EP3073569A1 - Matrice de butler compacte, formateur de faisceaux bidimensionnel planaire et antenne plane comportant une telle matrice de butler - Google Patents

Matrice de butler compacte, formateur de faisceaux bidimensionnel planaire et antenne plane comportant une telle matrice de butler Download PDF

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EP3073569A1
EP3073569A1 EP16161459.9A EP16161459A EP3073569A1 EP 3073569 A1 EP3073569 A1 EP 3073569A1 EP 16161459 A EP16161459 A EP 16161459A EP 3073569 A1 EP3073569 A1 EP 3073569A1
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planar
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Jean-Philippe Fraysse
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Mauro Ettorre
Ronan Sauleau
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Rennes 1
Thales SA
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Rennes 1
Thales SA
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    • H01Q25/008—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns using two or more primary active elements in the focal region of a focusing device lens fed multibeam arrays

Definitions

  • the present invention relates to a compact Butler matrix, a planar two-dimensional beamformer and a multi-beam planar antenna comprising such a Butler matrix. It applies to any multibeam antenna, especially in the field of space applications such as satellite telecommunications, and more particularly to thin antennas.
  • the beamformers are used in multibeam antennas to develop output beams from input radio frequency signals.
  • a conventional beamformer comprises N inputs In1 to InN, P outputs Out1 to OutP, and a plurality of radio frequency circuits 11, 12, 13 able to divide and recombine the input radio frequency signals according to a chosen phase and amplitude law. to form output beams.
  • the radio frequency circuits comprise a large number of individual waveguides 10 which intercross with each other so as to allow the combinations necessary for the formation of the different output beams by radiofrequency signal combiners 12.
  • These beam formers are suitable for a limited number of radiating elements and to form a limited number of beams as they become very complex as the number of beams increases due to the necessary crossovers between the waveguides.
  • Butler matrix consisting of a symmetrical passive circuit with N input ports and N output ports, which drives radiating elements producing N different beams of equal amplitudes.
  • the circuit is composed of junctions that connect the input ports to the output ports by N different transmission lines 18 and parallel to each other.
  • Butler matrix comprises couplers 15, of the 3 dB, 90 ° hybrid coupler type, making it possible to combine or divide the power of the waves input radio frequency, phase shifters 16 capable of applying a phase delay of 45 °, and crossing devices 17 for crossing two different transmission lines.
  • each crossing device 17 may consist of two 3 dB, 90 ° couplers connected in series.
  • FIG. figure 2 An example of a Butler matrix architecture with four input ports A, B, C, D and four output ports A ', B', C ', D' is shown in FIG. figure 2 .
  • the Butler matrix has four 3 dB, 90 °, two 45 ° phase shifters and a crossover.
  • This type of beamformer is well suited for forming a small number of beams but becomes too complex as the number of beams increases. In addition, it allows the formation of beams in only one direction of the space perpendicular to the transmission lines 18.
  • planar quasi-optical beamformers using electromagnetic propagation of radiofrequency waves originating from several input power sources, for example radiating horns, according to a propagation mode in general TEM between two plates. parallel metallic.
  • the focusing and collimation of the beams can be performed by an optical lens as described for example in the documents US 3170158 and US 5936588 which illustrate the case of a Rotman lens, or alternatively by a reflector as described for example in the documents FR 2944153 and FR 2 986377 , the optical lens or the reflector respectively being inserted in the propagation path of the radio frequency waves, between the two parallel metal plates.
  • optical lenses may be used, these optical lenses serving essentially as phase correctors and allowing in most cases to convert one or more cylindrical waves emitted by the sources into one or more plane waves propagating in the waveguide with parallel metal plates.
  • the optical lens may comprise two opposite edges with parabolic profiles, respectively input and output.
  • the optical lens may be a dielectric lens, or a right-sided index gradient lens, or any other type of optical lens.
  • an optical lens quasi-optical beamformer to obtain a plane antenna, it is sufficient to place elements radiating input around the input edge of the optical lens and attaching radio frequency probes to the output edge of the optical lens, and then connecting each radio frequency probe to a radiating output element via a line transmission, for example a coaxial cable.
  • pillbox beamformer In the case of a pillbox beamformer, to obtain a planar antenna, input radiating elements are placed in front of the integrated parabolic reflector, and radiating output elements are placed in the path of the radiofrequency waves reflected by the parabolic reflector. .
  • pillbox beamformers using one or more reflectors.
  • a quasi-optical beamformer is much simpler than traditional waveguide beamformers because it does not have a coupler or a crossover device.
  • all known planar beam formers are able to form beams only in one dimension of space, in a direction parallel to the plane of the metal plates.
  • To form beams according to two dimensions of the space, in two directions, respectively parallel and orthogonal to the plane of the metal plates it is necessary to combine orthogonally between them, two sets of beam forming, each beam forming assembly consisting of a stack of several layers of unidirectional beamformers.
  • connection interfaces in particular input / output connectors, on each set of beam forming and then connect in pairs the different inputs and outputs.
  • the object of the invention is to overcome the drawbacks of known beam formers and to realize a planar two-dimensional beamformer comprising continuous transmission lines and making it possible to form beams in two dimensions of space without any connection interface or no interconnecting cable.
  • Another object of the invention is to provide a new and particularly compact Butler matrix having a new parallel plate architecture compatible with quasi-optical beamformers.
  • the invention relates to a compact Butler matrix comprising N waveguides, where N is an integer greater than three and selected from the powers of two, couplers for coupling two adjacent waveguides, phase shifters and at least one crossing device capable of crossing two adjacent waveguides, the crossing device comprising two couplers connected in series.
  • the Butler matrix consists of a planar multilayer structure comprising N + 1 metal plates parallel to each other, stacked one above the other, and regularly spaced from each other, each space between two consecutive metal plates forming a guide parallel plate wave having two opposite walls, respectively upper and lower, constituted by the two consecutive metal plates, two waveguides with adjacent metal plates having a common wall formed by one of the metal plates, and the couplers, the phase shifters and the crossing device are constituted by metasurfaces integrated in the respective walls of the waveguides to be coupled, crossed and out of phase.
  • the metasurfaces constituting each coupler and the crossing device between two adjacent waveguides may consist of a metallized support provided with a plurality of through holes regularly distributed in a coupling zone, respectively a crossing zone, of the wall common to the two adjacent adjacent waveguides, the crossing zone consisting of two coupling zones arranged in cascade one behind the other.
  • the metasurfaces constituting each phase shifter integrated in a waveguide may consist of corrugations arranged in a phase shift zone, on the two opposite walls of the corresponding waveguide.
  • each metal plate may consist of a metal coating deposited on a dielectric substrate and each coupler and crossing device between two adjacent waveguides may consist of a plurality of slots etched in the metal coating, the slots being regularly distributed throughout the coupling zone, respectively throughout the crossing zone, the crossing zone consisting of two coupling zones arranged in cascade one behind the other.
  • each phase-shifter may consist of a set of periodically photo-etched metal patches on the dielectric substrate of the two walls of a phase-shifted waveguide.
  • the invention also relates to a planar beamformer capable of synthesizing beams according to two dimensions of space, comprising at least one Butler matrix with N + 1 parallel plates.
  • the beamformer may comprise two different Butler matrices stacked one above the other and respectively dedicated to two different polarizations orthogonal to each other.
  • the beamformer may further comprise N respectively integrated optical lenses, at the output, or alternatively at the input, of the Butler matrix, in the N waveguides delimited by the N + 1 metal plates.
  • each optical lens may be a lens of constant thickness and index gradient.
  • the beamformer may comprise two stacked stages, respectively lower and upper, each stage comprising an identical number of parallel plate waveguides, the Butler matrix being located on the upper stage, each waveguide of the lower stage being connected in series to a waveguide of the upper stage by a respective intermediate waveguide comprising parallel metal plates arranged orthogonally to the XOY plane of the two lower and upper stages, the parallel metal plates constituting the walls of each intermediate waveguide forming a reflector integrated in the beamformer.
  • the invention also relates to a planar antenna comprising at least one Butler matrix with N + 1 parallel plates, the antenna further comprising M radiating feed horns connected at the input of each waveguide with parallel metal plates, ie MN radiating feed horns for the N metal plate waveguides, where M is greater than 2, and N output radiating horns respectively connected to the N metal plate waveguides.
  • each output radiating horn can be a longitudinal horn coupled to a linear radiating aperture extending transversely over the entire width of the corresponding parallel plate waveguide.
  • the linear radiating openings may be oriented in a direction perpendicular to the plane of the parallel plates of the corresponding parallel plate waveguide.
  • the Butler matrix consists of a planar multilayer structure comprising N + 1 metal plates 20, parallel to each other, stacked one above the other, and regularly spaced from each other.
  • PPW parallel plate waveguide
  • the metal plates are parallel to the XOY plane, the X direction corresponding to the longitudinal direction of propagation of the radio frequency waves in each parallel plate waveguide.
  • Two adjacent waveguides PPW1 and PPW2, PPW2 and PPW3, PPW3 and PPW4, comprise a common wall formed by one of the metal plates 20.
  • the Butler matrix therefore comprises N parallel-plate waveguides stacked one above the other in the direction Z orthogonal to the plane XOY, where N is an integer greater than three and selected from the powers of two.
  • the Butler matrix also comprises couplers, for example of the hybrid coupler type 3dB, 90 °, each coupler being intended to couple two waveguides adjacent to each other, 45 ° phase shifters and crossover devices (in English: crossover) intended to intersect with each other two adjacent waveguides.
  • the couplers 15, the crossing devices 17 and the phase-shifters 16 are integrated locally into the metal plates forming the walls of the waveguides PPW1, PPW2, PPW3, PPW4 in respective coupling zones 22a, 22b, 22c, 22d, crossover 24 and phase shift 23a, 23b, located in the path of propagation of radiofrequency waves and extending transversely, parallel to the Y direction, over the entire width D of the corresponding metal plate 20.
  • the metal plate forming the common wall between the two adjacent waveguides comprises coupling zones and crossing zones constituted by metasurfaces integrated locally in said common wall.
  • a metasurface is a textured surface consisting of a dense planar distribution of small identical or non-identical elements, fixed, or printed, or engraved, on a very thin support.
  • a metasurface is characterized by a surface impedance that locally modifies the longitudinal propagation of a guided wave in a waveguide.
  • a metasurface has very interesting properties from an electromagnetic point of view because it allows to control the propagation of electromagnetic waves along its surface.
  • the elements fixed, or printed or engraved may for example be metal studs or metal patches or holes, or slots, regularly distributed or of variable density, the distance between two consecutive elements being less than Central wavelength of operation.
  • the metasurface is constituted a metallized support 26 provided with a plurality of through holes 25 regularly distributed throughout the coupling zone, respectively throughout the crossing zone. The distance separating two adjacent holes is much less than, at least a factor of three, at the wavelengths guided in the parallel plate guide.
  • the metasurface has a high reactive surface impedance, for example 100 ohms, the value of which depends on the density of the holes and the length L of the coupling zone.
  • a 90 ° 3dB coupler synthesized by a metasurface having a reactive surface impedance of 100 Ohms was obtained with holes regularly distributed over a length L equal to 35 mm.
  • Two identical metasurfaces put end to end synthesize the crossing zone. It has been verified that these surface impedances are effective for radio waves having different angles of incidence.
  • the two metal plates forming the upper and lower walls of the corresponding waveguide comprise phase shift zones 23a, 23b which may consist of corrugations arranged locally on the inner surface of the two corresponding metal plates and whose width is equal to the transverse width D of the corresponding metal plates.
  • the number N of waveguides is four, and the number of metal plates 20 is five.
  • a first coupling zone 22a is integrated in the second metal plate common to the first waveguide PPW1 and at the second waveguide PPW2 and a second coupling zone 22b is integrated in the fourth metal plate common to the third waveguide PPW3 and the fourth waveguide PPW4.
  • the Butler matrix Downstream of the two coupling zones 22a, 22b, the Butler matrix comprises a crossing zone 24 consisting of two hybrid couplers 3dB, 90 °, cascaded, one behind the other, in the third metal plate common to the second and third waveguides PPW2, PPW3, and two phase shift zones 23a, 23b respectively arranged in the upper and lower walls of the first and fourth waveguides PPW1, PPW4.
  • a third and a fourth coupling zone 23c, 23d are respectively integrated in the second metal plate common to the first and second waveguides PPW1, PPW2 and in the fourth metal plate common to the third and fourth waveguides PPW3, PPW4.
  • the radiofrequency signals propagating in the two adjacent waveguides intersect and mutually exchange their propagation waveguide, which allows to group two by two signals that propagate initially in non-adjacent waveguides to couple them.
  • the radiofrequency signals propagating initially in the waveguides PPW2 and PPW3 are exchanged in the crossing zone 24 and then propagate, downstream of the crossing zone, respectively in the waveguides.
  • PPW3 and PPW2. They can then be respectively coupled to radio frequency signals that propagate in waveguides PPW4 and PPW1.
  • phase shift, coupling and crossover areas be compact and so that the surface impedances are high.
  • the size of the phase shift, coupling and crossover areas is further reduced if the Butler matrix operates over a wider band and for higher radiofrequency waveforms.
  • the Butler matrix can be made using a printed circuit technology by using a multilayer composite structure comprising a stack of several layers consisting of etched and metallized substrates S1, S2, S3, S4, S5 possibly being separated by spacers E1, E2, E3, E4.
  • Each layer forms a waveguide comprising two metallized walls parallel to each other, each wall consisting of a metal coating 33 deposited on a dielectric substrate 32, the spacer located between two metallized walls may consist of air or comprise a material transparent to radiofrequency waves, such as for example a honeycomb material, or a quartz material, or a material made of kevlar, or an expanded polymer foam.
  • the role of a spacer is to reduce propagation losses, but this spacer is not essential.
  • the metal coating 33 deposited on the substrate 32 is then equivalent to a metal plate 20.
  • the coupling zones 22a, 22b, 22c, 22d and crossing 24 between two adjacent waveguides then consist of a plurality of etched slots in the metal coating, the slots being evenly distributed throughout the coupling zone, respectively throughout the crossing zone, the length of the crossing zone 24 being equal to twice the length of a coupling zone.
  • the phase shift zones consist of metasurfaces, deposited on the metal coating, which modify the propagation delay of the radiofrequency waves.
  • the metasurfaces may, for example, consist of a set of metal pads, or metal patches 30 periodically photogravated by photolithography on the face. internal of the dielectric substrate of the two walls of the corresponding waveguide.
  • the metal patches may for example be short-circuited by connecting them to the metal coating of the wall of the corresponding waveguide, through a metallized through hole 31 arranged in the corresponding dielectric substrate.
  • the distribution period of the metal patches equal to the distance between two adjacent metal patches, is less than the propagation wavelength of the radiofrequency waves in the waveguide with parallel metallic walls.
  • the Butler matrix according to the invention constitutes a one-dimensional beamformer when used alone.
  • the two-dimensional planar beamformer comprises a Butler matrix 41 having N parallel-stacked PPW waveguides stacked one above the other, where N is an integer greater than three and selected among the powers of two, for example, 4, 8, 16, 32 ..., and further comprises an optical device of the optical lens or reflective type.
  • N is an integer greater than three and selected among the powers of two, for example, 4, 8, 16, 32 ...
  • the number N of waveguides PPW1, PPW2, PPW3, PPW4 is equal to 4.
  • the structure of the Butler matrix is identical to that represented on the Figures 3a and 3b .
  • the beam trainer has N optical lenses 42 respectively integrated in the N waveguides delimited by the N + 1 parallel metal plates.
  • the optical lenses 42 are arranged in the waveguides PPW, at the input of the Butler matrix 41, between the input feed horns 43 of each waveguide and the Butler matrix 41, whereas on the figure 7 , the optical lenses 42 are arranged in the waveguides PPW at the outlet of the Butler matrix 41, between the Butler matrix and exit horns 44.
  • each optical lens 42 may be a dielectric lens whose dielectric permittivity is different from that of the propagation medium of the parallel plate waveguides PPW1, PPW2, PPW3, PPW4 (which is equal to 1 if the waveguides PPW1,..., PPW4 are filled with air or equal to the permittivity of the substrate 32 in the case where the waveguides consist of a stack of layers of metallized and etched substrates).
  • Each optical lens 42 integrated in a parallel plate waveguide may have parabolic edges as shown in the waveguide PPW of the figure 8a , or be a lens of variable thickness, or, to avoid shape discontinuities, be a straight-edged lens of constant thickness and refractive index gradient as shown in the waveguide PPW of the figure 8b , or any other type of optical lens with a variable refractive index which makes it possible to phase out the radiofrequency waves according to a predefined phase law.
  • planar beam former thus produced makes it possible, with the Butler matrix 41, to synthesize beams in the XOZ plane perpendicular to the parallel plates and makes it possible, with the optical lens 42, to synthesize beams in the XOY plane parallel to the parallel plates without any discontinuity. propagation in the parallel plate waveguides and without using any interconnection or any connecting cable.
  • each waveguide PPW wave can be connected to several radiating output elements or to a single longitudinal radiating horn 44 coupled to a linear aperture radiating.
  • the number M of feeding horns 43 is equal to 7 per waveguide, ie MN horns input total, equal to 28 for the four PPW waveguides.
  • a single longitudinal radiating horn 44 is used at the output of each waveguide PPW.
  • Each linear aperture radiant coupled to the longitudinal radiating horn 44 output extends transversely over the entire width D of the corresponding waveguide.
  • each linear aperture radiating is oriented to radiate in a direction Z perpendicular to the plane XOY parallel plates but it is not essential, the linear openings could also be in the extension of the parallel plates.
  • the plane of radiation of the longitudinal radiating horns is not an extension of the parallel plates, but is folded with respect to the parallel plates. Of course, this is not essential.
  • a longitudinal horn has the advantage of radiating energy over the entire width of the opening of the parallel plate waveguide, which makes it possible to produce an antenna with a large bandwidth of operation and with a large beam misalignment capability. formed and makes it possible to get rid of network lobes.
  • the dimensions of the beamformer including optical lenses are strongly constrained by the focal length between each optical lens 42 and the input feed horns 43.
  • the required focal distance between each optical lens and the feed horns is advantageously used by the Butler matrix, which makes it possible to reduce the dimensions of the beamformer which is then more compact.
  • radiofrequency waves propagating in the Butler matrix are no longer flat but cylindrical.
  • the figure 9 illustrates another embodiment of a two-dimensional planar beamformer having no discontinuity of spread.
  • the planar beam former comprises 2N + 1 parallel plates 20 constituting the respective walls of 2N parallel plate waveguides distributed over two floors, respectively lower 50 and upper 51.
  • Each stage comprises N guide plates. wave in PPW technology, stacked one above the other, where N is greater than three.
  • Each parallel plate waveguide PPW1, PPW2, PPW3, PPW4 of the lower stage is respectively connected in series with a parallel plate waveguide PPW8, PPW7, PPW6, PPW5 of the upper stage via of a respective intermediate waveguide, with parallel plates PPWP1, PPWP2, PPWP3, PPWP4, arranged orthogonally to the XOY plane of the two stages of the beamformer.
  • the parallel metal plates forming the walls of each intermediate waveguide then form a reflector integrated in the beamformer, as in a pillbox-type beamformer.
  • the parallel metal plates constituting the walls of the intermediate waveguides may comprise a chosen shape profile, which may for example be of straight shape as illustrated in FIG.
  • the N waveguides PPW8, PPW7, PPW6, PPW5 of the upper stage are coupled together by a Butler matrix according to the invention and as described in connection with the Figures 3a and 3b .
  • the invention For operation in double polarization, for example circular, the invention consists in using two identical Butler matrices, respectively dedicated to each polarization, and stacked one above the other as shown on the figure 11 wherein each Butler matrix comprises four waveguides A, B, C, D and A ', B', C ', D', in PPW parallel plate waveguide technology.
  • Each Butler matrix being dedicated to one of the two polarizations, at the output of the beamformer, the PPW waveguides operating in the same polarization are adjacent to each other.
  • the invention also consists in successively crossing adjacent waveguides chosen to group two by two the waveguides of different polarizations.
  • the crossings are made by metasurfaces integrated in the metal plates common to two adjacent waveguides to cross, as explained in connection with the figure 3b . So, in the example of the figure 11 a first crossing is made between the waveguides D and A 'by a metasurface integrated in the fifth metal plate 5. Then two successive crossings are respectively made between the waveguides D and C and between the waveguides B and C by corresponding metasurfaces integrated in the fourth and third metal plates 4, 3.

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Abstract

La matrice de Butler compacte est constituée d'une structure multicouches planaire comportant N guides d'onde à plaques métalliques parallèles PPW, empilés les uns au-dessus des autres, deux guides d'onde PPW adjacents comportant une paroi commune constituée par l'une des plaques métalliques. Les coupleurs, les déphaseurs et les dispositifs de croisement de la matrice de Butler sont constitués par des métasurfaces intégrées dans les plaques métalliques. Le formateur de faisceaux bidimensionnel planaire peut comporter une matrice de Butler à guides d'onde PPW associée à des lentilles optiques intégrées dans chaque guide d'onde PPW. Alternativement, le formateur de faisceaux bidimensionnel planaire peut comporter un étage supérieur constitué d'une matrice de Butler à guides d'onde PPW, et un étage inférieur comportant des guides d'onde PPW équipés de réflecteurs intégrés, les deux étages étant connectés en série.

Description

  • La présente invention concerne une matrice de Butler compacte, un formateur de faisceaux bidimensionnel planaire et une antenne plane à faisceaux multiples comportant une telle matrice de Butler. Elle s'applique à toute antenne multifaisceaux, notamment au domaine des applications spatiales telles que les télécommunications par satellite, et plus particulièrement aux antennes de faible épaisseur.
  • Les formateurs de faisceaux sont utilisés dans les antennes multifaisceaux pour élaborer des faisceaux de sortie à partir de signaux radiofréquence d'entrée. Un formateur de faisceaux classique comporte N entrées In1 à InN, P sorties Out1 à OutP, et une pluralité de circuits radiofréquences 11, 12, 13 aptes à diviser et recombiner les signaux radiofréquences d'entrée suivant une loi de phase et d'amplitude choisie pour former des faisceaux de sortie. Il existe différentes technologies de formateurs de faisceaux. Sur la figure 1, les circuits radiofréquences comportent un grand nombre de guides d'ondes individuels 10 qui s'entrecroisent entre eux de façon à permettre les combinaisons nécessaires pour la formation des différents faisceaux de sortie par des combineurs 12 de signaux radiofréquence. Ces formateurs de faisceaux sont adaptés pour un nombre limité d'éléments rayonnants et pour former un nombre limité de faisceaux car ils deviennent très complexes lorsque le nombre de faisceaux augmente en raison des croisements nécessaires entre les guides d'onde.
  • Il est également connu de former des faisceaux en utilisant une matrice de Butler constituée d'un circuit passif symétrique à N ports d'entrée et N ports de sorties, qui pilote des éléments rayonnants produisant N faisceaux différents d'amplitudes égales. Le circuit est composé de jonctions qui connectent les ports d'entrée aux ports de sortie par N lignes de transmission 18 différentes et parallèles entre elles. Il existe plusieurs configurations possibles de matrice de Butler. Sur le schéma de la figure 2, la matrice de Butler comporte des coupleurs 15, de type coupleurs hybrides 3 dB, 90°, permettant de combiner ou de diviser la puissance des ondes radiofréquence d'entrée, des déphaseurs 16 aptes à appliquer un retard de phase de 45°, et des dispositifs de croisement 17 permettant de croiser deux lignes de transmission différentes. De manière connue, chaque dispositif de croisement 17 peut être constitué de deux coupleurs 3 dB, 90° connectés en série. Un exemple d'architecture de matrice de Butler à quatre ports d'entrée A, B, C, D et quatre ports de sortie A', B', C', D' est représenté sur la figure 2. Sur cet exemple, la matrice de Butler comporte quatre coupleurs 3 dB, 90°, deux déphaseurs 45° et un dispositif de croisement. Ce type de formateur de faisceaux est bien adapté pour la formation d'un petit nombre de faisceaux mais devient trop complexe lorsque le nombre de faisceaux augmente. En outre, il ne permet la formation des faisceaux que dans une seule direction de l'espace perpendiculaire aux lignes de transmission 18.
  • Selon une autre technologie, il existe des formateurs de faisceaux quasi-optiques planaires utilisant une propagation électromagnétique des ondes radiofréquence provenant de plusieurs sources d'alimentation placées en entrée, par exemple des cornets rayonnants, selon un mode de propagation en général TEM entre deux plaques métalliques parallèles. La focalisation et la collimation des faisceaux peuvent être réalisées par une lentille optique comme décrit par exemple dans les documents US 3170158 et US 5936588 qui illustrent le cas d'une lentille de Rotman, ou alternativement par un réflecteur comme décrit par exemple dans les documents FR 2944153 et FR 2 986377 , la lentille optique ou respectivement le réflecteur étant insérés sur le trajet de propagation des ondes radiofréquences, entre les deux plaques métalliques parallèles. Différents types de lentilles optiques peuvent être utilisés, ces lentilles optiques servant essentiellement de correcteurs de phase et permettant dans la plupart des cas de convertir une, ou plusieurs, onde cylindrique émise par les sources en une, ou plusieurs, onde plane se propageant dans le guide d'onde à plaques métalliques parallèles. La lentille optique peut comporter deux bords opposés à profils paraboliques, respectivement d'entrée et de sortie. Alternativement, la lentille optique peut être une lentille diélectrique, ou une lentille à gradient d'indice à bords droits, ou tout autre type de lentille optique. Dans le cas d'un formateur de faisceaux quasi-optique à lentille optique, pour obtenir une antenne plane, il suffit de placer des éléments rayonnants d'entrée autour du bord d'entrée de la lentille optique et de fixer des sondes radiofréquences sur le bord de sortie de la lentille optique, puis de relier chaque sonde radiofréquence à un élément rayonnant de sortie par l'intermédiaire d'une ligne de transmission, par exemple un câble coaxial. Dans le cas d'un formateur de faisceaux pillbox, pour obtenir une antenne plane, des éléments rayonnants d'entrée sont placés devant le réflecteur parabolique intégré, et des éléments rayonnants de sortie sont placés sur le trajet des ondes radiofréquences réfléchies par le réflecteur parabolique. Il existe différentes solutions de formateurs de faisceaux pillbox, utilisant un ou plusieurs réflecteurs.
  • Comme cette technologie utilise des guides d'onde à plaques parallèles, en alternative à l'utilisation de plusieurs éléments rayonnants discrets alignés côte à côte, il est possible d'utiliser une ouverture linéaire rayonnante continue en sortie de chaque guide d'onde à plaques parallèles. Ces ouvertures linéaires rayonnantes, qui ne sont pas spatialement quantifiées, ont des performances très supérieures par rapport aux réseaux linéaires de plusieurs éléments rayonnants, pour les faisceaux dépointés, en raison de l'absence de quantification, et en bande passante en raison de l'absence de modes de propagation résonants.
  • Un formateur de faisceaux quasi-optique est de réalisation beaucoup plus simple que les formateurs de faisceaux traditionnels à guides d'onde individuels car il ne comporte ni coupleur, ni dispositif de croisement. Cependant, tous les formateurs de faisceaux planaires connus ne sont capables de former des faisceaux que selon une seule dimension de l'espace, dans une direction parallèle au plan des plaques métalliques. Pour former des faisceaux selon deux dimensions de l'espace, dans deux directions, respectivement parallèle et orthogonale au plan des plaques métalliques, il est nécessaire de combiner orthogonalement entre eux, deux ensembles de formation de faisceaux, chaque ensemble de formation de faisceaux étant constitué d'un empilement de plusieurs couches de formateurs de faisceaux unidirectionnels. Pour combiner orthogonalement deux ensembles de formation de faisceaux, il est en outre nécessaire d'aménager des interfaces de connexion, en particulier des connecteurs d'entrée/sortie, sur chaque ensemble de formation de faisceaux puis de relier deux à deux les différentes entrées et sorties correspondantes des deux ensembles de formation de faisceaux par des câbles d'interconnexion dédiés comme représenté par exemple dans le document US 5 936 588 pour des formateurs de faisceaux à lentille. Cette architecture est satisfaisante pour la formation d'un petit nombre de faisceaux, mais devient très complexe et d'encombrement trop important lorsque le nombre de faisceaux augmente.
  • A notre connaissance, jusqu'à ce jour, il n'existe pas de dispositif de formation de faisceaux planaire permettant de former des faisceaux selon deux dimensions de l'espace. Par ailleurs, il n'existe pas non plus de solutions simples d'interconnexion de deux formateurs de faisceaux unidirectionnels permettant de s'affranchir des interfaces de connexion et des câbles d'interconnexions.
  • Le but de l'invention est de remédier aux inconvénients des formateurs de faisceaux connus et de réaliser un formateur de faisceaux bidimensionnel planaire comportant des lignes de transmission continues et permettant de former des faisceaux selon deux dimensions de l'espace sans aucune interface de connexion ni aucun câble d'interconnexion.
  • Un autre but de l'invention est de réaliser une nouvelle matrice de Butler particulièrement compacte et ayant une nouvelle architecture à plaques parallèles compatible avec les formateurs de faisceaux quasi-optiques.
  • Pour cela, l'invention concerne une matrice de Butler compacte comportant N guides d'onde, où N est un nombre entier supérieur à trois et choisi parmi les puissances de deux, des coupleurs destinés à coupler deux guides d'onde adjacents, des déphaseurs et au moins un dispositif de croisement apte à croiser deux guides d'onde adjacents, le dispositif de croisement comportant deux coupleurs connectés en série. La matrice de Butler est constituée d'une structure multicouches planaire comportant N+1 plaques métalliques parallèles entre elles, empilées les unes au-dessus des autres, et régulièrement espacées les unes des autres, chaque espace entre deux plaques métalliques consécutives formant un guide d'onde à plaques parallèles ayant deux parois opposées, respectivement supérieure et inférieure, constituées par les deux plaques métalliques consécutives, deux guides d'onde à plaques métalliques adjacents comportant une paroi commune constituée par l'une des plaques métalliques, et les coupleurs, les déphaseurs et le dispositif de croisement sont constitués par des métasurfaces intégrées dans les parois respectives des guides d'onde à coupler, à croiser et à déphaser.
  • Avantageusement, les métasurfaces constituant chaque coupleur et le dispositif de croisement entre deux guides d'onde adjacents peuvent être constituées d'un support métallisé muni d'une pluralité de trous traversants régulièrement répartis dans une zone de couplage, respectivement une zone de croisement, de la paroi commune aux deux guides d'onde adjacents correspondants, la zone de croisement étant constituée de deux zones de couplage disposées en cascade l'une derrière l'autre.
  • Avantageusement, les métasurfaces constituant chaque déphaseur intégré dans un guide d'onde peuvent être constituées de corrugations aménagées dans une zone de déphasage, sur les deux parois opposées du guide d'onde correspondant.
  • Alternativement, selon un mode de réalisation particulier, chaque plaque métallique peut être constituée d'un revêtement métallique déposé sur un substrat diélectrique et chaque coupleur et dispositif de croisement entre deux guides d'ondes adjacents peut être constitué d'une pluralité de fentes gravées dans le revêtement métallique, les fentes étant régulièrement réparties dans toute la zone de couplage, respectivement dans toute la zone de croisement, la zone de croisement étant constituée de deux zones de couplage disposées en cascade l'une derrière l'autre.
  • Alternativement, chaque déphaseur peut être constitué d'un ensemble de patchs métalliques périodiquement photogravés sur le substrat diélectrique des deux parois d'un guide d'onde à déphaser.
  • L'invention concerne aussi un formateur de faisceaux planaire apte à synthétiser des faisceaux selon deux dimensions de l'espace, comportant au moins une matrice de Butler à N+1 plaques parallèles.
  • Avantageusement, le formateur de faisceau peut comporter deux matrices de Butler différentes empilées l'une au-dessus de l'autre et respectivement dédiées à deux polarisations différentes orthogonales entre elles.
  • Selon un mode de réalisation, le formateur de faisceaux peut comporter en outre N lentilles optiques respectivement intégrées, en sortie, ou alternativement en entrée, de la matrice de Butler, dans les N guides d'onde délimités par les N+1 plaques métalliques.
  • Avantageusement, chaque lentille optique peut être une lentille d'épaisseur constante et à gradient d'indice.
  • Selon un autre mode de réalisation, le formateur de faisceaux peut comporter deux étages empilés, respectivement inférieur et supérieur, chaque étage comportant un nombre identique de guides d'onde à plaques parallèles, la matrice de Butler étant située à l'étage supérieur, chaque guide d'onde de l'étage inférieur étant connecté en série à un guide d'onde de l'étage supérieur par un guide d'onde intermédiaire respectif comportant des plaques métalliques parallèles disposées orthogonalement au plan XOY des deux étages inférieur et supérieur, les plaques métalliques parallèles constituant les parois de chaque guide d'onde intermédiaire formant un réflecteur intégré dans le formateur de faisceaux.
  • L'invention concerne également une antenne plane comportant au moins une matrice de Butler à N+1 plaques parallèles, l'antenne comportant en outre M cornets rayonnants d'alimentation connectés en entrée de chaque guide d'onde à plaques métalliques parallèles, soit M.N cornets rayonnants d'alimentation pour les N guides d'onde à plaques métalliques, où M est supérieur à 2, et N cornets rayonnants de sortie respectivement connectés aux N guides d'onde à plaques métalliques.
  • Avantageusement, chaque cornet rayonnant de sortie peut être un cornet longitudinal couplé à une ouverture linéaire rayonnante s'étendant transversalement sur toute la largeur du guide d'onde à plaques parallèles correspondant.
  • Avantageusement, les ouvertures linéaires rayonnantes peuvent être orientées selon une direction perpendiculaire au plan des plaques parallèles du guide d'onde à plaques parallèles 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 synoptique d'un exemple de formateur de faisceaux traditionnel, selon l'art antérieur ;
    • figure 2 : un exemple de schéma synoptique d'une matrice de Butler, selon l'art antérieur ;
    • figures 3a et 3b : deux schémas, respectivement en perspective et en coupe longitudinale, d'un premier exemple de réalisation d'une matrice de Butler comportant un empilement de plusieurs guides d'onde à plaques parallèles, selon l'invention ;
    • figures 4a et 4b : deux schémas, respectivement en coupe longitudinale et en vue de dessus, illustrant un exemple de zone de couplage insérée dans une plaque métallique commune entre deux guides d'onde à plaques métalliques, selon l'invention ;
    • figure 5 : un schéma en coupe longitudinale, d'un deuxième exemple de réalisation d'une matrice de Butler comportant un empilement composite de plusieurs couches de substrats gravés et métallisés séparées par des espaceurs, selon l'invention ;
    • figure 6 : un schéma en perspective, d'un premier exemple de formateur de faisceaux à deux dimensions, connecté à des ouvertures linéaires rayonnantes, et comportant une matrice de Butler, selon l'invention ;
    • figure 7 : un schéma en perspective, d'un deuxième exemple de formateur de faisceaux à deux dimensions, connecté à des ouvertures linéaires rayonnantes, et comportant une matrice de Butler, selon l'invention ;
    • figure 8a : un schéma en perspective d'un exemple de lentille diélectrique intégrée dans un guide d'onde à plaques parallèles ; selon l'invention ;
    • figure 8b : un schéma en perspective d'un exemple de lentille d'épaisseur constante et à gradient d'indice intégrée dans un guide d'onde à plaques parallèles ; selon l'invention ;
    • figure 9 : un schéma, en coupe longitudinale, d'un troisième exemple de formateur de faisceaux à deux dimensions comportant une matrice de Butler, selon l'invention ;
    • figure 10a et 10b : un schéma, en vue de dessus, de deux étages, respectivement inférieur et supérieur, d'une antenne plane selon le mode de réalisation de la figure 9 ;
    • figure 11 : un schéma en coupe longitudinale, d'un exemple de matrice de Butler bi-polarisation, selon l'invention.
  • Conformément à l'invention, comme représenté sur les schémas des figures 3a et 3b, la matrice de Butler est constituée d'une structure multicouches planaire comportant N+1 plaques métalliques 20, parallèles entre elles, empilées les unes au-dessus des autres, et régulièrement espacées les unes des autres. L'espace 21 entre deux plaques métalliques consécutives, constitué d'air ou de diélectrique, forme un guide d'onde à plaques parallèles PPW (en anglais : parallel plate waveguide) dont les parois supérieure et inférieure sont les deux plaques métalliques consécutives. Sur les différentes figures, les plaques métalliques sont parallèles au plan XOY, la direction X correspondant à la direction longitudinale de propagation des ondes radiofréquences dans chaque guide d'onde à plaques parallèles. Deux guides d'onde adjacents PPW1 et PPW2, PPW2 et PPW3, PPW3 et PPW4, comportent une paroi commune constituée par l'une des plaques métalliques 20. La matrice de Butler comporte donc N guides d'onde à plaques parallèles, empilés les uns au-dessus des autres selon la direction Z orthogonale au plan XOY, où N est un nombre entier supérieur à trois et choisi parmi les puissances de deux. La matrice de Butler comporte également des coupleurs, par exemple de type coupleur hybride à 3dB, 90°, chaque coupleur étant destinés à coupler deux guides d'onde adjacents entre eux, des déphaseurs à 45° et des dispositifs de croisement (en anglais : crossover) destinés à croiser entre eux deux guides d'onde adjacents. Selon l'invention, les coupleurs 15, les dispositifs de croisement 17 et les déphaseurs 16 sont intégrés localement dans les plaques métalliques formant les parois des guides d'onde PPW1, PPW2, PPW3, PPW4 dans des zones respectives de couplage 22a, 22b, 22c, 22d, de croisement 24 et de déphasage 23a, 23b, situées sur le trajet de propagation des ondes radiofréquences et s'étendant transversalement, parallèlement à la direction Y, sur toute la largeur D de la plaque métallique 20 correspondante.
  • Pour coupler ou croiser deux guides d'onde adjacents entre eux, la plaque métallique formant la paroi commune entre les deux guides d'onde adjacents, comporte des zones de couplage et des zones de croisement constituées par des métasurfaces intégrées localement dans ladite paroi commune. Une métasurface est une surface texturée constituée d'une distribution planaire dense de petits éléments identiques ou non, fixés, ou imprimés, ou gravés, sur un support très fin. Une métasurface est caractérisée par une impédance de surface qui modifie localement la propagation longitudinale d'une onde guidée dans un guide d'onde. Une métasurface possède des propriétés très intéressantes d'un point de vue électromagnétique car elle permet de contrôler la propagation des ondes électromagnétiques le long de sa surface. Suivant les propriétés recherchées, les éléments fixés, ou imprimés, ou gravés peuvent par exemple être des plots métalliques ou des patchs métalliques ou des trous, ou des fentes, régulièrement répartis ou de densité variable, la distance entre deux éléments consécutifs étant inférieure à la longueur d'onde centrale de fonctionnement. Comme représenté sur les figures 4a et 4b, selon l'invention, dans chaque zone de couplage 22a, 22b, 22c, 22d et dans la zone de croisement 24 qui est constituée de deux zones de couplage disposées en cascade l'une derrière l'autre, la métasurface est constituée d'un support métallisé 26 muni d'une pluralité de trous traversants 25 régulièrement répartis dans toute la zone de couplage, respectivement dans toute la zone de croisement. La distance séparant deux trous adjacents est très inférieure, d'au moins un facteur trois, aux longueurs d'onde guidées dans le guide à plaques parallèles. La métasurface présente une haute impédance de surface réactive, par exemple 100 Ohms, dont la valeur dépend de la densité des trous et de la longueur L de la zone de couplage. A titre d'exemple non limitatif, à 25 GHz, un coupleur à 3dB, 90° synthétisé par une métasurface ayant une impédance de surface réactive de 100 Ohms a été obtenu avec des trous régulièrement répartis sur une longueur L égale à 35 mm. Deux métasurfaces identiques mises bout à bout synthétisent la zone de croisement. Il a été vérifié que ces impédances de surface sont efficaces pour des ondes radiofréquences ayant différents angles d'incidence.
  • Pour réaliser un déphasage dans un guide d'onde à plaques parallèles, PPW1, PPW4, les deux plaques métalliques formant les parois supérieure et inférieure du guide d'onde correspondant comportent des zones de déphasage 23a, 23b pouvant être constituées de corrugations aménagées localement sur la surface interne des deux plaques métalliques correspondantes et dont la largeur est égale à la largeur transversale D des plaques métalliques correspondantes. Dans l'exemple des figures 3a et 3b, le nombre N de guides d'onde est égal à quatre, et le nombre de plaques métalliques 20 est égal à cinq. Entre les entrées I1, I2, I3, I4, et les sorties O1, 02, 03, 04, de la matrice de Butler, une première zone de couplage 22a est intégrée dans la deuxième plaque métallique commune au premier guide d'onde PPW1 et au deuxième guide d'onde PPW2 et une deuxième zone de couplage 22b est intégrée dans la quatrième plaque métallique commune au troisième guide d'onde PPW3 et au quatrième guide d'onde PPW4. En aval des deux zones de couplage 22a, 22b, la matrice de Butler comporte une zone de croisement 24 constituée de deux coupleurs hybrides 3dB, 90°, intégrés en cascade, l'un derrière l'autre, dans la troisième plaque métallique commune aux deuxième et troisième guides d'onde PPW2, PPW3, et deux zones de déphasage 23a, 23b respectivement aménagées dans les parois supérieure et inférieure des premier et quatrième guides d'onde PPW1, PPW4. Enfin, en aval des zones de déphasage 23a, 23b et de la zone de croisement 24, une troisième et une quatrième zones de couplage 23c, 23d, sont respectivement intégrées dans la deuxième plaque métallique commune aux premier et deuxième guides d'onde PPW1, PPW2 et dans la quatrième plaque métallique commune aux troisième et quatrième guides d'onde PPW3, PPW4. En fonctionnement, dans la zone de croisement 24 entre deux guides d'onde adjacents PPW2, PPW3, les signaux radiofréquences se propageant dans les deux guides d'onde adjacents, se croisent, puis échangent mutuellement leur guide d'onde de propagation, ce qui permet de regrouper deux à deux des signaux qui se propagent initialement dans des guides d'onde non adjacents pour les coupler entre eux. Ainsi, dans cet exemple, les signaux radiofréquences qui se propagent initialement dans les guides d'onde PPW2 et PPW3 sont échangés dans la zone de croisement 24 et se propagent ensuite, en aval de la zone de croisement, respectivement dans les guides d'onde PPW3 et PPW2. Ils peuvent donc ensuite être respectivement couplés aux signaux radiofréquences qui se propagent dans les guides d'onde PPW4 et PPW1. Pour que la matrice de Butler fonctionne correctement pour plusieurs incidences d'ondes radiofréquences se propageant, selon un mode TEM, dans les guides d'onde à plaques parallèles, il est nécessaire que les zones de déphasage, de couplage et de croisement soient compactes et donc que les impédances de surface soient élevées. La dimension des zones de déphasage, de couplage et de croisement est d'autant plus réduite que la matrice de Butler fonctionne sur une plus large bande et pour des incidences d'ondes radiofréquence plus élevées.
  • Alternativement, comme représenté sur l'exemple de la figure 5, la matrice de Butler peut être réalisée selon une technologie de circuit imprimé en utilisant une structure composite multicouches comportant un empilement de plusieurs couches constituées de substrats gravés et métallisés S1, S2, S3, S4, S5 pouvant éventuellement être séparés par des espaceurs E1, E2, E3, E4. Chaque couche forme un guide d'onde comportant deux parois métallisées parallèles entre elles, chaque paroi étant constituée d'un revêtement métallique 33 déposé sur un substrat diélectrique 32, l'espaceur situé entre deux parois métallisées pouvant être constitué d'air ou comporter un matériau transparent aux ondes radiofréquence, tel que par exemple un matériau en nid d'abeilles, ou un matériau en quartz, ou un matériau en kevlar, ou une mousse en polymère expansé. Le rôle d'un espaceur est de réduire les pertes de propagation, mais cet espaceur n'est pas indispensable. Le revêtement métallique 33 déposé sur le substrat 32 est alors équivalent à une plaque métallique 20. Les zones de couplage 22a, 22b, 22c, 22d et de croisement 24 entre deux guides d'onde adjacents sont alors constituées d'une pluralité de fentes gravées dans le revêtement métallique, les fentes étant régulièrement réparties dans toute la zone de couplage, respectivement dans toute la zone de croisement, la longueur de la zone de croisement 24 étant égale au double de la longueur d'une zone de couplage. Les zones de déphasage sont constituées de métasurfaces, déposées sur le revêtement métallique, qui modifient le retard de propagation des ondes radiofréquence. Selon l'invention, dans la zone de déphasage 23a, 23b d'un guide d'onde, les métasurfaces peuvent, par exemple, être constituées d'un ensemble de plots métalliques, ou de patchs métalliques 30 périodiquement photogravés par photolithographie sur la face interne du substrat diélectrique des deux parois du guide d'onde correspondant. Bien que ce ne soit pas indispensable, les patchs métalliques peuvent par exemple être court-circuités en les reliant au revêtement métallique de la paroi du guide d'onde correspondant, par un trou traversant métallisé 31 aménagé dans le substrat diélectrique correspondant. La période de répartition des patchs métalliques, égale à la distance entre deux patchs métalliques adjacents, est inférieure à la longueur d'onde de propagation des ondes radiofréquences dans le guide d'onde à parois métalliques parallèles.
  • La matrice de Butler selon l'invention constitue un formateur de faisceaux à une dimension lorsqu'elle est utilisée seule. Selon l'invention, le formateur de faisceaux planaire à deux dimensions comporte une matrice de Butler 41 comportant N guides d'onde PPW à plaques parallèles, empilés les uns au-dessus des autres, où N est un nombre entier supérieur à trois et choisi parmi les puissances de deux, par exemple, 4, 8, 16, 32..., et comporte en outre un dispositif optique de type lentille optique ou réflecteur. Sur les figures 6 et 7, le nombre N de guides d'onde PPW1, PPW2, PPW3, PPW4, est égal à 4. La structure de la matrice de Butler est identique à celle représentée sur les figures 3a et 3b. En outre, le formateur de faisceaux comporte N lentilles optiques 42 respectivement intégrées dans les N guides d'onde délimités par les N+1 plaques métalliques parallèles. Sur la figure 6, les lentilles optiques 42 sont aménagées dans les guides d'onde PPW, en entrée de la matrice de Butler 41, entre des cornets d'alimentation 43 d'entrée de chaque guide d'onde et la matrice de Butler 41, alors que sur la figure 7, les lentilles optiques 42 sont aménagées dans les guides d'onde PPW en sortie de la matrice de Butler 41, entre la matrice de Butler et des cornets de sortie 44. Chaque lentille optique 42 peut par exemple être une lentille diélectrique dont la permittivité diélectrique est différente de celle du milieu de propagation des guides d'onde à plaques parallèles PPW1, PPW2, PPW3, PPW4 (qui est égale à 1 si les guides d'onde PPW1,..., PPW4 sont remplis d'air ou égale à la permittivité du substrat 32 dans le cas où les guides d'onde sont constitués d'un empilement de couches de substrats métallisés et gravés). Chaque lentille optique 42 intégrée dans un guide d'onde à plaques parallèles peut comporter des bords paraboliques comme représenté sur le guide d'onde PPW de la figure 8a, ou être une lentille à épaisseur variable, ou, pour éviter des discontinuités de forme, être une lentille à bords droits, d'épaisseur constante et à gradient d'indice de réfraction comme représenté sur le guide d'onde PPW de la figure 8b, ou tout autre type de lentille optique à indice de réfraction variable permettant de déphaser les ondes radiofréquence selon une loi de phase prédéfinie.
  • Le formateur de faisceau planaire ainsi réalisé permet avec la matrice de Butler 41, de synthétiser des faisceaux dans le plan XOZ perpendiculaire aux plaques parallèles et permet avec la lentille optique 42 de synthétiser des faisceaux dans le plan XOY parallèle aux plaques parallèles sans aucune discontinuité de propagation dans les guides d'ondes à plaques parallèles et sans utiliser aucune interconnexion, ni aucun câble de liaison.
  • Pour obtenir une antenne plane, M cornets d'alimentation 43 alignés les uns à côté des autres sont connectés en entrée de chaque guide d'onde PPW, où M est supérieur à deux, et en sortie du formateur de faisceaux, chaque guide d'onde PPW peut être relié à plusieurs éléments rayonnants de sortie ou à un seul cornet rayonnant longitudinal 44 couplé à une ouverture linéaire rayonnante. Sur les figures 6, 7, 8a et 8b, le nombre M de cornets d'alimentation 43 est égal à 7 par guide d'onde, soit M.N cornets d'entrée au total, égal à 28 pour les quatre guides d'onde PPW. Sur les figures 6 et 7, un seul cornet rayonnant longitudinal 44 est utilisé en sortie de chaque guide d'onde PPW. Chaque ouverture linéaire rayonnante, couplée au cornet rayonnant longitudinal 44 de sortie, s'étend transversalement sur toute la largeur D du guide d'onde correspondant. Sur les figures 6 et 7, chaque ouverture linéaire rayonnante est orientée pour rayonner selon une direction Z perpendiculaire au plan XOY des plaques parallèles mais ce n'est pas indispensable, les ouvertures linéaires pourraient aussi être dans le prolongement des plaques parallèles. Il est à noter que dans les figures 6 et 7, le plan de rayonnement des cornets rayonnants longitudinaux n'est pas dans le prolongement des plaques parallèles, mais est replié par rapport aux plaques parallèles. Bien entendu, cela n'est pas indispensable. Il est également possible de disposer les cornets rayonnants dans le prolongement des plaques parallèles, mais dans ce cas, il peut être nécessaire d'ajouter une transition entre chaque cornet et le guide d'onde correspondant lorsque la largeur des cornets est supérieure à l'épaisseur des guides d'onde. Un cornet longitudinal présente l'avantage de rayonner l'énergie sur toute la largeur d'ouverture du guide d'onde à plaques parallèles, ce qui permet de réaliser une antenne à grande largeur de bande de fonctionnement et à grande capacité de dépointage du faisceau formé et permet de s'affranchir des lobes de réseaux.
  • Les dimensions du formateur de faisceau incluant des lentilles optiques sont fortement contraintes par la distance focale entre chaque lentille optique 42 et les cornets d'alimentation d'entrée 43. Plus la distance focale est grande, meilleure est la qualité des faisceaux dépointés. Lorsque les lentilles optiques sont aménagées en sortie de la matrice de Butler comme représenté sur la figure 7, la distance focale requise entre chaque lentille optique et les cornets d'alimentation est avantageusement utilisée par la matrice de Butler, ce qui permet de réduire les dimensions du formateur de faisceau qui est alors plus compact. Dans ce mode de réalisation, les ondes radiofréquences qui se propagent dans la matrice Butler ne sont plus planes mais cylindriques.
  • La figure 9 illustre un autre mode de réalisation d'un formateur de faisceau planaire à deux dimensions ne présentant aucune discontinuité de propagation. Dans ce mode de réalisation, le formateur de faisceaux planaire comporte 2N+1 plaques parallèles 20 constituant les parois respectives de 2N guides d'onde à plaques parallèles répartis sur deux étages, respectivement inférieur 50 et supérieur 51. Chaque étage comporte N guides d'onde en technologie PPW, empilés les uns au-dessus des autres, où N est supérieur à trois. Chaque guide d'onde à plaques parallèles PPW1, PPW2, PPW3, PPW4 de l'étage inférieur est respectivement connecté en série à un guide d'onde à plaques parallèles PPW8, PPW7, PPW6, PPW5 de l'étage supérieur par l'intermédiaire d'un guide d'onde intermédiaire respectif, à plaques parallèles PPWP1, PPWP2, PPWP3, PPWP4, disposé orthogonalement au plan XOY des deux étages du formateur de faisceaux. Les plaques métalliques parallèles constituant les parois de chaque guide d'onde intermédiaire forment alors un réflecteur intégré dans le formateur de faisceaux, comme dans un formateur de faisceaux de type pillbox. Les plaques métalliques parallèles constituant les parois des guides d'onde intermédiaires peuvent comporter un profil de forme choisie, qui peut par exemple, être de forme droite comme illustré sur la figure 9 ou de forme courbée, par exemple de forme parabolique, comme illustré sur les figures 10a et 10b, qui représentent deux étages, inférieur et supérieur, d'une antenne plane comportant un tel formateur de faisceaux. En sortie du réflecteur, les N guides d'onde PPW8, PPW7, PPW6, PPW5 de l'étage supérieur sont couplés entre eux par une matrice de Butler conforme à l'invention et telle que décrite en liaison avec les figures 3a et 3b.
  • Pour réaliser une antenne plane, il suffit alors d'équiper, chaque guide d'onde PPWP1, PPWP2, PPWP3, PPWP4 de l'étage inférieur du formateur de faisceaux, de plusieurs cornets rayonnants 43 d'alimentation et en sortie de la matrice de Butler 41, de coupler chaque guide d'onde PPW8, PPW7, PPW6, PPW5 de l'étage supérieur à un cornet longitudinal 44 de sortie couplé à une ouverture linéaire rayonnante s'étendant transversalement sur toute la largeur D du guide d'onde à plaques métalliques correspondant, comme représenté sur les figures 10a et 10b.
  • Pour un fonctionnement en double polarisation, par exemple circulaire, l'invention consiste à utiliser deux matrices de Butler identiques, respectivement dédiées à chaque polarisation, et empilées l'une au-dessus de l'autre comme représenté sur la figure 11 où chaque matrice de Butler comporte quatre guides d'onde A, B, C, D et A', B', C', D', en technologie guides d'onde à plaques parallèles PPW. Chaque matrice de Butler étant dédiée à l'une des deux polarisations, en sortie du formateur de faisceau, les guides d'onde PPW fonctionnant dans une même polarisation sont adjacents les uns aux autres. Or, pour réaliser une antenne à double polarisation circulaire, il est nécessaire d'alimenter des éléments rayonnants de sortie en double polarisation circulaire par l'intermédiaire de transducteurs orthomodes OMT. Il est donc nécessaire, en sortie des matrice de Butler, de regrouper deux à deux, des guides d'onde de polarisation différentes. Pour cela, en sortie des deux matrices de Butler, l'invention consiste en outre, à croiser successivement des guides d'onde adjacents choisis pour regrouper deux à deux, les guides d'onde de polarisations différentes. Les croisements sont réalisés par des métasurfaces intégrées dans les plaques métalliques communes à deux guides d'onde adjacents à croiser, comme expliqué en liaison avec la figure 3b. Ainsi, dans l'exemple de la figure 11, un premier croisement est réalisé entre les guides d'onde D et A' par une métasurface intégrée dans la cinquième plaque métallique 5. Puis deux croisements successifs sont respectivement réalisés entre les guides d'onde D et C et entre les guides d'onde B et C par des métasurfaces correspondantes intégrées dans les quatrième et troisième plaques métalliques 4, 3. De même symétriquement, deux croisements successifs sont respectivement réalisés entre les guides d'onde A' et B' et B' et C' par des métasurfaces correspondantes intégrées dans les plaques 6, 7. Les différents croisement réalisés, permettent en sortie des deux matrices de Butler, de regrouper les guides d'onde A et A', les guides d'onde B et B', les guides d'onde C et C' et les guides d'onde D et D'. Le nombre de guides d'onde de chaque matrice de Butler n'est pas limité à quatre mais doit être égal à une puissance de deux.
  • 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 (14)

  1. Matrice de Butler compacte comportant N guides d'onde, où N est un nombre entier supérieur à trois et choisi parmi les puissances de deux, des coupleurs (22a, 22b, 22c, 22d) destinés à coupler deux guides d'onde adjacents, des déphaseurs (23a, 23b) et au moins un dispositif de croisement (24) apte à croiser deux guides d'onde adjacents, le dispositif de croisement (24) comportant deux coupleurs connectés en série, la matrice de Butler étant caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une structure multicouches planaire comportant N+1 plaques métalliques (20) parallèles entre elles, empilées les unes au-dessus des autres, et régulièrement espacées les unes des autres, chaque espace entre deux plaques métalliques consécutives formant un guide d'onde à plaques parallèles (PPW1, PPW2, PPW3, PPW4) ayant deux parois opposées, respectivement supérieure et inférieure, constituées par les deux plaques métalliques consécutives, deux guides d'onde à plaques métalliques adjacents comportant une paroi commune constituée par l'une des plaques métalliques, et en ce que les coupleurs (22a, 22b, 22c, 22d), les déphaseurs (23a, 23b) et le dispositif de croisement (24) sont constitués par des métasurfaces intégrées localement dans les parois (20) respectives des guides d'onde à coupler, à croiser et à déphaser.
  2. Matrice de Butler selon la revendication 1, caractérisée en ce que les métasurfaces constituant chaque coupleur (22a, 22b, 22c, 22d) et le dispositif de croisement (24) entre deux guides d'onde adjacents (PPW1, PPW2), (PPW2, PPW3), (PPW3, PPW4) sont constituées d'un support métallisé (26) muni d'une pluralité de trous traversants (25) régulièrement répartis dans une zone de couplage, respectivement une zone de croisement, de la paroi commune aux deux guides d'onde adjacents correspondants, la zone de croisement étant constituée de deux zones de couplage disposées en cascade l'une derrière l'autre.
  3. Matrice de Butler selon la revendication 2, caractérisée en ce que les métasurfaces constituant chaque déphaseur (23a, 23b) intégré dans un guide d'onde (PPW1), (PPW4) sont constituées de corrugations aménagées dans une zone de déphasage, sur les deux parois opposées du guide d'onde correspondant.
  4. Matrice de Butler selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque plaque métallique est constituée d'un revêtement métallique (33) déposé sur un substrat diélectrique (32) et en ce que chaque coupleur (22a, 22b, 22c, 22d) et le dispositif de croisement (24) entre deux guides d'ondes adjacents est constitué d'une pluralité de fentes gravées dans le revêtement métallique, les fentes étant régulièrement réparties dans toute la zone de couplage, respectivement dans toute la zone de croisement, la zone de croisement étant constituée de deux zones de couplage disposées en cascade l'une derrière l'autre.
  5. Matrice de Butler selon la revendication 4, caractérisée en ce que chaque déphaseur est constitué d'un ensemble de patchs métalliques (30) périodiquement photogravés sur le substrat diélectrique (32) des deux parois d'un guide d'onde à déphaser.
  6. Formateur de faisceaux planaire caractérisé en ce qu'il comporte au moins une matrice de Butler (41) selon l'une des revendications 1 à 5.
  7. Formateur de faisceau planaire selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte deux matrices de Butler différentes empilées l'une au-dessus de l'autre et respectivement dédiées à deux polarisations différentes orthogonales entre elles.
  8. Formateur de faisceaux planaire selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre N lentilles optiques (42) respectivement intégrées, en sortie de la matrice de Butler (41), dans les N guides d'onde délimités par les N+1 plaques métalliques parallèles.
  9. Formateur de faisceaux planaire selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre N lentilles optiques (42) respectivement intégrées, en entrée de la matrice de Butler (41), dans les N guides d'onde délimités par les N+1 plaques métalliques.
  10. Formateur de faisceaux planaire selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que chaque lentille optique (42) est une lentille d'épaisseur constante et à gradient d'indice.
  11. Formateur de faisceaux planaire selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte deux étages empilés, respectivement inférieur (50) et supérieur (51), chaque étage comportant un nombre identique de guides d'onde à plaques parallèles, la matrice de Butler (41) étant située à l'étage supérieur (51), chaque guide d'onde à plaques parallèles (PPW1, PPW2, PPW3, PPW4) de l'étage inférieur (50) étant connecté en série à un guide d'onde à plaques parallèles (PPW5, PPW6, PPW7, PPW8) de l'étage supérieur (51) par un guide d'onde intermédiaire respectif (PPWP1, PPWP2, PPWP3, PPWP4) comportant des plaques métalliques parallèles disposées orthogonalement au plan XOY des deux étages inférieur et supérieur, les plaques métalliques parallèles constituant les parois de chaque guide d'onde intermédiaire formant un réflecteur intégré dans le formateur de faisceaux.
  12. Antenne plane comportant au moins une matrice de Butler selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre M cornets rayonnants d'alimentation (43) connectés en entrée de chaque guide d'onde à plaques métalliques parallèles (20), soit M.N cornets rayonnants d'alimentation pour les N guides d'onde à plaques métalliques parallèles, où M est supérieur à 2, et N cornets rayonnants (44) de sortie respectivement connectés aux N guides d'onde à plaques métalliques parallèles.
  13. Antenne plane selon la revendication 12, caractérisée en ce que chaque cornet rayonnant (44) de sortie est un cornet longitudinal couplé à une ouverture linéaire rayonnante s'étendant transversalement sur toute la largeur du guide d'onde à plaques parallèles correspondant.
  14. Antenne plane selon la revendication 13, caractérisée en ce que les ouvertures linéaires rayonnantes sont orientées selon une direction perpendiculaire au plan des plaques parallèles (20) du guide d'onde à plaques parallèles correspondant.
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