EP4199258A1 - Antenne élémentaire de type micro-ruban et antenne réseau ameliorées - Google Patents

Antenne élémentaire de type micro-ruban et antenne réseau ameliorées Download PDF

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EP4199258A1
EP4199258A1 EP22213520.4A EP22213520A EP4199258A1 EP 4199258 A1 EP4199258 A1 EP 4199258A1 EP 22213520 A EP22213520 A EP 22213520A EP 4199258 A1 EP4199258 A1 EP 4199258A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
elementary
slot
conductive line
radiating element
segment
Prior art date
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Pending
Application number
EP22213520.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Christian Renard
Aurélien AYISSI MANGA
Jean-François FOURMONT
Joël HERAULT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
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    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
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    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0478—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with means for suppressing spurious modes, e.g. cross polarisation

Definitions

  • the present invention relates to the field of array-type electromagnetic antennas and in particular active antennas. It applies in particular to radars, electronic warfare systems (such as radar detectors and radar jammers) as well as communication systems or other multifunction systems.
  • a so-called array antenna comprises a plurality of elementary antennas which can preferably be of the microstrip type, also called patch antennas or “patch” antenna in English terminology.
  • These patch antennas comprise a stack of layers of dielectric substrates provided with metallic tracks, spaced if necessary by non-etched materials or substrates.
  • An elementary microstrip antenna conventionally comprises a radiating element placed on a layer of dielectric disposed above a conductive plane serving as ground so as to constitute a resonator.
  • the elementary antenna also comprises a power distribution device making it possible to excite the radiating element from an input signal.
  • the radiating device is coupled to its excitation by a metallized hole (called a via) or by a slot.
  • the electromagnetic coupling by slot makes it easier to generate a wide frequency band. It also makes it possible to avoid any connection via between the radiating elements and the excitation, which simplifies the manufacture of the elementary antenna.
  • excitation means capable of simultaneously exciting the radiating device according to two orthogonal linear polarizations are provided. This makes it possible to choose the most suitable polarization for a given environment (in combining these 2 polarizations with an appropriate amplitude-phase relationship).
  • An example of such an antenna is given in the patent FR1873475 .
  • the array antennas form an array of elementary antennas whose pitch is of the order of ⁇ Fmax /2, where ⁇ Fmax is the smallest wavelength corresponding to the maximum frequency Fmax of the band, which is a strong constraint on the dimensions of the elementary antennas.
  • Such an elementary antenna has an overall space requirement of square (or rectangular) shape that is entirely suitable for a square (or rectangular) mesh array antenna, for a double linear polarization h and v.
  • Figure 1A illustrates an array antenna AR comprising a plurality of elementary antennas AE arranged in a square mesh. Obtaining +45° and ⁇ 45° polarizations with the same square mesh pitch (therefore for the same beam pointing capability) is impossible, due to the size of the patch, since this would require overlapping of the elementary antennas.
  • FIG 1B illustrates the overlap that would exist between the elementary antennas AE of an array antenna AR with a square mesh with the same pitch as that of the Figure 1A , for two polarizations +45° and -45°.
  • this elementary antenna in a triangular grid aiming for a similar pointing capability along the two main axes is impossible because of the overlap that would exist between the elementary antennas AE (see figure 1C ).
  • an elementary antenna typically has a space requirement of half a wavelength in the equivalent dielectric medium considered at the central frequency of use. We then speak of operation in fundamental mode TM10 for a given linear polarization.
  • an elementary antenna will find itself naturally resonant at the frequencies where its size becomes a multiple of a half-wavelength at the frequencies considered.
  • the elementary antenna becomes adapted again in impedance and will be able to radiate again.
  • the antenna will be able to radiate at the double frequency of the central frequency of use, called harmonic 2 (H2) or octave frequency, or at the triple frequency, called harmonic 3 (H3).
  • the distribution of currents and fields inside the elementary antenna is different from those of the mode fundamental (TM20 mode for H2 for example), giving a different radiation (for example hollow in the axis and radiation on the sides for H2).
  • these harmonics are generated by the non-linear active circuits of the modules of the electronically scanned active array antennas.
  • it is necessary to block the possibility of radiation outside the band of use of the antenna.
  • filtering it is possible to include filtering at the output of the active modules, but this solution has the drawbacks of ohmic losses, installation and size.
  • an object of the invention is a versatile microstrip type antenna, which can be used in any array antenna intended to operate in a given frequency band and whose double linear polarization is adjustable by orientation of the elementary antennas (for example Horizontal and Vertical, +45° and -45°, or left and/or right circular polarization).
  • the elementary antenna of the invention is excited via slots in order to couple them to one or more conductive lines, without physical connection.
  • the elementary antenna incorporates a frequency filtering function intended to eliminate spurious signals that may transit on transmission or on reception, without altering the radiation performance.
  • the elementary antenna has a geometry compatible with any networking, therefore in particular compatible with a rectangular mesh or a triangular mesh.
  • the first and the second segments are parallel to the first slot and in which the third and the fourth segments are parallel to the second slot.
  • a set formed by the first, the second segments and a portion of the first conductive line connecting the first segment to the second segment forms the letter Z
  • a set formed by the third, the fourth segments and a portion of the second conductive line connecting the third segment to the fourth segment forms the letter Z.
  • the first segment faces an edge of the first slot and the third segment faces an edge of the second slot.
  • the conductive line segments are substantially of the same length.
  • the length of the conductive line segments is approximately equal to ⁇ c /4 with ⁇ c a wavelength corresponding to a central frequency of a bandwidth of said elementary antenna.
  • a middle of said first line is located on said central axis, in which a middle of said second line is located on said central axis, and in which the first and the second lines are perpendicular to each other.
  • the first line and the second line are formed on two opposite faces of a first dielectric substrate.
  • said transverse dimension is fixed from a diameter of said circle.
  • an angle between the first slot and the first conductive line and an angle between the second slot and the second conductive line is equal to around 45°.
  • the first and second conductive lines are interposed between the first radiating element and the first and the second slot, the first and the second slot being formed from a metal plane, forming a ground plane for the first and second conductive lines and for the first radiating element.
  • the device comprises a second disc-shaped radiating element superimposed on the first radiating element, and having a second center located on said central axis.
  • Another object of the invention is an array antenna comprising a plurality of elementary antennas according to the invention.
  • the plurality of elementary antennas is arranged with a square or rectangular mesh.
  • the plurality of elementary antennas is arranged with a triangular mesh.
  • FIG. 2A schematically represents an exploded view of an elementary antenna 1 according to the invention, of the planar type—also called microstrip antenna—.
  • the elementary antenna is capable of being in a flat configuration in which the stack comprises a stack of layers that are substantially flat and perpendicular to a stacking direction represented by the axis z.
  • the elementary antenna can be flexible and able to present a curved configuration in which the layers are curved. In the rest of the text, for simplicity, we will describe the arrangement of the antenna in its planar configuration.
  • the stack comprises parallel conductive planes, spaced along the z axis which is orthogonal to them.
  • FIG 2B shows a sectional view of the elementary antenna.
  • the conductive planes are represented in the figure 2A And 2B , except those that are explicitly mentioned in the description.
  • Intervals are provided between the successive conductive planes. These gaps each include at least one layer of a dielectric substrate which may, for example, be an air or foam layer.
  • the elementary antenna 1 comprises a first disc-shaped conductive radiating element P1 having a first center C1.
  • a central axis AC passing through the first center C1 and along the direction z is defined.
  • the antenna 1 comprises a second radiating element P2, also disc-shaped, superimposed on the first radiating element and having a second center C2 located on the central axis AC.
  • the presence of two resonant elements allows the widening of the bandwidth of the antenna.
  • the resonant elements are adjusted to achieve a double resonator.
  • the elementary antenna 1 comprises an excitation device DE coupled to the first radiating element and adapted to excite the first radiating element according to two orthogonal linear polarizations h, v.
  • the excitation device DE overcomes a lower ground plane PMI which is the overall ground plane of the antenna 1.
  • ground plane is meant a conductive plane acting as a ground plane.
  • Lines are lines printed in microstrip or triplate technique.
  • a double linear polarization is obtained conventionally with two crossed excitations.
  • a left or right circular polarization is produced by excitation in phase quadrature of the access points PA 1 , PA2 of the crossed linear polarizations, without modifying the overall size.
  • the lines are not coplanar to avoid parasitic interactions between them.
  • the first line and the second line are formed on two opposite faces of a first dielectric substrate PI2.
  • the slots F1, F2 are coplanar and made in the same plane PI1 in order to limit the number of printed layers in the elementary antenna.
  • the slots F1, F2 each comprise ends E1, E1', E2, E2' in an arc of a circle according to the same circle CL centered on the center of the slot.
  • the slots and the stacked layers are adapted so that the transverse bulk of the elementary antenna is disc-shaped. This is permitted, among other things, by the judicious choice of the geometry of the ends of the slots.
  • transverse bulk is meant here the footprint on the ground, in a plane perpendicular to the direction z, formed by the layer having the largest transverse dimension.
  • the elementary antenna with a disk-type transverse bulk can be used in an array antenna with a square, rectangular or triangular mesh without modifying the geometry of the elementary antenna and without modifying the pitch of the array mesh (see figure 6 , 7 ).
  • the transverse dimension is fixed from a diameter of the circle. That is to say that, in this embodiment, the slots are the elements of the layer of the stack having the greatest transverse dimension.
  • a slot F2 and its ends have a length of the order of one wavelength in the dielectric medium considered.
  • the elementary antenna comprises a ground plane of the radiating elements P1, P2.
  • the first and second conductive lines are interposed between the first radiating element P1 and the first and the second slot and the first and the second slot are formed from a metal plane PI1, forming the ground plane for the conductive lines L1, L2 and for the radiating elements P1, P2.
  • a metal plane PI1 forming the ground plane for the conductive lines L1, L2 and for the radiating elements P1, P2.
  • the slots are for example engraved or cut on the metal plane. This embodiment allows greater compactness of the antenna and good electromagnetic coupling between conductive lines L1, L2 and the radiating elements P1, P2.
  • a middle of the first line and a middle of the second line are located on the central axis, and the first and the second lines are mutually perpendicular to be correctly decoupled.
  • an angle between the first slot and the first conductive line and an angle between the second slot and the second conductive line is equal to around 45°.
  • about 45° is meant 45° to plus or minus 10°.
  • the elementary antenna comprises a CIP multilayer printed circuit board for excitation of the lines which is common to a plurality of elements of the elementary antenna.
  • the transverse bulk of the elementary antenna is preferably defined by the shielding produced in the three-plate power supply printed circuit, typically produced by a succession of metallized holes (or vias) TM short-circuiting the metal plane PI1 comprising the cross slots and the plane of mass lower PMI. That is to say that in this embodiment, the transverse dimension is equal to the dimension of the circle CL formed by the metallized vias surrounding the rounded edges of the slots and shielding the elementary antenna with respect to the other adjacent elementary antennas when the elementary antenna is arranged in an array.
  • FIG. 3 schematically illustrates a view from above and in transparency of a stack formed by elements of the elementary antenna of the Fig. 2C , a layer comprising the slots F1, F2, the conductive line L1, and the line L2.
  • the metallized vias TM defining the circle CL and therefore the transverse dimensions are also represented in the picture 3 .
  • each slot is excited at two excitation points on either side of the slot center CF by two respective printed lines which are joined on another printed layer by a balanced broadband coupler.
  • the elementary antenna 1 therefore comprises four printed lines.
  • the first radiating element comprises an optical target placed at its first center C1 to facilitate the centering of the various elements and the various planes of the stack with each other.
  • the segments are line segments.
  • the segments are curve segments.
  • angle between a segment and a conductive line means an angle between a main direction of elongation of the segment and the conductive line.
  • segments of conductive lines S1-S4 are propagation line segments connected to the propagation line L1 or L2, and intended to bring back a certain pure susceptance at the level of the junction point with the line. of main propagation L1 or L2.
  • a pair of two cascading segments enables second-order filtering, improving the band of the filter formed by the segments and the level of rejection.
  • the shape, positioning and length of these line segments have been optimized by the inventors in order to comply with the installation constraint in the elementary antenna which has a disc-shaped transverse bulk.
  • the inventors After numerous calculations, the inventors have arrived at a clever arrangement which makes it possible to limit the impact of the line segments on the operation of the elementary antenna 1 in its passband, while optimizing the filtering of the harmonic 2 (H2 ) of the central frequency of the bandwidth of the elementary antenna.
  • the optimization of the segments was carried out "manually” rather than automatically due to the prohibitive simulation times when working both in the useful frequency band and in the H2 band on the simulation software, and difficulty in converging.
  • the impact of the line segments was observed on the SWR (Standing Wave Ratio) levels in the passband and the H2 filtering was observed by the rejection level and frequency band. Note that the use of segments of lines inclined with respect to the line on which they are connected is different from the geometry usually used for frequency filtering by stubs.
  • the optimal geometry therefore corresponds to that illustrated in figure 4 .
  • a set formed by the first segment S1, the second segment S2 and a portion of the first conductive line connecting the first segment to the second segment forms the letter Z.
  • a set formed by the third segment S3, the fourth segment S4 and a portion of the second conductive line connecting the third segment to the fourth segment form the letter Z.
  • the first segment faces an edge of the first slot and the third segment faces an edge of the second slot.
  • the position of the segments S1-S4 is different from that illustrated in the figure 4 but the segments S1 and S2 are arranged so as to be symmetrical to the segments S3 and S4 respectively, by a central axis rotation AC.
  • the conductive line segments are preferably of substantially the same length.
  • substantially the same length it is meant that their length is equal to ⁇ 10%, preferably 5%.
  • the length of the conductive line segments is substantially equal to ⁇ c /4, with ⁇ c the wavelength in the dielectric printed medium considered corresponding to the frequency center of the frequency band to be filtered (here for example the band around the harmonic frequency H2).
  • This length has been optimized to limit spurious interactions segments/slot, and segments/triple printed lines, spurious interactions between segments S1-S4 and lines L1, L2 being the most critical in terms of degradation of the TOS because it causes an effect capacitive tending to modify the electrical length of the lines.
  • the SWR levels are controlled in the bandwidth of the antenna, for the entire angular range of electronic pointing of the beam,
  • the filtering function allows a rejection of the order of - 20 dB on the band harmonic H2 with respect to the elementary antenna without the segments S1-S4.
  • Another object of the invention is an array antenna 2 comprising a plurality of elementary antennas 1 according to the invention.
  • the network 2 formed by the elementary antenna of the invention allows easy control of the polarization of the radiation emitted by each elementary antenna of the network via the control of their orientation, without modifying the mesh of the network and without modifying total network congestion.
  • FIG 5 is a graphical representation of the parameter S11 of two embodiments of the elementary antenna of the invention comprising line segments S1-S4 according to the embodiment of the figure 4 .
  • the abscissa is in GHz
  • F corresponding to the minimum frequency of the useful frequency band of the array antenna
  • the ordinate is in dB.
  • the parameter S11 of an antenna is the reflection coefficient at the input of the elementary antenna (ratio between the reflected wave and the incident wave at the input).
  • the curves C1 and C2 are the parameter S11 of a first embodiment M1 in which the stack of the elementary antenna comprises an upper dielectric layer for mechanical protection of the antenna, for excitation along the line L1 and L2 respectively.
  • This upper dielectric layer is a layer of Rohacell foam 6mm thick, covered with a ceramic filled PTFE dielectric film 500 ⁇ m thick.
  • Curves C1' and C2' are the parameter S11 of a second embodiment M2 without upper protective layer, for excitation along line L1 and L2 respectively.
  • M2 mode the value of the reflection coefficient remains below -16dB across the full bandwidth for excitation via the L2 line and above -19dB via the L2 line.
  • the presence of the upper protection layer in the M1 mode substantially degrades the broadband operation of the elementary antenna.
  • the value of the reflection coefficient remains acceptable over the entire bandwidth (greater than -27dB).
  • FIG. 6 schematically illustrates an array antenna 2 according to one embodiment of the invention in which the elementary antennas 1 are arranged in a square mesh so as to be able to excite a horizontal polarization and a vertical polarization.
  • square mesh it is meant that a distance between the center of two adjacent elementary antennas (pitch of the mesh p m ) is identical for all the antennas 1 of the network 2.
  • the network of the figure 6 makes it possible to obtain an array antenna 2 with a directivity fixed by the pitch of the array.
  • the elementary antennas 1 of the network 2 are arranged in a rectangular mesh. That is to say that the array antenna 2 has a different mesh pitch in the horizontal direction and the vertical direction. This is useful when the beam radiated by the array antenna is caused to be pointed by electronic scanning in a rectangular Azimuth-Elevation angular window. This is the case, for example, of a SAR radar or an airborne surveillance radar.
  • the network mesh can be relaxed along the axis corresponding to the lesser angular exploration.
  • FIG 7 schematically illustrates an array antenna 2 according to one embodiment of the invention, in which the orientation of the elementary antennas 1 is modified with respect to the array of the figure 6 .
  • the elementary antennas are oriented so as to be able to excite polarizations at +45° and -45° with respect to those excited in the network of the figure 6 .
  • the network mesh of the figure 7 is square and of pitch p m identical to that of the network of the figure 6 .
  • the total network 2 congestion of the figure 7 is identical to that of the network of the figure 6 .
  • FIG 8 schematically illustrates an array antenna 2 according to one embodiment of the invention, in which the elementary antennas 1 of the array 2 are arranged in a triangular mesh.
  • the mesh is in an equilateral triangle, also called a hexagonal mesh, and the orientation of the polarizations is arbitrary.
  • hexagonal mesh it is meant that the center of an antenna forms an equilateral triangle of mesh pitch p m with the center of two adjacent antennas. This is useful for an array antenna whose beam is electronically scanned inside an angular cone centered normal to the array plane. This is the case, for example, of an airborne radar at the nose of an aircraft (airborne weather radar, or airborne combat radar).
  • the benefit compared to a square mesh is that, for a given array antenna surface, approximately 15% less unitary elements are needed to "pave” the radiating surface, therefore 15% of active circuits (modules ) less, therefore a 15% cost reduction, at the cost, however, of a less easy mechanical design.

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Abstract

Antenne élémentaire (1) de type micro-ruban comprenant un empilement de couches, empilées selon une direction z, ledit empilement comprenant :- un premier élément rayonnant conducteur (P1) en forme de disque présentant un premier centre (C1), un axe selon la direction z et passant par ledit premier centre étant appelé axe central (AC) ;- un ensemble de couplage adapté pour coupler un dispositif d'excitation et le premier élément rayonnant, ledit ensemble de couplage comprenant :• une première fente (F1) comprenant un centre dit centre de fente (CF) situé sur ledit axe central• une deuxième fente (F2) comprenant un centre confondu avec le centre de fente, et sensiblement perpendiculaire à la première fente, la première et la deuxième fentes comprenant chacune des extrémités (E1, E1', E2, E2') en arc de cercle selon un même cercle (CL) centré sur ledit centre de fentelesdites fentes et lesdites couches empilées étant adaptées pour qu'un encombrement transverse de ladite antenne élémentaire soit en forme de disque.

Description

    Domaine technique :
  • La présente invention se rapporte au domaine des antennes électromagnétiques de type réseau et notamment des antennes actives. Elle s'applique notamment aux radars, aux systèmes de guerre électronique (tels que les détecteurs de radar et les brouilleurs de radar) ainsi qu'aux systèmes de communication ou autres systèmes multifonctions.
    • Technique antérieure :
  • Une antenne dite réseau comprend une pluralité d'antennes élémentaires pouvant être préférentiellement du type microruban, aussi appelées antennes pavé ou antenne « patch » en terminologie anglo-saxonne. Ces antennes pavées comprennent un empilement de couches de substrats diélectriques pourvus de pistes métalliques, espacées le cas échéant par des matériaux ou des substrats non gravés.
  • La technologie des antennes élémentaires microruban permet de réaliser des antennes très compactes, en particulier des antennes réseaux à balayage électronique compactes, et plus simples à réaliser et donc moins onéreuses que d'autres types d'antennes (guides d'onde, Vivaldi...).
  • Une antenne élémentaire microruban comprend classiquement un élément rayonnant placé sur une couche de diélectrique disposé au-dessus d'un plan conducteur servant de masse de sorte à constituer un résonateur. L'antenne élémentaire comprend également un dispositif de répartition de puissance permettant d'exciter l'élément rayonnant à partir d'un signal d'entrée. Le dispositif rayonnant est couplé à son excitation par trou métallisé (appelé via) ou par une fente. Le couplage électromagnétique par fente permet de générer plus aisément une bande de fréquence large. Il permet également d'éviter tout via de liaison entre les éléments rayonnants et l'excitation ce qui simplifie la fabrication de l'antenne élémentaire.
  • On prévoit classiquement des moyens d'excitation aptes à exciter simultanément le dispositif rayonnant selon deux polarisations linéaires orthogonales. Cela permet de choisir la polarisation la plus adaptée à un environnement donné (en combinant ces 2 polarisations avec une relation amplitude phase appropriée). Un exemple d'une telle antenne est donné dans le brevet FR1873475 .
  • Les antennes réseau forment un réseau d'antennes élémentaires dont le pas est de l'ordre de λFmax/2, où λFmax est la plus petite longueur d'onde correspondant à la fréquence maximale Fmax de la bande ce qui est une contrainte forte sur les dimensions des antennes élémentaires.
  • Une telle antenne élémentaire présente un encombrement global de forme carré (ou rectangulaire) tout-à-fait adapté pour une antenne réseau à maillage carré (ou rectangulaire), pour une double polarisation linéaire h et v. La figure 1A illustre une antenne réseau AR comprenant une pluralité d'antennes élémentaires AE agencées dans un maillage carré. L'obtention de polarisations +45° et -45° avec le même pas de maillage carré (donc pour la même capacité de pointage du faisceau) est impossible, du fait de l'encombrement du patch car cela nécessiterait un recouvrement des antennes élémentaires. La figure 1B illustre le chevauchement qu'il existerait entre les antennes élémentaires AE d'une antenne réseau AR avec un maillage carré avec le même pas que celui de la figure 1A, pour deux polarisations +45° et -45°. De même, l'utilisation de cette antenne élémentaire dans un maillage triangulaire visant une capacité de pointage semblable suivant les deux axes principaux est impossible à cause du chevauchement qu'il existerait entre les antennes élémentaires AE (voir figure 1C).
  • En outre, une antenne élémentaire présente typiquement un encombrement d'une demi-longueur d'onde dans le milieu diélectrique équivalent considéré à la fréquence centrale d'utilisation. On parle alors de fonctionnement en mode fondamental TM10 pour une polarisation linéaire donnée.
  • Toutefois, si cette bande passante est réduite autour de la fréquence centrale d'utilisation, une antenne élémentaire va se retrouver naturellement résonante aux fréquences où son encombrement devient multiple d'une demi-longueur d'onde aux fréquences considérées. L'antenne élémentaire redevient adaptée en impédance et va pouvoir à nouveau rayonner. Ainsi, l'antenne va pouvoir rayonner à la fréquence double de la fréquence centrale d'utilisation, dite harmonique 2 (H2) ou fréquence octave, ou à la fréquence triple, dite harmonique 3 (H3). La répartition des courants et des champs à l'intérieur de l'antenne élémentaire est différente de celles du mode fondamental (mode TM20 pour H2 par exemple), donnant un rayonnement différent (par exemple creux dans l'axe et rayonnement sur les côtés pour H2).
  • Or ces harmoniques, particulièrement H2, sont générés par les circuits actifs non linéaires des modules des antennes réseaux actives à balayage électronique. Pour des raisons d'allocation de fréquences, ou des raisons de discrétion électromagnétique, ou pour éviter des phénomènes de brouillage, il faut bloquer la possibilité de rayonnement en dehors de la bande d'utilisation de l'antenne. Pour cela il est possible d'inclure du filtrage en sortie des modules actifs, mais cette solution présente les inconvénients de pertes ohmiques, d'implantation et d'encombrement.
  • L'invention vise à pallier certains problèmes de l'art antérieur. A cet effet, un objet de l'invention est une antenne de type microruban versatile, pouvant être utilisés dans toute antenne réseau destinée à opérer dans une bande de fréquence donnée et dont la double polarisation linéaire est ajustable par orientation des antennes élémentaires (par exemple Horizontale et Verticale, +45° et -45°, ou encore polarisation circulaire gauche et/ou droite). L'antenne élémentaire de l'invention est excitée par l'intermédiaire de fentes afin de les coupler à une ou plusieurs lignes conductrices, sans connexion physique. Avantageusement, l'antenne élémentaire intègre une fonction de filtrage fréquentiel destiné à éliminer des signaux parasites pouvant transiter à l'émission ou à la réception, sans altérer les performances en rayonnement. De plus, l'antenne élémentaire présente une géométrie compatible de toute mise en réseau, donc en particulier compatible d'un maillage rectangulaire ou d'un maillage triangulaire.
    • Résumé de l'invention :
  • A cet effet, un objet de l'invention est Antenne élémentaire (1) de type microruban comprenant un empilement de couches, empilées selon une direction z, ledit empilement comprenant :
    • un premier élément rayonnant conducteur en forme de disque présentant un premier centre, un axe selon la direction z et passant par ledit premier centre étant appelé axe central ;
    • un dispositif d'excitation couplé au premier élément rayonnant et adapté pour exciter le premier élément rayonnant selon deux polarisations linéaires orthogonales, ledit dispositif d'excitation comprenant :
    • un premier dispositif d'excitation élémentaire couplé au premier élément rayonnant et comprenant une première ligne conductrice et un premier dispositif de répartition de puissance adapté pour d'exciter le premier élément rayonnant à partir d'un premier signal d'entrée ;
    • un deuxième dispositif d'excitation élémentaire couplé au premier élément rayonnant et comprenant une deuxième ligne conductrice et un deuxième dispositif de répartition de puissance adapté pour d'exciter le premier élément rayonnant à partir d'un deuxième signal d'entrée ;
    • un ensemble de couplage adapté pour coupler le dispositif d'excitation et le premier élément rayonnant, ledit ensemble de couplage comprenant :
    • une première fente comprenant un centre dit centre de fente situé sur ledit axe central
    • une deuxième fente comprenant un centre confondu avec le centre de fente, et sensiblement perpendiculaire à la première fente, la première et la deuxième fentes comprenant chacune des extrémités en arc de cercle selon un même cercle centré sur ledit centre de fente
    • lesdites fentes et lesdites couches empilées étant adaptées pour qu'un encombrement transverse de ladite antenne élémentaire soit en forme de disque.
  • Selon un mode de réalisation, le dispositif d'excitation comprend :
    • un premier (S1) et un deuxième segments de ligne conductrice, coplanaires et reliés à la première ligne conductrice, et non perpendiculaire à la première ligne conductrice, un angle entre le premier segment et la première ligne conductrice étant opposé à un angle entre le deuxième segment et la première ligne conductrice.
    • un troisième et un quatrième segments de ligne conductrice, coplanaires et reliés à la deuxième ligne conductrice, et non perpendiculaire à la deuxième ligne conductrice, un angle entre le troisième segment et la deuxième ligne conductrice étant opposé à un angle entre le quatrième segment et la deuxième ligne conductrice.
  • Préférentiellement, dans ce mode de réalisation, le premier et le deuxième segments sont parallèles à la première fente et dans laquelle le troisième et le quatrième segments sont parallèles à la deuxième fente. Préférentiellement, un ensemble formé par le premier, le deuxième segments et une portion de la première ligne conductrice reliant le premier segment au deuxième segment, forme la lettre Z, et dans laquelle un ensemble formé par le troisième, le quatrième segments et une portion de la deuxième ligne conductrice reliant le troisième segment au quatrième segment, forme la lettre Z. Préférentiellement, le premier segment est en regard d'un bord de la première fente et le troisième segment est en regard d'un bord de la deuxième fente. Préférentiellement" les segments de ligne conductrice sont sensiblement de même longueur. Préférentiellement, la longueur des segments de ligne conductrice est environ égale à λc /4 avec λc une longueur d'onde correspondant à une fréquence centrale d'une bande passante de ladite antenne élémentaire.
  • Selon un mode de réalisation, un milieu de ladite première ligne est situé sur ledit axe central, dans laquelle un milieu de ladite deuxième ligne est situé sur ledit axe central, et dans laquelle la première et la deuxième lignes sont perpendiculaire entre elles. Préférentiellement, la première ligne et la deuxième ligne sont formées sur deux faces opposées d'un premier substrat diélectrique.
  • Selon un mode de réalisation, ledit encombrement transverse est fixé à partir d'un diamètre dudit cercle.
  • Selon un mode de réalisation, un angle entre la première fente et la première ligne conductrice et un angle entre la deuxième fente et la deuxième ligne conductrice est égal à environ 45°.
  • Selon un mode de réalisation, les première et deuxième lignes conductrices sont interposées entre le premier élément rayonnant et la première et la deuxième fente, la première et la deuxième fente étant formées à partir d'un plan métallique, formant un plan de masse pour les première et deuxième lignes conductrices et pour le premier élément rayonnant.
  • Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend un deuxième élément rayonnant en forme de disque superposé au premier élément rayonnant, et présentant un deuxième centre situé sur ledit axe central.
  • Un autre objet de l'invention, est une antenne réseau comprenant une pluralité d'antennes élémentaires selon l'invention.
  • Selon un mode de réalisation, la pluralité d'antennes élémentaires est agencée avec un maillage carré ou rectangulaire.
  • Selon un mode de réalisation, la pluralité d'antennes élémentaires est agencée avec un maillage triangulaire.
    • Brève description des figures :
  • D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement :
    • [Fig.1A], une illustration schématique d'une antenne réseau connue de l'art antérieur comprenant une pluralité d'antennes élémentaires agencées dans un maillage carré,
    • [Fig.1 B], une illustration schématique d'une antenne réseau avec un maillage carré avec le même pas que celui de la figure 1A, pour deux polarisations +45° et - 45°
    • [Fig.1C], une illustration schématique d'une antenne réseau avec un maillage triangulaire avec le même pas que celui de la figure 1A
    • [Fig.2A], une vue schématique éclatée d'une antenne élémentaire selon l'invention,
    • [Fig.2B], une vue schématique en coupe de l'antenne élémentaire selon l'invention,
    • [Fig.2C], une vue schématique éclatée d'une antenne élémentaire selon un mode de réalisation de l'invention,
    • [Fig.3], une vue de dessus et en transparence d'un l'empilement formé par des éléments de l'antenne élémentaire de la figure 2C,
    • Fig.4], une vue de dessus et en transparence d'un l'empilement formé par des éléments d'un mode de réalisation avantageux de l'antenne élémentaire de l'invention,
    • [Fig.5], une représentation graphique du paramètre S11 de deux modes de réalisation de l'antenne élémentaire de l'invention comprenant des segments de lignes S1-S4 selon le mode de réalisation de la figure 4
    • [Fig.6], une antenne réseau selon un mode de réalisation de l'invention dans laquelle les antennes élémentaires sont agencées dans un maillage carré,
    • [Fig.7], une antenne réseau selon un mode de réalisation de l'invention
    • [Fig.8], une antenne réseau selon un mode de réalisation de l'invention.
  • Dans les figures, sauf contre-indication, les éléments ne sont pas à l'échelle.
  • Par deux « éléments parallèles », dans la suite du texte, on entend qu'un angle entre les éléments est compris entre 0° et 10°.
    • Description détaillée :
  • La figure 2A représente schématiquement une vue éclatée d'une antenne élémentaire 1 selon l'invention, du type planaire -aussi appelée antenne microruban-.
  • L'antenne élémentaire est apte à être dans une configuration plane dans laquelle l'empilement comprend un empilement de couches sensiblement planes et perpendiculaires à une direction d'empilement représentée par l'axe z. L'antenne élémentaire peut être flexible et être apte à présenter une configuration courbe dans laquelle les couches sont courbes. Dans la suite du texte, pour plus de simplicité, nous décrirons l'agencement de l'antenne dans sa configuration plane.
  • L'empilement comprend des plans conducteurs parallèles, espacés selon l'axe z qui leur est orthogonal. La figure 2B présente une vue en coupe de l'antenne élémentaire. Pour plus de lisibilité, seuls les plans conducteurs sont représentés dans les figures 2A et 2B, hormis ceux qui sont explicitement cités dans la description. Des intervalles sont ménagés entre les plans conducteurs successifs. Ces intervalles comprennent chacun au moins une couche d'un substrat diélectrique qui peut, par exemple, être une couche d'air ou de mousse.
  • Selon un mode de réalisation, l'antenne élémentaire 1 comprend un premier élément rayonnant conducteur P1 en forme de disque présentant un premier centre C1. On définit un axe central AC passant par le premier centre C1 et selon la direction z. Alternativement, selon un autre mode de réalisation et comme illustré en figures 2A et 2B, l'antenne 1 comprend un deuxième élément rayonnant P2, lui aussi en forme de disque, superposé au premier élément rayonnant et présentant un deuxième centre C2 situé sur l'axe central AC. La présence de deux éléments résonnants permet l'élargissement de la bande passante de l'antenne. Les éléments résonnants sont ajustés pour réaliser un double résonateur.
  • L'antenne élémentaire 1 comprend un dispositif d'excitation DE couplé au premier élément rayonnant et adapté pour exciter le premier élément rayonnant selon deux polarisations linéaires orthogonales h, v. Le dispositif d'excitation DE surmonte un plan de masse inférieur PMI qui est le plan de masse global de l'antenne 1. Par plan de masse, on entend un plan conducteur faisant office de plan de masse.
  • Le dispositif d'excitation DE comprend :
    • un premier dispositif d'excitation élémentaire couplé au premier élément rayonnant et comprenant une première ligne conductrice L1 et un premier dispositif de répartition de puissance DR1 adapté pour d'exciter le premier élément rayonnant à partir d'un premier signal d'entrée, via un premier point d'accès PA1 de la première ligne (non visible en figure 2A mais représenté en figure 3).
    • un deuxième dispositif d'excitation élémentaire couplé au premier élément rayonnant et comprenant une deuxième ligne conductrice L2 et un deuxième dispositif de répartition de puissance DR2 adapté pour d'exciter premier élément rayonnant à partir d'un deuxième signal d'entrée, via un deuxième point d'accès PA2 de la deuxième ligne (non visible en figure 2A mais représenté en figure 3).
  • Les lignes sont des lignes imprimées en technique microstrip ou triplaque. Une double polarisation linéaire est obtenue de façon classique avec deux excitations croisées. De façon classique, une polarisation circulaire gauche ou droite est réalisée par excitation en quadrature de phase des points d'accès PA 1, PA2 des polarisations linéaires croisées, sans modification de l'encombrement global. De manière préférentielle, les lignes ne sont pas coplanaires pour éviter des interactions parasites entre elles. De manière préférentielle, comme illustré en figure 2B, pour plus de compacité, la première ligne et la deuxième ligne sont formées sur deux faces opposées d'un premier substrat diélectrique PI2.
  • De plus, l'antenne élémentaire de l'invention comprend un ensemble de couplage adapté pour coupler le dispositif d'excitation et le premier élément rayonnant. L'ensemble de couplage comprend :
    • une première fente F1 comprenant un centre dit centre de fente CF situé sur l'axe central AC
    • une deuxième fente F2 sensiblement perpendiculaire à la première fente et comprenant un centre confondu avec le centre de fente. Par « sensiblement perpendiculaire », on entend qu'un angle entre la première et la deuxième fente est égal 90° à ±10°. La symétrie des fentes assure pour chaque polarisation linéaire l'absence de génération de polarisation croisée pénalisante. L'utilisation de fente perpendiculaire permet de découpler les deux polarisations linéaires.
  • De manière préférentielle, comme illustré en figures 2A et 2B, les fentes F1, F2 sont coplanaires et réalisés dans un même plan PI1 afin de limiter le nombre de couches imprimées dans l'antenne élémentaire.
  • Afin d'élargir la bande passante de l'antenne élémentaire, les fentes F1, F2 comprennent chacune des extrémités E1, E1', E2, E2' en arc de cercle selon un même cercle CL centré sur le centre de fente.
  • Dans l'antenne élémentaire de l'invention, les fentes et les couches empilées sont adaptées pour qu'un encombrement transverse de l'antenne élémentaire soit en forme de disque. Ceci est permis, entre autre, par le choix judicieux de la géométrie des extrémités des fentes. Par « encombrement transverse », on entend ici l'empreinte au sol, selon un plan perpendiculaire à la direction z, formée par la couche présentant la plus grande dimension transverse. Ainsi, l'antenne élémentaire avec un encombrement transverse de type disque peut être utilisé dans une antenne réseau avec un maillage carré, rectangulaire ou triangulaire sans modification de la géométrie de l'antenne élémentaire et sans modification du pas du maillage du réseau (voir figures 6, 7). Cela implique que, via une simple rotation des antennes élémentaires, un utilisateur ajuste la polarisation linéaire du rayonnement, sans modifier une capacité de pointage du faisceau de l'antenne réseau. En outre, un encombrement transverse total de l'antenne réseau n'est pas modifié par la rotation des antennes élémentaires.
  • De manière préférentielle, l'encombrement transverse est fixé à partir d'un diamètre du cercle. C'est-à-dire que, dans ce mode de réalisation, les fentes sont les éléments de la couche de l'empilement présentant la plus grande dimension transverse.
  • Une fente F2 et ses extrémités ont une longueur de l'ordre d'une longueur d'onde dans le milieu diélectrique considéré.
  • L'antenne élémentaire comprend un plan de masse des éléments rayonnants P1, P2. De manière préférentielle, les première et deuxième lignes conductrices sont interposées entre le premier élément rayonnant P1 et la première et la deuxième fente et la première et la deuxième fente sont formées à partir d'un plan métallique PI1, formant le plan de masse pour les lignes conductrices L1, L2 et pour les éléments rayonnants P1, P2. Par « à partir », on entend que les fentes sont par exemple gravées ou découpées sur le plan métallique. Ce mode de réalisation permet une plus grande compacité de l'antenne et un bon couplage électromagnétique entre lignes conductrices L1, L2 et les éléments rayonnants P1, P2.
  • De manière préférentielle, selon un mode de réalisation, un milieu de la première ligne et un milieu de la deuxième ligne sont situé sur l'axe central, et la première et la deuxième lignes sont perpendiculaires entre elles pour être correctement découplées. Préférentiellement, un angle entre la première fente et la première ligne conductrice et un angle entre la deuxième fente et la deuxième ligne conductrice est égal à environ 45°. Par « environ 45° », on entend 45° à plus ou moins 10°. Ces caractéristiques permettent d'exciter, via les fentes F1, F2, le premier élément rayonnant au centre du premier élément rayonnant P1 afin d'assurer une bonne symétrie d'excitation sur toute la bande de fréquence de l'antenne élémentaire.
  • De manière préférentielle, comme illustré en figure 2C, l'antenne élémentaire comprend un circuit imprimé triplaque multicouche CIP d'excitation des lignes qui est commun à une pluralité d'élément de l'antenne élémentaire. Dans ce mode de réalisation, de manière préférentielle, l'encombrement transverse de l'antenne élémentaire est défini par le blindage réalisé dans le circuit imprimé triplaque d'alimentation, réalisé typiquement par une succession de trous métallisés (ou vias) TM court-circuitant le plan métallique PI1 comportant les fentes en croix et le plan de masse inférieur PMI. C'est-à-dire que dans ce mode de réalisation, la dimension transverse est égale de la dimension du cercle CL formé les vias métallisés entourant les bords arrondis des fentes et blindant l'antenne élémentaire vis à vis des autres antennes élémentaires adjacentes lorsque l'antenne élémentaire est agencée dans un réseau.
  • La figure 3 illustre schématiquement une vue de dessus et en transparence d'un l'empilement formé par des éléments de l'antenne élémentaire de la figure 2C, une couche comprenant les fentes F1, F2, la ligne conductrice L1, et la ligne L2. Les vias métallisés TM définissant le cercle CL et donc l'encombrement transverse sont aussi représentés dans la figure 3.
  • Selon un mode de réalisation, différent de celui illustré dans la figure 2A, chaque fente est excitée en deux points d'excitation de part et d'autre du centre de fente CF par deux lignes imprimées respectives que l'on réunit sur une autre couche imprimée par un coupleur large bande équilibré. Dans ce mode de réalisation, l'antenne élémentaire 1 comprend donc quatre lignes imprimées. Ces caractéristiques permettent un fonctionnement très large bande avec une symétrie d'excitation élevée sur toute la bande de fréquence.
  • De manière préférentielle, le premier élément rayonnant comprend une mire optique placée en son premier centre C1 pour faciliter le centrage des différents éléments et des différents plans de l'empilement les uns avec les autres.
  • La figure 4 illustre schématiquement une vue de dessus et en transparence d'un l'empilement formé par des éléments d'un mode de réalisation avantageux de l'antenne élémentaire de l'invention, une couche comprenant les fentes F1, F2, la ligne conductrices L1, et la ligne L2. Dans ce mode de réalisation, l'antenne 1 permet de filtrer le rayonnement de l'antenne élémentaire en dehors de sa bande passante et permet éliminer des signaux parasites pouvant transiter à l'émission ou à la réception, sans altérer les performances en rayonnement. Pour cela, le dispositif d'excitation DE de l'antenne élémentaire 1 comprend :
    • un premier S1 et un deuxième S2 segments de ligne conductrice, coplanaires et reliés à la première ligne conductrice L1 et non perpendiculaire à la première ligne conductrice L1. Un angle α 11 entre le premier segment de ligne conductrice S1 et la première ligne conductrice est opposé à un angle α 22 entre le deuxième segment de ligne conductrice S2 et la première ligne conductrice. Cela implique que les segments S1 et S2 sont parallèles entre eux.
    • un troisième S3 et un quatrième S4 segments de ligne conductrice, coplanaires et reliés à la deuxième ligne conductrice et non perpendiculaire à la deuxième ligne conductrice L2. Un angle α 21 entre le troisième segment S3 et la deuxième ligne conductrice est opposé à un angle α 22 entre le quatrième segment S4 et la deuxième ligne conductrice. Cela implique que les segments S1 et S2 sont parallèles entre eux.
  • Selon un mode de réalisation, les segments sont des segments de droite. Alternativement, selon un autre mode de réalisation, les segments sont des segments de courbes. Dans ce mode de réalisation, par « angle entre un segment et une ligne conductrice », on entend un angle entre une direction principale d'élongation du segment et la ligne conductrice.
  • Ces segments de lignes conductrices S1-S4 (ou « stubs » en anglais) sont des segments de ligne de propagation connectés à la ligne de propagation L1 ou L2, et destinés à ramener une certaine susceptance pure au niveau du point de jonction avec la ligne de propagation principale L1 ou L2. Un couple de deux segments en cascade permet un filtrage d'ordre 2, améliorant la bande du filtre formé par les segments et le niveau de réjection. La forme, le positionnement et la longueur de ces segments de lignes ont été optimisés par les inventeurs afin de se conformer à la contrainte d'implantation dans l'antenne élémentaire qui présente un encombrement transverse en forme de disque. Après de nombreux calculs, les inventeurs sont parvenus à un agencement astucieux qui permet de limiter l'impact des segments de lignes sur le fonctionnement de l'antenne élémentaire 1 dans sa bande passante, tout en optimisant le filtrage de l'harmonique 2 (H2) de la fréquence centrale de la bande passante de l'antenne élémentaire. L'optimisation des segments (forme, longueur) a été effectuée « manuellement » plutôt qu'automatiquement du fait des temps de simulation prohibitifs lorsqu'on travaille à la fois en bande de fréquence utile et en bande H2 sur le logiciel de simulation, et de la difficulté à converger. L'impact des segments de lignes a été observé sur les niveaux de TOS (Taux d'ondes stationnaires) dans la bande passante et le filtrage de H2 a été observé par le niveau de réjection et bande de fréquence. On note que l'utilisation de segments de ligne inclinés par rapport à la ligne sur laquelle ils sont reliés est différente de la géométrie habituellement utilisée pour le filtrage fréquentiel par stubs.
  • Dans le cas d'une ligne imprimé seule (ie : sans fentes F1, F2), la géométrie optimale pour un filtrage fréquentiel correspondrait à des segments de droites perpendiculaires à la ligne. Cependant, les inventeurs ont noté que dans l'antenne élémentaire de l'invention, cette géométrie conduit à un recouvrement spatial entre une des fentes et un segment dégradant fortement le fonctionnement de la fente. De même, un repliement important (c'est-à-dire un angle faible) des segments par rapport à la ligne conductrice à laquelle ils sont reliés, crée un important couplage parasite entre la ligne et les segments. C'est pourquoi, pour un fonctionnement optimal, il est préférable que le premier et le deuxième segments soient parallèles à la première fente et que le troisième et le quatrième segments soient parallèles à la deuxième fente.
  • La géométrie optimale correspond donc à celle illustrée dans en figure 4. Dans ce mode de réalisation, un ensemble formé par le premier segment S1, le deuxième segment S2 et une portion de la première ligne conductrice reliant le premier segment au deuxième segment, forme la lettre Z. De même, un ensemble formé par le troisième segment S3, le quatrième segment S4 et une portion de la deuxième ligne conductrice reliant le troisième segment au quatrième segment, forme la lettre Z. De manière préférentielle, dans le mode de réalisation de la figure 4, afin d'optimiser le filtrage fréquentiel sans dégrader trop fortement le niveau de TOS de l'antenne élémentaire, le premier segment est en regard d'un bord de la première fente et le troisième segment est en regard d'un bord de la deuxième fente. Selon un autre mode de réalisation, la position des segments S1-S4 est différente de celle illustrée dans la figure 4 mais les segments S1 et S2 sont agencés de manière à être symétriques aux segments S3 et S4 respectivement, par une rotation d'axe central AC.
  • Pour optimiser le filtrage fréquentiel, de manière préférentielle, les segments de ligne conductrice sont sensiblement de même longueur. Par sensiblement de même longueur, on entend que leur longueur est égale à ±10%, préférentiellement 5%. De préférence, afin d'optimiser le filtrage de l'harmonique 2, la longueur des segments de ligne conductrice est sensiblement égale à λc /4, avec λc la longueur d'onde dans le milieu imprimé diélectrique considéré correspondant à la fréquence centrale de la bande de fréquence à filtrer (ici par exemple la bande autour de la fréquence harmonique H2). Cette longueur a été optimisée pour limiter les interactions parasites segments/fente, et segments/lignes imprimées triplaque, les interactions parasites entre les segments S1-S4 et lignes L1, L2 étant les plus critiques en terme de dégradation du TOS car elle entraine un effet capacitif ayant tendance à modifier la longueur électrique des lignes.
  • Grâce aux segments S1-S4, les niveaux de TOS sont maitrisés dans la bande passante de l'antenne, pour toute la gamme angulaire de pointage électronique du faisceau, La fonction filtrage permet une réjection de l'ordre de - 20 dB sur la bande harmonique H2 par rapport à l'antenne élémentaire sans les segments S1-S4.
  • Un autre objet de l'invention est une antenne réseau 2 comprenant une pluralité d'antennes élémentaires 1 selon l'invention. Comme évoqué précédemment, le réseau 2 formé de l'antenne élémentaire de l'invention permet un contrôle facile de la polarisation du rayonnement émis par chaque antenne élémentaire du réseau via le contrôle de leur orientation, sans modification du maillage du réseau et sans modification de l'encombrement total du réseau.
  • La figure 5 est une représentation graphique du paramètre S11 de deux modes de réalisation de l'antenne élémentaire de l'invention comprenant des segments de lignes S1-S4 selon le mode de réalisation de la figure 4. L'abscisse est en GHz, F correspondant à la fréquence minimale de la bande de fréquence utile de l'antenne réseau, et l'ordonnée est en dB. Pour rappel, le paramètre S11 d'une antenne est le coefficient de réflexion en entrée de l'antenne élémentaire (rapport entre l'onde réfléchie et l'onde incidente en entrée).
  • Les courbes C1 et C2 sont le paramètre S11 d'un premier mode de réalisation M1 dans lequel l'empilement de l'antenne élémentaire comprend une couche supérieure en diélectrique de protection mécanique de l'antenne, pour une excitation selon la ligne L1 et L2 respectivement. Cette couche supérieure en diélectrique est une couche de mousse Rohacell de 6mm d'épaisseur, recouverte d'un film diélectrique PTFE chargé céramique d'épaisseur 500µm.
  • Les courbes C1' et C2' sont le paramètre S11 d'un deuxième mode de réalisation M2 sans couche supérieure de protection, pour une excitation selon la ligne L1 et L2 respectivement. Dans le mode M2, la valeur du coefficient de réflexion reste inférieure à -16dB dans toute la bande passante pour une excitation via la ligne L2 et supérieure à -19dB via la ligne L2. La présence de la couche supérieure de protection dans le mode M1 dégrade sensiblement le fonctionnement large bande de l'antenne élémentaire. Cependant, la valeur du coefficient de réflexion reste acceptable sur toute la bande passante (supérieure à -27dB).
  • La figure 5 démontre que l'antenne élémentaire de l'invention possède un fonctionnement large bande dans les deux modes M1 et M2, bien que le mode M2 présente un comportement plus stable sur toute la bande passante de l'antenne pour les deux excitations selon L1 et L2 et que la présence des segments S1-S4 ne dégrade pas le fonctionnement de l'antenne de manière importante.
  • La figure 6 illustre schématiquement une antenne réseau 2 selon un mode de réalisation de l'invention dans laquelle les antennes élémentaires 1 sont agencées dans un maillage carré de manière à pouvoir exciter une polarisation horizontale et une polarisation verticale. Par maillage carré, on entend qu'une distance entre le centre de deux antennes élémentaires adjacentes (pas du maillage pm ) est identique pour toutes les antennes 1 du réseau 2. Le réseau de la figure 6 permet d'obtenir une antenne réseau 2 avec une directivité fixée par le pas du réseau.
  • Alternativement, selon un autre mode de réalisation, les antennes élémentaires 1 du réseau 2 sont agencées dans une maille rectangulaire. C'est-à-dire que l'antenne réseau 2 présente un pas de maille différent selon la direction horizontale et la direction verticale. Ceci est utile quand le faisceau rayonné par l'antenne réseau est amenée à être pointée par balayage électronique dans une fenêtre angulaire Azimut-Elévation rectangulaire. C'est le cas par exemple d'un Radar SAR ou d'un Radar de surveillance aéroporté. Dans ce cas la maille du réseau peut être relâchée suivant l'axe correspondant à l'exploration angulaire moindre.
  • La figure 7 illustre schématiquement une antenne réseau 2 selon un mode de réalisation de l'invention, dans laquelle l'orientation des antennes élémentaires 1 est modifiée par rapport au réseau de la figure 6. Dans le mode de réalisation de la figure 7, les antennes élémentaires sont orientées de manière à pouvoir exciter des polarisations à +45° et -45° par rapport à celles excitées dans le réseau de la figure 6. Comme dans le réseau de la figure 6, le maillage du réseau de la figure 7 est carré et de pas pm identique à celui du réseau de la figure 6. En outre, l'encombrement total du réseau 2 de la figure 7 est identique à celui du réseau de la figure 6.
  • La figure 8 illustre schématiquement une antenne réseau 2 selon un mode de réalisation de l'invention, dans laquelle les antennes élémentaires 1 du réseau 2 sont agencées dans une maille triangulaire. Dans le mode de réalisation, à titre d'exemple non limitatif, la maille est en triangle équilatéral, aussi appelé maillage hexagonal et l'orientation des polarisations est quelconque. Par maillage hexagonal, on entend que le centre d'une antenne forme un triangle équilatéral de pas de maillage pm avec le centre de deux antennes adjacentes. Ceci est utile pour une antenne réseau dont le faisceau pointe par balayage électronique à l'intérieur d'un cône angulaire centré sut la normale au plan du réseau. C'est le cas par exemple d'un Radar aéroporté en pointe avant d'avion (Radar météo aéroporté, ou Radar de combat aéroporté). L'intérêt par rapport à un maillage carré est que, à surface d'antenne réseau donnée, on a besoin d'environ 15% d'éléments unitaires en moins pour « paver » la surface rayonnante, donc 15% de circuits actifs (modules) en moins, donc 15% de réduction de coût, au prix cependant d'une conception mécanique moins aisée.

Claims (16)

  1. Antenne élémentaire (1) de type micro-ruban comprenant un empilement de couches, empilées selon une direction z, ledit empilement comprenant :
    - un premier élément rayonnant conducteur (P1) en forme de disque présentant un premier centre (C1), un axe selon la direction z et passant par ledit premier centre étant appelé axe central (AC) ;
    - un dispositif d'excitation (DE) couplé au premier élément rayonnant et adapté pour exciter le premier élément rayonnant selon deux polarisations linéaires orthogonales (h, v), ledit dispositif d'excitation comprenant :
    • un premier dispositif d'excitation élémentaire couplé au premier élément rayonnant et comprenant une première ligne conductrice (L1) et un premier dispositif de répartition de puissance (DR1) adapté pour d'exciter le premier élément rayonnant à partir d'un premier signal d'entrée ;
    • un deuxième dispositif d'excitation élémentaire couplé au premier élément rayonnant et comprenant une deuxième ligne conductrice (L2) et un deuxième dispositif de répartition de puissance (DR2) adapté pour d'exciter le premier élément rayonnant à partir d'un deuxième signal d'entrée ;
    - un ensemble de couplage adapté pour coupler le dispositif d'excitation et le premier élément rayonnant, ledit ensemble de couplage comprenant :
    • une première fente (F1) comprenant un centre dit centre de fente (CF) situé sur ledit axe central
    • une deuxième fente (F2) comprenant un centre confondu avec le centre de fente, et sensiblement perpendiculaire à la première fente, la première et la deuxième fentes comprenant chacune des extrémités (E1, E1', E2, E2') en arc de cercle selon un même cercle (CL) centré sur ledit centre de fente
    lesdites fentes et lesdites couches empilées étant adaptées pour qu'un encombrement transverse de ladite antenne élémentaire soit en forme de disque.
  2. Antenne élémentaire selon la revendication précédente, dans laquelle le dispositif d'excitation comprend :
    - un premier (S1) et un deuxième (S2) segments de ligne conductrice, coplanaires et reliés à la première ligne conductrice, et non perpendiculaire à la première ligne conductrice (L1), un angle entre le premier segment (S1) et la première ligne conductrice étant opposé à un angle entre le deuxième segment (S2) et la première ligne conductrice.
    - un troisième (S3) et un quatrième (S4) segments de ligne conductrice, coplanaires et reliés à la deuxième ligne conductrice, et non perpendiculaire à la deuxième ligne conductrice (L2), un angle entre le troisième segment (S3) et la deuxième ligne conductrice étant opposé à un angle entre le quatrième segment (S4) et la deuxième ligne conductrice..
  3. Antenne élémentaire selon la revendication précédente, dans laquelle le premier et le deuxième segments sont parallèles à la première fente et dans laquelle le troisième et le quatrième segments sont parallèles à la deuxième fente.
  4. Antenne élémentaire selon la revendication précédente, dans laquelle un ensemble formé par le premier, le deuxième segments et une portion de la première ligne conductrice reliant le premier segment au deuxième segment, forme la lettre Z, et dans laquelle un ensemble formé par le troisième, le quatrième segments et une portion de la deuxième ligne conductrice reliant le troisième segment au quatrième segment, forme la lettre Z.
  5. Antenne élémentaire selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle le premier segment est en regard d'un bord de la première fente et le troisième segment est en regard d'un bord de la deuxième fente.
  6. Antenne élémentaire selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans laquelle lesdits segments de ligne conductrice sont sensiblement de même longueur.
  7. Antenne élémentaire selon la revendication précédente, dans lequel la longueur des segments de ligne conductrice est environ égale à λc /4 avec λc une longueur d'onde correspondant à une fréquence centrale d'une bande passante de ladite antenne élémentaire.
  8. Antenne élémentaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle un milieu de ladite première ligne est situé sur ledit axe central, dans laquelle un milieu de ladite deuxième ligne est situé sur ledit axe central, et dans laquelle la première et la deuxième lignes sont perpendiculaire entre elles.
  9. Antenne élémentaire selon la revendication précédente, dans laquelle la première ligne et la deuxième ligne sont formées sur deux faces opposées d'un premier substrat diélectrique (PI2).
  10. Antenne élémentaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ledit encombrement transverse est fixé à partir d'un diamètre dudit cercle.
  11. Antenne élémentaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un angle entre la première fente et la première ligne conductrice et un angle entre la deuxième fente et la deuxième ligne conductrice est égal à environ 45°.
  12. Antenne élémentaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les première et deuxième lignes conductrices sont interposées entre le premier élément rayonnant (P1) et la première et la deuxième fente, la première et la deuxième fente étant formées à partir d'un plan métallique, formant un plan de masse pour les première et deuxième lignes conductrices et pour le premier élément rayonnant.
  13. Antenne élémentaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un deuxième élément rayonnant (P2) en forme de disque superposé au premier élément rayonnant, et présentant un deuxième centre (C2) situé sur ledit axe central.
  14. Antenne réseau comprenant une pluralité d'antennes élémentaires selon l'une quelconques des revendications précédentes.
  15. Antenne réseau selon la revendication précédente, dans laquelle la pluralité d'antennes élémentaires est agencée avec un maillage carré ou rectangulaire.
  16. Antenne réseau selon la revendication 14, dans laquelle la pluralité d'antennes élémentaires est agencée avec un maillage triangulaire.
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