EP4078728A1 - Antenne à double polarisation - Google Patents

Antenne à double polarisation

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EP4078728A1
EP4078728A1 EP20824690.0A EP20824690A EP4078728A1 EP 4078728 A1 EP4078728 A1 EP 4078728A1 EP 20824690 A EP20824690 A EP 20824690A EP 4078728 A1 EP4078728 A1 EP 4078728A1
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EP
European Patent Office
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antenna
polarization
blades
network
antenna according
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EP20824690.0A
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EP4078728B1 (fr
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Esteban Menargues Gomez
Lionel Simon
Santiago Capdevila Cascante
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Swissto12 SA
Original Assignee
Swissto12 SA
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/064—Two dimensional planar arrays using horn or slot aerials
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/24—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
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    • H01Q1/288—Satellite antennas
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/02—Waveguide horns
    • H01Q13/025—Multimode horn antennas; Horns using higher mode of propagation
    • H01Q13/0258—Orthomode horns
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    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems

Definitions

  • the present invention relates to a radiofrequency (RF) module, intended to form the passive part of a direct radiation antenna (DRA, Direct Radiating Array).
  • RF radiofrequency
  • Antennas are elements which are used to emit electromagnetic signals in free space, or to receive such signals.
  • Simple antennas, such as dipoles, have limited performance in terms of gain and directivity.
  • Parabolic antennas allow higher directivity, but are bulky and heavy, which makes their use unsuitable in applications such as satellites for example, where weight and volume must be reduced.
  • DRA antenna arrays which combine several radiating elements (antenna elements) out of phase in order to improve the gain and directivity.
  • the signals received on the various radiating elements, or emitted by these elements, are amplified and out of phase with one another so as to control the shape of the reception and transmission lobes of the network.
  • the various radiating elements are all connected via a waveguide network to a port making it possible to connect the antenna to an electronic circuit comprising for example an RF electronic circuit and an amplifier.
  • Dual polarization antennas capable of transmitting respectively of simultaneously receiving signals with two polarizations.
  • the signals transmitted or received by each antenna element are combined, respectively separated, according to their polarization by means of a polarizer.
  • the polarizer can also be integrated into the antenna element.
  • a dual polarization antenna has two ports for connecting each of the two polarizations separately from respectively to the electronic circuit.
  • Such antennas intended to transmit high frequencies, in particular for microwave frequencies, are difficult to design. It is in particular often desired to bring the various elementary antennas of the network as close as possible in order to reduce the amplitude of the secondary transmission or reception lobes, in directions other than the transmission or reception direction which must be favored. . This reduction in the pitch between the different elementary antennas of the network is however incompatible with the size of the waveguide network necessary in order to combine the signals received by the different elementary antennas, respectively to divide the signals to be transmitted.
  • Another object when designing such an antenna is also to reduce its weight, in particular in applications for space or aeronautics.
  • An aim is to provide an antenna suitable for the Ka frequency band, in particular for satellite communications with LHCP and RHCP polarization.
  • antennas with a new modular design which makes it possible to vary the number of elementary antennas as required, without having to review the entire design of the antenna.
  • the design is said to be modular when different types of antennas can easily be designed by adding or removing standardized antenna elements when designing the antenna, without having to review the entire design of the antenna or the network. waveguides. It is in particular desirable to be able to design an antenna in a modular fashion by adding units with several antennas while guaranteeing spatial filtering.
  • the antenna must of course also have very high performance, gain and radiation pattern characteristics that are compatible with the specifications of the application.
  • the antenna must be able to be manufactured in an industrial manner and without falling within the scope of protection of existing patents.
  • a dual polarization antenna comprises: at least a first port intended to connect the antenna to an active circuit for transmitting or receiving a signal with a first polarization (LHCP); at least a second port for connecting the antenna to an or to the active circuit for transmitting or receiving a signal with a second polarization (RHCP); several dual-polarized antenna elements, the antenna elements being arranged in cell units, each cell unit including four antenna elements and two junctions 1-to-4, a first of the two junctions being associated with a first polarization and a second of these two junctions being associated with a second polarization, each said junction comprising four branches to connect it to one of the polarizations of each antenna element of the corresponding unit and a common trunk, a network of dividers / combiners to connect the trunk of each said junction 1 -to-4 of a cell unit associated with the first polarization with the first port and to connect the trunk of each said 1-to-4 junction associated with the second polar
  • This structure makes it possible to produce an elementary antenna array, referred to simply as an antenna hereinafter, in a modular manner by juxtaposing antenna units each formed of four superimposed elementary antennas.
  • Each antenna unit has two junctions 1-to-4 and thus makes it possible to receive and respectively transmit signals according to two distinct polarizations.
  • Each antenna unit thus comprises four antenna elements superimposed but offset two by two by two.
  • the arrangement of the antenna elements of each unit in two planes offset from each other in a perpendicular direction at the plane of the blade by a distance less than the width of an antenna element allows beamforming, or spatial filtering, of the signals received or transmitted within a cell unit, such that in particular directions, signals interfere constructively while in other directions interference is destructive.
  • This beamforming at the elementary level of each unit allows more freedom when combining the antenna units since each antenna unit already has pairs of out-of-phase antennas. It also facilitates the connection of the different antennas by means of the waveguide network connecting the antennas to each other.
  • the number of antenna elements is preferably exactly equal to four.
  • the network of dividers / combiners which connects the antenna units to the ports preferably comprises a first sub-network of dividers / combiners comprising a stack of juxtaposed blades. It is thus easily possible to produce an antenna comprising a greater number of elementary antennas by adding additional blades and / or by increasing the number of cell units per blade.
  • the first sub-network of dividers / combiners is arranged to connect together the trunks of each junction 1-to-4 of this blade.
  • Some blades are associated with a first polarization and other blades are associated with the second polarization.
  • the first sub-network of dividers / combiners in the plates associated with the first polarization is arranged to connect between them the trunks of junctions 1-4 associated with this first polarization.
  • the first sub-network of dividers / combiners in the plates associated with the second polarization is arranged to connect between them the trunks of junctions 1-4 associated with this second polarization.
  • the first sub-network of dividers / combiners advantageously comprises an alternation of first blades associated with the first polarization and of second blades associated with the second polarization.
  • each blade is dedicated to a single polarization.
  • the antenna advantageously comprises a second sub-network of dividers / combiners arranged to connect said first blades to each other and to the first port, and to connect said second blades to each other and to the second port.
  • Each blade preferably extends in a first direction substantially perpendicular to the direction of transmission of the signal, and between the two planes defined by the extreme side edges of the antenna elements associated with this blade.
  • a first blade and a second blade preferably extend between the two planes defined by the extreme side edges of the antenna elements associated with these two blades.
  • the width of the network dividers / combiners is less than or equal to the maximum width of the associated antenna elements; the total width of the antenna is therefore given by the width of the network of elementary antennas, and it is possible to add new antenna elements and to connect them without the network of dividers / combiners determining the total width .
  • the second sub-network of dividers / combiners is advantageously provided between said blades and said ports.
  • the second sub-network of dividers / combiners preferably comprises waveguide portions extending in a second direction substantially perpendicular to the direction of transmission of the signal.
  • each blade is associated with four cell units.
  • Each antenna element can be connected to two neighboring blades.
  • the antenna comprises 32 blades, 16 of which are associated with a first polarization and 16 associated with the second polarization.
  • the first sub-network of dividers / combiners of each blade comprises at least one bifurcation in the H plane.
  • Each antenna element preferably comprises a septum for combining in transmission or to separate in reception the two polarizations of a radiofrequency signal.
  • Each antenna element preferably has a cross section perpendicular to the direction of propagation of the square-shaped signal.
  • the antenna can be made monolithically.
  • the antenna can be produced by 3D printing a core and depositing a surface layer at least on the internal face of this core.
  • FIG. 1 illustrates a perspective view of an antenna comprising four cell units according to the invention.
  • Figure 2 illustrates an example of a blade intended to connect together the first polarizations of four superimposed cell units.
  • FIG. 2 illustrates an example of the juxtaposition of two plates intended to connect together the first and the second polarizations of four superimposed cell units.
  • Figure 4 illustrates a first network of dividers / combiners formed of 32 juxtaposed blades.
  • Figure 5 illustrates a 1-to-4 junction comprising four branches intended to be connected to the first polarization of the elementary antennas of a cell unit, and a trunk for the common signal.
  • Figure 6 shows a perspective view of a power combiner / divider in the H plane.
  • Figure 7 shows a side view of a power combiner / divider in the H plane.
  • Figure 9 illustrates a second network of dividers / combiners in the plane E.
  • FIG. 10 schematically illustrates the way in which one of the polarities of the superimposed elementary antennas are connected via the associated blade.
  • Figure 11 schematically illustrates the connections within the second network of combiners / dividers.
  • the present invention relates generally to an array of antennas, referred to simply as an antenna hereinafter, and comprising several elementary antennas 3 (radiating elements) arranged in a matrix so that the openings of these elementary antennas are all in the same plan.
  • the direction d of transmission of the signal, in the antenna and at the output of the antenna, is perpendicular to this plane.
  • FIG. 1 illustrates an antenna 1 comprising four juxtaposed cell units 8, each cell unit comprising four elementary antennas 3 superimposed.
  • the antenna 1 of this example thus comprises 16 elementary antennas, numbered by row and column of 3o ; o up to 3B ; B and forming a matrix with four rows and four columns, each column being formed in this example of a single cell unit.
  • the number of columns can be increased by juxtaposing additional cell units, and the number of rows can be increased by superimposing additional cell units within each column.
  • the pitch between two adjacent antenna elements as well as the pitch between two lines is advantageously less than the nominal wavelength of the signal to be transmitted; the unwanted sidelobes in transmission or in reception sensitivity are thus reduced.
  • the successive lines of the antenna are out of phase; in the example illustrated, the even lines are phase-shifted with respect to the odd lines by a pitch corresponding to the half-width of an elementary antenna.
  • This phase shift makes it possible to perform beamforming or spatial filtering of the signals received or transmitted by the antenna elements of the cell unit 8, such that in particular directions the signals constructively interfere while in other directions the interferences are destructive.
  • the antenna elements 3 each include an opening forming a radiant element oriented towards the ether, and two connection ports at the junction 5 described below. One of the two ports is intended for a first polarization and the second is intended for the second polarization.
  • the antenna includes a polarizer, preferably in the form of a septum 32 making it possible to separate the two polarizations LHCP and RHCP of a signal in reception respectively to combine the two polarizations in transmission.
  • the antenna elements 3 can include another type of polarizer, or be linked to a separate polarizer.
  • the antenna 1 further comprises a series of junctions 1-to-45.
  • Two junctions 5 are associated with each cell unit, in order on the one hand to divide respectively combine the signals of first LHCP polarization of the four elementary antennas of the cell unit, and on the other hand to dividing respectively combining the signals of second polarization RHCP from the four elementary antennas of the cell unit.
  • the number of junctions 1-to-45 is therefore equal to 8.
  • the signals at the output of the junctions 5 are combined using a first power divider / combiner in the plane H, separately for each polarization.
  • a port 7 (figure 8) makes it possible to connect each polarization to an active electronic circuit.
  • FIGS. 2 to 4 illustrate an example of a first divider-combiner 4 with the junctions 1-to-4 of the associated cell units, in the case of a dual-polarization antenna comprising 16 ⁇ 16 antenna elements 3.
  • the first divider / combiner consists of several juxtaposed blades 2, each blade being dedicated to one of the two polarizations LHCP or RHCP. As each antenna element provides two polarizations, the number of blades is therefore equal to twice the number of antenna elements per row, that is to say 32 blades in this example.
  • Each blade 2 is intended to be connected to all of the antenna elements 3 of a column, that is to say to four cell units 8 superimposed in this example. It therefore comprises branches 500o to 500i 5 , each of these branches being directly connected to one of the two output ports of one of the antennas.
  • Two levels of junctions 1-to-2 in the H plane form a junction 1-to-4 (reference 5) making it possible to combine / divide the signals inside each cell unit 8; the signal common to the trunk 501 of the junctions of the blade 2 is combined using two additional levels of junctions 1-to-2 in the H plane, the signal resulting from the addition of the signals in all the branches 500 of a blade 2 thus being found in the trunk 23 of this blade.
  • Figure 2 illustrates a single blade 2.
  • Figure 3 shows two juxtaposed blades, one being dedicated to a first LHCP polarization of several superimposed cell units and the other to the second polarization RHCP of the same cell units.
  • FIG. 4 illustrates the juxtaposition of 32 blades 2 constituting the first array of dividers / combiners of the antenna.
  • Figure 5 illustrates a 1-to-4- junction present in each cell unit.
  • the junction therefore comprises four branches 500 intended to be connected to four ports of the antenna elements 3 of a cell unit 8.
  • the first level comprises two junctions 1-to-2 51 for combining / dividing the signals from two by two. same polarization of two superimposed antenna elements. The two antennas of each pair being out of phase, the junction takes place in the H plane.
  • a second 1-to-2 junction 50 then makes it possible to combine together the trunks of the two junctions 51, united in a common trunk 501.
  • Figures 6 and 7 illustrate in more detail an example of a 1-to-2 junction.
  • This example relates to the first power divider / combiner 21 in the first network 4; however, the realization of the 1-to-2 junctions 50 and 51 in the cell units, and of the second power divider / combiner 22 in the first network 4 may be the same or similar, only the direction of the branches of the junction differing.
  • the height bi of the trunk 201 is less than the height b2 of the portion of the junction in which the signals combine or divide, this height b2 itself being less than the total height b3 of the two branches 200.
  • FIG. 8 illustrates the rear of the antenna 1, that is to say the side opposite the front face from which the antenna elements 3 point.
  • this figure shows a second network of dividers / combiners 6 in the plane E, is intended to combine / divide the signals of the different plates 2, independently for each polarization.
  • This network 6 comprises a first half-network 6LHCP for the first LHCP polarization and whose branches form a first comb intended to be connected to the blades 2 of first polarization.
  • a second half-network 6RHCP for the second RHCP polarization comprises branches forming a second comb interposed between the first comb and intended to be connected to the blades 2 of second polarization.
  • the trunk of the first half-network forms the first port 7LHCP of antenna 1 and the trunk of the first half-network forms the first port 7RHCP.
  • FIG. 9 illustrates one of the half-networks, for example the first half-network 6LHCP.
  • it comprises 16 branches 60o to 60i 5 forming the comb intended to connect to the trunk / port of the different blades 2.
  • the number of branches 60 obviously depends on the number of blades 2.
  • Four levels of junctions 1 - à-261,62,63,64 in the plane E make it possible to successively combine / divide the signals of these different branches united in a common trunk 7 forming one of the two ports of the antenna.
  • the outlet of this trunk 7 is bent at 90 ° to facilitate connection to a waveguide or directly to the electronic circuit.
  • FIG. 10 schematically illustrates the tree structure of the junctions within each blade 2, the blade comprising both the first network of divider / combiners 4 and the junctions 1-to-45 of the cell units 8 associated with this blade.
  • FIG. 11 schematically illustrates the tree structure of the junctions within the second network of dividers / combiners 6.
  • the antenna is advantageously produced in a monolithic manner, preferably by 3D printing of a metal or polymer core, then deposition of a conductive layer at least on the internal faces of the waveguides of the antenna. .
  • the above example relates to an antenna comprising 16 ⁇ 16 antenna elements.
  • This number is non-limiting and the number of antenna elements can be any.
  • the number of lines is however preferably a multiple of 4 so as to be able to design the antenna by stacking cell units comprising four antenna elements each.
  • This number is also advantageously a power of two so as to be able to produce a first network of dividers / combiners 4 with an equal number of junctions between each branch of this network and the trunk of the blade, thus guaranteeing more easily paths of isophase length to the different branches.
  • the number of antenna elements per branch, and therefore of blades 2 can be any. This number is however advantageously a power of two, so as to be able to produce a second network of dividers / combiners 6 with an equal number of junctions between each branch of this network and the ports 7 of the antenna, thus guaranteeing more easily paths. isophase in length to the various branches.
  • the antenna may include a mounting hole passing through the array of dividers in a direction perpendicular to the direction of signal transmission, and allowing it to be mounted by threading it around a cylindrical mounting bar. This solution makes it possible to easily adjust the orientation of the antenna by pivoting it around the bar.

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Abstract

Antenne (1) à double polarisation (RHCP, LHCP), comprenant : plusieurs éléments d'antenne arrangés en unités de cellule (8), chaque unité de cellule (5) incluant quatre éléments d'antenne (3) et deux jonctions 1-à-4 (5), une première des deux jonctions (5) étant associée à une première polarisation et une seconde de ces deux jonctions étant associée à une seconde polarisation, un réseau de diviseurs/combineurs (4, 6),les quatre éléments d'antenne (3) de chaque unité de cellule (8) étant superposés, plusieurs unités de cellule (8) étant juxtaposées,chaque unité de cellule (8) comprenant deux éléments d'antenne (3) et deux autres éléments d'antenne (3) décalés.

Description

Antenne à double polarisation
Domaine technique
[0001] La présente invention concerne un module radiofréquence (RF), destiné à former la partie passive d'une antenne à radiation directe (DRA, Direct Radiating Array).
Etat de la technique [0002] Les antennes sont des éléments qui servent à émettre des signaux électromagnétiques dans l'espace libre, ou à recevoir de tels signaux. Les antennes simples, telles que les dipôles, ont des performances limitées en terme de gain et de directivité. Les antennes paraboliques permettent une directivité plus élevée, mais sont encombrantes et lourdes, ce qui rend leur usage peu approprié dans des applications telles que les satellites par exemple, lorsque le poids et le volume doivent être réduits.
[0003] On connaît également des réseaux d'antennes DRA qui réunissent plusieurs éléments radiants (éléments d'antennes) déphasés afin d'améliorer le gain et la directivité. Les signaux reçus sur les différents éléments radiants, ou émis par ces éléments, sont amplifiés et déphasés entre eux de manière à contrôler la forme des lobes de réception et d'émission du réseau.
[0004] A haute fréquence, par exemple aux fréquences micro-ondes, les différents éléments radiants sont tous connectés via un réseau de guide d'onde à un port permettant de connecter l'antenne à un circuit électronique comportant par exemple un circuit électronique RF et un amplificateur.
[0005] On connaît aussi des antennes à double polarisation capables d'émettre respectivement de recevoir simultanément des signaux avec deux polarisations. Dans ce cas, les signaux transmis ou reçus par chaque élément d'antenne sont combinés, respectivement séparés, selon leur polarisation au moyen d'un polariseur. Le polariseur peut aussi être intégré à l'élément d'antenne. Une antenne à double polarisation comporte deux ports pour connecter chacune des deux polarisations séparément de respectivement vers le circuit électronique.
[0006] De telles antennes destinées à transmettre des fréquences élevées, notamment pour des fréquences micro-ondes, sont difficiles à concevoir. Il est en particulier souvent souhaité de rapprocher les différentes antennes élémentaires du réseau autant que possible afin de réduire l'amplitude des lobes d'émission ou de réception secondaires, dans des directions autres que la direction d'émission ou de réception qui doit être privilégiée. Cette réduction du pas entre les différentes antennes élémentaires du réseau est cependant incompatible avec l'encombrement du réseau de guide d'ondes nécessaire afin de combiner les signaux reçus par les différentes antennes élémentaires, respectivement de diviser les signaux à émettre.
[0007] Il est en outre souvent nécessaire de réduire l'encombrement de l'antenne, et tout particulièrement sa largeur et sa hauteur dans le plan perpendiculaire à la direction de transmission du signal, afin de pouvoir la loger dans le volume réduit à disposition dans un satellite ou un aéronef.
[0008] Un autre but lors de la conception d'une telle antenne est aussi de réduire son poids, notamment dans des applications pour l'espace ou l'aéronautique.
[0009] Des exemples d'antennes connues sont décrits notamment dans WO2019/226201 A2, US2011/267250 A1, WO2017/053417 A1 et US2017/117637 A1. [0010] Un but est de prévoir une antenne adaptée à la bande de fréquence Ka, notamment pour des communications satellites à polarisation LHCP et RHCP.
[0011] Enfin, il est aussi souhaitable de réaliser des antennes avec une conception modulaire nouvelle qui permette de varier le nombre d'antennes élémentaires selon les besoins, sans devoir pour autant revoir toute la conception de l'antenne. La conception est dite modulaire lorsque différents types d'antennes peuvent aisément être conçus en ajoutant ou retirant des éléments d'antennes standardisés lors de la conception de l'antenne, sans devoir pour cela revoir toute la conception de l'antenne ou du réseau de guides d'ondes. Il est en particulier souhaitable de pouvoir concevoir une antenne de manière modulaire en rajoutant des unités avec plusieurs antennes en garantissant un filtrage spatial.
[0012] L'antenne doit en outre bien entendu avoir des caractéristiques de rendement, gain, diagramme de rayonnement très élevés et compatibles avec les cahiers des charges de l'application.
[0013] Enfin, l'antenne doit pouvoir être fabriquée de manière industrielle et sans tomber dans le champ de protection de brevets existants.
Bref résumé de l'invention
[0014] Selon un aspect, une antenne à double polarisation (RHCP, LHCP), comprend : au moins un premier port destiné à connecter l'antenne à un circuit actif pour transmettre ou recevoir un signal avec une première polarisation (LHCP) ; au moins un second port destiné à connecter l'antenne à un ou au circuit actif pour transmettre ou recevoir un signal avec une seconde polarisation (RHCP) ; plusieurs éléments d'antenne à double polarisation, les éléments d'antenne étant arrangés en unités de cellule, chaque unité de cellule incluant quatre éléments d'antenne et deux jonctions 1-à-4, une première des deux jonctions étant associée à une première polarisation et une seconde de ces deux jonctions étant associée à une seconde polarisation, chaque dite jonction comprenant quatre branches pour la connecter à une des polarisations de chaque élément d'antenne de l'unité correspondante et un tronc commun, un réseau de diviseurs/combineurs pour connecter le tronc de chaque dite jonction 1-à-4 d'une unité de cellule associée à la première polarisation avec le premier port et pour connecter le tronc de chaque dite jonction 1-à-4 associée à la seconde polarisation avec le second port, les quatre éléments d'antenne de chaque unité de cellule étant superposés, plusieurs unités de cellule étant juxtaposées, chaque unité de cellule comprenant deux éléments d'antenne dans un premier plan et deux autres éléments d'antenne dans un second plan parallèle au premier plan, lesdits plans étant décalés l'un par rapport à l'autre dans une direction perpendiculaire audits plans d'une distance inférieure à la largeur d'un élément d'antenne.
[0015] Cette structure permet de réaliser un réseau d'antenne élémentaires, appelé simplement antenne par la suite, de manière modulaire en juxtaposant des unités d'antennes formées chacune de quatre antennes élémentaires superposés.
[0016] Chaque unité d'antenne comporte deux jonctions 1-à-4 et permet ainsi de recevoir et respectivement d'émettre des signaux selon deux polarisations distinctes.
[0017] Chaque unité d'antenne comporte ainsi quatre éléments d'antenne superposés mais décalés deux par deux par deux.
[0018] La disposition des éléments d'antenne de chaque unité dans deux plans décalés l'un par rapport à l'autre dans une direction perpendiculaire au plan de la lame d'une distance inférieure à la largeur d'un élément d'antenne permet de réaliser un beamforming, ou filtrage spatial, des signaux reçus ou émis au sein d'une unité de cellule, de telle façon que dans des directions particulières, les signaux interfèrent de façon constructive tandis que dans d'autres directions les interférences soient destructives. Ce beamforming au niveau élémentaire de chaque unité permet davantage de liberté lors de la combinaison des unités d'antenne puisque chaque unité d'antenne comporte déjà des paires d'antennes déphasées. Elle facilite aussi la connexion des différentes antennes au moyen du réseau de guide d'ondes reliant les antennes entre elles.
[0019] Les notions de « superposition », de « juxtaposition » ou « d'empilement » décrivent la situation d'une antenne orientée d'une manière particulière avec des unités de cellule formées de quatre éléments d'antenne superposés l'un-au-dessus de l'autre. Toutefois, il va de soi que l'antenne peut émettre et recevoir indépendamment de son orientation dans l'espace, et que l'invention se rapporte à toute antenne qui peut être pivotée de manière à ce que, dans au moins une orientation possible, les éléments /composants de l'antenne soient superposés, juxtaposés ou empilé selon la disposition décrite et revendiquée.
[0020] Le nombre d'éléments d'antenne est de préférence exactement égal à quatre.
[0021] Le réseau de diviseurs/combineurs qui connecte les unités d'antenne aux ports comporte de préférence un premier sous-réseau de diviseurs/combineurs comportant un empilement de lames juxtaposées. Il est ainsi aisément possible de réaliser une antenne comportant un nombre d'antennes élémentaires plus important en ajoutant des lames supplémentaires et/ou en augmentant le nombre d'unités de cellule par lame. [0022] Dans chaque lame, le premier sous-réseau de diviseurs/combineurs est agencé pour connecter entre eux les troncs de chaque jonction 1-à-4 de cette lame.
[0023] Certaines lames sont associées à une première polarisation et d'autres lames sont associées à la seconde polarisation.
[0024] Le premier sous-réseau de diviseurs/combineurs dans les lames associées à la première polarisation est agencé pour connecter entre eux les troncs de jonctions 1-4 associées à cette première polarisation. De la même façon, le premier sous-réseau de diviseurs/combineurs dans les lames associées à la seconde polarisation est agencé pour connecter entre eux les troncs de jonctions 1-4 associées à cette seconde polarisation
[0025] Le premier sous-réseau de diviseurs/combineurs comporte avantageusement une alternance de premières lames associée à la première polarisation et de secondes lames associées à la seconde polarisation. Ainsi, caque lame est dédiée à une seule polarisation.
[0026] L'antenne comporte avantageusement un second sous-réseau de diviseurs/combineurs arrangé pour connecter les dites premières lames entre elles et avec le premier port, et pour connecter les dites secondes lames entre elles et avec le second port.
[0027] Chaque lame s'étend de préférence dans une première direction sensiblement perpendiculaire à la direction de transmission du signal, et entre les deux plans définis par les bords latéraux extrêmes des éléments d'antenne associés à cette lame.
[0028] Une première lame et une seconde lame s'étendent de préférence entre les deux plans définis par les bords latéraux extrêmes des éléments d'antenne associés à ces deux lames. Ainsi, la largeur du réseau de diviseurs/combineurs est inférieure ou égale à la largeur maximale des éléments d'antenne associés ; la largeur totale de l'antenne est donc donnée par la largeur du réseau d'antennes élémentaires, et il est possible d'ajouter de nouveaux éléments d'antenne et de les connecter sans que le réseau de diviseurs/combineurs ne détermine la largeur totale.
[0029] Le second sous-réseau de diviseurs/combineurs est avantageusement prévu entre lesdites lames et lesdits ports.
[0030] Le second sous-réseau de diviseurs/combineurs comprend de préférence des portions de guide d'onde s'étendant dans une seconde direction sensiblement perpendiculaire à la direction de transmission du signal.
[0031] Dans un mode de réalisation, chaque lame est associée à quatre unités de cellule.
[0032] Chaque élément d'antenne peut être connecté à deux lames voisines.
[0033] Dans un mode de réalisation, l'antenne comprend 32 lames, dont 16 associées à une première polarisation et 16 associées à la seconde polarisation.
[0034] Le premier sous-réseau de diviseurs/combineurs de chaque lame comporte au moins une bifurcation dans le plan H.
[0035] Chaque élément d'antenne comprend de préférence un septum pour combiner en émission ou séparer en réception les deux polarisations d'un signal radiofréquence. [0036] Chaque élément d'antenne a de préférence une section transversale perpendiculaire à la direction de propagation du signal de forme carrée.
[0037] L'antenne peut être réalisée de manière monolithique. [0038] L'antenne peut être réalisée par impression 3D d'une âme et déposition d'une couche superficielle au moins sur la face interne de cette âme.
Brève description des figures
[0039] Des exemples de mise en oeuvre de l'invention sont indiqués dans la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles : · La figure 1 illustre une vue en perspective d'une antenne comportant quatre unités de cellule selon l'invention.
• La figure 2 illustre un exemple de lame destinée à connecter entre eux les premières polarisations de quatre unités de cellule superposées. · La figure 2 illustre un exemple de juxtaposition de deux lames destinées à connecter entre eux les premières et les secondes polarisations de quatre unités de cellule superposées.
• La figure 4 illustre un premier réseau de diviseurs/combineurs formé de 32 lames juxtaposées. · La figure 5 illustre une jonction 1-à-4 comportant quatre branches destinées à être connectées à la première polarisation des antennes élémentaires d'une unité de cellule, et un tronc pour le signal commun.
• La figure 6 illustre une vue en perspective d'un combineur/diviseur de puissance dans le plan H. · La figure 7 illustre une vue de côté d'un combineur/diviseur de puissance dans le plan H.
• La figure 9 illustre un deuxième réseau de diviseurs/combineurs dans le plan E.
• La figure 10 illustre schématiquement la manière dont une des polarités des antennes élémentaires superposées sont connectées via la lame associée.
• La figure 11 illustre schématiquement les connexions au sein du deuxième réseau de combineurs/diviseurs.
Exemple(s) de mode de réalisation de l'invention
[0040] La présente invention concerne de manière générale un réseau d'antennes, appelé simplement antenne par la suite, et comportant plusieurs antennes élémentaires 3 (éléments radiants) disposées en matrice de manière à ce que les ouvertures de ces antennes élémentaires soient toutes dans le même plan. La direction d de transmission du signal, dans l'antenne et à la sortie de l'antenne, est perpendiculaire à ce plan. [0041] La figure 1 illustre une antenne 1 comportant quatre unités de cellule 8 juxtaposées, chaque unité de cellule comportant quatre antennes élémentaires 3 superposées. L'antenne 1 de cet exemple comporte ainsi 16 antennes élémentaires, numérotées par ligne et colonne de 3o;o jusqu'à 3B ;B et formant une matrice avec quatre lignes et quatre colonnes, chaque colonne étant formée dans cet exemple d'une seule unité de cellule.
Comme on le verra plus loin, le nombre de colonnes peut être augmenté en juxtaposant des unités de cellule supplémentaires, et le nombre de lignes peut être augmenté en superposant des unités de cellule supplémentaire au sein de chaque colonne.
[0042] Le pas entre deux éléments d'antenne adjacents ainsi que le pas entre deux lignes est avantageusement inférieur à la longueur d'onde nominale du signal à transmettre ; on réduit ainsi les lobes secondaires indésirables en émission ou en sensibilité de réception.
[0043] Les lignes successives de l'antenne sont déphasées ; dans l'exemple illustré, les lignes paires sont déphasées par rapport aux lignes impaires d'un pas correspondant à la demi-largeur d'une antenne élémentaire. Ce déphasage permet d'effectuer un beamforming ou filtrage spatial des signaux reçus ou émis par les éléments d'antenne de l'unité de cellule 8, de telle façon que dans des directions particulières, les signaux interfèrent de façon constructive tandis que dans d'autres directions les interférences soient destructives.
[0044] Les éléments d'antenne 3 incluent chacun une ouverture formant un élément radiant orienté vers l'éther, et deux ports de connexion à la jonction 5 décrite plus loin. Un des deux ports est destiné à une première polarisation et le second est destiné à la seconde polarisation. L'antenne inclut un polariseur, de préférence sous la forme d'un septum 32 permettant de séparer les deux polarisations LHCP et RHCP d'un signal en réception respectivement de combiner les deux polarisations en émission. Dans un autre mode de réalisation, les éléments d'antenne 3 peuvent comporter un autre type de polariseur, ou être liées à un polariseur distinct.
[0045] L'antenne 1 comporte en outre une série de jonctions 1-à-45. Deux jonctions 5 sont associées à chaque unité de cellule, afin d'une part de diviser respectivement combiner les signaux de première polarisation LHCP des quatre antennes élémentaires de l'unité de cellule, et d'autre part de diviser respectivement combiner les signaux de seconde polarisation RHCP des quatre antennes élémentaires de l'unité de cellule. Dans cet exemple, le nombre de jonctions 1-à-45 est donc égal à 8.
[0046] Dans le cas d'une antenne comportant plusieurs unités de cellule 8 superposées, et donc plus de 4 lignes, les signaux à la sortie des jonctions 5 sont combinés à l'aide d'un premier diviseur/combineur de puissance dans le plan H, séparément pour chaque polarisation. Un port 7 (figure 8) permet de connecter chaque polarisation à un circuit électronique actif.
[0047] Les figures 2 à 4 illustrent un exemple de premier diviseur- combineur 4 avec les jonctions 1-à-4 des unités de cellule associées, dans le cas d'une antenne à double polarisation comprenant 16X16 éléments d'antenne 3. Le premier diviseur/combineur est constitué de plusieurs lames 2 juxtaposées, chaque lame étant dédiée à une des deux polarisations LHCP ou RHCP. Comme chaque élément d'antenne fournit deux polarisations, le nombre de lames est donc égal au double du nombre d'éléments d'antenne par ligne, c'est-à-dire 32 lames dans cet exemple.
[0048] Chaque lame 2 est destinée à être connectée à l'ensemble des éléments d'antenne 3 d'une colonne, c'est-à-dire à quatre unités de cellule 8 superposées dans cet exemple. Elle comprend donc des branches 500o à 500i5, chacune de ces branches étant directement connectées à un des deux ports de sortie d'une des antennes. Deux niveaux de jonctions 1 -à-2 dans le plan H forment une jonction 1-à-4 (référence 5) permettant de combiner/diviser les signaux à l'intérieur de chaque unité de cellule 8 ; le signal commun au tronc 501 des jonctions de la lame 2 est combiné à l'aide de deux niveaux supplémentaires de jonctions 1 -à-2 dans le plan H, le signal résultant de l'addition des signaux dans toutes les branches 500 d'une lame 2 se retrouvant ainsi au tronc 23 de cette lame.
[0049] La figure 2 illustre une seule lame 2. La figure 3 montre deux lames juxtaposées, l'une étant dédiée à une première polarisation LHCP de plusieurs unités de cellule superposées et l'autre à la seconde polarisation RHCP des mêmes unités de cellule. La figure 4 illustre la juxtaposition de 32 lames 2 constituant le premier réseau de diviseurs/combineurs de l'antenne.
[0050] La figure 5 illustre une jonction 1-à-4- 5 présente dans chaque unité de cellule. La jonction comporte donc quatre branches 500 destinées à être reliées à quatre ports des éléments d'antenne 3 d'une unité de cellule 8. Le premier niveau comprend deux jonctions 1 -à-2 51 pour combiner/diviser deux par deux les signaux de même polarisation de deux éléments d'antenne superposés. Les deux antennes de chaque paire étant déphasées, la jonction se fait dans le plan H. Une deuxième jonction 1 -à-2 50 permet ensuite de combiner ensemble les troncs des deux jonctions 51, réunis dans un tronc commun 501.
[0051] Les figures 6 et 7 illustrent de manière plus détaillée un exemple de jonction 1-à-2. Cet exemple se rapporte au premier diviseur/combineur de puissance 21 dans le premier réseau 4 ; toutefois, la réalisation des jonctions 1 -à-2 50 et 51 dans les unités de cellule, et du second diviseur/combineur de puissance 22 dans le premier réseau 4 peut être identique ou similaire, seule la direction des branches de la jonction différant. Comme on le voit notamment sur la figure 7, la hauteur bi du tronc 201 est inférieure à la hauteur b2 de la portion de la jonction dans laquelle les signaux se combinent ou divisent, cette hauteur b2 étant elle- même inférieure à la hauteur b3 totale des deux branches 200.
[0052] La figure 8 illustre l'arrière de l'antenne 1, c'est-à-dire du côté opposé à la face avant d'où pointent les éléments d'antenne 3. On voit notamment sur cette figure un deuxième réseau de diviseurs/combineurs 6 dans le plan E, est destiné à combiner/diviser les signaux des différentes lames 2, indépendamment pour chaque polarisation. Ce réseau 6 comporte un premier demi-réseau 6LHCP pour la première polarisation LHCP et dont les branches forme un premier peigne destiné à être connecté aux lames 2 de première polarisation. Un second demi-réseau 6RHCP pour la seconde polarisation RHCP comporte des branches formant un second peigne intercalé entre le premier peigne et destiné à être connecté aux lames 2 de seconde polarisation. Le tronc du premier demi-réseau forme le premier port 7LHCP de l'antenne 1 et le tronc du premier demi-réseau forme le premier port 7RHCP.
[0053] La figure 9 illustre un des demi-réseaux, par exemple le premier demi-réseau 6LHCP. Dans l'exemple illustré, il comporte 16 branches 60o à 60i5 formant le peigne destiné à se connecter au tronc/port des différentes lames 2. Le nombre de branches 60 dépend bien entendu du nombre de lames 2. Quatre niveaux de jonctions 1 -à-261,62,63,64 dans le plan E permettent successivement de combiner/diviser les signaux de ces différentes branches réunis dans un tronc commun 7 formant un des deux ports de l'antenne. La sortie de ce tronc 7 est coudée à 90° pour faciliter le raccordement à un guide d'onde ou directement au circuit électronique.
[0054] La figure 10 illustre schématiquement l'arborescence des jonctions au sein de chaque lame 2, la lame regroupant à la fois le premier réseau de diviseur/combineurs 4 et les jonctions 1-à-45 des unités de cellule 8 associées à cette lame.
[0055] La figure 11 illustre schématiquement l'arborescence des jonctions au sein du deuxième réseau de diviseurs/combineurs 6.
[0056] L'antenne est avantageusement réalisée de manière monolithique, de préférence par impression 3D d'une âme en métal ou en polymère, puis déposition d'une couche conductrice au moins sur les faces internes des guides d'onde de l'antenne.
[0057] L'exemple ci-dessus se rapporte à une antenne comportant 16X16 éléments d'antenne. Ce nombre est non limitatif et le nombre d'éléments d'antenne peut être quelconque. Le nombre de lignes est cependant de préférence un multiple de 4 de manière à pouvoir concevoir l'antenne par empilement d'unités de cellule comportant quatre éléments d'antenne chacun. Ce nombre est en outre avantageusement une puissance de deux de manière à pouvoir réaliser un premier réseau de diviseurs/combineurs 4 avec un nombre de jonctions égal entre chaque branche de ce réseau et le tronc de la lame, garantissant ainsi plus facilement des chemins de longueur isophase jusqu'aux différentes branches.
[0058] Le nombre d'éléments d'antenne par branche, et donc de lames 2, peut être quelconque. Ce nombre est cependant avantageusement une puissance de deux, de manière à pouvoir réaliser un second réseau de diviseurs/combineurs 6 avec un nombre de jonctions égal entre chaque branche de ce réseau et les ports 7 de l'antenne, garantissant ainsi plus facilement des chemins de longueur isophase jusqu'aux différentes branches.
[0059] L'antenne peut comporter un trou de montage traversant le réseau de diviseurs dans une direction perpendiculaire à la direction de de transmission du signal, et permettant de la monter en l'enfilant autour d'une barre cylindrique de montage. Cette solution permet de régler aisément l'orientation de l'antenne en la pivotant autour de la barre.
Numéros de référence employés sur les figures
Antenne
Lame
Premier diviseur/combineur de puissance dans la lame (plan H) Second diviseur/combineur de puissance dans la lame (plan H) Branche d'un diviseur/combineur de puissance dans la lame Tronc d'un diviseur/combineur de puissance dans la lame Tronc principal de la lame Elément d'antenne Septum
Premier réseau de diviseurs/combineurs (plan H)
Jonction 1-4 d'une unité de cellule
Premier diviseur/combineur de puissance dans la jonction Second diviseur/combineur de puissance dans la jonction Branche d'une jonction 1-4 dans l'unité de cellule Tronc d'une jonction 1-4 dans l'unité de cellule Deuxième réseau de diviseurs/combineurs (plan E)
Branche de connexion entre le deuxième réseau de diviseurs et une lame
Premier diviseur/combineur de puissance dans le plan E Second diviseur/combineur de puissance dans le plan E Troisième diviseur/combineur de puissance dans le plan E Quatrième diviseur/combineur de puissance dans le plan E Port
Unité de cellule
Indice pour les composants se rapportant à la polarisation gauche Indice pour les composants se rapportant à la polarisation droite

Claims

Revendications
1. Antenne (1) à double polarisation (RHCP, LHCP), comprenant : au moins un premier port (7) destiné à connecter l'antenne à un circuit actif pour transmettre ou émettre un signal avec une première polarisation (LHCP) ; au moins un second port (7) destiné à connecter l'antenne à un ou au circuit actif pour transmettre ou émettre un signal avec une seconde polarisation (RHCP) ; plusieurs éléments d'antenne (3) à double polarisation, les éléments d'antenne étant arrangés en unités de cellule (8), chaque unité de cellule (5) incluant quatre éléments d'antenne (3) et deux jonctions 1-à-4 (5), une première des deux jonctions (5) étant associée à une première polarisation et une seconde de ces deux jonctions étant associée à une seconde polarisation, chaque dite jonction (5) comprenant quatre branches (500) pour la connecter à une des polarisations de chaque élément d'antenne (3) de l'unité correspondante et un tronc (501) commun, un réseau de diviseurs/combineurs (4, 6) pour connecter le tronc (501) de chaque dite jonction 1-à-4 (5) d'une unité de cellule (8) associée à la première polarisation avec le premier port (7) et pour connecter le tronc (501) de chaque dite jonction 1-à-4 (5) associée à la seconde polarisation avec le second port (7), les quatre éléments d'antenne (3) de chaque unité de cellule (8) étant superposés, plusieurs unités de cellule (8) étant juxtaposées, caractérisé en ce que chaque unité de cellule (8) comprend deux éléments d'antenne (3) dans un premier plan et deux autres éléments d'antenne (3) dans un second plan parallèle au premier plan, lesdits plans étant décalés l'un par rapport à l'autre dans une direction perpendiculaire audits plans d'une distance inférieure à la largeur d'un élément d'antenne.
2. Antenne selon la revendication 1, ledit réseau de diviseurs/combineurs (4, 6) comportant un premier sous-réseau de diviseurs/combineurs (4) formé d'un empilement de lames (2) juxtaposées et agencé pour connecter entre eux les troncs (501) de chaque dite jonction 1 à 4 (5) de plusieurs unités de cellules (8) superposées associée à la première polarisation et pour connecter entre eux les troncs (501) de chaque dite jonction 1 à 4 (5) de plusieurs unités de cellules (8) superposées associée à la seconde polarisation.
3. Antenne selon la revendication 2, ledit premier sous-réseau de diviseurs/combineurs (4) comportant une alternance de premières lames (2LHCP) associée à la première polarisation et de secondes lames (2RHCP) associées à la seconde polarisation.
4. Antenne selon la revendication 3, comportant un second sous-réseau de diviseurs/combineurs (6) arrangé pour connecter les dites premières lames (2LHCP) entre elles et avec le premier port (7LHCP), et pour connecter les dites secondes lames (2RHCP) entre elles et avec le second port (7RHCP).
5. Antenne selon l'une des revendications 2 à 4, chaque lame (2) s'étendant dans une première direction sensiblement perpendiculaire à la direction de transmission du signal, et entre les deux plans définis par les bords latéraux extrêmes des éléments d'antenne associés à cette lame.
6. Antenne selon l'une des revendications 3 à 5, une dite première lame (2LHCP) et une dite seconde lame (2RHCP) s'étendant entre les deux plans définis par les bords latéraux extrêmes des éléments d'antenne associés à ces deux lames.
7. Antenne selon l'une des revendications 4 à 6, le second sous-réseau (6) étant prévu entre lesdites lames (2) et lesdits ports et comprenant des portions de guide d'onde s'étendant dans une seconde direction sensiblement perpendiculaire à la direction de transmission du signal.
8. Antenne selon l'une des revendications 1 à 7, chaque lame (2) est associée à quatre unités de cellule (8).
9. Antenne selon l'une des revendications 3 à 8, comprenant 32 dites lames.
10. Antenne selon l'une des revendications 1 à 9, chaque élément d'antenne (3) comprenant un septum (32) pour combiner en émission ou séparer en réception les deux polarisations d'un signal radiofréquence.
11. Antenne selon la revendication 10, chaque élément d'antenne (3) étant connecté à deux lames voisines (2LHCP, 2RHCP).
12. Antenne selon l'une des revendications 1 à 11, chaque élément d'antenne (3) ayant une section transversale perpendiculaire à la direction de propagation du signal de forme carrée.
13. Antenne selon l'une des revendications 1 à 12, comportant au moins une ouverture cylindrique dans une direction perpendiculaire à la direction de transmission du signal, et destinée au montage de l'antenne sur une tige permettant de la tenir et de l'orienter.
14. Antenne selon l'une des revendications 1 à 13, comportant une âme réalisée en impression 3D et une couche superficielle au moins sur la face interne de cette âme.
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