FR2609577A2 - Antenne plane a reseau avec conducteurs d'alimentation imprimes a faible perte et paires incorporees de fentes superposees rayonnantes a large bande - Google Patents

Abstract

LE DOMAINE DE L'INVENTION EST CELUI DES ANTENNES PLANES A RESEAU AVEC CONDUCTEURS D'ALIMENTATION IMPRIMES COUPLES A DES FENTES ET CAVITES RAYONNANTES. L'OBJECTIF DE L'INVENTION EST DE FOURNIR UNE ANTENNE EFFICACE A FAIBLES CONDITIONS DE TOLERANCEMENT DIMENSIONNEL. CET OBJECTIF EST ATTEINT A L'AIDE D'UN MODULE D'ANTENNE CONSTITUE D'UNE PLAQUE SUPPORT 12, D'UN CONDUCTEUR D'EXCITATION 22, SUSPENDUE ENTRE AU MOINS DEUX PLAQUES DE MASSE 11, 13 PERCEES DE FENTES RAYONNANTES 20A, 20B SUPERPOSEES PAR PAIRES, ET DE CAVITES FERMEES 26 ETOU DES CAVITES OUVERTES 27 FORMANT GUIDES D'ONDE, ALIGNEES EN AVANT ETOU EN ARRIERE RESPECTIVEMENT D'AU MOINS CERTAINES DESDITES PAIRES DE FENTES RAYONNANTES 20A, 20B. L'INVENTION TROUVE UNE APPLICATION PREFERENTIELLE POUR LES ANTENNES HYPERFREQUENCE EN BANDE -S OU -X.

Description

ANTENNE PLKNE A RESEAU AVEC CONDUCTEURS D'ALIMENTATION
IMPRIMES A FAIBLE PERTE ET PAIRES INCORPOREES DE FENTES
SUPERPOSEES RAYONNANTES A LARGE BANDE
L'objet de l'invention de la présente demande de certificat d'addition rattachée a la demande de brevet nt 86 08 106 du 5 juin 1986, déposée au nom de l'Agence
Spatiale Européenne, et cédée au déposant du présent C.A.

est de fournir un procédé de fabrication bon marché d'une antenne hyperfréquence du type de celle revendiquée dans la demande de brevet principal.

On sait que le marché des antennes hyperfréquences, notamment fonctionnant en bande S ou X, est appelé à se développer de façon importante, du fait entre autre des nombreux projets d'émission de programmes de télévision par satellites. Or, jusqu'à présent, les antennes å réseau susceptibles d'être utilisées pour la réception de telles émissions ont été conçues sur des critères d'efficacité maximale, en utilisant des réalisations sophistiquées peu compatibles avec une production de masse à coût réduit. Ainsi, l'antenne décrite dans la demande de brevet français 81 08 780 du 4 mai 1981 (LEP) concerne une antenne de type "stripline" destinée à fonctionner en polarisation circulaire, et présente 1'inconvénient d'impliquer 1'utilisation d'un matériau diélectrique solide onéreux.

D'autre part, pour un certain nombre de raisons, liées notamment à la multiplicité des paramètres et a la complexité des phénomènes intervenant lors de la mise au point des antennes réseau, les spécialistes de ces antennes se sont jusqu'd présent systématiquement imposé des conditions très strictes de tolérancement pour la mise en forme et le montage des différents éléments des antennes réseau (circuits conducteurs, plaques de masse, matériaux diélectriques, guides d'ondes, etc.). Cette prudence ou plus précisément ce préjugé, étaient particulièrement répandus en ce qui concerne la réalisation d'antenne à conducteur microruban suspendu, comme l'atteste l'article "guides multiconducteurs" de l'ouvrage "les Techniques de l'Ingénieur" (E621-10).Une tentative récente de s'affranchir des contraintes de tolérancement est exposée dans la demande de brevet 83 06 650 du 22 avril 1983 (LEP), qui décrit un microruban suspendu par plots de positionnement entre deux plaques métalliques. Ces plaques métalliques sont usinées de façon à former des guides d'onde couplés à des terminaisons du conducteur central. Toutefois, les modes de réalisation décrits dans ce brevet antérieur impliquent toujours une opération d'usinage dans une plaque métallique de forte épaisseur (environ 7 mm à 12
GHz).

Pour résumer l'état d'esprit de l'homme de l'Art en matière d'antenne hyperfréquence, il apparaissait impensable jusqu'à ce jour de réaliser une antenne réseau hyperfréquence en suspendant un circuit conducteur entre deux tôles embouties comme renvendiqué dans la demande de brevet principal. Pourtant, contre toute attente, et comme présenté ci-après, l'efficacité et le rendement d'une antenne apparemment aussi rudimentaire sont non seulement surprenants, mais encore peu sensibles aux imprécisions de mise en forme et de montage inhérents à un procédé de fabrication en masse.

Or, selon la présente invention, ces résultats extrêmement bons (grande largeur de bande, et grande efficacité) , sont encore accrus par l'adjonction de cavités placées à l'avant et/ou à l'arrière de chaque paire de fentes 20a, 20b, ces cavités étant également réalisées par des procédés de mise en forme à large tolérancement.

Un autre objet de l'invention est de fournir une antenne de fixation simple et bon marché avec une bonne efficacité de fonctionnement par l'assemblage de plusieurs modules d'antenne selon le brevet principal, avec ou s-ns adjonction de cavités avant et/ou arrière.

La r fente invention expose également plusieurs variantes un procédé de fabrication simple et bon marché de telles antennes faisant intervenir des processus de mise en forme et d'assemblage à tolérancement peu sévère adaptés à une production de masse.

Un autre objet de l'invention est de fournir de tels procédés de fabrication permettant une standardisation maximale des éléments constitutifs de chaque antenne.

Un objet complémentaire de l'invention est de fournir des procédés de fabrication et d'assemblage de plusieurs modules d'antenne standardisés, dans le but de réaliser des surfaces rayonnantes importantes à faible prix de revient.

Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite sont atteints au moyen d'antennes ou modules d'antenne tels que revendiqués dans le brevet principal auxquels on a adjoint des cavités arrière fermées et/ou des cavités avant ouvertes, en alignement avec au moins certaines des paires de fentes rayonnantes.

Selon une autre caractéristique essentielle, les modules d'entrée adjacents d'un ensemble modulaire d'antenne suivant l'invention coopèrent avec des entrées/sorties communes du signal en forme de guides d'onde à faibles pertes.

Les objectifs de l'invention sont également atteints à l'aide d'un procédé de fabrication des antennes caractérisé en ce qu'on réalise la mise en forme de chacune desdites plaques de masse par une opération de matriçage/emboutissage pour d'une part percer lesdites fentes rayonnantes et d'autre part repousser des butées d'espacement sur la face des plaques tournée vers le diélectrique supportant le conducteur central, en ce qu'on assemble ladite antenne en faisant simplement reposer des zones non conductrices de la plaque support diélectrique du conducteur imprimé contre les repoussements se faisant face des plaques de masse inférieure et supérieure de façon a faire saillir des terminaisons du circuit conducteur entre des paires de fentes alignées, et en superposant par entretoisement ledit triplaque ainsi réalisé au-dessus d'une plaque métallique de fond située à l'arrière de l'antenne, et en ce qu'on immobilise l'un par rapport à l'autre et solidarise la plaque métallique de fond et les éléments dudit triplaque ainsi assemblés par des moyens de fixation.

Selon une caractéristique importante de l'invention, le procédé inclut une étape de fabrication de cavités, et une étape d'assemblage de chaque cavité à l'arrière de l'antenne en correspondance avec une paire de fentes rayonnantes.

De façon avantageuse, on réalise lesdites cavités notamment par une opération de matriçage/emboutissage d'une plaque métallique, ou par construction d'une grille formée d'un entrecroisement de lames sur chant définissant entre elles des alvéoles rectangulaires fermées par la plaque de fond, ou encore par montage de troncs de cylindre sur la plaque de fond, ou enfin par pose d'une garniture métallique contre les parois d'alvéoles formées dans un bloc de matériau non métallique.

Ces différents procédés de fabrication constituent autant de variantes aisées à mettre en oeuvre, peu onéreuses, et conférant de façon surprenante une précision de mise en forme et de montage acceptable.

Selon un mode de réalisation avantageux du procédé suivant l'invention, les moyens de fixation des éléments de l'antenne assurant leur immobilisation relative et leur solidarisation sont constitués par un jeu de boulons de serrage de l'ensemble, ou encore par un boîtier de réception des éléments superposés de l'antenne, dont les bords relevés font corps avec la plaque de fond de l'antenne.

Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le procédé inclut une étape de fabrication d'une couronne supplémentaire de couplage constituée de cavités sans fond réalisées notamment de façon analogue aux cavités fermées situées à l'arrière de l'antenne, et une étape d'assemblage de ladite couronne sur la face rayonnante de l'antenne, de façon à aligner chaque cavité sans fond avec une paire de fentes rayonnantes.

Le procédé suivant l'invention inclut également une étape d'assemblage de plusieurs modules d'antenne fabriqués selon l'une des méthodes précédentes, dans laquelle on juxtapose plusieurs éléments de plaques de masse, et éventuellement plusieurs éléments de cavités arrière et/ou couronnes avant en couplage avec un circuit conducteur unique. Ce procédé de fabrication, en diminuant la dimension des éléments métalliques à mettre en forme, et en permettant leur standardisation, permet de réduire encore le prix de revient de l'antenne. A cet égard, la modularité de l'antenne est particulièrement avantageuse pour les applications de réception d'émissions télévisées par satellites, pour lesquelles la surface réceptrice avoisine par exemple 0,3 m2 (antenne individuelle), comme présenté ci-après.

Selon un autre principe d'antenne modulaire selon l'invention, chaque module est constitué d'un circuit conducteur indépendant coopérant avec des plaques de masse, des cavités arrière et des couronnes avant spécifiques. Le procédé de couplage des modules est alors par exemple caractérisé en ce qu'on réalise l'entrée/sortie de l'antenne par guide d'onde, soit en couplant les circuits conducteurs d'au moins deux modules par liaison en "T" avec terminaison unique sur guide d'onde commun, soit en réalisant de manière séparée les entrée/sortie de chaque module sur des guides d'onde indépendants couplés par diviseur((s) de puissance en guide(s) d'onde.

La standardisation de fabrication des circuits conducteurs modulaires est avantageusement obtenue lorsque le procédé de fabrication des antennes consiste à utiliser des plaques support du circuit conducteur identiques pour chaque module, les plaques support étant alternativement tournées au recto et au verso lors de leur insertion entre les plaques de masse embouties de modules adjacents.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation préférentiels de l'invention, donnés à titre illustratif et non limitatifs, et des dessins annexés dans lesquels:
- La figure 1 représente le module de base de l'antenne du brevet principal;
- La figure 2 est une coupe schématique transversale d'une portion d'un module d'antenne suivant l'invention, avec plaques de masse, cavités arrière et couronnes avant embouties;
- La figure 3 représente un mode de réalisation du procédé d'assemblage d'un module d'antenne suivant l'invention dans un boîtier;
- La figure 4 représente une vue éclatée d'un module d'antenne suivant l'invention dont toutes les plaques sont réalisées par emboutissage;
- La figure 4b illustre une variante de réalisation des cavités sous forme de cabochons emboutis;;
- La figure 5 représente un module d'antenne suivant l'invention avec cavités à anneaux;
- Les figures 6A et 6B représentent un module d'antenne suivant l'invention, à cavités définies par une grille d'entrecroisement de lames sur chant;
- La figure 7 schématise un module d'antenne selon l'invention avec blocs non métalliques percés de cavités intérieurement métallisées;
- La figure 8 représente un assemblage de plusieurs modules de plaques de couplage suivant l'invention avec un circuit conducteur unique;
- Les figures 9, 10 et 11 représentent des exemples de réalisation du circuit conducteur dans le cas du circuit unique de la figure 8 (figure 9) et dans le cas de la juxtaposition de deux circuits conducteurs de deux modules adjacents (figures 10 et 11);;
- Les figures 12, 13, 14 représentent trois procédes de recombinaison du signal de sortie (ou encore de division du signal d'entrée), dans des guides d'onde, pour deux modules d'antennes adjacents;
- La figure 15 représente un élément d'antenne suivant l'invention réalisé pour en tester les conditions de fonctionnement;
- Les figures 16A, 16B et 16C représentent les résultats de mesure effectués sur les éléments d'antenne de la figure 15, et correspondent respectivement à la mesure du TOS, du gain, et du diagramme de rayonnement à 10 GHz dans le plan H en polarisation nominale et en polarisation croisée;
- La figure 17 représente la géométrie du circuit conducteur d'un module d'antenne d 16 éléments suivant l'invention réalisé pour effectuer les tests de fonctionnement;;
- Les figures 18A, 18B et 18C représentent les résultats de mesure de tests effectués sur le module d'antenne de la figure 17, et correspondent respectivement aux mesures de gains, de TOS et à la détermination du diagramme de rayonnement en polarisation nominale et en polarisation croisée dans le plan H à 11
GHz;
- La figure 19 illustre la faible sensibilité de l'impédance Z0 de l'élément d'antenne de la figure 15 aux variations de positionnement du circuit conducteur entre les plans de masse.

Comme représenté en figure 1, l'antenne revendiquée dans la demande principale est du type à ligne à microruban suspendu, constituée d'un conducteur central 22 porté par une plaque support diélectrique 12 suspendue entre deux plaques métalliques supérieure 11 et inférieure 13. Les plaques 11, 13 sont chacune munies d'évidements 20a, 20b alignés par paires au niveau de terminaisons saillantes 30 du conducteur 22. La structure d'antenne est également complétée par une plaque de fond métallique 14 réfléchissante.

Le positionnement relatif des plans 11, 12, 13, 14, le dimensionnement des évidements 20a, 20b, et la longueur 1 de la terminaison saillante 30 du conducteur 22 sont choisis de façon que les évidements 20a, 20b jouent le rôle de fentes rayonnantes couplées électromagnétiquement, pour une bande de fréquence de fonctionnement relativement large.

La figure 2 représente un mode de réalisation d'un module d'antenne suivant la présente invention, constitué des éléments successifs d'une plaque de fond emboutie 14 formant des cavités fermées 26, d'une plaque inférieure de masse 13 emboutie, d'une plaque support 12 du circuit conducteur 22 et d'une plaque supérieure de masse 11 emboutie et d'une couronne supérieure 25, emboutie formant des cavités ouvertes 27.

On notera que ce mode de réalisation de l'antenne fait exclusivement intervenir une technologie d'emboutissage de tôle métallique pour la fabrication des quatre plaques 11, 13, 14, 25. Ce type d'antenne est donc particulièrement approprié i une fabrication de masse, à coût de revient réduit.

La figure 2 ne rend compte en aucune façon de la proportion des espacements et des épaisseurs des plaques.

En effet les distances Hu et H1 notamment ont été considérablement surdimensionnées pour des raisons de clarté.

Bien entendu, les deux problèmes qui se posent à propos d'une antenne à circuit imprimé intégralement suspendu de ce type, sont d'une part les conditions permettant d'avoir une bonne adaptation de chaque élément aux fréquences de travail et d'autre part les conditions garantissant une bonne efficacité de l'antenne, c'est-adire une valeur acceptable du gain par unité de surface.

De façon surprenante, la technologie utilisée permet d'obtenir sans difficultés des valeurs satisfaisantes pour ces deux paramètres.

Si l'on considère un élément rayonnant de l'antenne, constitué et une terminaison conductrice 30 lié à une paire de fentes 20a, 20b et à une cavité inférieure fermée 26, l'adaptation de cet élément est fonction de la longueur 1 de pénétration de la terminaison 30 entre les fentes 20a, 20b, de la distance df entre le triplaque 11, 12, 13 et le fond de la cavité 26, du diamètre DC de la cavité, du diamètre DE des fentes 20a, 20b, et de l'impédance Z0 du conducteur d'alimentation. A son tour
Z0 dépend de la largeur W du conducteur central, de l'épaisseur H de la plaque diélectrique 12, et des distances Hu et HL séparant la plaque de support électrique 12 et la plaque de masse supérieure 11 et inférieure 13 respectivement, ainsi que de la constante diélectrique R de la plaque support 12.

Ces différents facteurs influençant l'adaptation de l'antenne ont une importance relative inégale. Notamment, la distance df séparant le triplaque de la plaque de fond (ou du fond de la cavité fermée 26), ainsi que le positionnement relatif du conducteur 22 entre les plaques de masse 11, 13, ont une certaine plage de variations à l'intérieur de laquelle l'adaptation est peu affectée.

Ainsi, la figure 19 représente les calculs effectués sur une ligne de l'antenne (par le programme de C.A.O.

"Supercompact"), dans lequel on a déplacé le conducteur central entre les deux plaques de masse, en maintenant constante la distance b séparant les plaques de masse. On s'aperçoit que la variation de l'impédance Z0 obtenue ne varie qu'à l'intérieur d'une fourchette de 10% environ lorsqu'on déplace le circuit conducteur dans un intervalle centré entre les plans de masse 11, 13 et correspondant au tiers de l'espacement b entre les deux plans de masse. Cette courbe est l'un des éléments démontrant la faible sensibilité de l'antenne revendiquées aux imprécisions de fabrication et de montage, et donc la parfaite faisabilité de l'invention.

Le deuxième paramètre important est l'efficacité de l'antenne, c'est-i-dire son gain par unité de surface. De façon surprenante, et comme confirmé par les mesures effectuées sur un prototype et présentées ci-après, l'antenne revendiquée présente un gain à peu près constant sur une largeur de bande très importante (12,5% sur le prototype à 4x4 éléments). Or, on ne demandera aux antennes de réception par satellite utilisables en Europe qu'une largeur de bande de 7% environ (de 11,7 à 12,5
GHz). En conséquence, il existe une marge confortable d'adaptation de l'antenne, qui tolère aisément les imprécisions de mise en forme et de montage dues à la rusticité des technologies de fabrication employées pour l'invention.

L'efficacité de l'antenne est en outre accrue d'une part en limitant les pertes dans chaque élément rayonnant, et d'autre part en rapprochant les éléments le plus possible les uns des autres, de façon à augmenter le gain par unité de surface.

La technologie revendiquée se prête parfaitement à une optimisation dans ce domaine. En effet, le fait d'utiliser de l'air comme diélectrique entre la plaque support 12 et les deux plans de masse 11, 13 permet de réduire les pertes en comparaison d'une antenne équivalente du type "stripline" ou "microstrip", où le conducteur central est séparé de deux plans de masse ou d'un plan de masse unique respectivement, par un matériau solide diélectrique onéreux. Selon l'invention, le diélectrique de la plaque support peut être aussi peu épais que possible sans nuire à sa stabilité mécanique. A titre d'exemple, on a constaté qu'une épaisseur de 25 à 75rm convient parfaitement.

La concentration de plusieurs éléments sur une même surface, dans le but d'augmenter le gain de l'antenne, est réalisable dans la limite où le couplage intervenant entre chaque ligne adjacente ne dépasse pas une certaine limite préjudiciable. Or, 1 l'utilisation de fentes rayonnantes d'une part, et le soin apporté aux dessins géométriques du conducteur d'autre part, confèrent a l'invention de bonnes performances de ce point de vue.

L'utilisation de paires de fentes rayonnantes 20a, 20b a pour effet de Concentrer l'énergie rayonnante dans une zone inférieure par exemple à celle obtenue dans des modes de réalisation où chaque terminaison conductrice 30 est seulement couplée & des cavités formant guide d'onde.

En effet, la largeur d'un guide d'onde DL est supérieure i la largeur DE des fentes rayonnantes. Du fait de la localisation de l'effet rayonnant provoqué par les fentes rayonnantes, la distance entre deux éléments adjacents (par exemple l'élément A et l'élément B du module d'antenne de la figure 2) peut être réduite pour une valeur de découplage minimale entre lignes tolérable.

De plus, pour limiter l'influence des plots de positionnement 31 sur les éléments ou lignes adjacents, on peut réduire leur nombre au minimum et les placer dans des plans décalés par rapport aux fentes comme représenté en figure 3.

La géométrie des lignes revêt également une importance capitale, et les figures 9, 10, 11 présentent des modes de réalisation optimisés pour des modules de 16 x 16 éléments (deux modules adjacents sont représentés sur chaque figure). Chacun des modes de réalisation représentés est particulièrement avantageux dans la mesure où chacun des 256 éléments de l'antenne se trouve exactement à la même distance de l'entrée/sortie de l'antenne, et le dessin obtenu dégage, sur la plaque support du conducteur, des zones non conductrices 90 où peuvent reposer sans inconvénient les plots de positionnement repoussés 31 des plans de masse.

L'adjonction d'une cavité arrière fermée 26, et éventuellement d'une cavité avant ouverte 27, à un élément de l'antenne permet de récupérer le maximum d'énergie rayonnée dans la direction d'émission/réception de l'antenne.

Les figures 4, 5, 6, 7 illustrent quatre tèchnologies de fabrication des cavités avant et arrière, pour un module d'antenne à plans de masse 11, 13 embouties.

Plus précisément, la figure 4 est une vue éclatée d'un module i 4 x 4 éléments d'une antenne du type représenté en figure 2. Le module est simplement constitué de l'empilement de tôle emboutie 14, 13, 11, 25, au milieu desquels est placée la plaque support 12 du circuit conducteur 22.

La pile ainsi réalisée peut être maintenue en place soit i l'aide de boulons 26 traversant toutes les plaques (figure 1), soit en réalisant la plaque de fond 14 sous forme d'un boîtier. L'empilement peut être soit posé sur le boitier, soit introduit au moins partiellement à l'intérieur du boitier. Dans tous les cas, il faut obtenir un espacement df prédéterminé entre le triplaque et le fond du boîtier. Le boîtier peut être embouti, ou usiné par tout autre moyen, voire réalisé par métallisation d'un boitier non métallique. La fixation et le verrouillage de l'ensemble sont réalisés par vissage, collage, soudage ou autre.

Bien entendu, le mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 4 peut, le cas échéant, être réalisé avec une plaque de fond 14 plane, maintenue à distance du triplaque 11, 12, 13. La couronne 25 à cavités ouvertes 27 est optionnelle.

Les cavités arrière fermées 26 peuvent également être sous forme de cabochons individuels emboutis 72 (figure 4bis) et rapportées par points de soudure, collage ou autres à la plaque de masse inférieure 13, en regard des paires de fentes rayonnantes.

La figure 5 représente un autre mode de réalisation d'un module d'antenne selon l'invention dans lequel les cavités fermées arrière 26, et les cavités avant 27 sont réalisées par des anneaux métalliques 50, montés par tout moyen sur la plaque de fond pleine 14, et une plaque ajoutée 51 respectivement. De façon avantageuse, la fixation des anneaux 50 sur la plaque métallique de fond 14 est réalisée par soudure, collage ou équivalent. La plaque ajourée 51 peut être métallique ou non métallique, et les anneaux 50 peuvent être également collés ou autres sur les plaques 14,51.

Dans le mode de réalisation des figures 6A, 6B, le boitier B sert de logement i un jeu de lames entrecroises 60 posées sur chant, et formant une grille sur laquelle viendra reposer le triplaque 11, 12, 13. De façon avantageuse, la grille est formée de lames munies d'encoches 61, et destinées & s'emboiter les unes dans les autres comme représenté en figure 6B.

L'entrecroisement des lames définit des cavités 62 correspondant chacune à un des éléments rayonnants du triplaque. On peut noter s cet égard que la forme des cavités du module d'antenne n'est pas une caractéristique limitative de l'invention, de même que la forme des fentes rayonnantes 20A, 20B. Des sections circulaires, carrées, elliptiques, rectangulaires, polygonales suivant le besoin peuvent convenir. A cet égard, on pourra noter que dans certains cas, les ouvertures rectangulaires sont intéressantes pour dégager davantage de place au passage du conducteur 22.

La figure 7 illustre un quatrième mode de réalisation de l'invention, selon lequel les cavités arrière fermées 26 sont réalisées en plaçant un revêtement métallique sur les parois d'évidement non débouchant 70 pratiquées dans un bloc de fond non métallique 71. A titre d'exemple non limitatif, le bloc de fond peut être réalisé en matière plastique, et la métallisation des cavités peut être effectuée au moyen de feuilles d'aluminium. Le bloc de fond peut également être remplacé par une juxtaposition de blocs élémentaires, présentant chacun une ou plusieurs cavités. Dans le cas où les évidements sont débouchants, la plaque métallique de fond ferme les cavités.

I1 est entendu que les modes de réalisation des figures 4 & 7 peuvent être combinés et notamment que les modules d'antenne des figures 6 et 7 peuvent être munis d'une couronne avant du type & plaques embouties, ou à plaques d anneaux 50. L'adjonction de cavités avant ouvertes 27 permet d'augmenter le gain de l'antenne. La hauteur de cavité est de préférence supérieure & 0,1 fois la longueur d'onde d'émission. A titre d'exemple, une hauteur des cavités ouvertes de 5 mm i 10 mm donne une augmentation de gain de l'ordre de 2 dB suivant la géométrie, pour une fréquence de fonctionnement de 12
GHz.

Quels que soient les moyens utilisés pour l'immobilisation relative et la solidarisation des plaques des différents modes de réalisation, du module d'antenne suivant l'invention (boulons de serrage, boîtier B ou autres), les modules peuvent être ensuite enrobés d'un matériau électromagnétiquement neutre du type d'une matière plastique expansée ou moulée, par exemple du polyuréthanne expansé. Cet enrobage présente notamment l'avantage de protéger le module contre les intempéries lorsque l'antenne doit être utilisée a l'extérieur.

De façon avantageuse, une antenne peut être réalisée par combinaison de plusieurs modules. Dans le cas d'antennes de dimensions relativement grandes, cette technique présente l'avantage de diminuer le coût de fabrication, en diminuant la taille des outils utilisés.

Dans le mode de réalisation à plaques embouties, les économies réalisées peuvent être importantes; en outre la diminution de la taille des outils permet de mieux maîtriser la précision de mise en forme des plaques embouties.

De plus, l'avantage est encore plus considérable si chaque antenne est réalisée par addition de plusieurs modules identiques, comme présenté ci-après.

La figure 8 présente un premier mode de réalisation d'une antenne modulaire, dans laquelle le circuit conducteur unique 80 couvre deux modules 81, 82 réalisés selon l'un quelconque des modes de réalisation décrits précédemment. Plus précisément, la partie gauche de la plaque support 80 est insérée par exemple entre une plaque de masse supérieure llA, et une plaque de masse inférieure 13A montée dans un boîtier Ba pour ce qui est du premier module 81, et entre des composants correspondants llB, 13B, Bb pour ce qui est du second module 82.

Le circuit conducteur 80 est par exemple du type représenté en figure 9.

Ce mode de réalisation est relativement satisfaisant, mais présente l'inconvénient que la section 83 d'entrée/sortie du conducteur de l'antenne court le long de l'intersection des modules. Pour éviter d'éventuels effets défavorables provoqués par effet de fente provoqué par une jonction approximative des plaques des modules, du fait de la technologie choisie, on peut fermer l'intervalle de jonction par une mince feuille de métal, par exemple du cuivre auto-collant ou autres.

Toutefois, il est plus satisfaisant, pour pallier cet éventuel inconvénient, de réaliser le circuit conducteur lui-même en deux parties. Des modes de réalisation avantageux du circuit conducteur en deux parties sont représentés en figure 10 et 11. On notera que, dans les deux modes de réalisation, les deux circuits adjacents sont identiques et permettent une standardisation de leur production.

Dans ces figures 10 et 11, le conducteur 83 est donc réalisé sous la forme de deux lignes parallèles découplées, de part et d'autre du plan de jonction de deux modules d'antennes adjacents. Dans ces modes de réalisation, chaque élément d'antenne se trouve à une distance électrique identique du point d'entrée/sortie du circuit conducteur.

Dans la figure 11, les deux modules comportent des circuits conducteurs identiques orientés dans le même sens (sans présenter de symétrie par rapport i la ligne de jonction). De façon avantageuse (non représentée), les tronçons d'alimentation 110 longent la totalité du bord concerné des plaques-support 22a, 22b, afin de standardiser leur fabrication; dans ce cas, les demitronçons parasites sont déconnectés par entaille sur toute leur largeur, de préférence & 45'.

L'entrée/sortie des modules adjacents s'effectue préférentiellement dans des guides d'onde tels que représenté en figure 12 ou 13. L'utilisation d'une sortie en guide d'onde est avantageuse par rapport à l'utilisation d'un coaxial qui constitue une solution plus onéreuse.

La figure 12 illustre un guide d'onde d'entrée/sortie dans le cas où les deux circuits conducteurs adjacents sont électriquement reliés par diviseur en T pour présenter une terminaison 120 unique.

A cet effet, des demi-fentes rayonnantes 121a, 121b, 122a, 122b sont réalisées sur les bords de jonction des plaques supérieures lla et llb et inférieures 13a, 13b des modules adjacents. La paire de fentes ainsi réalisée après jonction des modules est complétée par un couvercle supérieur 123 formant un élément de guide d'onde fermé, et renvoyant vers un guide d'onde d'entrée/sortie 124 situé de l'autre côté du triplaque.

Le couvercle supérieur réfléchissant 123 est réalisé par exemple en plastique métallisé, ou en feuille métallique emboutie. Sa hauteur est par exemple de l'ordre d'un quart de longueur d'onde.

De façon à limiter l'effet de la fente de jonction, et améliorer la jonction électrique des plaques adjacentes lla, llb et 12a, 12b respectivement, il est possible de placer une feuille mince de métal 125, 126 autour de chaque fente 121a, 121b, 122a, 122b, par collage ou autre.

Le guide d'onde 124 d'entrée/sortie peut par exemple être vissé, collé ou autre sur les plaques de masse métalliques inférieures 13a, 13b.

Ce mode de réalisation' convient aussi bien au cas d'un circuit imprimé unique coopérant avec deux modules (cas de la figure 8) qu'au cas de deux modules distincts, dont les circuits conducteurs respectifs ne sont qu'ultérieurement connectés électriquement sur une terminaison unique.

La connexion électrique des deux semi-conducteurs peut par exemple être réalisée comme représenté en figure 14, ou les deux plaques support 12a, 12b des modules adjacents se chevauchent au niveau de leur jonction, de façon & faire se chevaucher la terminaison d'entrée/sortie de leur circuit conducteur respectif 22a, 22b.

Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, et comme représenté en figure 10, les circuits conducteurs 22a, 22b de deux modules adjacents sont réalisés à partir de deux plaques supports imprimées identiques, dont l'une est employée au recto, et l'autre au verso. Dans ce cas, le circuit imprimé d'une des plaques support se trouve sur la face supérieure, alors que l'autre circuit imprimé est sur la face inférieure.

Le léger décalage qui en résulte ne présente toutefois aucun inconvénient, puisqu'on a noté plus haut la faible sensibilité de l'impédance Z0 de l'antenne suivant l'invention, et donc de son adaptation aux faibles variations de position du circuit imprimé entre les deux plans de masse. Or, la plaque support en matériau diélectrique qui porte le circuit conducteur imprimé 22a, 22b peut être très fine, par exemple de l'ordre de 50 m.

Dans le cas où les deux circuits adjacents sont inversés l'un par rapport & l'autre, la connexion électrique de la figure 14 peut être réalisée par perçage de part en part des plaques support 12a, 12b au niveau des terminaisons d'entrée/sortie 140a, 140b des circuits conducteurs correspondant, puis soudure des circuits A travers lesdits perçages.

La figure 13 représente un autre mode de réalisation du dispositif d'entrée/sortie combiné des circuits conducteurs de deux modules adjacents. Dans ce cas, aucune connexion électrique n'est effectuée, et la combinaison s'effectue à travers un diviseur de puissance 130, en guide d'onde coudé, de façon à renvoyer le signa) le long du fond de l'antenne.

Chaque triplaque adjacent est alors pourvu d'une paire de fentes de sortie (131a, 131b), sur lesquelles est rapporté un couvercle fermé double 132.

De façon avantageuse, le couvercle double 132, ainsi que le couvercle simple 123 de la figure 12 peuvent être réalisés au moins partiellement par emboutissage des plaques supérieures lIa, llb des modules adjacents de l'antenne.

Enfin, il est toujours possible de stabiliser les plaques supports 12a, 12b des deux modules adjacents en appliquant un ruban adhésif, de préférence non métallique, sur les bords des plaques supports qui se jouxtent, notamment le long de leur demi-profondeur libre de conducteur central.

Le couplage parasite des deux modules adjacents peut également être efficacement évité en ménageant entre les modules un intervalle supérieur à la longueur d'onde entre les éléments rayonnants (84, 85) voisins de l'un et l'autre modules (81, 82). Cet intervalle libre permet avanta-geusement le passage des conducteurs centraux d'alimentation, en éliminant les risques de couplage et sans affecter le diagramme de rayonnement de façon trop importante.

EXEMPLE DE REALISATION
Des tests ont été effectués sur un module d'antenne formé d'un seul élément tel que représenté en figure 15 dans le but de déterminer la largeur de bande et le gain obtenu avec la mise en oeuvre de l'invention.

L'élément de test est formé de deux plaques en aluminium de 0,8 millimètre d'épaisseur, formant les plaques de masse 11, 13. Chacune des plaques présente une ouverture rayonnante de 16,5 mm. La distance entre les plaques de masse 11, 13 est de 1,7 mm. Une feuille mince de "Kapton" de 75m d'épaisseur soutient le conducteur central imprimé 22. La largeur du conducteur central correspond à une impédance de lignes de Z0 = 50 ohms pour l'écartement des plaques de masses 11, 13 de 1,7 mm.

La terminaison d'excitation 30 du conducteur pénètre de 5,0 mm entre les fentes 20a, 20b. Enfin, une cavité cylindrique fermée 26 de diamètre 20 mm et de hauteur 9,2 mm a été alignée sous la paire de fentes rayonnantes 20a, 20b.

Cet élément de démonstration est optimisé pour fonctionner autour des fréquences voisines de 11 GHz.

Les tolérances de fabrication de cet élément ont été volontairement maintenues très grossières. A cet effet, trois tests successifs ont été réalisés.

Tout d'abord, le TOS a été mesuré sur la bande 10,4
GHz-12,4 GHz pour un conducteur standard fabriqué par lithographie. La figure 16A restitue les mesures obtenues, qui démontrent un comportement remarquable de l'élément présentant un TOS inférieur & 1,4 sur une largeur de bande supérieure & 20%. La confirmation de cet excellent résultat est & trouver en figure 16b, qui représente le gain de l'élément sur le spectre de fréquence de test. Ce gain est constant à 6 dB, å l'erreur de mesure près (+ 0,5 dB).

Enfin, la figure 16C démontre que la polarisation croisée mesurée est très faible (inférieure à -30 dB) dans la direction perpendiculaire au plan de l'antenne élémentaire. Le rayonnement utile de l'élément s'effectue en polarisation linéaire avec un champ électrique parallèle i la ligne d'excitation.

Le second test effectué sur l'élément a consisté à remplacer le conducteur d'excitation 22 fabriqué par lithographie, par un conducteur découpé i la main (au scalpel) pour une impédance de 75 ohms à partir d'une ligne de 50 ohms. La mesure du TOS n'a pas montré de différence par rapport i la ligne standard réalisée par lithographie.

Dans le troisième test effectué sur l'élément rayonnant de la figure 15, les cavités cylindriques 26 ont été remplacées par une cavité réalisée à la main en papier d'aluminium de cuisine. Les tests effectués n'ont pas montré une augmentation notable du TOS
Les spécialistes des antennes du laboratoire néerlandais C.H.L. qui ont effectué ces mesures ont exprimé leur surprise devant la qualité des résultats de tests obtenus, alors qu'ils étaient habitués à travailler avec des précisions de l'ordre du micron.

Une deuxième série de tests a été réalisée sur un module d'antenne i 16 éléments, avec un dessin des circuits conducteurs tel que représenté en figure 17.

Comme il n'était pas économique de réaliser le modèle de test par emboutissage, on a utilisé des troncs de cylindres collés pour former les cavités arrière fermées. Les plots d'espacement 31 n'ont pas été formés par emboutissage, mais par collage de plots de tôle sur les plaques de masse 11, 13.

Les mesures de test ont été réalisées également dans la chambre anéchoide du laboratoire C.H.L. Ces mesures viennent confirmer les bons résultats déjà constatés lors du test de l'élément d'antenne unique, et revêtent d'ailleurs un caractère plus fiable que les tests précédents du fait qu'un module de 16 éléments est moins sensible aux conditions de mesure qu'un élément unique.

Le graphe 18a indique que le gain maximal obtenu est de 20 dB, et que le gain est supérieur & 19 dB sur une bande de fréquence supérieure å 10% (de 10,25 à 11,5
GHz).

Le TOS mesuré est inférieur d 2 sur une bande de fréquence de largeur supérieure å 2 GHz (figure 18b).

Enfin, le diagramme de rayonnement d 11 GHz de la figure 18c confirme l'absence de polarisation croisée dans la direction principale de rayonnement. Les premiers lobes de polarisation croisée sont d -25 dB environ par rapport au rayonnement principal maximal.

En conséquence, les modules d'antenne selon l'invention permettent d'obtenir d'excellentes performances avec des procédés de fabrication å faible tolérancement correspondant i une production de masse à faible coût de revient.

A titre d'application préférentielle, l'invention peut être utilisée pour fabriquer des antennes de réception d'émissions télévisées par satellite, dans la bande X. De façon avantageuse, ces antennes sont constituées de deux modules adjacents formés chacun de 16 x 16 éléments. Cette application préférentielle correspond aux dessins du circuit conducteur représentés en figures 9, 10, 11. Dans le cas'le plus fréquent où la polarisation de l'émission est circulaire, il est possible soit de placer un polariseur plan imprimé adéquat au-dessus de l'antenne, soit de superposer à l'antenne un étage supplémentaire & terminaisons d'excitation perpendiculaires aux terminaisons 30 de l'étage de base, comme illustré en figure 5 du brevet principal.

Claims (13)

REVENDICATIONS

1. Module d'antenne selon l'une quelconque des revendications du brevet principal, du type constitué d'une plaque support (12), d'un conducteur d'excitation (22), suspendue entre au moins deux plaques de masse (11, 13) percées de fentes rayonnantes (20a, 20b superposées par paires, lesdites plaques (11, 13) étant formées chacune d'une tôle emboutie pour présenter des plots d'espacement (31) venant reposer sur des parties non conductrices de ladite plaque support (12),

module caractérisé en ce qu'il comprend également des cavités fermées (26) et/ou des cavités ouvertes (27) formant guides d'onde, et alignées en avant et/ou en arrière respectivement d'au moins certaines desdites paires de fentes rayonnantes (20a, 20b).

2. Module d'antenne suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites cavités (26, 27) sont constituées par une tôle (14, 25) emboutie.

3. Module d'antenne suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites cavités (26, 27) sont constituées par une grille formée d'un entrecroisement de lames sur chant (60) définissant entre elles des alvéoles rectangulaires fermées par une plaque de fond (14).

4. Module d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites cavités (26, 27) sont constituées par des troncs de cylindre métalliques (50) rapportés sur une plaque de fond métallique (14) pleine, et/ou une plaque supérieure (51) ajoutée.

5. Module d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites cavités (26, 27) sont constituées par des alvéoles (70) creusées dans au moins un bloc de matériau non métallique (71), les parois desdites alvéoles (70) étant revêtues d'une garniture métallique.

6. Module d'antenne selon l'une quelconque des revendications du brevet principal, et des revendications 1 & 5 du C.A., et destiné à coopérer avec au moins un second module d'antenne, caractérisé en ce que les bords jointifs des plaques de masse (lla, 13a; llb, 13b) et des modules adjacents sont munis chacun d'une demi-fente rayonnante (121a, 122a; 121b, 122b) destinées à coopérer pour former une paire de fentes rayonnantes d'entrée/sortie au niveau d'une terminaison commune (120) des conducteurs des modules, et en ce que ladite paire de fentes (121a, 122a; 121b, 122b) ainsi constituée coopère également avec un couvercle réfléchissant (123) et un guide d'onde d'entrée/sortie (124).

7. Module d'antenne suivant l'une quelconque des revendications du brevet principal et des revendications 1 & 5 du C.A., destiné à coopérer avec au moins un autre module d'antenne, caractérisé en ce qu'u.le fente rayonnante de sortie (131a, 132a; 131b, 132b) est réalisée à proximité du bord de jonction de chacune des plaques de masse des modules de façon à former deux paires de fentes rayonnantes d'entrée/sortie adjacentes coopérant chacune avec l'extrémité (l33a, 133b) d'entrée/sortie des circuits conducteurs respectifs des modules, lesdites paires de fentes des modules adjacents coopérant d'une part avec un double couvercle réfléchissant commun (132) i l'une de leurs extrémités, et d'autre part avec un diviseur de puissance (130) à guides d'onde i l'extrémité opposée.

8. Module d'antenne suivant l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que lesdits couvercles (123, 132) sont réalisés par emboutissage de la plaque de masse supérieure (lla, llb) des modules d'antenne adjacents.

9. Module d'antenne suivant l'une quelconque des revendications du brevet principal, et des revendications 1 à 5 du C.A., destiné & coopérer avec au moins un autre module d'antenne, caractérisé en ce qu'une plaque support (12) & conducteur électrique d'excitation (22) unique est couplée d plusieurs jeux de plaques de masse (11, 13), chaque jeu correspondant å un module d'antenne distinct.

10. Module d'antenne suivant l'une quelconque des revendications du brevet principal, et des revendications 1 & 5 du C.A., destiné & coopérer avec au moins un second module d'antenne, caractérisé en ce que les circuits conducteurs (22) de deux modules adjacents sont identiques et retournés l'un par rapport à l'autre de façon que le circuit imprimé (22a) d'un premier module se trouve au recto de la plaque support (12a) correspondante, et le circuit conducteur (22b) du second module se trouve au verso de la plaque support (12b).

11. Module d'antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'empilement du triplaque (11, 12, 13) est logé dans un boîtier (B) dont le fond constitue les cavités arrière fermées (26).

12. Procédé de fabrication d'un module d'antenne réseau d large bande selon l'une quelconque des revendications 1 A 11, caractérisé en ce qu'on réalise la mise en forme de chacune desdites plaques de masse (11, 13) des modules d'antenne par une opération de matriçage/emboutissage, pour, d'une part percer lesdites fentes rayonnantes (20a, 20b) et d'autre part repousser des butéées d'espacement (31) sur la face des plaques (11, 13) tournée vers la plaque-support diélectrique supportant le conducteur central,

en ce qu'on assemble ledit module d'antenne en faisant simplement reposer des zones non conductrices de la plaque support diélectrique (12) du conducteur d'excitation (22) contre les repoussements 31 se faisant face des plaques de masse inférieure (13) et supérieure (11) de façon à faire pénétrer des terminaisons (30) du circuit conducteur (22) entre les paires de fentes (20a, 20b) alignées et en ce qu'on superpose ledit triplaque (11, 12, 13) ainsi réalisé à des cavités fermées arrière (26) et/ou avant ouvertes (27) du type revendiqué en revendications 2 à 5.

13. Procédé de fabrication d'une antenne constituée d'un ou plusieurs modules selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'on enrobe les modules d'un matériau électromagnétiquement neutre pour immobiliser les plaques l'une par rapport i l'autre, et protéger l'ensemble des intempéries.