FR2698212A1 - Source élémentaire rayonnante pour antenne réseau et sous-ensemble rayonnant comportant de telles sources. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un élément rayonnant large bande pour antenne réseau, utilisant une technologie microruban. Selon l'invention, un patch 2 gravé sur un substrat diélectrique 1 est placé au fond d'une cavité 7 définie par des parois conductrices 8, cylindriques par exemple ou de géométrie plus élaborée. Selon des variantes, la paroi conductrice 8 peut traverser le substrat diélectrique 1 pour former un contact électrique avec le plan de masse 6; ou encore un deuxième résonateur qui consiste en un deuxième patch gravé 12 sur un deuxième substrat diélectrique mince il peut être placé devant la cavité 7. L'invention porte également sur des sous-réseaux rayonnants réalisés à partir de plusieurs de ces éléments rayonnants, ainsi que sur des antennes réseau réalisés à partir de plusieurs de ces sous-réseaux.

Description

i Source élémentaire rayonnante pour antenne réseau et sous ensemble

rayonnant comportant de telles sources Le domaine de l'invention est celui des antennes réseaux, et plus particulièrement des antennes réseaux à large bande ( 5 à 10 %), notamment pour le domaine spatial. Ces antennes réseaux comprennent de nombreuses sources rayonnantes élémentaires, et l'alimentation de ces sources, dans une disposition relative appropriée pour donner aux champs rayonnés la forme voulue en vue de l'application10 spécifique envisagée Donc on cherche un élément pas cher à fabriquer (parce qu'il en faut un grand nombre, pouvant atteindre quelques milliers), ni lourd ni encombrant (car embarqué), et facile à intégrer à l'antenne (géométrie d'implantation et de l'alimentation) De plus, pour des15 nouvelles conceptions d'antennes, on souhaite pouvoir disposer ces éléments sur une surface conformée,

éventuellement déformable.

Dans le domaine de satellites, il est courant d'utiliser des faisceaux rayonnés fins, que l'on appelle des "pinceaux" -Ceci veut dire que les lobes principaux de champs rayonnés des pinceaux sont relativement étroits, et que les pinceaux de ce type ont une empreinte au sol assez limitée Mais on peut former le lobe principal de plusieurs façons, pour créer des pinceaux allongés par exemple, ou25 asymétriques En général, on cherche à adapter l'empreinte au sol à l'aire géographique que l'on voudrait effectivement éclairer, pour ne pas gaspiller de la puissance rayonnée inutilement en dehors de cette aire Un lobe d'une antenne réseau est formé par la géométrie ou la disposition relative30 des éléments rayonnants, ainsi que par l'amplitude et la phase des signaux d'excitation appliqués sur ces éléments

rayonnants moyennant un réseau d'alimentation et son électronique de commande.

Souvent, dans la réalisation pratique d'antennes réseaux, dans la mesure du possible, plusieurs sources élémentaires seront regroupées dans des sous ensembles, de façon à ce que ces sources partagent un point de contrôle

commun dans le système de gestion des amplitudes et des phases Un exemple est montré sur la figure 1 d'un réseau imprimé d'alimentation de quatre sources élémentaires5 imprimées Une source élémentaire de ce type est couramment connue de l'homme de l'art sous le nom en anglais "Patch".

A défaut d'une réalisation monolithique et globale, un sous- ensemble peut être constitué de façon purement mécanique, formant la brique de base d'une construction modulaire de10 l'antenne, ce qui facilite l'entretien et les réparations éventuelles. Les antennes réseaux imprimées ou planes ayant des sources élémentaires sont connues depuis une bonne quinzaine

d'années et sont utilisées dans des champs d'application de15 plus en plus variés De nombreuses publications ainsi que brevets situent le niveau de l'état de l'art en ce domaine.

Nous citons ci-après, quelques références parmi les plus connues, qui font partie intégrante de la présente demande en tant que description de l'art antérieur:20 1) MICROSTRIP ANTENNA TECHNOLOGY, K Carver, J W Mink, IEEE AP vol AP 29 N i janvier 1981

2) ANNULAR SLOT ANTENNA WITH A STRIPLINE FEED, M FASSET, 23 juin 1989 US Patent.

3) A NEW BROADBAND STACKED TWO LAYER MICROSTRIP ANTENNA -

A Sabban APS 1983 P 63 66 IEEE.

4) ANTENNE PLANE T Dusseux, M Gomez-HENRI, G RAGUENET - French Patent no 89 11829, 11 sept 1989 -

Publ FR 2 651 926. Ces systèmes imprimés d'antennes réseaux sont donc bien connus dans leurs versions simples ou multirésonateurs. Leurs avantages principaux, en comparaison à des anciennes antennes réseaux constituées de sources élémentaires de type cornets ou hélices, sont leur faible encombrement et masse. Pour le domaine spatial, on peut citer également leur grande35 robustesse En contrepartie, la largeur de bande des sources élémentaires de type patch est relativement limitée, seulement de l'ordre de 1 % à quelques pour cent, dans sa version la plus simple. Un but de l'invention est d'obtenir une large bande de fonctionnement, normalement exclue pour les sources rayonnantes simples de type patch, simultanément avec les avantages connus de ce type d'élément. Il est connu dans l'art antérieur, pour élargir la bande passante, d'utiliser une cavité résonante placée derrière le patch Un telle source rayonnante, selon10 l'assemblage de l'art antérieur est généralement alimentée en technologie "triplaque", qui consiste en une piste (d'alimentation) conductrice suspendue entre deux plans de masse Cette solution à les inconvénients d'une masse et

d'un encombrement plus importants que ceux des réseaux15 imprimés, ainsi que des coûts de réalisation plus élevés.

L'invention proposée concerne une réalisation d'une source élémentaire pour dispositif rayonnant de type antenne plane, et des sous-ensembles rayonnants comprenant de telles sources Le dispositif selon l'invention peut être donc20 intégré dans une antenne réseau plane, mais de plus, se trouve particulièrement adapté à l'implantation d'un tel sous ensemble rayonnant sur une surface conformée. Comme il sera expliqué plus en détail ci-après, un moyen connu de l'art antérieur pour accroître la bande passante des éléments rayonnants imprimés de type patch est d'accroître l'épaisseur de diélectrique entre le patch et le plan de masse Cette méthode souffre de l'inconvénient que le réseau d'éléments ainsi construit est plus difficile à intégrer sur la face rayonnante de l'antenne, d'autant plus30 si cette surface n'est pas plane mais conformée En outre les caractéristiques de rayonnement d'une antenne plane épaisse se dégradent très vite, ce qui n'offre qu'un intérêt opérationnel limité Un autre but de l'invention est donc de

s'affranchir de cet inconvénient de l'art antérieur, pour35 obtenir une bande passante large sans pour autant compliquer l'intégration de l'antenne sur une surface conformée.

Le principe de base de la source élémentaire rayonnante selon l'invention est décrit sur la figure 2.

L'élément rayonnant est constitué, pour une part d'une cavité métallique, dont la géométrie fine résulte d'une optimisation par rapport à la mission de l'antenne, d'autre part d'un résonateur de type patch gravé sur un substrat diélectrique de faible épaisseur. La structure peut donc être considérée comme un

élément en technologie dite de microruban enterré.

Les éléments imprimés connus de l'art antérieur, si simple soient-ils, n'offrent que des possibilités limitées

en bande passante et qualité de rayonnement Un défaut principal concerne l'impact de l'emploi d'un substrat diélectrique dont on fait croître l'épaisseur pour accroître15 la bande passante.

La bande passante (BP) d'une antenne microruban gravée est associée de façon inversement proportionnelle à sa

surtension de cavité, connue également sous le nom de facteur de qualité Q La cavité de l'élément imprimé de20 l'art antérieur est formé par le patch, le diélectrique entre le patch et le plan de masse, et la masse elle-même.

La bande passante peut être exprimée en fonction de la surtension Q et le ROS (rapport d'ondes stationnaires) La relation qui lie ces paramètres est la suivante: BP = ROS 1

Q ROS

Ce même facteur de qualité Q est (approximativement) inversement proportionnel à la hauteur normalisée du patch t/Xe, ou t est l'épaisseur de diélectrique entre le patch et le plan de masse, et 4 est la longueur d'onde électrique30 dans le diélectrique caractérisé par la constante diélectrique e, à la fréquence de fonctionnement de l'antenne Il en résulte que dans la majeure partie de la courbe qui décrit la largeur de bande passante en fonction de la hauteur normalisée, et ce jusqu'à des épaisseurs35 raisonnables, la bande passa 8 nte BP soit linéaire par rapport à t/Xe comme en témoignent les abaques issues de la publication de Carver et Mink ( 1), et reproduites sur la figure 3. Rares sont les missions ou les applications qui n'utilisent que quelques pour cent de bande (radar, par exemple) De façon plus générale, on a besoin de 6 à 10 % de

bande passante, voire d'avantage, de sorte que l'approche simple résonateur conduit à des épaisseurs supérieures à 15 XE pour des ROS au voisinage de 1,20.

L'impact d'une telle hauteur est assez souvent dramatique, et comprend des effets indésirables tels que: pertes de rendement: pertes ohmiques, diélectriques; médiocre qualité de la polarisation principale; accroissement à des niveaux inacceptables de la polarisation croisée;

propagation et rayonnement des ondes de surface, d'ou des couplages indésirés entre des éléments voisins.

On admet en général comme limite supérieure d'utilisation de simple résonateur gravé une bande de 4 à 5 % à ROS de 1,20 Au delà de cette largeur de bande, la solution devient aussi pénalisante en masse, de sorte qu'il ne lui reste quasiment aucun des avantages recherchés de la technologie d'antennes imprimées. L'homme de l'art qui désire accroître la bande passante intrinsèquement faible d'une antenne imprimée connaît l'utilisation des techniques de multirésonateurs couplés (réf 3 Albert Sabban) On obtient ainsi des structures multipôles qui offrent des capacités allant de quelques pour cent à quelques dizaines de pour cent de30 bande, dans le cas o une optimisation a été poussée en ce sens En revanche, ces avantages sont obtenus au prix d'une plus grande complexité de réalisation, ainsi qu'un poids de l'antenne qui croit en proportion au nombre de résonateurs employés.35 L'invention va donc remédier aux inconvénients de l'art antérieur, et permettre d'obtenir une large bande passante utilisant une technologie simple dérivée de celle des antennes "patch" imprimées, tout en conservant les avantages de cette technologie. A ces fins, l'invention propose un élément rayonnant de type patch à large bande passante pour une antenne réseau, ladite antenne comprenant notamment un grand nombre de ces éléments et au moins un réseau d'alimentation en signaux de ces éléments, ce(s) réseau(x) étant réalisé(s) en technologie microruban sur substrat diélectrique, ces10 éléments rayonnants et réseau(x) d'alimentation étant disposés sur une surface dite la face avant (dans le sens du rayonnement) dudit substrat, un plan de masse étant disposé sur la face arrière dudit substrat, l'élément rayonnant étant caractérisé en ce qu'il comprend un patch conducteur

gravé sur substrat diélectrique, ledit patch étant placé dans un système fermé, de type cavité, autour dudit patch.

Selon une réalisation préférée, ledit système fermé consiste en une cavité conductrice cylindrique placée sur la face avant dudit substrat diélectrique, avec ledit patch20 disposé au fond de ladite cavité, ladite cavité étant ouverte dans le sens du rayonnement dudit élément Selon une variante, ledit système consiste en une cavité conductrice disposée sur la face avant dudit substrat, mais dont les parois conductrices s'étendent à travers ledit25 substrat jusqu'au plan de masse situé sur la face arrière dudit substrat, ladite cavité étant ouverte dans le sens du rayonnement dudit élément Selon une autre variante, la cavité selon l'une des réalisations précédentes est partiellement fermée dans le sens du rayonnement par un30 deuxième résonateur qui consiste en un patch conducteur gravé sur un support qui est ensuite placé sur la face avant de ladite cavité conductrice Selon différentes variantes, la ligne d'alimentation microruban peut être réalisée soit en microruban simple, soit en microruban blindé ou canal, et35 pénètre dans ladite cavité soit par un canal creusé dans la cavité métallique, soit par un évidement aménagé dans la paroi de ladite cavité. Différentes formes de patch peuvent être utilisées, par exemple: cercle, carré, polygone,; ainsi que différentes formes de cavité: cylindre circulaire, carré, octogonale, pentahexagonale, L'invention propose également un sous ensemble d'éléments rayonnants pour antenne réseau, dit sous-réseau, ledit sous-réseau comprenant notamment un support mécanique,10 plusieurs patchs et leurs alimentations en technologie microruban, avec leur substrat diélectrique et leur plan de

masse associés, caractérisé en ce que ledit support mécanique de sousréseau est placé sur la face avant dudit substrat diélectrique, du côté rayonnement de l'antenne.15 Selon une variante de sous-réseau, les éléments rayonnants sont conformes à l'une des descriptions précédentes, et

comprennent en outre un système résonnant autour de chaque patch, ledit système résonnant pouvant être une cavité, par exemple Selon une réalisation préférentielle, ledit20 support mécanique comprend lesdites cavités Selon une réalisation particulièrement avantageuse, ledit sous-

ensemble est alimenté par un seul point d'alimentation, commun à tous les éléments dudit sous-réseau Selon une variante géométrique importante, ledit sous-réseau n'est pas25 plan, mais conformé, c'est-à- dire que les patchs d'un sous- réseau peuvent avoir des orientations angulaires

différentes. L'invention concerne également l'intégration de sous- réseaux selon les descriptions précédentes dans une antenne

réseau Selon différentes variantes, ladite antenne peut être disposée sur une surface plane, de révolution, ou d'une courbure quelconque Avantageusement, les sous réseaux

utilisés pour réaliser l'antenne réseau seront de géométries identiques, permettant la fabrication de séries des35 composants desdits sous-réseaux, ainsi que des sous-réseaux eux-mêmes.

D'autres caractéristiques, variantes, et avantages ressortiront de la description détaillée qui va suivre avec

ses dessins annexes dont: La figure 1, déjà décrite, montre schématiquement en plan un sous-réseau de quatre patches rayonnants selon l'invention, avec leur alimentation en technologie microruban; La figure 2, déjà évoquée, montre schématiquement en plan et en coupe un exemple d'un élément rayonnant selon l'invention; La figure 3, déjà évoquée, montre des courbes de Bande Passante (BP) en fonction de la hauteur normalisée de diélectrique pour des patches carrés et rectangulaires, pour ROS= 2 et aux fréquences de 1 G Hz et 10 G Hz (référence 1);15 Les figures 4 a et 4 b montrent schématiquement en coupe une ligne d'alimentation microruban simple ( 4 a) et une ligne d'alimentation en microruban blindé ( 4 b); La figure 5 montre schématiquement en coupe une variante d'un élément rayonnant selon l'invention; La figure 6 montre schématiquement en coupe une autre variante d'un élément rayonnant selon l'invention, avec un deuxième résonateur; La figure 7 montre schématiquement en perspective éclatée un mode de réalisation de la variante de la figure 6; La figure 8 montre schématiquement et en perspective un exemple d'une structure mécanique pour la réalisation d'un sous-ensemble rayonnant selon l'invention; La figure 9 montre schématiquement en plan la réalisation d'une antenne réseau sur une surface conformée utilisant des sous-réseaux d'éléments rayonnants selon l'invention; Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, et les réalisations qui y sont

décrites et dessinées sont données à titre d'exemples non- limitatifs.

Sur la figure 1, on voit un exemple de sous-réseau de quatre éléments rayonnants 2 de type patch, imprimés sur un substrat diélectrique 1 Les quatre éléments rayonnants ou "patches" sont alimentés par un réseau d'alimentation réalisé en technologie microruban, qui consiste en des pistes conductrices imprimées ou gravées sur le même substrat diélectrique 1 Dans l'exemple présent, l'alimentation des quatres patches est à partir d'un point commun 5, qui alimente deux branches 3 a, 3 b qui sont ensuite10 encore bifurquées en sous-branches 4 a, 4 b, 4 c, 4 d Selon la longueur relative des chemins électriques parcourus par les signaux appliqués sur l'entrée 5 du réseau d'alimentation, jusqu'à chaque patch, la phase relative d'excitation des quatres patches pourra trouver un paramètre de réglage.15 L'amplitude relative d'excitation peut être également contrôlée par la gestion des diverses impédances des

différents chemins Ces considérations appartiennent au domaine de conception d'antenne bien connu de l'homme de l'art, et ne seront pas explicitées d'avantage dans le cadre20 de la présente demande.

Sur la figure 2, l'on voit un exemple de réalisation d'un élément rayonnant selon l'invention A titre d'exemple, on suppose que cet élément comprend un patch gravé conducteur 2 sur un substrat diélectrique 1 recouvert25 sur sa face arrière par un plan de masse 6 Le patch 2 est alimenté par le microruban 4 b, qui est une piste gravée conductrice, généralement du même matériau que le patch. Selon l'invention, le patch 2 est placé au fond d'un système fermé qui consiste par exemple en une cavité 7 définie par30 des parois conductrices 8 délimitant l'étendue radiale de la cavité 7 autour du patch 2 Les dimensions de cette cavité 7 déterminent ses caractéristiques radioélectriques selon des règles connues de l'homme de l'art; en conséquence, ces dimensions peuvent être choisies par le concepteur afin de35 procurer la bande passante voulue à la fréquence de fonctionnement de l'élément rayonnant, et ceci sans augmentation de l'épaisseur de diélectrique 1 derrière le

patch 2 Il en résulte que le dimensionnement de l'élément rayonnant de l'antenne selon l'invention et tel que décrit de façon la plus simple possible sur la figure 2 n'est pas5 régie par les mêmes mécanismes que le dimensionnement pratique dans l'art antérieur.

En particulier, sur la figure 3, on voit dans le cas d'une construction selon l'art antérieur, les courbes de bande passante Af/f en fonction de la hauteur normalisée10 t/Xe de diélectrique, c'est-à- dire que l'épaisseur de diélectrique est "normalisée" ou divisée par la longueur d'onde dans le diélectrique Xe, nous indiquent qu'une épaisseur inacceptable de diélectrique est nécessaire pour fournir une bande passante au delà de quelques pour cent A titre d'exemple, la courbe 9 représente la réponse en fréquence d'un patch carré de dimensions égales à 0 3 XO ou ko est la longueur d'onde dans le vide, sur un substrat diélectrique ayant un constant diélectrique de gr = 2 76 et pour un ROS (rapport d'ondes stationnaires) de 2 La20 courbe 10 représente quant à elle la réponse en fréquence d'un patch rectangulaire de dimensions égales à 0.3 x 0 5 Xo avec les mêmes paramètres de constante diélectrique et de ROS On voit que pour les hyperfréquences de l'ordre de 1 à 10 G Hz, indiquées25 respectivement sur les courbes 9, 10 par un trait continu et un trait pointillé, la relation reste approximativement linéaire entre la bande passante et la hauteur normalisée pour des largeurs de bande entre 1 % et 10 % Dans le cas de l'invention, et telle que décrite sur la figure 2 en revanche, on se trouve davantage dans une situation analogue à une transition ligne de propagation

microruban vers un mini-guide, les éléments fondamentaux de comportement suivent donc des régles spécifiques dont la description suit.35 La ligne principale de propagation est donc de type microruban et met en jeu typiquement une piste de conducteur

il gravé sur une épaisseur de substrat dense L'épaisseur de celui-ci est dimensionné en intégrant les critères radioélectriques d'usage (err w, h, Ze) ainsi que des contraintes plus spécifiques pouvant provenir de la mission 5 envisagée L'intérêt de faible épaisseur de substrat (de l'ordre de 20 mils, 30 mils maxi, soit 0,5 a 0,75 mm) est de

rendre tout à fait gérable au niveau réalisation industrielle la mise en oeuvre d'éléments rayonnants ainsi que leurs circuits de distribution associés sur des surfaces10 bien entendu planes, mais surtout conformées en trois dimensions, comme on le verra plus loin.

Nous décrirons plus en profondeur un exemple d'antenne réseau sur une surface conformée dont la mise en oeuvre à

l'aide d'éléments rayonnants conçus selon l'invention est15 excessivement attractive.

Les figures 4 a, 4 b montrent deux exemples de technologie microruban qui peuvent être exploitées pour la réalisation des lignes d'alimentation pour les éléments rayonnants selon l'invention Dans le cas de la figure 4 a,20 la ligne microruban est constituée d'une piste conductrice 22 gravée sur un substrat diélectrique 1 ayant un plan de masse 6 derrière le substrat (sur la face opposée de la face comportant la piste gravée) Les paramètres physiques caractérisant ce système sont la constante25 diélectrique e et la hauteur ou l'épaisseur de diélectrique h 1

Dans le cas de la figure 4 b, il s'agit d'une ligne microruban blindée qui est représentée schématiquement.

Comme dans le cas précédent, la ligne microruban elle-même30 est constituée d'une piste conductrice 22 gravée sur un substrat diélectrique 1 ayant un plan de masse 6 derrière le substrat 1 Un blindage autour de cette ligne est constitué par des parois conductrices 18 qui entourent la piste 22 et qui sont reliées électriquement à la masse 6.35 Les paramètres physiques qui caractérisent le système sont la constante diélectrique e et la hauteur ou l'épaisseur de diélectrique hl, ainsi que les dimensions du blindage h 2 pour la hauteur ou la distance entre la surface du diélectrique 1 et la paroi conductrice 18 qui est orientée parallèlement à cette surface, et la largeur d 5 entre les parois conductrices 18 de chaque côté de la piste 22 L'espace 17 à l'intérieur du blindage constitué par les parois conductrices 18 est supposé être rempli d'air, et

donc aura une constante diélectrique voisine de 1 Les caractéristiques radioélectriques de propagation sur une10 telle ligne sont calculées à partir des paramètres physiques cités selon des méthodes bien connues de l'homme de l'art.

Dans une réalisation pratique d'élément rayonnant selon l'invention, cette ligne simple ou "blindée" utilisant

une technologie canal débouche dans une cavité et se déforme15 de façon importante, de façon à former une géométrie de patch.

La forme la plus simple de la cavité est celle d'un cylindre, mais d'autres géométries peuvent être utilisées en

fonction de l'application: carré, pentagonale, hexagonale20 etc sans aspect ou caractère limitatif.

Il en est de même de la géométrie du patch qui peut se limiter à un cercle ou un carré dans sa version la plus simple, et subir des déformations qui conduisent à des géométries aussi variées que l'imagination du concepteur.25 C'est le cas par exemple, de déformations sciemment dimensionnées afin de rayonner une onde en polarisation circulaire, par exemple des encoches ou des chanfreins, voire des géométries plus exotiques encore. Les caractéristiques de ce patch ainsi que celles de la cavité métallique environnante, ou plutôt celles réalisant une condition de type métallique sur les champs E et H; permettent dès lors de réaliser, grâce à un assemblage soigneusement dimensionné des deux, taille respective, encombrement, traitement, etc, une transition35 de type orthogonale de la ligne microruban vers le mini- guide ayant les caractéristiques recherchées: compacité

large bande passante.

De nombreux paramètres, qui n'étaient pas disponibles en situation patch sans cavité peuvent être mis en oeuvre pour optimiser telle ou telle performance que ce soit en impédance ou en rayonnement Il s'agit notamment de la taille moyenne de la cavité

la hauteur moyenne de la cavité.

Par exemple, la directivité de rayonnement d'un

élément selon l'invention est déterminée par les dimensions relative du patch et de la cavité environnante.

Une telle flexibilité et souplesse de dimensionnement est inconcevable en situation simple résonateur selon l'art antérieur, mais devient possible en combinant patch et15 cavités selon l'invention Il est clair dès lors que les lois qui en gèrent le comportement s'en trouvent modifiées

et que de nouvelles abaques multi-variables peuvent être établies empiriquement, similaires à celles présentées sur la figure 3.

Les performances d'adaptation ne sont elles non plus gérées par les mêmes lois et la mise en oeuvre de la cavité améliore de façon plus que significative la performance de ROS Dans un exemple de réalisation pratique effectuée par l'inventeur, une performance typique de 6 à 8 % de bande à25 été obtenue avec un ROS = 1,20 en bande L ( 1 5 G Hz) et ce à l'aide d'une structure dont l'épaisseur totale n'excède pas

mm, typiquement 6 mm ce qui catégorise la réalisation comme appartenant aux antennes de faibles épaisseurs.

Un tel environnement patch cavité assure un blindage qui à deux conséquences principales: sécurisation de la qualité du rayonnement ainsi que de la mise en réseau, la situation à cavités minimise les couplages mutuels interéléments. absence du mécanisme perturbateur lié à la génération d'ondes de surface dans le diélectrique Classiquement ces ondes de surface se propagent dans la structure et peuvent perturber le comportement des éléments adjacents De fait, dans une réalisation selon l'invention, les ondes de surface sont "piégées" dans le volume de la cavité et participent au mécanisme d'adaptation général de l'antenne. 5 On peut envisager deux réalisations technologiques du concept de l'invention, qui consiste à assembler une cavité et l'élément rayonnant réalisé en technologie microruban enterré. La première approche est fidèle à la figure 2 Dans ce cas, la cavité peut être intégrée dans une structure porteuse (telle que l'exemple représenté sur la figure 8)

sur laquelle on viendra coller, visser, ou assembler par tout autre moyen le circuit microruban sur un substrat diélectrique 1 de faible épaisseur comportant le patch 2 et15 la ligne d'alimentation 4.

Sur la figure 5, nous avons une vue en coupe d'une variante de mise en oeuvre de l'invention Cette figure est identique à la figure 2 à l'exception de la présence des éléments conducteurs 13 Selon cette variante, on réalise une condition de court-circuit entre la paroi verticale 8 de la cavité 7 et le plan de masse 6 de la ligne microruban, moyennant un ou plusieurs élément(s) conducteur(s) 13 qui relie(nt) électriquement les deux Cette réalisation permet de ce fait un blindage total de l'ensemble microruban et25 patch par rapport à d'autres éléments voisins La continuité électrique établie par le(s) élément(s) conducteur(s) 13 peut être totale ou partielle: Totale: On peut fort bien souder ou braser la structure métallique 8 définissant la cavité 7 sur le fond

plan de masse 6 conformément à la géométrie de la cavité.

Partielle: On peut imaginer un blindage discret à l'aide de plots traversant le substrat diélectrique 2

vissables sur la cavité ou même envisager la technique de trous métallisés dans le substrat diélectrique que l'on35 pourrait souder en phase vapeur par exemple à la pièce continue de la cavité.

Une autre technique pourrait consister aussi à réaliser une condition électrique équivalente Ainsi on pourrait donner une géométrie à la cavité face au plan de masse telle qu'elle constitue un court-circuit réactif pour 5 les signaux hyperfréquences Une telle technique a déjà été décrite dans le document référencé n' 4 French patent

n 89 11-829.

A partir du concept de base, l'association d'un ensemble patch/ligne d'alimentation microruban avec une cavité, il est possible de construiremoult variantes qui ne sont que des applications ou des optimisations particulières du concept originel Nous allons décrire deux exemples, afin d'illustrer ce propos.15 a) un élément très large bande, développe en bande X. b) un réseau conforme utilisant l'élément du type montré sur la figure 2. Un premier exemple d'une réalisation d'antenne utilisant un élément très large bande selon l'invention est montré sur la figure 6 Cet élément est destiné à une antenne fonctionnant à 8 G Hz qui a été réalisée et sur laquelle des mesures ont permis d'en confirmer les performances attendues. La figure 6 illustre la méthode de cette réalisation, qui consiste à adjoindre à un radiateur patch 2 de base, un deuxième résonateur 12 positionné au dessus du premier résonateur 2 La configuration est donc celle de la figure 2, à ceci près que la cavité résonante 7 est partiellement fermée sur sa face avant par un deuxième30 résonateur 12 qui peut être par exemple un patch imprimé sur un support diélectrique 11 Dans ce cas précis le deuxième élément est implanté au ras de la cavité 7, mais on pourrait le placer, moyennant des constructions plus élaborées, soit à une hauteur plus grande ou soit à une hauteur plus petite

que la hauteur des parois conductrices 8 de la cavité 7.

L'approche, toutefois, qui consiste à rendre identique la distance interpatch et la hauteur de la cavité en rend la

réalisation technologique fort simple Le deuxième résonateur 12 peut être gravé sur un substrat porteur il de 5 faible épaisseur et masse et son montage peut se faire par simple collage ou vissage.

Dans notre exemple de réalisation de la figure 6, les principales caractéristiques du radiateur sont les suivantes:10 Diamètre cavité 7: 23 mm Hauteur cavité 7: 2 mm Taille ler résonateur 2: 14 mm Permittivité substrat 1 2 50 ( 1 er résonateur) Epaisseur l Er substrat 1: 20 mils = 0,508 mm Taille 2 ème résonateur 12: 14 mm Permittivité substrat 11: 3 90 Epaisseur 2 ème substrat 11: 125 gm Comme montré sur la figure 7, qui représente l'éclaté de la figure-6, les deux résonateurs peuvent être déformés à l'aide de chanfreins afin de générer la polarisation circulaire, si requise, à l'aide d'un seul accès Les diagrammes de rayonnement mesurés dans une bande d'application 8 0 à 8 4 G Hz montrent un excellent25 comportement du dispositif Le taux d'ellipticité (polarisation croisée) est excellent à la fréquence d'optimisation ( 8 2 G Hz) et reste très en deçà des 3 d B sur l'ensemble de la bande utile. Sur cette figure 7, on voit également l'évidement 19 aménagé sur un côté de la paroi conductrice 8 de la cavité résonante, afin de permettre la pénétration de la ligne microruban d'alimentation dans la cavité. Un projet d'antenne dans lequel s'inscrit le radiateur selon l'invention et présenté sur les figures 2 et 5 à 7, concerne la réalisation d'une antenne à balayage électronique telle que présentée sur les figures 8 et 9 La figure 8 montre schématiquement en perspective une structure

mécanique d'un sous-ensemble rayonnant selon l'invention, ce sousensemble étant destiné a être assemblé avec de nombreux sous-ensembles semblables pour former une antenne réseau5 telle que montrée sur la figure 9.

Le principe de fonctionnement de l'antenne est exposé sur la figure 9 L'exemple d'un réseau complet consiste donc en l'implantation sur une surface à symétrie de révolution autour d'une axe z de sous-ensembles identiques, tels que10 montrés sur la figure 8 Les sous-ensembles sont composés dans cet exemple de réalisation, de quatre radiateurs identiques de type patch selon l'une des figures 2, 5 à 7, alimentés par un répartiteur commun tel que montré sur la figure 1 La structure mécanique 14 montrée schématiquement15 en plan sur la figure 8 comporte les parois conductrices des quatres cavités 8 et des plots de fixation 15 du circuit

microruban et son substrat diélectrique 1 tel que montré sur la figure 1 Des évidements 19 sont aménagés dans les parois conductrices 8 pour le passage de lignes microruban20 d'alimentation des éléments rayonnants.

La topologie de ces radiateurs est particulière dans l'exemple montré sur ces figures 8 et 9 dans la mesure o l'un d'eux subit une inclinaison de O = 100 par rapport aux trois autres Sur la figure 8, on voit que les trois25 axes 20 des trois premières cavités sont parallèles, tandis que l'axe 30 de la quatrième cavité est incliné à 10 par rapport aux autres Le sous-réseau n'est donc pas plan mais conformé Grâce à la faible épaisseur du diélectrique 1 qui résulte de l'utilisation de l'invention, le circuit30 microruban peut être facilement déformé pour se coller à la structure mécanique 14, une fois fixé à ce dernier moyennant les plots de fixation 15. Sur la figure 9, on voit un exemple d'une antenne réseau réalisée à partir de sous-réseaux tels que montrés sur la figure 8 Les sous-réseaux sont eux mêmes composés d'un certain nombre d'éléments rayonnants 28 selon l'invention (quatre dans cet exemple), alignés sur l'axe 21 du sous- réseau; pour construire l'antenne, chaque sous- réseau est disposé avec son axe 21 dans un même plan avec l'axe principal de l'antenne z, et avec un écart angulaire5 constant entre deux plans successifs ainsi définis L'angle O est de 10 comme dans la figure 8 L'intérêt de cette

topologie particulière est pour aider à la formation de lobe de rayonnement de l'antenne, tel que décrit dans la demande de brevet français no 91 05510 du 6 mai 1991, au nom de la10 demanderesse (qui fait partie intégrante de la présente demande en tant que description de l'art antérieur

concernant des antennes réseaux à lobe formé). On voit donc tout l'intérêt du nouveau concept d'élément rayonnement pour réaliser ce genre d'antenne.

Parmi les avantages obtenus, on peut citer notamment: 1) La cavité assure un blindage qui élimine tout problème de couplage mutuel et permet la mise en réseau à efficacité maximale, à pas interélément optimum. 2) La technologie microruban permet en outre deux avantages majeurs: a) réaliser la transition rayonnante de manière très compacte;

b) rendre possible la réalisation du répartiteur d'alimentation sur la surface conformée.

En effet, en raison de sa faible épaisseur ( 20 mils), le support diélectrique de gravure peut être aisément formé à chaud par exemple sans problème de fonctionnement radioélectrique Une autre technologie, de type triplaque

par exemple, aurait été soit inapplicable soit très délicate30 à mettre en oeuvre.

On perçoit donc tout l'intérêt de la démarche proposée qui permet de résoudre simultanément l'ensemble des problèmes techniques posés: a) réalisation sans difficulté d'éléments rayonnants bande35 large très compacts sur des surfaces pouvant être conformées: cône, sphère ou autres dépendant de l'application Par principe ces radiateurs sont blindés par des murs électriques: cavités qui sécurisent leur fonctionnement propre, ainsi que leur mise en réseau. b) facilité de la réalisation d'un répartiteur sur une5 surface non plane Par essence, une technologie de type microruban est très adaptée à être conformée et de ce fait se trouve très utile dans les exemples d'application que nous venons d'évoquer A titre d'exemple, la figure 1 montre le masque de réalisation d'un circuit microruban inférieur,10 pouvant servir à la réalisation d'un sous-ensemble rayonnant selon l'invention On y voit les quatre radiateurs circulaires (en bande X dans cet exemple) ainsi que les divers éléments du circuit de distribution comportant une succession de transformateurs et d'éléments de diviseur de15 puissance La propagation de type microruban s'appuie sur une disymétrie de répartition de champs et concentre ceux-ci

entre la piste et le diélectrique De ce fait, elle s'accommode tout à fait d'une topologie non planaire, et la distribution de l'alimentation se fait sans perturbation20 notable et sans problème technologiques majeurs.

Il est bien clair que les configurations qui ont été décrites ne sont pas limitatives et que l'emploi du concept pourra se faire en imaginant autant de variations que d'applications potentielles.25 Ainsi en ce qui concerne les exemples d'antennes réseaux proposés, peuvent-ils comporter davantage

d'éléments, s'implanter de façon plane, ou encore être utilisés pour échantillonner une antenne à réflecteur et s'implanter dans ce cas selon une géométrie du type surface30 de Petzwald qui optimise l'efficacité du dispositif.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1 Elément rayonnant de type patch à large bande passante pour une antenne réseau, ladite antenne comprenant notamment un grand nombre de ces éléments et au moins un réseau d'alimentation ( 3 a,3 b,4 a,4 b,4 c,4 d) en signaux de ces éléments, ce(s) réseau(x) étant réalisé(s) en technologie microruban sur substrat diélectrique 1, ces éléments rayonnants et réseau(x) d'alimentation étant disposés sur10 une surface dite la face avant (dans le sens du rayonnement) dudit substrat 1, un plan de masse 6 étant disposé sur la

face arrière dudit substrat 1, l'élément rayonnant étant caractérisé en ce qu'il comprend un patch 2 conducteur gravé sur substrat diélectrique 1, ledit patch 2 étant placé dans15 un volume fermé de type cavité qui permet d'en optimiser le fonctionnement.

2 Elément rayonnant selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit système résonant consiste en une cavité 7 définie par des parois conductrices 8, ladite20 cavité étant disposée sur la face avant dudit substrat diélectrique 1, avec ledit patch 2 disposé au fond de ladite cavité 7, ladite cavité 7 étant ouverte dans le sens du rayonnement dudit élément. 3 Elément rayonnant selon la revendication 2, caractérise en ce que lesdites parois conductrices 8 de ladite cavité 7 s'étendent à travers ledit substrat 1

jusqu'au plan de masse 6 situé sur la face arrière dudit substrat 1, ladite cavité 7 étant ouverte dans le sens du rayonnement dudit élément.30 4 Elément rayonnant selon l'une quelconque des revendications 2 à 3, caractérisé en ce que ladite cavité 7

est partiellement fermée dans le sens du rayonnement par un deuxième résonateur qui consiste en un patch conducteur 12 gravé sur un deuxième substrat diélectrique mince 11, qui35 est ensuite placé sur la face avant de ladite cavité 7.

Elément rayonnant selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérise en ce que ledit réseau

d'alimentation microruban est réalisé en microruban simple. 6 Elément rayonnant selon l'une quelconque des

revendications 2 à 4, caractérise en ce que ledit réseau d'alimentation microruban est réalisé en microruban blindé.

7 Sous réseau rayonnant d'éléments rayonnants pour antenne réseau, ledit sous-réseau comprenant notamment un support mécanique 14, plusieurs patchs 2 et leurs10 alimentations en technologie microruban, avec leur substrat diélectrique 1 et leur plan de masse 6 associés, caractérisé en ce que ledit support mécanique 14 de sous-réseau est placé sur la face avant dudit substrat diélectrique, du côté rayonnement de l'antenne.15 8 Sous-réseau rayonnant selon la revendication 7, caractérisé en ce que les éléments rayonnants sont conformes

à l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant en outre un système résonant autour de chaque patch 2.

9 Sous-réseau rayonnant selon l'une quelconque des

revendications 7 à 8, caractérisé en ce que ledit support mécanique 14 comprend les parois conductrices 8 desdites

cavités 7. 10 Sous-réseau rayonnant selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que ledit sous-

ensemble est alimenté par un seul point d'alimentation 5, commun à tous les éléments rayonnants dudit sous-réseau.

11 Sous-réseau rayonnant selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que ledit sous-

réseau n'est pas plan, mais conforme.30 12 Antenne réseau caractérisée en ce que ladite antenne comprend en outre des sous- réseaux rayonnants selon

l'une quelconque des revendications 7 à 11. 13 Antenne réseau selon la revendication 12, caractérisée en ce que ladite antenne est disposée sur une

surface plane.

14 Antenne réseau selon la revendication 12, caractérisée en ce que ladite antenne est disposée sur une surface de révolution. 15 Antenne réseau selon la revendication 12, caractérisée en ce que ladite antenne est disposée sur une surface conformée d'une courbure quelconque.

16 Antenne réseau selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisée en ce que ladite

antenne est composée de sous réseaux ayant des géométries10 identiques.