FR2616015A1 - Procede d'amelioration du decouplage entre antennes imprimees - Google Patents

Abstract

Procédé d'amélioration du découplage entre antennes émission et réception d'un système radio-altimétrique dans lequel l'effet de couplage parasite entre antennes de type " patch " est dû principalement au mode de propagation en polarisation croisée. A cet effet, on superpose à ce mode parasite un autre mode de couplage parasite de module et de phase opposés en effectuant sur chacune desdites antennes un couplage entre deux éléments rayonnants contigus 3, ledit couplage pouvant être répété sur plusieurs couples d'éléments. Divers modes de couplage peuvent être réalisés : couplage capacitif 5, couplage par ligne à haute impédance 6, couplage par " gap " 7, couplage sur le mode de propagation normal le long d'un élément rayonnant 9 etc.. Les niveaux de couplage ainsi réalisés sont réglés expérimentalement en amplitude et en phase. Application aux radio-communications.

Description

PP.OCEDE D'AMELTORATION DU DECOUPLAGE ENTRE ANTENNES IMPRIMEES.

L'invention concerne un procédé d'amélioration du découplage entre antennes émission et réception d'un système radio-altimétrique, chacune desdites antennes étant formée à partir d'un substrat diélectrique dont la face inférieure est recouverte d'une couche de matériau conducteur constituant le plan de masse et dont la face supérieure comporte, gravés en un autre matériau conducteur, les éléments rayonnants de type "patch" et le circuit de distribution d'énergie relié à un connecteur à travers un trou métallisé percé dans ledit substrat, le radôme de ladite antenne étant formé d'une couche dudit diélectrique superposée audit substrat mais de moindre épaisseur.

L'amélioration de ce découplage présente un intérêt sur les avions, les hélicoptères, les fusées équipés de radio-altimètres lorsque des contraintes dimensionnelles limitent la distance entre antenne d'émission et antenne de réception.

Le fonctionnement correct de la "boucle altimétrique" est lié aux qualités de découplage entre ces antennes telles qu'elles sont implantées sur l'aéronef. La valeur généralement requise se situe aux environs de - 60 dB dans la bande de fréquences 4,2 - 4,4 GHz. L'amélioration des qualités de découpage permet de réduire la distance minimum entre antennes, pour laquelle cette valeur est atteinte.

Les antennes d'émission et de réception sont implantées sur la peau de l'aéronef de façon à être éventuellement couplées dans le plan H. Chaque antenne est concernée par le rayonnement émis par son homologue, à 90 de l'angle de rayonnement maximum perpendiculaire au plan de l'antenne.

L'expérience montre que la cause essentielle du couplage est le rayonnement en polarisation croisée qui se situe à - 25 dB sous le niveau de rayonnement maximum.

Un moyen de réduire ce couplage parasite entre antennes imprimées du genre mentionné dans le préambule est donné dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 4 460 894. Il consiste à ceinturer partiellement ou entièrement le circuit de chaque antenne par une bande conductrice dont la largeur est inférieure à la distance entre cette bande et l'élément rayonnant de l'antenne. La bande est reliée à la masse en des points espacés d'une demi longueur d'onde de la fréquence d'émission. L'antenne se trouve ainsi isolée par un mécanisme que l'on suppose lié à l'absorption et à la dispersion des courants de surface et du rayonnement parasite latéral. Ce procédé apporte un gain d'environ 10 dB sur la valeur du découplage.

Le procédé de l'invention aboutit à un résultat du même ordre mais par un moyen de réalisation plus simple.

Il est remarquable en ce que la réduction de l'effet de couplage parasite entre antennes émission et réception dû principalement au mode de propagation croisée, consiste à lui superposer un autre mode parasite de module et de phase opposés en effectuant sur chacune desdites-antennes un couplage entre deux éléments rayonnants contigus, ledit couplage pouvant être répété sur plusieurs couples d'éléments, le niveau dudit couplage étant réglé expérimentalement en amplitude et en phase, une couche superficielle de peinture assurant la protection de ladite face supérieure du substrat.

La description suivante en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée.

Les figure la à id représentent divers modes de couplage conformes à l'invention, entre deux éléments rayonnants de l'antenne en vues de face supérieure.

- figure la : couplage capacitif, - figure la' : vue en coupe suivant un plan perpendiculaire
aux faces de l'antenne, - figure lb : couplage par ligne à haute impédance, - figure lc : couplage par "gaps", - figure lc :couplage sur le mode de propagation normal le
long d'un élément rayonnant.

Les figures 2a et 2b représentent respectivement en vues de face supérieure une antenne de type 'patch" à quatre éléments rayonnants et la meme antenne traitée par couplages capacitifs selon l'invention.

Les figures 3a et 3b représentent respectivement une vue en perspective et une coupe transversale de l'antenne .traitée par couplages capacitifs.

La figure 4 montre le diagramme de rayonnement de l'antenne non traitée dans les plans H (trait plein) et E (traits interrompus).

La figure 5 montre le diagramme de rayonnement dans le plan H (trait plein) et le diagramme de rayonnement en polarisation croisée (traits interrompus) de l'antenne non traitée.

La figure 6 montre la variation du rapport puissance réfléchielpuissance incidente en fonction de la fréquence.

La figure 7 montre le diagramme de rayonnement dans le plan H (trait plein) et le diagramme de rayonnement en polarisation croisée (traits interrompus) de l'antenne traitée par couplages capacitifs.

La figure 8 montre le résultat de mesure du découplage entre antennes d'émission et de réception en fonction de la distance entre centres pour l'antenne non traitée et l'antenne traitée.

Les figures la et la' représentent un mode de couplage capacitif selon l'invention entre deux éléments rayonnants d'une antenne de type 'patch". La figure la est une vue de la face supérieure et la figure la' est une coupé suivant un plan perpendiculaire aux faces et passant par la ligne XX'.

Une antenne de type 'patch' est constituée d'une plaque en matériau diélectrique 1 recouverte sur toute sa face inférieure d'une feuille de cuivre 2 faisant office de masse.

La face supérieure porte, gravés, les éléments rayonnants. On a représenté sur les figures deux éléments contigus 3. Cet ensemble est recouvert d'une feuille diélectrique mince 4 remplissant les fonctions de radôme. Sur la face supérieure du radome est gravé le pavé conducteur 5 réalisant une liaison par couplage capacitif entre les deux éléments rayonnants 3.

L'amplitude du niveau de couplage est fonction de la position du pavé ainsi superposé et de la surface de recouvrement des éléments rayonnants par ce pavé, tandis qu'une action sur la phase est possible en ajustant convenablement la longueur des zones en regard.

Dans ce mode de couplage, l'épaisseur et la constante diélectrique du radôme ont un rôe important par leur action sur la capacité du condensateur formé par l'élément rayonnant et le pavé de couplage.

On peut envisager de réaliser le couplage d'un élément rayonnant à l'autre par un circuit additionnel gravé sur le méme- plan que ces éléments et qui présente l'avantage de faire partie intégrante du circuit imprimé de l'antenne. Dans ce cas différentes solutions peuvent être envisagées.

La figure lb représente un couplage entre les deux éléments contigus 3 par une ligne à haute impédance 6.

L'amplitude est fonction de l'impédance de la ligne et de la position de son raccordement à l'élément rayonnant.

La phase est ajustée par la longueur de la ligne.

Sur la figure lc le couplage entre les éléments rayonnants 3 est assuré par un couple de plots conducteurs ou gaps" 7 reliés par une ligne 8.

Le niveau de couplage est réglé par la longueur et l'emplacement du 'gap* entre les deux éléments contigus 3, tandis que la phase est fonction de la longueur de ligne reliant les deux "gaps".

Sur la figure ld, le couplage entre éléments rayonnants 3 est effectué sur le mode de propagation normal le long d'un élément rayonnant.

L'amplitude du couplage est fonction des dimensions géométriques des zones de couplage en regard 9 et la phase est ajustable par la longueur de la ligne 10 reliant les deux zones de couplage.

Ces différents modes de couplage possibles -ne sont pas limitatifs. On peut en imaginer d'autres dès lors que l'on est à même d'agir sur l'amplitude et la phase.

Il peut être intéressant dans certains cas de combiner deux ou plusieurs de ces solutions selon la nature du couplage à réaliser et la place dont on dispose entre les éléments rayonnants.

On expose maintenant à titre d'illustration, les résultats obtenus sur l'antenne de type 'patch' à quatre éléments rayonnants dont la face supérieure est représentée sur la figure 2a et sur laquelle un couplage capacitif selon l'invention a été réalisé conformément à la vue de la figure 2b.

Les éléments rayonnants 3', 3 , 3'" et 3"" sont reliés entre eux par le circuit d'alimentation 11 également gravé sur la plaque de matériau diélectrique. Sur le trajet de ce circuit un trou métallisé 12 a été pratiqué dans la plaque diélectrique pour permettre les connexions de l'antenne émettrice à la source de courant haute fréquence ou de l'antenne réceptrice au circuit récepteur.

Les pavés de couplage 5' et 5- sont gravés sur le radôme de l'antenne entre les éléments rayonnants 3'-3" et 3' "-3"' respectivement tels que représentés sur la figure 2b.

Leur rôle consiste à transmettre par couplage l'énergie-se propageant dans le mode parasite.

La figure 3a est une vue en perspective de l'antenne et la figure 3b une coupe transversale suivant la ligne AA' sur lesquelles on retrouve tous les éléments précédemment décrits : la plaque diélectrique 1 en verre époxy d'épaisseur 1,6 mm, le plan de masse 2, les éléments rayonnants 3', 3", 3'" et 3"t, le radome 4 en verre époxy d'épaisseur 0,3 mm, les pavés de couplage 5' et 5", le circuit d'alimentation 11, le trou métallisé 12 relié à un connecteur 13. L'ensemble est recouvert d'une mince couche de peinture protectrice 14.

Le circuit d'alimentation 11 assure d'une part la répartition en amplitude et en phase de l'énergie rayonnée entre le point d'alimentation central 12 et les éléments rayonnants et d'autre part l'adaptation de l'ensemble à l'émetteur ou au récepteur, soit 50 ohms.

Les performances de l'antenne initiale non traitée représentée sur la figure 2a apparaissent sur les figures suivantes - figure 4 : diagrammes de rayonnement exprimés en dB dans les
plans H (en trait plein) et E (en traits interrompus) de
- 1800 à + 1800, - figure 5 : diagrammes de rayonnement éxprimés en dB dans le
plan H concernant le rayonnement normal (en trait plein) et
le rayonnement en polarisation croisée (en traits interrom
pus) de - 1800 à + 180 , - figure 6 : rapport exprimé en dB de la puissance réfléchie à
l'entrée à la puissance incidente en fonction de la fréquen
ce autour de 4,3 GHz.

On voit sur la figure 5 que la cause essentielle du couplage est le rayonnement en polarisation croisée qui se 5i- tue aux environs de - 25 dB sous le niveau de rayonnement maximum.

La théorie concernant les antennes imprimées du type 'patch" utilisées suppose que chaque élément représente une ligne de transmission à travers laquelle il n'existe qu'un seul mode de propagation allant du bord alimenté au bord oppo sé.

L'expérience montre qu'il est difficile d'éviter la propagation d'un mode parasite dans la direction perpendiculaire et ceci d'autant plus que le point d'alimentation s'éloigne du centre du bord alimenté.

Or ce décalage par rapport au centre est rendu nécessaire par les contraintes d'adaptation et de répartition en amplitude et en phase d'une part et par le souci de simplifier au maximum le circuit d'alimentation pour diminuer les pertes d'autre part.

Dans le but de réduire les effets du mode de propagation croisée, on a cherché à lui superposer un second mode parasite en opposition de phase. Il s'agit en quelque sorte d'un neutrodynage.

A cet effet, divers modes de couplage ont été précédemment décrits. Sur l'antenne de type 'patch à quatre éléments rayonnants on a adopté à titre d'illustration le mode de couplage capacitif (figures 2b, 3a et 3b). Les lignes de faibles dimensions 5' et 5" représentées sur ces figures ont pour rôle de transmettre par couplage l'énergie se propageant dans le mode parasite.

On peut ainsi jouer sur les trois paramètres suivants pour régler expérimentalement l'amplitude et la phase du neutrodynage, à savoir la largeur de la ligner sa longueur et sa position sur le circuit de l'antenne initiale.

La figure 7 montre sur l'antenne ainsi traitée les diagrammes de rayonnement dans le plan H (en trait plein) et en polarisation croisée (en traits interrompus) exprimés en dB de - 1800 à + 1800.

On ne note aucune modification des diagrammes de rayonnements principaux ni de l'adaptation dont les figures 5 et 6 restent représentatives. Par contre le rayonnement en polarisation croisée est réduit de l'ordre de 10 dB à - 600 et devient négligeable en deçà de - 90" et au-delà de + 400 ce qui représente un résultat appréciable.

La mesure à l'aide diun radioaltimètre du découplage entre antennes émission et réception en fonction de la distance D entre centres est représentée sur la figure 8 pour l'antenne ci-dessus non traitée (courbe en trait plein) et traitée par couplages capacitif s (courbe en traits interrom pus). On voit ainsi que pour obtenir un découplage de - 70 dB, l'implantation des antennes centre à centre est à 20 cm l'une de l'autre pour les antennes non traitées. Cette distance se réduit à 13 cm pour les antennes traitées.

Ces résultats ont été confirmés sur une série de 10 antennes de production.

Claims (4)

REVENDICATIONS :

1. Procédé d'amélioration du découplage entre antennes émission et réception d'un système radio-altimétrique, chacune desdites antennes étant formée à partir d'un substrat diélectrique dont la face inférieure est recouverte d'une couche de matériau conducteur constituant le plan de masse et dont la face supérieure comporte, gravés en un autre matériau conducteur, les éléments rayonnants de type "patch" et le circuit de distribution d'énergie relié à un connecteur à travers un trou métallisé percé dans ledit substrat, le radôme de ladite antenne étant formé d'une couche dudit diélectrique superposée audit substrat mais de moindre épaisseur, caractérisé en ce que la réduction de l'effet de couplage parasite entre antennes émission et réception dû principalement au mode de propagation croisée, consiste à lui superposer un autre mode parasite de module et de phase opposés en effectuant sur chacune desdites antennes un couplage entre deux éléments rayonnants contigus, ledit couplage pouvant être répété sur plusieurs couples d'éléments, le niveau dudit couplage étant réglé expérimentalement en amplitude et en phase, une couche superficielle de peinture assurant la protection de ladite face supérieure du substrat.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit couplage est constitué par un pavé conducteur gravé sur le radôme entre deux éléments rayonnants contigus, l'amplitude de chaque couplage étant fonction de la position du pavé et de la surface de recouvrement des éléments rayonnants par ledit pavé, la phase dudit couplage étant fonction de la longueur des zones en regard, l'épaisseur et la constante diélectrique du radôme agissant sur le couplage capacitif ainsi réalisé.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit couplage est constitué par une ligne à haute impédance disposée entre deux éléments rayonnants contigus et gravée sur le même plan que lesdits éléments, l'amplitude dudit couplage étant fonction de l'impédance de la ligne et de la position de son raccordement à l'élément rayonnant, la phase dudit couplage étant ajustée par la longueur de la ligne.

Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit couplage est constitué par un couple de plots conducteurs ou "gaps" disposé entre deux é-léments rayonnants contigus, les deux "gaps" et la ligne conductrice les reliant étant gravés sur le même plan que lesdits éléments rayonnants, l'amplitude dudit couplage étant fonction de la largeur et de la position du "gap", la phase dudit couplage étant fonction de la longueur de ligne reliant les deux gaps".

5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit couplage est effectué sur le mode de propagation normal le long d'un élément rayonnant, les deux zones d'éléments contigus couplées étant reliées par une ligne conductrice gravée sur le même plan que lesdits éléments, l'amplitude dudit couplage étant fonction des dimensions géométriques desdites zones de couplage en regard, la phase dudit couplage étant ajustée par la longueur de la ligne reliant les deux zones de couplage.