FR2651608A1 - Antenne plane. - Google Patents

Abstract

L'antenne plane (10) selon la présente invention est du type à propagation depuis l'intérieur, a une structure monocouche et est excitée en mode axialement symétrique pour propager des ondes radioélectriques depuis le centre en direction de la périphérie extérieure dans une couche de propagation, ladite antenne comprenant un guide d'ondes à mode axialement symétrique, un câble d'application d'ondes radioélectriques connecté au centre du guide d'ondes, une pluralité de fentes de couplage (20A, 20B) formées et disposées dans une surface du guide d'ondes d'une manière telle que le coefficient de couplage soit élevé à la périphérie extérieure et diminue successivement à mesure que l'on se rapproche du centre, et une fente terminale (24) formée dans une surface formant antenne de la couche de propagation à la partie terminale du guide d'ondes.

Description

"Antenne plane" La présente invention concerne une antenne plane et elle a

trait, plus particulièrement, à une antenne plane, appelée antenne à fentes linéaires radiales, qui est excitée

en mode transversal axialement symétrique.

Des antennes à fentes linéaires radiales sont décrites dans divers ouvrages. Par exemple, on se référera à

"A Radial Line Slot Antenna for 12 GHz Satellite TV Recep-

tion" dans IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNA AND PROPAGATION, Vol.

Ap-33, n 12, Décembre 1985, pages 1347-1353; à "Characte-

ristics of a Radial Line Slot Antenna for 12 GHz Band Satetllite TV Reception" dans IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNA

AND PROPAGATION, Vol. AP-34, n 10, Octobre 1986, pages 1269-

1272; et à "Slot Coupling in a Radial Line Slot Antenna for 12 HGz Band Satellite TV Reception" in IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNA AND PROPAGATION, Vol. 36, n 12, Décembre 1988, pages

1675-1680.

Les antennes planes excitées en mode axialement symétrique décrites dans ces articles possèdent toutes une structure à double couche comportant deux couches de propaga- tion. Plus spécifiquement, une onde radioélectrique en provenance d'une source d'alimentation est appliquée au centre de la couche de propagation inférieure, cette onde se propageant radialement vers l'extérieur le long de la couche de propagation inférieure, est guidée jusqu'à la couche de

propagation supérieure, à l'extrémité de la couche infé-

rieure, se propage en direction du centre le long de la

couche supérieure de propagation et rayonne par de nombreu-

ses fentes lors du processus de propagation à travers la couche supérieure de propagation. La polarisation circulaire et la polarisation linéaire sont déterminées par la position des fentes. Grâce à cette structure à double couche, les

ondes radioélectriques se propagent de la périphérie exté-

rieure en direction du centre au niveau de la couche rayon-

nante (à savoir la couche supérieure de propagation) compor-

tant la surface rayonnante à fentes. Dans le cas o les ondes radioélectriques excitées en mode axialement symétrique se propagent ainsi de la périphérie extérieure en direction du centre, le champ électromagnétique intérieur f(r) est exprimé comme suit: f(r) = A exp{(a+ jk)r}/-%f o A représente un coefficient proportionnel, k représente une constante de propagation, r représente le rayon, et a est un coefficient proportionnel de la puissance qui rayonne par unité de longueur dans la direction radiale. Le coefficient a est une valeur positive et est appelé: "le coefficient de couplage". D'autre part, la distribution U(r) de la puissance à l'ouverture, à la position du rayon, est exprimée comme suit: U(r) = alf(r)2 = a exp(2ar)/r o a est positif. Par conséquent, il s'agit d'un agencement dans lequel il est théoriquement facile d'obtenir une distribution de puissance à l'ouverture qui est pratiquement

uniforme dans la direction radiale.

Les ondes radioélectriques résiduelles qui n'ont pas rayonné sont absorbées par un absorbeur se trouvant au centre. Toutefois, la superficie de section dans la direction de déplacement des ondes radioélectriques est faible près du

centre et, par conséquent, la quantité des ondes radioélec-

triques devant être ainsi absorbées est faible. Il en résulte

que l'antenne est efficace.

Toutefois, cette structure à double couche présente

l'inconvénient d'être notamment très difficile à fabriquer.

Spécifiquement, il est nécessaire que le matériau en plaque disposé entre les couches supérieure et inférieure de propagation soit maintenu en place de manière à ne pas gêner la propagation des ondes radioélectriques. De plus, il est nécessaire que les largeurs des couches supérieure et inférieure de propagation soient maintenues à des valeurs prédéterminées. Du point de vue de la fabrication, une structure

monocouche, dans laquelle les ondes radioélectriques rayon-

nent durant leur propagation radialement vers l'extérieur depuis le centre, est avantageuse. Quand l'antenne est excitée avec une symétrie axiale dans une telle structure

monocouche, les ondes radioélectriques appliquées se propa-

gent radialement vers l'extérieur depuis le centre et rayonnent peu à peu au cours de cette propagation. Dans le

cas d'une antenne plane excitée en mode axialement symétri-

que, la description de la présente demande se rapporte à une

antenne dans laquelle les ondes radioélectriques d'excitation se propagent depuis le bord extérieur en direction du centre à l'intérieur d'une couche de propagation comportant une surface rayonnante, cette antenne étant considérée comme étant du "type à propagation depuis l'extérieur" (ou du "type à excitation extérieure") et elle concerne aussi une antenne dans laquelle les ondes radioélectriques d'excitation se propagent du centre en direction du bord extérieur à l'inté- rieur de la couche de propagation, cette antenne étant

considérée comme étant du "type à propagation depuis l'inté-

rieur" (ou du "type à excitation intérieure").

Dans l'antenne du type à excitation intérieure, le champ électromagnétique intérieur f(r) dans le guide d'ondes est donné par l'expression suivante:

f(r) = A exp{-(a+jk)r}/v'-

ce qui représente le contraire du cas de la structure à deux couches mentionnée ci-dessus, à savoir l'antenne du type à excitation extérieure. Même s'il ne se produit pas de rayonnement au moyen des fentes rayonnantes (a=0), le champ électromagnétique est très important au centre et devient d'autant plus faible qu'on se rapproche du bord extérieur de l'antenne. En outre, du fait qu'il se produit un rayonnement par les fentes rayonnantes (a>0), le champ électromagnétique diminue brusquement au voisinage immédiat du bord extérieur de l'antenne. Par conséquent, avec une antenne du type à excitation intérieure, on considère qu'il est très difficile dans la pratique d'établir une distribution de profil presque

uniforme dans la direction radiale.

Les ondes radioélectriques résiduelles qui ne rayonnent pas sont absorbées à l'endroit de la surface

périphérique extérieure afin d'éviter une réflexion. Toute-

fois, en comparaison avec l'antenne du type à propagation depuis l'extérieur, la superficie de section droite est extrêmement grande. Du fait que cette absorption constitue une perte, on considère que, en théorie, le rendement de l'antenne du type à excitation intérieure est très bas. Pour

ces raisons, on a pensé qu'il était difficile, voire impossi-

ble, d'obtenir dans la pratique une antenne plane à haut

rendement utilisant le procédé dit à excitation intérieure.

Une autre raison est que du fait de cette situation, on a consacré aux antennes planes utilisant le procédé dit de propagation depuis l'extérieur beaucoup plus de recherches que pour celles utilisant le procédé dit de propagation

depuis l'intérieur.

Les auteurs de la présente invention ont retourné aux sources de la théorie des antennes et, en en tenant compte, on découvert qu'il est possible de concevoir une

antenne plane présentant un rendement entièrement satisfai-

sant, même si l'antenne est du type à excitation intérieure.

La présente invention a donc pour objet la réalisation d'une antenne plane du type à excitation intérieure à structure monocouche présentant d'excellentes caractéristiques et dans

laquelle les ondes radioélectriques peuvent rayonner effica-

cement depuis la surface frontale de l'antenne.

Pour atteindre l'objectif mentionné ci-dessus,

l'antenne plane selon la présente invention a une configura-

tion dans laquelle, quand une émission est effectuée, les ondes radioélectriques se propageant à partir du centre rayonnent depuis une partie extérieure pendant qu'elles se propagent en direction de la périphérie extérieure. L'antenne plane est pourvue d'une pluralité de fentes de couplage formées et disposées dans une des surfaces d'un élément de guide d'ondes en mode axialement symétrique, de manière telle que le coefficient de couplage pour le rayonnement extérieur

est important à la périphérie extérieure et diminue succes-

sivement à mesure que l'on se rapproche du centre, et d'une fente terminale, constituée par une fente en spirale ou en anneau formée dans la surface de l'antenne à l'extrémité de l'élément de guide d'ondes à mode axialement symétrique. Une région qui n'est pas couplée à la partie extérieure est prévue au centre de la surface de l'antenne. En outre, l'antenne plane est pourvue d'un élément réflecteur disposé le long de la fente terminale pour réfléchir une onde radioélectrique de propagation entre les parties intérieure et extérieure de l'élément de guide d'ondes à mode axialement symétrique. Si on applique le théorème de réciprocité des antennes (que l'on décrira par la suite), il est possible de réaliser de la même façon l'antenne de réception et l'antenne d'émission. Selon la présente invention, lorsque l'antenne est alimentée centralement, le champ électromagnétique intérieur est très important dans la partie centrale et diminue

brusquement au voisinage de la périphérie de l'antenne.

Toutefois, en faisant en sorte que le coefficient de couplage

soit élevé à la périphérie extérieure et diminue progressi-

vement en direction du centre, comme on l'a mentionné ci-

dessus, on peut obtenir une distribution de puissance à l'ouverture relativement plate. De plus, lorsque la partie centrale est pourvue d'une région non rayonnante, l'effet de

longue ligne est supprimé et la largeur de la bande augmen-

tée. Par contre, le gain de l'antenne diminue par suite de la

réduction de superficie de l'antenne. Toutefois, l'augmenta-

tion de la largeur de la bande est beaucoup plus prononcée que ne l'est la diminution du gain et, par conséquent, on peut obtenir des caractéristiques souhaitables pour une antenne. En outre, grâce à la fente terminale et à l'élément réflecteur, la réflexion en direction de l'intérieur du guide d'ondes est réduite ou maintenue sensiblement nulle. Ceci permet, à l'endroit de l'extrémité, une réflexion des ondes radioélectriques en direction de la surface frontale de l'antenne. Du fait que les ondes radioélectriques, présentant la même phase que les ondes radioélectriques polarisées circulairement et rayonnant jusqu'à l'extrémité de l'antenne, sont irradiées à partir de la fente terminale, la puissance, qui serait absorbée si on avait recours à un absorbeur, peut

être utilisée efficacement.

Dans le cas de la réception, on peut obtenir à l'aide du théorème de la réciprocité des antennes, des actions et des effets similaires à ceux mentionnés pour

l'antenne d'émission.

On va maintenant décrire la présente invention en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: la Figure 1 est une vue de face d'une antenne plane représentant un premier mode de réalisation de la présente invention; la Figure 2 est une vue en coupe suivant A-A de la Figure 1; la Figure 3 est une vue en coupe suivant B-B de la Figure 1;

la Figure 4 représente la distribution du coeffi-

cient de couplage a en fonction du rayon d'une antenne plane pour obtenir une distribution d'ouverture plate; la Figure 5 représente la distribution d'une longueur de fente en fonction du rayon d'une antenne plane pour obtenir la distribution de facteur de couplage de la Figure 4;

la Figure 6 représente la distribution d'un espace-

ment de fente en fonction du rayon d'une antenne plane pour obtenir la distribution de facteur de couplage de la Figure 4; la Figure 7 est une vue de face d'une antenne plane, dont la partie centrale est pourvue d'une région non

rayonnante, cette vue illustrant un second mode de réalisa-

tion de la présente invention; la Figure 8 représente la distribution de facteurs de couplage a dans le cas o une partie ayant un rayon de 10 cm est adoptée comme région non rayonnante; la Figure 9 est un diagramme caractéristique du gain G de la largeur de bande normalisée B de l'antenne plane; les Figures 10 et 11 sont des vues en coupe illustrant des variantes de la partie centrale d'alimentation de l'antenne plane;

la Figure 12 est un diagramme montrant la disposi-

tion des paires de fentes rayonnantes et d'une fente termi-

nale dans le plan r-0 (c'est-à-dire le plan de l'antenne) d'un système de coordonnées cylindriques (r, 0, z), dans lequel la surface frontale de l'antenne est prise comme axe des z; la Figure 13 est un diagramme dans lequel le rapport d'occupation AS/S entre une superficie utilisée AS et la superficie S de l'antenne est tracé par rapport au diamètre de l'antenne; la Figure 14 est un diagramme illustrant un troisième mode de réalisation de la présente invention et montrant la disposition de paires de fentes rayonnantes et d'une fente terminale dans le plan r-O d'un système de coordonnées cylindriques (r, 0, z), dans lequel la surface frontale de l'antenne est prise comme axe des z, cette antenne comportant un élément de réglage de phase comprenant une matière diélectrique dans laquelle la distance de propagation d'une onde radioélectrique varie en fonction de l'angle dans la direction circonférentielle; la Figure 15 est un diagramme dans lequel le rapport d'occupation AS/S entre la superficie utilisée AS et la superficie S de l'antenne est tracée par rapport à la constante diélectrique spécifique a.;

la Figure 16 est un diagramme montrant la disposi-

tion de paires de fentes rayonnantes et d'une fente terminale dans le plan r-0 d'un système de coordonnées cylindriques (r, 0, z) dans lequel la surface frontale de l'antenne est prise comme axe des z, cette antenne utilisant comme élément de réglage de phase une matière diélectrique dont la constante diélectrique spécifique er est égale à 4; la Figure 17 est une vue en plan généralisé montrant une antenne plane dont la conception est basée sur la disposition de fentes de la Figure 16; la Figure 18 est une vue en coupe suivant C-C de la Figure 17; la Figure 19 est un diagramme montrant la relation de position entre une ligne de base (ligne en spirale) des paires de fentes rayonnantes, la fente terminale et l'élément de réglage de phase; la Figure 20 est un diagramme illustrant un quatrième mode de réalisation de la présente invention et montrant la disposition de paires de fentes rayonnantes et d'une fente terminale dans le plan r-0 d'une façon similaire à celle de la Figure 16; la Figure 21 est un diagramme montrant le système de coordonnées d'une antenne;

la Figure 22 est un diagramme montrant la disposi-

tion des fentes rayonnantes dans le plan de l'antenne dans ce système de coordonnées;

la Figure 23 est un diagramme montrant la disposi-

tion d'une fente terminale et de paires de fentes rayonnantes dans le plan r-O dans le cas d'une antenne plane du type à inclinaison de faisceaux (angle d'inclinaison 00=15 );

la Figure 24 est un diagramme montrant la disposi-

tion d'une fente terminale et de paires de fentes rayonnantes dans le plan r-0 dans le cas d'une antenne plane du type à inclinaison de faisceau (angle d'inclinaison 0o=5 );

la Figure 25 est un diagramme montrant la disposi-

tion de paires de fentes rayonnantes et d'une fente terminale dans le plan r-0 d'un système de coordonnées cylindriques (r, 0, z), dans lequel la surface frontale de l'antenne est prise comme axe des z, ceci étant un cas dans lequel la présente

invention est appliquée à l'antenne plane du type à inclinai-

son de faisceau de la Figure 24; la Figure 26(a) est une vue en plan illustrant un cinquième mode de réalisation de la présente invention et montrant la partie principale d'une antenne plane comportant un moyen de réglage de phase sur le côté intérieur de la fente terminale; la Figure 26(b) est une vue en coupe centrale de cette antenne; la Figure 26(c) est une vue en coupe transversale centrale de cette antenne; les Figures 27(a) et 27(b) sont des vues en coupe transversale de régions formant guide d'ondes et servant à effectuer le réglage de phase; la Figure 27(c) est un diagramme montrant une ligne de transmission équivalente à ces régions formant guide d'ondes; et les Figures 28 et 29 sont des vues servant à décrire le théorème de réciprocité d'une antenne plane selon

la présente invention.

Comme on peut le voir sur les Figures 1 à 3, une antenne plane 10 comporte une plaque supérieure circulaire (plaque rayonnante) 12 et une plaque inférieure circulaire 14, un guide d'ondes pour la propagation dans un mode axialement symétrique étant formé entre ces plaques. Les plaques supérieure et inférieure 12, 14 peuvent consister chacune entièrement en une matière électroconductrice ou bien au moins la surface de chacune de ces plaques peut être revêtue d'un conducteur électrique. L'espace entre les plaques supérieure et inférieure 12, 14 peut être rempli avec de l'air ou un diélectrique prédéterminé. Les plaques supérieure et inférieure 12, 14 sont maintenues en l'état espacé d'une distance fixe par un remplissage diélectrique ou par un élément qui n'a pas été représenté ou encore par la résistance mécanique elle-même des plaques supérieure et inférieure 12, 14. Un cable coaxial 16 est relié au centre de la plaque inférieure 14 et un réflecteur d'adaptation 18, qui

a pour effet de diriger les ondes radioélectriques radiale-

ment vers l'extérieur depuis le cable coaxial 16, est fixé à la partie centrale de la plaque supérieure 12, sur la surface intérieure de cette dernière (la surface orientée vers la plaque inférieure 14). Il suffit qu'au moins la surface du réflecteur d'adaptation 18 serve de surface pour réfléchir

les ondes radioélectriques.

A la place du réflecteur d'adaptation 18, on peut utiliser des structures du type représenté sur les Figures 10

et 11 comme structures pour introduire les ondes radioélec-

triques de propagation depuis le câble coaxial 16 jusqu'au

guide d'ondes situé entre les plaques supérieure et infé-

rieure 12, 14. Plus spécifiquement, on peut adopter une sonde cylindrique 15a, comme représenté sur la Figure 10, ou bien une sonde 15b du type disque, comme représenté sur la Figure 11. (Voir par exemple "A ProbeShaped Coaxial-Radial Line Adapter" par Makoto Natori, Makoto Ando et Naohisa Goto dans les ouvrages: 1989 SPRING NATIONAL CONVENTIONAL RECORD, THE

INSTITUTE OF ELECTRONICS, INFORMATION AND COMMUNICATION

ENGINEERS, p. 2-83.).

Des paires 20 de fentes rayonnantes, dont chacune comporte deux fentes rayonnantes 20A, 20B, placées de manière à être perpendiculaires du point de vue spatial et du point de vue électrique, sont disposées sous la forme d'une spirale sur la surface rayonnante de la plaque supérieure 12. Pour des raisons de représentation, la ligne en spirale est formée par une ligne en traits interrompus sur la Figure 1. En adoptant une telle disposition des fentes, on peut obtenir à la surface frontale de l'antenne une polarisation circulaire

présentant la même phase.

Comme on l'a décrit précédemment, les ondes radioélectriques d'un mode axialement symétrique qui se propagent le long du guide d'ondes formé par les plaques supérieure et inférieure 12, 14 varie en fonction du rayon r suivant l'expression suivante:

f(r) = A exp{-(a+jk)r}/i-

Les auteurs de la présente invention ont constaté qu'il est possible de régler le coefficient de couplage a tout en maintenant l'uniformité de la distribution du champ à l'ouverture en réglant diverses paramètres des fentes rayonnantes 20A, 20B, à savoir la longueur SL des fentes rayonnantes 20A, 20B, la distance Sr entre les paires de fentes adjacentes 20 dans la direction radiale, l'espacement Sa dans la direction circonférentielle et l'épaisseur du

guide d'ondes (à savoir l'espacement entre la plaque supé-

rieure 12 et la plaque inférieure 14). Par exemple, dans le cas d'une antenne plane du type à alimentation intérieure ayant un diamètre de 60 cm, on peut obtenir théoriquement une distribution uniforme du champ à l'ouverture dans une plage permise si on modifie le coefficient de couplage a en fonction du rayon r comme représenté sur la Figure 4. Plus spécifiquement, sur la Figure 4, le rayon (m) de la surface rayonnante de l'antenne plane est porté le long de l'axe horizontal et le coefficient de couplage a (m-1) est porté le long de l'axe vertical. A titre d'exemple, le coefficient de couplage a est d'environ 3 (m-l) à la position rayon et d'environ 20 (m-1) à la position rayon. Dans l'équation, A représente une constante arbitraire et k représente le nombre d'onde. Par exemple, le nombre d'onde est d'environ 3,1 x

102 (rad/m) à 12 GHz.

Pour obtenir une telle distribution de coefficient de couplage, on modifie la longueur des fentes rayonnantes

A, 20B en fonction de r, comme représenté sur la Figure 5.

Plus spécifiquement, sur la Figure 5, le rayon (m) de la surface rayonnante de l'antenne plane est porté sur l'axe horizontal et la longueur de fente SL (mm) est porté sur l'axe vertical. A titre d'exemple, la longueur de fente SL

est d'environ 8,8 mm à la position de rayon 0,1 m et d'envi-

ron 9,6 mm à la position de rayon 0,2 m.

L'espacement Sr entre les paires 20 de fentes rayonnantes dans la direction radiale doit être modifié en fonction du rayon r comme représenté sur la Figure 6. Plus spécifiquement, sur la Figure 6, le rayon (m) de la surface rayonnante de l'antenne plane est porté sur l'axe horizontal

et l'espacement Sr (mm) entre les paires de fentes rayonnan-

tes adjacentes dans la direction radiale est porté sur l'axe vertical. A titre d'exemple, l'espacement Sr entre les paires de fentes rayonnantes adjacentes dans la direction radiale est d'environ 21,0 mm à la position de rayon 0,1 m et

d'environ 19,5 mm à la position de rayon 0,2 m.

Le fait que le coefficient de couplage a obtenu théoriquement à l'aide de tels calculs numériques concorde bien avec les valeurs expérimentales réelles est signalé par Jiro Hirokawa, Makoto Ando et Naohisa Goto dans "An Analysis of Slot Coupling in a Radial Line Slot Antenna for DBS",

ELECTRICAL SOCIETY, DATA OF THE ELECTROMAGNETIC THEORY

RESEARCH GROUP, May 27, 1989.

Des ondes radioélectriques résiduelles existent et ces ondes ne rayonnent pas à la surface frontale au cours de la propagation vers l'extérieur depuis le centre. Bien que de telles ondes radioélectriques résiduelles puissent être absorbées par un absorbeur, il est préférable que ces ondes radioélectriques rayonnent avec efficacité à la surface

frontale, comme on va le décrire ci-après.

Plus spécifiquement, on sait, en se basant sur les connaissances concernant une antenne plane à propagation depuis l'extérieur, c'est-àdire une antenne plane à double

couche, que les ondes radioélectriques peuvent être réflé-

chies dans la direction de la surface frontale de l'antenne, cela presque sans réflexion dans la direction opposée, par un réflecteur dont la surface est inclinée d'environ 45 . C'est pourquoi, dans le présent mode de réalisation, un réflecteur 22 qui oriente vers l'avant une onde radioélectrique se propageant est disposé dans la partie circonférentielle extérieure de l'antenne plane 10 et la plaque supérieure 12 est pourvue d'une fente terminale 24 en forme de spirale pour rayonner l'onde radioélectrique réfléchie, laquelle est réfléchie par le réflecteur 22, en direction de l'avant. La fente est donc réalisée sous la forme d'une spirale de manière que les ondes radioélectriques irradiées par la fente 24 soient aussi polarisées circulairement en direction de l'avant. Du fait qu'il est nécessaire que cette onde irradiée ait la même phase que les ondes radioélectriques irradiées par les paires 20 de fentes rayonnantes, la fente terminale 24 présente, comme point de départ, un point qui est décalé radialement d'une distance appropriée par rapport à la ligne en spirale des paires 20 de fentes rayonnantes. Par exemple, une seule fente couvrant 360 dans la direction angulaire, comme représenté sur la Figure 1, suffit. Le réflecteur 22

est disposé le long de la fente 24. Dans le mode de réalisa-

tion précédent, l'angle d'inclinaison du réflecteur est de . Toutefois, on peut choisir un angle d'inclinaison

optimal selon la hauteur du guide d'onde radial.

Bien que l'on sache déjà que des ondes polarisées circulairement sont irradiées par une fente s'étendant en spirale, il est difficile de régler d'une façon fine la quantité d'ondes radioélectriques émises. Ceci est la raison pour laquelle on a projeté d'obtenir un rayonnement à l'aide d'un grand nombre de fentes. La fente terminale 24 de ce mode de réalisation ne demande pas de réglage de la quantité d'énergie rayonnée par ce dernier et il suffit que toutes les

ondes radioélectriques soient irradiées par le réflecteur 22.

Par conséquent, il suffit d'adopter une fente ayant la

largeur qui convient.

De plus, comme représenté sur la Figure 4, le coefficient de couplage a est avantageusement très faible dans la partie centrale de la surface de l'antenne. Si les fentes rayonnantes 20A, 20B sont absentes de la partie centrale de la surface de l'antenne, le coefficient de couplage a dans cette partie devient nul dans les cas extrêmes. C'est pourquoi, dans un second mode de réalisation de la présente invention, on fait en sorte que la partie centrale de la surface de l'antenne soit une région qui ne rayonne pas et dans laquelle aucune fente rayonnante 20A, 20B n'est formée. La Figure 7 est une vue de face du second mode de réalisation, dans lequel une région non rayonnante de rayon r est formée au centre de la surface de l'antenne et les fentes rayonnantes 20A, 20B sont formées sur la périphé- rie extérieure de la surface de l'antenne afin que l'on obtienne la distribution du coefficient de couplage a représentée sur la Figure 4. Il résulte de cet agencement que le coefficient de couplage a diminue jusqu'à une valeur nulle au rayon r et définit une courbe similaire à celle de la Figure 4 entre le rayon r et un rayon R, comme représenté sur

la Figure 8.

La gain G de l'antenne est sensiblement proportion-

nel à la superficie S de la surface rayonnante, c'est-à-dire au carré du rayon R de l'antenne. Par contre, la largeur de bande B est à peu près inversement proportionnel à la longueur de propagation du guide d'ondes, c'est-à-dire au rayon de l'antenne dans une antenne plane avec une symétrie axiale. Ceci est du à ce que l'on appelle un "effet de longue ligne" par lequel plus grande est la longueur de la ligne,

plus est étroite la bande de fréquence.

La Figure 9 est un graphique montrant la relation entre le rayon R de l'antenne et le rayon r de la région non rayonnante, la largeur de bande normalisée B et le gain G. Comme on peut le voir, la superficie de l'antenne se trouve réduite par la région non rayonnante mais la distance sur laquelle se propagent les ondes radioélectriques se trouve raccourcie en passant de la valeur égale au rayon R de l'antenne à une valeur (R-r), et la largeur de bande se trouve augmentée par l'effet de longue ligne. En d'autres termes, pour compenser la réduction du gain G provoquée par

la présence de la région non rayonnante, il suffit d'augmen-

ter le rayon R de l'antenne de zr2. Toutefois, la distance sur laquelle sepropagent les ondes radio (longueur de ligne) a une valeur plus faible que la valeur initiale (R), même si on augmente le rayon de l'antenne et, par conséquent, on peut obtenir une largeur de bande B plus grande. Par exemple, si on forme une région non rayonnante ayant un diamètre de 60 cm et un rayon r de 10 cm, on peut augmenter la largeur de la bande d'un facteur de 1,3 environ avec une réduction du gain

d'environ 0,5 dB seulement.

Sur la Figure 8, la courbe du coefficient de couplage présente un gradin à l'endroit o la région non rayonnante et la région rayonnante sont en contact l'une avec l'autre et, dans les autres parties, varie comme la courbe caractéristique de la Figure 4. Toutefois, on peut atténuer l'augmentation dans ce lobe latéral en modifiant légèrement le coefficient de couplage. Par conséquent, il n'est pas toujours nécessaire de modifier le coefficient de couplage a en le faisant varier brusquement, c'est-à-dire en gradin, à la limite des régions non rayonnantes et rayonnantes, tel que représenté sur la Figure 8. Il suffit que le coefficient de couplage a se rapproché progressivement de la caractéristique

de la Figure 4 à la limite précitée.

L'agencement dans lequel la région non rayonnante est présente au centre de la surface de l'antenne, comme représenté sur la Figure 7, peut être appliqué d'une façon générale à une antenne plane à excitation intérieure et d'un mode axialement symétrique et cet agencement n'est pas limité en ce qui concerne le type de polarisation, comme par exemple

une polarisation circulaire ou une polarisation linéaire.

Ainsi, bien que le champ électromagnétique puissant qui existe dans la partie centrale constitue un facteur majeur faisant obstacle à une distribution d'ouverture uniforme dans une antenne plane du type à propagation depuis l'intérieur, la présente invention montre que l'on peut obtenir une distribution d'ouverture relativement plate en modifiant le coefficient de couplage a dans la direction radiale. Il est possible de modifier de diverses façons la

forme et la disposition des fentes rayonnantes.

Bien qu'un champ électromagnétique interne puissant dans la partie centrale rende ordinairement difficile l'obtention d'une distribution d'ouverture uniforme, on obtient une amélioration en dotant la partie centrale de la surface de l'antenne d'une région non rayonnante. Cette

amélioration permet d'obtenir plus facilement une distribu-

tion d'ouverture plate et rend possible l'augmentation de la

largeur de bande.

Grâce à la présence de la fente terminale 24 dans

la partie périphérique extérieure et à la présence du réflec-

teur 22 le long de cette fente 24, les ondes radioélectriques résiduelles qui n'ont pas été irradiées extérieurement au cours de leur propagation du centre jusqu'à la périphérie extérieure, peuvent rayonner. efficacement au côté frontal de l'antenne. Il en résulte que l'on peut obtenir un rendement

très élevé.

Selon la présente invention, comme on l'a décrit ci-dessus, on peut réaliser une antenne plane monocouche à rendement élevé fonctionnant en mode à excitation axialement symétrique. Du fait qu'il suffit que la couche dans laquelle se propagent les ondes radioélectriques soit une simple couche, on peut fabriquer l'antenne à un prix de revient plus

faible que l'antenne plane à double couche du type à alimen-

tation extérieure.

On va décrire maintenant un troisième mode de

réalisation de la présente invention.

La fente terminale 24 décrite ci-dessus est avantageuse en ce sens que l'on peut utiliser efficacement les ondes radioélectriques-. Toutefois, dans le cas ou l'ouverture de l'antenne est circulaire, la partie se trouvant sur le côté extérieur de la fente terminale 24 est

une zone perdue dans la mesure o l'antenne est concernée.

La Figure 12 est un diagramme montrant la disposi-

tion des paires 20 de fentes rayonnantes et la fente termi-

nale 24 dans le plan r-e (c'est-à-dire le plan de l'antenne) d'un système de coordonnées cylindriques (r, 0, z) dans lequel la surface frontale de l'antenne est prise comme axe des z. Comme on peut le voir sur la Figure 12, les paires de fentes rayonnantes 20 sont disposées à des positions radiales proportionnelles à l'angle 0 dans la direction circonférentielle. Ces positions sont situées le long d'une ligne de base présentant une périodicité de 2 X en ce qui concerne la direction du rayon r. La fente terminale 24 occupe également des positions radiales proportionnelles à l'angle 0 dans la direction circonférentielle. Dans le cas o la plaque supérieure 12 de l'antenne plane 10 est formée par un disque

de rayon a, la superficie AS de la partie hachurée représen-

tant dans la Figure 12 n'agit pas comme une partie de l'antenne et constitue une partie perdue. Par exemple, dans le cas d'une fréquence de 12 GHz (une longueur d'onde de 25 mm), le rapport d'occupation AS/S de AS (o S = ra2) exprimé en pourcentage est de 11,8 % pour un diamètre de 42 cm, 9,5 % pour un diamètre de 50. cm et 8 % pour un diamètre de 60 cm,

comme indiqué à la Figure 13.

Par conséquent, dans le présent mode de réalisa-

tion, on s'arrange pour obtenir une antenne plane dans

laquelle n'existe pas cette zone perdue AS.

On va maintenant décrire en détail comment on

parvient à ce résultat.

Comme on l'a mentionné précédemment, la fente terminale 24 est réalisée de manière à s'étendre le long du

prolongement de la ligne en spirale (ligne de base) définis-

sant les positions des paires de fentes rayonnantes 20. La

raison de cette disposition est que les ondes radioélectri-

ques irradiées par la fente terminale 24 se trouvent en phase avec les ondes radioélectriques irradiées par les paires 20 de fentes rayonnantes. Par conséquent, si on dispose une matière diélectrique qui règle la vitesse de phase sur le côté intérieur de la fente terminale 24, cela à titre d'exemple, on peut alors supprimer l'allongement de la fente terminale dans la direction radiale et on peut réduire le

rayon a de l'antenne plane.

Par exemple, comme on peut le voir sur la Figure 14, un élément 28 de réglage de phase, consistant en une matière diélectrique, o la distance sur laquelle se propa- gent les ondes radioélectriques varie en fonction de l'angle dans la direction circonférentielle, est disposé sur le côté intérieur de la fente terminale 24 dans une partie s'étendant du rayon ar au rayon a. Si A représente la longueur d'onde et,, la constante diélectrique spécifique de l'élément 28 de réglage de phase, la superficie AS de la partie se trouvant sur le côté extérieur de la fente terminale 24 est donnée par l'équation suivante: AS = [aa2-_(g-_g)2]/2 = xa2-_g/a-[1-(lg/2a)] (I) O lg = A1Vr On comprendra qu'il est possible de réduire le rapport AS/S entre AS et la superficie S (=Za2) de l'antenne en utilisant une matière diélectrique ayant une constante diélectrique spécifique úr élevée, comme représenté sur la

Figure 15.

Toutefois, comme on peut le voir sur la Figure 14, il n'est pas possible d'annuler AS, c'est-à-dire qu'il n'est pas possible de faire en sorte que la fente terminale 24 soit circulaire, simplement en disposant sur le côté intérieur de la fente terminale 24 l'élément 28 de réglage de phase dans lequel la distance de propagation des ondes radioélectrique

varie en fonction de l'angle 0 dans la direction circonféren-

tielle. Par conséquent, dans ce mode de réalisation, on adopte une approche inverse. Plus spécifiquement, on donne tout d'abord à la fente terminale une forme circulaire puis on dispose une matière diélectrique, dans laquelle la distance de propagation des ondes radioélectriques varie en fonction de l'angle 0 dans la direction circonférentielle, de manière telle que l'on puisse obtenir un phase identique à celle des ondes radioélectriques irradiées par la paire de

fentes rayonnantes, même avec cette fente terminale circu-

laire. Si on conçoit tout d'abord la fente terminale de manière qu'elle soit circulaire, alors la matière diélectri- que servant au réglage de la phase se trouve également en dessous des paires de fentes rayonnantes à l'intérieur du guide d'onde radiale. On ajuste alors également les positions des paires de fentes rayonnantes en fonction du degré de variation de phase produit par la matière diélectrique

servant au réglage de la phase.

La Figure 16 est un diagramme montrant la disposi-

tion des fentes dans le plan r-0 d'un système de coordonnées cylindriques (r, 0 z) dans un mode de réalisation o on utilise, comme élément de réglage de phase, une matière diélectrique (par exemple une céramique) dont la constante diélectrique spécifique ar est égale à 4. La référence 30 désigne une paire de fentes rayonnantes comportant deux fentes rayonnantes formant une paire similaire à la paire 20 de fentes rayonnantes, décrite ci-dessus. A l'exception des fentes rayonnantes 30 se trouvant sur la partie périphérique extérieure extrême de l'antenne, les fentes sont conques et disposées suivant une configuration similaire à celle de la Figure 4. La référence 32 désigne une fente terminale qui

rayonne les ondes radioélectriques qui n'ont pas été irra-

diées par les fentes rayonnantes 30. La fente terminale 32 est une fente circulaire de forme annulaire présentant une

ouverture de forme annulaire dont le rayon intérieur est a.

La référence 34 désigne l'élément de réglage de

phase mentionné ci-dessus (dans lequel la constante diélec-

trique spécifique as = 4). Sur la distance allant d'un point

2x vers l'intérieur depuis la fente terminale 32, c'est-à-

dire depuis une position correspondant au rayon (a-t) jusqu'à la fente terminale 32 (c'est-à-dire la position correspondant au rayon a), l'élément 34 de réglage de phase présente une distance de propagation d'onde radioélectrique, c'est-à-dire une largeur, égale à 0 à une position o l'angle 0 dans la direction circonférentielle est égal à 0. La largeur de l'élément 34 de réglage de phase varie d'une façon continue de manière à atteindre une largeur égale à A à une position o l'angle 0 dans la direction circonférentielle est égal à 360 . La paire 30 de fentes rayonnantes se trouvant sur la partie périphérique extérieure extrême doivent être situées sur une ligne de base (ligne en spirale) qui se trouve à 2r vers l'intérieur par rapport à la fente terminale 32 et doit être située à 2x vers l'extérieur par rapport à la ligne de base (ligne en spirale) définissant les paires 30 de fentes rayonnantes situées vers l'intérieur. En outre, la constante diélectrique spécifique er de l'élément 34 de réglage de phase est égal à 4 et la longueur d'onde Ag dans cette partie est donnée par l'expression suivante: Ag = f = A/2 (2) Par conséquent, les conditions de phase mentionnées ci-dessus sont satisfaites si les paires 30 de fentes rayonnantes dans la partie périphérique extérieure extrême sont disposées sur une ligne en spirale de rayon a-A, à une position o l'angle 0 dans la direction circonférentielle est égal à 0, et de rayon a-q/2 à une position o l'angle 0 dans la direction circonférentielle est égal à 360 . Du fait que l'élément 34 de réglage de phase se trouve dans une position et présente une largeur telles que représentées sur la Figure 16 et que sa constante diélectrique spécifique,r est égale à 4, les positions des paires 30 de fentes rayonnantes dans la partie périphérique extérieure extrême peuvent être déterminées

mathématiquement d'une manière simple.

La Figure 17 est une vue en plan générale que l'on a conçue en se basant sur la disposition de fentes de la Figure 16, et la Figure 18 est une vue en coupe par C-C de la FIgure 17. Les paires 30 de fentes rayonnantes, représentées sur la Figure 16, portent les mêmes références numériques en ce qui concerne la fente terminale 32 et l'élément 34 de réglage de phase. Ce mode de réalisation constitue aussi fondamentalement une structure monocouche (voir Figures 1 à 3) à l'exception de la fente terminale 32, des paires 30 de fentes rayonnantes, de la position de la fente terminale 32

et de l'existence de l'élément 34 de réglage de phase.

Un guide d'ondes radial est formé par une plaque

supérieure circulaire 40, constituant la surface de l'an-

tenne, et une plaque inférieure circulaire 42 parallèle à la plaque supérieure 40 et espacée de celle-ci d'une distance prédéterminée. Une ouverture, formée entre le bord intérieur d'un disque annulaire 44 et le bord extérieur de la plaque

supérieure 40, sert de fente terminale 32. La plaque supé-

rieure 40, la plaque inférieure 42 et le disque annulaire 44 sont constitués par une matière électroconductrice. Bien que cela ne soit pas illustré, on comprendra qu'il est possible de relier l'un à l'autre la plaque supérieure 40 et le disque annulaire 44 en un nombre approprié d'endroits d'une manière et avec des éléments n'ayant pas beaucoup d'effet sur les

caractéristiques de l'antenne.

Un câble coaxial 46 est connecté au centre de la plaque inférieure 42 et un réflecteur d'adaptation 48 de forme conique, qui a pour effet de diriger radialement vers l'extérieur les ondes radioélectriques en provenance du câble coaxial 46, est fixé à la partie centrale de la plaque supérieure 40, sur la surface intérieure de cette dernière

(la surface orientée vers la plaque inférieure 42).

La largeur, c'est-à-dire la distance sur laquelle se propagent les ondes radioélectriques, de l'élément 34 de réglage de phase, varie en fonction de la position angulaire dans la direction circonférentielle, comme on peut le voir sur la Figure 16. Toutefois, comme représenté sur la Figure

17, la face d'extrémité par o pénètrent les ondes radioélec-

triques et la face d'extrémité par o sortent les ondes radioélectriques, sont inclinées, par exemple de 45 , dans la direction de propagation des ondes radioélectriques afin

d'éviter une réflexion de ces ondes radioélectriques.

Un réflecteur (élément inducteur) 50 servant à induire, c'est-à-dire à diriger, dans la direction de la fente terminale 32, les ondes radioélectriques qui se propagent, est disposé dans la partie terminale sur le côté radialement extérieur du guide d'onde radial formé par la plaque supérieure 40 et la plaque inférieure 42. Du fait que la fente terminale 32 a la forme d'une couronne, il est nécessaire d'obtenir le réflecteur 50, par exemple en dotant

la surface circonférentielle intérieure d'un élément circu-

laire de forme annulaire présentant une inclinaison d'environ et en usinant cette surface inclinée pour obtenir une surface réfléchissant les ondes radioélectriques afin de minimiser la réflexion en direction du côté central. On peut

réaliser très facilement un tel réflecteur.

Bien que l'intérieur du guide d'onde radial formé par la plaque supérieure 40 et la plaque inférieure 42 soit complètement creux, à l'exception de l'espace occupé par

l'élément 34 de réglage de phase, on peut remplir complète-

ment ou partiellement cet intérieur avec une matière diélec-

trique appropriée. Dans le cas o l'intérieur est rempli avec une telle matière diélectrique, on détermine la constante diélectrique spécifique de l'élément 34 de réglage de phase par une comparaison avec la constante diélectrique spécifique

de la matière diélectrique de remplissage. Bien que l'espace-

ment entre la plaque supérieure 40 et la plaque inférieure 42 soit maintenu grâce à la résistance mécanique elle-mêmedes plaques supérieure et inférieure 40, 42, on peut maintenir ou renforcer cet espacement à l'aide d'un élément de support approprié n'ayant pas d'effet nuisible sur la propagation des

ondes radioélectriques.

Comme on l'a décrit à propos de la Figure 16, les paires 30 de fentes rayonnantes se trouvent sur la plaque supérieure 40. Bien entendu, on règle, afin d'obtenir une distribution d'ouverture uniforme dans la pratique, les longueurs des fentes rayonnantes individuelles constituant les paires 30 de fentes rayonnantes, la distance Sr entre les paires adjacentes 30 de fentes dans la direction radiale, l'espacement Sa dans la direction circonférentielle, et l'épaisseur du guide d'onde (c'est-à- dire l'espacement entre la plaque supérieure 40 et la plaque inférieure 42). A titre de référence, une ligne de base 52 (ligne en spirale) servant de référence de position pour les paires 30 de fentes rayonnantes est indiquée par une ligne en traits interrompus sur la Figure 17. Dans les limites de la ligne de base 52, le degré de variation dans la direction radiale à l'endroit de la spire la plus extérieure est égal à 1/2 de celui à l'endroit de la circonférence intérieure. Ceci est dû au fait que la constante diélectrique de l'élément 34 de réglage de

phase est égale à 4.

La Figure 19 montre la relation de position entre la ligne de base 52 (ligne en spirale) des paires 30 de fentes rayonnantes, la fente terminale 32 et l'élément 34 de réglage de phase. L'élément 34 de réglage de phase est indiqué par la zone hachurée. Sur la Figure 17, la partie de la face d'extrémité qui est en contact avec la plaque

supérieure 40 représente l'élément 34 de réglage de phase.

Pour faciliter la compréhension du mode de réalisation, l'élément 34 de réglage de phase a été représenté sous une forme hachurée. La face d'extrémité de l'élément 34 de réglage de phase, sur le côté intérieur de ce dernier, est un

* cercle de rayon a-A, et la face d'extrémité du côté exté-

rieur de cet élément définit une ligne en spirale dont le

rayon varie de a-A à a.

On va décrire ci-après en termes simples le fonctionnement de l'antenne plane représentée sur les Figures

17 et 18.

Un signal électrique d'une source d'onde radioélec-

trique, non représentée, est -appliquée par l'intermédiaire du câble coaxial 46 à l'intérieur du guide d'ondes radial formé par la plaque supérieure 40 et la plaque inférieure 42 et ce

signal électrique est acheminé radialement à travers l'inté-

rieur du guide d'ondes radial par le réflecteur d'adaptation 48. Au cours de cette propagation, les ondes radioélectriques polarisées circulairement sont irradiées, petit à petit, à la surface avant de l'antenne par les paires 30 de fentes rayonnantes. Les ondes radioélectriques dont la phase est réglée par l'élément 34 de réglage de phase de manière à être en phase avec les ondes radioélectriques émises par les paires de fentes rayonnantes circonférentielles intérieures,

, sont irradiées aux paires de fentes rayonnantes circonfé-

rentielles 30 situées le plus à l'extérieur. Les ondes radioélectriques non irradiées, même par toutes les paires 30 de fentes rayonnantes, traversent l'élément 34 de réglage de phase presque sans être réfléchies et sont dirigées vers la fente terminale 32 par le réflecteur 50 de manière à être irradiées à partir du côté avant de l'antenne. Les ondes radioélectriques qui ont traversé l'élément 34 de réglage de phase deviennent des ondes radioélectriques polarisées circulairement, dans une disposition mutuelle concentrique, le centre étant le centre de l'antenne. Par conséquent, les ondes radioélectriques irradiées à partir de la fente terminale 32 sont parfaitement en accord avec les ondes polarisées circulairement produites par les paires 30 de

fentes rayonnantes.

Dans le mode de réalisation décrit sur les Figures 16 à 19, la face d'extrémité située sur le côté intérieur de l'élément 34 de réglage de phase est un cercle de rayon a-A et la face d'extrémité située sur le côté extérieur est une ligne en spirale dont le rayon varie de a-A à a. Toutefois, il est possible que ces faces d'extrémité aient d'autres formes.

La Figure 20 montre un quatrième mode de réalisa-

tion de la présente invention et cette figure est un dia-

gramme qui est similaire à celui de la Figure 16 et qui montre la disposition des fentes dans le plan r-0. La

référence 60 désigne une paire de fentes rayonnantes similai-

re à la paire 30 de -fentes rayonnantes, la référence 62 désigne une fente terminale circulaire de forme annulaire similaire à la fente terminale 32 et la référence 64 désigne un élément de réglage de phase correspondant à l'élément 34 de réglage de phase. Dans ce mode de réalisation, l'élément

64 de réglage de phase a une constante diélectrique spécifi-

que égale à 4, la face d'extrémité intérieure de cet élément est une ligne en spirale dont le rayon varie de a (angle circonférentielle 0=0 ) à a-O (angle circonférentiel 0=360 ), et la face d'extrémité extérieure de cet élément est un

cercle de rayon a. Dans ce cas, les paires de fentes rayon-

nantes 60, situées circonférentiellement le plus à l'exté-

rieur, doivent être disposées le long d'une ligne en spirale dont le rayon varie de a-A (0=0 ) à a-A/2 (0=180 ) o l'angle circonférentiel 0 est compris entre 0 et 180 , et le long d'un cercle de rayon a-A/2 o l'angle circonférentiel 0 est

compris entre 180 et 360 .

Dans ces modes de réalisation, un diélectrique ayant une constante diélectrique spécifique égale à 4 est utilisé comme éléments 34, 64 de réglage de phase. Toutefois, ceci est purement un exemple et il va de soi que l'on peut utiliser une matière ayant une autre constante diélectrique

spécifique. De plus, bien que les faces d'extrémité inté-

rieure et extérieure des éléments 34, 64 de réglage de phase soient, dans ces modes de réalisation, des surfaces courbes dans lesquelles la direction radiale varie uniformément à l'angle circonférentiel, une seule de ces surfaces ou ces deux surfaces peuvent bien entendu avoir à peu près une forme

polygonale. En outre, il est possible d'adopter une disposi-

tion dans laquelle on modifie la quantité de phase, à l'angle circonférentiel des éléments 34, 64 de réglage de phase, en modifiant la constante diélectrique ou bien la distance de propagation des ondes radioélectriques et la constante diélectrique.

Dans la description du mode de réalisation précé-

dent, on a donné des exemples dans lesquels les ondes

radioélectriques sont irradiées au côté avant de l'antenne.

Toutefois, la présente invention peut être appliquée égale-

ment à une antenne du type à inclinaison de faisceau, dans laquelle les ondes radioélectriques sont irradiées à partir du côté frontal de l'antenne dans une direction inclinée suivant un angle prédéterminé. Par exemple, comme représenté sur la Figure 21, on a retenu un cas dans lequel, lorsque la surface frontale ou avant de l'antenne est disposée le long de l'axe z et que les axes x, y sont disposés dans le plan de l'antenne, le faisceau principal est incliné d'un angle 00 dans le plan yz par rapport à l'axe z. Pour qu'une onde radioélectrique émise à partir de l'origine O (une onde

imaginaire servant de référence) et qu'une onde radioélectri-

que émise après s'être propagée de l'origine O jusqu'à un point P ait la même phase dans la direction du faisceau principal, la condition suivante doit être satisfaite: 2zrn//g - 2zrncosa/A = 2(n+c)z + 0 (3) o C est une constante et n est un nombre entier positif qui est nul à l'endroit de la spirale situé circonférentiellement le plus à l'intérieur et N à l'endroit de la spirale situé

circonférentiellement le plus à l'extérieur.

Du fait que: cosa = sino0sino (4) on a: r, = (n+c+0/2)At.Ag/(A-tgsinosinO) (5) par conséquent, rn+l - r, = O.1.1g/2z(l-tgsin5osinS) (6) On comprendra d'après l'équation (5) que des paires de fentes

rayonnantes similaires aux paires 20, 30 de fentes rayonnan-

tes doivent être disposées de manière à se trouver loin du centre le long de l'axe +y et plus près du centre le long de l'axe -y. En outre, on comprendra, d'après l'équation (6) que l'espacement de la spirale ne dépend pas de n. La Figure 22 montre la disposition des fentes dans le plan de l'antenne

dans le présent cas.

Quand les paires de fentes rayonnantes dans une telle antenne à inclinaison de faisceau sont présentes avec la fente terminale décrite à propos des Figures 1 à 3, la fente terminale doit aussi être courbée le long d'une ligne

de base similaire à celle des paires de fentes rayonnantes.

Les Figures 23 et 24 montrent la disposition de la fente terminale et des paires de fentes rayonnantes dans le plan

r-O, dans le cas d'une antenne à inclinaison de faisceau.

Pour des raisons de simplification, on a représenté la dans le guide d'ondes longueur d'onde Ag/comme é ant égale à la longueur d'onde spatiale A. La Figure 23 montre un cas dans lequel l'angle d'inclinaison 00 = 15 , et la Figure 24 montre un cas dans lequel l'angle d'inclinaison 00 = 5 . Fondamentalement, comme

on le comprendra d'après la description qui précède, les

fentes doivent être disposées le long de lignes courbes dont la convexité est orientée dans des directions mutuellement opposées aux parties o l'angle circonférentiel 0 est égal à

ou 270 . Sur la Figure 23, les références 70, 72 dési-

gnent des lignes de base sur lesquelles sont disposées les paires de fentes rayonnantes et la référence 74 désigne la fente terminale. Sur la Figure 24, les références 76, 78 désignent des lignes de base sur lesquelles sont disposées les paires de fentes rayonnantes et la référence 80 désigne

la fente terminale.

La Figure 25 montre la disposition des fentes dans

le plan r-0 dans un cas o la présente invention est appli-

quée à l'antenne plane à inclinaison de faisceau de la Figure 24. Les références 82, 84 désignent des lignes de base sur lesquelles les paires de fentes rayonnantes correspondant aux

paires 30 de fentes rayonnantes sont disposées et la réfé-

rence 88 désigne une fente terminale. La référence 86 désigne une ligne de base pour la disposition des paires de fentes rayonnantes dans un cas o on suppose qu'il n'y a aucun élément 92 de réglage de phase. Les lignes de base 82, 84 coïncident respectivement avec les lignes de base 76, 78 de

la Figure 24.

La référence 92 désigne un élément de réglage de phase disposé sur le côté intérieur de la fente terminale 88 afin que la fente terminale 88 forme un cercle parfait ou un cercle sensiblement parfait. Comme dans le cas de la Figure 16, on utilise une matière diélectrique ayant une constante diélectrique spécifique er égale à 4 et la partie restante est creuse (constante diélectrique spécifique ar = 1). Le diamètre intérieur de l'élément 92 de réglage de phase est constant et son diamètre extérieur varie dans la direction circonférentielle. La largeur w de l'élément 92 de réglage de phase dans la direction 0 est donnée dans l'expression suivante, en fonction du rayon a de la fente terminale: w = t[(0/2z).+ asin6sin5/0o]1o Les paires de fentes rayonnantes circonférentielles les plus à l'extérieur sont disposées sur une ligne de base 90 sur l'élément 92 de réglage de phase. On obtient la ligne de base en réduisant la ligne de base 86 du facteur 1/2 dans la

direction radiale en utilisant comme référence la circon-

férence intérieure de l'élément 92 de réglage de phase. Fondamentalement, on doit déterminer les positions de la ligne de base 86

et des extrémités circonférentielles extérieures de l'élément 92 de réglage de phase en utilisant une approche similaire à celle décrite à propos du mode de

réalisation de la Figure 16..

On va maintenant décrire un cinquième mode de réalisation de la présente invention, c'est-à-dire un mode de réalisation dans lequel l'antenne plane comporte un moyen de

réglage de phase sur le côté intérieur de la fente terminale.

D'une façon générale, on peut décrire d'une façon théorique, à l'aide de constantes diélectriques équivalentes, les conditions de propagation des ondes radioélectriques dans une structure de guide d'ondes consistant en des matériaux ayant des constantes diélectriques différentes et qui sont suffisamment minces par rapport à la longueur d'onde dans la

direction transversale de propagation des ondes radioélec-

triques ainsi que dans une structure dans laquelle la largeur transversale du guide d'ondes varie dans la direction de

propagation des ondes radioélectriques, et on connait égale-

ment les conditions d'adaptation à l'interface de constantes diélectriques équivalentes qui varient. C'est pourquoi, même dans la présente invention, on peut disposer une pluralité de couches diélectriques à l'intérieur du guide d'ondes radial et on peut régler la largeur transversale du guide d'ondes, en réalisant ainsi, en termes équivalents, la fonction de

réglage de phase des éléments 34, 64, 92 de réglage de phase.

La Figure 26(a) est une vue de face de ce cinquième mode de réalisation, la Figure 26(b) est une vue en coupe centrale et la Figure 26(c) est une vue en coupe transversale centrale. Les paires de fentes rayonnantes ont été supprimées sur la Figure 26(a). La référence 100 désigne une plaque fendue comportant de nombreuses paires de fentes rayonnantes correspondantes aux paires 30 de fentes rayonnantes. Cette

plaque correspond à la plaque supérieure 40 de la Figure 16.

La référence 102 désigne une plaque de base qui forme un guide d'onde radial entre elle-même et la plaque supérieure 100. Cette plaque correspond à la plaque inférieure 42 de la Figure 16. La référence 104 désigne un câble coaxial et la référence 106 désigne une fente terminale ayant la forme d'un cercle parfait ou d'un cercle sensiblement parfait. Cette fente terminale correspond à la fente terminale 32 (Figures 16, 17 et 18). Les ondes radioélectriques d'excitation en provenance du câble coaxial se propagent radialement vers l'extérieur à travers le guide d'onde radial formé entre la plaque fendue 100 et la plaque de base 102. Ces ondes radioélectriques sont irradiées vers l'extérieur depuis les paires de fentes rayonnantes, non représentées, à l'endroit

de la fente terminale 106.

Une plaque diélectrique 108, dont le diamètre augmente à la façon d'une spirale en fonction de l'angle circonférentiel, est disposée à l'intérieur du guide d'onde radial formé par la plaque fendue 100 et par la plaque de base 102. Plus spécifiquement, en supposant que le rayon à 0=0 , 90 +, 180 0, 270 0, 360 est représenté respectivement par R0, R1, R2, R3, R4, on a:

R0 < R1 < R2 < R3 < R4

Bien que les détails seront décrits par la suite, la partie de la plaque diélectrique se trouvant à l'extérieur du rayon R0 fonctionne essentiellement comme élément 34 de réglage de phase. L'épaisseur de la plaque diélectrique 108 est constante et la face du bord périphérique de cette plaque est découpée à angle droit. La plaque diélectrique 108 est représentée hachurée sur la Figure 26(a) pour qu'elle

apparaisse plus facilement. Pour former la plaque diélectri-

que 108, on peut soumettre à un poinçonnage ou découpage à la presse une plaque de matière que l'on obtient en mélangeant ou combinant puis en mettant en forme une pluralité de résines synthétiques. On peut facilement et librement obtenir une telle plaque ayant une constante diélectrique spécifique

de l'ordre de 4 à 6.

Un espace 110 est prévu entre la plaque diélectri-

que 108 et la plaque de base 102 dans une région s'étendant

du centre jusqu'au rayon déterminé Rs. Les ondes radioélec-

triques se propagent en fonction d'une constante diélectrique équivalente décidée par la constante diélectrique de la plaque diélectrique 108 et la constante diélectrique de l'espace 110. Bien que des détails seront donnés par la suite, on peut dire que la largeur de l'espace 110 diminue

progressivement de manière telle que les ondes radioélectri-

ques ne sont pas réfléchies du tout ou très peu par les conditions d'adaptation juste en deça du rayon Rs. Enfin, on fait en sorte que la largeur de l'espace 110 soit nulle dans le but également d'assurer le support de la plaque diélectri- que 108. Sur le côté situé à l'extérieur du rayon Rs, on fait

en sorte que les ondes radioélectriques se propagent unique-

ment à travers la plaque diélectrique 108 sur la distance de propagation nécessaire à l'élément 34 de réglage de phase et on détermine la largeur transversale du guide d'ondes radial de manière qu'il n'y ait aucune réflexion ou très peu de réflexion par suite des conditions d'adaptation sur le côté situé davantage vers l'extérieur. Les ondes radioélectriques qui ont traversé la plaque diélectrique 108 se propagent à travers un espace 112 et atteignent la fente terminale 106 à

partir de laquelle elles sont irradiées vers l'extérieur.

On va maintenant décrire de façon simple en se référant à la Figure 27, les conditions de propagation des ondes radioélectriques au voisinage du rayon Rs. Pour des raisons de simplification, on considérera d'une façon approximative une onde plane. Les Figures 27(a), (b) sont des vues en coupe transversale de régions de guide d'ondes qui effectuent un réglage de phase. La Figure 27(b) correspond à la structure de la Figure 26 et dans l'une et l'autre des Figures 27(a), (b) on atteint l'objectif de la présente

invention. Les Figures 27(a) et 27(b) peuvent être considé-

rées comme représentant une ligne de transmission du type représenté sur la Figure 27(c). Plus spécifiquement, la région I sur la Figure 27(c) correspond aux régions Ia, Ib sur les Figures 27(a), 27(b), la région II sur la Figure 27(c) correspond aux régions IIa, IIb sur les Figures 27(a), (b), et la région III sur la Figure 27(c) correspond aux

régions IIIa, IIIb sur les Figures 27(a), (b).

D'une façon générale, l'impédance Z d'une ligne de transmission est donnée par les formule suivantes:

Z =V.I

= Ed/(Hw) = d/w = dZo/e- (7) o w (une constante) représente la largeur de la ligne, d la

hauteur de la ligne et ea la constante diélectrique équiva-

lente de la ligne. En outre, le nombre d'onde k est exprimé par l'expression suivante: k = k0/e (8) Par conséquent, si a, représente la constante diélectrique spécifique de la plaque diélectrique 108, dl l'épaisseur de cette plaque et d3 la largeur transversale du guide d'ondes radial dans les régions IIIa, IIIb, on a dans les régions Ia et Ib des Figures 27(a) et 27(b): Z1 = dlZ0/FF1 (9) kl = k0/v 1 (10) Dans les régions IIIa et IIIb des Figures 27(a) et 27(b), on a: Z3 = d3Z0 (11) k3 = k0 (12) Dans la région IIa de la Figure 27(a), on a: Zz = dZ0 (13) k2 = k0 (14) Dans la région IIb de la Figure 27(b), on a: Zz = d3Z0/V.%2 (15) k2 = ko/V'e2 (16) D'après le concept d'une connexion en série de condensateurs, on peut écrire: se2 = (eld3) / [el (d3 - dl) + dl] (17) La tension et le courant dans chaque région sont donnés par les expressions suivantes (plus spécifiquement dans les régions Ia, Ib): V1 = AZ,[exp(- jklz)+Rlexp(jklz)] (18) Il = A[exp(-jklz)-Rlexp(jklz)] (19) Dans les régions Ifa, IIb: V2 = BZ2[exp(-jk2z)+R2exp(jk2z)] (20) I2 = B[exp(-jk2z)- R2exp(jk2z)] (21) Dans les régions IIIa, IIIb: V3 = CZ2exp(-jk3z) (22) I2 = Cexp(-jk3z) (23) Au point o z = 0, c'est-à-dire aux limites des régions Ia, Ib et IIa, IIb, on peut écrire: [(l+R1)/(1-R1)]Z1 = [(l+Rj) /(1-R1)]Z2 (24) Au point o z = a, c'est-à-dire aux limites des régions IIa, IIb et IIIa, IIIb, on peut écrire: [l+R2exp(j26).Z2]/[1-R2exp(j2o)] = Z3 (25) o 0 = k2a. D'après l'équation (25), on a: R2 = (Z3-Z2)exp(-j2o) /(Z3+Z2) (26) En substituant cette expression dans l'équation (24), on obtient l'équation suivante: (l+R1)/(l+R1) = (Z2+Z3) [Z3+Z2+(Z3+Z2)exp(- j20)]/ [Z3+Z2-(Z3+Zz)exp(-j20)] (27) Si on suppose que seule une onde radio qui se propage radialement vers l'extérieur existe dans les régions Ia et Ib, alors:

R1 = 0 (28)

Si on substitue cette expression dans l'équation (27), les conditions d'adaptation deviennent: 0 = x/2 (29) Z22 = ZlZ3 (30)

Il suffit que dl, d3, al, a soit choisis de manière à satis-

faire ces conditions.

On va maintenant donner un exemple des valeurs numériques spécifiques. Dans le cas de la Figure 27(a), la longueur a de la région IIa est comme indiqué ci-après pour une absence de réflexion et pour une fréquence de 12 GHz lorsque A/4 est satisfait à partir de l'équation (29): a = A/A = 6, 25 mm D'après les conditions d'adaptation de l'équation (30), on a: (dlZ0) 2 = dld3Z02/FF1 (31) Par conséquent, on a: d3/dz = V-1 (32) Si e1 = 4, alors: d3/d1 = 2 (33) Dans le cas de la Figure 27(b), on a: (d3Z0/fe2)2 = dld3z02/fl (34) Par conséquent, on a: d3 = e2/V1)d (35) D'après l'équation (17), on obtient: d3 = dl + (f - 1)d/el (36) ce2 = (el + Al - 1)/V-1 (37) Si el = 4, alors: d3 = (5/4)d1 (38) CeZ = 2,5 (39) A 12 GHz, on a: a = A/(4Ve2)

= 3,95 mm (40).

On a représenté dans les Figures 26 et 27 un

exemple dans lequel sont empilées une seule plaque diélectri-

que 108 et une couche d'air 110. En fait, toutefois, la présente invention n'est pas limitée à cette combinaison car une pluralité de couches peuvent être empilées. Si besoin est, la hauteur du guide d'ondes peut être modifiée et les éléments 34, 64, 92 de réglage de phase peuvent être formés

de manière à effectuer la même action de réglage de phase.

Avec une telle structure de guide d'ondes, il n'est pas très difficile de supprimer ou d'éliminer toute réflexion dans la partie o la constante diélectrique varie dans la direction de propagation des ondes radio, et la forme et les dimensions des régions adaptées ne sont pas limitées à celles de l'exemple décrit ci-dessus. En outre, comme on peut le voir sur la Figure 19, si la face d'extrémité de l'élément 34 de réglage de phase est inclinée, ceci conduit à un usinage difficile et à des prix de fabrication plus élevés. Dans le mode de réalisation de la Figure 26, la fabrication est simplifiée considérablement et peut être obtenue à un prix de revient plus faible.

Il n'est pas indispensable que les fentes rayonnan-

tes des paires 30, 60 de fentes rayonnantes et les fentes terminales 32, 62, 106 soient des ouvertures physiques pour autant qu'elles constituent des ouvertures dans la mesure o

des ondes radioélectriques sont concernées.

Dans les modes de réalisation précédents, on a décrit comme exemples dans des buts d'explication des cas dans lesquels les ondes radioélectriques sont irradiées à partir de la surface de l'antenne, c'est-à-dire des cas dans lesquels les ondesélectriques radio sont émises. Toutefois,

la description ci-dessus est valable même dans un cas o les

ondes radioélectriques sont reçues conformément au théorème de réciprocité des antennes. Plus spécifiquement, comme représenté sur la Figure 28, dans le cas o l'énergie 210 arrivant par le câble coaxial 16 est émise sous forme d'une énergie irradiée 200 par la surface de l'antenne plane 10 (voir Figures 1 à 3), l'énergie reçue 210 peut être prélevée par le cable coaxial 16 quand l'énergie incidente 200 est reçu par l'antenne plane 10 dans les mêmes conditions, comme

représenté sur la Figure 29.

Ce théorème de réciprocité des antennes est décrit

en détails dans, par exemple, "ANTENNA THEORY", Inter-

University Electronics Series, Vol. 7, McGraw-Hill Book

Company, pp.93 - 100.

Ainsi, comme décrit en détail ci-dessus, la présente invention permet de réaliser une antenne plane monocouche pour une transmission ou une réception dans laquelle la surface de l'antenne est utilisée d'une façon extrêmement efficace. On peut obtenir une antenne plane

compacte de petite dimension.

La présente innvention n'est pas limitée au mode de

réalisation précédent mais on peut y apporter des modifica-

tions de diverses façons, par exemple en ce qui concerne la forme de la fente terminale, la forme de l'élément de réglage de phase et de l'élément réfléchissant, qui est constitué par une paroi perpendiculaire, en se basant sur le concept de l'invention et ces modifications ne sortent pas du cadre de

cette invention.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Antenne plane (10) du type à propagation depuis

l'intérieur, à structure monocouche excitée en mode axiale-

ment symétrique pour une propagation des ondes radioélectri-

ques du centre en direction de la périphérie extérieure, à l'intérieur d'une couche de propagation comportant une surface formant antenne, caractérisée par le fait qu'elle comprend: (a) un élément de guide d'ondes à mode axialement symétrique; (b) un moyen (16; 46; 104) d'application d'ondes radioélectriques connecté au centre dudit élément de guide d'ondes à mode axialement symétrique; (c) une pluralité de fentes de couplage (20; 30; 60; 62) formées et disposées dans une surface dudit élément de guide d'ondes à mode axialement symétrique de manière

telle que le coefficient de couplage soit élevé à la périphé-

rie extérieure et diminue successivement à mesure que l'on se rapproche du centre; et (d) une fente terminale (24; 32; 88; 106) formée dans la surface d'antenne à une partie terminale dudit

élément de guide d'ondes à mode axialement symétrique.

2. Antenne plane selon la revendication 1, caracté-

risée en ce que ladite fente terminale est une fente en forme

de spirale.

3. Antenne plane selon la revendication 1, caracté-

risée en ce qu'elle comporte une région dans laquelle le centre dudit élément de guide d'ondes à mode axialement

symétrique ne comporte aucune desdites fentes de couplage.

4. Antenne plane selon la revendication 2, caracté-

risée en ce qu'elle comporte un élément réflecteur (18; 22; 48; 50) disposé le long de ladite fente en forme de spirale pour réfléchir, entre les parties intérieure et extérieure dudit élément de guide d'ondes à mode axialement symétrique,

les ondes radioélectriques qui se propagent.

5. Antenne plane selon la revendication 2, caracté-

risée en ce qu'elle est pourvue d'une région dans laquelle le centre de la surface d'antenne ne comporte aucune desdites fentes de couplage, et un élément réflecteur (18; 22; 48; 50) disposé le long de ladite fente en forme de spirale pour réfléchir, entre les parties intérieure et extérieure dudit élément de guide d'ondes à mode axialement symétrique, les

ondes radioélectriques qui se propagent.

6. Antenne plane selon la revendication 1, caracté-

risée en ce que lesdites ondes radioélectriques sont des

ondes radioélectriques émises.

7. Antenne plane selon la revendication 1, caracté-

risée en ce que lesdites ondes radioélectriques sont des

ondes radioélectriques reçues.

8. Antenne plane (10) du type à propagation depuis

l'intérieur, à structure monocouche excitée en mode axiale-

ment symétrique pour propager des ondes radioélectriques depuis le centre en direction de la périphérie extérieure, à l'intérieur d'une couche de propagation comportant une surface formant antenne, caractérisée par le fait qu'elle comprend: (a) un élément de guide d'ondes à mode axialement symétrique; (b) un moyen (16; 46; 104) d'application d'ondes radioélectriques connecté au centre dudit élément de guide d'ondes à mode axialement symétrique; (c) une pluralité de fentes de couplage (20; 30; ; 62) formées et disposées dans une surface dudit élément de guide d'ondes à mode axialement symétrique de manière

telle que le coefficient de couplage est élevé à la périphé-

rie extérieure et diminue successivement à mesure que l'on se rapproche du centre; (d) une fente terminale (24; 32; 88; 106), de forme annulaire, réalisée dans la surface d'antenne à une partie terminale dudit élément de guide d'ondes à mode axialement symétrique; et (e) un élément de réglage de phase au voisinage de la partie terminale dudit élément de guide d'ondes à mode axialement symétrique pour appliquer un degré prédéterminé de phase en conformité avec un angle circonférentiel.

9. Antenne plane (10) du type à propagation depuis

l'intérieur, à structure monocouche excitée en mode axiale-

ment symétrique pour propager des ondes radioélectriques depuis le centre en direction de la périphérie extérieure, à l'intérieur d'une couche de propagation comportant une surface formant antenne, caractérisée par le fait qu'elle comprend: (a) un élément de guide d'ondes à mode axialement symétrique; (b) un moyen (14; 46; 104) d'application d'ondes radioélectriques connecté au centre dudit élément de guide d'ondes à mode axialement symétrique; (c) une pluralité de fentes de couplage (20; 30; ; 62) formées et disposées dans une surface dudit élément de guide d'ondes à mode axialement symétrique de manière

telle que le coefficient de couplage est élevé à la périphé-

rie extérieure et diminue successivement à mesure que l'on se rapproche du centre; (d) une fente circulaire (24; 32; 88; 106) de forme annulaire formée dans la surface d'antenne à une partie terminale dudit élément de guide d'ondes à mode axialement symétrique; et (e) au moins trois régions de guide d'ondes qui, vues depuis le centre dans la direction radiale de l'élément de guide d'ondes à mode axialement symétrique, sont une première région de guide d'ondes ayant une première constante diélectrique équivalente, une seconde région de guide d'ondes ayant une seconde constante diélectrique équivalente et une troisième région de guide d'ondes ayant une troisième constante diélectrique équivalente; et

(f) ladite seconde constante diélectrique équiva-

lente étant supérieure à ladite première constante diélectri-

que équivalente et ladite seconde constante diélectrique équivalente appliquant une phase d'un degré prédéterminé, qui se conforme à un angle circonférentiel, afin de propager des

ondes radioélectriques.

10. Antenne plane selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'un guide d'ondes radial dudit élément de guide d'ondes à mode axialement symétrique comporte une région d'adaptation entre la première région de guide d'ondes et la seconde région de guide d'ondes et entre la seconde région de guide d'ondes et la troisième région de guide d'ondes.