FR2582865A1 - Modules unitaires d'antenne hyperfrequences et antenne hyperfrequences comprenant de tels modules - Google Patents

Abstract

Module unitaire d'antenne hyperfréquences pour la réception ou l'émission d'une onde polarisée rectilignement, comportant des éléments rayonnants en forme de cornets et un réseau d'alimentation en guides d'onde caractérisé en ce que les cornets sont au nombre de quatre et que leurs ouvertures carrées forment dans un plan parallèle à un plan de référence P un réseau bidimensionnel, en ce que le réseau d'alimentation est du type " planaire " étant distribué dans un seul plan parallèle à P, et du type " arborisé " du fait que tous les cornets sont alimentés en phase par des diviseurs de puissance en forme de T, et en ce que la section des guides d'onde étant de dimensions a et b définies par a > b et a = lamba c/2, la dimension a est placée parallèlement à P dans le réseau d'alimentation en sorte que ce dernier est apte à propager le mode TE10 selon lequel le vecteur champ magnétique H se propage parallèlement au plan de ce réseau, les branches des diviseurs de puissance étant rectilignes pour permettre la propagation du vecteur champ magnétique H perpendiculairement à leurs parois perpendiculaires au plan P. Application : antenne plane 12 GHz.

Description

MODULES UNITAIRES D'ANTENNE HYPERFREQUENCES ET ANTENNE HYPER-

FREQUENCES COMPRENANT DE TELS MODULES

L'invention concerne un module unitaire d'antenne

hyperfréquences pour la réception ou l'émission d'une onde po-

larisée rectilignement, comportant des éléments rayonnants en forme de cornets et un réseau d'alimentation composé de guides

d'onde de section rectangulaire connectés d'une part aux cor-

nets et d'autre part entre eux de telle manière que pour cha-

que cornet la longueur totale du trajet d'alimentation est la même.

L'invention concerne également une antenne hyper-

fréquences comprenant de tels modules unitaires.

L'invention trouve son application, par exemple, dans la réalisation d'antennes planes pour la réception

d'émissions de télévision retransmises par satellites artifi-

ciels. Une antenne comportant des éléments rayonnants en forme de cornets alimentés par des guides d'onde est connue du

brevet DE 2641711. Ce document décrit un module linéaire d'an-

tenne, constitué d'une rangée de cornets usinés dans un bloc en fibre de verre dont les surfaces sont métallisées. Cette

rangée de cornets est alimentée d'une part par une ligne prin-

cipale et d'autre part par des lignes individuelles connectées

à la ligne principale. La ligne principale est de section rec-

tangulaire, usinée dans l'aluminium et peut être emplie d'un matériau diélectrique. Elle est réalisée de manière à former dans le plan du champ électrique E un diviseur de puissance étagé permettant d'alimenter à égale puissance les guides d'onde qui assurent la connexion individuelle des cornets avec la ligne principale. Chacun de ces guides d'onde, de section

rectangulaire, est formé par une structure stratifiée compre-

nant un matériau diélectrique interposé entre deux couches de -2-

cuivre, les bords de cette structure étant métallisés. La lon-

gueur des guides d'alimentation individuelle, ainsi que leur point de connexion à la ligne principale sont choisis de façon que pour chaque cornet, la longueur du trajet d'alimentation composé de la ligne principale et de la ligne d'alimentation individuelle, soit la même. Une telle structure est prévue pour permettre de corriger des différences de phase dans

l'alimentation des cornets par le raccourcissement de cer-

taines des lignes d'alimentation individuelle.

Mais une telle antenne présente de nombreux incon-

vénients. Tout d'abord, elle présente obligatoirement des per-

tes très élevées car la propagation des ondes dans un milieu

diélectrique tel que celui qui constitue la structure strati-

fiée des lignes d'alimentation individuelles des cornets est toujours sujette à des pertes élevées même si le diélectrique

est de très bonne qualité. L'introduction d'un matériau dié-

lectrique identique dans la ligne principale augmente encore les pertes. A cela s'ajoute le fait que le prix d'un matériau

diélectrique de bonne qualité est toujours très élevé et aug-

mente considérablement le coût de l'antenne.

Ensuite, le module d'antenne décrit dans le docu-

ment cité est de forme linéaire, à alimentation en série, ce qui fait qu'il est effectivement très difficile d'alimenter

les cornets exactement en phase et qu'il est donc indispen-

sable de réaliser un ajustage de la longueur des lignes d'ali-

mentation individuelles pour améliorer ce résultat. Il reste cependant difficile d'alimenter tous les cornets exactement en phase si une large bande de fréquence de fonctionnement

est requise. De plus, la solution proposée par le document ci-

té pour résoudre ce problème, conduit à une forme d'antenne complexe, ainsi qu'à un montage et un ajustage trop délicats

pour être réalisés par exemple lors d'une fabrication en gran-

de série.

C'est pourquoi la présente invention propose un nouveau module d'antenne hyperfréquences qui est dépourvu de -3-

ces inconvénients.

Selon la présente invention, ces problèmes sont résolus par un module unitaire d'antenne, tel que décrit dans le préambule, caractérisé en ce que les cornets sont au nombre de quatre, en ce que leurs ouvertures sont carrées et-forment

dans un plan parallèle à un plan de référence P, un réseau bi-

dimensionnel de forme carrée, obtenu du fait que les ouver-

tures des cornets se déduisent les unes des autres par des

translations de même pas selon des axes parallèles à leurs cô-

tés, caractérisé en ce que le réseau d'alimentation en guides d'onde est du type dit "planaire" du fait qu'il est distribué dans un seul plan parallèle au plan de référence P, et du type dit "arborisé" du fait que les cornets sont alimentés en phase à l'aide de diviseurs de puissance en forme de T dont les branches sont symétriques, et caractérisé en ce que la section des guides d'onde étant de dimensions a et b définies par les relations a > b et a = Xc/2 o XC est la longueur d'onde de

coupure des guides, la grande dimension a est placée parallè-

lement au plan de référence P dans le réseau planaire en sorte que ce dernier est apte à propager le mode TEo10 selon lequel le vecteur champ magnétique Ft se propage parallèlement au plan de ce réseau d'alimentation et en sorte que les branches des diviseurs de puissance en T sont rectilignes de manière à ce que les parois des guides qui sont perpendiculaires au plan de

ce r6seau restent perpendiculaires aux vecteur champ magné-

tique H. Dans une forme de réalisation, ce module unitaire est caractérisé en ce que chaque embouchure interne de cornet est de section égale à celles des guides d'onde et est reliée individuellement à un guide d'onde du réseau par un coude dont l'angle est dans un plan parallèle d un plan Q, ce plan Q étant défini comme perpendiculaire au plan de référence P et parallèle è l'un des côtés de l'ouverture carrée du cornet, ainsi qu'à la petite dimension b de l'embouchure interne de ce dernier, caractérisé en ce que chaque guide d'alimentation -4 -

individuelle de cornet est relié à l'une des branches symé-

triques d'un diviseur de puissance en forme de T par un coude dont l'angle est situé dans le plan du réseau, la branche principale de ce diviseur de puissance étant parallèle au plan

Q de manière telle que les cornets sont alimentés par deux sy-

métriquement par rapport à ce plan, et caractérisé en ce que chaque groupe de deux cornets ainsi formé est relié à l'une des branches symétriques d'un diviseur de puissance en forme de T, dont la branche principale est parallèle à un plan Q', ce plan Q' étant défini comme perpendiculaire à la fois au plan de référence P et au plan Q, de manière telle que les deux groupes de deux cornets constituant le module unitaire

sont alimentés symétriquement par rapport au plan Q'.

La présente invention propose également une an-

tenne hyperfréquences caractérisée en ce qu'elle comprend un nombre multiple de quatre de tels modules unitaires alimentés entre eux par un réseau planaire arborisé du même type que le

réseau distribué à l'intérieur de chaque module et dans le mê-

me plan que ce dernier, en sorte que tous les cornets de l'an-

tenne sont alimentés en phase.

Selon une forme de réalisation, cette antenne est caractérisée en ce qu'elle est constituée de deux plaques,

dont les surfaces sont électriquement conductrices, les cor-

nets étant formés dans l'épaisseur de la première plaque, les ouvertures des cornets débouchant sur la première face de cette plaque et les embouchures sur la seconde face, le réseau

d'alimentation en guides étant formé par des rainures prati-

quées sur la première face de la seconde plaque, ces rainures constituant trois des quatre faces des guides et l'application de la seconde face de la première plaque sur la première face de la seconde plaque formant la quatrième face des guides et

les raccordements avec les cornets.

Selon une autre forme de réalisation, cette an-

tenne est caractérisée en ce qu'elle est constituée de deux plaques, dont les surfaces sont électriquement conductrices, -5-

les cornets étant formés dans l'épaisseur de la première pla-

que, les ouvertures des cornets débouchant sur la première fa-

ce de cette plaque et les embouchures sur la seconde face, le réseau d'alimentation en guides étant formé par des rainures en creux pratiquées sur cette seconde face et constituant

trois des quatre faces des guides, la seconde plaque présen-

tant une première face plane, et l'application de la seconde face de la première plaque sur la première face de la seconde

plaque formant la quatrième face des guides et les raccorde-

ments avec les cornets.

L'antenne réalisée selon la présente invention of-

fre de nombreux avantages. Tout d'abord, elle présente des

pertes aussi faibles que possible du fait qu'elle est entière-

ment alimentée par des guides d'onde excluant tout diélectri-

que autre que l'air.

Ensuite de par la forme arborisée du réseau d'ali-

mentation, tous les cornets sont alimentés en phase, et ceci sur une large bande de fréquences, sans qu'il soit besoin de

prévoir des ajustages.

En outre de par la forme planaire du réseau d'ali-

mentation, l'antenne peut être réalisée à l'aide de deux seu-

les plaques, métalliques ou bien seulement métallisées, par un procédé de fabrication très simple. Ce procédé de fabrication est d'autant plus simple que les tronçons de guides d'onde et les branches des T diviseurs de puissance sont linéaires, que les coudes sont à angle droit, et que les motifs formés par

les cornets sont répétitifs.

De plus, l'antenne ainsi réalisée présente d'ex-

cellentes qualités mécaniques. Elle est particulièrement so-

lide, résistante aux intempéries et au vieillissement.

Enfin cette antenne présente de grandes qualités

techniques. Elle peut fonctionner dans le domaine des hyper-

fréquences, par exemple 12 GHz et sur une très large bande de fréquences. Sa directivité et ses performances en gain peuvent même être adaptées à l'application de la réception d'émissions -6- de télévision relayées par satellites en calculant de façon

appropriée les dimensions des cornets et des guides.

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la

description suivante, illustrée par les figures annexées

dont: - la figure i qui montre en perspective un élément rayonnant d'un module unitaire selon l'invention; --la figure 2a qui montre en perspective un module unitaire selon l'invention; - la figure 2b qui montre en perspective le réseau d'alimentation de ce module;

- la figure 3 qui représente, en coupe parallèle-

ment au plan de référence P, le réseau d'alimentation de ce module, les axes I'I" et J'J" étant respectivement les traces des plans de symétrie du réseau, respectivement parallèles aux

plans Q et Q'.

- les figures 4a et 5a qui représentent en coupe respectivement parallèlement au plan Q' et parallèlement au plan Q, un élément rayonnant du module unitaire; - les figures 4b et 5b qui représentent en coupe respectivement un cornet sectoral plan H et un cornet sectoral plan E corespondant à l'élément rayonnant du module unitaire;

- la figure 4c qui montre le diagramme de rayonne-

ment d'un cornet sectoral plan H, l'erreur de phase sur l'ou-

verture étant prise comme paramètre;

- la figure 5c qui montre le diagramme de rayonne-

ment d'un cornet sectoral plan À, l'erreur de phase sur l'ou-

verture étant prise comme paramètre;

- la figure 6 qui représente le facteur de correc-

tion F d'un cornet de dimensions de l'ordre de la longueur d'onde;

- les figures 7a et 7b qui représentent des por-

tions des deux plaques constituant une antenne selon l'inven-

tion, dans une mise en oeuvre; - la figure 8 qui représente un élément rayonnant -7- de l'antenne dans une autre mise en oeuvre;

- la figure 9 qui représente les positions respec-

tives du plan de référence P et des plans de symétrie Q et Q' du réseau d'alimentation;

- la figure 10 qui représente les coordonnées an-

gulaires d'un point M de l'espace par rapport au plan de réfé-

rence P; - la figure 11 qui représente l'enveloppe C1 du diagramme de rayonnement de l'antenne imposée par les normes

CCIR dans l'application de l'antenne à la réception d'émis-

sions de télévision relayées par satellites et l'enveloppe C2

du diagramme de polarisation croisée.

Tel que représenté en perspective sur la figure 1,

l'élément rayonnant d'un module unitaire d'antenne selon l'in-

vention est constitué d'un cornet 1 dont l'ouverture présente

une section carrée de côté A. Lors du fonctionnement de l'an-

tenne, pour permettre la réception ou l'émission d'une onde

polarisée linéairement, l'ouverture du cornet est placée pa-

rallèlement à un plan de référence P défini par la direction de propagation du champ électrique E et du champ magnétique H

dans le milieu extérieur à l'antenne, et les cOtés de l'ouver-

ture carrée du cornet sont placés soit parallèles au champ

È 4-

électrique E, soit parallèles au champ magnétique H du milieu

extérieur à l'antenne.

L'embouchure 4 du cornet 1 est raccordée au guide

d'onde 3 par un coude 2. Le guide d'onde 3 et l'embouchure in-

terne 4 présentent une section rectangulaire de côtés a et b tels que a > b, si a = \c/2 o 0c est la fréquence de coupure du guide d'onde, le guide d'onde propage le mode TE10. Le champ électrique E se propage parallèlement au côté b et le champ magnétique H se propage parallèlement au côté ai Le guide d'onde 3 est placé de telle sorte que la dimension a de sa section est parallèle au plan de référence P et la dimension b perpendiculaire. Dans ces conditions, le

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-8 -

champ électrique t se propage dans le guide 3 perpendiculai-

rement au plan de référence P, et le champ magnétique H se propage parallèlement au plan de référence P. Le guide 3 est

dit "plan Hi".

L'angle du coude 2 de raccordement de l'embouchure 4 au guide 3 se trouve donc dans un plan parallèle à un plan Q, le plan Q étant défini comme perpendiculaire au plan P et parallèle à l'un des côtés des ouvertures des cornets. En fonctionnement selon le mode TE10 dans le coude 2, ce plan est parallèle au vecteur E. Le coude 2 peut être dit "coude plan

E". Dans le milieu extérieur à l'antenne, le plan Q est défi-

ni, en fonctionnement, par le champ magnétique E et la perpen-

diculaire oz au plan P, comme il est montré sur la figure 9.

Le module d'antenne selon l'invention est consti-

tué de quatre cornets dont les ouvertures forment un motif ré-

pété par simple translation, selon deux axes parallèles aux

côtés, avec le même pas, dans un plan parallèle au plan de ré-

férence P, comme il est montré sur la figure 2a, en perspec-

tive, vu du dessus.

Le réseau d'alimentation de ces quatre cornets est montré en perspective sur la figure 2b. Ce réseau est dit "planaire" du fait qu'il est distribué dans un seul plan

parallèle au plan de référence P. Tous les guides d'onde rac-

cordant les guides 3 d'alimentation individuelle des cornets entre eux, sont du même type que les guides 3, c'est-à-dire

"plan H".

Le réseau d'alimentation planaire est donc dit

"plan H".

De plus, pour permettre l'alimentation des quatre

cornets en phase, ce réseau est du type dit "arborisé". En ef-

fet, les cornets sont alimentés par deux de façon symétrique par rapport à un plan parallèle au plan Q, pour former deux groupes de deux éléments rayonnants identiques. Puis les deux groupes ainsi formés sont alimentés de façon symétrique, par rapport à un plan parallèle à un plan Q', ce plan Q' étant - 9 - défini comme perpendiculaire à la fois au plan de référence P

et au plan Q comme il est montré figure 9. Dans le milieu ex-

térieur à l'antenne en fonctionnement, le plan Q' est défini par le champ magnétique H et la perpendiculaire oz au plan P. Comme il est montré figure 2b en perspective et

figure 3 en coupe parallèlement au plan P, la symétrie d'ali-

mentation de deux cornets peut être obtenue par un réseau pla-

naire tel que des coudes 5 dont l'angle est situé dans le plan du réseau raccordent les guides d'alimentation individuelle 3 de ces cornets à un diviseur de puissance 6 en forme de T dans le même plan. Le plan de symétrie du système formé par les deux cornets, les deux coudes 2, les deux guides individuels 3, les deux coudes 5 et le diviseur de puissance 6, est un

plan parallèle à Q dont la trace est I'I" sur la figure 3.

La symétrie d'alimentation des deux groupes de deux cornets ainsi formés est obtenu en raccordant les guides d'onde 8 issus des diviseurs de puissance 6 par un diviseur de puissance 7 en forme de T situé dans le plan du réseau. Ce diviseur de puissance 7, de sortie 9, et les tronçons de guide 8 admettent comme plan de symétrie un plan parallèle à Q' dont

la trace est 3'J" sur la figure 3.

Ainsi pour chaque cornet, la longueur du trajet

d'alimentation est exactement la même et les cornets sont ali-

mentés parfaitement en phase. De plus tous les tronçons de

guide d'onde sont rectilignes et dans un plan parallèle à ce-

lui des ouvertures des cornets.

Une antenne hyperfréquences peut être formée à

partir d'un nombre multiple de quatre de tels modules unitai-

res alimentés entre eux par un réseau planaire arborisé du mé-

me type que le réseau distribué à l'intérieur de chaque module et dans le même plan que ce dernier. De la sorte l'antenne peut comporter le nombre d'éléments rayonnants nécessaires à

l'obtention du gain souhaité pour l'antenne et tous les élé-

ments rayonnants de l'antenne sont cependant alimentés en

phase.

- 10 -

Du fait que le réseau d'alimentation en guide d'onde est conçu dans un plan parallèle au plan des ouvertures des cornets, il est possible de réaliser l'antenne entière

sous forme d'une antenne plane à l'aide de seulement deux pla-

ques. Ces plaques peuvent être métalliques et usinées, ou en-

core en plastique moulé dont les surfaces sont métallisées.

Selon une première forme de réalisation illustrée par les figures 7a et 7b, l'antenne est constituée de deux plaques 100 et 110 dont les faces principales 101 et 102 pour la plaque 100, et les faces principales 103 et 104 pour la plaque 110 sont parallèles au plan de référence. La plaque 100 comprend un nombre multiple de quatre de modules unitaires de quatre cornets placés de façon adjacente, de manière à ce que tous les cornets se déduisent les uns des autres par une translation de même pas suivant les deux directions parallèles aux côtés des ouvertures carrées. Les cornets sont façonnés

dans l'épaisseur de la plaque 100 de manière à ce que les ou-

vertures affleurent la face 101 et à ce que les embouchures 4 affleurent la face 102, l'épaisseur de la plaque 100 étant prévue égale de la hauteur h des cornets (voir figures 4a et a). La plaque 110 comprend les coudes 2 et le réseau d'ali- mentation planaire de l'antenne constitué par des rainures

pratiquées en creux sur la face 103 de cette plaque. Les rai-

nures ont pour largeur a et pour profondeur b et constituent trois des faces des guides d'onde du réseau. L'application de la face 103 de la plaque 110 sur la face 102 de la plaque 100

forme la quatrième face des guides d'onde à section rectangu-

laire du réseau d'alimentation et raccorde les cornets sur le réseau ainsi formé. On notera que la plaque 110 doit présenter une épaisseur légèrement supérieure à la grandeur b, ce qui

donne pour l'épaisseur totale de l'antenne plane ainsi consti-

tuée une valeur légèrement supérieure à la grandeur de b + h. Selon une seconde forme de réalisation, illustrée par la figure 8, l'antenne est constituée de deux plaques 200 et 210 dont les faces principales 201 et 202 pour la plaque

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, et les faces principales 203 et 204 pour la plaque 210 sont parallèles au plan de référence P. La plaque 200 comprend les modules unitaires placés de façon adjacente, comme dans la forme de réalisation précédemment décrite. Les cornets sont façonnés dans l'épaisseur de la plaque 200 de manière à ce que

les ouvertures affleurent la face 201 et à ce que les embou-

chures se trouvent dans l'épaisseur du matériau formant la plaque 200. Cette dernière est prévue d'une épaisseur égale à

la hauteur h des cornets augmentée de la valeur de la dimen-

sion b des guides. Le réseau d'alimentation d'antenne est pra-

tiqué sur la face 202 de la plaque 200 sous forme de rainures

en creux de largeur a et de profondeur b, et de coudes 2 per-

mettant de relier les embouchures des cornets aux rainures. La

plaque 210 est une simple lame à faces parallèles. L'applica-

tion de la face 203 de la plaque 210 sur la face 202 de la plaque 200 forme la quatrième face des guides d'onde du réseau d'alimentation. L'antenne mise en oeuvre selon l'une des formes de réalisation décrites précédemment est donc d'une fabrication particulièrement simple et peu coûteuse. Elle peut être faite en grande série. Elle est d'une grande solidité mécanique et ne nécessite pas d'ajustage lors du montage. Pour faciliter encore la mise en place des plaques 100 et 110, ou 200 et 210

l'une sur l'autre, il peut être prévu sur ces plaques des pi-

cots de positionnement ou tout autre système de repérage et de

fixation bien connus de l'homme de l'art. Par exemple les pla-

ques peuvent aussi être maintenues l'une en face de l'autre

par des vis.

Comme cette antenne n'inclut pas de diélectrique, les pertes y sont aussi faibles que possible, et d'autre part

elle est extrêmement résistante au vieillissement.

De plus cette antenne est d'un faible volume et d'un faible poids. Elle est donc particulièrement facile à

mettre en place et son support est alors peu onéreux.

Une telle antenne est par conséquent extrêmement

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bien adaptée à l'utilisation grand public pour la réception d'émissions de télévision retransmises par satellites. En effet dans un tel système de réception l'antenne est un élément important à double titre: en premier lieu la qualité de la réception dépend directement des caractéristiques de l'antenne et en second lieu, le coot de l'antenne et de son support ainsi que le coot d'installation et de pointage vers le satellite définissent en grande partie le coût final du

système de réception.

O10 L'exemple suivant est donné pour montrer que

l'antenne selon l'invention peut en outre présenter des earac-

téristiques techniques appropriées à la réception des émis-

sions de télévision relayées par satellite artificiel.

Exemple de réalisation On rappelle qu'une antenne destinée à la réception d'émissions de télévision relayée par satellite doit pouvoir recevoir une polarisation circulaire, droite ou gauche selon

le satellite émetteur.

On sait que la polarisation d'une onde électroma-

gnétique est définie par la direction du champ électrique E dans l'espace. Si en un point de l'espace, le vecteur champ

électrique E reste parallèle à une droite, nécessairement per-

pendiculaire à la direction de propagation de l'onde, cette

onde est polarisée rectilignement.

Par contre, l'onde est polarisée circulairement si l'extrémité du vecteur champ électrique E décrit un cercle dans le plan perpendiculaire à la direction de propagation. La polarisation est circulaire droite lorsque E tourne dans le sens des aiguilles d'une montre pour un observateur regardant

dans la direction de propagation. La polarisation est circu-

laire gauche dans l'autre cas.

Une onde polarisée circulairement peut être ddcom-

posée en deux ondes polarisées linéairement, perpendiculaires

entre elles et déphasées de u/2.

23$2a65

- 13 -

L'antenne destinée à l'application envisagée peut

donc être réalisée selon le principe suivant: les deux com-

posantes perpendiculaires, dues à l'émission par le satellite

d'une onde polarisée circulairement, sont captées puis compo-

sées avec le déphasage approprié ( u/2 selon que l'on a af-

* faire à une polarisation circulaire droite ou gauche).

La mise en oeuvre de ce principe suppose l'utili-

sation devant l'antenne d'un rad6me dépolariseur. Ce radôme est conçu de telle sorte qu'il retarde l'une des composantes

de l'onde polarisée circulairement provoquant ainsi le dépha-

sage nécessaire. Les deux ondes de polarisation linéaire se trouvent ainsi en phase et leur composition vectorielle donne

une onde polarisée linéairement pouvant être reçue par une an-

tenne à une seule polarisation linéaire telle que l'antenne selon la présente invention. Le radOme dépolarisant n'est pas décrit ici comme ne faisant pas à proprement parler partie de l'invention.

On rappelle en outre que, pour l'application envi-

sagée, l'antenne doit répondre aux normes formulées par le

CCIR (Comité International de Radiocommunication). Ces condi-

tions sont les suivantes: - la bande de fréquence doit se situer entre 11, 7 et 12,5 GHz; - le diagramme de rayonnement de l'antenne doit être enveloppé sous le gabarit représenté par la courbe C1 montrée sur la figure 11, selon lequel une atténuation de 3 dB du lobe principal correspond à une ouverture O du faisceau de 2 , exprimée par la relation: 0-3dB = 2 qui est l'ouverture du faisceau à mi-puissance; et selon lequel les lobes secondaires sont atténués de 30 dB à 12 ; - la polarisation croisée doit être enveloppée

sous le gabarit représenté par la courbe C2 sur la figure 11.

- le rapport entre gain de l'antenne G et la température de bruit T en degré Kelvin doit être:

8 2865

- 14 -

G/T > 6 dB K-1 Tel que représenté sur la figure 2b, le réseau

d'alimentation du module unitaire d'antenne permet la propa-

gation du mode TEo10. Pour que ce mode puisse se propager il

faut que la grande dimension a des guides d'onde qui est per-

pendiculaire au champ électrique E vérifie la relation (1): a = Xc/2 (1) o Xe est la longueur d'onde de coupure du guide. En effet si la dimension a est trop faible alors la longueur d'onde guidée varie trop en fonction de la fréquence. Et inversement si la dimension a est trop grande, alors le guide propage plusieurs

modes à la fois.

Pour la bande de fréquence 11,7 - 12,5 GHz, il peut être adopté une fréquence de coupure fc = 10 GHz correspondant à une longueur d'onde de coupure c = 30 mm

et donc a = 15 mm est un bon compromis.

Le problème qui se pose alors est celui de l'atténuation des lobes de réseau. En effet, le gain total de l'antenne G est lié au gain d'un élément rayonnant Ge par la relation (2) G = Ge x Fr x F (2) dans laquelle Fr = facteur de réseau F = facteur de correction pour un élément.

Le facteur de réseau Fr est une fonction de l'angle de rayonnement, ce dernier étant défini comme il est montré sur la figure 10, par l'angle entre la normale oz au plan xoy contenant le plan P de l'antenne, et la direction OM du rayonnement. Le facteur de réseau Fr vérifie la relation (3) sin (nu)

F U

r n sin u dans laquelle n est le nombre d'éléments rayonnants formant

- 15 -

l'antenne et d u = -î- Sin O (4)

o d est la distance entre éléments rayonnants et X la lon-

gueur de l'onde propagée.

La relation (2) montre que l'on obtient un rayon-

nement maximal lorsque le facteur de réseau: Fr = 1 Mais la fonction Fr s'annule pour plusieurs valeurs de u et h plusieurs maxima. Ces maxima correspondent à des lobes

secondaires du diagramme de rayonnement, dits lobes de réseau.

Dans la présente application ces lobes doivent être évités,- ou bien ils doivent être atténués d'au moins 30

dB à e = 12 .

Pour que les lobes de réseau soient totalement évités, il faut que la fonction Fr n'ait qu'un seul maximum correspondant au lobe principal, c'est-à-dire que le terme Sinu ne prenne la valeur 0 qu'une seule fois. Cette condition est remplie si: X /d >1 c'est-à-dire si: d < X (5) Cette relation établit que pour que les lobes de réseau soient totalement évités il faudrait que la distance d entre les éléments rayonnants soit inférieure à la longueur d'onde X propagée dans le guide. Dans le cas contraire, des lobes de réseau apparaissent. Mais ils sont plus ou moins

rapprochés du lobe principal selon la valeur du rapport X/d.

Selon la présente invention, on voit bien sur la figure 3 que les relations (1) a Xc/2 et (5) d < X < Xc

ne peuvent être vérifiées en même temps. En effet il faut pas-

ser dans la distance d entre éléments deux guides d'onde de largeur a, un guide de dimension b, auxquels s'ajoutent les parois des guides et une distance raisonnable entre guides

- 16 -

pour éviter les couplages. Ce qui impose obligatoirement d>X

TABLEAU I

Xc = 30 mm fc = 10 GHz X = 24 mm f = 12,5 GHz a = 15 mm b = 5 mm A = d = 45 mm Du fait que d > À, des lobes de réseau apparaissent donc dans le diagramme de rayonnement de l'antenne. Il faut donc trouver un compromis en optimisant les dimensions de l'élément rayonnant de manière à ce que l'atténuation du premier lobe de réseau soit effectivement de

dB à 8 = 12'.

Avec des guides de dimension a = 15 mm et b = 5 mm, on voit que l'on peut raisonnablement adopter une distance entre éléments d = 45 mm égale à l'ouverture A du cornet

(TABLEAU I).

Dans ces conditions le premier lobe de réseau ap-

parait pour angle calculé à partir de la relation (6) 8 = Arc Sin X /d (6) c'est-à-dire, si l'on adopte les valeurs rassemblées dans le

tableau I, pour un angle: -

32.2 correspondant à une valeur u = 3.

Pour évaluer la valeur du niveau du gain G dans le diagramme de rayonnement de l'antenne lorsque O = 33', il faut se ramener à la relation (2) dans laquelle il faut maintenant

évaluer le gain Ge d'un élément rayonnant.

Or il est connu de l'ouvrage intitulé "Antennes micro-ondes" par Nhu BUIHAI publié aux éditions MASSON, que

la propagation d'une onde dans un cornet d'ouverture rectan-

gulaire se ramène à la composition de la propagation dans un

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cornet sectoriel plan E tel que représenté fig. 5a, 5b d'une part et dans un cornet sectoral plan H tel que représenté

fig. 4a, 4b d'autre part.

L'onde propagée dans de tels cornets présente un front d'onde cylindrique ayant pour centre le point SE dans le cas du cornet sectoral plan E et pour centre le point SH dans le cas du cornet sectoral plan H.

Les caractéristiques de ces cornets dépendent es-

sentiellement du demi-angle d'ouverture e 0 pour l'un et %0 pour l'autre, et lorsque cet angle est défini, de la longueur

LE et LH qui détermine la dimension de l'ouverture rayon-

nante. D'autre part, l'angle 0O et jo définit également de déphasage AE et AH respectivement de l'onde entre le rayon marginal et le rayon central. Plus le déphasage A E/X ou A H/ est grand et plus le diagramme de rayonnement du

cornet montrera d'oscillations.

Enfin les angles e0 et 0 définissent l'adapta-

tion du cornet. Plus l'angle d'ouverture du cornet est faible

et meilleure est l'adaptation.

Le tableau II donne les valeurs des angles 00 et 0 et des longueurs LE et LH choisies pour réaliser ce

compromis dans la mise en oeuvre de l'antenne selon l'inven-

tion pour l'application envisagée.

TABLEAU II

f = 12,56 GHz X 24 mm d= A = 45 mm 0 = Arc Sin (X /d) 32,2' u = ( d.Sin e) /X:3 Plan H 37 LH = 29,85 mm AH/X: 0,3 Plan E Oo = 45 LE 22,5 mm AE/X 0, 37

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Si l'on considère que l'ouverture du cornet est le seul élément rayonnant, alors le diagramme diffracté est donné par la figure 5c pour le cornet sectoral plan E et par la figure 4c pour le cornet sectoral plan H. Sur ces figures les niveaux sont figurés en ordonnées en dB et le facteur u = X A Sin a en abscisse, la valeur A E/X ou AH/X

étant prise comme paramètre.

D'autre part, considérant que les dimensions des ouvertures des cornets sont de l'ordre de la longueur d'onde, les niveaux des courbes des figures 4c et 5c sont à corriger d'un facteur F, dont la mesure est donnée en dB en fonction de

l'angle sur la courbe de la figure 6.

La composition des valeurs données par les courbes des figures 4c, 5c et 6, nous permet donc de conclure à une atténuation d'environ 25 dB à 33' pour chacun des plans E et H. Dans ces conditions, le gain d'un élément rayonnant Ge qui est donné, en fonction des gains GE et GH dans les plans E et H respectivement, par la relation: Se = T ( X* G) (. GE) (7) Go 32 A ' A est de l'ordre de: Ge - 13,4 dB En choisissant de réaliser l'antenne à l'aide d'un nombre n = 128 de ces éléments, rayonnants, ce qui correspond à N = 32 modules unitaires selon l'invention, le gain total G de l'antenne est alors: G - 34,5 dB moins les pertes dans le réseau

d'alimentation.

Or les pertes dans les lignes sont particulièrement faible comme il a été dit précédemment et peuvent être assimilées à une valeur d'environ 0,5dB pour une

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longueur de ligne d'alimentation de l'ordre de 72 cm. Ce qui

donne un gain total pour cette antenne.

G 34 dB Enfin, il a été fixé comme norme par le CCIR que le rapport entre le gain G de l'antenne et la température de bruit T définie à l'entrée du récepteur: soit G/T 6 dB o T a TA + To (l-a) + TO (f - 1) (8) avec TA = température de bruit de l'antenne a = affaiblissement en puissance de la ligne de connexion antenne-récepteur f = facteur de bruit du récepteur Du fait que l'antenne selon l'invention est plane, la tête de réception peut être incorporée à l'antenne. Avec les têtes de réception proposées par la Demanderesse dans la demande de brevet français N 84 07 955, le facteur de bruit f 4dB a 0,96 D'autre part la température de bruit de l'antenne peut être raisonnablement:

TA = 150'

On obtient alors: T 594 K ce qui correspond è un gain d'antenne souhaité G = 33,7 dB

En tenant compte d'une erreur de pointage corres-

pondant à une perte de 0,3 dB, le gain de l'antenne qui doit être réalisée pour l'application envisagée, doit atteindre la valeur de: G = 34 dB Or c'est précisément la valeur qui est obtenue par

l'antenne réalisée dans le présent exemple. Cette antenne con-

vient donc à l'application envisagée.

Enfin le diagramme de rayonnement de l'antenne pour la polarisation croisée est également conforme au gabarit

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imposé par le CCIR et montré sur la courbe c2 de la figure 11.

L'exemple de réalisation décrit précédemment prou-

ve que l'antenne selon l'invention, tout en étant d'une réali-

sation particulièrement simple et bon marché, et d'une grande solidité mécanique, montre en même temps de bonneequalités techniques puisqu'elle est à la fois très directive et large

bande pour une fréquence de fonctionnement élevée.

Cependant il est évident que d'autres réalisations peuvent être faites et d'autres applications envisagées pour cette antenne, sans pour autant sortir du cadre de la présente

invention, tel que défini par les revendications ci-après an-

nexées.

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Claims (7)

REVENDICATIONS:

1. Module unitaire d'antenne hyperfréquences pour la réception ou l'émission d'une onde polarisée rectilignement comportant des éléments rayonnants en forme de cornets et un

réseau d'alimentation composé de guides d'onde de section rec-

tangulaire connectés d'une part aux cornets et d'autre part entre eux de manière que pour chaque cornet la longueur totale du trajet d'alimentation est la même, caractérisé en ce que

les cornets sont au nombre de quatre, en ce que leurs ouver-

tures sont carrées et forment dans un plan parallèle à un plan

de référence P, un réseau bidimensionnel de forme carrée, ob-

tenu du fait que les ouvertures des cornets se déduisent les unes des autres par des translations de même pas selon des axes parallèles à leurs côtés, caractérisé en ce que le réseau d'alimentation en guides d'onde est du type dit "planaire" du fait qu'il est distribué dans un seul plan parallèle au plan

de référence P, et du type dit "arborisé" du fait que les cor-

nets sont alimentés en phase à l'aide de diviseurs de puis-

sance en forme de T dont les branches sont symétriques, et ca-

ractérisé en ce que la section des guides d'onde étant de di-

mensions a et b définies par les relations a > b et a = Xc/2 o Xc est la longueur d'onde de coupure des guides, la grande dimension a est placée parallèlement au plan de référence P dans le réseau planaire en sorte que ce dernier est apte à propager le mode TE10 selon lequel le vecteur champ magnétique H se propage parallèlement au plan de ce réseau d'alimentation et en sorte que les branches des diviseurs de puissance en T sont rectilignes de manière à ce que les parois des guides qui

sont perpendiculaires au plan de ce réseau restent perpendicu-

laires au vecteur champ magnétique H.

2. Module unitaire selon la revendication 1, carac-

térisé en ce que chaque embouchure interne de cornet est de

section égale à celle des guides d'onde et est reliée indi-

viduellement à un guide d'onde du réseau par un coude dont l'angle est dans un plan parallèle à un plan Q, ce plan Q

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étant défini comme perpendiculaire au plan de référence P et parallèle à l'un des côtés de l'ouverture carrée du cornet, ainsi qu'à la petite dimension b de l'embouchure interne de ce

dernier, caractérisé en ce que chaque guide d'alimentation in-

dividuelle de cornet est relié à l'une des branches symétriques d'un diviseur de puissance en forme de T par un coude dont l'angle est situé dans le plan du réseau, la branche principale de ce diviseur de puissance étant parallèle au plan Q de manière telle que les cornets sont alimentés par deux symétriquement par rapport à ce plan, et caractérisé en ce que chaque groupe de deux cornets ainsi formé est relié è l'une des branches symétriques diviseur de puissance en forme de T, dont la branche principale est parallèle à un plan Q', ce plan Q' étant défini comme perpendiculaire è la fois au plan de référence P et au plan Q, de manière telle que les deux groupes de deux cornets constituant le module unitaire

sont alimentés symétriquement par rapport au plan Q'.

3. Antenne hyperfréquences caractérisée en ce qu'elle comprend un nombre multiple de quatre de modules unitaires

conformes à l'une des revendications 1 ou 2, alimentés entre

eux par un réseau planaire arborisé du même type que le réseau distribué à l'intérieur de chaque module et dans le même plan que ce dernier, en sorte que tous les cornets de l'antenne

sont alimentés en phase.

4. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle est constituée de deux plaques, dont les surfaces sont électriquement conductrices, les cornets étant formés dans l'épaisseur de la première plaque, les ouvertures des cornets débouchant sur la premièere face de cette plaque et les embouchures sur la seconde face, le réseau d'alimentation en guides étant formé par des rainures pratiquées sur la première face de la seconde plaque, ces rainures constituant trois des quatre faces des guides et l'application de la seconde face de la première plaque sur la première face de la seconde plaque formant la quatrième face des guides et les raccordements avec

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les cornets.

5. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle est constituée de deux plaques dont les surfaces sont électriquement conductrices, les cornets étant formés dans l'épaisseur de la première plaque, les ouvertures des cornets débouchant sur la première face de cette plaque et les embouchures sur la seconde face, le réseau d'alimentation en guides étant formé par des rainures en creux pratiquées sur cette seconde face et constituant trois des quatre faces des guides, la seconde plaque présentant une premiere face plane, et l'application de la seconde face de la première plaque sur la première face de la seconde plaque formant la quatrième

face des guides et les raccordements avec les cornets.

6. Antenne selon l'une des revendications 4 ou 5, ca-

ractérisée en ce que les plaques sont en un matériau électri-

quement conducteur.

7. Antenne selon l'une des revendications 4 ou 5, ca-

ractérisée en ce que les plaques sont en un matériau diélec-

trique dont les faces sont recouvertes d'un matériau élec-

triquement conducteur.