EP4220861A1 - Formateur de faisceaux quasi-optique a guide d'ondes a plaques paralleles superposees - Google Patents

Formateur de faisceaux quasi-optique a guide d'ondes a plaques paralleles superposees Download PDF

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EP4220861A1
EP4220861A1 EP23153543.6A EP23153543A EP4220861A1 EP 4220861 A1 EP4220861 A1 EP 4220861A1 EP 23153543 A EP23153543 A EP 23153543A EP 4220861 A1 EP4220861 A1 EP 4220861A1
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EP
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quasi
ports
optical
beamformer
network
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EP23153543.6A
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EP4220861C0 (fr
EP4220861B1 (fr
Inventor
Jean-Philippe Fraysse
Léonin Lassauce
Ségolène TUBAU
Hervé Legay
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Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/2664—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture electrically moving the phase centre of a radiating element in the focal plane of a focussing device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q25/00—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns
    • H01Q25/007—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns using two or more primary active elements in the focal region of a focusing device
    • H01Q25/008—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns using two or more primary active elements in the focal region of a focusing device lens fed multibeam arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0031—Parallel-plate fed arrays; Lens-fed arrays

Definitions

  • the invention relates generally to the field of telecommunications, and in particular to quasi-optical beamformers (FFQO) for active multibeam antennas.
  • FFQO quasi-optical beamformers
  • Quasi-optical beamformers can be onboard satellites or ground stations.
  • the antennas using such formatters can operate in transmission or in reception, reciprocally.
  • a quasi-optical beamformer is a focusing (receiving) and collimating (transmitting) device.
  • There figure 1 represents a state-of-the-art quasi-optical beamformer which can be applied for example to pillbox, continuous delay lens or Rotman beamformers.
  • a quasi-optical beamformer conventionally incorporates a guide with parallel plates 16, connecting beam ports 17 and network ports 18.
  • the waveguide with parallel plates 16 makes it possible to guide the waves in TEM mode (acronym for "Transverse Electrical Magnetic”), in which the electric field E and the magnetic field H evolve in directions perpendicular to the direction of propagation X.
  • Wavefronts are curved in the XY plane.
  • a quasi-optical device 23 is introduced between the beam ports and the network ports.
  • This quasi-optical device may for example be a lens as used for continuous delay lenses or a reflector as used for pillbox beamformers.
  • Each network port 18 is connected to an amplifier 19 followed by a radiating element 20 via a delay line 21 and an amplifier port 22. It transforms the cylindrical waves emanating from the beam ports into radiated plane waves by the radiating panel of the multibeam active antenna.
  • Quasi-optical beamformers produce multiple axis-aligned beams that usually intersect at a gain level that can be up to 10 dB below the maximum gain of the beams, as illustrated by there figure 2 .
  • Such limitations are conventional and usually observed for any multibeam antenna associating an optical system (for example a reflector, a lens) and a focal network of passive multi-sources, each of them defining a spot access.
  • signal apodization on the output ports is used to broaden the main lobe of each beam while lowering the level of their sidelobes. The widening of the main lobe allows a better overlapping of the beams but does not allow the addition of additional beams.
  • this solution leads to a reduction in the gain of the active antenna, for a given number of radiating elements, and is therefore not desirable.
  • FIG. 3 illustrates the simplified operation of an E-plane combiner/splitter, in which the sources are superimposed on two different levels (Port 1 and Port 2; port 3 corresponds to the output port). Indeed, operation in odd mode highlights the low isolation between the input ports and the poor adaptation of the excited input port (the E field lines are not straight).
  • An object of the invention is therefore a quasi-optical beamformer, comprising a set of beam ports, a set of network ports, a quasi-optical device and at least one waveguide with parallel plates extending between the beam ports and the network ports, the beam ports and/or the network ports being superposed on at least two stages, each of the at least two stages being separated by a common conductive plane with two adjacent stages, the quasi-optical beamformer comprising a resistive film arranged in the continuity of the conductive plane.
  • the quasi-optical beamformer comprises a plurality of superimposed parallel plate waveguides, each superimposed parallel plate waveguide being arranged facing the beam ports and/or facing the network ports of the same stage, the former further comprising a common parallel plate waveguide, disposed in continuity with the superposed parallel plate waveguides, the resistive film being disposed at the junction between each superimposed parallel plate waveguide and the waveguide of common parallel plate waves.
  • the resistive film is adjacent to the beam ports.
  • the resistive film is adjacent to the network ports.
  • each beam port having an identical width between two consecutive beam ports of the same stage the beam ports of two adjacent superimposed stages are offset by the width of the beam port divided by the number of stages of beam ports.
  • the beam ports are superposed on at least four stages, the length of each conductive plane along the direction of propagation of a wave in the quasi-optical beamformer being variable from one stage to another.
  • the bundle ports have different dimensions, from one floor to another.
  • each network port having an identical width between two consecutive network ports of the same floor the network ports of two adjacent superposed levels are offset by the width of the network port divided by the number of network port floors.
  • the network ports of a stage are all configured to be coupled to an antenna, and the network ports of a superimposed adjacent stage are all configured to be coupled to a load not connected to the antenna.
  • the quasi-optical beamformer comprises, on each of the side edges, a plurality of absorption devices configured to absorb the energy not transmitted between the beam ports and the network ports, said absorption devices being superimposed on the at least two stages, the position of the absorption devices being offset by a distance corresponding to ⁇ g /4, where ⁇ g designates the wavelength guided in the quasi-optical beamformer, the resistive film being arranged between the absorption devices of two superimposed stages.
  • the absorbent devices include dummy ports or an absorbent.
  • the network ports and/or the beam ports comprise coaxial lines, coaxial guides, strip lines or microstrip lines.
  • the quasi-optical beamformer is produced in the form of a multilayer PCB printed circuit, the waveguide with parallel plates being filled with a dielectric material, the beam ports being produced using SIW technology.
  • the invention also relates to an active antenna comprising an aforementioned quasi-optical beamformer, and a plurality of radiating elements connected at the output of said beamformer.
  • the dimensions of the network ports are smaller than the dimensions of the radiating elements.
  • the quasi-optical beamformer includes a plate waveguide upper parallels 2 and a lower parallel plate waveguide 3, superimposed with respect to each other. They thus share a common conducting plane 4, which constitutes the lower wall of the upper parallel plate waveguide 2, and the upper wall of the lower parallel plate waveguide 3.
  • the upper and lower parallel plate waveguides lower extend in the XY plane, so they are superimposed in the Z direction.
  • the upper and lower parallel plate waveguides are not superimposed over the entire extent of the quasi-optical beamformer, but only over a portion of it. Beyond a certain distance from the focal array of beam ports, the upper parallel plate waveguide 2 and the lower parallel plate waveguide 3 form, in the absence of a metallic plane, a guide common parallel plate waves 5.
  • the quasi-optical beamformer also includes a set of upper beam ports 6 for feeding the upper parallel plate waveguide 2.
  • the upper beam ports 6 are located in the plane of the upper parallel plate waveguide 2 .
  • the quasi-optical beamformer includes a set of lower beam ports 8 for feeding the lower parallel plate waveguide 3.
  • the lower beam ports 8 are located in the plane of the waveguide at lower parallel plates 3.
  • the quasi-optical beamformer also comprises a set of network ports (7, 9), which can be arranged on one and the same level, in order to transmit the signals to the radiating elements.
  • Each beam port 6 and the lower beam ports 8 are located in the focal plane of the quasi-optical device 10.
  • Each beam port comprises a source for generating a TEM wave (for "Transverse Electromagnetic” in English), a TE wave (for "Transverse Electric” in English) or both.
  • the sources are horns, in particular H-plane horns, which are particularly suitable for performing beam reconfiguration, each source of the beam port defining a spot access.
  • Horns can easily be designed and manufactured in PCB technology.
  • the quasi-optical beamformer comprises a single stage of beam ports, a set of upper network ports 7, and a set of lower network ports 9.
  • a resistive film is arranged in the continuity of the conductive plane which separates the guide from upper wave and the lower waveguide, as shown in the figure 5 .
  • the resistive film is a layer which has a squared resistivity such that when current lines pass through the resistive film, a certain amount of energy is dissipated, which reduces the coupling between the beam ports.
  • the resistive film 11 can be closer to the beam ports than to the quasi-optical device, or conversely be closer to the quasi-optical device than to the beam ports.
  • the resistive film can be more or less wide (the width corresponds to the dimension along the longitudinal direction X).
  • the resistive film 11 can be adjacent to the bundle ports, and/or adjacent to the network ports, namely in direct connection with the ports.
  • the beamformer only comprises a single waveguide with parallel plates, on a single and unique stage.
  • the dimension of the resistive film, in the direction of propagation X, can advantageously be greater than or equal to ⁇ g /4, where ⁇ g designates the wavelength guided in the quasi-optical beamformer 1.
  • the resistive film may for example comprise a nickel-phosphorus alloy.
  • resistive film 11 it is advantageous to arrange the resistive film 11 over the entire length of the metal plane 4, in the transverse direction Y, so as to dissipate the energy even for the most eccentric beam ports, with respect to the main axis of the device quasi -optical.
  • the presence of the resistive film at the level of the superimposed beam ports makes it possible to free up space for the size of the sources, so that They perfectly illuminate the network ports, with an apodized law, also allowing to reduce the secondary lobes. Larger sources also make it possible to limit the amplitude of the field on the edges of the quasi-optical beamformer, and to minimize the parasitic reflections thereon.
  • the beam ports (6, 8) and the network ports (7, 9) are superposed on at least two stages (33, 34).
  • the upper beam ports 6 and the lower beam ports 8 can be offset relative to each other in the transverse direction Y, by a predefined distance. The offset is therefore performed in the focal plane of the quasi-optical device 10.
  • the predefined distance is advantageously equal to the width of the beam port divided by the number of stages (33, 34) of beam ports, which makes it possible to obtain a compact network of beam ports.
  • the predefined distance is equal to half the width of the beam port (d 2 /2, d 2 corresponding to the width of a beam port) and the center d an upper beam port coincides with the junction between two lower beam ports, and vice versa.
  • FIG 7 schematically illustrates the operation of the quasi-optical beamformer according to the invention, at the junction between the upper parallel plate waveguide 2 and the lower parallel plate waveguide 3 on the one hand, and the common parallel plate waveguide 5 on the other hand.
  • the resistive film 11 makes it possible to isolate the upper 6 and lower 8 beam ports, and to obtain, at the level of the output port 24, located in the common parallel plate waveguide 5, the summation without losses of the signals coming from of the input beam ports when they are in phase and of the same amplitude (diagram a) of the figure 7 ).
  • the resistive film 11 thus makes it possible to solve the coupling problems that can be found in the state of the art.
  • FIG 8 illustrates the radiation pattern of an active multibeam antenna comprising a quasi-optical beamformer according to the invention, in which the beam ports are superimposed on two levels.
  • the multibeam active antenna also comprises a radiating panel connected at the output of the beamformer.
  • the abscissa represents the angle of depointing of the antenna.
  • the number of the beam port (1 to 22), visible on the right part of the figure which represents the quasi-optical beamformer, is found in the number of the main lobe on the left part of the figure.
  • the overlapping level is about 2/3 dB, which greatly minimizes the losses linked to the overlapping of the beams, in comparison with the 9 dB observed when the beam ports are located on one and the same level.
  • the resistive film 11 thus makes it possible to adapt the upper and lower parallel plate waveguides to the common parallel plate guide, while ensuring low mutual coupling between the sources.
  • the formatter according to the invention thus guarantees high-speed transmissions between the satellites and fixed or fast-moving users (trains, planes, etc.).
  • the level of overlapping can be further improved by increasing the number of stages, for example by arranging the beam ports on four stages.
  • the quasi-optical beamformer comprises more than two stages, in this case four stages (33, 34, 35, 36).
  • a resistive film (37, 38, 39) is arranged between each stage, adjacent to the beam ports.
  • the beam ports of two superimposed stages can advantageously be offset by a predefined distance equal to the width of the beam port divided by the number of stages of beam ports. It can also be provided, in a configuration with four or more stages illustrated by the figure 10 , that the length of each conductive plane (41, 42, 43) along the direction X of propagation of a wave in the quasi-optical beamformer 1, is variable from one stage to another, so, for example , to balance the coupling between the beam ports, in a progressive manner.
  • the conductive plane 42 located at mid-height is the longest, among all the conductive planes.
  • the conductive plane located at mid-height 41 is assigned a length less than that of the median conductive plane 42, and so on (cutting by dichotomy).
  • the resistive films (111, 112, 113) are arranged at the end of the conductive planes (41, 42, 43).
  • This embodiment ensures a balanced coupling between the beam ports, and a good distribution of the E field in even mode.
  • the quasi-optical beamformer according to the invention is produced in the form of a multilayer PCB printed circuit.
  • the permittivity ⁇ r of the dielectric materials integrated in the beamformer makes it possible to reduce the guided wavelength inside the quasi-optical beamformer by a factor of 7 ⁇ 7, and to reduce by this same factor the dimensions of the trainer.
  • the quasi-optical device 10 is integrated in a guide with parallel plates loaded with dielectric, and the beam ports can be made using SIW (Substrate Integrated Waveguide) technology.
  • the method of manufacturing the quasi-optical beamformer thus comprises a step of etching the resistive film, at the locations where the resistive film is provided.
  • the manufacturing technique of a PCB quasi-optical beamformer lends itself particularly well to the addition of a resistive film in the former.
  • Quasi-optical beamformers in the form of a multi-layer PCB printed circuit can cause more losses than formers in the form of a metal guide. Nevertheless, for active antennas, the amplifiers are integrated into the radiating panel (all the amplifiers contribute to the formation of the beam); they are therefore not integrated before the trainer, which leaves more tolerance for losses.
  • the dimensions of the beam ports are different from one floor to another.
  • the number of beam ports is different from one stage to another.
  • stage 37 comprises three beam ports 70
  • stage 38 comprises four beam ports 71.
  • the beam ports of stage 37 are wider (in the transverse direction Y) than the beam ports of stage 38.
  • a portion of resistive film 11 extends at the junction between stage 37 and stage 38, at the output of the beam ports.
  • the embodiment illustrated by the figure 11 can be extended to more than two floors, for example four floors or even more, with a conductor plane length which is fixed or variable from one floor to another.
  • the front of the cylindrical waves excited by the beam ports of the quasi-optical beamformer are oriented towards the barycenter of the network ports.
  • the electric field transmitted is therefore maximum at the center of the network ports, and the intensity of the electric field can decrease for the ports located at the periphery.
  • the quasi-optical beamformer in order to reduce the residual electric field at the edges, includes, on its edges sides (25, 26), a first absorption device 12 in the upper stage 33, and a second absorption device 13 in the lower stage 34.
  • the side edges (25, 26) are the edges located in the transmission line, between the beam ports and the quasi-optical device ( figure 4 ).
  • the absorbers are configured to absorb non-transmitted energy between the beam ports (6, 8) and the network ports (7, 9), thereby minimizing spurious reflections off the edges of the quasi-optical beamformer .
  • the first absorption device 12 and the second absorption device 13 can extend over the entire length of the corresponding lateral edge, namely entirely between the most eccentric beam ports and the quasi-optical device.
  • the absorption devices can extend from the resistive film 11 to the quasi-optical device 10, along the longitudinal direction X.
  • the position of the first absorption device 12 and of the second absorption device 13 is advantageously offset by a distance corresponding to ⁇ g /4 in the transverse direction Y, where ⁇ g denotes the wavelength guided in the quasi-optical beams 1.
  • the direction of the offset i.e. which absorber is set back from the other, does not matter.
  • the resistive film 11 is placed between the first absorption device 12 and the second absorption device 13.
  • the resistive film 11 can extend beyond the absorption devices, in the transverse direction Y.
  • the resistive film 11 can be arranged in the continuity of the metallic plane and between the first absorption device 12 and the second absorption device 13, as illustrated in the figure 12 .
  • the offset of the position of the first absorption device 12 and of the second absorption device 13 by a distance corresponding to ⁇ g/4 in the transverse direction Y generates a phase opposition between the parasitic reflections coming from the absorbers.
  • the signal resulting from the combination in phase opposition is absorbed by the resistive film 11.
  • the absorption devices can comprise an absorbent material, for example an epoxy foam loaded with magnetic particles.
  • absorption devices may comprise dummy ports 33.
  • Each dummy port may be in the form of a structure provided with a portion of resistive film 71, conductive side walls 72, and a transverse conductive link 70 which extends on either side of each side wall.
  • the absorber devices may include a plurality of dummy ports loaded with resistive loads.
  • FIG 14 illustrates an alternative layout of the network ports, in which the network ports 50 of a stage 33 are configured to be all coupled to an antenna, and the network ports 51 of an adjacent stage 34 are configured to be all coupled to a load 52 not connected to the antenna, which may be a resistive film. Coupling to a load 52 not connected to the antenna can be achieved by using horns connected to loads via transitions between rectangular guides and microstrip lines 53.
  • FIG. 15 Another alternative arrangement is illustrated by the figure 15 .
  • the network ports on two levels use transitions between parallel plate guides and coaxial guides 54.
  • the ports 56 of one of the two levels are connected to loads 55, which can comprise a resistive film.
  • Ports 57 of the adjacent level are connected to the antenna.
  • FIG. 16 Another alternative arrangement is illustrated by the figure 16 .
  • the network ports on two levels use transitions between parallel plate guides and microstrip lines 57.
  • the ports 60 of one of the two levels are connected to loads 58 (for example resistive films).
  • Ports 59 of the adjacent level are connected to the antenna.
  • This arrangement makes it possible to reduce parasitic reflections at high incidences and to use network port widths greater than 0.6 ⁇ g .
  • network ports of widths less than 0.6 ⁇ g are used to limit these parasitic reflections.
  • the incident waves are partially reflected on the network ports of each floor. This reflection increases with the size of the network ports and the incidence of the wave.
  • the partial reflections of each stage are then in phase opposition when the network ports are offset by a half-period. They are then absorbed by the resistive film.
  • This partial reflection cancellation works for port widths down to 0.8 ⁇ g or even 0.9 ⁇ g , to reduce the angle of incidence of the quasi-optical beamformer waves ⁇ QO required to feed the antenna .
  • the spacing d 1 between the radiating elements of the antenna is imposed by the constraint of placing the array lobes of the antenna outside the coverage of the antenna.
  • the spacing between the radiating elements is of the order of 3.1 ⁇ where ⁇ designates the wavelength in the empty.
  • the upper and lower network ports are configured to be alternately coupled, in the transverse direction Y, to an antenna and to a load not connected to the antenna.
  • the set of upper network ports alternately comprises an upper network port 27 connected to the antenna (not visible on the figure 17 ), and a network port 28 connected to a load which is not connected to the antenna.
  • the set of lower network ports alternately includes a lower network port 29 connected to a load that is not connected to the antenna, and a network port 30 connected to the antenna.
  • This operation explained for an antenna in reception is also transposed in the case of an antenna in transmission.
  • a wave incident on the network ports for an oblique incidence is partially reflected in the direction of the network lobe.
  • the partial reflections then convert to an odd mode, which vanishes into the resistive film.
  • the invention also relates to an active antenna comprising the aforementioned quasi-optical beamformer, and a radiating panel connected at the output of the beamformer.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

L'invention se rapporte à un formateur de faisceaux quasi-optique (1), comprenant un ensemble de ports faisceaux (6, 8), un ensemble de ports réseaux, un dispositif quasi-optique et au moins un guide d'ondes à plaques parallèles (2, 3, 5) s'étendant entre les ports faisceaux (6, 8) et les ports réseaux, les ports faisceaux (6, 8) et/ou les ports réseaux étant superposés sur au moins deux étages, chacun des au moins deux étages étant séparés par un plan conducteur (4) commun à deux étages adjacents, le formateur de faisceaux quasi-optique (1) comprenant un film résistif (11) disposé dans la continuité du plan conducteur (4).

Description

    Domaine technique
  • L'invention concerne de manière générale le domaine des télécommunications, et en particulier les formateurs de faisceaux quasi-optiques (FFQO) pour antennes actives multifaisceaux.
  • Les formateurs de faisceaux quasi-optiques peuvent être embarqués dans des satellites ou dans des stations au sol. Les antennes utilisant de tels formateurs peuvent fonctionner en émission ou en réception, de façon réciproque.
  • Un formateur de faisceaux quasi-optiques est un dispositif focalisant (en réception) et collimatant (en émission). La figure 1 représente un formateur de faisceaux quasi-optiques de l'état de l'art pouvant s'appliquer par exemple aux formateurs de faisceaux pillbox, à lentille à retard continue ou Rotman. Un formateur de faisceaux quasi-optiques intègre classiquement un guide à plaques parallèles 16, reliant des ports faisceaux 17 et des ports réseaux 18. Le guide d'ondes à plaques parallèles 16 permet de guider les ondes en mode TEM (acronyme pour « Transverse Electrique Magnétique »), dans lequel le champ électrique E et le champ magnétique H évoluent dans des directions perpendiculaires à la direction de propagation X.
  • Les fronts d'onde sont incurvés dans le plan XY. Afin de compenser la courbure du front d'onde, un dispositif quasi-optique 23 est introduit entre les ports faisceaux et les ports réseaux. Ce dispositif quasi-optique peut-être par exemple une lentille telle qu'utilisée pour les lentilles à retard continue ou un réflecteur tel qu'utilisé pour les formateurs de faisceaux pillbox. Chaque port réseau 18 est connecté à un amplificateur 19 suivi d'un élément rayonnant 20 par l'intermédiaire d'une ligne à retard 21 et d'un port amplificateur 22. Il transforme les ondes cylindriques émanant des ports faisceaux en des ondes planes rayonnées par le panneau rayonnant de l'antenne active multifaisceaux.
  • Les formateurs de faisceaux quasi-optiques produisent des faisceaux multiples alignés selon un axe, qui se recoupent usuellement à un niveau de gain qui peut être jusqu'à 10 dB inférieur au gain maximum des faisceaux, comme illustré par la figure 2. De telles limitations sont classiques et usuellement observées pour toute antenne multifaisceaux associant un système optique (par exemple un réflecteur, une lentille) et un réseau focal de multi-sources passives, chacune d'entre elles définissant un accès spot.
  • Ce niveau de recoupement des faisceaux provient d'un compromis sur la taille de ces sources qui doit répondre à deux contraintes antagonistes : d'une part, elles doivent être suffisamment larges pour bien illuminer le système optique, et ainsi éviter des pertes par débordement, et d'autre part, elles doivent être suffisamment proches pour que les faisceaux se recouvrent.
  • Lorsqu'une zone géographique est couverte par une antenne produisant ce regroupement de faisceaux, certaines stations terrestres sont alors exposées à un gain antenne diminué de ces pertes de recoupement. Il est donc souhaitable de minimiser ces pertes de recoupement, et donc de réaliser des faisceaux multiples qui se recouvrent à un haut niveau de gain.
  • Plusieurs solutions ont été envisagées pour minimiser les pertes liées au recoupement des faisceaux.
  • Il est par exemple connu d'utiliser deux formateurs de faisceaux quasi-optiques avec des sources intercalées, comme divulgué par exemple dans la demande de brevet WO 2013/110793 A1 . L'utilisation de ces deux formateurs permet de doubler la densité de faisceaux sur un secteur angulaire donné. Cette solution nécessite toutefois deux formateurs de faisceaux quasi-optiques, ainsi qu'un étage de combinaison. Il en résulte une masse plus importante, ainsi qu'un accroissement de complexité très important pour le cas d'une formation de faisceaux bidimensionnelle.
  • D'autres solutions utilisent des sources plus petites avec recombinaison glissante de deux sources adjacentes, comme divulgué dans l'article « A theoretical limitation on the formation of lossless multiple beam antennas » (J.L. Allen, IRE Trans., 1961, AP-9, pp. 350-352). Cette approche permet de réaliser des sources équivalentes qui sont suffisamment larges et qui se superposent partiellement de sorte que les faisceaux associés se recouperont à un niveau plus élevé. Cette solution nécessite toutefois de rajouter un circuit associant diviseur et combineur, ce qui complexifie le formateur et engendre des pertes supplémentaires.
  • Dans d'autres solutions, une apodisation du signal sur les ports de sortie est utilisée pour élargir le lobe principal de chaque faisceau tout en abaissant le niveau de leurs lobes secondaires. L'élargissement du lobe principal permet un meilleur recoupement des faisceaux mais ne permet pas l'ajout de faisceaux supplémentaires. Pour réaliser cette apodisation, il est requis de moduler l'amplitude du signal de sortie en fonction de la position de l'élément rayonnant dans le réseau. Cela peut être réalisé de manière passive à l'aide d'atténuateurs ou bien de manière active avec une amplification variable en fonction de la position de chaque élément dans la maille du réseau. Cette solution entraîne cependant une réduction du gain de l'antenne active, pour un nombre d'élément rayonnant donné, et n'est donc pas souhaitable.
  • Dans une autre approche décrite dans l'article « Reconfigurable Multi-Beam Pillbox Antenna for Millimeter Wave Automotive Radars » (M. Ettorre, R. Sauleau, Proc. ITST, pp. 87-90, 2009), des sources sont superposées sur deux niveaux différents, ce qui génère toutefois un couplage important entre les accès.
  • La figure 3 illustre le fonctionnement simplifié d'un combineur/diviseur plan E, dans lequel les sources sont superposées sur deux niveaux différents (Port 1 et Port 2 ; le port 3 correspond au port de sortie). En effet, le fonctionnement en mode impair met bien en évidence la faible isolation entre les ports d'entrée et la mauvaise adaptation du port d'entrée excité (les lignes de champ E ne sont pas rectilignes).
  • Il existe ainsi un besoin pour des formateurs de faisceaux quasi-optique améliorés, capables de minimiser les pertes liées au recoupement des faisceaux, sans accroissement significatif de la complexité et/ou de l'encombrement.
    • Résumé de l'invention
  • Un objet de l'invention est donc un formateur de faisceaux quasi-optique, comprenant un ensemble de ports faisceaux, un ensemble de ports réseaux, un dispositif quasi-optique et au moins un guide d'ondes à plaques parallèles s'étendant entre les ports faisceaux et les ports réseaux, les ports faisceaux et/ou les ports réseaux étant superposés sur au moins deux étages, chacun des au moins deux étages étant séparés par un plan conducteur commun à deux étages adjacents, le formateur de faisceaux quasi-optique comprenant un film résistif disposé dans la continuité du plan conducteur.
  • Avantageusement, le formateur de faisceaux quasi-optique comprend une pluralité de guide d'ondes à plaques parallèles superposés, chaque guide d'ondes à plaques parallèles superposé étant disposé face aux ports faisceaux et/ou face aux ports réseaux d'un même étage, le formateur comprenant en outre un guide d'ondes à plaques parallèles commun, disposé dans la continuité des guides d'ondes à plaques parallèles superposés, le film résistif étant disposé à la jonction entre chaque guide d'ondes à plaques parallèles superposé et le guide d'ondes à plaques parallèles commun.
  • Avantageusement, le film résistif est attenant aux ports faisceaux.
  • Avantageusement, le film résistif est attenant aux ports réseaux.
  • Avantageusement, chaque port faisceau ayant une largeur identique entre deux ports faisceaux consécutifs d'un même étage, les ports faisceaux de deux étages superposés adjacents sont décalés de la largeur du port faisceau divisée par le nombre d'étages de ports faisceaux.
  • Avantageusement, les ports faisceaux sont superposés sur au moins quatre étages, la longueur de chaque plan conducteur selon la direction de propagation d'une onde dans le formateur de faisceaux quasi-optique étant variable d'un étage à l'autre.
  • Avantageusement les ports faisceaux ont des dimensions différentes, d'un étage à l'autre.
  • Avantageusement, chaque port réseau ayant une largeur identique entre deux ports réseau consécutifs d'un même étage, les ports réseaux de deux niveaux superposés adjacents sont décalés de la largeur du port réseau divisée par le nombre d'étages de ports réseaux.
  • Avantageusement, les ports réseaux d'un étage sont configurés pour être tous couplés à une antenne, et les ports réseaux d'un étage adjacent superposé sont configurés pour être tous couplés à une charge non connectée à l'antenne.
  • Avantageusement, le formateur de faisceaux quasi-optique comprend, sur chacun des bords latéraux, une pluralité de dispositifs d'absorption configurés pour absorber l'énergie non transmise entre les ports faisceaux et les ports réseaux, lesdits dispositifs d'absorption étant superposés sur les au moins deux étages, la position des dispositifs d'absorption étant décalée d'une distance correspondant à λg/4, où λg désigne la longueur d'onde guidée dans le formateur de faisceaux quasi-optique, le film résistif étant disposé entre les dispositifs d'absorption de deux étages superposés.
  • Avantageusement, les dispositifs d'absorption comprennent des ports factices ou un absorbant.
  • Avantageusement, les ports réseaux et/ou les ports faisceaux comprennent des lignes coaxiales, des guides coaxiaux, des lignes triplaques ou des lignes microrubans.
  • Avantageusement, le formateur de faisceaux quasi-optique est réalisé sous forme de circuit imprimé PCB multicouches, le guide d'ondes à plaques parallèles étant chargés d'un matériau diélectrique, les ports faisceaux étant réalisés en technologie SIW.
  • L'invention se rapporte aussi à une antenne active comprenant un formateur de faisceaux quasi-optique précité, et une pluralité d'éléments rayonnants connectés en sortie dudit formateur de faisceaux.
  • Avantageusement les dimensions des ports réseaux sont inférieures aux dimensions des éléments rayonnants.
    • 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.
    • La figure 1 illustre une antenne comprenant un formateur de faisceaux quasi-optique selon l'état de l'art.
    • La figure 2 illustre le diagramme de rayonnement pour différents angles de dépointage, avec un formateur de faisceaux quasi-optique selon l'état de l'art.
    • La figure 3 illustre plusieurs représentations schématiques du fonctionnement d'un combineur plan E selon l'état de l'art.
    • La figure 4 illustre une vue de dessus (parallèle au plan XY) du formateur de faisceaux quasi-optique selon un mode de réalisation de l'invention.
    • La figure 5 illustre une vue en perspective du formateur de faisceaux quasi-optique, selon la coupe de la figure 4.
    • La figure 6 illustre une vue en perspective d'un mode de réalisation de l'agencement de port du formateur de faisceaux quasi-optique selon l'invention, dans lequel les ports sont décalés les uns par rapport aux autres.
    • La figure 7 illustre plusieurs représentations schématiques du fonctionnement d'un combineur plan E selon un mode de réalisation de l'invention.
    • La figure 8 illustre le diagramme de rayonnement pour différents angles de dépointage, avec un formateur de faisceaux quasi-optique selon un mode de réalisation de l'invention.
    • La figure 9 illustre une vue en perspective d'un mode de réalisation de l'agencement de port faisceaux du formateur de faisceaux quasi-optique selon l'invention, comprenant quatre étages de ports faisceaux.
    • La figure 10 illustre une représentation schématique, dans le plan XZ, d'un mode de réalisation de l'agencement de port faisceaux du formateur de faisceaux quasi-optique selon l'invention, comprenant quatre étages de ports faisceaux.
    • La figure 11 illustre une vue en perspective d'un mode de réalisation de l'agencement de port faisceaux, dans lequel les ports faisceaux ont différentes dimensions.
    • La figure 12 illustre une vue en perspective d'un bord du formateur de faisceaux quasi-optique selon un mode de réalisation de l'invention, comprenant des absorbants.
    • La figure 13 illustre une vue en perspective d'un bord du formateur de faisceaux quasi-optique selon un mode de réalisation de l'invention, comprenant des ports factices.
    • Les figures 14, 15 et 16 illustrent différents modes de réalisation d'implémentation des ports réseaux et/ou des ports faisceaux.
    • La figure 17 illustre une vue en perspective des ports réseaux du formateur de faisceaux quasi-optique selon un mode de réalisation de l'invention, dans lequel les ports réseaux sont alternativement connectés à une charge non connectée à l'antenne.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention illustré par les figures 4 et 5, le formateur de faisceaux quasi-optique comprend un guide d'ondes à plaques parallèles supérieur 2 et un guide d'ondes à plaques parallèles inférieur 3, superposés l'un par rapport à l'autre. Ils partagent ainsi un plan conducteur commun 4, qui constitue la paroi inférieure du guide d'ondes à plaques parallèles supérieur 2, et la paroi supérieure du guide d'ondes à plaques parallèles inférieur 3. Les guides d'ondes à plaques parallèles supérieur et inférieur s'étendent dans le plan XY, ils sont donc superposés selon la direction Z.
  • Les guides d'ondes à plaques parallèles supérieur et inférieur ne sont pas superposés sur toute l'étendue du formateur de faisceaux quasi-optique, mais seulement sur une partie de celui-ci. Au-delà d'une certaine distance à partir du réseau focal de ports faisceaux, le guide d'ondes à plaques parallèles supérieur 2 et le guide d'ondes à plaques parallèles inférieur 3 forment, en l'absence de plan métallique, un guide d'ondes à plaques parallèles commun 5.
  • Le formateur de faisceaux quasi-optique comprend également un ensemble de ports faisceaux supérieurs 6 destinés à alimenter le guide d'ondes à plaques parallèles supérieur 2. Les ports faisceaux supérieurs 6 sont situés dans le plan du guide d'ondes à plaques parallèles supérieur 2.
  • De la même manière, le formateur de faisceaux quasi-optique comprend un ensemble de ports faisceaux inférieurs 8 destinés à alimenter le guide d'ondes à plaques parallèles inférieur 3. Les ports faisceaux inférieurs 8 sont situés dans le plan du guide d'ondes à plaques parallèles inférieur 3.
  • Le formateur de faisceaux quasi-optique comprend également un ensemble de ports réseaux (7, 9), qui peuvent être disposés sur un seul et même niveau, afin de transmettre les signaux aux éléments rayonnants.
  • Les ports faisceaux supérieurs 6 et les ports faisceaux inférieurs 8 sont situés dans le plan focal du dispositif quasi-optique 10. Chaque port faisceau comprend une source pour générer une onde TEM (pour « Transverse Electromagnetic » en anglais), une onde TE (pour « Transverse Electric » en anglais) ou bien les deux.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, les sources sont des cornets, en particulier des cornets en plan H, qui sont particulièrement adaptés pour réaliser de la reconfiguration de faisceaux, chaque source du port faisceau définissant un accès spot.
  • Cependant, il est à noter que d'autres formes de sources bien connues peuvent être utilisées (réseaux de monopoles, transitions entre lignes micro-ruban et guide à plaques parallèles, transitions entre lignes tri-plaques et guide à plaques parallèles, transitions entre guides coaxiaux et guide à plaques parallèles, etc.). Les cornets peuvent facilement être conçus et fabriqués en technologie PCB.
  • Selon un autre mode de réalisation, le formateur de faisceaux quasi-optique comprend un seul étage de ports faisceaux, un ensemble de ports réseaux supérieurs 7, et un ensemble de ports réseaux inférieurs 9.
  • A la jonction entre le guide d'onde supérieur et le guide d'onde inférieur d'une part, et le guide d'onde commun d'autre part, un film résistif est disposé dans la continuité du plan conducteur qui sépare le guide d'onde supérieur et le guide d'onde inférieur, comme l'illustre la figure 5.
  • Le film résistif est une couche qui a une résistivité au carré telle que quand des lignes de courant traversent le film résistif, une certaine quantité d'énergie est dissipée, ce qui réduit le couplage entre les ports faisceaux.
  • Selon des modes de réalisation, le film résistif 11 peut être plus proche des ports faisceaux que du dispositif quasi-optique, ou à l'inverse être plus proche du dispositif quasi-optique que des ports faisceaux. De même, le film résistif peut être plus ou moins large (la largeur correspond à la dimension selon la direction longitudinale X).
  • En variante, le film résistif 11 peut être attenant aux ports faisceaux, et/ou attenant aux ports réseaux, à savoir en connexion directe avec les ports. Dans ce cas, le formateur de faisceaux ne comprend qu'un seul guide d'ondes à plaques parallèles, sur un seul et unique étage.
  • Il est possible de définir les dimensions ainsi que les caractéristiques du film résistif 11 au moyen de mesures empiriques réalisées lors d'une phase de simulation ou lors d'une phase de calcul, de façon à obtenir le niveau de découplage souhaité entre les ports faisceaux.
  • La dimension du film résistif, dans la direction de propagation X, peut avantageusement être supérieure ou égale à λ g /4, où λ g désigne la longueur d'onde guidée dans le formateur de faisceaux quasi-optique 1.
  • Le film résistif peut comprendre par exemple un alliage de nickel-phosphore.
  • Il est avantageux de disposer le film résistif 11 sur toute la longueur du plan métallique 4, selon la direction transverse Y, de façon à dissiper l'énergie même pour les ports faisceaux les plus excentrés, par rapport à l'axe principal du dispositif quasi-optique.
  • La présence du film résistif, dans la continuité du plan conducteur (soit directement en contact avec les ports faisceaux ou les ports réseaux, soit à la jonction entre les guides superposés et le guide d'ondes à plaques parallèles commun), permet de minimiser les pertes liées au recoupement des faisceaux.
  • Par ailleurs, la présence du film résistif au niveau des ports faisceaux superposés (de façon attenante, ou au niveau de la jonction avec un guide d'onde à plaques parallèles commun) permet de libérer de la place pour la taille des sources, afin qu'elles illuminent parfaitement les ports réseaux, avec une loi apodisée, permettant également de réduire les lobes secondaires. Des sources de plus grande taille permettent également de limiter l'amplitude du champ sur les bords du formateur de faisceaux quasi-optique, et de minimiser les réflexions parasites sur ceux-ci.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, les ports faisceaux (6, 8) et les ports réseaux (7, 9) sont superposés sur au moins deux étages (33, 34).
  • Selon un autre mode de réalisation, illustré par la figure 6, les ports faisceaux supérieurs 6 et les ports faisceaux inférieurs 8 peuvent être décalés l'un par rapport à l'autre selon la direction transverse Y, d'une distance prédéfinie. Le décalage est donc effectué dans le plan focal du dispositif quasi-optique 10.
  • La distance prédéfinie est avantageusement égale à la largeur du port faisceau divisée par le nombre d'étages (33, 34) de ports faisceaux, ce qui permet d'obtenir un réseau compact de ports faisceaux.
  • Ainsi, comme l'illustre la figure 6, pour un formateur de faisceau comprenant deux étages (33, 34), la distance prédéfinie est égale à une demi-largeur du port faisceau (d2/2, d2 correspondant à la largeur d'un port faisceau) et le centre d'un port faisceau supérieur coïncide avec la jonction entre deux ports faisceaux inférieurs, et réciproquement.
  • La figure 7 illustre, de façon schématique, le fonctionnement du formateur de faisceaux quasi-optique selon l'invention, à la jonction entre le guide d'ondes à plaques parallèles supérieur 2 et le guide d'ondes à plaques parallèles inférieur 3 d'une part, et le guide d'ondes à plaques parallèles commun 5 d'autre part.
  • Le film résistif 11 permet d'isoler les ports faisceaux supérieurs 6 et inférieurs 8, et d'obtenir, au niveau du port de sortie 24, situé dans le guide d'ondes à plaques parallèles commun 5, la sommation sans pertes des signaux provenant des ports faisceaux d'entrées lorsqu'ils sont en phase et de même amplitude (schéma a) de la figure 7).
  • En effet, dans le mode équilibré (ou pair) le potentiel électrique de part et d'autre du film résistif 11 étant identique, il n'y a pas de ligne de courant créée dans la partie résistive.
  • Par contre dans le cas d'un déséquilibre entre les signaux d'entrée (mode impair, schéma b) de la figure 7), le film résistif 11 est soumis à des lignes de courant qui conduisent à l'absorption par dissipation du déséquilibre entre les signaux d'entrée.
  • Le film résistif 11 permet ainsi de régler les problèmes de couplage que l'on peut retrouver dans l'état de la technique.
  • La figure 8 illustre le diagramme de rayonnement d'une antenne active multifaisceaux comprenant un formateur de faisceaux quasi-optique selon l'invention, dans lequel les ports faisceaux sont superposés sur deux niveaux. L'antenne active multifaisceaux comprend également un panneau rayonnant connecté en sortie du formateur de faisceaux. L'abscisse représente l'angle de dépointage de l'antenne.
  • Le numéro du port faisceau (1 à 22), visible sur la partie droite de la figure qui représente le formateur de faisceaux quasi-optique, se retrouve dans le numéro du lobe principal dans la partie gauche de la figure. Avec le formateur de faisceaux quasi-optique selon l'invention, le niveau de recoupement est d'environ 2/3 dB, ce qui minimise fortement les pertes liées au recoupement des faisceaux, en comparaison avec les 9 dB constatés lorsque les ports faisceaux sont situés sur un seul et même niveau.
  • Le film résistif 11 permet ainsi d'adapter les guides d'ondes à plaques parallèles supérieurs et inférieurs au guide à plaques parallèles commun, tout en assurant un faible couplage mutuel entre les sources.
  • Avec un tel niveau de recoupement, le formateur selon l'invention garantit ainsi des transmissions à haut débit entre les satellites et des utilisateurs fixes ou en mouvement rapide (trains, avions...).
  • Le niveau de recoupement peut encore être amélioré en augmentant le nombre d'étages, par exemple en disposant les ports faisceaux sur quatre étages.
  • Ainsi, selon un mode de réalisation illustré par la figure 9, le formateur de faisceaux quasi-optique comprend plus de deux étages, en l'occurrence quatre étages (33, 34, 35, 36). Un film résistif (37, 38, 39) est disposé entre chaque étage, de façon attenante aux ports faisceaux. Les ports faisceaux de deux étages superposés peuvent avantageusement être décalés d'une distance prédéfinie égale à la largeur du port faisceau divisée par le nombre d'étages de ports faisceaux. Il peut également être prévu, dans une configuration à quatre étages ou plus illustrée par la figure 10, que la longueur chaque plan conducteur (41, 42, 43) selon la direction X de propagation d'une onde dans le formateur de faisceaux quasi-optique 1, soit variable d'un étage à l'autre, de façon, par exemple, à équilibrer le couplage entre les ports faisceaux, de façon progressive.
  • Par exemple le plan conducteur 42 situé à mi-hauteur est le plus long, parmi tous les plans conducteurs. En considérant les étages situés entre le partie supérieure 44 du guide d'onde et le plan conducteur médian 42, on attribue au plan conducteur situé à mi-hauteur 41 une longueur inférieure à celle du plan conducteur médian 42, et ainsi de suite (découpage par dichotomie). Les films résistifs (111, 112, 113) sont agencés en extrémité des plans conducteurs (41, 42, 43).
  • Ce mode de réalisation assure un couplage équilibré entre les ports faisceaux, et une bonne répartition du champ E en mode pair.
  • Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, le formateur de faisceaux quasi-optique selon l'invention est réalisé sous forme de circuit imprimé PCB multicouches. La permittivité εr des matériaux diélectriques intégrés dans le formateur de faisceaux permet en effet de réduire la longueur d'onde guidée à l'intérieur du formateur de faisceaux quasi-optique d'un facteur 7^7, et de réduire de ce même facteur les dimensions du formateur. Le dispositif quasi-optique 10 est intégré dans un guide à plaques parallèles chargé de diélectrique, et les ports faisceaux peuvent être réalisés en technologie SIW (Substrate Integrated Waveguide).
  • Le procédé de fabrication du formateur de faisceaux quasi-optique comprend ainsi une étape de gravure du film résistif, aux endroits où le film résistif est prévu. La technique de fabrication d'un formateur de faisceaux quasi-optique en PCB se prête particulièrement bien à l'adjonction d'un film résistif dans le formateur.
  • Les formateurs de faisceaux quasi-optiques sous forme de circuit imprimé PCB multicouches peuvent occasionner plus de pertes que des formateurs sous forme de guide métallique. Néanmoins, pour des antennes actives, les amplificateurs sont intégrés au panneau rayonnant (tous les amplificateurs contribuent à la formation du faisceau) ; ils ne sont donc pas intégrés avant le formateur, ce qui laisse plus de tolérance pour les pertes.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, illustré par la figure 11, les dimensions des ports faisceaux sont différentes d'un étage à l'autre. Dans ce cas, le nombre de ports faisceaux est différent d'un étage à l'autre. Par exemple sur la figure 11, l'étage 37 comprend trois ports faisceaux 70, et l'étage 38 comprend quatre ports faisceaux 71. Les ports faisceaux de l'étage 37 sont plus larges (selon la direction transverse Y) que les ports faisceaux de l'étage 38. Une portion de film résistif 11 s'étend à la jonction entre l''étage 37 et l'étage 38, à la sortie des ports faisceaux.
  • Le mode de réalisation illustré par la figure 11 peut être étendu à plus de deux étages, par exemple quatre étages voire plus, avec une longueur de plan conducteur qui est fixe ou variable d'un étage à l'autre.
  • Le front des ondes cylindriques excitées par les ports faisceau du formateur de faisceaux quasi-optique sont orientés vers le barycentre des ports réseau. Le champ électrique transmis est donc maximal au centre des ports réseau, et l'intensité du champ électrique peut diminuer pour les ports situés en périphérie. Il existe toutefois un champ électrique résiduel sur les bords du formateur de faisceaux quasi-optique.
  • Afin de réduire le champ électrique résiduel sur les bords, le formateur de faisceaux quasi-optique, tel qu'illustré par la figure 12, comprend, sur ses bords latéraux (25, 26), un premier dispositif d'absorption 12 dans l'étage supérieur 33, et un deuxième dispositif d'absorption 13 dans l'étage inférieur 34. Les bords latéraux (25, 26) sont les bords situés dans la ligne de transmission, entre les ports faisceaux et le dispositif quasi-optique (figure 4).
  • Les dispositifs d'absorption sont configurés pour absorber l'énergie non transmise entre les ports faisceaux (6, 8) et les ports réseaux (7, 9), et de minimiser ainsi les réflexions parasites sur les bords du formateur de faisceaux quasi-optique.
  • . Le premier dispositif d'absorption 12 et le deuxième dispositif d'absorption 13 peuvent s'étendre sur toute la longueur du bord latéral correspondant, à savoir intégralement entre les ports faisceaux les plus excentrés et le dispositif quasi-optique. En variante, les dispositifs d'absorption peuvent s'étendre depuis le film résistif 11 jusqu'au dispositif quasi-optique 10, selon la direction longitudinale X.
  • La position du premier dispositif d'absorption 12 et du deuxième dispositif d'absorption 13 est avantageusement décalée d'une distance correspondant à λ g /4 dans la direction transverse Y, où λ g désigne la longueur d'onde guidée dans le formateur de faisceaux quasi-optique 1. Le sens du décalage, c'est-à-dire quel absorbant est en retrait par rapport à l'autre, n'a pas d'importance. Par ailleurs, le film résistif 11 est disposé entre le premier dispositif d'absorption 12 et le deuxième dispositif d'absorption 13. Le film résistif 11 peut s'étendre au-delà des dispositifs d'absorption, selon la direction transverse Y. Le film résistif 11 peut être disposé dans la continuité du plan métallique et entre le premier dispositif d'absorption 12 et le deuxième dispositif d'absorption 13, comme l'illustre la figure 12.
  • Le décalage de la position du premier dispositif d'absorption 12 et du deuxième dispositif d'absorption 13 d'une distance correspondant à λg/4 dans la direction transverse Y génère une opposition de phase entre les réflexions parasites issues des absorbants. Le signal résultant de la combinaison en opposition de phase est absorbé par le film résistif 11.
  • La réduction des réflexions parasites sur les bords latéraux (25, 26) permet de limiter les niveaux des signaux parasitant les lois d'amplitude et phase souhaitées sur les ports réseaux et ainsi atténuer les niveaux des lobes secondaires de l'antenne.
  • Les dispositifs d'absorption peuvent comprendre un matériau absorbant, par exemple une mousse époxy chargée en particules magnétiques.
  • Selon une variante illustrée par la figure 13, dispositifs d'absorption peuvent comprendre des ports factices 33. Chaque port factice peut se présenter sous la forme d'une structure dotée d'une portion de film résistif 71, de parois latérales conductrices 72, et d'une liaison transverse conductrice 70 qui s'étend de part et d'autre de chaque paroi latérale.
  • Selon une autre variante, les dispositifs d'absorption peuvent comprendre une pluralité de ports factices chargés par des charges résistives.
  • La figure 14 illustre une variante d'agencement des ports réseaux, dans laquelle les ports réseaux 50 d'un étage 33 sont configurés pour être tous couplés à une antenne, et les ports réseaux 51 d'un étage adjacent 34 sont configurés pour être tous couplés à une charge 52 non connectée à l'antenne, qui peut être un film résistif. Le couplage à une charge 52 non connectée à l'antenne peut être réalisé en utilisant des cornets connectés à des charges par l'intermédiaire de transitions entre guides rectangulaires et des lignes microruban 53.
  • Une autre variante d'agencement est illustrée par la figure 15. Les ports réseaux sur deux niveaux utilisent des transitions entre guides à plaques parallèles et des guides coaxiaux 54. Les ports 56 d'un des deux niveaux sont connectés à des charges 55, qui peuvent comprendre un film résistif. Les ports 57 du niveau adjacent sont connectés à l'antenne.
  • Une autre variante d'agencement est illustrée par la figure 16. Les ports réseaux sur deux niveaux utilisent des transitions entre guides à plaques parallèles et des lignes microrubans 57. Les ports 60 d'un des deux niveaux sont connectés à des charges 58 (par exemple des films résistifs). Les ports 59 du niveau adjacent sont connectés à l'antenne.
  • Ces différents types de ports et de transitions peuvent également être utilisés pour les ports faisceaux.
  • Cet agencement permet de réduire les réflexions parasites à fortes incidences et d'utiliser des largeurs de ports réseaux supérieures à 0,6λ g . Classiquement, des ports réseaux de largeurs inférieures à 0,6λ g sont utilisés pour limiter ces réflexions parasites.
  • En effet, les ondes incidentes se réfléchissent partiellement sur les ports réseaux de chaque étage. Cette réflexion s'accroit avec la taille des ports réseaux et l'incidence de l'onde. Les réflexions partielles de chaque étage sont alors en opposition de phase lorsque les ports réseaux sont décalés d'une demi-période. Elles sont alors absorbées par le film résistif.
  • Cette annulation de réflexion partielle fonctionne pour des largeurs de ports jusqu'à 0,8λ g voire 0,9λ g , afin de réduire l'angle d'incidence des ondes du formateur de faisceaux quasi-optique θQO requis pour alimenter l'antenne.
  • En effet, l'angle d'incidence θQO est directement lié à l'espacement d2 entre les ports réseaux à travers l'équation ci-après, θrad étant l'angle de dépointage de l'antenne, d1 l'espacement entre les éléments rayonnants de l'antenne, εr2 étant la permittivité du formateur de faisceaux quasi-optique :
    θ QO = sin − 1 d 1 d 2 ε r 2 sin θ rad
    Figure imgb0001
  • L'espacement d1 entre les éléments rayonnants de l'antenne est imposé par la contrainte de placer les lobes de réseaux de l'antenne en dehors de la couverture de l'antenne.
  • Typiquement pour une antenne active d'un satellite sur orbite géostationnaire devant fonctionner sur θrad = ±8,7°, l'espacement entre les éléments rayonnants est de l'ordre de 3,1λ où λ désigne la longueur d'onde dans le vide.
  • Ainsi, pour le cas d'une antenne active fonctionnant sur une orbite géostationnaire, augmenter la périodicité des ports réseaux de 0,6λ g à 0,8λ g permet de relâcher la contrainte d'incidence des ondes à l'intérieur du formateur de faisceaux quasi-optique, de 51,4° à 38,5°, ce qui semble moins critique.
  • Ceci est possible en réalisant deux rangées superposées de ports réseau espacés selon une période de 0,8λ g , tout en implémentant un décalage d'une demi-période entre les deux rangées superposées. Seule une des deux rangées des ports est alors connectée aux éléments rayonnants, et les ports de l'autre rangée sont connectés à des charges (cf. figures 14, 15 et 16), ce qui permet d'éviter des réflexions spéculaires.
  • Selon un autre mode de réalisation illustré par la figure 17, les ports réseaux supérieurs et inférieurs sont configurés pour être alternativement couplés, selon la direction transverse Y, à une antenne et à une charge non connectée à l'antenne.
  • Ainsi, l'ensemble de ports réseaux supérieurs comprend alternativement un port réseau supérieur 27 connecté à l'antenne (non visible sur la figure 17), et un port réseau 28 connecté à une charge qui n'est pas connectée à l'antenne.
  • De la même manière, l'ensemble de ports réseaux inférieurs comprend alternativement un port réseau inférieur 29 connecté à une charge qui n'est pas connectée à l'antenne, et un port réseau 30 connecté à l'antenne.
  • En considérant deux ports réseaux superposés (par exemple les ports 27 et 29, ou les ports 28 et 30), seul un des deux ports est connecté à l'antenne, l'autre étant connecté à une charge non connectée à l'antenne.
  • Ce fonctionnement expliqué pour une antenne en réception se transpose également dans le cas d'une antenne en transmission. Dans ce cas, une onde incidente sur les ports réseaux pour une incidence oblique est partiellement réfléchie dans la direction du lobe de réseau. Les réflexions partielles se convertissent alors en un mode impair, qui s'évanouit dans le film résistif.
  • L'invention se rapporte aussi à une antenne active comprenant le formateur de faisceaux quasi-optique précité, et un panneau rayonnant connecté en sortie du formateur de faisceaux.

Claims (15)

  1. Formateur de faisceaux quasi-optique (1), comprenant un ensemble de ports faisceaux (6, 8), un ensemble de ports réseaux (7, 9), un dispositif quasi-optique (10) et au moins un guide d'ondes à plaques parallèles (2, 3, 5) s'étendant entre les ports faisceaux (6, 8) et les ports réseaux (7, 9), les ports faisceaux (6, 8) et/ou les ports réseaux (7, 9) étant superposés sur au moins deux étages (33, 34), chacun des au moins deux étages (33, 34) étant séparés par un plan conducteur (4) commun à deux étages (33, 34) adjacents, caractérisé en ce que le formateur de faisceaux quasi-optique (1) comprend un film résistif (11) disposé dans la continuité du plan conducteur (4).
  2. Formateur de faisceaux quasi-optique (1) selon la revendication 1, comprenant une pluralité de guide d'ondes à plaques parallèles superposés (2, 3), chaque guide d'ondes à plaques parallèles superposé (2, 3) étant disposé face aux ports faisceaux (6, 8) et/ou face aux ports réseaux (7, 9) d'un même étage (33, 34), le formateur (1) comprenant en outre un guide d'ondes à plaques parallèles commun (5), disposé dans la continuité des guides d'ondes à plaques parallèles superposés (2, 3), le film résistif (11) étant disposé à la jonction entre chaque guide d'ondes à plaques parallèles superposé (2, 3) et le guide d'ondes à plaques parallèles commun (5).
  3. Formateur de faisceaux quasi-optique (1) selon la revendication 1, dans lequel le film résistif (11) est attenant aux ports faisceaux (6, 8).
  4. Formateur de faisceaux quasi-optique (1) selon la revendication 1, dans lequel le film résistif (11) est attenant aux ports réseaux (7, 9).
  5. Formateur de faisceaux quasi-optique (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, chaque port faisceau (6, 8) ayant une largeur (d2) identique entre deux ports faisceaux consécutifs (61, 62) d'un même étage, les ports faisceaux (61, 62) de deux étages superposés adjacents (33, 34) sont décalés de la largeur du port faisceau divisée par le nombre d'étages (33, 34) de ports faisceaux.
  6. Formateur de faisceaux quasi-optique (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les ports faisceaux sont superposés sur au moins quatre étages (33, 34, 35, 36), la longueur de chaque plan conducteur (41, 42, 43) selon la direction de propagation d'une onde dans le formateur de faisceaux quasi-optique (1) étant variable d'un étage à l'autre.
  7. Formateur de faisceaux quasi-optique (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les ports faisceaux (70, 71) ont des dimensions différentes, d'un étage à l'autre (37, 38).
  8. Formateur de faisceaux quasi-optique (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, chaque port réseau (7, 9) ayant une largeur identique entre deux ports réseau consécutifs d'un même étage, les ports réseaux de deux niveaux superposés adjacents sont décalés de la largeur du port réseau divisée par le nombre d'étages de ports réseaux.
  9. Formateur de faisceaux quasi-optique (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les ports réseaux (50) d'un étage (33) sont configurés pour être tous couplés à une antenne, et les ports réseaux (51) d'un étage adjacent superposé (34) sont configurés pour être tous couplés à une charge non connectée à l'antenne.
  10. Formateur de faisceaux quasi-optique (1) selon l'une des revendications précédentes, comprenant, sur chacun des bords latéraux (25, 26), une pluralité de dispositifs d'absorption (12, 13) configurés pour absorber l'énergie non transmise entre les ports faisceaux (6, 8) et les ports réseaux (7, 9), lesdits dispositifs d'absorption (12, 13) étant superposés sur les au moins deux étages (33, 34), la position des dispositifs d'absorption (12, 13) étant décalée d'une distance correspondant à λ g /4, où λ g désigne la longueur d'onde guidée dans le formateur de faisceaux quasi-optique (1), le film résistif (11) étant disposé entre les dispositifs d'absorption (12, 13) de deux étages superposés (33, 34).
  11. Formateur de faisceaux quasi-optique (1) selon la revendication 10, dans lequel les dispositifs d'absorption comprennent des ports factices ou un absorbant.
  12. Formateur de faisceaux quasi-optique (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les ports réseaux et/ou les ports faisceaux comprennent des lignes coaxiales, des guides coaxiaux, des lignes triplaques ou des lignes microrubans.
  13. Formateur de faisceaux quasi-optique (1) selon l'une des revendications précédentes, réalisé sous forme de circuit imprimé PCB multicouches, le guide d'ondes à plaques parallèles étant chargés d'un matériau diélectrique, les ports faisceaux étant réalisés en technologie SIW.
  14. Antenne active comprenant un formateur de faisceaux quasi-optique (1) selon l'une des revendications précédentes, et une pluralité d'éléments rayonnants connectés en sortie dudit formateur de faisceaux (1).
  15. Antenne active selon la revendication 14, dans laquelle les dimensions des ports réseaux sont inférieures aux dimensions des éléments rayonnants.
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