FR2930844A1

FR2930844A1 - Antenne rf d'emission et/ou de reception comportant des elements rayonnants excites par couplage electromagnetique sans contact

Info

Publication number: FR2930844A1
Application number: FR0802467A
Authority: FR
Inventors: Christian Renard
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2008-05-05
Filing date: 2008-05-05
Publication date: 2009-11-06
Anticipated expiration: 2028-05-05
Also published as: FR2930844B1

Abstract

Antenne comportant au moins un élément rayonnant de type pavé imprimé (1) sensiblement plan sur un substrat alimenté par au moins un module TR (5) d'émission et/ou de réception de signaux RF, caractérisé en ce que l'élément rayonnant est excité par une ligne d'alimentation (2) de type imprimée par couplage électromagnétique en proximité du pavé imprimé, la ligne d'alimentation est la prolongation d'une ligne du circuit imprimé du module (5) et est contenue dans un plan, le dit plan étant perpendiculaire au plan du pavé imprimé.L'invention s'applique aux antennes actives réseau à balayage électronique pour les applications Radar.

Description

1

ANTENNE RF D'EMISSION ET/OU DE RECEPTION COMPORTANT DES ELEMENTS RAYONNANTS EXCITES PAR COUPLAGE ELECTROMAGNETIQUE SANS CONTACT Le domaine de l'invention concerne les antennes actives d'émission et/ou de réception à balayage électronique pour applications radars et télécommunications civiles ou militaires dans le domaine des ondes radiofréquences. Le domaine d'application de l'antenne est celui des ondes hyperfréquences, ou encore appelées micro-ondes, correspondant à une certaine partie du spectre des ondes radiofréquences, celle des ondes submétriques jusqu'aux ondes millimétriques, c'est-à-dire au moins la bande de fréquences de 300 MHz à 300 GHz , soit en longueurs d'onde de 1 m à 1 mm , étendue parfois à la bande de 100 MHz à 1 000 GHz , soit de 3 m à 0,3 mm. Une antenne réseau active pour radar présente une architecture à amplification distribuée, c'est-à-dire qu'elle comprend des éléments d'amplification RF positionnés entre le point d'entrée de l'antenne et les éléments rayonnants constituant le réseau, à un niveau donné de l'architecture. On appelle antennes actives à balayage électronique les dispositifs antennaires dont on est capable de modifier la directivité et l'orientation du faisceau par commande électronique. On est ainsi capable, dans des temps relativement courts, d'assurer soit un balayage continu de l'espace, soit des pointages successifs dans des directions bien déterminées, soit des alternances faisceaux étroits/ faisceaux étendus, soit tout autre combinaison de ces situations. Concernant un domaine d'application, on peut citer les radars aéroportés pouvant réaliser un balayage tridimensionnel du faisceau antennaire sans mouvement physique de l'antenne. Le radar est capable par exemple de mettre en oeuvre un mode de détection et de poursuite automatique à grande distance de cibles aériennes. 2

Dans une implantation classique d'une voie d'antenne réseau à balayage électronique active pour radar, chaque élément rayonnant est associé à un module comportant différentes fonctions : pilotage du faisceau antennaire principalement réalisé par un circuit de déphasage, commutation entre les voies d'émission et de réception et amplification des voies d'émission et de réception. La technologie utilisée pour la propagation des ondes électromagnétiques dans le module est le plus souvent une technologie imprimée sur substrat diélectrique : microruban ( microstrip ), ligne coplanaire ( coplanar waveguide ) ou triplaque ( stripline ). 1 o Dans ces systèmes, les caractéristiques requises pour les éléments rayonnants, au sein du réseau, sont en particulier : une couverture angulaire compatible de la plage de balayage du faisceau de l'antenne à balayage électronique, une polarisation adaptée au besoin de l'application, un rendement élevé, des pertes de liaison réduites entre module et l'élément 15 rayonnant proprement dit et une connexion aisée au module. On connaît des technologies d'éléments rayonnants, typiquement utilisés dans ces antennes réseaux à balayage électronique, de type pavés imprimés. Ces pavés imprimés microruban, microstrip patch en langage anglo-saxon, de fabrication relativement aisée, mais dont la problématique 20 dans cette application à architecture d'antenne en brique , aussi communément appelée en tiroir , vient de la liaison avec le module, les gravures du pavé et du circuit étant implantées dans le montage final suivant deux plans orthogonaux. Cette connexion peut être réalisée par soudure d'un brin métallique entre le circuit imprimé du module et l'élément rayonnant ou 25 par extension d'une ligne imprimée issue du module, traversant le substrat support du pavé et traversant le pavé, et soudé sur celui-ci. Ces techniques posent des problèmes de précision de réalisation, de tenue aux conditions d'environnement et de coût de mise en oeuvre pour des antennes réseaux comportant plusieurs centaines d'éléments rayonnants. En outre, l'extension 30 de la bande de fréquence de fonctionnement demandée aux systèmes 3

nécessite l'utilisation de pavés multicouches, dont la réalisation industrielle n'est pas compatible de ce type d'alimentation. On connaît également des techniques dans lesquelles les éléments rayonnants sont gravés dans la continuité des circuits imprimés des modules, solutions de type dipôles imprimés ou encoches imprimées et dérivées, connues de l'homme du métier par les termes notch et vivaldi. Ces techniques sont particulièrement adaptées à une réalisation commune avec les modules de l'antenne à balayage électronique, mais présentent tout de même certaines limitations: L'extension de la bande de fréquence de fonctionnement demandée aux systèmes nécessite pour l'élément rayonnant l'utilisation de substrats de plus faible permittivité et d'épaisseur plus importante, incompatible des substrats utilisés pour les circuits imprimés des modules. Cela entraîne une fabrication séparée et un report des éléments rayonnants sur les modules. De plus, arrangés en réseau régulier, les éléments rayonnants forment des canaux proéminents pouvant générer des phénomènes parasites. D'autres éléments rayonnants existent, mais sont moins fréquemment utilisés : par exemple les ouvertures de guide d'onde, chargées ou non de diélectrique. Pour résoudre les problèmes de connectivité entre un élément rayonnant de type pavé imprimé et le module, on connaît des solutions permettant d'alimenter l'élément rayonnant par couplage électromagnétique en proximité. On entend par couplage électromagnétique en proximité le fait qu'il n'existe pas de contact entre l'élément rayonnant et la ligne d'alimentation. On connaît des techniques de couplage à proximité où une ligne microruban contenue dans un plan, excite un pavé imprimé, et le dit plan est parallèle au plan du pavé imprimé. La ligne microruban et le pavé sont séparés par un substrat et comportent le même plan de masse. Cette solution est problématique car le plan du circuit imprimé du module doit alors être positionné en parallèle du plan du pavé imprimé, or les modules d'une 4

antenne radar par exemple, sont généralement insérés à la perpendiculaire du plan du pavé imprimé dans une architecture d'antenne dite en brique . Une autre solution de couplage électromagnétique en proximité consiste à exciter un pavé imprimé par une ligne de type coaxial dont l'âme du coaxial a été dénudée et pliée sur une partie à la perpendiculaire de la direction de la base du coaxial. La direction de la dite partie est alors parallèle au plan du pavé imprimé. Cette solution nécessite de souder un guide d'onde de type coaxial sur le circuit imprimé du module. On retrouve donc les problèmes similaires aux solutions où l'élément rayonnant et le module sont connectés. Plus précisément, l'invention concerne une antenne comportant au moins un élément rayonnant de type pavé imprimé sensiblement plan sur un substrat alimenté par au moins un module TR d'émission et/ou de réception de signaux RF, caractérisé en ce que l'élément rayonnant est excité par une ligne d'alimentation de type imprimée par couplage électromagnétique en proximité du pavé imprimé, la ligne d'alimentation est la prolongation d'une ligne du circuit imprimé du module et est contenue dans un plan, le dit plan étant perpendiculaire au plan du pavé imprimé. La ligne d'alimentation est extérieure au module TR et comporte deux segments reliés entre eux, un premier segment d'extension de la ligne en sortie du circuit imprimé et un second segment orienté à la perpendiculaire du premier segment réalisant le couplage électromagnétique, le second segment ayant une direction de ligne parallèle au plan du pavé imprimé. On utilise de préférence des pavés imprimés pour réaliser les éléments rayonnants car on obtient ainsi un encombrement de l'antenne moindre sur l'axe de direction du faisceau. De plus, la surface du plan rayonnant est mieux exploitée. La structure de l'antenne selon l'invention présente plusieurs avantages. Aucune connexion n'est nécessaire, en utilisant une excitation du pavé par couplage électromagnétique de proximité ; en particulier, des pavés de type multicouches peuvent être utilisés pour élargir la bande de fréquence de fonctionnement, sans technique complexe à mettre en oeuvre pour l'alimentation, la permittivité et l'épaisseur du substrat diélectrique utilisé à la sortie du module en prolongement de celui-ci pour exciter le pavé n'ont pas d'influence au premier ordre sur les performances du pavé (bande de fonctionnement en fréquence et couverture angulaire) et le report de l'élément rayonnant s'effectue par simple positionnement de celui-ci à proximité du module muni de son extension de ligne en L ; aucune continuité électrique n'est à réaliser , si ce n'est, de façon classique, entre les modules.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : La figure 1 représente un schéma descriptif des fonctions d'un module d'émission et de réception de l'antenne. L'invention permet au module d'exciter l'élément rayonnant par couplage électromagnétique en proximité. La figure 2 représente l'antenne et le dispositif d'alimentation de l'élément rayonnant par couplage électromagnétique en proximité. Le module d'émission et de réception de signaux RF est inséré en tiroir, c'est-à-dire que le plan du circuit imprimé du module est orthogonal au plan de l'élément rayonnant et le module est inséré le long de ce plan. La figure 3a représente une vue de face du circuit imprimé d'un module et de l'élément rayonnant excité par la ligne d'alimenté du circuit imprimé. La vue de face est définit de façon que l'observateur soit face aux lignes imprimées du circuit. La figure 3b représente une vue du circuit imprimé et de l'élément rayonnant par le côté.

Le concept présenté consiste en l'excitation d'un élément rayonnant de type pavé imprimé microstrip par couplage électromagnétique en proximité à une ligne imprimée positionnée sur sa tranche par rapport au plan du pavé, destiné à une utilisation dans une antenne à balayage électronique. Cette ligne est directement gravée en continuité du circuit imprimé utilisé en sortie du module de l'antenne à balayage électronique, et, dans une architecture d'antenne en tiroir où les modules sont montés perpendiculairement au plan rayonnant, cette ligne prend la forme d'un L , le segment horizontal du L constituant la partie utilisée pour le couplage. La description qui suit décrit l'implantation de l'invention dans une antenne active à balayage électronique d'émission et de réception mais la dite application n'est pas une limitation de l'esprit et la portée de l'invention. Il est clair qu'elle s'adresse à toute application d'antenne dont l'élément rayonnant est excité par une technique de couplage électromagnétique en proximité. La figure 1 représente un schéma du module 5 d'émission et de réception fournissant les signaux RF qui excitent l'élément rayonnant 1. Une antenne réseau est constituée de plusieurs éléments rayonnants 1 et de plusieurs modules 5. A titre d'exemple non limitatif, chaque élément rayonnant est excité par un module 5 en couplage en proximité 10. Le module 5 comporte un élément de déphasage 52 pour pointer le faisceau dans des directions autres que la normale au réseau. Afin de réduire le nombre d'éléments à réaliser, à implémenter dans le réseau et à commander, les éléments de déphasage sont fréquemment communs pour les voies d'émission et de réception. L'élément rayonnant 1 d'une voie d'émission/réception est connecté à un circulateur 56 ou un commutateur séparant la voie d'émission et la voie de réception. Un circulateur RF est un dispositif à plusieurs ports, permettant à un signal RF de circuler dans une 3o seule direction. Si on considère un circulateur avec trois ports p1, p2, p3, un signal injecté dans un port p1 est transmis au port p2 et isolé du port p3, tandis qu'un signal entrant via le port p2 est transmis au port p3 et isolé du port p1. On a ainsi un découplage des signaux émis et reçus. Le déphaseur 52 d'une voie émission/réception est fréquemment associé à un amplificateur variable 55, un système de commutateurs 53 permettant de les insérer soit dans la chaîne émission, soit dans la chaîne réception. Les amplificateurs d'émission 541 sont dimensionnés pour l'obtention de la puissance rayonnée souhaitée, les amplificateurs de réception 542 positionnés au plus près des éléments rayonnants 1 sont dimensionnés pour l'obtention d'un bruit faible dans les chaînes de réception. II est clair que l'architecture du module 5 ne limite pas l'invention et l'invention peut s'appliquer à une architecture matérielle différente que celle présentée par la figure 1. L'invention peut s'appliquer également à une antenne d'émission ou une antenne de réception de signaux RF.

La figure 2 représente le module 5 duquel est prolongée une ligne 2 du circuit imprimé dont le rôle est d'alimenter l'élément rayonnant 1 et dont la partie extérieure comporte au moins une partie en forme d'équerre. Dans notre exemple et à titre non limitatif, la ligne d'alimentation est en forme de L . Elle comporte deux segments reliés entre eux, un premier segment 21 d'extension de la ligne en sortie du circuit imprimé et un second segment 22 orienté à la perpendiculaire du premier segment réalisant le couplage électromagnétique, le second segment ayant une direction de ligne parallèle au plan du pavé imprimé. La forme de la ligne de guide d'onde en extérieur du module ne se limite pas à une forme de L . La ligne d'alimentation comporte un même plan de masse 3 que celui du circuit imprimé du module 5. L'élément rayonnant 1 comporte un plan de masse 8. Le pavé imprimé 1 est de forme rectangulaire mais cette caractéristique ne limite pas l'invention. D'autres formes géométriques d'éléments rayonnant peuvent être appliquées à l'invention selon les caractéristiques des signaux devant être émis par l'antenne. L'élément rayonnant est positionné à proximité de la ligne d'alimentation 2 pour réaliser le couplage électromagnétique avec la tranche 22 de la ligne d'alimentation 2. Avantageusement, l'antenne comporte des moyens de fixation de l'élément rayonnant au module 5 permettant d'ajuster le positionnement de l'élément rayonnant 1 par rapport à la ligne d'alimentation 2. Le montage du pavé, ou d'un groupe de pavés, à proximité de la ligne imprimée en L, ou d'un groupe de lignes imprimées, peut s'effectuer, selon les performances à obtenir et les caractéristiques électriques des matériaux diélectriques, à une position ajustée.

Dans un premier mode de mise en oeuvre, l'antenne comporte des entretoises ou des équerres, non représentée par la figure 2, supportant l'élément rayonnant 1 et son substrat et de la mousse support disposée entre le substrat de l'élément rayonnant et le module, la ligne d'alimentation étant alors intégrée en partie ou entièrement dans la mousse support. Le substrat du pavé est à une distance adéquate du plan de masse 8 et de la ligne d'alimentation 2 permettant la mise en place de la mousse support. Dans un second mode de mise en oeuvre, le substrat du pavé imprimé comporte une cavité de façon que la ligne d'alimentation soit positionnée à l'intérieur de la cavité lorsque l'élément rayonnant est fixé au module. Un troisième mode de mise en oeuvre utilise une solution combinant les deux premiers modes de mise en oeuvre de positionnement de l'élément rayonnant sur le module. L'antenne est une antenne réseau comportant plusieurs modules 5 montés en architecture dite en tiroir dans laquelle les modules sont montés perpendiculairement au plan rayonnant. Le circuit imprimé du module est positionné également à la perpendiculaire du plan rayonnant. La ligne d'alimentation 2 est directement imprimée en continuité du circuit imprimé utilisé en sortie du module 5. La ligne de guide d'onde prolongée du module correspond notamment à la sortie de ligne au niveau du circulateur 56. L'utilisation d'un pavé imprimé comme élément rayonnant permet d'obtenir un encombrement moindre de l'antenne dans l'axe d'insertion du module. La ligne imprimée du module, en mode microruban est prolongée hors du module. Le passage entre le mode de propagation dans le module, par exemple un mode microstrip , et la charge constituée par la ligne d'alimentation du pavé et le pavé lui-même peut nécessiter une adaptation 4, typiquement un changement de largeur de la piste imprimée au niveau de la sortie du module afin de garantir une bonne continuité d'impédance de ligne. Par soucis de clarté, les figures 3 ne représentent pas la structure du module et les supports de l'élément rayonnant. Les flèches en pointillées 1 o représentent de façon simplifiée les lignes de champs électromagnétiques entre la ligne d'alimentation et l'élément rayonnant. Le couplage électromagnétique s'effectue par la tranche 22 de la ligne d'alimentation 2. Le plan du circuit imprimé Cl du module est orthogonal au plan du pavé imprimé 1 car l'antenne est montée en architecture en brique .

15 Une alimentation par couplage électromagnétique en proximité permet d'utiliser aisément, sans modification de l'alimentation 10, un élément rayonnant 1 de type pavé imprimé multicouches. La ligne d'alimentation peut être dans un premier mode de mise en oeuvre de type microruban, ou dans un second mode de mise en oeuvre de type coplanaire ou dans un troisième 20 mode de mise en oeuvre de type triplaque. L'invention s'applique particulièrement aux antennes réseau comportant de multiples modules d'émission et de réception de signaux RF excitant un réseau d'éléments rayonnants. L'invention simplifie l'architecture, le montage de l'antenne ainsi que la tenue des éléments dans le temps. L'invention évite la problématique 25 de la connexion entre les éléments rayonnants et les modules pour des antennes réseau montées en tiroir . Elle s'applique aux radars mais également aux antennes de transmissions pour les applications de télécommunication.

Claims

REVENDICATIONS1. Antenne comportant au moins un élément rayonnant de type pavé imprimé (1) sensiblement plan sur un substrat alimenté par au moins un module TR (5) d'émission et/ou de réception de signaux RF, caractérisé en ce que l'élément rayonnant est excité par une ligne d'alimentation (2) de type imprimée par couplage électromagnétique en proximité (10) du pavé imprimé, la ligne d'alimentation est la prolongation d'une ligne du circuit imprimé du module (5) et est contenue dans un plan, le dit plan étant perpendiculaire au plan du pavé imprimé.
2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la ligne d'alimentation (2) est extérieure au module TR et comporte deux segments reliés entre eux, un premier segment (21) d'extension de la ligne en sortie du circuit imprimé et un second segment (22) orienté à la perpendiculaire du premier segment réalisant le couplage électromagnétique, le second segment ayant une direction de ligne parallèle au plan du pavé imprimé.
3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que la ligne d'alimentation (2) comporte au moins une partie en forme d'équerre.
4. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'antenne comporte des moyens de fixation de l'élément rayonnant au module (5) permettant d'ajuster le positionnement de l'élément rayonnant (1) par rapport à la ligne d'alimentation (2).
5. Antenne selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'antenne comporte des entretoises supportant l'élément rayonnant et son substrat et de la mousse support disposée entre le substrat de l'élément rayonnant et le module, la ligne d'alimentation étant alors intégrée en partie ou entièrement dans la mousse support.
6. Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que le substrat de l'élément rayonnant comporte une cavité de façon que la ligne d'alimentation soit positionnée à l'intérieur de la cavité lorsque l'élément rayonnant est fixé au module.
7. Antenne selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, ~o caractérisée en ce que l'élément rayonnant (1) est de type pavé imprimé multicouches.