FR2959611A1

FR2959611A1 - Element rayonnant compact a cavites resonantes.

Info

Publication number: FR2959611A1
Application number: FR1001863A
Authority: FR
Inventors: Herve Legay; Shoaib Muhammad; Ronan Sauleau; Bernard Caille
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Thales SA
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Thales SA
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2011-11-04
Anticipated expiration: 2030-04-30
Also published as: FR2959611B1; US9843099B2; EP2564466B1; ES2463772T3; WO2011134666A1; EP2564466A1; US20130207859A1

Abstract

Elément rayonnant (30, 50), par exemple pour antenne réseau, à cavités résonantes (31, 32) de type Pérot-Fabry empilées, de structure compacte, une cavité inférieure (32) étant alimentée par des moyens d'excitation (33), l'élément rayonnant (30, 50) étant caractérisé en ce que des corrugations sont formées sensiblement en dessous d'un premier plan de masse délimitant en sa partie inférieure la cavité résonante supérieure (31). Une structure d'élément rayonnant (30, 50) de compacité améliorée est également proposée, dont la cavité supérieure (31) est surmontée d'un radome polarisant (51).

Description

ELEMENT RAYONNANT COMPACT À CAVITÉS RÉSONANTES La présente invention concerne le domaine des éléments rayonnants, notamment pour les bandes de fréquences basses, plus particulièrement les bandes de fréquences se situant en dessous de la bande S, et employés dans des applications nécessitant de rayonner, de la puissance, pouvant également être utilisés dans des antennes réseau. Elle s'applique notamment aux antennes utilisées dans des satellites de télécommunication. Le terme "élément rayonnant" désigne une combinaison d'au moins un plan de masse rayonnant, de moyens d'excitation destinés à être alimentés en signaux, et d'une cavité résonante chargée, de rayonner de l'énergie représentative de ces signaux selon une longueur d'onde À0 choisie. Les éléments rayonnants utilisés dans des antennes réseau doivent typiquement présenter l'une au moins des caractéristiques suivantes : une forte efficacité de surface et/ou un faible encombrement et une faible masse et/ou la capacité à être excité de manière compacte en simple ou bi-polarisation et/ou une bande passante compatible avec l'application visée. La caractéristique de forte efficacité de surface est particulièrement importante dans des utilisations d'éléments rayonnants dans des antennes réseau, du fait qu'elle permet d'optimiser le gain et de réduire les niveaux des lobes secondaires et des lobes de réseau. Or, comme cela est explicité ci- après, cette caractéristique est difficilement compatible avec certaines des autres caractéristiques, et notamment celles de compacité et d'intégration, quelle que soit la bande de fréquence concernée. Le terme "antenne réseau" désigne aussi bien les antennes réseau actives à rayonnement direct que les antennes réseau focales, ces dernières ayant un ou plusieurs réflecteur(s) focalisant(s), avec un réseau de sources élémentaires placé dans la zone focale. Une telle géométrie d'antenne est communément désignée par le sigle FAFR correspondant à la terminologie anglaise "Focal Array Fed Reflector". Au sein d'une telle antenne, chaque faisceau ou "spot" est réalisé par le regroupement cohérent des signaux d'un sous-ensemble des sources élémentaires, avec des amplitudes et phases appropriées pour obtenir le diagramme d'antenne voulu, notamment la taille et la direction de visée du lobe principal de rayonnement.

Dans les bandes de fréquences basses, comme par exemple la bande L ou S, les éléments rayonnants, quelles que soient les applications pour lesquelles ils sont destinés, visent à suppléer les cornets, trop encombrants. Les cornets les plus compacts sont de type cornet de Potter ; ils ont une dimension longitudinale typiquement supérieure à 3Ào, où Ào est la longueur d'onde dans le vide; par exemple, À0 est de l'ordre de 150 mm en bande S. Ces cornets de Potter sont limités en ouverture rayonnante, et donc en gain. De plus grandes dimensions nécessitent des longueurs plus importantes. Par conséquent, les cornets de Potter présentent un encombrement longitudinal significatif, ainsi qu'une masse importante.

Les sous-réseaux, par exemple planaires dans le cas d'applications spatiales, ne sont également pas satisfaisants, en terme de pertes et de compatibilité à des fonctionnements à forte puissance. Un premier type de sous-réseau planaire consiste en des éléments rayonnants de type pavé, encore désignés "patches" selon la terminologie anglaise, reliés par un répartiteur triplaque. Ce répartiteur est relativement complexe et permet difficilement de réaliser un sous-réseau permettant la bipolarisation, voire un fonctionnement bi-bande. Les pertes générées dans ce réseau peuvent être également significatives. Un second type de sous-réseau, notamment décrit dans la demande de brevet français publiée sous la référence FR2767970, consiste en la combinaison d'un résonateur excitateur de type pavé et de pavés parasites qui constituent des éléments rayonnants connus sous le sigle ERDV, pour "Elément Rayonnant à Directivité Variable". Ce second type permet de s'affranchir du répartiteur, et donc de simplifier notablement sa définition, ainsi que de repolariser en circulaire les champs lorsque les pavés, ou "patches", sont chanfreinés et que la polarisation est circulaire. Mais, sa mise en oeuvre pour des ouvertures supérieures à 1,5 fois la longueur d'onde nominale de fonctionnement est complexe. Ce concept repose en outre sur une technologie de type micro-ruban qui peut être incompatible de fortes puissances.

Une simplification aux sous-réseaux du second type a été proposée. Elle consiste à remplacer, d'une part, les pavés parasites par une grille métallique réalisant une interface semi-réfléchissante facilitant l'établissement du champ électromagnétique dans la cavité, et d'autre part, le pavé excitateur par un excitateur guidé, de manière à définir une cavité de type Pérot-Fabry, comme dans le cas d'un ERDV. L'élément rayonnant est alors entièrement métallique, compatible avec des applications requérant une forte puissance, beaucoup plus simple à définir qu'un élément ERDV classique, et permet d'atteindre des ouvertures rayonnantes plus importantes qu'un élément ERDV classique. Cependant, un tel élément rayonnant possède deux inconvénients : l'obtention d'ouvertures rayonnantes de dimensions importantes nécessite des grilles de fortes réflectivités, pour que le champ électromagnétique s'établisse dans la cavité de type Pérot-Fabry. L'utilisation de ces fortes réflectivités génère un retour important du signal vers le guide d'accès, et l'adaptation de l'élément rayonnant est très délicate et valide seulement sur une bande de fréquence très étroite. D'autre part, lorsqu'une forte efficacité de surface est requise, il est alors nécessaire, pour insérer l'élément rayonnant dans une antenne réseau, de contraindre l'expansion du champ électromagnétique dans la cavité, par l'intermédiaire de parois métalliques. Ces dernières induisent une distribution non uniforme du champ dans la cavité métallique. Certes, l'utilisation de grilles à pas variable permet d'améliorer la distribution du champ en provoquant une réflexion plus importante au centre qu'en périphérie, mais alors la structure complète devient très difficile à adapter. Une solution est proposée dans la demande de brevet français publiée sous la référence FR2901062. Un des modes de réalisation qui y est présenté, décrit ci-après en détails en référence à la figure 2, comprend un empilement de deux cavités à air de type Pérot-Fabry, permettant une grande compacité, tout en conférant un fort rendement de surface ainsi qu'une compatibilité avec des signaux de forte puissance. L'empilement de deux cavités permet de relâcher le coefficient de surtension de la cavité excitatrice, et de réduire ainsi les retours dans l'accès, pour permettre une meilleure adaptation. Cependant une telle structure est propice à l'excitation de modes supérieurs, notamment générés par la discontinuité présente à l'interface des deux cavités empilées. Ces modes supérieurs nuisent au diagramme de rayonnement de l'antenne. La demande de brevet FR2901062 précitée propose de pallier ce problème par l'usage de parois latérales pour les cavités, au sein desquels sont réalisés des reliefs adéquats. Les reliefs peuvent par exemple être réalisés sous la forme de corrugations longitudinales. Néanmoins, de telles corrugations sont difficiles à réaliser, et sont relativement encombrantes. En outre, il peut s'avérer nécessaire en pratique de charger ces corrugations d'un diélectrique, ce qui rend leur réalisation plus complexe, et peut générer des problèmes dans un environnement spatial, ou dans lequel il est nécessaire de traiter des signaux de forte puissance. Enfin, il est nécessaire d'associer à des éléments rayonnants d'antennes des dispositifs de polarisation. Par exemple, les éléments rayonnants doivent pouvoir être excités en simple polarisation et/ou en bipolarisation et/ou en polarisation circulaire. D'une manière typique, dans les antennes comprenant des éléments rayonnants de type cornet, la dimension du polariseur est du même ordre de grandeur que la dimension du cornet. Ainsi, l'encombrement des antennes est fortement impacté par l'adjonction de 25 polariseurs. Un but de la présente invention est de pallier au moins les inconvénients précités, en proposant un élément rayonnant à cavités résonantes à fort rendement de surface, dont la structure est particulièrement compacte, et confère un compromis optimal entre une forte efficacité de 30 surface, un faible encombrement et une faible masse, ainsi que la capacité à être excité en simple polarisation ou en bipolarisation.

A cet effet, la présente invention a pour objet un élément rayonnant comprenant au moins deux cavités résonantes concentriques, formées par une cavité inférieure alimentée par des moyens d'excitation, et une cavité supérieure empilée sur la cavité inférieure, chacune desdites cavités résonantes étant délimitée en sa partie inférieure par un plan de masse, en sa partie latérale par une paroi latérale essentiellement cylindrique ou conique, au moins la cavité supérieure étant délimitée en sa partie supérieure par un premier capot essentiellement plan, l'élément rayonnant étant caractérisé en ce que des corrugations essentiellement de forme cylindrique et concentriques des cavités résonantes, sont formées sensiblement en dessous du premier plan de masse de la cavité résonante supérieure. Dans un mode de réalisation de l'invention, les parois latérales 15 peuvent être de forme essentiellement cylindrique. Dans un mode de réalisation de l'invention, les parois latérales peuvent être de forme essentiellement conique. Dans un mode de réalisation de l'invention, la cavité inférieure peut être également délimitée en sa partie supérieure, sensiblement au niveau de 20 la partie inférieure de la cavité supérieure, par un second capot. Dans un mode de réalisation de l'invention, les plans de masse, les capots, les parois latérales et les corrugations peuvent être essentiellement réalisées dans un matériau métallique. Dans un mode de réalisation de l'invention, les capots peuvent être 25 formés par une surface partiellement réfléchissante. Dans un mode de réalisation de l'invention, les capots peuvent être formés par une grille métallique. Dans un mode de réalisation de l'invention, les capots peuvent être formés par un matériau diélectrique. 30 Dans un mode de réalisation de l'invention, l'élément rayonnant peut être caractérisé en ce qu'un radome polarisant est réalisé en la partie supérieure de la cavité supérieure. Dans un mode de réalisation de l'invention, le radome polarisant peut être formé par deux surfaces sélectives de fréquence polarisantes dites FSS polarisantes essentiellement planes, disposées parallèlement l'une de l'autre, et parallèlement et sensiblement au-dessus dudit premier capot. Dans un mode de réalisation de l'invention, chaque FSS polarisante peut être formée par une plaque métallique comprenant une pluralité de fentes. Dans un mode de réalisation de l'invention, chaque FSS polarisante peut être formée par une plaque métallique comprenant une pluralité de cellules fentes en croix. Dans un mode de réalisation de l'invention, chaque FSS polarisante peut être formée par une plaque métallique comprenant une pluralité de cellules fentes en croix disposées selon un motif périodique sur la surface de la plaque métallique. Dans un mode de réalisation de l'invention, les parois latérales et les corrugations peuvent être cylindriques à section circulaire.

Dans un mode de réalisation de l'invention, lesdits moyens d'excitation peuvent comprendre au moins un guide d'alimentation concentrique des cavités résonantes et débouchant directement, ou via des moyens d'adaptation, dans la cavité inférieure. Dans un mode de réalisation de l'invention, lesdits moyens d'excitation peuvent comprendre au moins une alimentation double formée par deux guides d'onde latéraux débouchant de manière symétrique par rapport à l'axe principal de la cavité inférieure, sensiblement au niveau de la paroi latérale de la cavité inférieure, les signaux convoyés par les moyens d'excitation étant accordés en phase de manière à ce que les modes supérieurs indésirables soient filtrés. Dans un mode de réalisation de l'invention, lesdits moyens d'excitation peuvent comprendre au moins un guide d'alimentation concentrique des cavités résonantes et débouchant directement, ou via des moyens d'adaptation, dans la cavité inférieure, et au moins une alimentation double formée par deux guides d'onde latéraux débouchant de manière symétrique par rapport à l'axe principal de la cavité inférieure, sensiblement au niveau de la paroi latérale de la cavité inférieure, les signaux convoyés par les moyens d'excitation étant accordés en phase de manière à ce que les modes supérieurs indésirables soient filtrés. 20 25 30 7 Dans un mode de réalisation de l'invention, un radome polarisant peut être réalisé au-dessus de la cavité supérieure, le radome polarisant étant essentiellement de forme cylindrique et concentrique des cavités résonantes. Dans un mode de réalisation de l'invention, le radome polarisant peut être essentiellement de forme cylindrique à section carrée. La présente invention a également pour objet une antenne réseau caractérisée en ce qu'elle comprend un ou une pluralité d'éléments rayonnants tels que décrits ci-dessus.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description, donnée à titre d'exemple, faite en regard des dessins annexés qui représentent :

la figure 1, un élément rayonnant à cavité à air unique, de structure en elle-même connue de l'état de la technique ;

la figure 2, un élément rayonnant à empilement de deux cavités à air, de structure en elle-même connue de l'état de la technique ;

les figures 3a et 3b, un élément rayonnant selon un exemple de réalisation de l'invention, respectivement en vue en coupe latérale et en vue de dessus ;

la figure 4, un élément rayonnant selon un autre exemple de réalisation de l'invention, dans une vue en coupe latérale ;

la figure 5, un élément rayonnant selon un autre exemple de réalisation de l'invention, dans une vue en coupe latérale ;

les figures 6a et 6b, un élément rayonnant selon un autre exemple de réalisation de l'invention, respectivement dans une vue en coupe latérale, et dans une vue en perspective. 35 La figure 1 présente un élément rayonnant à cavité à air unique, de type Pérot-Fabry, selon un mode de réalisation en lui-même connu de l'état de la technique et décrit dans la demande de brevet FR2901062 précitée. Un élément rayonnant 10, présenté en vue en coupe latérale dans un plan XZ sur la figure, peut comprendre une cavité résonante à air 11 entièrement délimitée par un plan de masse 110 en sa partie inférieure situé dans un plan XY, des parois latérales 111 et un capot 112 en sa partie supérieure. L'élément rayonnant 10 comprend des moyens d'excitation 12, pouvant être alimentés en signaux radiofréquence. Les moyens d'excitation 12 peuvent notamment comprendre un accès d'alimentation, par exemple formée par un guide d'onde métallique 121 dont l'axe principal est parallèle à l'axe Z, dont une des extrémités débouche sensiblement au niveau du plan de masse 110. La cavité résonante à air 11 présente une section transverse, c'est-à- dire parallèle au plan XY, par exemple de forme carrée, circulaire, hexagonale, ou encore de toute autre forme qui soit compatible de la mise en réseau de l'élément rayonnant 10. Dans l'exemple de réalisation illustré par la figure 1, les parois latérales 111 peuvent être de type "hard surface", c'est-à-dire par exemple réalisées dans un matériau métallique, dans lequel sont formés des sillons longitudinaux disposés de part et d'autre de nervures longitudinales. Les sillons longitudinaux peuvent être remplis au moins partiellement d'un matériau diélectrique. Les sillons longitudinaux et les nervures peuvent définir une structuration longitudinale périodique. Ainsi que cela est évoqué précédemment, une telle structuration est difficile à réaliser en pratique, et présente un encombrement important. En outre la réalisation d'une telle structuration est complexifiée par la nécessité de charger d'un matériau diélectrique les sillons longitudinaux. Le capot 112 peut par exemple être réalisé dans un matériau diélectrique fin ou épais. Le matériau diélectrique peut par exemple comprendre une face dans laquelle est formée une grille métallique formant une surface semi-réfléchissante permettant d'augmenter l'excitation de la cavité résonante à air 11 par les signaux. Le matériau diélectrique peut également comprendre une face sur laquelle est formé un pavé métallique, dit "patch", ou un réseau de pavés métalliques, afin d'induire une résonance complémentaire à celle de la cavité résonante à air 11. Egalement, le capot 112 peut être réalisé dans un matériau métallique dans lequel est formée une grille métallique. La grille formée dans le capot 112 peut avantageusement présenter un pas variable dans au moins une direction choisie.

La figure 2 présente un élément rayonnant à empilement de deux cavités à air de type Pérot-Fabry, selon un mode de réalisation en lui-même connue de l'état de la technique et décrit dans la demande de brevet FR2901062 précitée. Un élément rayonnant 20 peut comporter deux cavités résonantes à air 21 et 22 concentriques mises en cascade ; une cavité supérieure 21 disposée au-dessus d'une cavité inférieure 22. Cette mise en cascade permet d'exciter par l'accès d'alimentation une cavité inférieure 22 de dimensions réduites, et ainsi de limiter l'excitation de modes supérieurs dans cette cavité inférieure 22, puis par couplage dans la cavité supérieure 21. Le rayonnement peut ainsi être mieux maîtrisé, notamment dans le cas d'éléments rayonnants 20 d'ouvertures larges. Elle permet également de réduire les réflectivités des capots 212 et 222, et donc de coupler plus efficacement l'élément rayonnant 20 à l'accès d'alimentation. Les pertes par réflexion dans le guide d'accès sont réduites, et ainsi l'adaptation de l'impédance d'entrée de l'élément rayonnant 20 est facilitée. La cavité supérieure 21 présente sensiblement la même structure que la cavité inférieure 22. D'une manière similaire à la structure à une cavité décrite précédemment en référence à la figure 1, l'élément rayonnant 20 comprend des moyens d'excitation 12, ceux-ci étant aptes à alimenter la cavité inférieure 22. La section transverse de la cavité supérieure 21 est supérieure à celle de la cavité inférieure 22. La cavité supérieure 21 est délimitée dans le plan XY par une première paroi latérale 211, et couverte en sa partie supérieure par un premier capot 212. La première paroi latérale 211 peut être solidarisée à un premier plan de masse 210, par exemple formé sur la surface inférieure d'un premier substrat SBT. De la même manière, la cavité inférieure 22 est délimitée par une seconde paroi latérale 221 et couverte par un second capot 222. La seconde paroi latérale 221 peut être solidarisée à un second plan de masse 220, pouvant être formé sur la surface inférieure d'un second substrat SBT'. Le premier 212 et la première paroi latérale 211 peuvent être réalisés selon la configuration décrite précédemment en référence à la figure 1. Le premier substrat SBT et le premier plan de masse 210 peuvent comporter une ouverture traversante apte à loger le second capot 222 de la cavité inférieure 22. Ainsi que cela est illustré par la figure 2, les capots 212 et 222 peuvent chacun comporter une grille métallique 213, 223, plus généralement ceux-ci peuvent comporter des surfaces partiellement réfléchissantes. Les exemples de réalisation de la présente invention décrits en détail ci-après en référence aux figures suivantes, s'appliquent à une structure comprenant au moins deux cavités résonantes empilées, cependant ceux-ci peuvent également s'appliquer à des structures comprenant un empilement d'une pluralité de cavités résonantes à air. La présente invention propose de ne pas recourir aux parois latérales des cavités résonantes pour pallier les problèmes liés aux modes supérieurs électromagnétiques.

Les figures 3a et 3b présentent un élément rayonnant selon un exemple de réalisation de l'invention, respectivement en vue en coupe latérale et en vue de dessus. Dans l'exemple illustré par la figure 3a, un élément rayonnant 30 présenté en coupe dans le plan XZ, peut comprendre une cavité supérieure 31 pouvant être concentrique d'une cavité inférieure 32, la cavité supérieure 31 étant empilée sur la cavité inférieure 32, d'une manière similaire à l'exemple décrit précédemment en référence à la figure 2. II est à noter que les cavités 31, 32 sont essentiellement cylindriques dans les modes de réalisation donnés à titres d'exemples et décrits par les figures. Des modes de réalisation alternatifs peuvent également comprendre des cavités 31, 32 de forme essentiellement conique. La cavité inférieure 32 peut être alimentée par des moyens d'excitation, par exemple un guide d'onde métallique 33, de forme cylindrique dans l'exemple illustré par la figure. La cavité supérieure 31 peut être délimitée en sa partie supérieure par un premier capot 312, en sa partie latérale par une première paroi latérale 311, et en sa partie inférieure par un premier plan de masse 310. De la même manière, la cavité inférieure 32 peut être délimitée en sa partie supérieure par un second capot 322, en sa partie latérale par une seconde paroi latérale 312, et en sa partie inférieure par un second plan de masse 320. Les plans de masse 310, 320 peuvent par exemple être réalisés dans un matériau métallique. Egalement, les parois latérales 311, 321 peuvent être réalisées dans un matériau métallique, et être exemptes de diélectriques et/ou de reliefs. Une ouverture peut être réalisée dans le premier plan de masse 310, de surface correspondant sensiblement à la surface de la cavité inférieure 32 dans le plan XY, ladite ouverture laissant place au second capot 322. Les capots 312, 322 peuvent être formés par des surfaces partiellement réfléchissantes, par exemple par des grilles 313, 323. Par exemple pour des applications nécessitant un rayonnement suivant une seule polarisation, les grilles 313, 323 peuvent être des grilles unidimensionnelles, telles que des réseaux de fils, les fils étant alignés avec la polarisation d'excitation. Dans des applications nécessitant un rayonnement en double polarisation, les grilles 313, 323 doivent avoir des caractéristiques de réflectivité identiques pour les deux polarisations d'excitation, ce sont donc des grilles bidimensionnelles, dont il n'est pas nécessaire que l'alignement corresponde à celui des polarisations d'excitation. Le guide d'onde 33 peut par exemple déboucher à fleur du fond de la cavité inférieure 32, ou bien déboucher dans la cavité inférieure 32, en dépassant légèrement du fond de celle-ci. Egalement, il peut être envisagé de faire recours à des moyens d'adaptation, par exemple par iris. Dans un mode de réalisation alternatif, non représenté sur les figures, il est également possible de former des moyens d'excitation par alimentations doubles par le côté, respectivement pour des applications requérant une simple polarisation ou une polarisation multiple. Egalement, une excitation en polarisation double peut être obtenue par une alimentation par le dessous telle que décrite ci-dessus, conjointement à une alimentation double par le côté. Les alimentations doubles débouchent à l'orthogonale de la surface latérale de la cavité inférieure 32, et à l'opposé l'une de l'autre par rapport à l'axe principal. Dans ces divers modes de réalisation, chaque alimentation double est associée à un unique accès par exemple au moyen d'un répartiteur adéquat, et toutes les alimentations sont excitées de manière cohérente, de sorte que les excitations des modes supérieurs indésirables soient filtrées. De telles structures permettent d'utiliser l'élément rayonnant pour des applications nécessitant une polarisation double. Selon une particularité de la présente invention, des corrugations 300 peuvent être formées, sensiblement en dessous du premier plan de masse 310. Les corrugations 300 peuvent être réalisées dans un matériau métallique, et peuvent être de forme cylindrique, concentriques des cavités résonantes 31, 32. Dans l'exemple illustré par les figures 3a et 3b, deux corrugations 300 cylindriques sont représentées. Dans des modes de réalisation alternatifs, une corrugation cylindrique peut être envisagée. Egalement, plus de deux corrugations cylindriques peuvent être disposées sous la cavité résonante supérieure 31 ; il peut être avantageux dans un tel cas de recourir à une pluralité de corrugations 300 disposées de manière périodique, c'est-à-dire que l'écartement entre deux corrugations concentriques voisines demeure constant. D'une manière générale, il est nécessaire de recourir à un plus grand nombre de corrugations 300, si la taille latérale de la cavité résonante supérieure 31 est plus grande. La position d'une corrugation 300 peut par exemple être caractérisée par sa distance rc par rapport à l'axe principal de l'élément rayonnant 30. Le dimensionnement des corrugations 300 peut être caractérisé par leur hauteur Ic, leur épaisseur dc. Dans le cas où plusieurs corrugations 300 concentriques disposées de manière périodique sont utilisées, l'écartement entre des corrugations voisines peut être caractérisé par la période ac. La hauteur le des corrugations 300 permet un contrôle de la bande de fréquence où le mode supérieur est supprimé. Il est par exemple avantageux 35 de choisir la hauteur le de l'ordre du quart de la longueur d'onde nominale Ào de fonctionnement de l'élément rayonnant 30, cette valeur permettant une suppression du mode supérieur. La position des corrugations, c'est-à-dire la valeur rc, permet d'optimiser la symétrie axiale du diagramme de rayonnement de l'élément rayonnant 30, c'est-à-dire la similarité, souhaitée, entre les diagrammes de rayonnement dans le plan E et dans le plan H de l'onde éléctromagnétique rayonnée. II peut être avantageux de choisir la valeur rc de l'ordre de la longueur d'onde nominale À0. Dans un exemple typique, il est par exemple possible de réaliser un élément rayonnant 30 destiné à fonctionner dans une bande de fréquence s'étalant de 2,48 GHz à 2,5 GHz, dont la cavité supérieure 31 est de forme cylindrique à section circulaire, d'un diamètre de l'ordre de 2,5xÀo, comportant une unique corrugation 300 cylindrique à section circulaire, disposée à 118 mm de l'axe principal de l'élément rayonnant 30, d'une hauteur de 31 mm et d'une largeur de 3.7 mm. Le diamètre de la cavité inférieure 32 peut par exemple être inférieur à la moitié du diamètre de la cavité supérieure 31. Dans cet exemple typique, il est de l'ordre de 1À0. Une telle configuration permet d'atteindre un diagramme de rayonnement parfaitement axisymétrique, c'est à dire dont la largeur du lobe est constante quelque soit le plan d'observation, et également caractérisé par un niveau de lobe secondaire ou SLL inférieur à -20 dB. En outre, il possède des performances telles qu'une variation de directivité comprise entre 16 dB et 16,2 dB, une variation de l'efficacité de surface comprise entre 60% et 63%, un coefficient de réflexion IS11I inférieur à -25 dB. En comparaison, un élément rayonnant de structure similaire ne comportant pas de corrugation est caractérisé par un diagramme de rayonnement non axisymétrique, avec un pincement du lobe dans le plan E associé à une remontée des lobe secondaire ou SLL, typiquement entre -13 et -10 dB dans la bande de fonctionnement.

Ainsi que cela est illustré par la figure 3b, les cavités 31, 32, ainsi que les corrugations 300 peuvent être cylindriques de section circulaire. D'autres modes de réalisations de l'invention, non représentés dans les figures, peuvent par exemple comporter des cavités 31, 32 et/ou des corrugations 300 cylindriques de section non circulaire, par exemple de section carrée, rectangulaire, hexagonale, etc. Les réflectivités des surfaces partiellement réfléchissantes 313, 323 formées par les capots 312, 322 des cavités 31, 32 peuvent être ajustées afin d'obtenir des bandes d'adaptation et de rayonnement concomitantes. La cavité inférieure 32 peut être choisie de dimension plus réduite que la cavité supérieure 31. Par exemple, les surfaces partiellement réfléchissantes 313, 323 peuvent être formées par des grilles, et la réflectivité de la grille associée à la cavité inférieure 32 peut être de faible valeur, dans le but d'obtenir une bonne adaptation. La réflectivité de la cavité supérieure 31 peut être de valeur plus élevée, dans le but d'étaler le champ sur l'ouverture de l'élément rayonnant, et d'atteindre de fortes directivités. Des valeurs peuvent être données ici à titre d'exemple non limitatif de réalisation de l'invention : il est par exemple possible de réaliser un élément rayonnant 30 bande Ku de simple polarisation linéaire, avec corrugation 300, destiné à opérer dans une bande de fréquence s'étalant de 11,8 à 13,2 GHz, dont l'ouverture est de l'ordre de 1,85)(4, dont l'épaisseur, c'est-à-dire l'épaisseur cumulée des deux cavités résonantes 31, 32, est de l'ordre de À0, dont les capots 312, 322 sont respectivement formés par des grilles semi- réfléchissantes respectivement de coefficients de réflectivités (en puissance) égaux à 20% et à 30%. Une telle configuration permet d'atteindre un diagramme de rayonnement axisymétrique et caractérisé par un niveau de lobe secondaire ou SLL inférieur à -18 dB. En outre, il possède des performances telles qu'une variation de directivité comprise entre 14,59 dB et 15,39 dB, une variation de l'efficacité de surface comprise entre 71,9% et 77,6%, ainsi qu'un coefficient de réflexion IS11I inférieur à -15,5 dB. En comparaison, un élément rayonnant de structure similaire ne comportant pas de corrugation est principalement différent en ce que le diagramme de rayonnement est non axisymétrique, et se caractérise par un pincement du lobe dans le plan E associé à une remontée des lobe secondaire ou SLL, typiquement entre -13 et -10 dB dans la bande de fonctionnement.

La figure 4 présente un élément rayonnant selon un autre exemple de réalisation de l'invention, dans une vue en coupe latérale. Dans l'exemple de 35 réalisation illustré par la figure 4, un élément rayonnant 30 peut être réalisé suivant une structure identique à la structure décrite ci-dessus en référence aux figures 3a et 3b, mais dans laquelle la cavité inférieure 32 ne comprend pas de capot. Une telle structure d'élément rayonnant ne comporte qu'une seule grille 313, et partant est plus simple et moins coûteuse à réaliser. La suppression de la grille dans la cavité inférieure 32 est en effet possible car la seule brusque transition entre la cavité inférieure 32 et la cavité supérieure 31 génère un phénomène de réflexion, une cavité résonante inférieure étant alors définie sans qu'une grille métallique ne soit nécessaire. Une telle structure est par exemple appropriée pour des ouvertures de l'élément rayonnant allant de 1 à 3 À0, par exemple pour des applications en bandes S ou Ku, la configuration étant donnée précédemment à titre d'exemple correspondant à une application en bande Ku.

Ainsi que cela est évoqué précédemment, il est avantageusement possible de conférer à un élément rayonnant selon l'invention, une plus grande compacité, en s'affranchissant de l'encombrement additionnel imposé par un dispositif de polarisation ou polariseur. La figure 5 présente un exemple de réalisation avantageux, dans lequel un polariseur est intégré à la structure-même de l'élément rayonnant.

En référence à la figure 5, un élément rayonnant 50 représenté dans une vue en coupe latérale dans un plan XZ, peut être réalisé selon une structure similaire aux structures de l'élément rayonnant 30 décrites précédemment en référence aux figures 3a, 3b et 4. Dans l'exemple illustré par la figure 5, une structure similaire à la structure illustrée par la figure 4 est choisie. L'élément rayonnant 50 comprend ainsi notamment une cavité inférieure 32 alimentée par des moyens d'excitation formés par un guide d'onde 33. La cavité supérieure 31 est couverte par un capot formé par une grille 313 constituant une surface partiellement réfléchissante. Dans l'exemple illustré par la figure, une corrugation simple est réalisée sensiblement sous la cavité supérieure 31. Selon une particularité du mode de réalisation illustré par la figure 5, un radome polarisant 51 peut être réalisé dans la partie supérieure de la cavité supérieure 31. Le radome polarisant 51 peut être formé par l'association d'au moins deux surfaces sélectives en fréquence polarisantes, désignée FSS polarisantes selon la terminologie anglaise "Frequency Selective Surface". Un radome polarisant est en lui-même connu de l'état de la technique, et permet d'induire une différence de phase entre les deux composantes du champ électrique Ex et Ey de l'onde électromagnétique. Lorsque cette différence de phase est ±90°, le radôme polarisant 51, excité en polarisation linéaire selon une direction oblique dans le plan XY, c'est-à-dire à +45° par rapport à l'axe X, génère une polarisation circulaire droite, et excité en polarisation linéaire selon une direction de -45°, génère une polarisation circulaire gauche. II est à observer que le radome polarisant 51 transforme un fonctionnement de type double polarisation linéaire en fonctionnement de type double polarisation circulaire. Dans l'exemple non limitatif illustré par la figure 5, le radome polarisant 51 peut être de type "double-FSS", et comprendre deux FSS polarisantes 511 et 512 disposées parallèlement l'une au-dessus de l'autre, et séparées d'une distance DFSS. La FSS inférieure 512 est disposée parallèlement à la grille 313, à une distance D3 de cette dernière. Une configuration de type double FSS permet l'obtention d'une bande passante plus large, et une transmission du signal sans perte, la transmission du signal n'induisant pas un retour vers la cavité supérieure 31. Il n'est pas possible d'obtenir avec un radôme polarisant simple couche une transmission sans pertes, et un déphasage de 90° selon les deux composantes Ex et Ey du signal incident. D'une manière typique, les deux FSS polarisantes 511 et 512 sont identiques et séparées d'une demi-longueur d'onde guidée, dans le but d'obtenir simultanément une transmission sans perte du signal incident, et un retard en quadrature de phase entre les deux composantes orthogonale du signal transmis. Le radôme polarisant 51 est positionné au dessus de l'élément rayonnant 50 conçu pour rayonner en double polarisation linéaire, à une distance typiquement de l'ordre d'un quart de longueur d'onde guidée. Ainsi, le radome polarisant 51 ne perturbe pas fondamentalement le fonctionnement de l'élément rayonnant 50. Une légère modification des dimensions des motifs de la FSS peuvent être ajustés dans le but d'affiner le rayonnement et l'adaptation de l'élément rayonnant 50.

Les FSS polarisantes peuvent être de type inductif ou capacitif : les 35 FSS polarisantes de type inductif étant essentiellement formées par des surfaces métalliques dans lesquelles des motifs définis par des fentes sont réalisés, les FSS polarisantes de type capacitif étant essentiellement formées par des surfaces sur lesquelles des motifs métalliques sont réalisés. L'usage de FSS de type inductif peut s'avérer avantageux, car il ne nécessite pas l'usage d'un substrat, les FSS pouvant être alors directement réalisées en un matériau métallique. Chaque FSS polarisante 511, 512 peut par exemple être réalisée sous la forme d'une plaque métallique munie de fentes. Par exemple, pour des applications requérant une excitation en bipolarisation ou en polarisation circulaire, des cellules fentes en croix 520, désignées cellules "cross slots" selon la terminologie anglaise, peuvent être disposées sur la plaque métallique, par exemple suivant un motif périodique. Une cellule fente en croix 520 est représentée en vue de dessus sur la figure 5. La cellule fente en croix 520 est notamment caractérisée par la longueur de son côté, ou période a, par la longueur et la largeur, respectivement ay et dy de la fente horizontale (c'est-à-dire selon l'axe X), ainsi que par la longueur et la largeur ax et dx de la fente verticale (selon l'axe Y). II est possible d'obtenir une différence de phase entre les deux composantes de champ Ex et Ey en choisissant des fentes horizontales et verticales de tailles différentes. La réflectivité selon une polarisation donnée est ajustée en faisant varier la longueur de la fente perpendiculaire à cette polarisation. Sachant que la réflectivité de la fente est nulle à la résonance, et que avant sa résonance la fente présente un coefficient de réflexion de phase négative et après la résonance une phase positive, les fentes en croix ont des longueurs différentes selon chacune des deux polarisations de façon à créer un déphasage de 90° entre les deux polarisations, et ainsi générer une polarisation circulaire. Par exemple, les longueurs ax et ay des fentes peuvent être déterminées afin que l'une des fentes ait une action sur des fréquences inférieures à la fréquence de résonance, et l'autre fente pour des fréquences supérieures. De la sorte, il est possible d'obtenir pour le radome polarisant constitué de deux FSS séparés par exemple d'une distance DFss égale à X0/2 ou voisine de cette valeur, une différence de phase de 90° en transmission entre les composantes Ex et Ey. Par exemple, il est possible de fixer la longueur ax de la fente verticale à une valeur inférieure à À0/2, et la longueur ay de la fente horizontale à une valeur supérieure à X0/2. Il est bien sûr réciproquement possible de fixer la longueur ay de la fente horizontale à une valeur inférieure à À0/2, et la longueur ax de la fente verticale à une valeur supérieure à À0/2. La période a doit être fixée à une valeur supérieure à ax et à ay. Les largeurs de fentes dx et dy sont ajustées en fonction de l'épaisseur de la plaque métallique. D'une manière typique, les largeurs des fentes dx et dy sont choisies bien inférieures à la longueur d'onde nominale À0. L'exemple de réalisation précité se fonde sur des cellules fentes en croix 520 agencées selon une maille carrée, mais il est également possible de recourir à des cellules agencées selon une maille différente, par exemple ronde, 1 o hexagonale, ... Egalement, des motifs autres que des croix peuvent être utilisés, par exemple des fentes annulaires, ou des fentes de type Croix de Jérusalem, etc.

15 Il est avantageusement possible de recourir à un radome polarisant qui ne soit pas directement intégré à la cavité supérieure, comme dans l'exemple de réalisation décrit ci-dessus en référence à la figure 5. Les figures 6a et 6b présentent un élément rayonnant selon un autre exemple de réalisation de l'invention, respectivement dans une vue en coupe latérale, et 20 dans une vue en perspective. Dans l'exemple illustré par les figures 6a et 6b, un élément rayonnant 60 peut présenter une structure essentiellement similaire à la structure de l'élément rayonnant 50 décrit ci-dessus en référence à la figure 5. Ainsi, l'élément rayonnant 60 comprend notamment une cavité supérieure 31, une 25 cavité inférieure 32 alimentée par un guide d'onde 33. La cavité supérieure 31 est dans cet exemple couverte par un capot formé par une grille 313. Des corrugations 300 sont réalisées sensiblement en dessous de la cavité supérieure 31. Dans l'exemple illustré par les figures 6a et 6b, les parois latérales des cavités supérieure et inférieure 31, 32 sont de forme 30 cylindrique, à section circulaire. Un radome polarisant 61 est réalisé au-dessus de la cavité supérieure 31. Dans cet exemple, le radome polarisant 61 est également de forme cylindrique, mais à section carrée. Ainsi que cela est illustré par la figure 6b, le radome polarisant 61 est délimité en sa partie latérale par des parois latérales de forme sensiblement cylindrique, à section 35 carrée. L'usage d'une section carrée permet ici de disposer un plus grand nombre de cellules fentes à croix 620 de forme carrée sur la surface de FSS polarisantes 611, 612 formées par deux plaques métalliques disposées parallèlement l'une de l'autre.

Dans un exemple typique, il est possible de réaliser un élément rayonnant destiné à fonctionner dans une bande de fréquence s'étalant de 2,48 GHz à 2,5 GHz, dont le radome polarisant 61 est de forme carrée dont le côté a une longueur de l'ordre de 2,7xÀo. Une telle configuration permet d'atteindre la double polarisation circulaire, c'est-à-dire droite et gauche en excitant l'antenne par deux polarisations linéaires +45° à -45°. Dans les deux cas, les diagrammes de rayonnement sont parfaitement axisymétriques, c'est-à-dire que la largeur du lobe est constante quel que soit le plan d'observation, et également caractérisés par un niveau de lobe secondaire ou SLL inférieur à -25 dB. En outre, sur la bande de fréquences mentionnée plus haut, pour les deux polarisations, la directivité varie entre 16,5 dB et 16,7 dB, et l'efficacité de surface est comprise entre 63% et 66%. Le coefficient de réflexion IS11I est inférieur à -20 dB et le rapport axial inférieur à 1 dB sur la bande d'intérêt. t

Claims

REVENDICATIONS1- Elément rayonnant (30) comprenant au moins deux cavités résonantes (31, 32) concentriques, formées par une cavité inférieure (32) alimentée par des moyens d'excitation (12, 33), et une cavité supérieure (31) empilée sur la cavité inférieure, chacune desdites cavités résonantes (31, 32) étant délimitée en sa partie inférieure par un plan de masse (310, 320), en sa partie latérale par une paroi latérale (311, 321), au moins la cavité supérieure (31) étant délimitée en sa partie supérieure par un premier capot (313) essentiellement plan, l'élément rayonnant (30) étant caractérisé en ce que des corrugations (300) essentiellement de forme cylindrique et concentriques des cavités résonantes (31, 32), sont formées sensiblement en dessous du premier plan de masse (310) de la cavité résonante supérieure (31).
2- Elément rayonnant (30) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi latérale (311, 321) est de forme essentiellement cylindrique.
3- Elément rayonnant (30) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi latérale (311, 321) est de forme essentiellement conique. 25
4- Elément rayonnant (30) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cavité inférieure (32) est également délimitée en sa partie supérieure, sensiblement au niveau de la partie inférieure de la cavité supérieure, par un second capot (323). 30
5- Elément rayonnant (30) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plans de masse (310, 320), les capots (313, 323), les parois latérales (311, 321) et les corrugations (300) sont essentiellement réalisées dans un matériau 35 métallique.20
6- Elément rayonnant (30) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les capots (313, 323) sont formés par une surface partiellement réfléchissante.
7- Elément rayonnant (30) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les capots (313, 323) sont formés par une grille métallique. 10
8- Elément rayonnant (30) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les capots (313, 323) sont formés par un matériau diélectrique.
9- Elément rayonnant (30, 50) selon l'une quelconque des 15 revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un radome polarisant (51) est réalisé en la partie supérieure de la cavité supérieure (31).
10- Elément rayonnant (30, 50) selon la revendication 9, caractérisé en ce que le radome polarisant (51) est formé par deux surfaces 20 sélectives de fréquence polarisantes dites FSS polarisantes (511, 512) essentiellement planes, disposées parallèlement l'une de l'autre, et parallèlement et sensiblement au-dessus dudit premier capot (313).
11- Elément rayonnant (30, 50) selon la revendication 10, 25 caractérisé en ce que chaque FSS polarisante (511, 512) est formée par une plaque métallique comprenant une pluralité de fentes.
12- Elément rayonnant (30, 50) selon la revendication 10, caractérisé en ce que chaque FSS polarisante (511, 512) est formée 30 par une plaque métallique comprenant une pluralité de cellules fentes à croix (520).
13- Elément rayonnant (30, 50) selon la revendication 10, caractérisé en ce que chaque FSS polarisante (511, 512) est formée 35 par une plaque métallique comprenant une pluralité de cellules fentes à5croix (520) disposées selon un motif périodique sur la surface de la plaque métallique.
14- Elément rayonnant (30, 50) selon l'une quelconque des revendications 1 à 2 ou 4 à 13, caractérisé en ce que les parois latérales (311, 321) et les corrugations (300) sont cylindriques à section circulaire.
15- Elément rayonnant (30, 50) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens d'excitation (12, 33) comprennent au moins un guide d'alimentation (33) concentrique des cavités résonantes (31, 32) et débouchant directement, ou via des moyens d'adaptation, dans la cavité inférieure (32).
16- Elément rayonnant (30, 50) selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que lesdits moyens d'excitation (12, 33) comprennent au moins une alimentation double formée par deux guides d'onde latéraux débouchant de manière symétrique par rapport à l'axe principal de la cavité inférieure (32), sensiblement au niveau de la paroi latérale (321) de la cavité inférieure (32), les signaux convoyés par les moyens d'excitation étant accordés en phase de manière à ce que les modes supérieurs indésirables soient filtrés.
17- Elément rayonnant (30, 50) selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que lesdits moyens d'excitation (12, 33) comprennent au moins un guide d'alimentation (33) concentrique des cavités résonantes (31, 32) et débouchant directement, ou via des moyens d'adaptation, dans la cavité inférieure (32), et au moins une alimentation double formée par deux guides d'onde latéraux débouchant de manière symétrique par rapport à l'axe principal de la cavité inférieure (32), sensiblement au niveau de la paroi latérale (321) de la cavité inférieure (32), les signaux convoyés par les moyens d'excitation étant accordés en phase de manière à ce que les modes supérieurs indésirables soient filtrés.
18- Elément rayonnant (30, 60) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'un radome polarisant (61) est réalisé au-dessus de la cavité supérieure (31), le radome polarisant (61) étant essentiellement de forme cylindrique et concentrique des cavités résonantes (31, 32).
19- Elément rayonnant (30, 60) selon la revendication 18, caractérisé en ce que ledit radome polarisant (61) est essentiellement ~o de forme cylindrique à section carrée.
20- Antenne réseau caractérisée en ce qu'elle comprend un ou une pluralité d'éléments rayonnants (30, 50, 60) selon l'une quelconque des revendications précédentes.