EP2548261B1 - Antenne réseau réflecteur à compensation de polarisation croisée et procédé de réalisation d'une telle antenne - Google Patents

Antenne réseau réflecteur à compensation de polarisation croisée et procédé de réalisation d'une telle antenne Download PDF

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EP2548261B1
EP2548261B1 EP11702668.2A EP11702668A EP2548261B1 EP 2548261 B1 EP2548261 B1 EP 2548261B1 EP 11702668 A EP11702668 A EP 11702668A EP 2548261 B1 EP2548261 B1 EP 2548261B1
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EP
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radiating element
plane
reflector array
radiating
directions
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Danièle Bresciani
Hervé Legay
Gérard Caille
Eric Labiole
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Thales SA
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Thales SA
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/44—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the electric or magnetic characteristics of reflecting, refracting, or diffracting devices associated with the radiating element
    • H01Q3/46—Active lenses or reflecting arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/006—Selective devices having photonic band gap materials or materials of which the material properties are frequency dependent, e.g. perforated substrates, high-impedance surfaces
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    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/14—Reflecting surfaces; Equivalent structures
    • H01Q15/141—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing reflecting surfaces
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    • H01Q15/24—Polarising devices; Polarisation filters 
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    • Y10T29/49016—Antenna or wave energy "plumbing" making

Definitions

  • the present invention relates to a reflective array antenna with cross-polarization compensation and to a method for producing such an antenna. It applies in particular to antennas mounted on a spacecraft such as a telecommunications satellite or to antennas of terrestrial terminals for telecommunications or satellite broadcasting systems.
  • the offset antenna configurations comprising a reflector with a geometrically formed surface (in English: offset shaped reflector antenna) and a primary source offset with respect to the axis normal to the reflector, generate radiation in a cross polarization induced by the geometric curvature of the reflector and the level of which depends directly on the focal ratio of the reflector, the focal ratio being defined by the ratio between the focal length and the diameter of the reflector.
  • the larger the focal ratio the lower the level of cross polarization.
  • the structure of the antenna must be compact and the focal ratios are low, which induces a high level of cross polarization.
  • the level of cross polarization is zero in the direction normal to the antenna but there may be axisymmetric cross polarization lobes due to the curvature of the lines of fields at the ends of the reflector.
  • the primary source used can, when it has poor performance, itself generate field components comprising a cross polarization.
  • the antennas mounted on the satellites and pointing towards the Earth often have a double reflector structure mounted in a Gregorian configuration.
  • the use of two reflectors makes it possible to define the geometry of the auxiliary reflector relative to the geometry of the main reflector so that the cross polarization induced by the curvature of the auxiliary reflector cancels the cross polarization induced by the curvature of the main reflector.
  • the presence of the auxiliary reflector and its support structure results in an increase in the mass, volume and cost of the antenna compared to an antenna with a single reflector.
  • a reflector array antenna in English: reflectarray antenna
  • a primary source illuminates a reflective network under an oblique incidence.
  • the reflector comprises a set of elementary radiating elements assembled in a one or two-dimensional network and forming a reflecting surface which may be planar.
  • the reflective network then acts as a mirror and the radiation reflected by the reflective network does not have a cross polarization component s '' it is illuminated by a primary source without crossed polarization placed in its axis of symmetry.
  • the radiating elements of a reflecting array generally have geometric differences so as to precisely control the phase shift that each radiating element produces on an incident wave.
  • the arrangement of the elementary radiating elements with respect to each other on the surface of the reflector is generally synthesized and optimized so as to obtain a given radiation diagram in a chosen pointing direction with a chosen phase law. Consequently, it has been observed that although the reflector is flat and therefore there is no cross-polarization induced by the curvature of the reflector, due to the illumination of the reflector by a source in offset configuration, the reflector array behaves in operation as a reflector with a geometrically formed surface which also induces cross-polarized radiation whose level is of the same order of magnitude as a reflector with equivalent formed surface.
  • a reflective array antenna is disclosed in US 6,081,234 .
  • the object of the invention is to provide a reflective array antenna having a given phase diagram and in which the cross polarization generated by a primary source is canceled.
  • the invention relates to a reflective array antenna with cross-polarization compensation comprising a reflective array consisting of a plurality of elementary radiating elements regularly distributed and forming a reflecting surface and a primary source intended to illuminate the reflecting network, the reflecting network having a radiation diagram according to two main orthogonal polarizations in a direction of propagation chosen with a law of selected phase, each elementary radiating element being produced in planar technology and comprising an engraved pattern consisting of at least one metal patch comprising, in a symmetrical configuration having a square geometric shape, at least four opposite sides two by two with respect to a center of the engraved pattern and arranged parallel to two directions X, Y of the XY plane of the radiating element, characterized in that at least one radiating element of the reflecting network comprises a metallic patch having a geometric shape asymmetrical with respect to at least the one of the directions X and / or Y of the XY plane of the radiating element, the angular asymmetries consisting of an angular inclination
  • the asymmetry of the etched pattern is calculated individually for each radiating element from a symmetrical radiating element of the same pattern and consists of an angular inclination of at least one direction of the pattern.
  • the angular value of the angle of inclination is determined so that the radiating element generates a reflected wave having a controlled depolarization which opposes a depolarization generated in the plane normal to the direction of propagation by the reflective network illuminated by the primary source.
  • the controlled depolarization of the radiating element corresponds to an individual reflection matrix having main reflection coefficients of amplitude similar to those of the radiating element of the same pattern and of geometrically symmetrical shape in both directions X and Y, and cross reflection coefficients of non-zero amplitude greater than that of said radiating element of the same symmetrical pattern.
  • the engraved pattern comprises at least one radiating slot comprising in a symmetrical configuration of the radiating element, at least two branches diametrically opposite with respect to the center of the engraved pattern and arranged parallel to at least one of the directions X and / or Y of the radiating element, the asymmetry of the etched pattern of the radiating element also consists of an angular inclination of each branch, with respect to the X and / or Y directions of the plane of the radiating element.
  • the slots in the case of an engraved pattern comprising a metal patch and at least two slots engraved in the metal patch, the slots forming at least four main branches oriented respectively, two by two, parallel to the directions X and Y in a symmetrical configuration of the radiating element, the angular asymmetries also consist of angular rotations of the four main branches of the slots, around the center of the engraved pattern, in the XY plane.
  • the etched pattern of asymmetrical shape includes a metal patch and slots etched in the metal patch, the slots forming a central cross having four main branches opposite in pairs, the main branches located in opposite directions relative to the center of the pattern. engraved, being inclined in opposite directions.
  • several adjacent radiating elements of the reflecting array comprise an engraved pattern having an asymmetrical geometric shape with respect to at least one direction X and / or Y of the XY plane of each of said radiating elements, the angular inclinations on the side or the branch of the geometric shape of the engraved pattern of each of said radiating elements forming an angle of continuously progressive value from one radiating element to another radiating element adjacent to the reflecting surface.
  • the reflective grating comprises several planar facets oriented according to different planes, each facet plane comprising a plurality of elementary radiating elements, and in that at least one radiating element of each plane facet of the reflecting network comprises an engraved pattern having an asymmetrical geometric shape with respect to at least one direction X and / or Y of the plane XY of the facet to which the corresponding radiating element belongs.
  • the invention also relates to a method for producing a reflective array antenna with cross-polarization compensation consisting in producing a reflective array (11) consisting of a plurality of elementary radiating elements (20) regularly distributed and forming a reflecting surface and to illuminate the reflective network (11) by a primary source (13), characterized in that it consists in developing a reflective network in which each elementary radiating element is produced in planar technology and comprises an engraved pattern consisting of at least one metal patch (15) comprising, in a symmetrical configuration having a square geometric shape , at least four opposite sides two by two with respect to a center (50) of the engraved pattern and arranged parallel to two directions X and Y of the XY plane of the radiating element, at least one radiating element (20) of the reflective network (11) comprising a metal patch ic having an asymmetrical geometric shape with respect to at least one of the X and / or Y directions of the XY plane of the radiating element, the angular asymmetries consist of an angular inclination
  • a reflector array antenna 10 as shown for example on the figure 1 , comprises a set of elementary radiating elements 20 assembled in reflective network 11 in one or two dimensions and forming a reflective surface 14 making it possible to increase the directivity and the gain of the antenna 10.
  • the reflective network 11 is illuminated by a source primary 13.
  • the elementary radiating elements 20, also called elementary cells, of the reflective network 11, include etched patterns of the metal patch and / or slot type.
  • the engraved patterns have variable parameters, such as for example the geometric dimensions of the engraved patterns (length and width of the “patches” or slots), which are adjusted from so as to obtain a chosen radiation pattern.
  • the elementary radiating elements 20 can be constituted by metallic patches charged with radiating slots and separated from a metallic ground plane by a typical distance between ⁇ g / 10 and ⁇ g / 4, where ⁇ g is the guided wavelength in the spacer medium.
  • This spacer medium can be a dielectric, but also a composite sandwich produced by a symmetrical arrangement of a separator of the honeycomb type and of dielectric skins of thin thicknesses.
  • the elementary radiating element 20 is of square shape having sides of length m, comprising a metal patch 15 printed on an upper face of a dielectric substrate 16 provided with a metal ground plane 17 on its lower face.
  • the metal patch 15 has the shape of a square having sides of dimension p and has two slots 18 of length b and width k formed in its center, the slots being arranged in the shape of a cross.
  • the plane of the reflecting surface of the radiating element is the XY plane.
  • the shape of the elementary radiating elements 20 is not limited to a square, it can also be rectangular, triangular, circular, hexagonal, cross-shaped, or any other geometric shape.
  • the slots can also be made in a number different from two and their arrangement can be different from a cross.
  • the radiating element could also include a pattern consisting of a central patch in the shape of a cross and one or more peripheral slots.
  • the radiating element could comprise a pattern consisting of several concentric annular metal patches and of several annular or non-annular slots.
  • the elementary cell must be able to precisely control the phase shift that it produces on an incident wave, for the different frequencies of the passband.
  • the arrangement (in English: lay-out) of the elementary radiating elements with respect to each other to form a reflective network is synthesized so as to obtain a given radiation diagram in a chosen pointing direction and with a predetermined phase law .
  • the figure 3 shows an example of arrangement of elements radiating from a reflective array antenna, making it possible to obtain a directional beam pointed in a lateral direction with respect to the antenna. Due to the flatness of the reflective network and the differences in path lengths of a wave emitted by a primary source 13 to each radiating element 7, 8 of the network, the illumination of the reflective network by an incident wave coming from the primary source 13 causes a phase distribution of the electromagnetic field above the reflecting surface 14.
  • the etched patterns of each radiating element 7, 8 therefore have geometric dimensions defined so that the incident wave is reflected by the network 11 with a phase shift which compensates for the relative phase of the incident wave.
  • each radiating element is usually chosen to be symmetrical with respect to the two orthogonal axes X and Y of the plane of each radiating element.
  • An isolated symmetrical radiating element hardly depolarizes an incident wave normal to its plane and the associated reflection matrix therefore has very low crossed reflection coefficients, generally less than 30 dB. These levels can increase for an oblique incidence, particularly greater than 40 ° compared to normal.
  • the radiating elements are arranged on the surface of the reflector so as to achieve a specific phase law over the entire surface, in a main polarization corresponding to the polarization emitted by the primary source. Depolarization phenomena are phenomena considered as parasites which deteriorate the performance of the antenna, but they are generally not taken into account when the arrangement of the reflector array is carried out.
  • the reflective grating 11 When the reflective grating 11 is illuminated by an oblique incident wave in a linear polarization, it generates a reflected wave comprising two field components in two orthogonal directions X and Y.
  • the surface of the reflecting array 11 is partially shown diagrammatically by dotted lines and four radiating elements 20 are shown, each radiating element 20 comprising a metallic patch of square shape.
  • the incident electromagnetic field Einc emitted by the primary source can be linearly polarized, for example in a vertical direction in an orthonormal reference frame linked to the source.
  • the incident field Einc Due to its oblique incidence, the incident field Einc, linearly polarized in the plane linked to the source, induces, in an XY coordinate system linked to the plane of the radiating element, an incident field Ei comprising two field components Eix and Eiy according to the two directions X and Y of the plane of the radiating element, the two components Eix and Eiy corresponding to the projection of the oblique incident field Einc in the plane of the reflecting network.
  • the reflective grating then radiates, in a main propagation direction, a reflected electromagnetic field Er comprising two field components Erx and Ery.
  • the incident field Einc linearly polarized in the reference frame linked to the primary source 13 therefore generates in a plane XY parallel to the plane of the reflective grating 11, a field component in cross polarization.
  • the crossed polarization components induced at the level of the radiating elements compensate each other.
  • the direction normal n to the plane of the reflective grating is generally different from the normal plane 44 to the direction of propagation 45.
  • the crossed polarization components are then summed with a weighting in phase and no longer compensate for each other.
  • the invention therefore consists in synthesizing a reflective grating in accordance with the prior art, that is to say by being concerned only with the radiation patterns required in the two main orthogonal polarizations and therefore by only looking at main reflection coefficients Rxx and Ryy.
  • main reflection coefficients Rxx and Ryy have amplitudes close to 1.
  • the invention then consists in slightly disturbing the polarization induced by at least one radiating element of the grating reflector so as to compensate for the cross-polarization components induced by the reflective grating.
  • the disturbance to be introduced into the radiating elements is determined individually, for each of the radiating elements of the reflecting network.
  • the slight depolarization of the waves reflected by each radiating element corresponds to the appearance, in the plane of the reflecting network, of radiation in crossed polarization, at low amplitude, at the level of the individual radiating elements.
  • the slight depolarization is such that it makes it possible to obtain, in the normal plane 44 to the direction of propagation 45 of the waves reflected by the reflecting network 11, called the opening plane of the reflecting network or the radiating opening plane, a distribution electric field without cross component.
  • the depolarization introduced must be low and not disturb the fundamental mode of radiation of the radiating element, nor its phase.
  • the cross reflection coefficients introduced by each elementary radiating element will preferably be less than -15dB.
  • the invention consists, in a first step, in defining the radiation pattern of the far electromagnetic field 46 desired and in imposing as a starting condition, that the polarization components are null for this far field.
  • this far electromagnetic field 46 is associated a unique distribution of a near electromagnetic field over an infinite radiating aperture defined by a normal plane 44 to the direction of propagation 45 of the waves reflected by the reflective network 11.
  • the crossed polarization components being zero in the far field, they are also zero in a plane normal to the direction of propagation of the waves reflected by the reflective network and are therefore zero in the opening plane 44 of the reflective network 11. From the field radiation diagram electromagnetic far 46 desired, it is possible to deduce therefrom, by means of a Fourier transform, the main polarization components of the corresponding radiated near field, in the opening plane 44 of the reflecting array,
  • the invention in a second step, in the general case where the opening plane 44 is different from the plane of the reflective grating 11, the invention then consists in calculating, by a backpropagation technique, for each radiating element of the reflective grating, the components of the corresponding radiated electric field in the plane of the reflecting network.
  • the backpropagation technique consists in changing the reference point of the opening plane 44 to the plane of the reflective network 11.
  • the components of the electric field radiated in the plane of the reflective network are the components Erx and Ery reflected by the corresponding radiating element according to the respective directions X and Y.
  • the Ery component is weak but not zero if the plane of the reflective grating is different from the opening plane.
  • the invention consists in calculating the components of the incident electric field Eix and Eiy induced by the primary source 13 on each radiating element of the reflective network.
  • the cornet is defined by a set of modal coefficients of spherical waves with which it is possible to calculate the near or far radiated field as described for example in the book of G. Franceschetti, "Campi Elettromagnetici", Bollati Boringhieri editore srl, Torino 1988 (II ediée ), incorporated by reference.
  • the invention consists, for each radiating element, in deducing therefrom the main reflection coefficients Rxx and Ryy and the corresponding reflection coefficients Rxy and Ryx.
  • the oblique incident wave Einc is polarized in two main orthogonal directions X and Y
  • the components of the reflected field generated in the directions X and Y are connected to the incident field by two equations for polarization in the direction X and two additional equations for polarization in the Y direction.
  • the reflection matrix of each radiating element of the reflecting network therefore comprises reflection coefficients Rxx in the direction X, Ryy in the direction Y and two crossed reflection coefficients Rxy and Ryx corresponding to a crossed polarization.
  • the invention firstly consists in synthesizing a reflective grating by only being concerned with the radiation patterns required in the two main orthogonal polarizations in the directions X and Y and therefore by only being interested in to the main reflection coefficients Rxx and Ryy, then to slightly disturb the polarization of at least one radiating element so as to compensate for the cross polarization induced by the reflective network in the direction of propagation of the reflected waves.
  • the angle of incidence of the emitted wave relative to this radiating element varies and the crossed reflection coefficients also vary.
  • the depolarization is all the more important as the angle ⁇ of the incident wave with respect to the normal direction n to the reflective grating increases.
  • the components Erx and Ery of the radiated field Er must be determined for each radiating element, in the plane XY of the facet to which this radiating element belongs.
  • Different XY references are therefore to be considered depending on the radiating element considered and the facet in which it is located.
  • the method for estimating the amount of depolarization necessary to achieve on each individual radiating element must therefore be applied facet by facet so as to reconstruct, according to the method presented above, the components Erx and Ery of the radiated field in the XY plane. corresponding to the radiating element considered.
  • a reflective network synthesized, in accordance with the prior art, by being only interested in the main reflection coefficients Rxx and Ryy, generally comprises, for reasons of simplicity of construction, radiating elements having an etched pattern symmetrical along their axes principal in the orthogonal directions X and Y of the plane of the reflecting network. In the case where the same radiations are required for the two orthogonal polarizations, the radiating elements have moreover identical dimensions in the directions X and Y.
  • the invention then consists in introducing, into the individual radiating elements 20 of the reflecting network 11, a controlled depolarization, different from 'a radiating element to another radiating element, making it possible to obtain the totality of the reflection coefficients corresponding to the desired values.
  • This depolarization introduced individually into the radiating elements is such that it then compensates for the depolarization induced by an oblique incident wave on the final reflective network.
  • the figure 5a illustrates the distribution of the electric field in the plane of the radiating aperture in the case where the reflective grating has been synthesized without taking account of the parasitic phenomena linked to cross polarization and where the radiation comprises a component in cross polarization
  • the figure 5b illustrates the case where the reflective grating has been synthesized so as to cancel the cross-polarization component and where the radiation is perfectly polarized without cross-component.
  • the depolarization introduced into at least one individual radiating element of the reflecting network consists in breaking the symmetry of the pattern of this radiating element while retaining the same phase of the main reflection coefficients induced by this radiating element, so as not to disrupt its radiation in the main polarization.
  • One thus acts on the amplitude and the phase of the crossed reflection coefficients.
  • angular asymmetries are introduced into the patterns of the radiating elements which generate cross polarization, certain radiating elements not generating cross polarization, for example those located in the axis of symmetry of the reflective network, which can remain symmetrical.
  • These angular asymmetries consist of angular inclinations of at least one main direction of the pattern or angular rotations of the four main directions X, X ', Y, Y' of the patterns, around the center 50 of the pattern, in the XY plane.
  • the angular rotations are carried out with angles which can be different or identical for all the directions and in directions which can be identical or different.
  • the asymmetry of the pattern of each of said radiating elements is continuously progressive one radiating element to another adjacent radiating element on the reflecting surface.
  • a first example represented on the figures 6a to 6d relates to the case of a radiating element 20 whose geometric pattern comprises a metal patch and slots engraved in the patch.
  • the slots form a symmetrical central cross in two orthogonal directions XX 'and YY', called the Jerusalem cross.
  • the cross has four main branches 62, 63, 64, 65, opposite two by two, oriented respectively in the directions X, X ', Y, Y', each main branch having one end provided with a perpendicular extension.
  • the reflection matrix 60 of this symmetrical radiating element is such that the coefficients of main reflections are of equal amplitudes and close to the maximum value 1, corresponding to 0dB, and the crossed reflection coefficients have very small amplitudes, typically of the order of -29dB.
  • the desired reflection matrix 61 comprises main reflection coefficients very little modified compared to those of the symmetrical element and slightly degraded crossed reflection coefficients, having an amplitude of the order of -21 dB, this degraded amplitude being however always located at a level corresponding to noise.
  • each main branch of the central cross has undergone different types of angular rotation relative to the center 50 of the radiating element.
  • the angular rotations consist in modifying the inclination of each of the main branches, independently of each other, from a different angle and in a positive or negative direction.
  • the main branches of the cross located in diametrically opposite directions XX ′, YY ′ have been inclined simultaneously, by the same angle, the inclination being in a positive direction for two opposite branches and in a negative direction for the other two branches.
  • the amplitude and phase diagrams of the corresponding crossed reflection coefficients show that this configuration has a strong impact on the amplitude of the crossed reflection coefficients whereas their phase, modulo 180 °, does not change when the angle of inclination of the main branches of the cross varies between -10 ° and + 10 °.
  • the four main branches of the cross are inclined independently of each other by the same angle, the branches located in diametrically opposite directions being inclined in opposite directions but two successive branches being inclined in the same direction.
  • the amplitude and phase diagrams of the corresponding crossed reflection coefficients show that this configuration has little impact on the amplitude of the crossed reflection coefficients when the angle of inclination of the main branches of the cross varies between -4 °. and + 4 ° while their phase is changing a lot.
  • the two configurations 20f, 20g of the figure 6d , the four main branches of the cross are inclined independently of each other of the same angle, the branches situated in diametrically opposite directions being inclined in opposite directions as on the figure 6c but the direction of inclination of two opposite branches is reversed.
  • the amplitude and phase diagrams of the corresponding crossed reflection coefficients show that this configuration has a great impact on the amplitude of the crossed reflection coefficients when the angle of inclination of the main branches of the cross varies between -10 °. and + 10 ° while their phase does not change.
  • the figure 6e shows an example of an optimized radiating element 20i whose reflection matrix is very close to the desired matrix 61 indicated on the figure 6a .
  • This radiating element 20i comprises two branches forming an angle of 9.35 ° respectively in a negative direction of rotation and in a positive direction of rotation relative to the directions Y and X, and two branches forming an angle of 6.65 ° respectively in a negative direction of rotation and in a positive direction of rotation with respect to the directions X 'and Y'.
  • the figure 7 relates to a set of successive symmetrical radiating elements comprising a continuously evolving phase between two consecutive radiating elements, each radiating element 20 comprising a pattern made up of a metallic patch of square shape and of a radiating opening made in the metallic patch.
  • the respective dimensions of the metal patch with respect to the radiating opening are continuously evolving from one radiating element to another adjacent radiating element, which makes it possible to have a large number of different phases between 0 ° and 360 °, modulo 360 °. to be distributed over a reflecting network as a function of the desired radiated phase law.
  • the different successive phases are obtained without abrupt rupture of the dimensions of the patch relative to the radiating opening thanks to the appearance of the radiating opening in the center of the metallic patch and to the progressive increase in the dimensions of the radiating opening up to on the disappearance of said metallic patch then on the appearance in the center of the radiant opening of a new patch metallic whose dimensions gradually increase until the radiant opening disappears.
  • the figures 8a and 8b show the phase and amplitude diagrams of the crossed reflection coefficients for a radiating element subjected to an oblique incident wave and comprising two inclined sides 81, 82 or 83, 84 in opposite directions so as to form a trapezoid, the angle of inclination of the sides varying between -10 ° and + 10 ° relative to the direction YY 'for the figure 8a or with respect to direction XX 'for the figure 8b .
  • the amplitude of the crossed reflection coefficients varies very little while the phase changes a lot.
  • FIGS. 10a and 10b show other diagrams of evolution of the phase and of the amplitude of the crossed reflection coefficients when two opposite sides are inclined by the same angle in the same direction so as to obtain a parallelogram.

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Description

  • La présente invention concerne une antenne réseau réflecteur à compensation de polarisation croisée et un procédé de réalisation d'une telle antenne. Elle s'applique notamment aux antennes montées sur un engin spatial tel qu'un satellite de télécommunication ou aux antennes des terminaux terrestres pour les systèmes de télécommunications ou de diffusion par satellite.
  • Les configurations d'antenne offset comportant un réflecteur à surface formée géométriquement (en anglais : offset shaped reflector antenna) et une source primaire décalée par rapport à l'axe normal au réflecteur, engendrent des rayonnements dans une polarisation croisée induite par la courbure géométrique du réflecteur et dont le niveau dépend directement du rapport focal du réflecteur, le rapport focal étant défini par le rapport entre la focale et le diamètre du réflecteur. Plus le rapport focal est grand, plus le niveau de polarisation croisée est faible. Cependant, lorsque l'antenne est implantée sur une face d'un satellite orientée vers la Terre, la structure de l'antenne doit être compacte et les rapports focaux sont faibles, ce qui induit un niveau de polarisation croisé élevé.
  • Dans le cas d'une antenne comportant un réflecteur illuminé par une source primaire centrée, le niveau de polarisation croisée est nul dans la direction normale à l'antenne mais il peut y avoir des lobes de polarisation croisée axisymétriques dus à la courbure des lignes de champs aux extrémités du réflecteur.
  • Par ailleurs, la source primaire utilisée peut, lorsqu'elle comporte des faibles performances, engendrer elle-même des composantes de champ comportant une polarisation croisée.
  • Pour répondre à des spécifications de faible niveau de polarisation croisée, les antennes montées sur les satellites et pointant en direction de la Terre ont souvent une structure à double réflecteur montés dans une configuration Grégorienne. L'utilisation de deux réflecteurs permet de définir la géométrie du réflecteur auxiliaire par rapport à la géométrie du réflecteur principal de façon que la polarisation croisée induite par la courbure du réflecteur auxiliaire annule la polarisation croisée induite par la courbure du réflecteur principal. Cependant la présence du réflecteur auxiliaire et de sa structure de support entraîne une augmentation de la masse, du volume et du coût de l'antenne par rapport à une antenne à un seul réflecteur.
  • Une autre solution pour diminuer le niveau de polarisation croisée est d'utiliser une antenne réseau réflecteur (en anglais : reflectarray antenna) en configuration offset. Dans ce type d'antenne, une source primaire illumine un réseau réflecteur sous une incidence oblique. Le réflecteur comporte un ensemble d'éléments rayonnants élémentaires assemblés en réseau à une ou deux dimensions et formant une surface réfléchissante qui peut être plane. En considérant le cas où les éléments rayonnants de l'antenne sont tous identiques et n'induisent pas individuellement de polarisation croisée, le réseau réflecteur agit alors comme un miroir et le rayonnement réfléchi par le réseau réflecteur ne comporte pas de composante en polarisation croisée s'il est illuminé par une source primaire sans polarisation croisée placée dans son axe de symétrie. Cependant, les éléments rayonnants d'un réseau réflecteur comportent généralement des différences géométriques de façon à contrôler précisément le déphasage que chaque élément rayonnant produit sur une onde incidente. En outre, l'agencement des éléments rayonnants élémentaires les uns par rapport aux autres sur la surface du réflecteur est généralement synthétisé et optimisé de façon à obtenir un diagramme de rayonnement donné dans une direction de pointage choisie avec une loi de phase choisie. Par conséquent, il a été constaté que bien que le réflecteur soit plan et qu'il n'y ait donc pas de polarisation croisée induite par la courbure du réflecteur, du fait de l'illumination du réflecteur par une source en configuration offset, le réseau réflecteur se comporte en fonctionnement comme un réflecteur à surface formée géométriquement qui induit aussi un rayonnement en polarisation croisée dont le niveau est du même ordre de grandeur qu'un réflecteur à surface formée équivalent. Une antenne réseau réflecteur est divulguée dans US 6,081,234 .
  • Le but de l'invention est de réaliser une antenne réseau réflecteur ayant un diagramme de phase donné et dans laquelle la polarisation croisée engendrée par une source primaire est annulée.
  • Pour cela, l'invention concerne une antenne réseau réflecteur à compensation de polarisation croisée comportant un réseau réflecteur constitué d'une pluralité d'éléments rayonnants élémentaires régulièrement répartis et formant une surface réfléchissante et une source primaire destinée à illuminer le réseau réflecteur, le réseau réflecteur ayant un diagramme de rayonnement selon deux polarisations principales orthogonales dans une direction de propagation choisie avec une loi de phase choisie, chaque élément rayonnant élémentaireétant réalisé en technologie planaire et comportant un motif gravé constitué d'au moins un patch métallique comportant, dans une configuration symétrique ayant une forme géométrique carrée, au moins quatre côtés opposés deux à deux par rapport à un centre du motif gravé et disposés parallèlement à deux directions X, Y du plan XY de l'élément rayonnant, caractérisée en ce qu'au moins un élément rayonnant du réseau réflecteur comporte un patch métallique ayant une forme géométrique dissymétrique par rapport à au moins l'une des directions X et/ou Y du plan XY de l'élément rayonnant, les dissymétries angulaires consistant en une inclinaison angulaire d'au moins deux côtés opposés, du patch métallique des éléments rayonnants dans un même sens ou dans des sens opposés de façon à transformer la forme carrée respectivement en trapèze ou en parallélogramme.
  • Ainsi, pour chaque élément rayonnant du réseau réflecteur, la dissymétrie du motif gravé est calculée individuellement pour chaque élément rayonnant à partir d'un élément rayonnant symétrique de même motif et consiste en une inclinaison angulaire d'au moins une direction du motif. La valeur angulaire de l'angle d'inclinaison est déterminée de manière que l'élément rayonnant engendre une onde réfléchie ayant une dépolarisation contrôlée qui s'oppose à une dépolarisation engendrée dans le plan normal à la direction de propagation par le réseau réflecteur illuminé par la source primaire. La dépolarisation contrôlée de l'élément rayonnant correspond à une matrice de réflexion individuelle ayant des coefficients de réflexion principaux d'amplitude similaire à ceux de l'élément rayonnant de même motif et de forme géométrique symétrique selon les deux directions X et Y, et des coefficients de réflexion croisés d'amplitude non nulle supérieure à celle dudit élément rayonnant de même motif symétrique.
  • Avantageusement, le motif gravé comprend au moins une fente rayonnante comprenant dans une configuration symétrique de l'élément rayonnant, au moins deux branches diamétralement opposées par rapport au centre du motif gravé et disposées parallèlement à au moins l'une des directions X et/ou Y de l'élément rayonnant, la dissymétrie du motif gravé de l'élément rayonnant consistent en outre en une inclinaison angulaire de chaque branche, par rapport aux directions X et/ou Y du plan de l'élément rayonnant.
  • Avantageusement, dans le cas d'un motif gravé comportant un patch métallique et au moins deux fentes gravées dans le patch métallique, les fentes formant au moins quatre branches principales orientées respectivement, deux à deux, parallèlement aux directions X et Y dans une configuration symétrique de l'élément rayonnant, les dissymétries angulaires consistent en outre en des rotations angulaires des quatre branches principales des fentes, autour du centre du motif gravé, dans le plan XY.
  • Avantageusement, le motif gravé de forme dissymétrique comporte un patch métallique et des fentes gravées dans le patch métallique, les fentes formant une croix centrale ayant quatre branches principales opposées deux à deux, les branches principales situées dans des directions opposées par rapport au centre du motif gravé, étant inclinées dans des sens opposés..
  • Selon un mode de réalisation, plusieurs éléments rayonnants adjacents du réseau réflecteur comportent un motif gravé ayant une forme géométrique dissymétrique par rapport à au moins une direction X et/ou Y du plan XY de chacun desdits éléments rayonnants, les inclinaisons angulaires du côté ou de la branche de la forme géométrique du motif gravé de chacun desdits éléments rayonnants formant un angle de valeur continûment progressive d'un élément rayonnant à un autre élément rayonnant adjacent sur la surface réfléchissante.
  • Dans un mode de réalisation, que le réseau réflecteur comporte plusieurs facettes planes orientées selon des plans différents, chaque facette plane comportant une pluralité d'éléments rayonnants élémentaires, et en ce qu'au moins un élément rayonnant de chaque facette plane du réseau réflecteur comporte un motif gravé ayant une forme géométrique dissymétrique par rapport à au moins une direction X et/ou Y du plan XY de la facette à laquelle appartient l'élément rayonnant correspondant.
  • L'invention concerne également un procédé de réalisation d'une antenne réseau réflecteur à compensation de polarisation croisée consistant à réaliser un réseau réflecteur (11) constitué d'une pluralité d'éléments rayonnants élémentaires (20) régulièrement répartis et formant une surface réfléchissante et à illuminer le réseau réflecteur (11) par une source primaire (13), caractérisé en ce qu'il consiste à élaborer un réseau réflecteur dans lequel chaque élément rayonnant élémentaire est réalisé en technologie planaire et comporte un motif gravé constitué d'au moins un patch métallique (15) comportant, dans une configuration symétrique ayant une forme géométrique carrée, au moins quatre côtés opposés deux à deux par rapport à un centre (50) du motif gravé et disposés parallèlement à deux directions X et Y du plan XY de l'élément rayonnant, au moins un élément rayonnant (20) du réseau réflecteur (11) comportant un patch métallique ayant une forme géométrique dissymétrique par rapport à au moins l'une des directions X et/ou Y du plan XY de l'élément rayonnant, les dissymétries angulaires consistent en une inclinaison angulaire d'au moins deux côtés opposés (81, 82), (83, 84) du patch métallique des éléments rayonnants dans un même sens ou dans des sens opposés de façon à transformer la forme carrée respectivement en trapèze ou en parallélogramme
  • Selon un mode de mise en œuvre, le calcul de la dissymétrie à introduire dans l'élément rayonnant consiste:
    • dans une première étape, à partir du diagramme de rayonnement du champ électromagnétique lointain désiré dans lequel la polarisation croisée est nulle, à déduire les composantes de polarisation principale et croisées du champ électrique rayonné Er dans le plan normal à la direction de propagation des ondes réfléchies par le réseau réflecteur,
    • dans une deuxième étape, à calculer, pour chaque élément rayonnant du réseau réflecteur, les composantes Erx et Ery du champ électrique rayonné correspondant dans le plan du réseau réflecteur,
    • dans une troisième étape, à calculer les composantes Eix et Eiy du champ électrique incident Ei induit par la source primaire sur chaque élément rayonnant du réseau réflecteur,
    • dans une quatrième étape, à partir des composantes Erx, Ery, Eix et Eiy déterminées à la deuxième et à la troisième étape, à en déduire des valeurs des coefficients de réflexion principaux Rxx, Ryy et croisés Rxy, Ryx souhaités qui doivent être induits par l'élément rayonnant dissymétrique correspondant.
  • D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la suite de la description donnée à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés qui représentent :
    • figure 1 : un schéma d'un exemple d'une antenne réseau réflecteur, selon l'invention ;
    • figure 2 : un schéma d'un exemple d'élément rayonnant élémentaire, selon l'invention ;
    • figure 3 : un schéma d'un exemple d'arrangement des éléments rayonnants d'une antenne réseau réflecteur, selon l'invention ;
    • figure 4a : un schéma illustrant le trajet d'une onde incidente oblique sur un réseau réflecteur, selon l'invention ;
    • figure 4b : un schéma illustrant l'orientation des composantes de champ dans différents plans sur le trajet d'une onde incidente et d'une onde réfléchie, selon l'invention ;
    • figures 5a et 5b : deux schémas illustrant la distribution du champ électrique dans le plan de l'ouverture rayonnante dans le cas où le rayonnement comporte une composante en polarisation croisée et respectivement, dans le cas où le rayonnement est parfaitement polarisé sans composante croisée, selon l'invention ;
    • figure 6a: un exemple d'élément rayonnant symétrique comportant un patch métallique et des fentes gravées dans le patch métallique, la matrice de réflexion correspondante et la matrice de réflexion souhaitée, selon l'invention ;
    • figures 6b à 6e : l'élément rayonnant de la figure 6a dans lequel différents types de rotations sont introduits et les diagrammes relatifs aux évolutions de l'amplitude et de la phase des coefficients croisés correspondants, selon l'invention ;
    • figure 7 : un exemple d'un ensemble d'éléments rayonnants successifs symétriques comportant une phase continûment évolutive entre deux éléments rayonnants consécutifs, chaque élément rayonnant comportant un motif constitué d'un patch métallique de forme carrée et d'une ouverture rayonnante pratiquée dans le patch métallique, selon l'invention ;
    • figures 8a, 8b, 9a, 9b : un élément rayonnant de la figure 7 dans lequel différents types de rotations sont introduits et les diagrammes relatifs aux évolutions de l'amplitude et de la phase des coefficients croisés correspondants, selon l'invention.
  • Une antenne réseau réflecteur 10 telle que représentée par exemple sur la figure 1, comporte un ensemble d'éléments rayonnants élémentaires 20 assemblés en réseau réflecteur 11 à une ou deux dimensions et formant une surface réfléchissante 14 permettant d'augmenter la directivité et le gain de l'antenne 10. Le réseau réflecteur 11 est illuminé par une source primaire 13. Les éléments rayonnants élémentaires 20, appelés aussi cellules élémentaires, du réseau réflecteur 11, comportent des motifs gravés de type patchs métalliques et/ou fentes. Les motifs gravés ont des paramètres variables, tels que par exemple les dimensions géométriques des motifs gravés (longueur et largeur des « patchs » ou des fentes), qui sont réglés de façon à obtenir un diagramme de rayonnement choisi. Comme représenté par exemple sur la figure 2, les éléments rayonnants élémentaires 20 peuvent être constitués par des patchs métalliques chargés de fentes rayonnantes et séparés d'un plan de masse métallique d'une distance typique comprise entre λg/10 et λg/4, où λg est la longueur d'onde guidée dans le milieu espaceur. Ce milieu espaceur peut être un diélectrique, mais aussi un sandwich composite réalisé par un agencement symétrique d'un séparateur de type Nid d'abeille et de peaux diélectriques de fines épaisseurs.
  • Sur la figure 2, l'élément rayonnant élémentaire 20 est de forme carré ayant des côtés de longueur m, comportant un patch métallique 15 imprimé sur une face supérieure d'un substrat diélectrique 16 muni d'un plan de masse métallique 17 sur sa face inférieure. Le patch métallique 15 a une forme de carré ayant des côtés de dimension p et comporte deux fentes 18 de longueur b et de largeur k pratiquées en son centre, les fentes étant disposées en forme de croix. Dans un repère à trois dimensions XYZ, le plan de la surface réfléchissante de l'élément rayonnant est le plan XY. La forme des éléments rayonnants élémentaires 20 n'est pas limitée à un carré, elle peut également être rectangulaire, triangulaire, circulaire, hexagonale, en forme de croix, ou toute autre forme géométrique. Les fentes peuvent également être réalisées en un nombre différent de deux et leur disposition peut être différente d'une croix. Au lieu de fentes centrales, l'élément rayonnant pourrait également comporter un motif constitué d'un patch central en forme de croix et d'une ou plusieurs fentes périphériques. Alternativement, l'élément rayonnant pourrait comporter un motif constitué de plusieurs patchs métalliques annulaires concentriques et de plusieurs fentes annulaires ou non.
  • Pour que l'antenne 10 soit performante, il faut que la cellule élémentaire puisse contrôler précisément le déphasage qu'elle produit sur une onde incidente, pour les différentes fréquences de la bande passante.
  • L'agencement (en anglais : lay-out) des éléments rayonnants élémentaires les uns par rapport aux autres pour constituer un réseau réflecteur est synthétisé de façon à obtenir un diagramme de rayonnement donné dans une direction de pointage choisie et avec une loi de phase prédéterminée. La figure 3 montre un exemple d'arrangement des éléments rayonnants d'une antenne réseau réflecteur, permettant d'obtenir un faisceau directif pointé dans une direction latérale par rapport à l'antenne. En raison de la planéité du réseau réflecteur et des différences de longueurs de trajet d'une onde émise par une source primaire 13 jusqu'à chaque élément rayonnant 7, 8 du réseau, l'illumination du réseau réflecteur par une onde incidente provenant de la source primaire 13 provoque une distribution de phase du champ électromagnétique au-dessus de la surface réfléchissante 14. Les motifs gravés de chaque élément rayonnant 7, 8 ont donc des dimensions géométriques définies de façon que l'onde incidente soit réfléchie par le réseau 11 avec un décalage de phase qui compense la phase relative de l'onde incidente.
  • La forme géométrique du motif gravé de chaque élément rayonnant est habituellement choisie symétrique par rapport aux deux axes orthogonaux X et Y du plan de chaque élément rayonnant. Un élément rayonnant symétrique isolé ne dépolarise quasiment pas une onde incidente normale à son plan et la matrice de réflexion associée comporte donc des coefficients de réflexion croisés très faibles, généralement inférieurs à 30dB. Ces niveaux peuvent augmenter pour une incidence oblique, particulièrement supérieure à 40° par rapport à la normale. Les éléments rayonnants sont agencés sur la surface du réflecteur de façon à réaliser une loi de phase spécifique sur l'ensemble de la surface, dans une polarisation principale correspondant à la polarisation émise par la source primaire. Les phénomènes de dépolarisation sont des phénomènes considérés comme des parasites qui détériorent les performances de l'antenne mais ils ne sont généralement pas pris en compte lors de la réalisation de l'agencement du réseau réflecteur.
  • Lorsque le réseau réflecteur 11 est illuminé par une onde incidente oblique dans une polarisation linéaire, il engendre une onde réfléchie comportant deux composantes de champ selon deux directions X et Y orthogonales. Sur la figure 4a, la surface du réseau réflecteur 11 est partiellement schématisée par des lignes pointillées et quatre éléments rayonnants 20 sont représentés, chaque élément rayonnant 20 comportant un patch métallique de forme carrée. Une source primaire 13 placée en configuration offset, illumine le réseau réflecteur 11 selon une direction oblique faisant un angle θ par rapport à la direction normale n au réseau réflecteur 11. Le champ électromagnétique incident Einc émis par la source primaire peut être polarisé linéairement, par exemple selon une direction verticale dans un repère orthonormé lié à la source. Du fait de son incidence oblique, le champ incident Einc, polarisé linéairement dans le plan lié à la source, induit, dans un repère XY lié au plan de l'élément rayonnant, un champ incident Ei comportant deux composantes de champ Eix et Eiy selon les deux directions X et Y du plan de l'élément rayonnant, les deux composantes Eix et Eiy correspondant à la projection du champ incident oblique Einc dans le plan du réseau réflecteur. Le réseau réflecteur rayonne alors, selon une direction de propagation principale, un champ électromagnétique réfléchi Er comportant deux composantes de champ Erx et Ery. Le champ incident Einc polarisé linéairement dans le repère lié à la source primaire 13 engendre donc dans un plan XY parallèle au plan du réseau réflecteur 11, une composante de champ en polarisation croisée.
  • Pour un réseau réflecteur plan et dans la direction normale n au plan du réseau réflecteur, les composantes de polarisation croisées induites au niveau des éléments rayonnants se compensent. Pour une loi de phase imposée pour réaliser un faisceau dans une direction donnée ou une couverture spécifique, comme illustré sur la figure 4b, la direction normale n au plan du réseau réflecteur est généralement différente du plan normal 44 à la direction de propagation 45. Les composantes de polarisation croisées sont alors sommées avec une pondération en phase et ne se compensent plus.
  • L'invention consiste donc à synthétiser un réseau réflecteur conformément à l'art antérieur, c'est-à-dire en ne se préoccupant que des diagrammes de rayonnement requis dans les deux polarisations principales orthogonales et donc en ne s'intéressant qu'aux coefficients de réflexion principaux Rxx et Ryy. Pour que le diagramme de rayonnement du réseau réflecteur soit performant, il est important que les coefficients de réflexion principaux Rxx et Ryy aient des amplitudes proches de 1. L'invention consiste ensuite à perturber faiblement la polarisation induite par au moins un élément rayonnant du réseau réflecteur de manière à compenser les composantes de polarisation croisée induites par le réseau réflecteur. La perturbation à introduire dans les éléments rayonnants est déterminée individuellement, pour chacun des éléments rayonnants du réseau réflecteur. La légère dépolarisation des ondes réfléchies par chaque élément rayonnant correspond à l'apparition, dans le plan du réseau réflecteur, d'un rayonnement en polarisation croisée, à faible amplitude, au niveau des éléments rayonnants individuels. La légère dépolarisation est telle qu'elle permet d'obtenir, dans le plan normal 44 à la direction de propagation 45 des ondes réfléchies par le réseau réflecteur 11, appelé plan d'ouverture du réseau réflecteur ou plan d'ouverture rayonnante, une distribution de champ électrique sans composante croisée. La dépolarisation introduite doit être faible et ne pas perturber le mode fondamental de rayonnement de l'élément rayonnant, ni sa phase. Par exemple, les coefficients de réflexion croisés introduits par chaque élément rayonnant élémentaire seront préférentiellement inférieurs à -15dB.
  • Pour estimer la quantité de dépolarisation nécessaire à réaliser sur chaque élément rayonnant individuel, l'invention consiste, dans une première étape, à définir le diagramme de rayonnement du champ électromagnétique lointain 46 désiré et à imposer comme condition de départ, que les composantes de polarisation croisée sont nulles pour ce champ lointain. A ce champ électromagnétique lointain 46 est associé une unique distribution d'un champ électromagnétique proche sur une ouverture rayonnante infinie définie par un plan normal 44 à la direction de propagation 45 des ondes réfléchies par le réseau réflecteur 11. Automatiquement, les composantes de polarisation croisées étant nulles en champ lointain, elles sont également nulles dans un plan normal à la direction de propagation des ondes réfléchies par le réseau réflecteur et sont donc nulles dans le plan d'ouverture 44 du réseau réflecteur 11. A partir du diagramme de rayonnement du champ électromagnétique lointain 46 désiré, il est possible d'en déduire, au moyen d'une transformée de Fourier, les composantes de polarisation principale du champ proche rayonné correspondant, dans le plan d'ouverture 44 du réseau réflecteur,
  • Il est également possible de reconstruire le champ proche rayonné sur une surface limitée correspondant au réseau réflecteur. Pour qu'il y ait équivalence entre le champ proche reconstruit et le champ lointain désiré, il est nécessaire que le champ proche soit confiné à l'intérieur de la surface du réseau réflecteur.
  • Dans une deuxième étape, dans le cas général où le plan d'ouverture 44 est différent du plan du réseau réflecteur 11, l'invention consiste ensuite à calculer, par une technique de rétropropagation, pour chaque élément rayonnant du réseau réflecteur, les composantes du champ électrique rayonné correspondant dans le plan du réseau réflecteur. La technique de rétropropagation consiste en un changement de repère du plan d'ouverture 44 au plan du réseau réflecteur 11. Les composantes du champ électrique rayonné dans le plan du réseau réflecteur sont les composantes Erx et Ery réfléchies par l'élément rayonnant correspondant selon les directions respectives X et Y. La composante Ery est faible mais non nulle si le plan du réseau réflecteur est différent du plan d'ouverture.
  • Dans une troisième étape, l'invention consiste, à calculer les composantes du champ électrique incident Eix et Eiy induit par la source primaire 13 sur chaque élément rayonnant du réseau réflecteur. Pour une source primaire de type cornet rayonnant, le cornet est défini par un ensemble de coefficients modaux d'ondes sphériques avec lesquels il est possible de calculer le champ rayonné proche ou lointain comme décrit par exemple dans le livre de G. Franceschetti, « Campi Elettromagnetici », Bollati Boringhieri editore s.r.l., Torino 1988 (II edizione), incorporé par référence.
  • Dans une quatrième étape, à partir des composantes Erx et Ery déterminées à la deuxième étape et des composantes Eix et Eiy déterminées à la troisième étape, l'invention consiste, pour chaque élément rayonnant, à en déduire les coefficients de réflexion principaux Rxx et Ryy et les coefficients de réflexion croisés Rxy et Ryx correspondants.
  • En effet, les composantes Erx et Ery du champ réfléchi Er engendrées par le réseau réflecteur selon les directions respectives X et Y s'expriment en fonction des composantes Eix et Eiy du champ incident Ei induit par la source par les équations suivantes : Erx = Rxx Eix + Rxy Eiy
    Figure imgb0001
     Ery = Ryx Eix + Ryy Eiy
    Figure imgb0002
  • Si l'onde incidente oblique Einc est polarisée selon deux directions principales orthogonales X et Y, les composantes du champ réfléchi engendrées selon les directions X et Y sont reliées au champ incident par deux équations pour la polarisation selon la direction X et deux équations additionnelles pour la polarisation selon la direction Y.
  • La matrice de réflexion de chaque élément rayonnant du réseau réflecteur comporte donc des coefficients de réflexion Rxx dans la direction X, Ryy dans la direction Y et deux coefficients de réflexion croisés Rxy et Ryx correspondant à une polarisation croisée.
  • Pour que les coefficients de réflexion principaux Rxx et Ryy aient des amplitudes proches de 1, il est nécessaire que le champ rayonné lointain soit très fortement corrélé au champ rayonné proche reconstruit dans le plan virtuel de l'ouverture rayonnante. C'est la raison pour laquelle l'invention consiste d'abord à synthétiser un réseau réflecteur en ne se préoccupant que des diagrammes de rayonnement requis dans les deux polarisations principales orthogonales selon les directions X et Y et donc en ne s'intéressant qu'aux coefficients de réflexion principaux Rxx et Ryy, puis à perturber faiblement la polarisation d'au moins un élément rayonnant de manière à compenser la polarisation croisée induite par le réseau réflecteur dans la direction de propagation des ondes réfléchies.
  • En appliquant cette méthode permettant d'estimer la quantité de dépolarisation nécessaire à réaliser sur chaque élément rayonnant individuel, élément rayonnant par élément rayonnant, des valeurs de coefficients de réflexion principaux et croisés sont déduits pour chacun des éléments rayonnants correspondants.
  • Suivant la position de l'élément rayonnant 20 sur la surface réfléchissante, l'angle d'incidence de l'onde émise par rapport à cet élément rayonnant varie et les coefficients de réflexion croisés varient également. La dépolarisation est d'autant plus importante que l'angle θ de l'onde incidente par rapport à la direction normale n au réseau réflecteur augmente.
  • Ainsi, par exemple, dans le cas d'un réseau réflecteur 11 constitué de plusieurs facettes planes, comme représenté sur la figure 4b où le réflecteur comporte trois facettes planes 41, 42, 43 orientées selon trois plans différents, les composantes Erx et Ery du champ rayonné Er doivent être déterminés pour chaque élément rayonnant, dans le plan XY de la facette à laquelle appartient cet élément rayonnant. Différents repères XY sont donc à considérer selon l'élément rayonnant considéré et la facette dans laquelle il se trouve. La méthode permettant d'estimer la quantité de dépolarisation nécessaire à réaliser sur chaque élément rayonnant individuel doit donc être appliquée facette par facette de façon à reconstruire, selon la méthode présentée ci-dessus, les composantes Erx et Ery du champ rayonné dans le plan XY correspondant à l'élément rayonnant considéré.
  • Un réseau réflecteur synthétisé, conformément à l'art antérieur, en ne s'intéressant qu'aux coefficients de réflexion principaux Rxx et Ryy, comporte généralement, pour des raisons de simplicité de réalisation, des éléments rayonnants ayant un motif gravé symétrique selon leurs axes principaux dans les directions orthogonales X et Y du plan du réseau réflecteur. Dans le cas où les mêmes rayonnements sont requis pour les deux polarisations orthogonales, les éléments rayonnants ont de plus des dimensions identiques selon les directions X et Y.
  • Les dimensions précises des motifs gravés de chaque élément rayonnant sont donc déduites des coefficients principaux Rxx et Ryy. La polarisation croisée est dans l'art antérieur considérée comme subite, même si des artifices ont été proposés pour limiter les effets .
  • Lorsque les composantes Erx et Ery permettant d'éliminer la polarisation croisée ont été déterminées pour tous les éléments rayonnants du réseau réflecteur, l'invention consiste alors à introduire, dans les éléments rayonnants individuels 20 du réseau réflecteur 11, une dépolarisation contrôlée, différente d'un élément rayonnant à un autre élément rayonnant, permettant d'obtenir la totalité des coefficients de réflexion correspondant aux valeurs souhaitées. Cette dépolarisation introduite individuellement dans les éléments rayonnants est telle qu'elle compense alors la dépolarisation induite par une onde incidente oblique sur le réseau réflecteur final.
  • La figure 5a illustre la distribution du champ électrique dans le plan de l'ouverture rayonnante dans le cas où le réseau réflecteur a été synthétisé sans tenir compte des phénomènes parasites liés à la polarisation croisée et où le rayonnement comporte une composante en polarisation croisée, et la figure 5b illustre le cas où le réseau réflecteur a été synthétisé de façon à annuler la composante de polarisation croisée et où le rayonnement est parfaitement polarisé sans composante croisée.
  • Selon l'invention, la dépolarisation introduite dans au moins un élément rayonnant individuel du réseau réflecteur consiste à briser la symétrie du motif de cet élément rayonnant tout en conservant la même phase des coefficients de réflexions principaux induits par cet élément rayonnant, afin de ne pas perturber son rayonnement dans la polarisation principale. On agit ainsi sur l'amplitude et la phase des coefficients de réflexion croisés. Pour cela, des dissymétries angulaires sont introduites dans les motifs des éléments rayonnants qui engendrent de la polarisation croisée, certains éléments rayonnants n'engendrant pas de polarisation croisée, par exemple ceux situés dans l'axe de symétrie du réseau réflecteur, pouvant rester symétriques. Ces dissymétries angulaires consistent en des inclinaisons angulaires d'au moins une direction principale du motif ou des rotations angulaires des quatre directions principales X, X', Y, Y' des motifs, autour du centre 50 du motif, dans le plan XY. Les rotations angulaires sont réalisées avec des angles qui peuvent être différents ou identiques pour toutes les directions et dans des sens qui peuvent être identiques ou différents. Lorsque plusieurs éléments rayonnants adjacents du réseau réflecteur comportent un motif ayant une forme géométrique dissymétrique par rapport à au moins une direction X et/ou Y du plan XY de ces éléments rayonnants, la dissymétrie du motif de chacun desdits éléments rayonnants est continûment progressive d'un élément rayonnant à un autre élément rayonnant adjacent sur la surface réfléchissante.
  • Un premier exemple représenté sur les figures 6a à 6d concerne le cas d'un élément rayonnant 20 dont le motif géométrique comporte un patch métallique et des fentes gravées dans le patch. Sur la figure 6a, les fentes forment une croix centrale symétrique selon deux directions orthogonales XX' et YY', appelée croix de Jérusalem. La croix comporte quatre branches principales 62, 63, 64, 65, opposées deux à deux, orientées respectivement selon les directions X, X', Y, Y', chaque branche principale comportant une extrémité pourvue d'une extension perpendiculaire. La matrice de réflexion 60 de cet élément rayonnant symétrique est telle que les coefficients de réflexion principaux sont d'amplitudes égales et proches de la valeur maximum 1, correspondant à 0dB, et les coefficients de réflexion croisés ont des amplitudes très faibles, typiquement de l'ordre de -29dB. La matrice de réflexion souhaitée 61 comporte des coefficients de réflexion principaux très peu modifiés par rapport à ceux de l'élément symétrique et des coefficients de réflexion croisés légèrement dégradés, ayant une amplitude de l'ordre de -21 dB, cette amplitude dégradée étant cependant toujours située à un niveau correspondant à du bruit. Sur les figures 6b, 6c, 6d, chaque branche principale de la croix centrale a subi différents types de rotations angulaires par rapport au centre 50 de l'élément rayonnant. Les rotations angulaires consistent à modifier l'inclinaison de chacune des branches principales, indépendamment l'une de l'autre, d'un angle différent et dans un sens positif ou négatif.
  • Dans les deux configurations 20a, 20b de la figure 6b, les branches principales de la croix situées selon des directions diamétralement opposées XX', YY' ont été inclinées simultanément, d'un même angle, l'inclinaison étant dans un sens positif pour deux branches opposées et dans un sens négatif pour les deux autres branches. Les diagrammes d'amplitude et de phase des coefficients de réflexion croisés correspondants montrent que cette configuration a un fort impact sur l'amplitude des coefficients de réflexion croisés alors que leur phase, modulo 180°, n'évolue pas lorsque l'angle d'inclinaison des branches principales de la croix varie entre -10° et +10°.
  • Dans les deux configurations 20c, 20d de la figure 6c, les quatre branches principales de la croix sont inclinées indépendamment les unes des autres d'un même angle, les branches situées selon des directions diamétralement opposées étant inclinées dans des sens opposés mais deux branches successives étant inclinées dans un même sens. Les diagrammes d'amplitude et de phase des coefficients de réflexion croisés correspondants montrent que cette configuration a peu d'impact sur l'amplitude des coefficients de réflexion croisés lorsque l'angle d'inclinaison des branches principales de la croix varie entre -4° et +4° alors que leur phase évolue beaucoup.
  • Les deux configurations 20f, 20g de la figure 6d, les quatre branches principales de la croix sont inclinées indépendamment les unes des autres d'un même angle, les branches situées selon des directions diamétralement opposées étant inclinées dans des sens opposés comme sur la figure 6c mais le sens d'inclinaison de deux branches opposées est inversé. Les diagrammes d'amplitude et de phase des coefficients de réflexion croisés correspondants montrent que cette configuration a beaucoup d'impact sur l'amplitude des coefficients de réflexion croisés lorsque l'angle d'inclinaison des branches principales de la croix varie entre -10° et +10° alors que leur phase n'évolue pas.
  • La figure 6e montre un exemple d'élément rayonnant 20i optimisé dont la matrice de réflexion est très proche de la matrice souhaitée 61 indiquée sur la figure 6a. Cet élément rayonnant 20i comporte deux branches formant un angle de 9,35° respectivement dans un sens de rotation négatif et dans un sens de rotation positif par rapport aux directions Y et X, et deux branches formant un angle de 6,65° respectivement dans un sens de rotation négatif et dans un sens de rotation positif par rapport aux directions X' et Y'.
  • Les différents exemples de rotation des figures 6a à 6e montrent donc qu'il est possible en réglant l'angle d'inclinaison des quatre branches d'une croix orientées selon des directions principales de l'élément rayonnant, de contrôler l'amplitude et la phase des coefficients de réflexion croisés et donc la dépolarisation de cet élément rayonnant.
  • La figure 7 concerne un ensemble d'éléments rayonnants symétriques successifs comportant une phase continûment évolutive entre deux éléments rayonnants consécutifs, chaque élément rayonnant 20 comportant un motif constitué d'un patch métallique de forme carrée et d'une ouverture rayonnante pratiquée dans le patch métallique. Les dimensions respectives du patch métallique par rapport à l'ouverture rayonnante sont continûment évolutives d'un élément rayonnant à un autre élément rayonnant adjacent ce qui permet de disposer d'un grand nombre de phases différentes entre 0° et 360°, modulo 360° à répartir sur un réseau réflecteur en fonction de la loi de phase rayonnée désirée. Les différentes phases successives sont obtenues sans rupture brusque des dimensions du patch par rapport à l'ouverture rayonnante grâce à l'apparition de l'ouverture rayonnante au centre du patch métallique et à l'augmentation progressive des dimensions de l'ouverture rayonnante jusqu'à la disparition dudit patch métallique puis à l'apparition au centre de l'ouverture rayonnante d'un nouveau patch métallique dont les dimensions augmentent progressivement jusqu'à la disparition de l'ouverture rayonnante.
  • En modifiant l'angle d'inclinaison de deux côtés opposés du patch métallique de chacun de ces éléments rayonnants de façon à transformer la forme carrée en trapèze, il est possible de contrôler la phase des coefficients de réflexion croisés de ces éléments rayonnants sans modifier sensiblement les coefficients de réflexion principaux. Les figures 8a et 8b montrent les diagrammes d'évolution de la phase et de l'amplitude des coefficients de réflexion croisés pour un élément rayonnant soumis à une onde incidente oblique et comportant deux côtés inclinés 81, 82 ou 83, 84 selon des directions opposées de manière à former un trapèze, l'angle d'inclinaison des côtés variant entre -10° et +10° par rapport à la direction YY' pour la figure 8a ou par rapport à la direction XX' pour la figure 8b. Dans ces deux figures, l'amplitude des coefficients de réflexion croisés varie très faiblement alors que la phase évolue beaucoup.
  • Les figures 10a et 10b montrent d'autres diagrammes d'évolution de la phase et de l'amplitude des coefficients de réflexion croisés lorsque deux côtés opposés sont inclinés d'un même angle selon une même direction de façon à obtenir un parallélogramme.
  • Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.

Claims (8)

  1. Antenne réseau réflecteur à compensation de polarisation croisée comportant un réseau réflecteur (11) constitué d'une pluralité d'éléments rayonnants élémentaires (20) régulièrement répartis et formant une surface réfléchissante et une source primaire (13) destinée à illuminer le réseau réflecteur (11), le réseau réflecteur (11) ayant un diagramme de rayonnement selon deux polarisations principales orthogonales dans une direction de propagation choisie (45) avec une loi de phase choisie, chaque élément rayonnant élémentaire (20) étant réalisé en technologie planaire et comportant un motif gravé constitué d'au moins un patch métallique (15) comportant, dans une configuration symétrique ayant une forme géométrique carrée, au moins quatre côtés opposés deux à deux par rapport à un centre (50) du motif gravé et disposés parallèlement à deux directions X, Y du plan XY de l'élément rayonnant (20), caractérisée en ce qu'au moins un élément rayonnant (20) du réseau réflecteur (11) comporte un patch métallique ayant une forme géométrique dissymétrique par rapport à au moins l'une des directions X et/ou Y du plan XY de l'élément rayonnant (20), les dissymétries angulaires consistant en une inclinaison angulaire d'au moins deux côtés opposés (81, 82), (83, 84) du patch métallique des éléments rayonnants dans un même sens ou dans des sens opposés de façon à transformer la forme carrée respectivement en trapèze ou en parallélogramme.
  2. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle le motif gravé comprend au moins une fente rayonnante (18) comprenant dans une configuration symétrique de l'élément rayonnant, au moins deux branches diamétralement opposées par rapport au centre (50) du motif gravé et disposées parallèlement à au moins l'une des directions X et/ou Y de l'élément rayonnant (20), la dissymétrie du motif gravé de l'élément rayonnant (20) consistent en outre en une inclinaison angulaire de chaque branche, par rapport aux directions X et/ou Y du plan de l'élément rayonnant.
  3. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que, dans le cas d'un motif gravé comportant un patch métallique et au moins deux fentes gravées dans le patch métallique, les fentes formant au moins quatre branches principales (62, 63, 64, 65) orientées respectivement, deux à deux, parallèlement aux directions X et Y dans une configuration symétrique de l'élément rayonnant, les dissymétries angulaires consistent en outre en des rotations angulaires des quatre branches principales des fentes, autour du centre (50) du motif gravé, dans le plan XY.
  4. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle le motif gravé de forme dissymétrique comporte un patch métallique (15) et des fentes gravées dans le patch métallique, les fentes formant une croix centrale ayant quatre branches principales (62, 63, 64, 65) opposées deux à deux, les branches principales (62, 64), (63, 65) situées dans des directions opposées par rapport au centre (50) du motif gravé, étant inclinées dans des sens opposés.
  5. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que plusieurs éléments rayonnants adjacents du réseau réflecteur (11) comportent un motif gravé ayant une forme géométrique dissymétrique par rapport à au moins une direction X et/ou Y du plan XY de chacun desdits éléments rayonnants, les inclinaisons angulaires du côté ou de la branche de la forme géométrique du motif gravé de chacun desdits éléments rayonnants formant un angle de valeur continûment progressive d'un élément rayonnant à un autre élément rayonnant adjacent sur la surface réfléchissante.
  6. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le réseau réflecteur (11) comporte plusieurs facettes planes (41, 42, 43) orientées selon des plans différents, chaque facette plane comportant une pluralité d'éléments rayonnants élémentaires, et en ce qu'au moins un élément rayonnant de chaque facette plane du réseau réflecteur comporte un motif gravé ayant une forme géométrique dissymétrique par rapport à au moins une direction X et/ou Y du plan XY de la facette à laquelle appartient l'élément rayonnant correspondant.
  7. Procédé de réalisation d'une antenne réseau réflecteur à compensation de polarisation croisée consistant à réaliser un réseau réflecteur (11) constitué d'une pluralité d'éléments rayonnants élémentaires (20) régulièrement répartis et formant une surface réfléchissante et à illuminer le réseau réflecteur (11) par une source primaire (13), caractérisé en ce qu'il consiste à élaborer un réseau réflecteur dans lequel chaque élément rayonnant élémentaire est réalisé en technologie planaire et comporte un motif gravé constitué d'au moins un patch métallique (15) comportant, dans une configuration symétrique ayant une forme géométrique carrée, au moins quatre côtés opposés deux à deux par rapport à un centre (50) du motif gravé et disposés parallèlement à deux directions X et Y du plan XY de l'élément rayonnant, au moins un élément rayonnant (20) du réseau réflecteur (11) comportant un patch métallique ayant une forme géométrique dissymétrique par rapport à au moins l'une des directions X et/ou Y du plan XY de l'élément rayonnant, les dissymétries angulaires consistent en une inclinaison angulaire d'au moins deux côtés opposés (81, 82), (83, 84) du patch métallique des éléments rayonnants dans un même sens ou dans des sens opposés de façon à transformer la forme carrée respectivement en trapèze ou en parallélogramme.
  8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le calcul de la dissymétrie à introduire dans l'élément rayonnant consiste:
    - dans une première étape, à partir du diagramme de rayonnement du champ électromagnétique lointain désiré dans lequel la polarisation croisée est nulle, à déduire les composantes de polarisation principale et croisées du champ électrique rayonné Er dans le plan normal (44) à la direction de propagation (45) des ondes réfléchies par le réseau réflecteur (11),
    - dans une deuxième étape, à calculer, pour chaque élément rayonnant (20) du réseau réflecteur (11), les composantes Erx et Ery du champ électrique rayonné correspondant dans le plan du réseau réflecteur (11),
    - dans une troisième étape, à calculer les composantes Eix et Eiy du champ électrique incident Ei induit par la source primaire sur chaque élément rayonnant (20) du réseau réflecteur (11),
    - dans une quatrième étape, à partir des composantes Erx, Ery, Eix et Eiy déterminées à la deuxième et à la troisième étape, à en déduire des valeurs des coefficients de réflexion principaux Rxx, Ryy et croisés Rxy, Ryx souhaités qui doivent être induits par l'élément rayonnant (20) dissymétrique correspondant.
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