FR2860107A1

FR2860107A1 - Antenne reseau reflecteur reconfigurable a faibles pertes

Info

Publication number: FR2860107A1
Application number: FR0311109A
Authority: FR
Inventors: Herve Legay; Beatrice Pinte
Original assignee: Alcatel CIT SA; Alcatel SA
Current assignee: Alcatel CIT SA; Alcatel Lucent SAS
Priority date: 2003-09-23
Filing date: 2003-09-23
Publication date: 2005-03-25
Anticipated expiration: 2023-09-23
Also published as: EP1519444A1; US20050122273A1; FR2860107B1; CA2480588C; US7142164B2; CA2480588A1

Abstract

Une antenne réseau réflecteur (A) est subdivisée en sous-réseaux (SR) indépendants comportant chacun i) au moins deux éléments rayonnants (ER) chargés de collecter des signaux délivrés par une source (S) et présentant au moins une première polarisation choisie et d'émettre des signaux déphasés présentant au moins une seconde polarisation choisie, orthogonale à la première, ii) des moyens de combinaison (MC) chargés de sommer les signaux collectés en fonction d'une première loi de phase choisie de sorte qu'ils correspondent à une direction choisie de pointage de la source (DPS), iii) des moyens de contrôle de phase (MCP) chargés d'appliquer un déphasage choisi auxdits signaux sommés, et iv) des moyens de distribution (MD) chargés de distribuer les signaux déphasés entre les éléments rayonnants (ER), en fonction d'une seconde loi de phase choisie de sorte qu'ils les rayonnent dans une direction de pointage d'une zone choisie (DPA).

Description

ANTENNE RÉSEAU RÉFLECTEUR RECONFIGURABLE À FAIBLES PERTES
L'invention concerne le domaine des antennes réseaux, et plus particulièrement les antennes réseau réflecteur.

Les antennes réseau se répartissent généralement en deux grandes familles, celle des antennes réseau à commande de phase (ou PAA pour Phase Array Antenna ) et celle des antennes réseau réflecteur (ou RAA pour ReflectArray Antenna ).

Afin de permettre le passage d'une zone de couverture (ou spot ) à une autre, les antennes réseau doivent être reconfigurables.

Dans le cas des antennes réseau à commande de phase, la reconfigurabilité peut être obtenue à l'aide d'une subdivision du réseau en sous-réseaux associés chacun à un dispositif de contrôle de phase actif. La reconfigurabilité de l'antenne ne dépend alors que d'une contrainte, à savoir les dimensions de chaque sous-réseau, lesquelles dépendent de celles de la zone de couverture vers laquelle l'antenne doit pointer.

Dans le cas des antennes réseau réflecteur, il est indispensable que les éléments rayonnants interceptent avec des pertes minimales les ondes comportant les signaux à transmettre, qui sont délivrées par une source. Or, l'angle d'incidence sous lequel les éléments rayonnants reçoivent les ondes varie en fonction de leurs positions par rapport à la source. Il peut ainsi varier pour certains réseaux entre 0 et 50 . Une telle variation angulaire rend particulièrement difficile à la fois la réception avec un gain élevé, des ondes provenant de la source, et la transmission (ou l'émission) avec un gain élevé, des ondes reçues, sur l'ensemble de la zone de couverture pointée.

Les antennes réseau réflecteur utilisent donc communément des éléments rayonnants peu directifs, de dimension typique comprise entre 0,6 # et 0,7 #, ou # représente la longueur d'onde de fonctionnement. La reconfigurabilité du diagramme d'antenne avec une telle antenne nécessite donc d'équiper chaque élément rayonnant d'un dispositif de contrôle de

phase. Mais, une telle solution peut conduire à des coûts prohibitifs.

L'invention a donc pour but d'améliorer la situation dans le cas des antennes réseau réflecteur.

Elle propose à cet effet une antenne réseau réflecteur subdivisée en sous-réseaux indépendants comportant chacun : - au moins deux éléments rayonnants chargés, d'une part, de collecter des signaux délivrés par une source et présentant au moins une première polarisation choisie, et d'autre part, d'émettre des signaux déphasés présentant au moins une seconde polarisation choisie, orthogonale à la première, - des moyens de combinaison chargés de sommer les signaux collectés en fonction d'une première loi de phase choisie afin qu'ils correspondent à une direction choisie de pointage de la source, - des moyens de contrôle de phase chargés d'appliquer un déphasage choisi aux signaux sommés, et - des moyens de distribution chargés de distribuer les signaux déphasés entre les éléments rayonnants, en fonction d'une seconde loi de phase choisie de sorte qu'ils les rayonnent dans une direction de pointage d'une zone choisie.

Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens de contrôle de phase et les moyens de distribution de l'antenne sont configurables de sorte que sa direction de pointage puisse varier.

Chaque sous-réseau peut comporter d'autres caractéristiques qui pourront être prises séparément ou en combinaison et notamment : - ses moyens de contrôle de phase peuvent être des déphaseurs comportant des lignes à retard de configurations différentes et au moins un commutateur, comme par exemple un système électromécanique micronique de type MEMS, - ses moyens de combinaison et ses moyens de distribution peuvent être distincts de sorte que les sous-réseaux soient de type non réciproque.

Dans ce cas : > les moyens de combinaison peuvent comprendre une ligne de

transmission présentant des ramifications, couplées aux éléments rayonnants de manière à collecter en parallèle les signaux qui présentent la première polarisation, et conformées de manière à définir la première loi de phase. En variante, les moyens de combinaison peuvent comprendre une ligne de transmission constituée de portions de lignes, raccordant les éléments rayonnants les uns aux autres de manière à collecter en série les signaux présentant la première polarisation, et conformées de manière à définir la première loi de phase, > les moyens de distribution peuvent comprendre une ligne de transmission présentant des ramifications, couplées aux éléments rayonnants de manière à distribuer en parallèle les signaux déphasés, et conformées de manière à définir la seconde loi de phase. En variante, les moyens de distribution peuvent comprendre une ligne de transmission constituée de portions de lignes, raccordant les éléments rayonnants les uns aux autres de manière à distribuer en série les signaux déphasés, et conformées de manière à définir la seconde loi de phase, - chaque sous-réseau peut être de type planaire, - chaque sous-réseau peut être de type linéaire, ses éléments rayonnants étant alignés suivant une direction choisie, - ils peuvent être installés en parallèle de manière à constituer une bande d'au moins deux sous-réseaux. Bien entendu, l'antenne peut comporter plusieurs bandes parallèles entre elles, - ses éléments rayonnants peuvent être agencés de manière à collecter des signaux présentant les première et seconde polarisations choisies. Dans ce cas : # il peut comprendre des premiers moyens de sélection de polarisation, intercalés entre les éléments rayonnants et les moyens de combinaison, et des seconds moyens de sélection de polarisation, intercalés entre les moyens de distribution et les éléments rayonnants. Les premier et second moyens de sélection de polarisation sont alors chargés de sélectionner sur ordre l'une des première et seconde polarisations afin

que l'antenne puisse fonctionner selon deux modes de polarisation différents, > en variante, les éléments rayonnants comportent des moyens de sélection de polarisation chargés de sélectionner sur ordre l'une des première et seconde polarisations, afin que l'antenne puisse fonctionner selon deux modes de polarisation différents, - chaque ligne de transmission peut être réalisée dans une technologie choisie parmi au moins les technologies microruban, coplanaire et triplaque, - ses éléments rayonnants peuvent être couplés aux moyens de combinaison et aux moyens de distribution par contact direct. En variante, les éléments rayonnants peuvent être couplés de façon électromagnétique aux moyens de combinaison et aux moyens de distribution, - ses éléments rayonnants peuvent être par exemple des structures multicouches à pavés radiatifs, des résonateurs microruban, des fentes ou des résonateurs diélectriques, - des moyens d'amplification chargés d'amplifier les ondes sommées avant qu'elles ne soient émises et/ou une fois collectées.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est un schéma de principe d'un sous-réseau d'une antenne réseau réflecteur selon l'invention, - la figure 2 illustre de façon schématique un exemple de réalisation d'un sous-réseau non réciproque de type planaire, - la figure 3 illustre dans une vue en coupe transversale une antenne réseau réflecteur selon l'invention comprenant deux sous-réseaux non réciproques de type planaire, - la figure 4 illustre de façon schématique un premier exemple de réalisation d'un sous-réseau non réciproque de type linéaire, - la figure 5 illustre de façon schématique un deuxième exemple de réalisation d'un sous-réseau non réciproque de type linéaire,

- les figures 6A et 6B illustrent de façon schématique deux parties d'un troisième exemple de réalisation d'un sous-réseau non réciproque de type linéaire, - la figure 7 illustre de façon schématique un quatrième exemple de réalisation d'un sous-réseau non réciproque de type linéaire, - la figure 8 illustre de façon schématique un cinquième exemple de réalisation d'un sous-réseau non réciproque de type linéaire, adapté à une double polarisation, - la figure 9 illustre de façon schématique un sixième exemple de réalisation d'un sous-réseau non réciproque de type linéaire, adapté à une double polarisation, - la figure 10 illustre de façon schématique un septième exemple de réalisation d'un sous-réseau non réciproque de type linéaire, adapté à une double polarisation, - la figure 11illustre de façon schématique un exemple de bande de sous- réseaux non réciproques de type linéaire, - la figure 12 illustre de façon schématique un exemple de combinaison de bandes de sous-réseaux non réciproques de type planaire, - la figure 13 illustre de façon schématique un exemple de réalisation d'un élément rayonnant comportant des fentes asymétriques, - la figure 14 illustre de façon schématique un exemple de réalisation d'un élément rayonnant comportant des fentes symétriques, et la figure 15 est une variante de la figure 7 comportant des moyens d'amplification de signaux.

Les dessins annexés pourront non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.

On se réfère tout d'abord à la figure 1 pour présenter l'invention.

Une antenne réseau réflecteur A comprend tout d'abord une source
S, délivrant sous un angle solide choisi de direction principale DPS, appelée direction de pointage de la source, des ondes comprenant des signaux à transmettre. L'antenne A comprend également plusieurs sous-réseaux SR chargés de réceptionner, avec un gain élevé, les ondes délivrées par la

source S, et de les transmettre suivant un angle solide choisi, de direction principale DPA, appelée direction de pointage de l'antenne, afin de couvrir une zone choisie avec un gain élevé.

Selon l'invention, les sous-réseaux SR sont indépendants les uns des autres et comportent chacun, tout d'abord, au moins deux éléments rayonnants ERi (ici i = 1 à 4, mais il peut prendre n'importe quelle valeur supérieure ou égale à deux), chargés d'une part, de collecter les signaux délivrés par la source S qui leur parviennent sous la forme d'ondes et qui présentent au moins une première polarisation choisie P1, et d'autre part, d'émettre des signaux déphasés présentant au moins une seconde polarisation choisie P2, orthogonale à la première. Chaque élément rayonnant ERi délivre les signaux qu'il a collectés sur une sortie 0 à laquelle il est couplé.

Chaque sous-réseau SR comporte également des moyens de combinaison alimentés en signaux collectés par les différentes sorties 0 et chargés de les sommer en fonction d'une première loi de phase choisie afin qu'ils correspondent à la direction choisie de pointage de la source DPS.

Chaque sous-réseau SR comporte en outre des moyens de contrôle de phase MCP alimentés en signaux sommés par les moyens de combinaison MC et chargés de leur appliquer un déphasage choisi.

Enfin, chaque sous-réseau SR comporte des moyens de distribution
MD alimentés par les moyens de contrôle de phase MCP en signaux sommés et déphasés et chargés de les distribuer entre les éléments rayonnants ERi, via des entrées I, en fonction d'une seconde loi de phase choisie de sorte qu'ils les rayonnent dans la direction de pointage de l'antenne DPA avec la seconde polarisation P2.

Les sous-réseaux SR sont préférentiellement de type non réciproque.

Dans un sous-réseau non réciproque SR les moyens de combinaison MC et les moyens de distibution MD sont distincts. Ils constituent ainsi deux circuits d'alimentation distincts.

En raison de ces deux circuits d'alimentation distincts, il est possible de traiter séparément la réception et la transmission, et par conséquent d'obtenir un gain élevé tant en réception qu'en transmission (ou émission),

dès lors que le pas du réseau est suffisamment petit (typiquement 0,6 À à 0,7 #). Les dimensions du sous-réseau SR sont alors choisies en fonction de l'angle de balayage maximal nécessaire à la transmission suivant la direction de pointage d'antenne DPA, à l'image d'une antenne à réseau à commande de phase active.

Un sous-réseau SR de type non réciproque peut se présenter soit sous une forme planaire, soit sous une forme linéaire.

On entend ici par sous-réseau planaire un sous-réseau SR du type de celui illustré sur la figure 2. Dans un tel sous-réseau SR, les éléments rayonnants ERi (ici i= 1 à 4) sont disposés dans un plan, par exemple aux quatre coins d'un parallélépipède rectangle. Dans l'exemple illustré, chaque élément rayonnant ERi délivre sur sa sortie 0 des signaux présentant une première polarisation P1 verticale, et est agencé pour émettre des signaux sommés présentant une seconde polarisation P2 horizontale.

Chaque sortie 0 constitue l'extrémité d'une ramification R1 d'une première ligne de transmission LT1 raccordée à l'entrée des moyens de contrôle de phase MCP et qui constitue les moyens de combinaison MC. Les configurations de la ligne de transmission LT1 et de ses ramifications R1 sont choisies de manière à compenser les écarts entre les chemins suivis par les ondes entre la source S et les différents éléments rayonnants ERi conformément à la première loi de phase associée à la direction de pointage de la source DPS pour le sous-réseau SR concerné. Cette compensation constitue ce que l'on a appelé précédemment la combinaison des signaux.

Ici, tous les éléments rayonnants ERi alimentent les moyens de combinaison MC en parallèle. Mais, on peut envisager une variante dans laquelle l'alimentation s'effectue en série. Dans ce cas, la ligne de transmission LT1 est constituée de portions de lignes qui raccordent les éléments rayonnants ERi les uns aux autres.

Par ailleurs, chaque entrée # constitue l'extrémité d'une ramification
R2 d'une seconde ligne de transmission LT2 raccordée à la sortie des moyens de contrôle de phase MCP et qui constitue les moyens de distribution
MD. Le déphasage appliqué par les moyens de contrôle de phase MCP et les configurations de la ligne de transmission LT2 et de ses ramifications R2 sont

choisis conformément à la seconde loi de phase associée à la direction de pointage de l'antenne DPA.

Ici, les moyens de distribution MD alimentent les éléments rayonnants ERi en parallèle. Mais, on peut envisager une variante dans laquelle l'alimentation s'effectue en série. Dans ce cas, la ligne de transmission LT2 est constituée de portions de lignes qui raccordent les éléments rayonnants ERi les uns aux autres.

Il est important de noter qu'au sein d'une antenne A, la première loi de phase appliquée par les moyens de combinaison MC peut varier d'un sous-réseau à l'autre du fait de leurs positions respectives par rapport à la source S.

Les lignes de transmission LT1 et LT2 et leurs ramifications R1 et R2 sont préférentiellement réalisées en technologie microruban (ou microstrip ). Mais, dans des variantes, les lignes de transmission LT1 et LT2 et leurs ramifications R1 et R2 peuvent être réalisées en technologie triplaque ou coplanaire.

Par ailleurs, comme cela est mieux illustré sur la figure 3, du fait des croisements entre les lignes de transmission LT1 et LT2, les moyens de combinaison MC (LT1 et R1) et les moyens de distribution MD (LT2 et R2) sont préférentiellement réalisés sur des niveaux distincts de la structure du sous-réseau SR. Dans cet exemple, les lignes de transmission sont couplées directement (par contact) aux éléments rayonnants ERi. Mais, on peut envisager une variante dans laquelle le couplage s'effectue par l'intermédiaire de fentes. Dans ce cas, les moyens de combinaison MC et les moyens de distribution MD peuvent être installés sur deux niveaux différents de la face arrière.

On va maintenant décrire des exemples de réalisation de sous- réseaux non réciproques linéaires selon l'invention.

On entend ici par sous-réseau linéaire un sous-réseau SR du type de celui illustré sur la figure 4, ou sur l'une de ses variantes illustrées sur les figures 5 à 10 et 15.

Dans un sous-réseau SR non réciproque, les éléments rayonnants
ERi sont disposés les uns à la suite des autres suivant une direction choisie

OX. Cette disposition est particulièrement bien adaptée, bien que de façon non exclusive, aux antennes radar à ouverture synthétique ou SAR (pour Synthetic Aperture Radar ). Par ailleurs, les moyens de combinaison MC et les moyens de distribution MD ne se croisent pas, contrairement aux sousréseaux planaires dans lesquels les moyens de combinaison MC et les moyens de distribution MD se croisent du fait qu'ils sont formés à des niveaux différents.

Dans le mode de réalisation de la figure 4, chaque élément rayonnant ERi (ici i = 1 à 4) délivre (sur sa sortie 0) des signaux présentant la première polarisation P1 horizontale, et est agencé pour émettre des signaux sommés présentant une seconde polarisation P2 verticale. Les éléments rayonnants ERi du sous-réseau SR alimentent en parallèle en signaux de polarisation P1 les moyens de combinaison MC qui les combinent selon la première loi de phase pour alimenter l'entrée des moyens de contrôle de phase MCP. Les moyens de contrôle de phase MCP alimentent en signaux sommés et déphasés les moyens de distribution MD qui sont, par exemple, placés au même niveau que les moyens de combinaison MC et les moyens de distribution MD. Enfin, les moyens de distribution MD distribuent en parallèle aux éléments rayonnants ERi les signaux sommés et déphasés, conformément à la seconde loi de phase.

En raison du manque de place, les moyens de contrôle de phase
MCP sont installés à un niveau différent de celui où sont installés les moyens de combinaison MC et les moyens de distribution MD. C'est la raison pour laquelle ils sont matérialisés en pointillés.

Dans cet exemple de réalisation, chaque sortie 0 d'un élément rayonnant ERi constitue l'extrémité d'une ramification R1 d'une première ligne de transmission LT1 raccordée à l'entrée des moyens de contrôle de phase
MCP par l'intermédiaire d'une première transition TR1 et qui constitue les moyens de combinaison MC. Les configurations de la ligne de transmission
LT1 et de ses ramifications R1 sont choisies de manière à compenser les écarts entre les chemins suivis par les ondes entre la source S et les différents éléments rayonnants ERi conformément à la première loi de phase associée à la direction de pointage de la source DPS.

Chaque entrée 1 constitue l'extrémité d'une ramification R2 d'une seconde ligne de transmission LT2 raccordée à la sortie des moyens de contrôle de phase MCP par l'intermédiaire d'une seconde transition TR2 et qui constitue les moyens de distribution MD. Plus précisément, la seconde transition TR2 est ici raccordée à la sortie des moyens de contrôle de phase MCP par l'intermédiaire d'une ligne de transmission auxiliaire LT3.

Les configurations de la ligne de transmission auxiliaire LT3 et de la ligne de transmission LT2 et de ses ramifications R2 sont choisies conformément à la seconde loi de phase associée à la direction de pointage de l'antenne DPA.

Les lignes de transmission LT1 et LT2 et leurs ramifications R1 et R2 sont également préférentiellement réalisées en technologie microruban (ou microstrip) sur la même couche que celle comportant les pavés inférieurs radiatifs des éléments rayonnants ERi. Mais, dans des variantes, les lignes de transmission LT1 et LT2 et leurs ramifications R1 et R2 peuvent être réalisées en technologie triplaque ou coplanaire.

Les pavés des éléments rayonnants ERi sont ici de forme circulaire, mais ils pourraient être de forme carré.

Lorsqu'il est possible d'installer les moyens de contrôle de phase MCP au niveau des moyens de combinaison MC et des moyens de distribution MD, on peut par exemple utiliser la configuration illustrée sur la figure 5.

Cette variante reprend l'intégralité des constituants du sous-réseau de la figure 4, mais diffère de celui-ci par le fait, d'une part, que les sorties 0 des éléments rayonnants ER1 et ER2 sont placées en regard l'une de l'autre, tout comme celles des éléments rayonnants ER3 et ER4, et d'autre part, que les moyens de contrôle de phase MCP sont placés au même niveau que les moyens de combinaison MC et les moyens de distribution MD.

En raison de cette configuration, les signaux délivrés par les éléments rayonnants ER1 et ER2 (respectivement ER3 et ER4) sur leurs sorties 0 respectives présentent ici des polarisations antiparallèles. On prévoit donc, sur la ramification R1 qui relie l'élément rayonnant ER1 (respectivement ER3) à la ligne de transmission LT1, un déphaseur D chargé d'appliquer un

déphasage de 180 aux signaux qu'il reçoit avant qu'ils ne soient combinés aux signaux provenant de l'élément rayonnant ER2 (respectivement ER4).

La variante de réalisation illustrée sur les figures 6A et 6B permet de mieux visualiser la séparation des moyens de contrôle de phase MCP, d'une part, et des moyens de combinaison MC et des moyens de distribution MD, d'autre part, évoquée précédemment en référence à la figure 4.

Dans cette variante de réalisation, les moyens de distribution MD alimentent en parallèle les éléments rayonnants ERi avec des signaux sommés et déphasés devant être émis avec une seconde polarisation linéaire verticale P2. On peut noter qu'ici les entrées # des éléments rayonnants ER1 et ER2 sont placées en bas des pavés inférieurs PI (par rapport à la direction verticale de la page), tandis que les entrées 1 des éléments rayonnants ER3 et ER4 sont placées en haut des pavés inférieurs PI (par rapport à la direction verticale de la page). Par conséquent, la polarisation des signaux émis par les éléments rayonnants ER3 et ER4 est antiparallèle à celle des signaux émis par les éléments rayonnants ER1 et ER2. Cela impose donc que l'on déphase de 180 les signaux provenant soit de ER1 et ER2, soit de ER3 et ER4, comme illustré sur la figure 5.

Comme illustré sur la figure 6A, chaque élément rayonnant ERi est ici constitué, notamment, d'un pavé radiatif (ou patch ) inférieur PI, qui se trouve placé au niveau de la couche comportant les moyens de combinaison
MC et les moyens de distribution MD, et d'un pavé radiatif supérieur PS (matérialisé en pointillés), qui se trouve placé au dessus d'une couche diélectrique, elle-même placée au-dessus de la couche comportant les pavés inférieurs PI, les moyens de combinaison MC et les moyens de distribution
MD.

Les moyens de contrôle de phase MCP sont réalisés dans une couche de la structure placée de préférence à l'arrière du plan de masse (non représenté), et la couche comportant les moyens de combinaison MC et les moyens de distribution MD (voir figure 6B). Par ailleurs, la structure multicouches est entourée de parois métalliques PM.

Dans cet exemple de réalisation, chaque sortie 0 d'un élément rayonnant ERi constitue l'extrémité d'une ramification R1 d'une première ligne

de transmission LT1 raccordée à l'entrée des moyens de contrôle de phase MCP par l'intermédiaire d'une première transition TR1 et qui constitue les moyens de combinaison MC. Les configurations de la ligne de transmission LT1 et de ses ramifications R1 sont choisies de manière à compenser les écarts entre les chemins suivis par les ondes entre la source S et les différents éléments rayonnants ERi conformément à la première loi de phase associée à la direction de pointage de la source DPS.

Ici, tous les éléments rayonnants ERi alimentent les moyens de combinaison MC en mode parallèle avec des signaux présentant une première polarisation P1 horizontale.

Chaque entrée # constitue l'extrémité d'une ramification R2 d'une seconde ligne de transmission LT2 raccordée à la sortie des moyens de contrôle de phase MCP par l'intermédiaire d'une seconde transition TR2 et qui constitue les moyens de distribution MD. Plus précisément, la seconde transition TR2 est ici raccordée à la sortie des moyens de contrôle de phase MCP par l'intermédiaire d'une ligne de transmission auxiliaire LT3.

Les lignes de transmission LT1 et LT2 et leurs ramifications R1 et R2 sont également préférentiellement réalisées en technologie microruban (ou microstrip) sur la même couche que celle comportant les pavés inférieurs PI.

Mais, dans des variantes, les lignes de transmission LT1 et LT2 et leurs ramifications R1 et R2 peuvent être réalisées en technologie triplaque ou coplanaire.

Dans une variante de réalisation, les moyens de combinaison MC et les moyens de distribution MD peuvent être placés à l'arrière du plan de masse. Dans ce cas, chaque élément rayonnant ERi est alimenté par deux transitions verticales raccordées à ses points d'excitation. Ce mode de réalisation nécessite que l'on libère de la place au centre pour installer les moyens de contrôle de phase MCP, ce qui impose une configuration d'excitation similaire à celle de la figure 5 et donc l'utilisation de déphaseurs

de 180 MM.

On se réfère maintenant à la figure 7 pour décrire un autre mode de réalisation de sous-réseau non réciproque linéaire, selon l'invention. Cette variante reprend une grande partie des constituants du sous-réseau de la figure 4, mais diffère de celui-ci par le fait que les éléments rayonnants ERi sont couplés en réception les uns aux autres en série.

Plus précisément, dans ce mode de réalisation, la sortie (0) du premier élément rayonnant ER1 alimente une première portion P1 de la ligne de transmission LT1 raccordée au deuxième élément rayonnant ER2, dont la sortie alimente une deuxième portion P2 de la ligne de transmission LT1 raccordée au troisième élément rayonnant ER3, dont la sortie alimente une troisième portion de la ligne de transmission LT1, et la sortie du quatrième élément rayonnant ER4 alimente ici une quatrième portion P4 de la ligne de transmission LT1, agencée différemment des autres portions P1 à P3 afin de compenser l'excitation antiparallèle du quatrième élément rayonnant ER4. La ligne de transmission LT1 alimente les moyens de contrôle de phase MCP, qui alimentent la ligne de transmission LT2 dont les ramifications sont raccordées aux entrées (1) des éléments rayonnants ERi.

Ce mode de réalisation est particulièrement intéressant lorsqu'il comporte des moyens de contrôle de phase MCP réversibles , car il permet à l'antenne A de fonctionner selon deux modes de polarisation. En effet, au lieu d'alimenter en série la ligne de transmission LT1 avec des signaux de polarisation P1 horizontale, les éléments rayonnants ERi peuvent alimenter en parallèle la ligne de transmission LT2 avec des signaux sommés et déphasés devant être émis avec une seconde polarisation P2 verticale.

Dans ce cas, la ligne de transmission LT1 alimente en série les éléments rayonnants ERi avec des signaux de polarisation P1 horizontale.

Deux variantes de réalisation de ce dernier mode de réalisation sont illustrées sur les figures 8 et 9. Elles permettent à l'antenne A de fonctionner selon deux modes de polarisation différents.

La première variante de sous-réseau SR, illustrée sur la figure 8, diffère du sous-réseau de la figure 7 par l'utilisation de modules de commutation MCT sur les ramifications de la ligne de transmission LT1 et sur

la ligne de transmission LT2. Plus précisément, dans la configuration illustrée, les modules de commutation MCT (qui sont partout doublés pour permettre un fonctionnement dans les deux sens) sont placés dans une première position qui permet l'application de la loi de phase associée à la direction de pointage de l'antenne DPA. On collecte alors en parallèle les signaux présentant une première polarisation verticale P1 et on distribue en série des signaux sommés et déphasés devant être émis avec une seconde polarisation horizontale P2. En revanche, lorsque tous les modules de commutation MCT sont dans une seconde position, on peut appliquer la loi de phase associée à la direction de pointage de la source DPS. Cela permet d'adapter la polarisation à celle de la source S. Les signaux présentant une première polarisation horizontale sont alors collectés en série, tandis que l'on distribue en parallèle des signaux sommés et déphasés devant être émis avec une seconde polarisation verticale.

Comme on peut le voir sur la figure 8, les deux voies qui relient les entrées (ou sorties) des modules de commutation MCT aux ramifications Ri ou bien à la ligne de transmission LT2 ne présentent pas les mêmes configurations du fait qu'elles sont associées à des lois de phase différentes.

La seconde variante de sous-réseau SR, illustrée sur la figure 9, diffère du sous-réseau de la figure 7 par l'alimentation des pavés des éléments rayonnants ERi non plus sur leurs côtés, mais dans leurs coins, de manière à exciter simultanément les deux polarisations, et par l'utilisation de modules de commutation MCT dans les éléments rayonnants ERi afin de sélectionner l'une des deux polarisations excitées, tant en collection qu'en émission.

Il est important de noter que la double polarisation n'est pas obligatoirement de type linéaire. Elle peut en effet être de type circulaire. Dans ce cas, comme illustré sur la figure 10, les éléments rayonnants ERi peuvent être, par exemple, des résonateurs microruban tronqués selon leur diagonale ou des résonateurs microruban légèrement rectangulaires. Dans la variante de la figure 10 les commutateurs MCT permettant le fonctionnement en double polarisation n'ont pas été représentés. Mais, en réalité, ils sont placés à l'entrée et à la sortie des éléments rayonnants ERi, comme c'est le cas

dans le mode de réalisation de la figure 8.

Bien que cela n'ait pas encore été mentionné, la constitution de bandes de sous-réseaux SR suivant une direction choisie permet de faire varier la direction de pointage de l'antenne DPA, ou en d'autres termes de rendre l'antenne reconfigurable.

Une telle bande B est schématiquement illustrée sur la figure 11dans le cas de sous-réseaux SR linéaires. Dans ce cas, comme illustré, les sousréseaux SR d'une bande B sont placés les uns contre les autres parallèlement à leur direction d'extension (ici OX). L'antenne A est alors reconfigurable suivant la direction OY (ou élévation), c'est-à-dire dans le plan perpendiculaire à la direction OX.

Par ailleurs, comme illustré sur la figure 12, l'antenne A peut comporter plusieurs bandes B parallèles de sous-réseaux planaires afin qu'elle soit reconfigurable à la fois suivant la direction OY (ou élévation), c'est- à-dire dans le plan perpendiculaire à la direction OX, et suivant la direction OX, c'est-à-dire dans le plan perpendiculaire à la direction OY.

Comme évoqué précédemment, les éléments rayonnants ERi sont préférentiellement réalisés sous la forme d'une structure multicouches classique comprenant, notamment, un pavé conducteur radiatif inférieur PI, couplé, d'une part, à l'entrée # et/ou à la sortie 0, et d'autre part, à un pavé conducteur radiatif supérieur PS chargé de collecter les ondes provenant de la source S et d'émettre les ondes collectées après transformation. Le couplage entre les pavés radiatifs supérieur PS et inférieur PI d'un élément rayonnant ERi peut s'effectuer soit directement par conduction, via une couche conductrice ou des traversées, soit de façon électromagnétique via une couche de matériau diélectrique.

Il est important de noter que lorsque le sous-réseau SR doit fonctionner selon deux polarisations (mode dual), ses éléments rayonnants
ERi doivent être adaptés à cet effet. Par exemple, on peut intégrer dans la structure multicouches des éléments rayonnants ERi deux fentes asymétriques FA1 et FA2, comme illustré sur la figure 13, ou deux fentes symétriques FS1 et FS2, comme illustré sur la figure 14. Ces fentes peuvent être réalisées dans le plan de masse de la structure. Les moyens de

combinaison MC sont alors installés sur la face arrière du plan de masse et leur couplage aux pavés radiatifs s'effectue via les fentes.

Des précisions concernant les structures des éléments rayonnants et les fentes peuvent être notamment trouvées dans les documents suivants : - "Dual-polarised wideband microstrip antenna", S. C. GAO et al, Electronics
Letters, 30 août 2001, Vol. 37, n 18, - Aperture coupled patch antennas with wide-bandwidth and dual polarization capabilities , C.M. TAO et al, Antennas and Propagation
Society International Symposium, 1988, AP-S, Digest, juin 1988, Vol.3, pages 936-939, - "Dual-polarized array for signal-processing applications in wireless communications", B. LINDMARK et al, IEEE Transactions on Antennas and
Propagation, Vol.46, Issue : 6, juin 1998, pages 758-763, - "Wideband dual-polarised microstrip patch antenna", S. C. GAO et al,
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Bialkowsksi, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 50,
Issue : 6, juin 2002, pages 841-849.

L'utilisation de fentes symétriques FS est préférable car elle procure une meilleure isolation entre les deux polarisations et ne génère pas des niveaux élevés de polarisation croisée.

Par exemple, dans le cas d'une application de type SAR en bande X à 9,8 GHz, le substrat S, qui supporte les circuits d'alimentation et les pavés radiatifs inférieurs PI, peut être réalisé dans un matériau de type PTFE présentant une constante diélectrique d'environ 3,2, une tangente de perte d'environ 0,003 à 10 GHz, une épaisseur d'environ 0,79 mm et une épaisseur de cuivre d'environ 17 m. Par ailleurs, les séparateurs placés entre les pavés radiatifs et les fentes FA ou FS peut par exemple être réalisé dans un matériau de type Rohacell 31 présentant une constante diélectrique d'environ
1,05, une tangente de perte d'environ 0,0002 à 2,5 GHz et une épaisseur d'environ 2 mm. Dans ce cas, le pas du réseau (c'est-à-dire la distance entre les éléments rayonnants ERi) est choisi sensiblement égale à 20 mm, ce qui

correspond à 0,65 # lorsque la fréquence est égale à 9,8 GHz.

Les moyens de contrôle de phase MCP de chaque sous-réseau SRi sont préférentiellement réalisés sous la forme de déphaseurs, et plus préférentiellement encore sous la forme de lignes à retard de configurations différentes (de manière à appliquer des déphasages différents), couplées à au moins un système électromécanique micronique de type MEMS, assurant la fonction de commutateur. Ces systèmes sont particulièrement avantageux du fait qu'ils présentent des pertes d'insertion très faibles, typiquement de l'ordre de 0,1 dB pour des fréquences pouvant atteindre environ 40 GHz.

L'état du MEMS est contrôlé par des tensions électriques.

Chaque sous-réseau SR peut également comporter, comme illustré sur la figure 15, des moyens d'amplification à faible bruit (ou LNA pour Low noise Amplifier ) et/ou des moyens d'amplification de puissance (ou HPA pour High Power Amplifier ) chargés d'assurer une amplification quasioptique des ondes sommées, avant ou après déphasage par les moyens de contrôle de phase MCP.

Dans le mode de réalisation illustré, le sous-réseau SR comprend un circulateur CR raccordé, d'une part, à la ligne de transmission LT2, et d'autre part, aux moyens d'amplification LNA et HPA, lesquels sont également raccordés à un commutateur MCT, lui même raccordé aux moyens de contrôle de phase MCP.

Ainsi, selon les états du circulateur CR et du commutateur MCT, les signaux parviennent soit au LNA pour y être amplifiés avant de remonter vers les moyens de contrôle de phase MCP puis vers les éléments rayonnants ERi (ce qui permet un fonctionnement de l'antenne en réception), soit au HPA pour y être amplifiés avant de descendre vers les éléments rayonnants ERi (ce qui permet un fonctionnement de l'antenne en transmission).

Ces moyens d'amplification LNA et HPA peuvent par exemple être réalisés sous la forme de puces amplificatrices, telles que des MMICs.

L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation d'antenne décrits ci-avant, seulement à titre d'exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art dans le cadre des

revendications ci-après.

Ainsi, le nombre d'éléments rayonnants appartenant à chaque sousréseau peut être quelconque, dès lors qu'il est au moins égal à deux.

Par ailleurs, le nombre de sous-réseaux d'une antenne peut être quelconque, dès lors qu'il est au moins égal à deux.

En outre, on a décrit des modes de réalisation de sous-réseaux dans lesquels les éléments rayonnants étaient constitués d'une structure multicouches comprenant des pavés radiatifs. Mais, l'invention n'est pas limitée à ce seul type d'élément rayonnant. Elle concerne également les sousréseaux équipés d'éléments rayonnants tels que des résonateurs microruban, des fentes, ou des résonateurs diélectriques.

Claims

REVENDICATIONS

1. Antenne réseau réflecteur (A), caractérisée en ce qu'elle est subdivisée en sous-réseaux (SR) indépendants comportant chacun : - au moins deux éléments rayonnants (ER) agencés, d'une part, pour collecter des signaux délivrés par une source (S) et présentant au moins une première polarisation choisie, et d'autre part, pour émettre des signaux déphasés présentant au moins une seconde polarisation choisie, orthogonale à la première, - des moyens de combinaison (MC) agencés pour sommer lesdits signaux collectés en fonction d'une première loi de phase choisie de sorte qu'ils correspondent à une direction choisie de pointage de la source (DPS), - des moyens de contrôle de phase (MCP) agencés pour appliquer un déphasage choisi aux signaux sommés, et - des moyens de distribution (MD) agencés pour distribuer lesdits signaux déphasés entre lesdits éléments rayonnants, en fonction d'une seconde loi de phase choisie de sorte que lesdits éléments rayonnants (ER) de chaque sous-réseau (SR) les rayonnent dans une direction de pointage d'une zone choisie (DPA).

2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens de contrôle de phase (MCP) et lesdits moyens de distribution (MD) sont configurables de sorte que ladite direction de pointage de la zone choisie (DPA) soit variable.

3. Antenne selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que lesdits moyens de contrôle de phase (MCP) sont des déphaseurs.

4. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdits déphaseurs (MCP) comportent au moins deux lignes à retard de configurations différentes et au moins un système électromécanique micronique de type MEMS.

5. Antenne selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdits moyens de combinaison (MC) et lesdits moyens de distribution (MD) sont distincts de sorte que lesdits sous-réseaux (SR) soient de type non

réciproque.

6. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdits moyens de combinaison (MC) comprennent une ligne de transmission (LT1) présentant des ramifications (R1) couplées auxdits éléments rayonnants (ER) de manière à collecter en parallèle les signaux présentant ladite première polarisation et conformées de manière à définir ladite première loi de phase.

7. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdits moyens de combinaison (MC) comprennent une ligne de transmission (LT1) constituée de portions de ligne (P) raccordant lesdits éléments rayonnants (ER) les uns aux autres, de manière à collecter en série les signaux présentant ladite première polarisation et conformées de manière à définir ladite première loi de phase.

8. Antenne selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que lesdits moyens de distribution (MD) comprennent une ligne de transmission (LT2) présentant des ramifications (R2) couplées auxdits éléments rayonnants (ER) de manière à distribuer en parallèle les signaux déphasés et conformées de manière à définir ladite seconde loi de phase.

9. Antenne selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que lesdits moyens de distribution (MD) comprennent une ligne de transmission (LT2) constituée de portions de lignes (P) raccordant lesdits éléments rayonnants (ER) les uns aux autres de manière à distribuer en série les signaux déphasés et conformées de manière à définir ladite seconde loi de phase.

10. Antenne selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que chaque sous-réseau (SR) est de type planaire.

11. Antenne selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que chaque sous-réseau (SR) est de type linéaire, ses éléments rayonnants (ER) étant alignés suivant une direction choisie (OX).

12. Antenne selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisée en ce que lesdits sous-réseaux (SR) sont installés en parallèle de manière à constituer une bande (B), d'au moins deux sous-réseaux.

13. Antenne selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux bandes (B) parallèles entre elles.

14. Antenne selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que lesdits éléments rayonnants (ER) sont agencés pour collecter des signaux présentant lesdites première et seconde polarisations choisies, et en ce qu'elle comprend des premiers moyens de sélection de phase (MCT), intercalés entre lesdits éléments rayonnants (ER) et lesdits moyens de combinaison (MC), et des seconds moyens de sélection de polarisation (MCT), intercalés entre lesdits moyens de distribution (MD) et lesdits éléments rayonnants (ER), lesdits premier et second moyens de sélection de polarisation étant agencés de manière à sélectionner sur ordre l'une desdites première et seconde polarisations, de sorte que ladite antenne (A) puisse fonctionner selon deux modes de polarisation différents.

15. Antenne selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que lesdits éléments rayonnants (ER) sont agencés pour collecter des signaux présentant lesdites première et seconde polarisations choisies, et comportent des moyens de sélection de polarisation (MS) agencés de manière à sélectionner sur ordre l'une desdites première et seconde polarisations, de sorte que ladite antenne (A) puisse fonctionner selon deux modes de polarisation différents.

16. Antenne selon l'une des revendications 6 à 15, caractérisée en ce que chaque ligne de transmission (LT1, LT2) est réalisée dans une technologie choisie dans un groupe comprenant au moins une technologie microruban, une technologie coplanaire et une technologie triplaque.

17. Antenne selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisée en ce que lesdits éléments rayonnants (ER) sont choisis dans un groupe comprenant des structures multicouches à pavés radiatifs, des résonateurs microruban, des fentes et des résonateurs diélectriques.

18. Antenne selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisée en ce que lesdits éléments rayonnants (ER) sont couplés auxdits moyens de combinaison (MC) et auxdits moyens de distribution (MD) par contact direct.

19. Antenne selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisée en ce que lesdits éléments rayonnants (ER) sont couplés de façon électromagnétique auxdits moyens de combinaison (MC) et auxdits moyens de distribution (MD).

20. Antenne selon l'une des revendications 1 à 19, caractérisée en ce que chaque sous-réseau (SR) comprend des moyens d'amplification (LNA, HPA) agencés de manière à amplifier lesdites ondes sommées avant qu'elles ne soient émises et/ou une fois collectées.