FR2714769A1 - Antenne micro-ruban conique préparée sur un substrat plan, et procédé pour sa préparation. - Google Patents

Abstract

Une antenne micro-ruban conique portée par un tronc de cône de demi-angle au sommet alpha, de hauteur H0 et ayant une ligne circulaire de référence de rayon R, comporte une succession annulaire de N motifs rayonnants disposés sur ce tronc de cône et répartis en au moins un sous-réseau de motifs rayonnants connectés en équiphase par un réseau arborescent respectif à un même point commun (G), ces N motifs rayonnants étant réalisés sur un diélectrique pour résonner dans une bande de fréquences prédéterminée de fréquence centrale Fo; * le réseau arborescent est formé de n étages, chaque étage comportant des diviseurs de même ordre, soit 2 soit 3, * les diviseurs au sein d'un même étage i sont, en développée sur un plan, constitués d'un nombre entier de segments rectilignes sensiblement identiques, faisant entre eux des angles gamma2 égaux, les diviseurs d'un même étage approximant des arcs d'un même cercle concentrique à l'arc de cercle constitué, dans cette développée sur un plan, par la ligne circulaire de référence.

Description

l

L'invention concerne une antenne ceinture micro- ruban conique présentant de bonnes performances radioélectri-

ques mais pouvant être conçue et imprimée sur un substrat plan. Elle concerne également la préparation sur un substrat5 plan d'une telle antenne.

On rappelera ici que, dans le domaine radio-

fréquence, une onde électromagnétique, notamment caractérisée par sa longueur d'onde, porteuse d'énergie et généralement support d'information, peut se propager dans différents milieux dont les principaux, que nous prendrons en compte, sont: - milieu à propagation guidée (câbles, lignes, guides d'onde,...) - milieu à propagation libre (espace homogène ou non, isotrope ou non,...) L'un des paramètres caractéristiques de l'onde électromagnétique est appelé longueur d'onde X (rapport de la

vitesse de la lumière à la fréquence du signal transmis).

Une antenne peut être considérée comme un interface entre ces deux types de milieux, permettant le transfert, total ou partiel, de l'énergie électromagnétique de l'un vers l'autre. L'antenne à l'émission fait passer cette énergie du milieu à propagation guidée vers celui à propagation libre et l'antenne à la réception inverse le sens du transfert énergétique entre les milieux. Dans la suite, nous nous référerons en général implicitement à l'antenne

travaillant à l'émission. Toutefois, le principe d'équiva-

lence garantit la réciprocité de toutes les propriétés énoncées avec l'antenne à la réception.

On appelle circuit(s) ou dispositif d'alimenta-

tion de l'antenne, l'ensemble des éléments constitutifs de tout ou partie du milieu à propagation guidée, dirigeant ou collectant l'énergie électromagnétique à transférer et comprenant des éléments passifs ou actifs, réciproques ou non. On associe souvent à une antenne élémentaire, un ou plusieurs points géométriques, appelés centres de phase, d'o semble provenir l'onde électro magnétique, pour une direction donnée, dans le cas d'une antenne considérée comme

travaillant à l'émission.

La résonance de l'antenne se manifeste à la ou aux fréquences pour lesquelles le transfert de l'énergie transmise de la ligne d'alimentation à l'espace via l'antenne est optimal, ce qui se traduit mathématiquement par le fait que, à la fréquence de résonance fr l'impédance complexe Z à l'entrée de l'antenne a une partie imaginaire nulle et une

partie réelle maximale.

En hyperfréquences, on représente le lieu des impédances sur l'abaque de Smith o chaque résonance se

manifeste sous la forme d'une boucle.

Avec les moyens de mesure actuels cette résonance est "vue" au travers de l'adaptation qui caractérise le transfert de l'énergie de la ligne d'alimentation vers l'antenne. Cette vision du comportement de l'antenne peut être appelée réponse de l'antenne et est quantifiée à l'aide des pertes par désadaptation ou du Taux d'Onde Stationnaire (TOS - en anglais Voltage Standing Wave Ratio ou VSWR)

définis ci-dessous.

Si Z est l'impédance au point ou on fait la mesure d'adaptation et Zc l'impédance caractéristique de la ligne d'alimentation (le standard généralement admis est Zc=50 ohms), alors posant z=Z/Zc, on appelle coefficient de réflexion le rapport complexe: p = (z-1)/(z+l) le Taux d'Onde Stationnaire est alors défini par: Tos= (1+IpI)/(l-IpI)l En général, un élément rayonnant ne présente malheureusement pas une impédance égale à Zc. On doit

intercaler un interface appelé "adaptateur" entre l'élément rayonnant et le câble permettant d'acheminer l'énergie. Cet adaptateur aura pour rôle de transformer l'impédance Ze à10 l'entrée de l'antenne afin de présenter au câble d'alimenta-

tion une impédance voisine de Zc aux fréquences de travail de

l'antenne et un TOS voisin de 1.

En définitive, l'antenne est caractérisée par un certain nombre de performances dont: - le Taux d'Onde Stationnaire (TOS) qui rend compte de la qualité de l'adaptation, c'est-à-dire la quantité d'énergie transmise de la ligne d'alimentation à l'antenne. Il est d'autant plus voisin de 1 que cette qualité est bonne, - le diagramme de rayonnement qui est une figure

de la distribution dans l'espace du vecteur E (champ électro-

magnétique) porteur de l'onde, auquel sont associés des paramètres classiques (le gain, la directivité, le rendement, l'ouverture à -3 dB, la probabilité de couverture...) Par convention, le diagramme de rayonnement est

représenté dans un référentiel centré en un point de l'an-

tenne (si possible son centre de phase) et fourni sous forme de "coupes" dans un système de coordonnées sphériques standard (S, 4). Une coupe dite à "X constant" est la courbe de variation du champ E, projeté sur une polarisation donnée (soit ES, soit EP), 8 variant de 0 à 180 (ou de -180 à +180 ). De même, une coupe dite à "O constant" est la courbe de variation du champ E, projeté sur une polarisation donnée

(soit EO, soit EP), 4 variant de 0 à 360 .

Une association d'antennes élémentaires est appelée réseau d'antennes quand celles-ci ont des parties communes dans leurs circuits d'alimentation ou bien quand un

couplage existe entre ces antennes élémentaires rendant le diagramme de rayonnement global du réseau, dans une plage de fréquences données, tributaire de celui de chacun des5 antennes ou éléments rayonnants.

Le réseau obtenu par la répartition d'antennes semblables à une ou plusieurs antennes élémentaires données, sur une surface donnée est souvent dénommée antenne réseau, impliquant généralement une notion de répétition géométrique

des antennes élémentaires.

Elles sont généralement utilisées pour obtenir un diagramme de rayonnement à directivité élevée dans une direction donnée, par rapport au réseau. L'espacement A entre les centres de phases des antennes élémentaires du réseau, rapporté à la longueur d'onde Xo (Xo étant la longueur d'onde dans le milieu de

propagation, l'air par exemple), est un paramètre critique.

Par exemple, pour des valeurs de A/Xo > 0.5, l'apparition de lobes de réseaux importants en dehors de la zone de rayonnement utile pénalise les bilans de transmission

énergétiques dans le milieu à propagation libre.

Pour ce qui est de la technologie micro-ruban, elle consiste à empiler plusieurs couches de matériaux conducteurs ou diélectrique comme par exemple un substrat diélectrique (du verre-PTFE, par exemple) revêtu sur sa face inférieure (ou face I) d'une feuille conductrice (cuivre, or, etc...) et portant sur sa face supérieure (ou face S) une feuille conductrice partiellement découpée selon un dessin géométrique donné (on parle couramment de motifs ou

"patches").

Cet ensemble permet: - soit de guider une onde électromagnétique (ligne micro-ruban), - soit de rayonner un champ électromagnétique

(antenne micro-ruban).

Le milieu de propagation des courants sur la structure est: - soit l'interface air-substrat,

- soit l'interface air-conducteur-substrat.

Dans le premier cas, on définit classiquement la constante diélectrique effective du milieu par

ce = (Er+1)/2 o Er est la constante diélectrique du substrat.

Dans le second cas, on écrit: ce = 0,5.(Er + 1) + 0,5.(Er-1) / 4 (1 + 12.h/W) o h est l'épaisseur du substrat et W la largeur du ruban conducteur. On peut généralement prévoir divers types de composants et autres éléments (éventuellement actifs) sur la

face S de la structure.

Par définition, une antenne micro-ruban est un élément de forme géométrique en matériau conducteur rapporté

sur la face S d'une couche diélectrique.

On choisit souvent une forme rectangulaire ou circulaire pour les raisons suivantes: - on peut prévoir dans une bonne mesure le diagramme de rayonnement, - le dimensionnement de ces aériens pour résonner

à une fréquence donnée est bien connu.

Un motif micro-ruban rectangulaire est assimila-

ble dans une certaine mesure à deux fentes parallèles coïncidant avec deux bords du rectangle dits rayonnants. La sélection de ceux des bords d'un motif rectangulaire qui doivent rayonner (et a contrario de ceux qui ne doivent pas rayonner) se fait par un choix approprié de la zone du

rectangle qui est connectée au circuit d'alimentation.

En général on alimente le motif rectangulaire près de ou sur la médiane reliant les côtés que l'on veut faire rayonner. De cette manière, le mode excité dans le résonateur produit une polarisation linéaire de bonne

qualité. La direction de cette polarisation est perpendicu-

laire au bord rayonnant du motif.

Cette connection peut se faire au travers du substrat diélectrique, ou sur la périphérie du motif, par une ligne micro-ruban portée sur la face S (on parle parfois d'alimentation coplanaire) tel que cela est notamment décrit par le document FR-2.226.760. C'est essentiellement la distance L entre ces bords (appelée "longueur" du motif) qui va déterminer la

fréquence de résonance de l'antenne.

Des équations, voire des abaques, ont été élabo-

rées et construites à ce sujet.

Ainsi, à titre d'exemple, on trouve dans l'ou-

vrage MICROSTRIP ANTENNAS de I.J. Bahl et P. Bhartia, édité chez ARTECH HOUSE en 1980, que pour résonner à la fréquence fr un motif rectangulaire doit présenter une longueur L telle que: L + 0, 412 (ee + 0,3) (W + 0,264.h)

L - + 0,412

2. Xo./(,f (ee (e - 0,258) (W + 0,8.h) o Ee = 0,5.(Er + 1) + 0,5. (Er-1) / v (1 + 12.h/W) Er est la constante diélectrique du substrat diélectrique h est la hauteur (ou épaisseur) de ce substrat,

Xo est la longueur d'onde dans l'air associée à fr (c'est-à-

dire le rapport entre la vitesse de la lumière et cette fréquence), et W est la largeur du motif, fournie par une formule simple de l'ouvrage précité: W= 1/(Xo.J(2.(Er+1)) La largeur W du motif, quant à elle, conditionne

le diagramme de rayonnement.

Le choix de la largeur W va conditionner dans une bonne mesure la qualité du rayonnement à savoir son rendement

et sa forme.

Le rayon d'un motif circulaire est obtenu selon le document précité grâce à la formule ci-dessous: R = K/ (1 + 2h.[ in V/-K + 1,7726]}o0.5 F7. er. K 2 2h o K = 8,794/(fr 4 or) Tout motif micro-ruban peut être utilisé comme élément d'un réseau de type: - série, - parallèle,

- combinaison des deux précédents.

Cette technologie permet d'obtenir des antennes (ou reseau d'antennes): peu épaisses, - légères, - peu coûteuses (fabrication rapide et facile), que l'on peut "conformer" pour les appliquer à

des structures cylindriques ou coniques par exemple.

L'antenne micro-ruban est en fait un résonateur électronique qui, par construction,a un facteur de qualité Q

élevé. De ce fait,les antennes développées dans cette techno-

logie présentent toujours une faible bande passante, c'est-

à-dire que la résonance ne se produit ponctuellement qu'à la fréquence pour laquelle l'antenne a été dimensionnée et à des

fréquences très proches de cette dernière.

On a vu qu'en général il faut prévoir un adapta-

teur (aussi appelé réseau ou système d'alimentation) en

interface entre le motif rayonnant et le câble d'alimenta-

tion. En général, la solution la plus simple consiste à imprimer cet adaptateur sur la même face du substrat que le motif rayonnant lui-même. L'adaptateur le plus communément utilisé pour sa simplicité (mais ses performances sont

médiocres) est l'adaptateur dit "quart d'onde". En technolo-

gie micro-ruban, l'impédance d'une ligne de largeur W imprimée sur un substrat d'épaisseur e et de constante diélectrique Er est donnée par (d'après le document Computed- -Aided Design of Microwave Circuits de K.C. GUPTA, RAMESH GARG et RAKESH CHADHA, Artech): Z = 120.n / {4ce [W/e + 1,393 + 0,667.1n (W/e + 1,444)]} pour W/e superieur ou égal à 1

Z = 60.1n (8.e/W + 0,25.W/e) pour W/e inférieur ou égal à 1.

Cette relation nous indique que, sur un substrat donné, l'impédance caractéristique d'une ligne micro-ruban est conditionnée par la largeur de cette ligne. Plus la ligne

est large, plus l'impédance est faible.

Soit Ze l'impédance au point d'entrée du motif rayonnant. Si Zd est l'impédance désirée au niveau de l'interface avec le système d'alimentation (le câble, par exemple), l'adaptateur quart d'onde est alors un tronçon de ligne imprimée de longueur Ig/4, (o Xg =X/ce est la longueur d'onde dans le diélectrique) et d'impédance caractéristique Zc = i(Ze.Zd) Il existe d'autres types d'adaptateurs (comme par exemple la ligne fuselée) dont la complexité va souvent de pair avec: - une efficacité accrue en termes de pertes (faibles) par rayonnement parasite, - une bande fréquentielle d'utilisation plus large.

Il a déjà été présenté un certain nombre d'appli-

cations de la technologie micro-ruban aux antennes dites

"conformées" c'est à dire appliquées à une surface non plane.

Ainsi, dans le brevet 92-07274, les motifs sont répartis sur la surface d'un cylindre. Le but de cette antenne, baptisée "antenne ceinture" est de produire un diagramme de rayonnement omnidirectionnel, c'est-à-dire présentant dans toutes les régions de l'espace un gain aussi uniforme que possible. Les motifs sont équidistants et peuvent être regroupés sur des sous-reseaux identiques comportant également le réseau d'alimentation permettant

d'acheminer le signal vers chacun des éléments. Tous sont alimentés avec la même valeur d'amplitude et la même valeur de phase à une tolérance près afin de garantir la régularité5 du diagramme de rayonnement.

L'invention vise aussi à obtenir de bonnes performances radioélectriques (notamment en ce qui concerne

le diagramme de rayonnement), mais à partir d'une antenne ceinture micro-ruban appliquée sur un corps conique, grâce à10 une préparation sur un substrat plan selon un dessin déter-

miné de façon réaliste et fiable, la loi d'alimentation de l'antenne objet de la présente invention pouvant être

identique à celle de l'exemple précédent.

Concevoir une antenne ceinture cylindrique telle que décrite dans le document 92-07274 ne présente d'autre difficulté que celle d'élaborer un réseau d'alimentation à une seule dimension (une seule rangée d'éléments à alimenter) correctement adapté (TOS voisin de 1) à la ou aux fréquences de travail, ce que l'homme de l'art, muni des formules classiques ou mieux d'un outil de CAO, fait sans trop de problèmes. Chaque sous réseau, conçu sur un plan, conserve ses propriétés d'adaptation une fois enroulé sur le corps cylindrique. La conception de ce type d'antenne pour une application sur un corps conique est plus complexe, si l'on veut que tous les éléments rayonnants soient:

- équidistants et convenablement espacés (dis-

tance inférieure ou voisine d'une demi-longueur d'onde), - situés à une même altitude c'est-à-dire à une même hauteur par rapport à la base de référence du tronc de cône, - alimentés avec une amplitude et une phase uniformes (à une tolérance près), qui sont les conditions nécessaires et suffisantes pour

obtenir un diagramme de rayonnement omnidirectionnel.

La présente invention, outre le fait qu'elle propose un procédé permettant de concevoir et fabriquer ce

type d'antenne sur un plan comme un circuit imprimé quelcon-

que avant de l'appliquer sur un cône, présente un type d'antenne pouvant s'adapter sur un cône donné en réduisant l'aménagement nécessaire de ce cône au(x) seul(s) trou(s)

prévu(s) pour faire passer le(s) câble(s) d'alimentation.

Les documents suivants ont traité ou abordé ce problème:

- D1: US 3 914 767

- D2: US 4 101 895

- D3: US 3 798 653

- D4: US 4 980 692

- D5: US 4 051 480

- D6: FR 2 490 024

- D7: US 4 160 976

- D8: US 4 816 836

Ces documents présentent des concepts soit basés sur des technologies à fentes (cas des documents D3 et D6) soit sur la technologie micro- ruban ou des techniques dérivées. Les documents D3 et D6 présentent des antennes qui sont partie intégrante de la structure sur laquelle elles sont implantées. Cela ne correspond pas au besoin exprimé ci- dessus (minimisation de l'impact sur la structure porteuse). Les documents D1, D2, D4 et D5, outre le fait qu'ils ont souvent recours à des court-circuits nombreux et coûteux à travers le substrat (afin de garantir une bande fréquentielle d'utilisation suffisante - ce que le document 92 07274 précité peut permettre d'éviter -), ne fournissent aucune information sur le réseau ou le système d'alimentation de l'antenne, ce qui peut laisser supposer que celui-ci utilise une autre technique que la technique micro-ruban. Or l'un des principaux intérêts de cette technique réside justement dans le fait qu'elle permet de réunir sur un même 1l support (le substrat diélectrique), le réseau d'alimentation et les éléments rayonnants, supprimant par là-même une grande partie des contraintes mécaniques rencontrées sur les

antennes utilisant d'autres technologies.

Quant au document D7, il propose une antenne micro-ruban appliquée à un corps cylindrique, sans indication précise sur la conception même et le dimensionnement du système ou réseau d'alimentation. Et le document D8 concerne la structure en deux couches d'une antenne réseau sur une surface cylindrique ou conique, sans précision particulière

sur les motifs rayonnants et leur réseau d'alimentation.

L'invention propose une antenne micro-ruban conique, portée par un tronc de cône de demi-angle au sommet a, de hauteur H0 et ayant une ligne circulaire de référence de rayon R, et comportant une succession annulaire de N motifs rayonnants disposés sur ce tronc de cône et répartis en au moins un sous-reseau de motifs rayonnants connectés par un réseau d'alimentation respectif à un même point commun

(G), ces N motifs rayonnants étant réalisés en métal conduc-

teur sur une surface d'une couche de matériau diélectrique, cette couche de matériau diélectrique portant sur son autre surface une couche conductrice formant plan de masse, ces motifs rayonnants étant conformés pour résonner dans une bande de fréquences prédéterminée de fréquence centrale Fo, * le réseau d'alimentation de chaque sous-réseau de motifs rayonnants étant constitué de lignes conductrices formant un réseau arborescent de diviseurs, tel que les longueurs de

ligne entre le point commun et les motifs rayonnants du sous-

réseau soient sensiblement identiques à c/(Fo Y'7e près, o c est la vitesse de la lumière et ce est la constante diélectrique effective du milieu de propagation constitué par le substrat et les lignes conductrices, * le reseau arborescent est formé sur la même surface de la couche de matériau diélectrique que le sous-réseau de motifs rayonnants, * le reseau arborescent est formé de n étages, chaque étage comportant des diviseurs de même ordre, soit 2 soit 3, * les diviseurs au sein d'un même étage i sont, en développée sur un plan, constitués d'un nombre entier de segments rectilignes sensiblement identiques, faisant entre eux des angles 12 égaux, les diviseurs d'un même étage approximant des arcs d'un même cercle concentrique à l'arc de cercle constitué, dans cette développée sur un plan, par la ligne circulaire de référence.10 Selon des dispositions préférées de l'invention éventuellement combinées: - les N éléments rayonnants sont répartis en S sous-réseaux identiques et la longueur ALai des segments rectilignes de l'étage i et l'angle i entre segments adjacents sont tels que: a) Na. = La./ALai est un nombre entier (c'est le nombre de tronçons pour l'étage i) supérieur ou égal à 1, avec:

Lai = 2.n.sin(a).Rai.263/[S.(2i-m.3m)].

o - 63 étant le symbole de Chrônecker, qui vaut 1 si l'étage i est d'ordre 3 et 0 si cet étage est d'ordre 2, - m le nombre d'étages d'ordre 3 rencontrés entre le premier et le ième étage, les étages étant comptés à partir du point commun, et k=i Rai = H/cos(a)- h + (n-i+1).p. E hk k=1 ou - p vaut 1 si le réseau d'alimentation est en-dessous des éléments rayonnants et -1 si le réseau d'alimentation est au-dessus des éléments rayonnants, - h la distance entre la ligne de référence du tronc de c6ne et le bord de l'élément rayonnant qui est connecté au réseau d'alimentation, et

- hk la hauteur de l'étage k.

b) l'angle yi est égal à: yi = ALai /Rai, - les éléments rayonnants sont de forme trapézoï- dale, - les éléments rayonnants sont de forme rectangulaire,

- les éléments rayonnants sont de forme circulai-

re, - chaque motif est formé d'une boucle conductrice de largeur constante 1, entourant un motif parasite interne non alimenté en étant séparée de ce motif parasite interne par une fente continue fermée sur elle-même de largeur constante e propre à assurer un couplace entre la boucle et le motif parasite interne, - la longueur des segments rectilignes est choisie au moins égale à environ le quart de la longueur d'onde dans ledit matériau diélectrique,

- la hauteur de chaque étage est la même.

L'invention propose également un procédé de préparation d'une antenne micro-ruban destinée à être portée par un tron de cône de demi-angle au sommet a, de hauteur H0 et ayant une ligne circulaire de référence de rayon R, cette antenne comportant une succession annulaire de N motifs rayonnants disposés sur ce tronc de cône et répartis en au moins un sous-réseau de motifs rayonnants connectés par un reseau d'alimentation respectif a un même point commun (G), ces N motifs rayonnants étant réalisés en métal conducteur sur une surface d'une couche de matériau diélectrique, cette couche de matériau diélectrique portant sur son autre surface une couche conductrice formant plan de masse, ces motifs rayonnants étant conformés pour résonner dans une bande de fréquences prédéterminée de fréquence centrale F0, procédé selon lequel, * on choisit arbitrairement des nombres S, n2 et n3 tels que N = S.2n2.3n3 * on répartit les N motifs rayonnants en S sous-réseaux, * on constitue chaque réseau d'alimentation respectif de sorte que les longueurs de ligne entre le point commun et les

motifs rayonnants du sous-réseau soient sensiblement identi-

ques à c/(F0 v e) près, o c est la vitesse de la lumière et ce est la constante diélectrique effective du milieu de

propagation constitué par le substrat et les lignes conduc-

trices, * on forme le réseau arborescent sur la même surface de la couche de matériau diélectrique que le sous-réseau de motifs rayonnants, * on forme le réseau arborescent en n2 étages formés de diviseurs d'ordre 2 et en n3 étages formés de diviseurs d'ordre 3, selon un ordre quelconque, * on conforme les diviseurs au sein d'un même étage i en sorte que chacun d'eux soit, en développée sur un plan,

constitué d'un nombre entier de segments rectilignes sensi-

blement identiques, faisant entre eux des angles ai égaux, les diviseurs d'un même étage approximant des arcs d'un même cercle concentrique à l'arc de cercle constitué, dans cette

développée sur un plan, par la ligne circulaire de référence.

Les dispositions préférées précitées s'appliquent

également à ce procédé.

Des objets, caractéristiques et avantages de

l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à

titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente un cône de demi-angle au sommet a et de hauteur H, contenant un tronc de cône de hauteur H0 et de rayon à la base R, - la figure 2 montre la développée du cône de la figure 1, - les figures 3A à 3D montrent des exemples de réseau arborescent d'alimentation pour antenne ceinture (ou sous-réseau d'antenne ceinture) cylindrique avec des étages diviseurs d'ordre 2 et/ou d'ordre 3, - la figure 4 est un exemple simple de développée d'antenne ceinture conique à quatre éléments rayonnants et dont le réseau d'alimentation est composé de lignes formant des arcs de cercle, 5 - la figure 5 représente un arc de cercle approximé par des segments égaux, - les figures 6 et 7 représentent les développées exactes (masques de gravure ou typon) de deux applications d'antennes-ruban pour surface conique, - les figures 8A et 8B, et les figures 9A et 9B montrent les performances respectives en adaptation des antennes réalisées à partir des typons des figures 6 et 7, dans un diagramme TOS/fréquence et dans une abaque de SMITH, et15 - les figures 10A et 10B, et les figures 11A et 11B montrent les performances respectives en rayonnement des antennes réalisées à partir des typons des figures 6 et 7,

dans les coupes t = 0 et 9 = 90 respectivement.

La contrainte d'uniformité en amplitude et en phase au niveau de l'alimentation des éléments rayonnants dans une bande fréquentielle donnée, impose une contrainte sur leur nombre N. En effet, le réseau d'alimentation doit présenter une structure arborescente comportant divers étages de diviseurs entre les éléments rayonnants et un point commun d'alimentation (ou d'arrivée de signal). Les longueurs de

lignes comprises entre le point d'arrivée du signal (inter-

face avec le câble) et chacun des éléments rayonnants doivent être de longueur égale (à un nombre entier de longueurs d'onde près) de façon à garantir le caractère équi-phase du

reseau d'alimentation micro-ruban.

Si n est le nombre d'étages diviseurs d'ordre deux du réseau et si celuici ne présente pas d'étage diviseur d'ordre différent (d'ordre trois en pratique) alors

on a N = 2n.

Cette limitation, qui n'autorise que des nombres d'éléments rayonnants égaux à 4, 8, 16, 32, 64, 128, etc. est très pénalisante et peut s'avérer incompatible avec un problème géométrique donné. Dans ce cas, on peut être tenté d'inclure dans le réseau d'alimentation un diviseur par trois. Toutefois un tel diviseur ne convient qu'à condition5 que les longueurs des branches latérales soient égales ( à un nombre entier de longueurs d'ondes près) à la longueur de la branche centrale. Même dans ce cas, la solution obtenue est a priori un cas dégradé de réseau arborescent à alimentation uniforme. En effet, l'alimentation n'est en fait uniforme en phase qu'à la fréquence centrale de la bande spectrale de travail et n'est jamais vraiment uniforme en amplitude à cause des pertes ohmiques dans les lignes latérales. Pour cette dernière raison, on limite souvent l'implantation de tels diviseurs au dernier étage du réseau car les différences de longueurs ne sont pas très importantes (en général: une longueur d'onde); en effet, les motifs connectés à un

diviseur du dernier étage sont en principe adjacents.

Si n est le nombre d'étages d'ordre deux du réseau et et m le nombre d'étages d'ordre trois alors on a

N = 3m.2n.

On précisera dans la suite le détail de tels

réseaux d'alimentation destinés à une surface conique.

Soit donc un cône C de hauteur H et de demi-angle au sommet a (voir figure 1), et soit T un tronc de ce cône, de hauteur Ho et dont la base présente un rayon R, autour

duquel on veut enrouler une antenne-réseau.

La développée du cône C (voir figure 3) est un secteur angulaire de sommet 0 et bordée d'un arc de cercle A - de rayon Ra = H/cos(a) - de longueur La=2.n.R, - d'amplitude angulaire B = 2.n.sin(a) et de deux segments latéraux se rencontrant au centre O du cercle contenant l'arc A et dontles autres extrémités sont les points extrêmes de l'arc A. Deux possibilités sont offertes lors de la conception de l'antenne (voir figures 6 et 7): - 1er cas: on veut disposer les éléments rayon- nants en dessous du réseau d'alimentation (à l'opposé du sommet par rapport à ce réseau d'alimentation),

- 2e cas: on veut disposer les éléments rayon-

nants au dessus du réseau d'alimentation (du côté du sommet).

Dans les deux cas, on remarque immédiatement que seul le sens de variation des indices des étages change. La

description géométrique de ces deux cas est donc la même, à

ce détail près, dont on tiendra compte dans les exemples

d'applications à la fin du texte.

Deux autres cas d'importance pratique peuvent encore se distinguer: - 1er cas: tous les étages diviseurs du réseau d'alimentation sont d'ordre deux (figure 3A), - 2e cas: un ou plusieurs étages diviseurs du réseau d'alimentation sont d'ordre trois (figures 3B, 3C et 3D). Ce dernier cas est pris en compte dans la

description géométrique générale qui suit et dans les

applications données ensuite.

De plus, l'antenne ceinture complète peut être composée de S sous- réseaux identiques, auquel cas la méthode et les formules qui suivent ne s'appliquent plus à un réseau entier (ceinture complète) mais à un sous-réseau dans les

conditions qui sont expliquées plus loin.

Soit 6 l'angle entre les centres des N éléments rayonnants par rapport au point O (voir figure 6 ou 7) en

supposant ces éléments régulièrement espacés sur le cone.

On a immédiatement:

6 = B/N (1)

Si l'antenne est constituée de S sous-réseaux alors soit Ns le nombre d'éléments rayonnant par sous-reseau, c'est-à-dire le nombre d'éléments rayonnants connectés à un meme point commun G.. On constate que:

Ns = N/S.

Supposons dans un premier temps que le réseau ne comporte que des diviseurs d'ordre 2. Compte-tenu de la

structure du réseau d'alimentation choisie, Ns sera égal à 2"5 o n est le nombre d'étages diviseurs du réseau d'alimenta-

tion du réseau.

Comme cela est représenté sur la figure 4, le réseau d'alimentation du sous-réseau considéré est idéalement constitué d'arcs de cercles de rayons Rai et de longueur Lai telle que: k=i Rai = Ra - h + p. E hk (2) k=l Lai = 6.Rai.Ns/2i = B.Rai. /(S.2i) (3) ou: - i est l'indice de l'étage considéré 1 < i < n o n = Log2(N) est le nombre d'étages du réseau, - p vaut 1 si le réseau d'alimentation est en-dessous des éléments rayonnants et -1 si le réseau d'alimentation est au-dessus des éléments rayonnants (cas de cette figure 4), - h la distance entre la base du tronc de cône et le bord du motif rayonnant qui est connecté au réseau d'alimentation,

- et hi la hauteur de l'étage diviseur i.

Notons que si hi =h h = = h= h0, la formule (2) devient: Rai = Ra - h + p.(n - i + 1).h0 (2') Si plusieurs étages du réseau d'alimentation sont d'ordre trois, alors la formule (3) doit être adaptée: Lai = 6.Rai. Ns.263/(2i-m.3m) = B.Rai/(S.2i-m.3m) (3' o: - i est l'indice de l'étage étudié (d'ordre 2 ou 3) tel que 1<i<n o n est le nombre total d'étages du sous-réseau avec n=n2+n3 o n2 est le nombre d'étages d'ordre 2 et n3 le nombre d'étages d'ordre 3 avec n2 et n3 tels que Ns=2n2.3n3 - 63 est le symbole de Chrônecker, qui vaut 1 si l'étage i est d'ordre 3 et 0 si cet étage est d'ordre 2, et

- m le nombre d'étages d'ordre 3 rencontrés entre le premier et le ième étage.

Les lignes de l'arc correspondant doivent être subdivisées en plusieurs petits arcs de cercles permettant l'implantation d'un décrochement de manière à rattraper la valeur de la phase (à 2.k.n près) sur les deux branches latérales par rapport à la branche centrale (voir l'étage 3 de la figure 7). En général, quand cela est possible, le diviseur d'ordre trois (s'il est unique) est implanté au niveau du dernier étage du réseau d'alimentation afin de minimiser l'impact des déphasages en bord de bande fréquentielle de travail. Dans ce cas, la formule (3') devient au niveau du dernier étage: La, = 6.Ran.N.2/(2n-'. 3) Dans le cas ou l'on subdivise un arc en 3 "sous-arcs" (voir les diviseurs d'ordre 3 de la figure 7) avec un décrochement pour le sous- arc médian alors la longueur Lp de chaque sous-arc de cercle peut valoir Lp = Lan_ /6. Si pour le ième étage, le ième décrochement a une hauteur égale à hj alors le rayon de l'arc correspondant vaut R =

Rai-hj ou Rai + hj (en fonction du sens du décrochement).

La conception d'un réseau micro-ruban composé de

lignes courbes peut devenir un problème pratiquement insolu-

ble puisque les outils courants de CAO permettent de prendre en compte presque uniquement des lignes droites. La prise en compte d'adaptateurs de formes courbes en les approximant par des lignes droites peut a priori engendrer des erreurs. Il faut se rappeler ici l'empirisme avec lequel on a coutume de

procéder dans le domaine des antennes à motifs rayonnants.

C'est pourquoi tous les arcs du réseau d'alimen-

tation sont selon l'invention approximés par des segments sensiblement de même longueur, au moins au sein de chaque étage. Chacun de ces segments est incliné par rapport aux

segments adjacents d'un angle correctement calculé.

L'ordre de grandeur de la longueur de chaque segment est choisi arbitrairement au départ, avantageusement voisine du quart de la longueur d'onde dans le diélectrique ou supérieure à cette valeur.5 Soit A' La la longueur choisie. Celle-ci peut arbitrairement avoir la même valeur pour chacun des étages du réseau ou différer d'un étage à l'autre auquel cas on peut la noter A Lai' Le nombre de segments par étage est alors simplement donné par la relation: N'ai =Lai/ A'Lai du fait que Nai doit être un entier on a en fait: Nai = ent(N'ai) = ent(Lai/ A' Lai) (4) et en définitive la longueur exacte des segments rectilignes sera: ALai = Lai/Nai (5)

Considérons la figure 5 qui détaille l'approxima-

tion envisagée. L désigne l'arc de cercle à approximer de centre 0; A1 et A2 sont deux segments rectilignes égaux approximant l'arc de cercle L. Nous recherchons l'angle y

entre les deux segments consécutifs A1 et A2.

Par symétrie, nous avons immédiatement l'égalité d'angles suivante: C = B De laquelle on déduit: y + B + C = n donc y + 2.B = n Or: A + 2.B = n donc: y = A o A est l'angle au sommet du triangle dont les côtés sont: le segment étudié, - les segments joignant les extrémités de ce

segment au sommet du cône.

Or A = A a- /Ra, donc: Yi = A, /Rai (6) Les relations (1) à (6) définissent de manière simple et complète la géométrie de l'antenne ceinture conique et prennent en compte les contraintes liées à la structure

support et le besoin en termes de performances radioélec-

triques. Les relations ci-dessus peuvent être implantées très simplement dans un tableur qui donne instantanément la composition et les dimensions de chacun des étages du réseau d'alimentation. Une application basée sur ces relations a été développée à AEROSPATIALE qui a permis de concevoir des antennes imprimées sur substrat mince à plat (constante diélectrique: 2,92), de les graver suivant la technique classique du circuit imprimé, puis de les conformer sur un tronc de cône présentant les cotes suivantes: - demi angle au sommet: a = 5,4 - rayon à la base du tronc de cône: R = 160 mm - hauteur du tronc de cône: H0 = 280 mm - La: 1005 mm - Ra: 1705 mm

- S: 33,92

Sur ce tronc de cône on a cherché à implanter

deux antennes ceintures coniques.

Une de ces antennes, conçue pour resonner à 1575 MHz devait être positionnée de façon que le bord inférieur des éléments rayonnants soit à 20 mm de la base du tronc cône, le réseau d'alimentation étant "audessus" des motifs rayonnants. Cette antenne est appelée antenne "bande L". L'autre antenne fonctionnant à 2233 Mhz, devrait être placée de façon que le bord supérieur des éléments rayonnants soit à 20 mm du haut du tronc de cône, le reseau

d'alimentation se trouvant "en dessous" des éléments rayon-

nants. Cette antenne est baptisée antenne "bande S".

Si l'on prend pour contrainte de respecter le critère d'espacement maximum entre les éléments rayonnants inférieur ou voisin de X/2) on doit prévoir et si l'on cherche des nombres de motifs sous la forme N = 2n2.3n3 on $ obtient: - 12 éléments pour l'antenne bande L, avec deux étages diviseurs d'ordre 2 et un étage diviseur d'ordre 3, - 16 éléments pour l'antenne bande S, avec quatre étages

diviseurs d'ordre 2.

Les éléments rayonnants sont de préférence choisis de forme trapézoïdale, de façon que leurs bords non parallèles à la base du tronc de cône soient sensiblement

parallèles aux génératrices du cône à 25%.

Après dimensionnement de ces éléments rayonnants (par exemple à l'aide d'un logiciel de prédiction approprié

connu et validation de leur bon fonctionnement sur maquet-

tes), on vérifie que leur dimensionnement est compatible avec

la contrainte de nombre d'éléments indiquée ci-dessus, c'est-

à-dire que les motifs ne se superposent pas, auquel cas il

faudrait les "amincir".

La géométrie du problème étant ainsi posée, on procède à l'implantation dans un tableur des relations (1) à (6) en choisissant des segments rectilignes de l'ordre de

mm pour les divers étages.

On avait pour la figure 6: - hauteur de motif: 42 mm - h: 223 mm - ho = h1 = h2 = h3: 12 mm

- 6: 2,12

et pour la figure 7 - hauteur de motif: 56 mm - h: 71 mm - h0: 12 mm

- 6: 2,83

Leur application au problème posé donne les résultats indiqués dans les tables 1 et 2. Les masques de gravures obtenus sont représentés sur les figures 6 et 7. Les longueurs de tronçons rectilignes (on les distingue à peine de l'échelle de ces figures) peuvent être exploitées pour implanter des modifications de largeurs de lignes qui sont autant d'adaptateurs. Ces adaptateurs permettent par optimi- sation d'adapter l'impédance de l'antenne au point de5 connexion à une valeur voisine de 50 ohms (TOS voisin de 1 et

inférieur à 2 dans une bande fréquentielle imposée).

Les performances en adaptation de chacune des antennes construites sont présentées sur les figures 8A et

8B, ou 9A et 9B, et les coupes principales de leurs diagram-

mes de rayonnement sur une structure donnée sont fournies sur

les figures 10A et 10B, ou 11A et 11B.

En pratique, toutes les dimensions ou longueurs exprimées ci-dessus peuvent être prises à une tolérance pouvant aller à 15 près en fonction de contraintes

diverses telles que, par exemple, l'impact de coudes arron-

dis.

Il va de soi que la description qui précède n'a

été proposée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être proposées par l'homme de

l'art sans sortir du cadre de l'invention.

En particulier, les motifs rayonnants peuvent être de formes et de géométrie variée, comme proposé par exemple dans la demande de brevet français 92-07274, chaque motif étant formé d'une boucle conductrice de largeur constante 1, entourant un motif parasite interne non alimenté en étant séparée de ce motif parasite interne par une fente continue fermée sur elle-même de largeur constante e propre à assurer un couplace entre la boucle et le motif parasite interne.

24 2714769

i= 1 2 3 4 Rai (m) 1518,22056 1506,22056 1494,22056 1482,22056 Lai (m) 449,527088 222,987015 110,605243 54,8584894 nbre portions 8 4 2 1 à Lai 56,190886 55,7467538 55,3026216 54,8584894

_____ 2,12057504 2,12057504 2,12057504 2,12057504

i=l 1 2 3 Rai (mmr) 1598,22056 1610,22056 1622,22056 Lai (m n) 473,214139 238,383598 160,106751 nbre portions 12 6 6 Lai 39,4345116 39,7305997 26,6844586

_ô";_ 1,41371669 1,41371669 0,9424778

Claims (16)

REVENDICATIONS

1. Antenne micro-ruban conique, portée par un tronc de cône de demi- angle au sommet a, de hauteur H0 et ayant une ligne circulaire de référence de rayon R, et comportant une succession annulaire de N motifs rayonnants disposés sur ce tronc de cône et répartis en au moins un sous-réseau de motifs rayonnants connectés par un réseau d'alimentation respectif à un même point commun (G), ces N motifs rayonnants étant réalisés en métal conducteur sur une10 surface d'une couche de matériau diélectrique, cette couche de matériau diélectrique portant sur son autre surface une

couche conductrice formant plan de masse, ces motifs rayon-

nants étant conformés pour résonner dans une bande de fréquences prédéterminée de fréquence centrale Fo, * le réseau d'alimentation de chaque sous-réseau de motifs rayonnants étant constitué de lignes conductrices formant un réseau arborescent de diviseurs, tel que les longueurs de

ligne entre le point commun et les motifs rayonnants du sous-

réseau soient sensiblement identiques à c/(Fo -eé près, o c est la vitesse de la lumière et ce est la constante diélectrique effective du milieu de propagation constitué par le substrat et les lignes conductrices, * le réseau arborescent est formé sur la même surface de la couche de matériau diélectrique que le sous-réseau de motifs rayonnants, * le réseau arborescent est formé de n étages, chaque étage comportant des diviseurs de même ordre, soit 2 soit 3, * les diviseurs au sein d'un même étage i sont, en développée sur un plan, constitués d'un nombre entier de segments rectilignes sensiblement identiques, faisant entre eux des angles 12 égaux, les diviseurs d'un même étage approximant des arcs d'un même cercle concentrique à l'arc de cercle constitué, dans cette développée sur un plan, par la ligne

circulaire de référence.

2. Antenne micro-ruban selon la revendication 1, caractérisée en ce que les N éléments rayonnants sont répartis en S sous-réseaux identiques et la longueur ALai des segments rectilignes de l'étage i et l'angle Yi entre segments adjacents sont tels que: a) Nai = La./ALa. est un nombre entier (c'est le nombre de5 tronçons pour l'étage i) supérieur ou égal à 1, avec:

Lai = 2.n.sin(a).Rai.263/[S.(2i-m.3m)].

oU - 63 étant le symbole de Chr6necker, qui vaut 1 si l'étage i est d'ordre 3 et 0 si cet étage est d'ordre 2, - m le nombre d'étages d'ordre 3 rencontrés entre le premier et le ième étage, les étages étant comptés à partir du point commun, et k=i Ra, = H/cos(a)- h + (n-i+1).p. E hk k=1 o - p vaut 1 si le réseau d'alimentation est en-dessous des éléments rayonnants et -1 si le réseau d'alimentation est au-dessus des éléments rayonnants, - h la distance entre la ligne de référence du tronc de cône et le bord de l'élément rayonnant qui est connecté au réseau d'alimentation, et

- hk la hauteur de l'étage k.

b) l'angle yi est égal à: yi = ALai/Rai.

3. Antenne selon la revendication 1 et la revendication 2, dont les éléments rayonnants sont de forme trapézoïdale.

4. Antenne selon la revendication 1 et la revendication 2, dont les éléments rayonnants sont de forme rectangulaire.

5. Antenne selon la revendication 1 et la revendication 2, dont les éléments rayonnants sont de forme

circulaire.

6. Antenne selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque motif est formé d'une boucle conductrice de

largeur constante l, entourant un motif parasite interne non alimenté en étant séparée de ce motif parasite interne par une fente continue fermée sur elle-même de largeur constante5 e propre à assurer un couplace entre la boucle et le motif parasite interne.

7. Antenne selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 6, caractérisée en ce que la longueur des segments rectilignes est choisie au moins égale à environ le quart de

la longueur d'onde dans ledit matériau diélectrique.

8. Antenne selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 7, caractérisée en ce que la hauteur de chaque

étage est la même.

9. Procédé de préparation d'une antenne micro-

ruban destinée à être portée par un tron de cône de demi-

angle au sommet a, de hauteur H0 et ayant une ligne circu-

laire de référence de rayon R, cette antenne comportant une succession annulaire de N motifs rayonnants disposés sur ce tronc de cône et répartis en au moins un sous-réseau de motifs rayonnants connectés par un reseau d'alimentation respectif à un même point commun (G), ces N motifs rayonnants étant réalisés en métal conducteur sur une surface d'une couche de matériau diélectrique, cette couche de matériau diélectrique portant sur son autre surface une couche conductrice formant plan de masse, ces motifs rayonnants étant conformés pour résonner dans une bande de fréquences prédéterminée de fréquence centrale F0, procédé selon lequel, * on choisit arbitrairement des nombres S, n2 et n3 tels que N = S.2n2 3n3 * on répartit les N motifs rayonnants en S sous-réseaux, * on constitue chaque reseau d'alimentation respectif de sorte que les longueurs de ligne entre le point commun et les

motifs rayonnants du sous-réseau soient sensiblement identi-

ques à c/(F0 f-Te) près, o c est la vitesse de la lumiere et úe est la constante diélectrique effective du milieu de

propagation constitué par le substrat et les lignes conduc-

trices, * on forme le réseau arborescent sur la même surface de la couche de matériau diélectrique que le sous-réseau de motifs rayonnants, * on forme le réseau arborescent en n2 étages formés de diviseurs d'ordre 2 et en n3 étages formés de diviseurs d'ordre 3, selon un ordre quelconque, * on conforme les diviseurs au sein d'un même étage i en sorte que chacun d'eux soit, en développée sur un plan,

constitué d'un nombre entier de segments rectilignes sensi-

blement identiques, faisant entre eux des angles li égaux, les diviseurs d'un même étage approximant des arcs d'un même cercle concentrique à l'arc de cercle constitué, dans cette

développée sur un plan, par la ligne circulaire de référence.

10. Antenne selon la revendication 1, caractéri-

sée en ce que la longueur ALai des segments rectilignes de l'étage i et l'angle ji entre segments adjacents sont tels que: a) Nai = Lai/ALai est un nombre entier (c'est le nombre de tronçons pour l'étage i) superieur ou égal à 1, avec:

Lai = 2.r.sin(a).Rai.263/[S.(2i-m.3m)].

o - 63 étant le symbole de Chrônecker, qui vaut 1 si l'étage i est d'ordre 3 et 0 si cet étage est d'ordre 2, - m le nombre d'étages d'ordre 3 rencontrés entre le premier et le ième étage, les étages étant comptés à partir du point commun, et k=i Rai = H/cos(a)- h + (n-i+1).p. E hk k=1 o - p vaut 1 si le réseau d'alimentation est en-dessous des éléments rayonnants et -1 si le réseau d'alimentation est au-dessus des éléments rayonnants, - h la distance entre la ligne de référence du tronc de cône et le bord de l'élément rayonnant qui est connecté au réseau d'alimentation, et

- hk la hauteur de l'étage k.

b) l'angle yi est égal à: yi = ALai/Rai.

11. Procédé selon la revendication 9 ou la revendication 10, dont les éléments rayonnants sont de forme trapézoïdale.

12. Procédé selon la revendication 9 ou la revendication 10, dont les éléments rayonnants sont de forme rectangulaire.

13. Procédé selon la revendication 9 ou la revendication 10, dont les éléments rayonnants sont de forme circulaire.

14. Procédé suivant la revendication 13, caract-

érisée en ce que chaque motif est formé d'une boucle conduct-

rice de largeur constante 1, entourant un motif parasite interne non alimenté en étant séparée de ce motif parasite interne par une fente continue fermée sur elle-même de largeur constante e propre à assurer un couplage entre la

bouche et le motif parasite interne.

15. Procédé selon les revendications 9 à 14,

caractérisé en ce que la longueur des segments rectilignes est choisie au moins égale à environ le quart de la longueur

d'oonde dans ledit matériau diélectrique.

16. Procédé selon les revendications 9 à 15,

caractérisé en ce que la hauteur de chaque étage est la même.