EP2673842B1

EP2673842B1 - Antenne a base de guides a fentes annulaires

Info

Publication number: EP2673842B1
Application number: EP12708914.2A
Authority: EP
Inventors: Philippe Ratajczak
Original assignee: Orange SA
Current assignee: Orange SA
Priority date: 2011-02-11
Filing date: 2012-02-13
Publication date: 2017-08-09
Anticipated expiration: 2032-02-13
Also published as: US20130321227A1; FR2971631A1; EP2673842A1; WO2012107705A1

Description

Domaine de l'invention

La présente invention se rapporte au domaine des télécommunications. Au sein de ce domaine, l'invention se rapporte plus particulièrement aux antennes destinées à recevoir ou émettre un signal de télécommunication.
L'antenne peut être utilisée dans des systèmes variés. Sa conception basée sur la technique des guides à fentes permet une utilisation dans des systèmes embarqués, c'est-à-dire sur un support typiquement mobile tel qu'un train ou un avion, pour lesquels les contraintes d'encombrement, de poids, de consommation peuvent être extrêmement sévères. L'antenne est plus particulièrement adaptée pour des liaisons dites « haut débit » voire « très haut débit », par exemple pour des transmissions par satellite dans la bande Ka qui s'étend en émission de 27,5 à 31 GHz et en réception de 18,3 à 18,8 GHz et de 19,7 à 20,2 GHz.
L'antenne se compose d'éléments antennaires de base associés selon une dimension pour former un guide à fentes. L'antenne peut être composée de plusieurs guides à fentes associés pour former un réseau.

Art antérieur

La théorie des fentes dans les guides dits guides à fente, a été initialement décrite par A.F.Stevenson dans l'article [1] dans un contexte de polarisation uniquement linéaire. Le guide d'ondes qui sert normalement au transport de l'énergie, est transformé en système rayonnant en découpant sur une des faces du guide généralement rectangulaire, des fentes fines par rapport à la longueur d'onde, judicieusement placées.
La figure la représente schématiquement un élément antennaire de base à guide d'onde avec une fente rectangulaire découpée sur une des faces, généralement la face dite supérieure qui est orientée dans la direction de l'élément en communication avec l'antenne. La fente est excitée par la propagation du champ dans le guide d'onde. Pour améliorer les performances, les éléments antennaires de base sont associés en série selon un axe pour former un guide à fentes comme représenté figure 1b, puis les guides à fentes sont associés en parallèle pour obtenir une antenne comme représenté à la figure 1c. Une telle association pour former un réseau est décrite dans l'article [2]. La disposition des fentes telle que représentées sur les figures 1a-1c donne lieu à un rayonnement ayant une polarisation linéaire.
Certaines utilisations, notamment les communications avec un satellite, nécessitent un dépointage d'antenne pour que le faisceau pointe dans la direction du satellite. Un dépointage peut être obtenu de manière mécanique au moyen d'un déplacement mécanique de l'antenne, piloté manuellement ou par un moteur. Des contraintes d'encombrement, par exemple pour des systèmes embarqués (installation d'une antenne sur un train, un avion...) interdisent tout mécanisme de dépointage mécanique. Un tel dépointage doit donc être obtenu de manière électronique.
L'article [5] décrit comment contrôler le rayonnement d'une antenne en technologie SIW et comment dépointer le faisceau dans le plan de la mise en réseau en alimentant en parallèle chaque guide à fentes et en contrôlant la phase de chaque point d'alimentation des guides à fentes.
Compte tenu que la différence de polarisation entre le signal reçu (polarisation liée à l'antenne d'émission) et la polarisation de l'antenne de réception peut conduire à une atténuation du signal reçu, totale si les deux polarisations sont croisées, il est alors nécessaire de faire appel à une polarisation circulaire qui permet d'éviter ce phénomène d'atténuation totale pour certaines utilisations. En particulier, un tel choix est ainsi fait dans les cas où l'orientation de l'antenne de « réception » fixe ou mobile (antenne qui peut aussi servir d'antenne d'émission) doit évoluer dans le temps et suivre l'antenne «d'émission» mobile (antenne qui peut aussi servir d'antenne de réception), cas qui se rencontrent avec des satellites défilants (non géostationnaires) ou avec des systèmes embarqués destinés à communiquer avec un satellite.
L'obtention d'une polarisation circulaire nécessite d'utiliser des guides à double fentes rectangulaires formées par :

une croix centrée par rapport à l'axe du guide avec deux bras faiblement dissymétriques,
une croix décalée par rapport à l'axe de guide comme décrit dans [3] et illustré par la figure 2a ou
deux fentes décalées suivant la longueur et la largeur du guide et inclinées d'environ 45° comme décrit dans [4] et illustré par la figure 2b.

Les courbes de la figure 2c représentent le rayonnement en site de ce type de guides à double fente correspondant à la figure 2a ou 2b pour différents plans décalés d'un angle Phi (0°, 45°, 90°, 135°) par rapport à l'axe du guide, cet angle Phi est dit angle de gisement. Le diagramme de rayonnement en polarisation circulaire principale (droite) correspondant aux lignes DirRHCP se caractérise par un maximum dans la direction perpendiculaire à la surface où se trouve les fentes. Les lignes DirLHCP représentent le rayonnement en polarisation croisée (gauche). Un ajustement des dimensions, positions et inclinaisons des fentes permet d'obtenir un faible niveau de polarisation croisée dans la direction du maximum de rayonnement. Toutefois, en dehors de cet axe, le niveau de la polarisation croisée remonte rapidement et rejoint le niveau de la polarisation principale, aux alentours de 40°, selon l'illustration de la figure 2c. Cette remontée est principalement due à la géométrie des fentes qui génèrent individuellement des plans E et H dissymétriques qui, après recombinaison en amplitude et en phase, créent un niveau important de polarisation circulaire croisée en dehors de l'axe.
Ce niveau important de polarisation croisée limite les performances des antennes à base de guide à fentes rectangulaires lors d'une utilisation avec un dépointage de faisceau. En effet, lors du dépointage du faisceau à un angle donné, le niveau de polarisation croisée du faisceau est celui de l'élément de base. Ainsi, dans le cas de l'exemple illustré par la figure 2c), si l'angle de dépointage du faisceau est fixé à 40° alors le niveau de polarisation croisée est équivalent à celui de la polarisation principale. Un tel comportement de l'antenne est rédhibitoire pour une utilisation qui nécessite d'avoir un grand écart entre polarisation principale et croisée.

Exposé de l'invention

L'invention propose un élément antennaire à guide d'onde à fente qui soit une alternative aux éléments antennaire connus, de performances équivalentes voire plus performants pour certaines configurations.
Ainsi, l'invention a pour objet un élément antennaire à guide d'onde à fente comportant au moins une face conductrice pourvue d'au moins une fente annulaire qui délimite en sa partie centrale une zone conductrice et qui isole électriquement cette zone du reste de la face.
Un tel élément antennaire est typiquement obtenu au moyen d'une technologie SIW (Substrate Integrated Waveguide). Cette technologie permet d'obtenir par impression les fentes. La forme annulaire de la fente permet d'obtenir des performances équivalentes, voire plus intéressantes dans certaines configurations que la forme rectangulaire tout en simplifiant le procédé de fabrication en particulier dans les cas où une polarisation circulaire doit être obtenue. En effet, dans ces cas, le masque d'impression ne comporte qu'une fente annulaire alors que selon l'art antérieur au moins deux fentes rectangulaires sont nécessaires avec des contraintes de positionnement de l'une par rapport à l'autre.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'élément antennaire est tel que la fente annulaire est décalée par rapport à l'axe du guide à fente.
Un guide à fente a une forme qui est généralement proche de celle d'un parallélépipède, donc caractérisée au moins par une longueur. La longueur est la dimension dans l'axe du parallélépipède. Le décalage de la fente annulaire par rapport à l'axe permet avantageusement d'obtenir une polarisation circulaire. Ainsi, par rapport à l'art antérieur, seul le décalage du masque d'impression par rapport à l'axe est nécessaire pour obtenir une polarisation circulaire. Selon l'art antérieur, la fabrication d'un élément antennaire à guide à fente qui soit de polarisation rectiligne ou de polarisation circulaire nécessite un masque différent spécifique à la polarisation. En effet, pour obtenir une polarisation circulaire selon l'art antérieur une double fente rectangulaire est nécessaire avec un agencement particulier de la double fente. C'est-à-dire, soit la double fente consiste en une croix centrée par rapport à l'axe du guide avec deux bras faiblement dissymétriques, soit la double fente consiste en une croix décalée par rapport à l'axe de guide, soit la double fente consiste en deux fentes décalées suivant la longueur et la largeur du guide et inclinées d'environ 45°. Contrairement à l'art antérieur qui nécessite donc de changer de masque en fonction de la polarisation désirée, un même masque permet d'obtenir un élément antennaire selon l'invention avec soit une polarisation rectiligne, soit une polarisation circulaire et ce, uniquement en décalant le masque sur la face du substrat sur lequel doit être imprimée la fente. L'élément antennaire selon l'invention génère un rayonnement en polarisation circulaire avec une isolation entre les polarisations principales et croisées pour des angles supérieurs à 40° beaucoup plus importante que celle obtenue avec des fentes rectangulaires. Notamment, dans le plan perpendiculaire à l'axe du guide à fente, cette isolation peut atteindre des niveaux supérieurs à 15 dB alors qu'avec un élément antennaire de l'art antérieur cette isolation est quasiment imperceptible. Cette différence notable traduit le fait qu'un élément antennaire selon l'invention est particulièrement mieux adapté pour des utilisations où un dépointage est nécessaire comme dans le cas d'une transmission entre un support mobile tel un train ou un avion et un satellite que les éléments antennaires connus.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'élément antennaire est tel que la distance entre les bords intérieur et extérieur de la fente annulaire comporte le long du pourtour de la fente des variations notables qui délimitent des décochements.
Les décochements ont typiquement la forme d'encoches dans le cas d'une fente annulaire de forme circulaire ou la forme de triangles dans le cas d'une fente annulaire de forme carrée. Ces décochements sont réalisés sur la zone centrale le long du bord intérieur de la fente ou sur la partie extérieure le long du bord extérieur de la fente, partie qui appartient au reste de la face. Ces décochements jouent le rôle de perturbateurs qui modifient la symétrie de la fente. Ainsi, même si la fente est calée sur l'axe du guide à fente, les décochements permettent d'obtenir une polarisation circulaire. Si la fente est décalée par rapport à l'axe du guide à fente, les décochements permettent de modifier le rayonnement et de limiter la bande fréquentielle par rapport à la même fente sans décochement.
Les différents modes de réalisation précédents peuvent être combinés ou pas entre eux pour définir un autre mode de réalisation.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'élément antennaire est tel que la distance entre les bords intérieur et extérieur de la fente annulaire est variable le long du pourtour de la fente.
La variation de la largeur de la fente annulaire peut résulter par exemple du fait que les bords intérieur et extérieur de la fente ne sont pas concentriques. Cette dissymétrie permet avantageusement de modifier le rayonnement de la fente par rapport au même élément avec une distance invariable entre les deux bords de la fente.
Ce dernier mode de réalisation peut être combiné ou pas avec un mode précédent pour définir un autre mode de réalisation.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'élément antennaire comprend une autre fente annulaire entourant la fente annulaire.
La présence d'une seconde fente annulaire dont la partie centrale inclue la première fente annulaire permet d'obtenir un élément antennaire bi-bandes. L'élément antennaire est dit à double fentes annulaires. Dans le cas où les fentes annulaires sont circulaires, les deux fentes annulaires sont typiquement centrées sur un même point central.
Ce dernier mode de réalisation peut être combiné ou pas avec un mode précédent pour définir un autre mode de réalisation.
L'invention a en outre pour objet un guide à fentes comprenant plusieurs éléments antennaires conformes à l'objet précédent, agencés entre eux en réseau linéaire.
La forme parallélépipédique des éléments antennaires permet de réaliser facilement un réseau linéaire en les disposant en série. La mise en série permet d'obtenir un réseau avec des performances supérieures à celle d'un seul élément antennaire.
L'invention a en outre pour objet une antenne plane comprenant plusieurs guides à fentes conformes à l'objet précédent, agencés entre eux en réseau bi-dimensionnel.
Une antenne selon l'invention allie un faible encombrement et des performances de rayonnement compatibles d'une utilisation avec dépointage qui nécessite un écart important entre polarisation principale et polarisation croisée au-delà de l'axe principal.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'antenne plane comprend un moyen d'alimentation en parallèle des guides à fente agencé pour piloter les phases entre les signaux d'alimentation des guides à fente.
Le contrôle des phases entre chaque point d'alimentation des guides à fente permet de contrôler leur déphasage relatif et donc de maximiser le rayonnement global avec un dépointage contrôlé.

Liste des figures

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront lors de la description qui suit faite en regard de figures annexées données à titre d'exemples non limitatifs.

La figure 1a représente schématiquement un élément antennaire selon l'art antérieur.
La figure 1b représente schématiquement un guide à fente selon l'art antérieur réalisé avec un assemblage d'éléments antennaires de la figure 1a.
La figure 1c représente schématiquement une antenne selon l'art antérieur consistant en un réseau de guides à fente de la figure 1b.
La figure 2a) est un élément antennaire de l'art antérieur à fentes rectangulaires disposées en croix décalées de l'axe du guide à fente permettant d'obtenir une polarisation circulaire.
La figure 2b) est un élément antennaire de l'art antérieur à fentes rectangulaires décalées suivant la longueur et la largeur du guide à fente et inclinées d'environ 45° permettant d'obtenir une polarisation circulaire.
La figure 2c) représente des courbes de directivité en site en polarisations circulaires droite (DirRHCP) et gauche (DirLHCP) à la fréquence de 9GHz de l'élément antennaire de la figure 2b) pour différents angles Phi de gisement.
La figure 3a est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un élément antennaire selon l'invention.
La figure 3b rassemble des courbes de directivité en site en polarisations linéaires suivant x (DirL) et suivant y (DirR) à la fréquence de 8,55 GHz de l'élément antennaire correspondant à la figure 3a pour différents plans décalés d'un angle Phi de gisement.
La figure 4a est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un élément antennaire selon l'invention dans lequel la fente de forme annulaire est décalée par rapport à l'axe du guide à fente.
La figure 4b rassemble des courbes de directivité en site en polarisations circulaires droite (DirRHCP) et gauche (DirLHCP) à la fréquence de 9,9 GHz de l'élément antennaire correspondant à la figure 5a pour différents plans décalés d'un angle Phi de gisement.
La figure 4c donne la courbe du taux d'ellipticité de l'élément antennaire de la figure 5a.
La figure 5a est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un élément antennaire selon l'invention dans lequel la distance entre les bords intérieur et extérieur de la fente comporte le long du pourtour de la fente des variations notables qui délimitent des décochements à la partie centrale métallisée.
La figure 5b rassemble des courbes de directivité en site en polarisations circulaires droite (DirRHCP) et gauche (DirLHCP) à la fréquence de 9,8 GHz de l'élément antennaire correspondant à la figure 5a pour différents plans décalés d'un angle Phi de gisement.
La figure 5c donne la courbe du taux d'ellipticité de l'élément antennaire de la figure 5a.
La figure 5d est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un élément antennaire selon l'invention dans lequel la distance entre les bords intérieur et extérieur de la fente comporte le long du pourtour de la fente des variations notables qui délimitent des décochements au reste de la face (partie extérieure à la fente).
La figure 6a est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un élément antennaire selon l'invention dans lequel l'élément comporte une double fente annulaire.
La figure 6b rassemble des courbes de directivité en site en polarisations circulaires droite (DirRHCP) et gauche (DirLHCP) à la fréquence de 8,7 GHz de l'élément antennaire correspondant à la figure 6a pour différents plans décalés d'un angle Phi de gisement.
La figure 6c donne la courbe du taux d'ellipticité de l'élément antennaire de la figure 6a.
La figure 7 illustre un mode de réalisation d'un élément antennaire selon l'invention avec une fente annulaire de forme elliptique.
La figure 8a illustre un mode de réalisation d'un élément antennaire selon l'invention avec une fente annulaire de forme carrée.
La figure 8b rassemble des courbes de directivité en site en polarisations linéaires suivant x (DirR) et suivant y (DirL) à la fréquence de 10 GHz de l'élément antennaire correspondant à la figure 8a pour différents plans décalés d'un angle Phi de gisement.
La figure 9a est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un élément antennaire selon l'invention dans lequel la fente annulaire de forme carrée est décalée par rapport à l'axe du guide à fente.
La figure 9b rassemble des courbes de directivité en site en polarisations circulaires droite (DirRHCP) et gauche (DirLHCP) à la fréquence de 10 GHz de l'élément antennaire correspondant à la figure 9a pour différents plans décalés d'un angle Phi de gisement.
La figure 9c donne la courbe du taux d'ellipticité de l'élément antennaire de la figure 9a.
La figure 10a est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un élément antennaire selon l'invention dans lequel la fente annulaire de forme carrée est décalée par rapport à l'axe du guide à fente et subie une rotation pour au finale obtenir une fente annulaire ayant la forme d'un losange.
La figure 10b rassemble des courbes de directivité en site en polarisations circulaires droite (DirRHCP) et gauche (DirLHCP) à la fréquence de 10 GHz de l'élément antennaire correspondant à la figure 10a pour différents plans décalés d'un angle Phi de gisement.
La figure 10c donne la courbe du taux d'ellipticité de l'élément antennaire de la figure 10a.
La figure 11a correspond au cas d'une fente annulaire de forme carrée qui comprend deux perturbateurs sous forme de coins intérieurs coupés disposés symétriquement.
La figure 11b rassemble des courbes de directivité en site en polarisations circulaires droite (DirLHCP) et gauche (DirRHCP) à la fréquence de 10 GHz de l'élément antennaire correspondant à la figure 11a pour différents plans décalés d'un angle Phi de gisement.
La figure 11c donne la courbe du taux d'ellipticité de l'élément antennaire de la figure 11a.
La figure 12 illustre un mode de réalisation d'un élément antennaire selon l'invention dans lequel la distance d entre les bords intérieur et extérieur de la fente annulaire est variable le long du pourtour de la fente.
La figure 13 illustre un substrat diélectrique plan comprenant une série de trous métallisés reliant les deux faces métalliques du substrat avant découpe sur la face supérieure d'une fente annulaire selon l'invention.
La figure 14 est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un élément antennaire selon l'invention obtenu en mettant en oeuvre une technologie classique avec un guide d'onde métallique chargé ou pas de diélectrique.

Description d'un mode de réalisation de l'invention

La figure 3a est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un élément antennaire ElA selon l'invention. L'élément antennaire ElA à guide à fente selon l'invention comporte au moins une face conductrice Fs pourvue d'au moins une fente annulaire Fan. Une fente annulaire au sens de l'invention est une fente qui a la particularité de délimiter une zone centrale Zc conductrice et de l'isoler électriquement du reste de la face supérieure Fs conductrice.
La fente annulaire est délimitée par un bord intérieur et un bord extérieur séparés par une distance d. La profondeur de la fente est au moins celle de l'épaisseur de la couche métallisé de la face supérieure Fs pour isoler électriquement la zone centrale Zc du reste de la face Fs.
Les courbes de la figure 3b représentent le rayonnement en site de cet élément antennaire correspondant à la figure 3a pour différents plans décalés d'un angle Phi de gisement (0°, 45°, 90°, 135°) par rapport à l'axe du guide. Le diagramme de rayonnement en polarisation linéaire principale (suivant x) correspondant aux lignes DirL se caractérise par un maximum dans la direction perpendiculaire à la surface où se trouve la fente. Les lignes DirR représentent le rayonnement en polarisation linéaire croisée (suivant y).
La figure 4a est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un élément antennaire ElA selon l'invention dans lequel la fente de forme annulaire est décalée par rapport à l'axe du guide à fente. Le décalage par rapport à l'axe du guide à fente permet d'obtenir une polarisation circulaire.
Les courbes de la figure 4b représentent le rayonnement en site de cet élément antennaire correspondant à la figure 4a pour différents plans décalés d'un angle Phi de gisement (0°, 45°, 90°, 135°) par rapport à l'axe du guide. Le diagramme de rayonnement en polarisation circulaire principale (droite) correspondant aux lignes DirRHCP se caractérise par un maximum dans la direction perpendiculaire à la surface où se trouve la fente. Les lignes DirLHCP représentent le rayonnement en polarisation circulaire croisée (gauche).
Les courbes de la figure 4b permettent d'illustrer le gain important en isolation entre les polarisations principale et croisée pour des angles supérieurs à 40° obtenu avec un élément antennaire à fente annulaire selon l'invention comparativement à un élément antennaire de l'art antérieur à fentes rectangulaires dont le rayonnement est illustré par la figure 2c. Notamment, dans le plan perpendiculaire à l'axe du guide (Phi=90°) cette isolation peut atteindre des niveaux supérieurs à 15 dB alors que sur la figure 2c cette isolation est au mieux de 3dB.
Cette amélioration notable permet l'utilisation de l'élément antennaire selon l'invention pour des utilisations qui nécessite un certain dépointage.
Le décalage de la fente annulaire par rapport à l'axe du guide permet de générer une polarisation circulaire droite si la fente est à gauche suivant la propagation du champ et inversement.
La figure 5a est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un élément antennaire ElA selon l'invention dans lequel la distance entre les bords intérieur et extérieur de la fente comporte le long du pourtour de la fente des variations notables qui délimitent des décochements à la partie centrale métallisée. Selon un autre mode de réalisation illustré par la figure 5d, les décochements sont réalisés sur le contour extérieur de la fente. Ces décochements jouent le rôle de perturbateurs qui permettent de modifier la symétrie de la fente annulaire et d'obtenir une polarisation circulaire même si la fente est calée sur l'axe du guide à fente. La figure 5a correspond au cas d'une fente annulaire de forme circulaire qui comprend deux perturbateurs sous forme d'encoches disposées symétriquement.
Les courbes de la figure 5b représentent le rayonnement en site de cet élément antennaire correspondant à la figure 5a pour différents plans décalés d'un angle Phi de gisement (0°, 45°, 90°, 135°) par rapport à l'axe du guide. Le diagramme de rayonnement en polarisation circulaire principale (droite) correspondant aux lignes DirRHCP se caractérise par un maximum dans la direction perpendiculaire à la surface où se trouve la fente. Les lignes DirLHCP représentent le rayonnement en polarisation circulaire croisée (gauche). Compte tenu que les décochements permettent de modifier le rayonnement et de limiter la bande fréquentielle par rapport à la même fente sans décochement, limitation qui apparaît en comparant les courbes de taux d'ellipticité des figures 4c et 5c, le choix entre le mode de réalisation avec décochements et le mode sans décochements peut être guidé en fonction de la bande fréquentielle de fonctionnement souhaitée.
La figure 6a est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un élément antennaire ElA selon l'invention dans lequel l'élément comporte une double fente annulaire qui permet avantageusement d'obtenir un fonctionnement bi bande. Selon l'illustration, la double fente annulaire a une forme circulaire. Dans ce cas, les deux fentes sont typiquement centrées sur un même point central.
Les courbes de la figure 6b représentent le rayonnement en site de cet élément antennaire correspondant à la figure 6a pour différents plans décalés d'un angle Phi de gisement (0°, 45°, 90°, 135°) par rapport à l'axe du guide. Le diagramme de rayonnement en polarisation circulaire principale (droite) correspondant aux lignes DirRHCP se caractérise par un maximum dans la direction perpendiculaire à la surface où se trouve la double fente. Les lignes DirLHCP représentent le rayonnement en polarisation circulaire croisée (gauche).
Le fonctionnement bi-bandes est révélé par la figure 6c du taux d'ellipticité qui présente deux creux.
La fente annulaire peut avoir des formes très variables qui s'apparente à celle d'un anneau. La forme peut être régulière et appartenir à la liste comprenant les formes circulaires, ovales, elliptiques, carrées, rectangulaires.
La figure 7 illustre un mode de réalisation d'un élément antennaire selon l'invention avec une fente annulaire de forme elliptique.
La figure 8a illustre un mode de réalisation d'un élément antennaire selon l'invention avec une fente annulaire de forme carrée.
Les courbes de la figure 8b représentent le rayonnement en site de cet élément antennaire correspondant à la figure 8a pour différents plans décalés d'un angle Phi de gisement (0°, 45°, 90°, 135°) par rapport à l'axe du guide. Le diagramme de rayonnement en polarisation linéaire principale (suivant x) correspondant aux lignes DirR se caractérise par un maximum dans la direction perpendiculaire à la surface où se trouvent les fentes. Les lignes DirL représentent le rayonnement en polarisation linéaire croisée (suivant y).
La figure 9a est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un élément antennaire ElA selon l'invention dans lequel la fente annulaire de forme carrée est décalée par rapport à l'axe du guide à fente. Le décalage par rapport à l'axe du guide à fente permet d'obtenir une polarisation circulaire.
Les courbes de la figure 9b représentent le rayonnement en site de cet élément antennaire correspondant à la figure 9a pour différents plans décalés d'un angle Phi de gisement (0°, 45°, 90°, 135°) par rapport à l'axe du guide. Le diagramme de rayonnement en polarisation circulaire principale (droite) correspondant aux lignes DirRHCP se caractérise par un maximum dans la direction perpendiculaire à la surface où se trouve la fente. Les lignes DirLHCP représentent le rayonnement en polarisation circulaire croisée (gauche).
La figure 10a est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un élément antennaire ElA selon l'invention dans lequel la fente annulaire de forme carrée est décalée par rapport à l'axe du guide à fente et subie une rotation pour au finale obtenir une fente annulaire ayant la forme d'un losange. Le décalage par rapport à l'axe du guide à fente permet d'obtenir une polarisation circulaire.
Les courbes de la figure 10b représentent le rayonnement en site de cet élément antennaire correspondant à la figure 10a pour différents plans décalés d'un angle Phi de gisement (0°, 45°, 90°, 135°) par rapport à l'axe du guide. Le diagramme de rayonnement en polarisation circulaire principale (droite) correspondant aux lignes DirRHCP se caractérise par un maximum dans la direction perpendiculaire à la surface où se trouve la fente. Les lignes DirLHCP représentent le rayonnement en polarisation circulaire croisée (gauche).
La figure 11a est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un élément antennaire ElA selon l'invention dans lequel la distance entre les bords intérieur et extérieur de la fente comporte le long du pourtour de la fente des variations notables qui délimitent des décochements à la partie centrale métallisée ou selon un autre mode sur le contour extérieur de la fente. Ces décochements jouent le rôle de perturbateurs qui permettent de modifier la symétrie de la fente annulaire et d'obtenir une polarisation circulaire même si la fente est calée sur l'axe du guide à fente. La figure 11a correspond au cas d'une fente annulaire de forme carrée qui comprend deux perturbateurs sous forme de coins intérieurs coupés disposés symétriquement.
Les courbes de la figure 11b représentent le rayonnement en site de cet élément antennaire correspondant à la figure 11a pour différents plans décalés d'un angle Phi de gisement (0°, 45°, 90°, 135°) par rapport à l'axe du guide. Le diagramme de rayonnement en polarisation circulaire principale (droite) correspondant aux lignes DirRHCP se caractérise par un maximum dans la direction perpendiculaire à la surface où se trouve la fente. Les lignes DirLHCP représentent le rayonnement en polarisation circulaire croisée (gauche).
La forme de la fente annulaire peut tout aussi bien ne pas être régulière et présenter une distance d variable entre ces bords, la forme peut par exemple être de type patatoïde.
La figure 12 illustre un mode de réalisation d'un élément antennaire selon l'invention dans lequel la distance d entre les bords intérieur et extérieur de la fente annulaire est variable le long du pourtour de la fente. Un cas particulier de réalisation consiste à réaliser une fente annulaire avec deux bords intérieur et extérieur circulaires et non concentriques comme illustré par la figure 12.
Quelle que soit la forme de la fente annulaire, son épaisseur ou profondeur est telle que la couche métallisée de la surface Fs sur laquelle est imprimée la fente est retirée sur l'espace occupé par la fente Fan. En d'autres termes, la fente rompt la continuité électrique qui existait sur la face Fs accueillant la fente. Ainsi, la fente annulaire délimite deux zones sur la surface Fs : la zone comprise à l'intérieure de la fente ou zone centrale Zc à la fente, délimitée par le bord intérieur de la fente, et la zone à l'extérieure de la fente ou reste de la face, délimitée par le bord extérieur de la fente. Ces deux zones qui font partie de la face sont isolées électriquement l'une de l'autre par la fente annulaire.
L'élément antennaire peut être obtenu en mettant en oeuvre une technologie SIW. La technologie SIW comme décrit dans [6] permet de réaliser des guides d'ondes à partir de substrats diélectriques plans. Cette technologie met typiquement en oeuvre une technique classique de réalisation de circuit imprimée (selon la terminologie anglosaxonne Printed Circuit Board, PCB). Comme illustré par la figure 13, les deux faces Fs, Fi métallisées du substrat Sub forment les grands cotés supérieurs et inférieurs du guide. Le côté supérieur Fs est typiquement le côté qui est orienté dans la direction du signal émis ou reçu. Les murs métalliques verticaux des petits cotés du guide sont réalisés par des séries de trous métallisés Tr reliant les deux faces Fs, Fi métalliques du substrat. Cette technologie imprimée est avantageuse car elle permet de réaliser des antennes à faibles épaisseur et à faible coût comme décrit dans [5].
Une telle technologie est particulièrement bien adaptée pour l'obtention d'un élément antennaire avec fente annulaire conforme à l'invention car elle permet de réaliser des fentes annulaires en imprimant leur motif sur une face de l'élément antennaire. Une telle technique d'impression est bien connue de l'homme du métier, connue par exemple sous la dénomination anglo-saxonne PCB, et n'est donc pas décrite. A l'issue du procédé PCB, la fente annulaire délimite une zone centrale et l'isole électriquement du reste de la face supérieure.
La figure 14 est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un élément antennaire ElA selon l'invention obtenu en mettant en oeuvre une technologie classique avec un guide d'onde métallique chargé ou pas de diélectrique. Dans le cas où le guide d'onde n'est pas chargé la partie centrale est maintenue à la face inférieure au moyen d'un pion ou plot Pi qui peut être réalisé en diélectrique et éventuellement métallisé.
Les éléments antennaires selon l'invention peuvent être associés selon une dimension, de la même manière que les éléments antennaires de l'art antérieur, pour former un guide à fentes. Ces derniers guides à fentes peuvent eux-mêmes être associés en réseau, de la même manière que les guides à fentes de l'art antérieur, pour former une antenne plane.
L'antenne peut être associée à un moyen d'alimentation en parallèle des guides à fentes. Le pilotage des phases relatives entre les points d'alimentation des guides à fentes permet de maximiser le rayonnement global et donc de contrôler le dépointage de l'antenne.

[1]A.F.Stevenson, « Theory of slots in rectangular waveguides », Journal of applied Physics, vol.19, pp 24-28, Jan.1948.
[2] R.S. Elliot, L.A. Kurtz, "The design of small Slot Arrays", IEEE trans. AP, vol. 26, n° 2, pp214-219, March 1978.
[3] A.J. Simmons, "Circularly Polarized Slot Radiaors" IRE trans AP, Vol. 5, n° 1, PP31-36, Jan. 1957.
[4] G. Montisci" M. Musa, G. Mazzarella, "Waveguide Slot Antennas for Circularly Polarized Radiated Field", IEEE trans. AP, vol. 52, n° 2, pp 619-623, Feb. 2004.
[5] Y.J. Cheng, W. Hong, K? Wu, Z. Q. Kuai, C. Yu, J.X. Chen, J. Y. Zhou, H. J. Tang, Substrate Integrated Waveguide (SIW) Rotman Lens and Its Ka-Band Multibeam Array Antenna Applications", IEEE trans. AP, vol. 56, n° 8, pp 2504-2513, Aug. 2008.
[6] K. Wu, D. Deslandes, Y. Cassivi, "The Substrate Integrated Circuit - A New Concept for High-Frequency Electronics and Optoelectronics" Proc. 6th Int. Conf. Telecomm. Modern Satellite, Cable and Boadcasting Service, Vol. 1, pp3-5, Oct. 2003.

Claims

Elément antennaire (ElA) de type guide d'onde de forme généralement parallélépipédique à fente comportant plusieurs faces conductrices dont une des faces conductrices (Fs) est pourvue d'au moins une fente excitée par la propagation du champs électromagnétique de l'onde dans le guide d'onde selon l'axe de ce dernier, la fente délimitant en sa partie centrale une zone conductrice (Zc) et isolant électriquement cette zone (Zc) du reste de la face (Fs), caractérisé en ce que la fente (Fan) est annulaire.
Elément antennaire (ElA) selon la revendication 1, dans lequel la fente annulaire est décalée par rapport à l'axe du guide d'onde.
Elément antennaire (ElA) selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel la distance entre les bords intérieur et extérieur de la fente annulaire est variable le long du pourtour de la fente.
Elément antennaire (ElA) selon la revendication 3, dans lequel le pourtour de la fente comporte des variations qui délimitent des décochements.
Elément antennaire (ElA) selon l'une des revendications 1 à 4, comportant au moins une autre fente annulaire entourant la fente annulaire.
Guide à fentes comprenant plusieurs éléments antennaires conformes à l'une des revendications précédentes, agencés entre eux en réseau linéaire.
Antenne plane comprenant plusieurs guides à fentes conformes à la revendication précédente, agencés entre eux en réseau bi-dimensionnel.
Antenne plane selon la revendication précédente comprenant un moyen d'alimentation en parallèle des guides à fentes agencé pour piloter les phases entre les signaux d'alimentation des guides à fentes.