Z1, Z2 and Z3 and of equivalent electrical length substantially equal to one quarter of the wavelength of the central frequency f 0 .
  • the conductive layer 22AM forms transmission lines and a ground plane outside these transmission lines.
  • the transmission lines are isolated from the ground plane, for example by savings zones, that is to say non-metallized zones.
  • the transmission lines formed on the conductive layer 22AM correspond to the transmission lines 11 to 13 of the figure 1 .
  • the conductive layer 22BM forms a third ground plane in which is cut off an impedance transmission line Z4 corresponding to the transmission line 14 of the figure 1 .
  • This transmission line consists of two line sections separated from one another at one of their ends by a balun junction and terminated at their other end by a short circuit with the third ground plane.
  • a balun junction is also called a capacitive break.
  • Each line section has an impedance equal to half of the impedance Z4 and an equivalent electrical length substantially equal to one-eighth of the wavelength of the center frequency f 0 .
  • the second substrate layer 22 is itself mounted on a third substrate layer 23, the lower face 22B of the second substrate layer 22 facing the upper face 23A of the third substrate layer 23.
  • the substrate layer 23 is metallized on its lower face 23B to form a fourth conductive layer 23BM.
  • This conductive layer 23BM forms a fourth ground plane in which are cut off two respective impedance transmission lines Z5 and Z6.
  • the equivalent electrical lengths of these transmission lines are each substantially equal to one quarter of the wavelength of the central frequency f 0 .
  • These transmission lines correspond respectively to the transmission lines 15 and 16 of the figure 1 .
  • the balun according to the invention may comprise a different number of transmission lines. transmission on these conductive layers. In particular, it may have only two transmission lines in series on the conductive layer 22AM.
  • the total number of symmetrizer transmission lines, called the balun order influences the standing wave rate and the insertion losses of the circuit. The higher the order of the balun, the higher the standing wave ratio and the modulus of the reflection coefficient. However, insertion losses also increase with the order of the balun. A compromise is then necessary depending on the intended application.
  • the substrate layers 21 to 24 may be held together by gluing, for example by means of sticky films arranged between two superimposed layers. They can also be held by screws passing through non-metallized holes made in the different substrate layers 21 to 24.
  • the figure 3 represents the different conductive layers of the multilayer circuit in plan view.
  • the Figures 3a to 3e respectively represent the conductive layers 21 AM, 22AM, 22BM, 23BM and 24BM.
  • the figure 3f illustrates the arrangement of the different conductive layers by a projection on the same plane of the transmission lines.
  • the transmission lines of the conductive layer 22AM denoted 31, 32 and 33.
  • the transmission line 32 is connected at one end to one end of the transmission line 31 and at its other end to one end of the transmission line.
  • the transmission lines 31, 32 and 33 are adapted to progressively change from one line width to another.
  • the free end of the transmission line 31 forms an asymmetrical connection point 31IN.
  • the free end of the transmission line 33 ends with an open circuit.
  • the transmission lines 31, 32 and 33 are curved to reduce their bulk in the plane of the conductive layer 22AM. They are for example curved around a central point of the conductive layer 22AM.
  • Each transmission line 31 to 33 is surrounded by a savings zone making it possible to isolate it from the second ground plane 22APM formed by the conducting layer 22AM.
  • the transmission line denoted 34, impedance Z4. It is surrounded by a savings zone for isolating it from the third ground plane 22BPM formed by the conductive layer 22BM.
  • the two line segments 34A and 34B are separated from each other at one of their ends by a balun junction 34J.
  • the symmetrizer junction 34J is for example made by cutting the transmission line 34 by the savings zone.
  • the free ends of the line sections 34A and 34B terminate in a short circuit. In this case, they come into direct contact with the 22BPM ground plane.
  • the transmission line 34 is formed on the conductive layer 22BM so as to come opposite the transmission line 33.
  • the transmission lines 33 and 34 are dimensioned and positioned so that, by way of projection in a plane parallel to the plane of the faces 22A and 22B, they are substantially merged, as illustrated in FIG. figure 3f . This positioning allows electromagnetic coupling between the transmission lines 33 and 34.
  • the transmission lines of the conductive layer 23BM denoted 35 and 36.
  • the transmission line 35 has two line sections 35A and 35B connected at one of their ends at the balun junction 34J.
  • the electrical lengths of the line segments 35A and 35B are each substantially equal to one-eighth of the wavelength of the center frequency f 0 .
  • the transmission line 35 is formed on the conductive layer 23BM so that the line sections 35A and 35B respectively face the line sections 34A and 34B.
  • the transmission lines 33, 34 and 35 are dimensioned and positioned so that, by projection on a plane parallel to the planes of the conductive layers 22AM, 22BM and 23BM, they are substantially merged, as shown in FIG. figure 3f .
  • the transmission line 34 is substantially midway between the transmission lines 33 and 35. It forms a sort of triplate line.
  • the symmetrizer junction 34J and the relative positioning of the transmission line 34 with respect to the transmission lines 33 and 35 makes it possible to switch from an asymmetrical propagation mode on a single line, in this case the transmission line 33, to a symmetrical propagation mode on two line sections, in this case the line sections 35A and 35B.
  • the superposition of the transmission lines 33, 34 and 35 reduces the area occupied by the balun.
  • the transmission line 36 also comprises two line sections 36A and 36B. One end of the line section 36A, respectively 36B, is connected to the free end of the line section 35A, respectively 36B.
  • the free ends of the line sections 36A and 36B form symmetrical connection points 36OUTA and 360UTB. In the embodiment of the figure 3 these connection points are connected to output points of the balun OUTA and OUTB located on the conductive layer 21 AM. They are connected via metallized holes made in the substrate layers 21, 22 and 23. These metallized holes can be isolated from the 21APM, 22APM, 22BPM and 23BPM ground planes by providing savings zones on the conductive layers. corresponding.
  • the line sections 36A and 36B are bent in order to reduce their bulk in the plane of the conductive layer 23BM. According to a particularly advantageous embodiment, they are curved so as to register in the surface delimited by the projection of the transmission lines 31, 32 and 33 on the conducting layer 23BM, as shown in FIG. figure 3f .
  • the line segments 36A and 36B are each surrounded by a savings zone enabling them to be isolated from the 23BPM ground plane.
  • connection point 311N is connected to an SMA type coaxial connector.
  • the SMA connector is mounted on the conductive layer 24BM.
  • the center core of the SMA connector forms an IN point of the balun, as shown in FIG. figure 3e .
  • the SMA connector can be connected to a prismatic line to match the input impedance of the balun.
  • a prismatic line comprises a central electrical conductor and four parallel peripheral electrical conductors regularly distributed in a circle centered on the central electrical conductor.
  • the electrical conductors can be made by metallized holes.
  • the central electrical conductor is connected to the connection point 31IN, the corresponding metallized hole passing through the substrate layers 22, 23 and 24.
  • the peripheral electrical conductors pass through the substrate layers 21 to 24.
  • Savings zones are for example arranged on the conductive layers 22AM, 22BM, 23BM and 24BM in the vicinity of the metallized holes.
  • ⁇ d is the diameter of the electrical conductors
  • D is the diameter of the circle along which the electrical conductors are distributed
  • ⁇ r is the relative permittivity of the substrate layers 21 to 24.
  • the transmission lines 31 to 36 are for example made on the various conductive layers by etching. Due to the presence of the 22BPM ground plane, the transmission lines 31, 32 and 36 form microstrip lines, also called microstrip lines in the English literature.
  • the figure 4 represents a particular embodiment of the balun according to the invention in a top view of the multilayer circuit 20.
  • the transmission lines 31 to 36 are surrounded by metallized holes 41 made in the layers of substrate adjacent to the layers. conductors on which they are formed.
  • the metallized holes 41 are connected to ground planes of the multilayer circuit. This embodiment provides better electromagnetic isolation of the transmission lines.
  • the transmission lines 31 to 36 as well as the thickness and permittivity of the substrate layers 21 to 24 can be dimensioned from an electromagnetic simulation software of multilayer circuits.
  • the substrate layers 22 and 23 have for example a thickness of 254 ⁇ m and the substrate layers 21 and 24 have a thickness of 762 ⁇ m for a relative permittivity substantially equal to 2.94 .
  • the conductive layers 21AM, 22AM, 22BM, 23BM and 24BM have for example a thickness of 17.5 microns.
  • the transmission line 31 then has an impedance Z1 equal to 61.89 ⁇ and an average width of 300 ⁇ m, the transmission line 32 an impedance Z2 equal to 74.21 ⁇ and an average width of 200 ⁇ m, and the line of transmission 33 an impedance Z3 equal to 78.97 ⁇ and an average width of 200 microns.
  • the line sections 34A and 34B each have an impedance Z'4 of 30.83 ⁇ and an average width of 1.2 mm, the line sections 35A and 35B have an impedance Z'5 of 48.18 ⁇ and an average width 800 ⁇ m, and the line sections 36A and 36B an impedance Z'6 of 84.82 ⁇ and an average width of 200 ⁇ m.
  • the width of the line sections 35A and 35B, that of the line sections 36A and 36B, or that of each line section evolves gradually in the vicinity of the connection points between the line sections 35A and 36A on the one hand, and between the line sections 35B and 36B on the other hand.
  • the impedance of the line sections 35A and 35B is thus gradually adapted to that of the line sections 36A and 36B.
  • balun described above allows to feed a monopole antenna. Due to its small size, it is particularly well suited to network antennas.
  • the balun is also suitable for feeding bipolarization array antennas. Two baluns can be superimposed or made on the same layers of a multilayer circuit. They allow the supply of an antenna according to two orthogonal polarizations while respecting the dimensions of the mesh of the network.
  • the small size of the baluns can also be exploited to expand the frequency band of a network antenna, the frequency band being distributed over several baluns.
  • the figure 5 represents, in top view, an example of a bipolarization array antenna.
  • the network antenna 50 comprises 17 radiating elements 51 of patch type arranged in a matrix of 7 rows by 5 columns.
  • the radiating elements 51 located in the corners of the matrix are fed only at a feed point 52. They are not used in this antenna example.
  • the other radiating elements 51 located at the periphery of the matrix are fed at two supply points 52. All the other radiating elements 51 are fed at four supply points 52.
  • Two adjacent radiating elements 51 are fed by a line of symmetrical supply, said two-wire, the supply line being connected to two feed points 52.
  • Two adjacent radiating elements 51 thus receive microwave signals in phase opposition and form an elementary monopole antenna inclined at either -45 ° or + 45 °.
  • the polarization of the grating antenna 50 resulting from all the radiating elements 51 can be -45 °, + 45 °, horizontal or vertical.
  • the radiating elements 51 form squares. The radiating elements can nevertheless take any other form.
  • the figure 6 illustrates the arrangement of baluns according to the invention for supplying the radiating elements 51 of the network antenna 50 represented on the figure 5 .
  • the multilayer circuit 20 comprises twenty balancers 61 represented on the figure 6 by a projection on the same plane of their transmission lines.
  • the baluns 61 are arranged in a matrix of four lines by four columns, completed by two baluns 61 on the second column and two other baluns 61 on the third column.
  • the baluns 61 are arranged so that their symmetrical connection points OUTA and OUTB coincide with feed points 52 of two adjacent radiating elements 51.
  • each balun 61 supplies either a monopole antenna inclined at -45 ° or a monopole antenna inclined at + 45 °.

Landscapes

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Abstract

L'invention concerne un symétriseur pouvant alimenter une antenne élémentaire d'une antenne réseau.
Le symétriseur selon l'invention comprend un circuit multicouche comportant :
■ une première couche conductrice formant deux lignes de transmission (31, 33) entre un point de connexion dissymétrique (31IN) et une extrémité de type circuit ouvert,
■ une deuxième couche conductrice formant une troisième ligne de transmission (34) sensiblement en vis-à-vis de la ligne de transmission (33) terminée par un circuit ouvert, et constituée de deux tronçons reliés par une jonction de symétriseur, les extrémités libres étant court-circuitées avec un plan de masse,
■ une troisième couche conductrice formant une quatrième et une cinquième lignes de transmission (35), la quatrième ligne étant constituée de deux tronçons en vis-à-vis des tronçons de la troisième ligne de transmission (34), la cinquième ligne de transmission étant constituée de deux tronçons (36A, 36B) prolongeant les tronçons de la quatrième ligne de transmission (35) et dont les extrémités libres forment des points de connexion symétriques (360UTA, 360UTB).

Description

  • L'invention se situe dans le domaine des antennes réseau, en particulier des antennes réseau large bande à balayage électronique. Elle concerne un symétriseur pouvant alimenter une antenne élémentaire de l'antenne réseau. Elle concerne également un ensemble de symétriseurs apte à alimenter chaque antenne élémentaire d'une antenne réseau ainsi qu'un dispositif d'antenne comportant une antenne réseau et un ensemble de symétriseurs apte à alimenter chaque antenne élémentaire de l'antenne réseau.
  • Une antenne réseau à balayage électronique comprend notamment un ensemble d'éléments rayonnants disposés sous forme d'une matrice et, pour chaque élément rayonnant, une chaîne d'émission, une chaîne de réception et un circulateur ou commutateur permettant le transfert unidirectionnel de signaux hyperfréquence de la chaîne d'émission vers l'élément rayonnant associé et de l'élément rayonnant vers la chaîne de réception associée. Les chaînes d'émission comportent chacune un élément de déphasage de manière à permettre la modification de la directivité et de l'orientation du faisceau émis par l'antenne réseau. Une antenne réseau à balayage électronique permet ainsi, dans des temps relativement courts, d'assurer soit un balayage continu de l'espace, soit des pointages successifs dans des directions bien déterminées, soit des alternances faisceau étroit - faisceau étendu, soit toute autre combinaison de ces situations. Une antenne réseau peut en outre comporter une cavité destinée à absorber le rayonnement émis dans la direction du support d'antenne, appelé rayonnement arrière, et donc de réduire le rayonnement réfléchi en décalage de phase avec le rayonnement émis dans la direction opposée, appelé rayonnement avant. Lorsqu'une antenne réseau comporte un grand nombre d'éléments rayonnants, pouvant atteindre plusieurs milliers, elle peut comporter un formateur de voies regroupant les éléments rayonnants en différents ensembles appelés sous-réseaux. Les éléments rayonnants ne sont alors plus alimentés individuellement mais par blocs, tous les éléments rayonnants d'un même sous-réseau recevant le même signal hyperfréquence. L'ensemble des composants de l'antenne réseau permettant d'alimenter les éléments rayonnants est appelé circuit de commande.
  • Les antennes réseau comportant des éléments rayonnants de type planaire peuvent être réalisées sur des circuits multicouches. Les éléments rayonnants de type planaire forment par exemple des motifs carrés, également appelés "patch". Un circuit multicouche peut intégrer l'ensemble des composants hyperfréquence d'une antenne réseau avec un encombrement relativement faible. En particulier, il permet l'intégration de circuits intégrés monolithiques hyperfréquence, par exemple encapsulés dans des boîtiers à billes, ou boîtiers BGA selon l'expression anglo-saxonne "Ball Grid Array". Une couche du circuit peut remplir la fonction de cavité. L'épaisseur de cette couche est alors de l'ordre du quart de la longueur d'onde de la fréquence centrale (λ/4) et sa constante diélectrique est choisie relativement faible.
  • Dans une antenne réseau à balayage électronique, la ligne d'alimentation des éléments rayonnants est symétrique alors que les lignes d'entrée et de sortie du circuit de commande sont dissymétriques. Une antenne réseau doit donc comporter un symétriseur entre chaque élément rayonnant et le circulateur (ou le commutateur) connecté aux chaînes d'émission et de réception associées à cet élément rayonnant. Un symétriseur, également appelé "balun" d'après l'expression anglo-saxonne "balanced-to-unbalanced transformer" permet non seulement d'assurer une transition entre un mode de propagation symétrique et un mode de propagation dissymétrique, mais aussi d'adapter graduellement l'impédance de chaque élément rayonnant, typiquement de l'ordre de 200 ohms à celle du circuit de commande, en principe de 50 ohms. Un symétriseur dit progressif consiste en un circuit imprimé comportant, sur deux faces opposées séparées par un substrat diélectrique, deux lignes conductrices s'étendant entre un connecteur symétrique et un connecteur dissymétrique, de longueur électrique voisine de la longueur d'onde de la fréquence centrale. La ligne conductrice de la première face est de largeur constante et la ligne conductrice de la deuxième face voit sa largeur diminuer depuis le connecteur dissymétrique jusqu'au connecteur symétrique. Les symétriseurs progressifs sont généralement disposés dans des plans orthogonaux à la surface rayonnante, c'est-à-dire orthogonaux aux différentes couches du circuit multicouche. Par conséquent, ils ne peuvent pas être intégrés dans le circuit multicouche d'une antenne réseau. Il en découle plusieurs inconvénients. Un inconvénient évident est l'encombrement de ces symétriseurs dans la direction orthogonale à la surface rayonnante, qui nuit à la compacité de l'antenne réseau. Un deuxième inconvénient est que les symétriseurs progressifs imposent une séparation mécanique entre le circuit multicouche intégrant le circuit de commande et le circuit imprimé ou multicouche sur lequel sont implantés les éléments rayonnants. Un troisième inconvénient est lié à la difficulté de réaliser une connexion fiable entre le circuit de commande et les symétriseurs d'une part, et entre les symétriseurs et les éléments rayonnants d'autre part. On pourrait envisager d'adapter les symétriseurs progressifs de manière à les disposer dans un plan parallèle au circuit multicouche. A cette fin, chaque symétriseur comporterait un élément de liaison venant s'insérer entre le connecteur symétrique et la ligne d'alimentation d'un élément rayonnant. De tels symétriseurs permettent bien entendu de gagner en encombrement dans la direction orthogonale à la surface rayonnante, mais il se pose alors un problème d'implantation dans un plan parallèle au plan de la surface rayonnante. En effet, la disposition en matrice des éléments rayonnants impose une disposition similaire des symétriseurs. Par conséquent, chaque symétriseur doit présenter une surface, dans un plan parallèle au plan de la surface rayonnante, qui soit inférieure à la surface d'un élément rayonnant. Cette surface doit même être divisée par deux pour des antennes réseau bipolarisées, c'est-à-dire comportant deux éléments rayonnants par cellule élémentaire. Dans le même temps, les symétriseurs doivent rester suffisamment découplés les uns des autres pour éviter toute interaction électromagnétique.
  • Un but de l'invention est notamment de fournir un symétriseur apte à s'inscrire dans la surface occupée par un élément rayonnant d'une antenne réseau. Plus particulièrement, l'invention a pour objet de fournir un réseau de symétriseurs aptes à s'implanter dans un dispositif d'antenne réseau. L'invention propose à cet effet un symétriseur réalisé à partir d'un circuit multicouche comportant des lignes de transmission de type microruban, l'une des lignes de transmission formant une ligne triplaque entre deux autres lignes de transmission. Plus précisément, le symétriseur selon l'invention est apte à alimenter une antenne élémentaire comportant deux points de connexion symétriques et il comprend :
    • ■ un connecteur dissymétrique comportant un premier point de connexion apte à être relié à une âme d'un conducteur électrique et un deuxième point de connexion apte à être relié à un blindage du conducteur électrique,
    • ■ un connecteur symétrique comportant deux points de connexion symétriques aptes à être reliés aux points de connexion de l'antenne élémentaire, et
    • ■ un circuit multicouche comportant au moins trois couches conductrices, une première couche de substrat séparant une première et une deuxième couche conductrices et une deuxième couche de substrat séparant la deuxième et une troisième couches conductrices,
      • la première couche conductrice formant un premier plan de masse dans lequel sont détourées une première et une deuxième lignes de transmission en série, une première extrémité libre des lignes de transmission formant le premier point de connexion du connecteur dissymétrique, une deuxième extrémité libre des lignes de transmission étant de type circuit ouvert,
      • la deuxième couche conductrice formant un deuxième plan de masse dans lequel est détourée une troisième ligne de transmission sensiblement en vis-à-vis de la ligne de transmission terminée par un circuit ouvert, la troisième ligne de transmission étant constituée de deux tronçons de ligne, une première extrémité d'un premier tronçon de ligne étant reliée à une première extrémité du deuxième tronçon de ligne par une jonction de symétriseur, les deuxièmes extrémités de chaque tronçon de ligne étant court-circuitées avec le deuxième plan de masse,
      • la troisième couche conductrice formant un troisième plan de masse dans lequel sont détourées une quatrième et une cinquième ligne de transmission, la quatrième ligne de transmission étant constituée de deux tronçons de ligne, chaque tronçon de ligne de la quatrième ligne de transmission étant sensiblement en vis-à-vis d'un des tronçons de ligne de la troisième ligne de transmission, des premières extrémités de chaque tronçon de ligne de la quatrième ligne de transmission étant reliées entre elles au niveau de la jonction de symétriseur, la cinquième ligne de transmission étant constituée de deux tronçons de ligne, une extrémité de chacun de ces tronçons de ligne étant reliée à l'extrémité libre de l'un des tronçons de ligne de la quatrième ligne de transmission, les extrémités libres des tronçons de ligne de la cinquième ligne de transmission formant les points de connexion symétriques,
      • les lignes de transmission étant dimensionnées de manière à ce que les longueurs électriques équivalentes des première et deuxième lignes de transmission, et les longueurs électriques équivalentes des tronçons de ligne des troisième, quatrième et cinquième lignes de transmission soient chacune sensiblement égales au quart de la longueur d'onde d'une fréquence prédéterminée, et de manière à permettre une transition d'impédance prédéterminée entre le point de connexion dissymétrique et les points de connexion symétriques.
  • L'invention a notamment pour avantage que tout le dispositif d'antenne réseau, du circuit de commande aux éléments rayonnants en passant par les symétriseurs, peut être réalisé sur un circuit multicouche. En outre, le symétriseur selon l'invention permet d'obtenir une largeur de bande relativement large, par exemple entre une et trois octaves.
  • Selon une forme particulière de réalisation, le symétriseur comprend, en outre :
    • ■ une quatrième couche conductrice séparée de la première couche conductrice par une troisième couche de substrat et formant un quatrième plan de masse,
    • ■ une cinquième couche conductrice séparée de la troisième couche conductrice par une quatrième couche de substrat et formant un cinquième plan de masse, les quatrième et cinquième couches conductrices formant un blindage électromagnétique des trois premières couches conductrices.
  • La quatrième couche conductrice peut être apte à recevoir l'antenne élémentaire, le symétriseur comprenant, en outre, un trou métallisé traversant les première, deuxième et quatrième couches de substrat de manière à relier électriquement le premier point de connexion dissymétrique à un point d'entrée du symétriseur situé sur la cinquième couche conductrice, le point d'entrée étant isolé du plan de masse formé sur cette couche conductrice.
  • Le point d'entrée du symétriseur est par exemple formé par un connecteur de type coaxial.
  • Le symétriseur peut en outre comporter deux trous métallisés traversant les première, deuxième et troisième couches de substrat de manière à relier électriquement chaque point de connexion symétrique à un point de sortie du symétriseur situé sur la quatrième couche conductrice, les points de sortie étant isolés du plan de masse formé sur cette couche conductrice.
  • Avantageusement, au moins la première ligne de transmission, ou la cinquième ligne de transmission, ou les deuxième, troisième et quatrième lignes de transmission sont courbées de manière à réduire leur encombrement sur la couche conductrice sur laquelle elles sont formées.
  • Au moins une ligne de transmission peut être entourée de trous métallisés reliés à des plans de masse afin de renforcer l'isolation électromagnétique de cette ligne de transmission.
  • La jonction de symétriseur est par exemple réalisée par une zone d'épargne coupant la quatrième ligne de transmission.
  • Avantageusement, la fréquence prédéterminée est sensiblement égale à la fréquence centrale de la bande de fréquences de fonctionnement du symétriseur.
  • L'invention a également pour objet un ensemble de symétriseurs tels que décrits précédemment, chaque symétriseur étant apte à alimenter une antenne élémentaire, les antennes élémentaires formant globalement une antenne réseau, les couches conductrices de chaque symétriseur formant un même circuit multicouche.
  • Les symétriseurs de l'ensemble peuvent être agencés de manière à ce que leurs points de sortie soient aptes à coïncider avec des points d'alimentation d'une antenne élémentaire.
  • L'invention a enfin pour objet un dispositif d'antenne réseau comportant une antenne réseau formée d'antennes élémentaires comprenant chacune deux éléments rayonnants et un ensemble de symétriseurs tel que décrit précédemment.
  • L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, faite en regard de dessins annexés sur lesquels :
    • la figure 1 représente un symétriseur de type Laughlin à topologie conventionnelle ;
    • la figure 2 représente un exemple de circuit multicouche sur lequel peuvent être intégrés un ou plusieurs symétriseurs selon l'invention ;
    • la figure 3 représente les différentes couches conductrices du circuit multicouche par plusieurs vues de dessus ;
    • la figure 4 représente une forme particulière de réalisation du symétriseur selon l'invention dans une vue de dessus ;
    • la figure 5 représente un exemple d'antenne réseau à bipolarisation en vue de dessus ;
    • la figure 6 représente un ensemble de symétriseurs selon l'invention permettant d'alimenter l'antenne réseau de la figure 5.
  • Un symétriseur, également appelé balun dans la littérature anglo-saxonne, permet de réaliser une transition graduelle d'impédance entre une impédance d'entrée et une impédance de sortie. Il permet également d'assurer une transition entre un mode de propagation dissymétrique et un mode de propagation symétrique. Dans le cadre de l'invention, le symétriseur permet une transition d'impédance entre l'impédance d'un circuit de commande, typiquement de 50 ohms, et l'impédance d'éléments rayonnants, de l'ordre de 190 ohms pour des éléments rayonnants d'une antenne planaire. Il permet en outre d'alimenter deux éléments rayonnants d'une antenne élémentaire par deux signaux hyperfréquence en opposition de phase à partir d'un connecteur coaxial. Le symétriseur faisant l'objet de l'invention s'appuie sur un symétriseur de type Laughlin tel que décrit dans le document LAUGHLIN, G. J.: "A New Impedance-Matched Wide-Band Balun and Magic Tee", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. MTT-24, Mars 1976. Il s'appuie en particulier sur la version microruban ("Microstrip balun") de ce symétriseur.
  • La figure 1 représente un symétriseur 10 de type Laughlin à topologie conventionnelle. Un tel symétriseur est composé de transformateurs quart d'onde à la fréquence centrale de la bande de fréquences de fonctionnement. Dans la bande L, cette fréquence centrale f0 est égale à 1,45 GHz. Le symétriseur 10 comporte six lignes de transmission, notées 11 à 16, d'impédance respective Z11 à Z16. Les lignes de transmission 14 à 16 sont dédoublées. Autrement dit, elles comportent chacune deux tronçons de ligne, notés XA et XB, où X désigne l'une des lignes de transmission 14 à 16. Chaque tronçon de ligne XA et XB a une impédance Z'X deux fois plus faible que l'impédance ZX de la ligne de transmission à laquelle il appartient. Les lignes de transmission 12 à 15 comportent chacune une extrémité reliée aux autres en un point appelé jonction du symétriseur 18. L'extrémité libre de la deuxième ligne de transmission 12 est reliée à une extrémité de la première ligne de transmission 11, l'autre extrémité de la ligne de transmission 11 formant un point d'entrée dissymétrique IN du symétriseur 10. L'extrémité libre de la troisième ligne de transmission 13 se termine par un circuit ouvert. L'extrémité libre de la quatrième ligne de transmission 14 se termine par un court-circuit, les tronçons de ligne 14A et 14B étant reliés à une masse électrique du symétriseur 10. L'extrémité libre de la cinquième ligne de transmission 15 est reliée à une extrémité de la sixième ligne de transmission 16. Plus précisément, l'extrémité libre de chaque tronçon de ligne 15A et 15B est reliée à une extrémité d'un tronçon de ligne 16A et 16B, respectivement. Les extrémités libres des tronçons de ligne 16A et 16B forment les points de sortie symétriques, notés OUTA et OUTB, du symétriseur 10. Pour un symétriseur en bande L, la longueur électrique de chaque ligne de transmission est environ égale à 29 mm. Le symétriseur 10 présente par conséquent des dimensions sensiblement égales à 58 mm par 116 mm. Ces dimensions sont incompatibles avec les dimensions d'une maille d'une antenne réseau fonctionnant dans la bande L, à savoir de l'ordre de 80 mm par 80 mm.
  • L'invention propose un symétriseur réalisé à partir d'un circuit multicouche et dont les dimensions peuvent être compatibles avec les dimensions d'une maille d'une antenne réseau. La figure 2 représente un exemple de circuit multicouche sur lequel peuvent être intégrés un ou plusieurs symétriseurs selon l'invention. Pour la suite de la description, on considère cependant un circuit multicouche comportant un unique symétriseur. Le circuit multicouche 20 comporte par exemple quatre couches de substrat en matériau diélectrique. Le matériau diélectrique présente de préférence une faible constante diélectrique. Ainsi, les lignes de transmission du symétriseur peuvent être réalisées à partir de pistes métalliques de largeur supérieure au dixième de millimètre tout en ayant une impédance relativement élevée. En outre, une faible constante diélectrique permet aux couches de substrat sur lesquelles sont réalisées les lignes de transmission d'être suffisamment épaisses pour pouvoir y réaliser des trous métallisés. La constante diélectrique du matériau diélectrique peut différer entre les différentes couches de substrat afin d'obtenir les impédances souhaitées. Le matériau diélectrique présente aussi de préférence une tangente d'angle de pertes diélectriques relativement faible afin de limiter la contribution des pertes matériau aux pertes d'insertion du circuit multicouche. Enfin, le matériau diélectrique présente de préférence un coefficient de dilatation thermique selon l'axe d'empilement des couches du circuit relativement faible. L'axe d'empilement correspond à l'axe des trous métallisés pouvant être réalisés dans les couches de substrat. Les trous métallisés présentent ainsi une bonne tenue mécanique face aux variations possibles de température. Chaque couche de substrat comporte une face dite supérieure, notée YA, et une face dite inférieure, notée YB, où Y désigne une couche de substrat. Ces faces sont sensiblement planes et parallèles entre elles. Certaines peuvent être métallisées. La couche métallisée ou couche conductrice est alors notée YAM ou YBM selon qu'elle est appliquée sur la face supérieure YA ou inférieure YB de la couche de substrat Y. Une première couche de substrat 21 est métallisée sur sa face supérieure 21 A de manière à former une première couche conductrice 21 AM. Cette couche conductrice 21 AM peut servir de support pour une antenne réseau. En particulier, un circuit intégré ou un circuit multicouche comportant des éléments rayonnants peut être monté sur la couche conductrice 21 AM. La couche conductrice 21 AM forme un premier plan de masse et constitue ainsi un blindage électromagnétique vis-à-vis de l'antenne réseau. La première couche de substrat 21 est montée sur une deuxième couche de substrat 22, la face inférieure 21B de la première couche de substrat 21 venant en regard de la face supérieure 22A de la deuxième couche de substrat 22. La couche de substrat 22 est métallisée sur ses faces supérieure 22A et inférieure 22B de manière à former respectivement des deuxième et troisième couches conductrices 22AM et 22BM. La couche conductrice 22AM forme un deuxième plan de masse dans lequel sont détourées trois lignes de transmission d'impédances respectives Z1, Z2 et Z3 et de longueur électrique équivalente sensiblement égale au quart de la longueur d'onde de la fréquence centrale f0. Autrement dit, la couche conductrice 22AM forme des lignes de transmission et un plan de masse en dehors de ces lignes de transmission. Les lignes de transmission sont isolées du plan de masse, par exemple par des zones d'épargne, c'est-à-dire des zones non métallisées. Les lignes de transmission formées sur la couche conductrice 22AM correspondent aux lignes de transmission 11 à 13 de la figure 1. La couche conductrice 22BM forme un troisième plan de masse dans lequel est détourée une ligne de transmission d'impédance Z4 correspondant à la ligne de transmission 14 de la figure 1. Cette ligne de transmission est constituée de deux tronçons de ligne séparés l'un de l'autre à l'une de leurs extrémités par une jonction de symétriseur et terminés à leur autre extrémité par un court-circuit avec le troisième plan de masse. Une jonction de symétriseur est également appelée coupure capacitive. Chaque tronçon de ligne a une impédance égale à la moitié de l'impédance Z4 et une longueur électrique équivalente sensiblement égale au huitième de la longueur d'onde de la fréquence centrale f0. La deuxième couche de substrat 22 est elle-même montée sur une troisième couche de substrat 23, la face inférieure 22B de la deuxième couche de substrat 22 venant en regard de la face supérieure 23A de la troisième couche de substrat 23. La couche de substrat 23 est métallisée sur sa face inférieure 23B afin de former une quatrième couche conductrice 23BM. Cette couche conductrice 23BM forme un quatrième plan de masse dans lequel sont détourées deux lignes de transmission d'impédances respectives Z5 et Z6. Les longueurs électriques équivalentes de ces lignes de transmission sont chacune sensiblement égales au quart de la longueur d'onde de la fréquence centrale f0. Ces lignes de transmission correspondent respectivement aux lignes de transmission 15 et 16 de la figure 1. Bien que l'on considère dans cet exemple un symétriseur comportant trois lignes de transmission en série formées sur la couche conductrice 22AM et deux lignes de transmission formées sur la couche conductrice 23BM, le symétriseur selon l'invention peut comporter un nombre différent de lignes de transmission sur ces couches conductrices. En particulier, il peut ne comporter que deux lignes de transmission en série sur la couche conductrice 22AM. Le nombre total de lignes de transmission du symétriseur, appelé ordre du symétriseur, influe sur le taux d'ondes stationnaires et les pertes d'insertion du circuit. Plus l'ordre du symétriseur est élevé, plus le taux d'ondes stationnaires et le module du coefficient de réflexion sont élevés. Cependant, les pertes d'insertion augmentent également avec l'ordre du symétriseur. Un compromis est alors nécessaire en fonction de l'application visée.
  • Les couches de substrats 21 à 24 peuvent être maintenues entre elles par collage, par exemple par l'intermédiaire de films collants disposés entre deux couches superposées. Elles peuvent également être maintenues par des vis traversant des trous non métallisés réalisés dans les différentes couches de substrat 21 à 24.
  • La figure 3 représente les différentes couches conductrices du circuit multicouche en vue de dessus. Les figures 3a à 3e représentent respectivement les couches conductrices 21 AM, 22AM, 22BM, 23BM et 24BM. La figure 3f illustre l'agencement des différentes couches conductrices par une projection sur un même plan des lignes de transmission.
  • Sur la figure 3b sont représentées les lignes de transmission de la couche conductrice 22AM, notées 31, 32 et 33. La ligne de transmission 32 est reliée par une extrémité à une extrémité de la ligne de transmission 31 et par son autre extrémité à une extrémité de la ligne de transmission 33. Les lignes de transmission 31, 32 et 33 sont adaptées de manière à passer progressivement d'une largeur de ligne à une autre. L'extrémité libre de la ligne de transmission 31 forme un point de connexion dissymétrique 31IN. L'extrémité libre de la ligne de transmission 33 se termine par un circuit ouvert. Avantageusement, les lignes de transmission 31, 32 et 33 sont courbées afin de réduire leur encombrement dans le plan de la couche conductrice 22AM. Elles sont par exemple courbées autour d'un point central de la couche conductrice 22AM. Chaque ligne de transmission 31 à 33 est entourée d'une zone d'épargne permettant de l'isoler du deuxième plan de masse 22APM formé par la couche conductrice 22AM.
  • Sur la figure 3c est représentée la ligne de transmission, notée 34, d'impédance Z4. Elle est entourée d'une zone d'épargne permettant de l'isoler du troisième plan de masse 22BPM formé par la couche conductrice 22BM. Les deux tronçons de ligne 34A et 34B sont séparés l'un de l'autre à l'une de leurs extrémités par une jonction de symétriseur 34J. La jonction de symétriseur 34J est par exemple réalisée en faisant couper la ligne de transmission 34 par la zone d'épargne. Les extrémités libres des tronçons de ligne 34A et 34B se terminent par un court-circuit. En l'occurrence, elles viennent en contact direct avec le plan de masse 22BPM. La ligne de transmission 34 est formée sur la couche conductrice 22BM de manière à venir en vis-à-vis de la ligne de transmission 33. Autrement dit, les lignes de transmission 33 et 34 sont dimensionnées et positionnées de manière à ce que, par projection dans un plan parallèle aux plans des faces 22A et 22B, elles soient sensiblement confondues, comme illustré sur la figure 3f. Ce positionnement permet un couplage électromagnétique entre les lignes de transmission 33 et 34.
  • Sur la figure 3d sont représentées les lignes de transmission de la couche conductrice 23BM, notées 35 et 36. La ligne de transmission 35 comporte deux tronçons de ligne 35A et 35B reliés à l'une de leurs extrémités au niveau de la jonction de symétriseur 34J. Les longueurs électriques des tronçons de ligne 35A et 35B sont chacune sensiblement égales au huitième de la longueur d'onde de la fréquence centrale f0. La ligne de transmission 35 est formée sur la couche conductrice 23BM de manière à ce que les tronçons de ligne 35A et 35B viennent respectivement en vis-à-vis des tronçons de ligne 34A et 34B. Autrement dit, les lignes de transmission 33, 34 et 35 sont dimensionnées et positionnées de manière à ce que, par projection sur un plan parallèle aux plans des couches conductrices 22AM, 22BM et 23BM, elles soient sensiblement confondues, comme illustré sur la figure 3f. Ce positionnement permet un couplage électromagnétique entre, d'une part, les tronçons de ligne 34A et 35A et, d'autre part, les tronçons de ligne 34B et 35B. Les couches de substrat 22 et 23 peuvent avoir sensiblement la même épaisseur. Par conséquent, la ligne de transmission 34 se trouve sensiblement à mi-distance entre les lignes de transmission 33 et 35. Elle forme en quelque sorte une ligne triplaque. La jonction de symétriseur 34J et le positionnement relatif de la ligne de transmission 34 par rapport aux lignes de transmission 33 et 35 permet de passer d'un mode de propagation dissymétrique sur une seule ligne, en l'occurrence la ligne de transmission 33, à un mode de propagation symétrique sur deux tronçons de ligne, en l'occurrence les tronçons de ligne 35A et 35B. En outre, la superposition des lignes de transmission 33, 34 et 35 permet de réduire la surface occupée par le symétriseur. La ligne de transmission 36 comporte également deux tronçons de ligne 36A et 36B. L'une des extrémités du tronçon de ligne 36A, respectivement 36B, est reliée à l'extrémité libre du tronçon de ligne 35A, respectivement 36B. Les extrémités libres des tronçons de ligne 36A et 36B forment des points de connexion symétriques 36OUTA et 360UTB. Dans le mode de réalisation de la figure 3, ces points de connexion sont reliés à des points de sortie du symétriseur OUTA et OUTB situés sur la couche conductrice 21 AM. Ils sont reliés par l'intermédiaire de trous métallisés réalisés dans les couches de substrat 21, 22 et 23. Ces trous métallisés peuvent être isolés des plans de masse 21APM, 22APM, 22BPM et 23BPM en ménageant des zones d'épargne sur les couches conductrices correspondantes. Avantageusement, les tronçons de ligne 36A et 36B sont courbés afin de réduire leur encombrement dans le plan de la couche conductrice 23BM. Selon une forme de réalisation particulièrement avantageuse, ils sont courbés de manière à s'inscrire dans la surface délimitée par la projection des lignes de transmission 31, 32 et 33 sur la couche conductrice 23BM, comme représenté sur la figure 3f. Les tronçons de ligne 36A et 36B sont chacun entourés d'une zone d'épargne permettant de les isoler du plan de masse 23BPM.
  • Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 3, le point de connexion 311N est relié à un connecteur coaxial de type SMA. Le connecteur SMA est monté sur la couche conductrice 24BM. L'âme centrale du connecteur SMA forme un point d'entrée IN du symétriseur, comme représenté sur la figure 3e. Le connecteur SMA peut être connecté à une ligne prismatique afin d'adapter l'impédance d'entrée du symétriseur. Une ligne prismatique comporte un conducteur électrique central et quatre conducteurs électriques périphériques parallèles et répartis régulièrement selon un cercle centré sur le conducteur électrique central. Dans le cadre de l'invention, les conducteurs électriques peuvent être réalisés par des trous métallisés. Le conducteur électrique central est relié au point de connexion 31IN, le trou métallisé correspondant traversant les couches de substrat 22, 23 et 24. Les conducteurs électriques périphériques traversent les couches de substrat 21 à 24. Des zones d'épargne sont par exemple aménagées sur les couches conductrice 22AM, 22BM, 23BM et 24BM au voisinage des trous métallisés. L'impédance caractéristique de la ligne prismatique peut être définie par la relation : Zc = 138 ε r × 5 4 × log ⁢ D 2. ⁢ d ,
    Figure imgb0001
     où d est le diamètre des conducteurs électriques, D est le diamètre du cercle selon lequel sont répartis les conducteurs électriques et εr est la permittivité relative des couches de substrat 21 à 24.
  • Les lignes de transmission 31 à 36 sont par exemple réalisées sur les différentes couches conductrices par gravure. Du fait de la présence du plan de masse 22BPM, les lignes de transmission 31, 32 et 36 forment des lignes microruban, également appelées lignes microstrip dans la littérature anglo-saxonne.
  • La figure 4 représente une forme particulière de réalisation du symétriseur selon l'invention dans une vue de dessus du circuit multicouche 20. Selon cette forme de réalisation, les lignes de transmission 31 à 36 sont entourées de trous métallisés 41 réalisés dans les couches de substrat adjacentes aux couches conductrices sur lesquelles elles sont formées. Les trous métallisés 41 sont reliés à des plans de masse du circuit multicouche. Cette forme de réalisation apporte une meilleure isolation électromagnétique des lignes de transmission.
  • Les lignes de transmission 31 à 36 de même que l'épaisseur et la permittivité des couches de substrat 21 à 24 peuvent être dimensionnées à partir d'un logiciel de simulation électromagnétique de circuits multicouches. Pour un symétriseur selon l'invention fonctionnant en bande L, les couches de substrat 22 et 23 ont par exemple une épaisseur de 254 µm et les couches de substrat 21 et 24 une épaisseur de 762 µm pour une permittivité relative sensiblement égale à 2,94. Les couches conductrices 21AM, 22AM, 22BM, 23BM et 24BM ont par exemple une épaisseur de 17,5 µm. La ligne de transmission 31 a alors une impédance Z1 égale à 61,89 Ω et une largeur moyenne de 300 µm, la ligne de transmission 32 une impédance Z2 égale à 74,21 Ω et une largeur moyenne de 200 µm, et la ligne de transmission 33 une impédance Z3 égale à 78,97 Ω et une largeur moyenne de 200 µm. Les tronçons de ligne 34A et 34B ont chacun une impédance Z'4 de 30,83 Ω et une largeur moyenne de 1,2 mm, les tronçons de ligne 35A et 35B une impédance Z'5 de 48,18 Ω et une largeur moyenne de 800 pm, et les tronçons de ligne 36A et 36B une impédance Z'6 de 84,82 Ω et une largeur moyenne de 200 µm. Avantageusement, la largeur des tronçons de ligne 35A et 35B, celle des tronçons de ligne 36A et 36B, ou celle de chacun des tronçons de ligne évolue graduellement au voisinage des points de connexion entre les tronçons de ligne 35A et 36A d'une part, et entre les tronçons de ligne 35B et 36B d'autre part. L'impédance des tronçons de ligne 35A et 35B est ainsi adaptée graduellement à celle des tronçons de ligne 36A et 36B.
  • Le symétriseur décrit précédemment permet d'alimenter une antenne monopolarisation. De par son encombrement réduit, il est particulièrement bien adapté aux antennes réseau. Plusieurs symétriseurs selon l'invention sont alors réalisés sur un circuit multicouche. Il est notamment possible de satisfaire la contrainte classique de pas du réseau, à savoir d=λ/2, où d est le pas du réseau et À la longueur d'onde correspondant à la plus haute fréquence de la bande de fréquences de fonctionnement. Le symétriseur est également adapté à l'alimentation d'antennes réseau à bipolarisation. Deux symétriseurs peuvent être superposés ou réalisés sur les mêmes couches d'un circuit multicouche. Ils permettent l'alimentation d'une antenne selon deux polarisations orthogonales tout en respectant les dimensions de la maille du réseau. Le faible encombrement des symétriseurs peut aussi être exploité pour élargir la bande de fréquences d'une antenne réseau, la bande de fréquences étant répartie sur plusieurs symétriseurs. La figure 5 représente, en vue de dessus, un exemple d'antenne réseau à bipolarisation. L'antenne réseau 50 comporte 17 éléments rayonnants 51 de type patch disposés suivant une matrice de 7 lignes par 5 colonnes. Les éléments rayonnants 51 situés dans les coins de la matrice ne sont alimentés qu'en un point d'alimentation 52. Ils ne sont pas utilisés dans cet exemple d'antenne. Les autres éléments rayonnants 51 situés à la périphérie de la matrice sont alimentés en deux points d'alimentation 52. Tous les autres éléments rayonnants 51 sont alimentés en quatre points d'alimentation 52. Deux éléments rayonnants adjacents 51 sont alimentés par une ligne d'alimentation symétrique, dite bifilaire, la ligne d'alimentation étant reliée à deux points d'alimentation 52. Deux éléments rayonnants adjacents 51 reçoivent ainsi des signaux hyperfréquence en opposition de phase et forment une antenne élémentaire monopolarisation inclinée soit à - 45°, soit à +45°. Suivant les lignes d'alimentation utilisées, la polarisation de l'antenne réseau 50 résultant de tous les éléments rayonnants 51 peut être de -45°, de +45°, horizontale ou verticale. Sur la figure 5, les éléments rayonnants 51 forment des carrés. Les éléments rayonnants peuvent néanmoins prendre toute autre forme.
  • La figure 6 illustre l'agencement de symétriseurs selon l'invention permettant d'alimenter les éléments rayonnants 51 de l'antenne réseau 50 représentée sur la figure 5. Le circuit multicouche 20 comporte vingt symétriseurs 61 représentés sur la figure 6 par une projection sur un même plan de leurs lignes de transmission. Les symétriseurs 61 sont agencés suivant une matrice de quatre lignes par quatre colonnes, complétée par deux symétriseurs 61 sur la deuxième colonne et deux autres symétriseurs 61 sur la troisième colonne. Les symétriseurs 61 sont agencés de manière à ce que leurs points de connexion symétriques OUTA et OUTB coïncident avec des points d'alimentation 52 de deux éléments rayonnants 51 adjacents. Ainsi, chaque symétriseur 61 alimente soit une antenne monopolarisation inclinée à -45°, soit une antenne monopolarisation inclinée à +45°.

Claims (12)

  1. Symétriseur apte à alimenter une antenne élémentaire comportant deux points de connexion symétriques, le symétriseur (61) comprenant :
    ■ un connecteur dissymétrique comportant un premier point de connexion dissymétrique (31 IN) apte à être relié à une âme d'un conducteur électrique et un deuxième point de connexion dissymétrique apte à être relié à un blindage du conducteur électrique,
    ■ un connecteur symétrique comportant deux points de connexion symétriques (36OUTA, 36OUTB) aptes à être reliés aux points de connexion de l'antenne élémentaire, et
    ■ un circuit multicouche (20) comportant au moins trois couches conductrices (22AM, 22BM, 23BM), une première couche de substrat (22) séparant une première et une deuxième couche conductrices (22AM, 22BM) et une deuxième couche de substrat (23) séparant la deuxième et une troisième couches conductrices (22BM, 23BM),
    - la première couche conductrice (22AM) formant un premier plan de masse (22APM) dans lequel sont détourées une première et une deuxième lignes de transmission (31, 33) en série, une première extrémité libre des lignes de transmission (31, 33) formant le premier point de connexion dissymétrique (31 IN), une deuxième extrémité libre des lignes de transmission (31, 33) étant de type circuit ouvert,
    - la deuxième couche conductrice (22BM) formant un deuxième plan de masse (22BPM) dans lequel est détourée une troisième ligne de transmission (34) sensiblement en vis-à-vis de la ligne de transmission (33) terminée par un circuit ouvert de manière à les coupler électromagnétiquement, la troisième ligne de transmission (34) étant constituée de deux tronçons de ligne (34A, 34B), une première extrémité d'un premier tronçon de ligne (34A) étant reliée à une première extrémité du deuxième tronçon de ligne (34B) par une jonction de symétriseur (34J), les deuxièmes extrémités de chaque tronçon de ligne (34A, 34B) étant court-circuitées avec le deuxième plan de masse (22BPM),
    - la troisième couche conductrice (23BM) formant un troisième plan de masse (23BPM) dans lequel sont détourées une quatrième et une cinquième ligne de transmission (35, 36), la quatrième ligne de transmission étant constituée de deux tronçons de ligne (35A, 35B), chaque tronçon de ligne (35A, 35B) de la quatrième ligne de transmission (35) étant sensiblement en vis-à-vis d'un des tronçons de ligne (34A, 34B) de la troisième ligne de transmission (34) de manière à les coupler électromagnétiquement, des premières extrémités de chaque tronçon de ligne (35A, 35B) de la quatrième ligne de transmission étant reliées entre elles au niveau de la jonction de symétriseur (34J), la cinquième ligne de transmission (36) étant constituée de deux tronçons de ligne (36A, 36B), une extrémité de chacun de ces tronçons de ligne (36A, 36B) étant reliée à l'extrémité libre de l'un des tronçons de ligne (35A, 35B) de la quatrième ligne de transmission (35), les extrémités libres des tronçons de ligne (36A, 36B) de la cinquième ligne de transmission (36) formant les points de connexion symétriques (36OUTA, 36OUTB),
    - les lignes de transmission (31-36) étant dimensionnées de manière à ce que les longueurs électriques équivalentes des première et deuxième lignes de transmission (31, 33), et les longueurs électriques équivalentes des tronçons de ligne (34A, 34B, 35A, 35B, 36A, 36B) des troisième, quatrième et cinquième lignes de transmission (34, 35, 36) soient chacune sensiblement égales au quart de la longueur d'onde d'une fréquence prédéterminée, et de manière à permettre une transition d'impédance prédéterminée entre le premier point de connexion dissymétrique (31IN) et les points de connexion symétriques (36OUTA, 36OUTB), le deuxième point de connexion dissymétrique étant connecté à au moins l'un des plans de masse (22APM, 22BPM, 23BPM).
  2. Symétriseur selon la revendication 1 comprenant, en outre :
    ■ une quatrième couche conductrice (21AM) séparée de la première couche conductrice (22AM) par une troisième couche de substrat (21) et formant un quatrième plan de masse (21 APM),
    ■ une cinquième couche conductrice (24BM) séparée de la troisième couche conductrice (23BM) par une quatrième couche de substrat (24) et formant un cinquième plan de masse (24BPM), les quatrième et cinquième couches conductrices (21 AM, 24BM) formant un blindage électromagnétique des trois premières couches conductrices (22AM, 22BM, 23BM).
  3. Symétriseur selon la revendication 2, dans lequel la quatrième couche conductrice (21 AM) est apte à recevoir l'antenne élémentaire, le symétriseur (61) comprenant, en outre, un trou métallisé traversant les première, deuxième et quatrième couches de substrat (22, 23, 24) de manière à relier électriquement le premier point de connexion dissymétrique (31IN) à un point d'entrée (IN) du symétriseur situé sur la cinquième couche conductrice (24BM), le point d'entrée (IN) étant isolé du plan de masse (24BPM) formé sur cette couche conductrice (24BM).
  4. Symétriseur selon la revendication 3, dans lequel le point d'entrée (IN) du symétriseur est formé par un connecteur de type coaxial.
  5. Symétriseur selon l'une des revendications 3 et 4 comprenant, en outre, deux trous métallisés traversant les première, deuxième et troisième couches de substrat (21, 22, 23) de manière à relier électriquement chaque point de connexion symétrique (36OUTA, 36OUTB) à un point de sortie (OUTA, OUTB) du symétriseur situé sur la quatrième couche conductrice (21 AM), les points de sortie (OUTA, OUTB) étant isolés du plan de masse (21 APM) formé sur cette couche conductrice (21 AM).
  6. Symétriseur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins la première ligne de transmission (31), ou la cinquième ligne de transmission (36), ou les deuxième, troisième et quatrième lignes de transmission (33, 34, 35) sont courbées de manière à réduire leur encombrement sur la couche conductrice (22AM, 22BM, 23BM) sur laquelle elles sont formées.
  7. Symétriseur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins une ligne de transmission (31-36) est entourée de trous métallisés reliés à des plans de masse (21APM, 22APM, 22BPM, 23BPM, 24BPM).
  8. Symétriseur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la jonction de symétriseur (34J) est réalisée par une zone d'épargne coupant la troisième ligne de transmission (34).
  9. Symétriseur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la fréquence prédéterminée est sensiblement égale à la fréquence centrale de la bande de fréquences de fonctionnement du symétriseur (61).
  10. Ensemble de symétriseurs selon l'une des revendications précédentes, chaque symétriseur (61) étant apte à alimenter une antenne élémentaire, les antennes élémentaires formant globalement une antenne réseau (50), les couches conductrices (22AM, 22BM, 23BM) de chaque symétriseur (61) formant un même circuit multicouche (20).
  11. Ensemble de symétriseurs selon la revendication 10, les symétriseurs (61) étant agencés de manière à ce que leurs points de sortie (OUTA, OUTB) soient aptes à coïncider avec des points d'alimentation (52) d'une antenne élémentaire.
  12. Dispositif d'antenne réseau comportant une antenne réseau (50) formée d'antennes élémentaires comprenant chacune deux éléments rayonnants (51) et un ensemble de symétriseurs selon l'une des revendications 10 et 11.
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