EP3227960B1

EP3227960B1 - Antenne reseau multicouche du type auto-complementaire

Info

Publication number: EP3227960B1
Application number: EP15800865.6A
Authority: EP
Inventors: Isabelle LE ROY-NANEIX; Gwenael MORVAN; Michèle Labeyrie; Bernard Perpere
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2020-07-29
Anticipated expiration: 2035-11-26
Also published as: US10170829B2; FR3029693B1; US20170338553A1; FR3029693A1; WO2016087304A1; EP3227960A1

Description

La présente invention concerne une antenne réseau multicouche, du type auto-complémentaire. Elle s'applique notamment pour des antennes réseau large bande à multifonctions.
Différentes solutions existent pour réaliser des réseaux à large bande. Elles utilisent des éléments rayonnants compatibles d'architecture brique ou d'architecture tuile.
Dans l'architecture brique, le design de l'élément rayonnant est optimisé en tirant partie de sa profondeur impactant directement l'épaisseur du réseau. Des antennes réseau large bande sont constituées de réseau de type Vivaldi. Ces solutions présentent l'inconvénient d'être protubérantes et encombrantes, entraînant notamment une complexité d'intégration mécanique.
Une autre solution d'antenne large bande est décrite dans le document de A. Neto, D. Cavallo, G. Gerini and G. Toso, "Scanning Performances of Wide Band Connected Arrays in the Presence of a Backing Reflector", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 57, no. 10, Oct. 2009.
Un autre type d'antenne large bande est encore proposé dans le document de D.Cavallo, A. Neto, G. Gerini : Analysis of Common-Mode Résonances in Arrays of Connected Dipoles and Possible Solutions- EUCAP 2009 et dans le document de Steven S. Holland, Marinos N. Vouvakis- The Planar Ultrawideband Modular Antenna (PUMA) Array- IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 60, NO. 1, JANUARY 2012.
Toutes ces solutions ont comme inconvénient d'être encombrantes et difficiles à intégrer sur certains porteurs.
Dans le cadre des architectures tuile, une catégorie de solutions d'antennes réseau très large bande ont une structure rayonnante à base de motifs auto-complémentaires noyés dans un enrobage de couches diélectriques, permettant d'étendre la bande de fréquence.
Ces structures de type multicouche ont l'avantage de présenter un faible encombrement, facilitant leur intégration sur un porteur.
Elles présentent cependant un inconvénient résidant dans le phénomène de courants de mode commun qui peuvent apparaître dans ce type de structures multicouche.
Un document LOGAN JOHN et al : « Planar Ultrawideband Modular Antenna (PUMA) arrays scalable to mm-waves » 2013 IEEE ANTENNAS AND PROPAGATION SOCIETY INTERNATIONAL SYMPOSIUM (APSURSI), 7 juillet 2013, pages 624-625 divulgue une antenne réseau du type multicouche formée d'éléments rayonnants équipée d'un réseau de vias.
Un but de l'invention est notamment de permettre de supprimer ces phénomènes de mode commun dans une antenne de type multicouche comportant une structure rayonnante à base de motifs auto-complémentaires.
A cet effet, l'invention a pour objet une antenne réseau du type multicouche comportant une structure rayonnante formée d'un réseau d'éléments rayonnants composant des motifs auto-complémentaires, ladite surface rayonnante étant séparée d'un plan de masse par une couche diélectrique, ladite antenne comportant un réseau de vias métallisés traversant ladite couche diélectrique entre la surface rayonnante et le plan de masse, chaque via étant positionné en regard d'un point donné, dit point particulier, d'un élément rayonnant.
Dans un mode de réalisation possible chaque élément rayonnant comporte plusieurs points particuliers, un via étant réalisé en regard de chaque point particulier.
Un point particulier est par exemple situé entre deux points d'alimentation électrique consécutifs d'un élément rayonnant, que le point particulier est par exemple situé au milieu de deux points d'alimentation électrique consécutif. Dans un autre mode de réalisation possible, chaque élément rayonnant comporte quatre points particuliers, chaque point étant situé entre deux points d'alimentation électrique consécutifs.
Les vias sont par exemple des trous métallisés réalisés dans ladite couche. Dans un autre mode de réalisation possible, ils ont la forme de picots.
La structure rayonnante est par exemple du type circuit imprimé, les éléments rayonnants étant des pavés métalliques imprimés.
La structure rayonnante est par exemple recouverte d'une couche diélectrique, ladite couche étant recouverte d'un radôme.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent :

La figure 1, une illustration d'une structure rayonnante à base de motifs auto-complémentaires ;
La figure 2, par une vue en coupe une antenne comportant une structure rayonnante selon la figure 1,
Les figures 3a et 3b, une illustration du phénomène de résonnance de mode commun susceptible de se produire dans une antenne ;
La figure 4, une courbe représentative de la dégradation du coefficient de réflexion provoqué par le phénomène précité ;
La figure 5, un exemple de réalisation d'une antenne selon l'invention par une vue de dessus d'un élément rayonnant ;
La figure 6, un exemple de réalisation d'une antenne selon l'invention par une vue en coupe partielle ;
La figure 7, un exemple de courbe représentative du coefficient de réflexion d'une antenne selon l'invention.

La figure 1 présente à titre d'exemple une structure rayonnante à base de motifs auto-complémentaires par une vue partielle d'un réseau. Les motifs présentés utilisent des pavés métalliques imprimés 1, 2 de forme carrée, d'autres formes étant possibles. Une structure rayonnante auto-complémentaire est composée d'un réseau de motifs élémentaires 1, 2 de type dipôle dont chacun des deux pôles est un élément rayonnant, un pavé métallique 1, 2 imprimé de forme carrée dans l'exemple de la figure 1. Chaque motif est alimenté par des lignes bifilaires 10 dont les conducteurs sont connectés à la jonction des deux pavés d'un dipôle. Par exemple une ligne bifilaire 10 a sa première branche connectée à un point d'alimentation 14 d'un pavé et sa deuxième branche connectée à un point d'alimentation 14' du pavé voisin 2, les deux points 14, 14' étant en regard l'un de l'autre.
Chaque pavé 1, 2 comporte donc quatre points d'alimentation 11, 12, 13, 14 pour réaliser deux polarisations électromagnétiques orthogonales. La structure rayonnante est du type circuit imprimé, les pavés métalliques 1, 2 étant imprimés sur le circuit, les zones entre les pavés étant non métalliques. De façon connue, les lignes bifilaires ayant une impédance caractéristique de l'ordre de 190 ohms pour s'adapter à l'impédance des dipôles (60π ohms, soit la moitié de l'impédance du vide), sont reliées aux autres circuits hyperfréquence à l'aide d'un symétriseur, encore appelé balun, en technologie multicouche permettant ici d'une part la transformation d'impédance de 50 ohms en 190 ohms et d'autre part le passage d'une propagation équilibrée à une propagation non équilibrée.
La figure 2 présente par une vue en coupe une antenne comportant une structure rayonnante à base de motifs auto-complémentaires du type de celle présentée en figure 1. Plus particulièrement la figure 2 montre l'aspect multicouche d'une telle antenne. La structure multicouche est par exemple composée au moins de la structure rayonnante 21 avec les pavés métalliques 1, de couches isolantes 22, 23 et d'un plan métallique 24. Une couche en mousse 22 est par exemple placée entre le plan métallique et la structure rayonnante 21. Une couche en mousse 23 est par exemple placée au dessus de la structure rayonnante. Cette couche en mousse peut être remplacée par un espace rempli d'air. L'ensemble des couches 21, 22, 23, 24 est recouverte par un radôme 25 qui participe à la qualité du rayonnement.
L'ensemble des lignes bifilaires alimentant les motifs élémentaires ne sont pas représentés sur cette figure pour des raisons de lisibilité. Elles traversent par exemple la couche 22 et le plan métallique 24 pour être connectés à un ou plusieurs circuits de commande, par exemple de type circuit imprimé.
Les figures 3a et 3b illustrent les phénomènes de courants de mode commun propre aux structures à motifs auto-complémentaires. Ces figures présentent une vue focalisée sur deux pavés métalliques voisins 1, 2 alimentés par une ligne bifilaire 10. Plus précisément, un pavé 1 est alimenté électriquement en un point 14 par une branche 101 de la ligne 10 et l'autre pavé 2 est alimenté en un point 14' par l'autre branche 102 de la ligne. Cette dernière traverse l'isolant 22 supportant les pavés, puis traverse les autres couches non représentées.
La figure 3a présente les courants 31, 32 traversant les pavés, induits par l'alimentation amenée par la ligne bifilaire 10. Ces courants se déplacent dans une même direction, correspondant à un fonctionnement idéal.
La figure 3b illustre les courants de mode commun 33, 34 qui se superposent aux courants précédents 31, 32. Ces courants de mode commun sont provoqués par les couplages électromagnétiques entre les pavés métalliques équipés de leurs excitations bifilaires. Les courants de mode commun 33, 34 sont opposés. Leur superposition aux courants nominaux 31, 32 perturbe le rayonnement de la structure rayonnante 21.
La figure 4 illustre les effets de ces phénomènes de type résonnance de mode commun. Plus particulièrement la figure 4 illustre par une courbe 40 la valeur en dB du coefficient de réflexion S11 en fonction de la fréquence, entre 6 GHz et 18 GHz. Le coefficient S11 est relié au taux d'onde stationnaire.
Ce phénomène de résonnance de mode commun se traduit par une augmentation du coefficient de réflexion proche de 1 à certaines fréquences, illustrée par des pics 41, 42. L'ampleur de l'augmentation du coefficient de réflexion et les fréquences correspondantes dépendent notamment du type de la nature du réseau, et en particulier du type de maille.
L'analyse des champs dans la structure multicouche de l'antenne met en évidence par ailleurs l'apparition d'un champ Ez, perpendiculaire à la surface, qui se propage dans la structure multicouche.
La figure 5 illustre le principe de l'invention par un exemple de réalisation. Selon l'invention, on insère des vias métallisés en des points donnés 51, 52, 53, 54 dans la couche 22 séparant les éléments rayonnants 1 et le plan de masse, afin de réduire, voire d'éliminer le couplage entre les éléments rayonnant provoquant le mode parasite décrit ci-dessus.
La figure 5 illustre la position de ces points donnés que l'on appellera par la suite points particuliers. Ces points particuliers appartiennent aux éléments rayonnants, c'est-à-dire que les vias sont disposés en regard des éléments rayonnants. La figure 5 illustre des exemples de positions des points particuliers pour un pavé métallique, les positions étant les mêmes pour tous les autres pavés métalliques.
Une position avantageuse est située entre les points d'alimentation 11, 12, 13, 14 en dehors de la zone centrale du pavé. Une position particulièrement avantageuse est située au milieu de deux points du côté du pavé comme illustré par la figure 5. De façon plus générale, un point particulier 54 est situé par exemple entre deux points d'alimentation consécutifs 11, 12. Deux points d'alimentation 11, 12 d'un élément rayonnant 1 sont consécutifs s'ils se suivent en parcourant le tour de cet élément. En pratique si la forme de l'élément le permet, les points particuliers peuvent être situés sur une droite reliant deux points consécutif, et notamment au milieu, comme illustré par la figure 5.
Dans l'exemple de cette figure 5, les vias sont placés en quatre points 51, 52, 53, 54 situés chacun au milieu de points d'alimentation du pavé.
Les vias sont réalisés ainsi en regard de chaque élément rayonnant de la surface rayonnante 21.
La figure 6 illustre par une vue en coupe, les vias 61, 62, 63 reliant un pavé métallique 1 et le plan de masse, ou plan métallique 24. En réalisant ces vias pour chaque pavé on obtient un maillage régulier de vias 61, 62, 63, 64, 65 bloquant en partie ou totalement le passage des courants de mode commun. On obtient ainsi un réseau de vias métallisés traversant la couche 22, en matériau diélectrique, dans une direction perpendiculaire à la surface rayonnante, les vias étant positionnés en regard des points particuliers 51, 52, 53, 54.
Dans l'exemple des figures 5 et 6, un seul via est disposé entre les points d'alimentation. En cas de nécessité, il est possible de placer plusieurs vias entre deux points d'alimentation, notamment en fonction de la nature du phénomène de mode commun.
Dans le cas où les éléments rayonnants n'ont pas la forme de pavé carrés comme illustré par les figures, les points particuliers d'insertion des vias peuvent être placés entre les points d'alimentation des éléments rayonnants, en dehors de la zone centrale.
Pour réaliser les vias 61, 62, 63, 64, 65 on peut utiliser entre les éléments rayonnants 1 et le plan de masse 24 un matériau diélectrique de faible permittivité permettant de réaliser des vias métallisés, éventuellement percés. On peut aussi utiliser des mousses aptes à être métallisées.
Dans un autre mode de réalisation, dans le cas notamment où les lignes bifilaires sont formées de picots, on peut ajouter des picots supplémentaires aux lignes bifilaires, en particulier dans des modes de réalisation de l'antenne où la couche 22 située entre les éléments rayonnant et le plan de masse est une mousse de faible densité, non apte à être métallisée.
La figure 7 illustre l'amélioration apportée par le réseau de vias, dans le cas où les vias sont installés selon le mode de réalisation de la figure 5. Comme sur la figure 4, on représente le coefficient de réflexion S11 en fonction de la fréquence dans la même plage, entre 6 et 16 GHz. La courbe 40 représentant la valeur du coefficient de réflexion ne présente plus les pics 41, 42 de la courbe 40 de la figure 4. Les points 71, 72 de la courbe correspondant aux fréquences des pics 41, 42 sont fortement atténués, les pics élevés ayant disparus. Par le passage de la première courbe 40 à la deuxième courbe 70, on constate une nette amélioration des performances de la surface rayonnante 21, au niveau du coefficient de réflexion, en fonction de la fréquence, sous incidence de 20 degrés dans l'exemple d'application.

Claims

Antenne réseau du type multicouche comportant une structure rayonnante (21) formée d'un réseau d'éléments rayonnants (1, 2) composant des motifs auto-complémentaires, chaque élément rayonnant comportant quatre points d'alimentation électrique (11, 12, 13, 14), ladite surface rayonnante étant séparée d'un plan de masse (24) par une couche diélectrique (22), caractérisée en ce que ladite antenne comporte un réseau de vias métallisés (61, 62, 63, 64, 65) traversant ladite couche diélectrique (22) entre la surface rayonnante (21) et le plan de masse (24), chaque via étant positionné en regard d'un point donné (51,52, 53, 54), dit point particulier, d'un élément rayonnant,chaque point particulier étant situé entre deux points d'alimentation électriques consécutifs, deux point d'alimentation consécutifs (11, 12) se suivant dans le parcours du tour d'un élément rayonnant.
Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque point particulier est situé au milieu de deux points d'alimentation électrique (11, 12) consécutifs.
Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les vias sont des trous métallisés réalisés dans ladite couche (22).
Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisée en ce que les vias ont la forme de picots.
Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la structure rayonnante (21) est du type circuit imprimé, les éléments rayonnants étant des pavés métalliques imprimés.
Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la structure rayonnante est recouverte d'une couche diélectrique (23), ladite couche (23) étant recouverte d'un radôme (45).
Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est apte à fonctionner dans une large bande de fréquences, pour des applications multifonctions.