EP3664214A1

EP3664214A1 - Eléments rayonnants à accès multiples

Info

Publication number: EP3664214A1
Application number: EP19212776.9A
Authority: EP
Inventors: Jean-Philippe Fraysse; Charalampos STOUMPOS; Hervé Legay; Ségolène TUBAU
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2018-12-03
Filing date: 2019-12-02
Publication date: 2020-06-10
Anticipated expiration: 2039-12-02
Also published as: ES2952243T3; EP3664214C0; EP3664214B1; US20200176878A1; FR3089358B1; FR3089358A1; US11444384B2; CA3063463A1

Abstract

Elément rayonnant (700) comprenant au moins deux guides d'alimentation et un cornet commun (703) à au moins deux guides d'alimentation et ayant une interface d'excitation (704), chaque guide d'alimentation comprenant un guide d'accès (701,711) et un guide d'excitation (702,712) connecté au guide d'accès (701,711) par une interface d'accès et connecté au cornet commun (703) par l'interface d'excitation (704), chaque guide d'excitation (702,712) étant évasé dans le sens de l'interface d'accès vers l'interface d'excitation (704), chaque guide d'excitation (702,712) étant dépourvu d'axe de symétrie, les deux guides d'alimentation étant disposés symétriquement l'un par rapport à l'autre.

Description

L'invention concerne le domaine général des antennes, notamment les antennes satellites, en particulier les antennes actives, les antennes réseaux ou les antennes multifaisceaux. De telles antennes comprennent plusieurs éléments rayonnants, l'invention porte plus précisément sur des éléments rayonnants à accès multiples compacts et à haute efficacité de rayonnement.
Une antenne réseau est constituée d'éléments rayonnants qui doivent respecter certaines caractéristiques. Ils doivent notamment présenter une surface rayonnante dont les dimensions maximales dépendent de la fréquence de fonctionnement et de l'écartement angulaire souhaité entre le lobe principal généré par l'antenne et ses lobes de réseau. En tenant compte de ces contraintes dimensionnelles, ils doivent présenter l'efficacité de surface maximale, c'est à dire proche de 100%. L'efficacité de surface caractérise le coefficient entre la directivité de l'élément rayonnant et celle qui serait obtenue par une ouverture rayonnante occupant l'espace alloué à l'élément rayonnant, et sur laquelle une distribution uniforme du champ électrique est imposée. Maximiser l'efficacité de surface des éléments rayonnants permet d'optimiser le gain de l'antenne réseau et de réduire les niveaux des lobes secondaires et des lobes de réseau.
En respectant ces contraintes, pour une surface d'antenne donnée le gain sera maximisé, et il sera ainsi possible de minimiser la puissance des amplificateurs des antennes d'émission ou de maximiser le rapport G/T des antennes de réception.
Les éléments rayonnants doivent en outre avoir un faible encombrement et une faible masse et/ou la capacité à être excité de manière compacte en simple ou bi-polarisation et une bande passante compatible avec l'application visée.
Ainsi, un problème général que cherche à résoudre l'invention consiste à concevoir des éléments rayonnants qui permettent d'obtenir en sortie de l'ouverture rayonnante un champ électrique le plus uniforme possible tout en respectant les contraintes de dimensionnement imposées. En particulier, chaque élément de rayonnement doit être compact et présenter un profil court.
Différentes solutions existent dans l'état de l'art pour concevoir des éléments rayonnants pour des antennes satellite. Généralement, elles utilisent toutes des structures métalliques afin de minimiser les pertes d'insertion.
La figure 1 schématise un premier exemple d'élément rayonnant 100 selon l'art antérieur. L'élément rayonnant de la figure 1 comprend un premier guide d'onde d'accès 101 et un second guide d'onde 102 en forme de cornet évasé vers l'ouverture rayonnante. Sur l'exemple de la figure 1, la section du cornet est de forme carrée. Ce type d'élément rayonnant connu permet d'assurer une transition douce entre le signal guidé via le guide d'accès 101 et le signal rayonné en sortie du cornet 102.
L'élément rayonnant 100 de la figure 1 présente cependant l'inconvénient d'une faible efficacité de rayonnement car il ne permet pas d'obtenir un champ électrique uniformément réparti sur son ouverture. En effet, la structure du cornet 102 ne favorise que la propagation du mode fondamental de l'onde excitée au niveau du guide d'accès 101.
La figure 2 représente schématiquement une vue en coupe de profil de l'élément rayonnant 100. La courbe 103 schématise la distribution de la densité du champ électrique rayonné à l'ouverture du cornet 102. Comme indiqué sur la figure 2, le maximum d'énergie du champ électrique rayonné est atteint au centre de l'ouverture tandis que l'énergie décroit progressivement du centre vers les bords de l'ouverture.
Afin de tenter d'obtenir une répartition du champ électrique plus homogène sur l'ouverture de l'élément rayonnant, le profil du cornet peut être modifié de la façon décrite sur l'exemple de la figure 3. Sur cet exemple, le cornet 302 n'a plus un profil linéaire droit mais un profil ondulé ou profil dit « spline ». Un tel profil consiste à réaliser des ondulations sur la paroi du cornet 302 afin d'exciter et de contrôler la propagation de modes supérieurs de l'onde rayonnée à l'intérieur du cornet. Cet exemple est décrit dans la publication (1). Grâce à ce type de profil, une combinaison adéquate des différents modes de propagation de l'onde est obtenue sur l'ouverture rayonnante du cornet 302 ce qui conduit à une répartition plus homogène du champ électrique 303 tel que schématisé sur la figure 3. Cependant, la répartition du champ électrique n'est toujours pas uniforme car l'énergie décroit, sur cet exemple imagé, vers le centre de l'ouverture. Dans d'autres variantes de réalisation de ce type de cornet, le champ électrique peut présenter plus de deux maxima d'énergie mais dans tous les cas la répartition du champ électrique n'est pas uniforme.
La figure 4 schématise un autre exemple d'élément rayonnant 400 tel que décrit dans la publication (2). Dans cet exemple, on utilise un réseau de cornets ayant chacun une petite ouverture dans le but d'obtenir une meilleure efficacité de rayonnement globale pour l'ouverture rayonnante de l'antenne. L'élément rayonnant 400 est ainsi constitué de plusieurs sous-éléments comprenant chacun un guide d'accès 401,411 et un cornet 402,412 du type décrit à la figure 1. Un répartiteur de puissance 404 assure l'alimentation uniforme et en phase des différents sous-éléments du réseau. La distribution 403 de la densité du champ électrique rayonné à l'ouverture du réseau de cornets n'est pas non plus uniforme. Elle présente notamment un minima proche de 0 au centre de la répartition.
La solution de la figure 4 présente l'avantage d'utiliser des sous-éléments rayonnants de petite ouverture et qui présentent donc une longueur nettement inférieure à celle d'un élément rayonnant du type de la figure 1. Cette solution permet ainsi de développer des éléments rayonnants compacts. Toutefois, elle ne permet pas d'obtenir une répartition uniforme du champ électrique sur l'ouverture rayonnante car, comme schématisé par la courbe 403 sur la figure 4, le champ électrique tangentiel s'annule sur les parois métalliques de cet élément rayonnant, et des minimums de niveau du champ électrique sont identifiés entre les différents cornets 402,412 ce qui pénalise l'efficacité de rayonnement globale. Un autre inconvénient de la solution de la figure 4 est qu'elle nécessite l'utilisation d'un répartiteur de puissance 404 connecté aux sous-éléments rayonnants pour les alimenter en phase. Le répartiteur 404 doit respecter la maille de l'antenne et être très compact afin de ne pas pénaliser le profil global de l'antenne.
La figure 5 schématise encore un autre exemple d'élément rayonnant 500 tel que décrit dans le brevet américain US6211838 . Cette solution consiste en un réseau d'ouverture rayonnante alimenté par un répartiteur de puissance intégré dans le cornet 502 au fur et à mesure que celui-ci s'évase. Cette solution présente une efficacité de rayonnement comparable à celle de l'exemple de la figure 4 avec le même inconvénient de minima de niveau du champ électrique entre les différentes ouvertures tel qu'illustré par la courbe de champ électrique 503.
La figure 6 schématise encore un autre exemple d'élément rayonnant 600 décrit dans la demande de brevet français FR3012917 . Dans cet exemple, l'élément rayonnant 600 est constitué de plusieurs cavités Fabry-Pérot 603,613,604 qui sont superposées, l'ensemble étant alimenté par plusieurs guides d'accès 602,612. Chaque cavité Fabry-Pérot 603,613,604 est une cavité métallique refermée par une grille 606,616,626 qui est configurée pour réfléchir une partie du signal injecté au centre de la cavité vers sa périphérie. Cette approche permet d'obtenir une meilleure efficacité de rayonnement en surface que les solutions décrites précédemment, comme illustré par la courbe de champ électrique 605. Toutefois, elle présente l'inconvénient d'être difficile à appliquer sur une large bande de fréquence tout en garantissant une bonne adaptation aux accès.
Aucune des solutions de l'état de l'art ne permet d'obtenir une densité de champ électrique réellement uniforme en sortie de cornet tout en conservant une compacité nécessaire pour des applications d'antennes actives.
L'invention propose un nouveau type d'élément rayonnant qui s'appuie sur l'excitation d'une seule ouverture rayonnante par plusieurs accès. Contrairement à un réseau d'éléments rayonnants connu, l'élément rayonnant proposé comprend un cornet commun à tous les accès qui sont couplés au cornet commun au niveau d'une interface d'excitation et par l'intermédiaire de guides d'excitation.
L'utilisation d'un cornet commun à plusieurs accès permet de favoriser l'excitation des modes supérieurs de l'onde sur la surface rayonnante contrairement à un réseau d'élément rayonnant classique. Afin de contrôler, les niveaux d'excitation et de combinaison des différents modes de propagation de l'onde sur l'ouverture rayonnante, les guides d'excitations fonctionnent également sur plusieurs modes. L'excitation et le contrôle de ces modes dans les guides d'excitation sont obtenus notamment grâce à leur dissymétrie.
L'association de l'excitation en plusieurs points d'un élément rayonnant (permettant naturellement une répartition plus homogène du champ électrique) aux nombreux paramètres d'optimisation apportés par la solution proposée permet de contrôler plus efficacement la combinaison des différents modes de propagation en sortie de l'ouverture rayonnante sur une distance plus réduite dans l'axe de propagation du signal que les solutions connues. Il s'ensuit que la solution proposée permet de développer des éléments rayonnants qui sont à la fois très efficaces et très compacts.
L'invention a pour objet un élément rayonnant comprenant au moins deux guides d'alimentation et un cornet commun à au moins deux guides d'alimentation et ayant une interface d'excitation, chaque guide d'alimentation comprenant un guide d'accès et un guide d'excitation connecté au guide d'accès par une interface d'accès et connecté au cornet commun par l'interface d'excitation, chaque guide d'excitation étant évasé dans le sens de l'interface d'accès vers l'interface d'excitation, chaque guide d'excitation étant dépourvu d'axe de symétrie, les deux guides d'alimentation étant identiques et disposés symétriquement l'un par rapport à l'autre par rapport à un plan de symétrie de l'élément rayonnant, et le profil d'évasement de chaque guide d'excitation est configuré de manière à contrôler, en amplitude et en phase, les modes de propagation d'une onde rayonnante propagée depuis chaque guide d'accès jusqu'à la sortie du cornet, pour que le champ électrique obtenu en sortie du cornet soit sensiblement uniforme.
Selon un aspect particulier de l'invention, le profil d'évasement de chaque guide d'excitation est configuré de manière à favoriser la propagation d'un mode de propagation fondamental et d'un mode de propagation supérieur d'ordre deux dans le guide d'excitation.
Selon un aspect particulier de l'invention, le profil d'évasement de chaque guide d'excitation est configuré de manière à favoriser la propagation, dans le cornet, de plusieurs modes de propagation d'ordres impairs, à partir du mode de propagation fondamental et du mode de propagation supérieur d'ordre deux propagés dans chaque guide d'excitation.
Selon un aspect particulier de l'invention, le profil d'évasement de chaque guide d'excitation est configuré de manière à contrôler l'amplitude et la phase de chaque mode de propagation propagé dans le cornet pour que le champ électrique résultant de la combinaison de l'ensemble des modes de propagation propagés dans le cornet soit uniforme en sortie du cornet.
Selon une variante particulière, l'élément rayonnant selon l'invention comprend au moins quatre guides d'alimentation, le cornet étant commun à quatre guides d'alimentation, les quatre guides d'alimentation étant disposés symétriquement entre eux par rapport à deux plans de symétrie orthogonaux.
Selon un aspect particulier de l'invention, chaque guide d'alimentation est configuré de sorte que l'axe longitudinal d'un guide d'accès soit décentré par rapport au centre de l'ouverture du guide d'excitation connectée à l'interface d'excitation.
Selon une variante particulière, l'élément rayonnant selon l'invention comprend en outre un répartiteur de puissance pour exciter en phase les guides d'accès.
Selon un aspect particulier de l'invention, une section transversale du guide d'excitation est de forme carrée, rectangulaire ou circulaire.
Selon un aspect particulier de l'invention, l'élément rayonnant présente un fonctionnement en mono-polarisation ou en bi-polarisation.
Selon un aspect particulier de l'invention, chaque guide d'excitation présente un profil d'évasement continu ou discontinu.
Selon un aspect particulier de l'invention, le cornet commun est axisymétrique.
Selon un aspect particulier de l'invention, chaque guide d'excitation présente un profil évasé sur un premier plan et un profil invariant sur un second plan orthogonal au premier plan.
L'invention a aussi pour objet un dispositif rayonnant comprenant au moins quatre éléments rayonnants selon l'une des revendications précédentes et un cornet secondaire commun aux quatre éléments rayonnants et connecté via une interface d'entrée aux ouvertures des cornets respectifs de chaque élément rayonnant.
L'invention a aussi pour objet une antenne comprenant une pluralité d'éléments rayonnants ou une pluralité de dispositifs rayonnants selon l'invention.
Les dessins annexés illustrent l'invention :

[Fig.1] la figure 1 représente un premier exemple d'élément rayonnant selon l'art antérieur,
[Fig.2] la figure 2 représente un deuxième exemple d'élément rayonnant selon l'art antérieur,
[Fig.3] la figure 3 représente un troisième exemple d'élément rayonnant selon l'art antérieur,
[Fig.4] la figure 4 représente un quatrième exemple d'élément rayonnant selon l'art antérieur,
[Fig.5] la figure 5 représente un cinquième exemple d'élément rayonnant selon l'art antérieur,
[Fig.6] la figure 6 représente un sixième exemple d'élément rayonnant selon l'art antérieur,
[Fig.7] la figure 7 représente une vue de profil schématique d'un exemple d'un élément antennaire selon un mode de réalisation de l'invention,
[Fig.8] la figure 8 représente une vue de profil schématique d'un guide d'alimentation d'un élément antennaire selon un mode de réalisation de l'invention,
[Fig.9] la figure 9 représente une vue en perspective d'un élément antennaire selon un mode de réalisation de l'invention,
[Fig. 10] la figure 10 représente une vue schématique d'un champ électrique uniforme sur l'ouverture rayonnante de l'élément antennaire de la figure 9,
[Fig. 11] la figure 11 représente une vue schématique d'un champ électrique résultant uniquement de la propagation d'un mode fondamental TE₁₀,
[Fig.12] la figure 12 représente une vue schématique d'une combinaison souhaitée des composantes des modes TE₁₀, TE₃₀ et TE₅₀ pour obtenir un champ électrique sensiblement uniforme,
[Fig.13] la figure 13 représente une vue schématique des composantes d'un mode fondamental du champ électrique générés dans les guides d'accès de l'élément antennaire,
[Fig. 14] la figure 14 représente une vue schématique des composantes d'un mode d'ordre deux du champ électrique générés dans les guides d'excitation de l'élément antennaire,
[Fig. 15] la figure 15 représente une variante de réalisation de l'élément antennaire décrit à la figure 7,
[Fig. 16] la figure 16 représente une vue en perspective d'une autre variante de réalisation de l'élément antennaire décrit aux figures 7 et 9,
[Fig. 17] la figure 17 représente une vue schématique des composantes d'un mode fondamental du champ électrique générés dans un guide d'accès de section carrée,
[Fig. 18] la figure 18 représente une vue en perspective d'encore une autre variante de réalisation de l'invention,
[Fig. 19] la figure 19 représente une vue en perspective d'encore une autre variante de réalisation de l'invention,
[Fig. 20] la figure 20 représente une vue de profil de la variante de réalisation de la figure 19,
[Fig. 21] la figure 21 représente un autre mode de réalisation de l'invention intégrant un répartiteur de puissance,
[Fig. 22] la figure 22 représente une variante de réalisation de l'élément antennaire de la figure 21,
[Fig. 23] la figure 23 représente encore une autre variante de réalisation de l'élément antennaire de la figure 22.
La figure 7 représente un schéma, en vue de profil selon une coupe longitudinale, d'un exemple d'élément antennaire selon un premier mode de réalisation de l'invention.

Dans ce premier mode de réalisation, l'élément antennaire 700 comprend deux guides d'alimentation couplés à un cornet commun 703 via une interface d'excitation 704. Le cornet commun 703 est, par exemple, un cornet axisymétrique de section carrée ou rectangulaire ou circulaire, le choix de la section étant fait en fonction des contraintes de dimensionnement du réseau d'éléments antennaires, en particulier la maille du réseau. Chaque guide d'alimentation comprend un guide d'accès 701,711 couplé à un guide d'excitation 702,712. Les guides d'accès et les guides d'excitation sont, par exemple, réalisés en technologie guide d'ondes. Chaque guide d'excitation est évasé dans le sens du guide d'accès vers l'interface d'excitation 704. Comme cela sera explicité plus en détail par la suite, une caractéristique importante de l'élément antennaire est que chaque guide d'excitation est dépourvu d'axe de symétrie, en particulier sa section longitudinale (telle que représentée sur la figure 7) est asymétrique. Par ailleurs, les deux guides d'alimentation sont identiques et disposés symétriquement l'un par rapport à l'autre par rapport à un plan de symétrie 706 et couplés à l'interface d'excitation 704 tel qu'illustré sur la figure 7. Les guides d'accès 701,711 sont, par exemple, des guides de section carrée ou rectangulaire ou circulaire avec un profil droit. Les guides d'excitation 702,712 peuvent comporter, de même, un profil carré, rectangulaire ou circulaire mais ils présentent un profil d'évasement asymétrique. Le profil d'évasement d'un guide d'excitation est dimensionné de manière à exciter et contrôler efficacement une combinaison des modes de propagation de l'onde en sortie de l'ouverture rayonnante 705 du cornet commun 703.
La figure 8 schématise une vue de profil d'un guide d'alimentation 800 identique à l'un des guides d'alimentation décrits à la figure 7. Le guide d'alimentation 800 présente la particularité d'avoir un profil dissymétrique. Plus précisément, l'axe 806 de symétrie du guide d'accès 801 est décentré par rapport à l'axe 805 passant par le centre de l'ouverture 804 du guide d'excitation 802, l'axe 805 étant orthogonal à l'interface d'excitation. Autrement dit, l'axe 806 de symétrie du guide d'accès 801 coupe la surface définie par l'ouverture 804 du guide d'excitation en un point qui n'est pas le centre de la surface. Par profil dissymétrique, on entend également que le guide d'excitation 802 ne présente aucun axe de symétrie orthogonale, à la différence des cornets habituellement utilisés dans les solutions connues. Autrement dit, une section longitudinale d'un guide d'excitation (telle que représentée à la figure 8) ne présente aucun axe de symétrie dans le sens de la longueur. En particulier l'axe 805 n'est pas un axe de symétrie puisque les profils d'évasement des deux côtés de l'axe 805 ne sont pas identiques. Le profil d'évasement d'un guide d'excitation peut être obtenu en fixant des valeurs croissantes pour les périmètres des sections transversales du guide selon des plans orthogonaux à la vue de la figure 8 et qui coupent l'axe 805 dans un sens croissant depuis le guide d'accès 801 vers l'interface d'excitation. La dissymétrie du guide d'excitation impose que les centres des sections transversales du guide d'excitation ne sont pas alignés sur une même droite perpendiculaire aux sections. Dans certaines variantes de réalisation, la section transversale du guide d'excitation peut présenter un périmètre variant avec des valeurs globalement croissantes dans le sens de l'axe 805 précité bien que localement le périmètre peut décroitre légèrement.
La figure 9 schématise une vue en perspective d'un premier exemple de réalisation de l'élément antennaire selon l'invention. Cet exemple est donné à titre illustratif et non limitatif afin d'expliquer la façon dont est déterminé le profil d'évasement d'un guide d'excitation. Dans cet exemple, les guides d'excitations 902,912 présentent un profil d'évasement selon un premier plan et un profil droit selon un second plan orthogonal au premier plan. Ainsi, l'ouverture rayonnante du cornet 903 est de forme rectangulaire de longueur a et de largeur b. Dans cet exemple, un guide d'excitation 902,912 est dépourvu d'axe de symétrie, c'est-à-dire qu'il ne présente pas d'invariance par rotation d'un angle de 180° bien qu'il présente un plan de symétrie parallèle au côté a.
Comme explicité en préambule, un objectif général de l'invention est d'obtenir, sur l'ouverture rayonnante 903 de l'élément rayonnant 900, une répartition uniforme du champ électrique de l'onde rayonnée.
On développe à présent, pour l'exemple particulier de la figure 9, comment l'agencement particulier de l'élément rayonnant, et en particulier la forme des guides d'excitation 902,912, permet de tendre vers une répartition uniforme du champ électrique sur l'ouverture rayonnante 903.
Dans l'exemple de la figure 9, la largeur b du cornet est inférieure à λ/2, avec À la longueur d'onde du signal. Avec cette configuration, seuls les modes de propagation transverses électrique TE_m0 sont propagés dans le cornet, c'est-à-dire les composantes du champ électrique qui sont parallèles au côté du cornet de largeur b. En effet, les modes de propagation TE_0n correspondant à des composantes du champ électrique parallèles au côté de longueur a ne peuvent se propager.
On rappelle que la longueur d'onde de coupure d'un mode de propagation TE_mn est donnée par la relation :
[Math. 1] ${(λ_{c})}_{mn} = \frac{2}{\sqrt{{(\frac{m}{a})}^{2} + {(\frac{n}{b})}^{2}}}$
La figure 10 représente, de façon schématique, l'ouverture rayonnante de l'élément antennaire de la figure 9 avec une répartition uniforme du champ électrique sur toute l'ouverture. Cette répartition uniforme est représentée par des flèches de même épaisseur qui traduisent des composantes transverses du champ électrique de même intensité. La figure 10 représente la répartition du champ électrique souhaitée sur l'ouverture rayonnante.
La figure 11 représente une répartition du champ électrique sur la même ouverture rayonnante mais cette fois en considérant que seul le mode fondamental TE₁₀ est propagé. Dans ce cas de figure, l'énergie du champ électrique présente un niveau plus important au centre de l'ouverture que sur les bords comme cela est représenté sur la figure 11 par le biais de flèches dont l'épaisseur, qui traduit l'intensité du champ électrique, décroit du centre vers les bords de l'ouverture, chaque flèche représentant une composante transverse du champ électrique. Ainsi, on voit qu'il n'est pas possible d'obtenir une répartition uniforme du champ électrique si seul le mode TE₁₀ se propage.
La figure 12 représente schématiquement une combinaison de plusieurs modes permettant d'obtenir une répartition sensiblement uniforme 1200 du champ électrique. Il s'agit de combiner en phase plusieurs modes TE_m0, avec m un entier impair, avec un ratio d'amplitude égal à 1/m entre le mode supérieur TE_m0, m étant au moins égal à 3, et le mode fondamental TE₁₀. Idéalement, pour arriver à un champ électrique strictement uniforme, il faudrait combiner une infinité de modes TE_m0, m étant impair et variant de 1 à l'infini. Cependant, chaque mode supérieur est associé à une longueur d'onde de coupure (λ_c)_mn décroissante (donnée par la relation (Eq.1)). Ainsi, les modes dont la longueur d'onde de coupure est supérieure à la longueur d'onde du signal ne peuvent se propager. Aussi, le nombre de modes pouvant se propager est limité par les dimensions (a,b) du cornet. Par exemple, pour une ouverture rectangulaire de longueur a= 2.6λ (avec À la longueur d'onde du signal), seuls les modes impairs avec m inférieur ou égal à 5 peuvent se propager. Ainsi, dans l'exemple de la figure 12, il faut combiner en phase les modes TE₁₀, TE₃₀ et TE₅₀ avec un ratio d'amplitude égal à 1/3 entre le mode supérieur d'ordre 3 et le mode fondamental et un ratio d'amplitude égal à 1/5 entre le mode supérieur d'ordre 5 et le mode fondamental. La figure 12 illustre, sur un schéma, la répartition des champs électriques des modes TE₁₀, TE₃₀ et TE₅₀ ainsi que le résultat 1200 de la combinaison précitée. Le sens des flèches donne l'orientation du champ électrique.
L'invention consiste, notamment, à générer et contrôler le niveau du mode fondamental et des modes supérieurs d'ordres impairs en sortie du cornet commun pour obtenir un champ électrique sensiblement uniforme 1200 sur l'ouverture rayonnante. Pour arriver à ce résultat, le cornet commun est excité par l'intermédiaire d'une interface d'excitation alimentée par plusieurs guides d'excitation qui favorisent chacun la propagation de plusieurs modes.
En reprenant l'exemple de la figure 7, on décrit à présent plus en détail le fonctionnement de la propagation des différents modes de propagation du champ électrique dans l'élément antennaire. Les guides d'accès 701,711 sont alimentés en phase via une source d'excitation (non représentée sur la figure 7). Les guides d'accès 701,711 sont dimensionnés de sorte que seuls les modes fondamentaux TE₁₀ se propagent dans les guides d'accès. Par exemple, les guides d'accès 701,711 sont des guides d'onde présentant une section rectangulaire et un profil droit, la section étant dimensionnée de telle manière que seuls les modes fondamentaux peuvent se propager. La figure 13 représente schématiquement les champs électriques correspondant aux modes fondamentaux TE_10,1, TE_10,2 respectivement observés en sortie du premier guide d'accès 701 et du second guide d'accès 711. Ces modes fondamentaux sont excités en phase.
L'évasement progressif des guides d'excitation 702,712 permet ensuite au mode supérieur d'ordre deux TE₂₀ de se propager. Ainsi, à partir des modes fondamentaux TE_10,1,TE_10,2 issus des guides d'accès 701,711, un mode fondamental TE₁₀ et un mode supérieur d'ordre deux TE₂₀, sont propagés dans chacun des guides d'excitation 702,712. La figure 14 représente schématiquement les champs électriques correspondant aux modes d'ordre deux TE_20,1,TE_20,2 générés dans les guides d'excitation 702,712. Les modes d'ordre deux TE_20,1,TE_20,2 sont excités en opposition de phase du fait du plan de symétrie 706 entre les deux guides d'excitation 702,712. La propagation des modes d'ordre deux dans les guides d'excitation 702,712 est favorisée par la forme dissymétrique des guides d'excitation et le désaxage entre un guide d'accès et l'ouverture d'un guide d'excitation (tel qu'illustré à la figure 8).
A partir des modes fondamentaux et d'ordre deux générés dans les guides d'excitation 702,712, une combinaison adéquate des modes d'ordre impair (dans le présent exemple, des modes fondamentaux, d'ordre trois et d'ordre cinq) est obtenue dans le cornet commun 703. En effet, les modes d'ordre pair (par exemple d'ordre deux ou quatre) ne peuvent pas être excités dans le cornet commun du fait de la symétrique d'excitation du cornet commun qui est liée à la symétrie de l'élément antennaire par rapport au plan 706. En effet, les modes d'ordre deux générés dans les guides d'excitation sont en opposition de phase et nécessitent une structure dissymétrique pour se propager. Naturellement, ils ne peuvent pas se propager dans le cornet commun 703.
Ainsi, chacun des modes TE_10,1, TE_10,2, TE_20,1, TE_20,2, générés dans les guides d'excitation 702,712 permet de générer des modes TE₁₀, TE₃₀, TE₅₀, dans le cornet commun 703 (du fait notamment de la section plus grande du cornet commun par rapport à la section d'un guide d'excitation).
Les niveaux des modes TE₁₀, TE₃₀, TE₅₀ générés dans le cornet 703 à partir uniquement des modes fondamentaux TE_10,1, TE_10,2 générés dans les guides d'excitation 702,712 ne permettent pas à eux seuls de respecter les rapports 1/3 et 1/5 entre ces différents modes pour obtenir un champ électrique uniforme.
Par contre, l'association contrôlée des modes TE₁₀, TE₃₀, TE₅₀ générés d'une part à partir des modes fondamentaux TE_10,1, TE_10,2 et des modes TE₁₀, TE₃₀, TE₅₀ générés d'autre part à partir des modes fondamentaux TE_20,1, TE_20,2, permet d'approcher les rapports d'amplitude souhaités entre les différents modes : |TE₃₀ |/|TE₁₀| = 1/3 et |TE₅₀|/|TE₁₀| = 1/5 et permet aussi un alignement en phase correct de ces différents modes.
Le contrôle des amplitudes et phase des modes TE₁₀, TE₃₀, TE₅₀ générés dans le cornet 703 à partir des modes TE₁₀, TE₂₀ générés dans les guides d'excitation 702,712 est obtenu par le profil d'évasement dissymétrique d'un guide d'excitation. Plus précisément, le profil d'évasement peut être obtenu par optimisation numérique au moyen d'un simulateur logiciel permettant de simuler la propagation des différents modes du champ électrique ainsi que leur phase et leur amplitude, en fonction du profil d'évasement. Ainsi, il est possible par optimisation de déterminer le profil d'évasement qui permet d'appliquer les combinaisons de modes décrites ci-dessus.
Le profil d'évasement d'un guide d'excitation peut être obtenu en déterminant, pour différents points de l'axe longitudinal du guide d'excitation, la dimension de la section du guide en ce point, cette dimension étant croissante avec l'évasement depuis le guide d'accès vers l'interface d'excitation avec le cornet commun.
Le profil d'évasement d'un guide d'excitation peut être obtenu pour un nombre discret de sections, résultant en un profil discontinu en forme de « marches » comme illustré sur la figure 7 ou la figure 9. Mais le profil peut aussi être continu comme illustré sur la figure 15 qui représente une variante de réalisation 1500 de l'élément antennaire décrit à la figure 7.
Dans l'exemple décrit à la figure 9 qui a servi de base aux explications ci-dessus, l'élément antennaire présente un profil évasé et dissymétrique uniquement sur un plan, avec un profil droit invariant sur l'autre plan perpendiculaire. Dans un autre mode de réalisation illustré à la figure 16, l'élément antennaire 1600 peut aussi présenter un profil évasé et dissymétrique sur les deux plans orthogonaux afin d'augmenter l'ouverture de rayonnement.
Dans l'exemple de la figure 9, la section d'un guide d'excitation est rectangulaire. Cependant, la section d'un guide d'excitation peut aussi être carrée ou circulaire permettant alors un fonctionnement de l'élément antennaire en bipolarisation. Dans ce cas, les guides d'excitation permettent de propager des modes transverses TE_0n en plus des modes transverses TE_m0 décrits précédemment pour le cas d'un guide de section rectangulaire. Autrement dit, le champ électrique peut se propager avec des modes dans les deux directions perpendiculaires comme cela est illustré à la figure 17 pour le cas des modes fondamentaux TE₁₀ et TE₀₁ et une section de guide d'onde carrée.
Selon une variante de l'invention, l'élément antennaire n'est pas limité à un fonctionnement à deux accès comme décrit jusqu'à présent. Il peut comprendre un nombre supérieur à deux de guides d'alimentation, préférentiellement un nombre égal à une puissance de deux.
Selon un mode de réalisation de l'invention décrit à la figure 18, l'élément antennaire 1800 peut comporter quatre guides d'alimentation 1801,1802,1803,1804, agencés symétriquement par rapport à deux plans de symétrie orthogonaux, et un cornet commun 1810. Chaque guide d'alimentation comprend un guide d'accès et un guide d'excitation dissymétrique. Un avantage à ce mode de réalisation est qu'il permet d'obtenir une ouverture rayonnante plus large.
La figure 19 décrit encore un autre mode de réalisation de l'élément antennaire 1900 comportant cette fois 16 guides d'alimentation disposés par groupes de quatre. Chaque groupe de quatre guides d'alimentation est agencé comme sur l'élément antennaire 1800 de la figure 19. Le cornet est commun aux huit guides d'alimentation permettant encore d'augmenter l'ouverture rayonnante.
Dans une variante de l'exemple de la figure 19, avantageuse pour un nombre important de guides d'alimentation, typiquement un nombre au moins égal à 16, le cornet commun peut être composé de plusieurs niveaux ou étages. Ce principe est illustré sur la figure 20 par une vue de profil d'un élément antennaire à seize guides d'alimentation. L'élément antennaire 2000 de la figure 20 comprend un cornet commun composé de cinq cornets élémentaires dont trois sont visibles sur la vue de profil de la figure 20. Quatre cornets élémentaires 2001,2002 sont positionnés au- dessus des quatre ensembles de quatre guides d'alimentation. Un autre cornet élémentaire 2003 est positionné au-dessus des quatre cornets 2001,2002 du premier niveau. Ainsi, le cornet 2003 du second niveau combine les quatre cornets 2001,2002 du premier niveau. Le principe décrit à la figure 20 peut être aisément étendu à des cornets agencés sur plus de deux niveaux. Par exemple, si l'élément antennaire comprend 16x4=64 guides d'alimentation, il peut comprendre trois niveaux de cornets, un premier niveau avec 16 cornets chacun étant commun à quatre guides d'alimentation, un second niveau avec 4 cornets et un troisième niveau avec un cornet.
Sans sortir du cadre de l'invention, d'autres agencements sont possibles, notamment concernant le nombre de guides d'alimentation ou d'accès par élément antennaire.
Comme explicité précédemment, pour obtenir un fonctionnement optimal de l'élément rayonnant à accès multiples selon l'invention, les guides d'accès doivent être excités en phase. Pour cela, un répartiteur de puissance peut être couplé aux entrées des guides d'accès.
La figure 21 représente un exemple d'élément antennaire 2100 à deux accès et fonctionnant en mono-polarisation. Pour cet exemple, l'excitation en phase des deux guides d'accès est réalisée au moyen d'un répartiteur de puissance 2101 qui comprend principalement une jonction plan H 2102 et des sections d'adaptation 2103 pour interfacer la jonction plan H avec d'une part les guides d'accès de l'élément antennaire et d'autre part la source d'excitation.
La figure 22 représente un autre exemple d'élément antennaire 2200 à quatre accès fonctionnant en bi-polarisation. Pour cet exemple, les quatre guides d'accès sont couplés à un répartiteur de puissance 2201 qui distribue à chaque guide d'accès une fraction de signal de chacune des deux polarisations avec la même amplitude et la même phase. Un exemple d'un répartiteur de puissance adapté pour remplir cette fonction est un répartiteur comprenant quatre transducteurs ortho-modes du type décrit dans la demande de brevet français du Demandeur déposée sous le numéro FR1700993 .
Dans les exemples décrits aux figures 21 et 22, le répartiteur de puissance est séparé de l'élément antennaire et ne permet pas de générer des modes de propagation d'ordre supérieur.
Dans un autre mode de réalisation décrit à la figure 23, le répartiteur de puissance est intégré à l'élément antennaire 2300. Autrement dit, les fonctions de répartition de puissance et d'excitation des modes de propagation sont réunies et assurées conjointement par un même dispositif en technologie guide d'ondes. Un avantage de ce mode de réalisation est qu'il permet d'ajouter encore des paramètres d'optimisation aux simulations permettant l'ajustement précis du profil de l'élément antennaire en vue d'obtenir un champ électrique uniforme sur l'ouverture rayonnante.

Références

(1) Design, manufacturing and test of a spline-profile square horn for focal array applications Isabelle Albert ; Maxime Romier ; Daniel Belot ; Jean-Pierre Adam; Pierrick Hamel, 2012 15 International Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetics, Year: 2012
(2) Multibeam antennas based on phased arrays: An overview on recent ESA developments; Giovanni Toso ; Piero Angeletti ; Cyril Mangenot; The 8th European Conférence on Antennas and Propagation (EuCAP 2014); Year: 2014

Claims

Elément rayonnant (700,800) comprenant au moins deux guides d'alimentation et un cornet commun (703) à au moins deux guides d'alimentation et ayant une interface d'excitation (704), chaque guide d'alimentation comprenant un guide d'accès (701,711,801) et un guide d'excitation (702,712,802) connecté au guide d'accès (701,711,801) par une interface d'accès et connecté au cornet commun (703) par l'interface d'excitation (704), chaque guide d'excitation (702,712,802) étant évasé dans le sens de l'interface d'accès vers l'interface d'excitation (704), chaque guide d'excitation (702,712,802) étant dépourvu d'axe de symétrie, les deux guides d'alimentation étant identiques et disposés symétriquement l'un par rapport à l'autre par rapport à un plan de symétrie de l'élément rayonnant,
Elément rayonnant (700,800) selon la revendication 1 dans lequel le profil d'évasement de chaque guide d'excitation (702,712,802) est configuré de manière à contrôler, en amplitude et en phase, les modes de propagation d'une onde rayonnante propagée depuis chaque guide d'accès (701,711,801) jusqu'à la sortie du cornet (703), pour que le champ électrique obtenu en sortie du cornet (703) soit sensiblement uniforme.
Elément rayonnant (700,800) selon l'une des revendications précédentes dans lequel le profil d'évasement de chaque guide d'excitation (702,712,802) est configuré de manière à favoriser la propagation d'un mode de propagation fondamental (TE₁₀) et d'un mode de propagation supérieur d'ordre deux (TE₂₀) dans le guide d'excitation (702,712,802).
Elément rayonnant (700,800) selon l'une des revendications précédentes dans lequel le profil d'évasement de chaque guide d'excitation (702,712,802) est configuré de manière à favoriser la propagation, dans le cornet (703), de plusieurs modes de propagation d'ordres impairs (TE₁₀,TE₃₀,TE₅₀), à partir du mode de propagation fondamental (TE₁₀) et du mode de propagation supérieur d'ordre deux (TE₂₀) propagés dans chaque guide d'excitation (702,712,802).
Elément rayonnant (700,800) selon la revendication 3 dans lequel le profil d'évasement de chaque guide d'excitation (702,712,802) est configuré de manière à contrôler l'amplitude et la phase de chaque mode de propagation (TE₁₀,TE₃₀,TE₅₀) propagé dans le cornet (703) pour que le champ électrique résultant de la combinaison de l'ensemble des modes de propagation (TE₁₀,TE₃₀,TE₅₀) propagés dans le cornet soit uniforme en sortie du cornet (703).
Elément rayonnant (1800,1900,2000) selon l'une des revendications précédentes comprenant au moins quatre guides d'alimentation, le cornet (1804) étant commun à quatre guides d'alimentation, les quatre guides d'alimentation étant disposés symétriquement entre eux par rapport à deux plans de symétrie orthogonaux.
Elément rayonnant (800) selon l'une des revendications précédentes dans lequel chaque guide d'alimentation est configuré de sorte que l'axe longitudinal (806) d'un guide d'accès (801) soit décentré par rapport au centre de l'ouverture (804) du guide d'excitation (802) connectée à l'interface d'excitation.
Elément rayonnant (2100,2200,2300) selon l'une des revendications précédentes comprenant en outre un répartiteur de puissance (2101,2201) pour exciter en phase les guides d'accès.
Elément rayonnant selon l'une des revendications précédentes dans lequel une section transversale du guide d'excitation est de forme carrée, rectangulaire ou circulaire.
Elément rayonnant selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'élément rayonnant présente un fonctionnement en mono-polarisation ou en bi-polarisation.
Elément rayonnant selon l'une des revendications précédentes dans lequel chaque guide d'excitation présente un profil d'évasement continu ou discontinu.
Elément rayonnant selon l'une des revendications précédentes dans lequel le cornet commun est axisymétrique.
Elément rayonnant selon l'une des revendications précédentes dans lequel chaque guide d'excitation présente un profil évasé sur un premier plan et un profil invariant sur un second plan orthogonal au premier plan.
Dispositif rayonnant (2000) comprenant au moins quatre éléments rayonnants selon l'une des revendications précédentes et un cornet secondaire (2003) commun aux quatre éléments rayonnants et connecté via une interface d'entrée aux ouvertures des cornets respectifs (2001,2002) de chaque élément rayonnant.
Antenne comprenant une pluralité d'éléments rayonnants selon l'une des revendications 1 à 13 ou une pluralité de dispositifs rayonnants selon la revendication 14.