FR2969832A1 - Cellule rayonnante a deux etats de phase pour reseau transmetteur - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne une cellule rayonnante à deux états de phase convenant pour un réseau transmetteur apte à transmettre des signaux hyperfréquences, la cellule comprenant une première antenne (201) et une deuxième antenne (202) disposées de part et d'autre d'un ensemble (204) comportant deux couches de substrat (204', 204") séparées par un plan de masse (203), la deuxième antenne (202) comprenant un élément conducteur apte à rayonner (221, 222), la cellule comprenant au moins deux moyens de commutation (231, 232), lesdits moyens comportant chacun un état passant et un état bloqué entre deux accès, dont un desdits accès est connecté au deuxième élément rayonnant, lesdits moyens de commutation étant commandés en opposition. L'invention s'applique notamment à la réalisation de réseaux transmetteurs mettant en œuvre plusieurs cellules configurables pour contrôler le diagramme de rayonnement.
Description
Cellule rayonnante à deux états de phase pour réseau transmetteur
La présente invention concerne une cellule rayonnante à deux états de phase et apte à réaliser une antenne réseau ou une antenne lentille. Elle s'applique notamment à la réalisation de réseaux transmetteurs mettant en oeuvre plusieurs cellules configurables pour contrôler le diagramme de rayonnement de l'antenne.
Les antennes réseaux transmetteurs, parfois désignées par l'appellation anglo-saxonne « transmit-array antenna » sont communément 1 o utilisées dans le domaine de fréquence 1-100 GHz pour focaliser un rayonnement ; pour cette raison, elles sont donc également souvent appelées antennes lentille discrète (ou « discrete-lens antenna » en anglais). Un tel type d'antennes réseau comprend un grand nombre de cellules rayonnantes individuelles aptes à recevoir un champ 15 électromagnétique sur une face et de le transmettre sur la face opposée avec une atténuation minimale et un déphasage connu. Ce type d'antennes est généralement connu pour former un projecteur d'onde transformant à leur sortie les propriétés de l'onde se présentant à leur entrée. Comme illustré en figure 1, un exemple d'une antenne réseau est 20 donné qui comprend une surface de réception 111 qui est généralement éclairée par une ou plusieurs sources primaires 101, l'autre surface 112, appelée également surface de transmission constituant l'ouverture rayonnante de l'antenne. Les deux surfaces 111 et 112 sont séparées généralement par un 25 dispositif de déphasage 113 pour permettre la modification de la phase et de la direction du rayonnement émis par la ou les source(s) primaire(s). Le réseau antennaire fonctionne de manière identique en émission ou réception tant que le réseau ne contient pas d'élément non réciproque tel qu'un amplificateur ou certains composants magnétiques. 30 Dans le cas contraire, le réseau antennaire est conçu pour fonctionner exclusivement soit en émission, soit en réception. Les réseaux transmetteurs largement répandus et utilisés dans des applications militaires et/ou systèmes de communication grand public, comportent de multiples avantages, notamment : - l'efficacité énergétique aux fréquences micro-ondes élevées (de l'ordre de plusieurs GHz) et au-delà grâce à la transmission par rayonnement dans l'air entre la source primaire et les cellules de déphasage; ^ la simplicité et coût de réalisation pour des réseaux comprenant un grand nombre d'éléments (plusieurs centaines et au-delà) correspondant à des antennes très directives ; - un encombrement, une masse, et un coût de réalisation réduits grâce au fait que ces réseaux sont réalisés en technologie planaire, généralement sur circuit imprimé ; - un diagramme de rayonnement pourvu d'une bonne pureté de polarisation grâce à la structure de réseau d'antennes élémentaires dont les imperfections peuvent se compenser mutuellement et permettre de générer un faisceau en polarisation linéaire ou circulaire très pure ; - une bonne qualité du diagramme de rayonnement au niveau de la forme du faisceau et des lobes secondaires grâce à la position de la source primaire située dans la direction opposée à la direction du faisceau principal généré par le réseau.
Pour étendre les possibilités offertes par ces réseaux transmetteurs, des systèmes sous une forme compacte, efficaces et peu complexes ont été conçus mais dont le faisceau (ou la phase/direction de rayonnement) en sortie est fixe. Cependant, des recherches ont été menées pour permettre d'avoir des systèmes dont on peut contrôler le déphasage en transmission de manière électronique afin de contrôler le diagramme de rayonnement de l'antenne et ainsi dépointer le faisceau et/ou modifier sa forme. Plusieurs techniques ont été proposées à ces fins. Par exemple, une cellule reconfigurable (non symétrique) utilisant comme antennes des fentes rayonnantes perpendiculaires l'une à l'autre et situées de part et d'autre d'un assemblage de deux substrats a été proposée dans la demande de brevet internationale référencée sous le numéro de publication WO2009023551. Des résonateurs en tronçons disposés entre les deux fentes permettent d'assurer un couplage électromagnétique entre ces deux fentes, et des interrupteurs placés en différents points de ces résonateurs permettent de sélectionner un mode de couplage parmi quatre modes possibles, chaque mode correspondant à des phases de transmission différentes de 90° l'une de l'autre. Les résonateurs de cette structure forment un filtre, chaque tronçon de ces résonateurs forme un circuit résonnant couplé à une antenne à fente. En actionnant les interrupteurs, on modifie la fréquence de résonance de la structure complète. Cette cellule permet donc de générer quatre états de phase avec de faibles pertes de transmission. 1 o Toutefois, un inconvénient de cette cellule est sa faible bande passante (de l'ordre de quelques pourcents), qui est une conséquence directe de l'utilisation de la technique de couplage, lequel repose sur des résonateurs ayant nécessairement une dispersion fréquentielle de phase importante. 15 Une autre technique, sous la forme d'un réseau transmetteur séparant complètement les deux antennes et le circuit de déphasage a été proposée dans A. Munoz-Acevedo, P. Padilla, M. Sierra-Castaner, "Ku band Active transmitarray based on microwave phase shifters," European Conference on Antennas and Propagation, 2009. Cette approche permet 20 d'utiliser un circuit de déphasage couvrant toute la gamme de 360°de phase possible. Cependant, la réalisation d'un tel réseau transmetteur est complexe car il requiert des déphaseurs non intégrés, donc de grandes dimensions, et connectés perpendiculairement au plan des antennes. 25 Il est également connu de J.Y. Lau, S.V. Hum, "A low-cost reconfigurable transmitarray element," IEEE AP-S Int. Symp., 2009, une cellule reconfigurable comportant deux antennes patch séparées par un plan de masse et couplés par une fente, dite fente de couplage, pratiquée dans le plan de masse. Chaque antenne patch est séparée en deux parties par une 30 fente médiane. Des diodes à capacité variable sont placées sur ces fentes ainsi que sur la fente de couplage. En commandant la tension de polarisation de ces diodes, la fréquence de résonance des patchs et de la fente de couplage varie ainsi que la phase de transmission sur une gamme pouvant atteindre 360°.
L'avantage principal de cette solution est de permettre une variation continue de la phase de transmission sur une gamme importante proche de 360 °. Toutefois, les résultats expérimentaux ont fait apparaître plusieurs 5 inconvénients : - un niveau de perte important de l'ordre de 3 dB et variant de manière significative en fonction de la phase de transmission ; - une faible bande passante due à l'utilisation de résonateurs ; - un nombre de composants élevé et des moyens de commande 1 o complexes des composants, les lignes de commandes devant être connectées aux éléments rayonnants ce qui, de surcroît, induit des perturbations significatives.
Un but de l'invention est de proposer une cellule rayonnante à 15 large bande passante définie à -3dB de transmission par rapport à la fréquence nominale de la cellule, par exemple de l'ordre de 150/0 ou 20°/O, et qui peut être intégrée dans un réseau transmetteur dont le diagramme de rayonnement est configurable. A cet effet, l'invention a pour objet une cellule rayonnante pour 20 former une antenne intégrable dans un réseau et apte à transmettre des signaux hyperfréquences, la cellule comprenant un premier élément rayonnant et un deuxième élément rayonnant disposés de part et d'autre d'un plan de masse , le deuxième élément rayonnant comprenant au moins une surface conductrice apte à rayonner caractérisée en ce qu'elle comprend 25 au moins un premier et un deuxième moyens de commutation, lesdits moyens comportant chacun un état passant et un état bloqué entre deux accès, dont un desdits accès est connecté au deuxième élément rayonnant, lesdits moyens de commutation étant commandés en opposition pour que lorsque ledit premier moyen de commutation est à l'état passant, ledit 30 deuxième moyen soit à l'état bloqué, ces premier et deuxième moyens de commutation étant en outre commandés pour que le courant circulant dans la surface conductrice soit en opposition de phase selon que le premier moyen de commutation est à l'état passant ou que le deuxième moyen de commutation est à l'état passant.
Selon une variante de l'invention, le deuxième élément rayonnant comprend des première et deuxième surfaces disjointes et isolées l'une de l'autre électriquement. Selon une variante de l'invention, lesdites première et deuxième surfaces forment une antenne planaire, ladite première surface étant reliée au premier élément rayonnant, ladite deuxième surface comprenant des zones conductrices périphériques du deuxième élément rayonnant, les moyens de commutation étant disposés en interface entre ladite première surface et ladite deuxième surface. Cette variante présente notamment l'avantage qu'elle est simple à réaliser. La première surface a un rôle de ligne conductrice vers les interrupteurs qui sont placés près des bords de l'antenne de manière à produire une excitation efficace de l'antenne. La deuxième surface comprend les zones périphériques de la deuxième antenne, adaptées à produire un rayonnement efficace ou à capter efficacement des signaux incidents. Selon une variante de l'invention, la première surface conductrice du deuxième élément rayonnant est reliée au premier élément rayonnant (201) par une connexion traversante. Un tel mode de connexion est simple à réaliser et induit une très faible atténuation des signaux en puissance.
Selon une variante de l'invention, les surfaces conductrices sont isolées par une fente formée autour d'un point de jonction entre ladite première surface et ladite connexion traversante. Selon une variante de l'invention, les moyens de commutation sont disposés l'un relativement à l'autre de manière sensiblement symétrique par rapport au centre du deuxième élément rayonnant. Cette disposition des moyens de commutations permet de faire circuler des courants en opposition de phase, selon que le courant passe à travers les premiers moyens de commutation ou les deuxièmes moyens de commutation. Selon une variante de l'invention le point de jonction entre ladite 30 première surface et ladite connexion traversante est situé sensiblement au centre du deuxième élément rayonnant. Il est à noter que lorsque l'élément rayonnant est non carré, la première surface est de préférence circonscrite à une petite zone située dans la zone médiane du patch pour éviter l'apparition de courants parasites.
Selon une variante de l'invention, le point de jonction entre ladite première surface et ladite connexion traversante est situé hors d'une zone milieu du deuxième élément rayonnant. Selon une variante de l'invention, lesdites première et deuxième surfaces forment une antenne planaire, ladite première surface étant une surface inférieure disposée proche du plan de masse et étant reliée au premier élément rayonnant, ladite deuxième surface étant une surface supérieure disposée opposée à la surface inférieure et le premier moyen de commutation étant disposé entre la surface inférieure et le premier élément rayonnant, le deuxième moyen de commutation étant disposé entre la surface supérieure et le premier élément rayonnant, chacun des deux moyens de commutation formant connexion traversante et au moins un point de jonction entre chaque surface inférieure ou supérieure et le premier élément rayonnant étant prévu pour cette connexion traversante.
Selon une variante de l'invention, le premier élément rayonnant forme une antenne planaire dont le point de jonction entre le premier élément rayonnant et ladite connexion traversante est situé sensiblement au centre du premier élément rayonnant qui, comprend une zone isolante entourant au moins partiellement ledit point de jonction, de manière à former une ligne conductrice reliant ledit point de jonction à une zone périphérique du premier élément conducteur. Ce mode de réalisation présente notamment l'avantage d'être compact, les deux antennes pouvant être placées en regard l'une de l'autre. Ainsi, avec cette configuration, il est possible de disposer un plus grand nombre de cellules dans un réseau transmetteur.
Selon une variante de l'invention, le premier élément rayonnant forme une antenne planaire dont le point de jonction entre le premier élément rayonnant et ladite connexion traversante est situé en dehors du milieu de ce premier élément rayonnant. Selon une variante de l'invention, la position angulaire du premier élément rayonnant autour d'un axe orthogonal au plan de cet élément et passant par ledit point de jonction est choisie en fonction de la polarisation souhaitée du signal transmis par la cellule. Ce mode de réalisation permet d'agir sur la position de la première antenne, la rotation de celle-ci autour du point de jonction permettant de choisir la polarisation du signal à transmettre.
Selon une variante de l'invention, le plan de masse est connecté au premier élément rayonnant, la cellule comprenant une ligne conductrice de commande reliée à la deuxième surface du deuxième élément, ladite ligne conductrice de commande étant apte à transporter un courant électrique pour polariser lesdits moyens de commutation. De tels moyens sont très simples pour commander les interrupteurs. Selon une variante de l'invention, le plan de masse est connecté à la deuxième surface du deuxième élément rayonnant, la cellule comprenant une ligne conductrice de commande reliée au premier élément rayonnant, ladite ligne conductrice de commande étant apte à transporter un courant électrique pour polariser lesdits moyens de commutation. Selon une variante de l'invention, le plan de masse et la ligne de commande sont connectées aux éléments rayonnants via des connexions traversant au moins une couche diélectrique.
Selon une variante de l'invention, les premiers moyens de commutation sont une diode dont l'anode est connectée à la deuxième surface et dont la cathode est connectée à la première surface, les deuxièmes moyens de commutation étant une diode dont l'anode est connectée à la deuxième surface et dont la cathode étant connectée à la première surface. L'invention a aussi pour objet un réseau comprenant, au moins deux cellules rayonnantes selon l'invention, chacune desdites deux cellules étant commandée pour modifier l'état de phase du signal transmis par cette cellule, de manière à configurer le diagramme de rayonnement dudit réseau.
D'autres caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description détaillée donnée à titre d'exemple et non limitative qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : - la figure 1, un schéma illustrant le principe de fonctionnement d'une 30 antenne à réseau transmetteur ; cette figure a déjà été présentée plus haut , - les figures 2a, 2b, 2c et 2d, des schémas représentant un premier mode de réalisation de la cellule selon l'invention ; - les figures 3a, 3b et 3c, des schémas représentant un deuxième mode 35 de réalisation de la cellule selon l'invention ; - les figures 4a, 4b et 4c, des schémas représentant un exemple de cellule selon l'invention avec des moyens de commande permettant de choisir le déphasage appliqué au signal ; - la figure 5, des courbes présentant l'évolution des coefficients de réflexion et de transmission de la cellule des figures 4a, 4b et 4c en fonction de la fréquence du signal transmis ; - la figure 6, un schéma représentant un exemple de réseau transmetteur comprenant des cellules reconfigurables selon l'invention.
Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments. Dans la suite de la description, les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détail.
De plus, les figures ne sont pas à l'échelle, et elles sont orientées par rapport à un axe XYZ comportant deux directions orthogonales X et Y horizontales et une direction verticale Z perpendiculaire aux deux autres directions. Les termes « haut »/ « bas », « au-dessus »/ « au-dessous », « inférieur »/ « supérieur » sont définis par rapport à la direction Z. La cellule rayonnante de l'invention est apte à émettre/recevoir des ondes électromagnétiques (selon la direction Z) à une fréquence de travail ft (ou fréquence nominale) correspondant à une longueur d'onde Xt, typiquement cette fréquence est comprise entre 100MHz et 100GHz, de préférence entre 1 GHz et 10GHz.
De manière générale, la cellule selon l'invention peut générer deux états de phase de transmission séparés de 180°, la phase étant contrôlée par un signal de commande électrique. Cette cellule permet donc de réaliser un réseau transmetteur comprenant un grand nombre de cellules et dont la loi de phase est pilotable électriquement par un ensemble de signaux de commande avec une quantification de phase de ±90°. Ce pilotage du déphasage de la cellule rayonnante de l'invention est obtenu grâce à l'utilisation de moyens de commutation simples qui sont alternativement en état passant ou bloqué.
Ces moyens de commutation peuvent être des interrupteurs radiofréquences tels que des diodes, des MEMS, des phototransistors ou tout autre composant ayant une fonctionnalité similaire avec deux états passant/bloqué. Ces composants sont généralement réciproques ; aussi, la cellule peut donc fonctionner de manière identique en réception ou émission. Grâce à l'utilisation de ces interrupteurs, la cellule de l'invention présente de faibles pertes qui plus est sont des pertes identiques dans les deux états de phase. Pour élargir la bande passante de la cellule, la cellule peut 1 o comprendre, au-dessus du premier élément rayonnant et/ou du deuxième élément rayonnant, un empilement comprenant une alternance de substrat de couches métalliques.
Les figures 2a, 2b, 2c et 2d présentent un premier mode de 15 réalisation d'une cellule selon l'invention. La figure 2a est une vue du dessous de la cellule 200, les figures 2b et 2d sont une vue en coupe transversale de la cellule 200 et de sa variante respectivement, et la figure 2c est une vue du dessus de la cellule 200. Dans cet exemple, la cellule 200 comprend deux antennes 20 élémentaires disposées de part et d'autre d'un plan de masse 203. Plus particulièrement, si l'on considère qu'une antenne élémentaire comporte un élément rayonnant séparé par le plan de masse d'au moins une couche diélectrique, la cellule 200 comprend donc un premier élément rayonnant 201 et un deuxième élément rayonnant 202 25 disposés de part et d'autre du plan de masse 203 enserré dans un assemblage 204 d'au moins deux substrats (ou couches diélectriques formant substrat) 204', 204". Chaque antenne élémentaire peut être réalisée par une antenne planaire ou patch (en anglais) qui est une antenne plane dont l'élément 30 rayonnant est une surface conductrice généralement carrée, séparée d'un plan réflecteur conducteur (ou plan de masse) par une couche diélectrique. La réalisation d'une telle antenne planaire ressemble à un circuit imprimé double face, substrat, et est donc favorable à une production industrielle, notamment pour une intégration facile dans un réseau d'antennes.
Les deux éléments rayonnants 201, 202 sont reliées par une connexion 205 traversant le substrat 204 et passant à travers une ouverture 206 formée dans le plan de masse 203. La connexion 205 n'a aucun contact avec le plan de masse 203 qui forme un blindage électromagnétique entre les deux éléments rayonnants 201, 202. La connexion 205 et le premier élément rayonnant 201 sont reliés au niveau d'un point de connexion 211. Ce point de connexion 211 est situé de préférence près d'un bord de cet élément 201 de manière à améliorer le rayonnement de cet élément. 1 o La connexion 205 et le deuxième élément rayonnant 202 sont reliés au niveau d'un point de connexion 212 situé de préférence au centre ou proche du centre de cet élément 202, et de préférence, à une distance du centre n'excédant pas un quart de la largeur de l'élément rayonnant 202, de manière à privilégier le mode principal de résonance de l'élément rayonnant 15 selon sa longueur et ne pas exciter d'autres modes non désirés. Une fente 220 est formée dans le deuxième élément rayonnant 202 autour du point de connexion 212, de sorte à créer deux surfaces disjointes 221, 222 dans cet élément rayonnant 202. Une première portion de surface conductrice, dite « surface 20 interne » 221 est située en contact avec le point de connexion 212, et est séparée d'une seconde portion de surface conductrice, dite « surface externe » 222 qui entoure la surface interne 221 sans entrer en contact avec elle. La fente 220 permet ainsi d'isoler électriquement la surface interne 25 221 de la surface externe 222. Dans l'exemple, le deuxième élément rayonnant 202 a une géométrie symétrique, ce qui permet de minimiser l'excitation de modes de résonance non désirés qui dégraderaient la polarisation du champ électromagnétique rayonné par l'antenne. La première surface conductrice 221 forme une étroite bande de 30 conduction sensiblement rectangulaire et s'étendant entre deux zones périphériques opposées du deuxième élément rayonnant 202, les moyens de commutation 231, 232 étant disposés en interface entre chacune desdites zones périphériques et ladite bande de conduction. Par « étroite », on entend une largeur suffisamment petite pour éviter 35 l'apparition de rayonnements parasites, mais suffisamment grande pour acheminer un courant entre le point de jonction précité et chacun des moyens de commutation. Selon l'invention, deux interrupteurs 231, 232 sont placés en jonction entre la surface interne 221 et la surface externe 222 pour établir des passages de courant à travers la fente du deuxième élément rayonnant 202. Un courant incident arrivant par le point de connexion 212 peut ainsi circuler par la surface interne 221, passer par celui des interrupteurs 231 ou 232 qui est fermé puis circuler dans la surface externe 222. Réciproquement un courant engendré par la réception d'une onde sur la surface externe 222 1 o du deuxième élément rayonnant 202 ne pourra circuler vers le point de connexion 212 qu'à travers l'un des deux interrupteurs 231, 232 fermé pour ensuite être conduit vers le premier élément rayonnant 201, via la connexion traversante 205. Les interrupteurs 231, 232 sont disposés de manière symétrique 15 et diamétralement opposée par rapport au point de connexion 212, de sorte qu'un courant issu du premier interrupteur 231 excite la surface externe 222 du deuxième élément rayonnant 202 avec un état de phase opposé à celui correspondant à un courant issu du second interrupteur 232. Il est à noter qu'au moins une ligne de transmission (non 20 représentée sur les figures) peut être disposée proche de l'un des deux éléments rayonnants afin d'apporter l'alimentation à cet élément qui à son tour la transmet à l'autre élément rayonnant grâce à la connexion traversante 205. Dans le présent exemple, le point d'excitation est soit le point de 25 l'interrupteur 231 ou le point de l'interrupteur 232, sachant que les deux éléments sont reliés entre eux, ce qui engendre l'excitation d'un seul mode de propagation. Les interrupteurs 231, 232 sont commandés en alternance, de sorte que lorsque le premier interrupteur 231 est ouvert, le second 30 interrupteur 232 est fermé, et que lorsque le premier interrupteur 231 est fermé, le second interrupteur 232 est ouvert. Ce mode de commande permet de placer la cellule 200 dans deux états différents : - un premier état dans lequel un signal issu du premier élément rayonnant 201 est conduit vers la surface externe 222 du deuxième élément rayonnant 202 via le premier interrupteur 231 pour engendrer un rayonnement avec une phase (pi ; - un deuxième état dans lequel un signal issu du premier élément rayonnant 201 est conduit vers la surface externe 222 du deuxième élément rayonnant 202 via le deuxième interrupteur 232 pour engendrer un rayonnement avec une phase cp2 égale à (pi + 180°. Le fonctionnement de la cellule 200 en mode réception sur le premier élément rayonnant 201 et émission sur le deuxième élément rayonnant 202 est décrit, mais la cellule 200 peut fonctionner réciproquement 1 o pour transmettre un signal reçu sur le deuxième élément rayonnant 202 vers le premier élément rayonnant 201, notamment lorsque la cellule 200 ne comporte pas d'éléments non réciproques tels qu'un amplificateur, un mélangeur voire un déphaseur non intégré. L'exemple présenté en figure 2 peut être modifié pour donner lieu 15 à plusieurs variantes de réalisation. Dans l'exemple, les éléments rayonnants peuvent être des antennes patch 201, 202 de forme carrée, mais une forme rectangulaire, circulaire, elliptique, triangulaire, par exemple, pourrait être employée. Une antenne en forme de dipôle ou de spirale pourrait également être utilisée. 20 Selon une variante du premier mode de réalisation de l'invention, illustrée sur la figure 2d, les deux surfaces conductrices 221, 222 sont, respectivement, surface inférieure et supérieure de l'élément rayonnant et sont disjointes et séparées l'une de l'autre par une couche diélectrique pour les isoler électriquement. La surface inférieure 221 est proche du plan de 25 masse et la surface supérieure 222 est opposée à la surface inférieure 221. Dans cette variante, le premier interrupteur 231 est relié à la surface inférieure 221 d'une part et au premier élément rayonnant 201 d'autre part, et le deuxième interrupteur 232 est relié à la surface supérieure 222 d'une part et au premier élément rayonnant 201 d'autre part, 30 l'interrupteur qui est fermé faisant office de connexion entre les deux éléments rayonnants. Une ouverture prévue dans le plan de masse 205 permet le passage de ces deux interrupteurs à l'intérieur de la structure de la cellule rayonnante 200.
L'alimentation de ces deux surfaces est apportée par au moins une ligne de transmission de façon à générer un état bloquant ou passant pour chaque interrupteur alternativement. Par ailleurs, la position angulaire relative des deux éléments rayonnants 201, 202 peut être modifiée. Autrement dit, les éléments rayonnants peuvent être alignés, comme dans la figure 2b, ou leur position angulaire relative peut être modifiée. En effet, par exemple, le premier élément rayonnant 201 peut être tourné autour de l'axe de rotation formé par la connexion 205, de manière à 1 o changer la polarisation du signal transmis. Ainsi, le premier élément rayonnant 201 peut être tourné à 90°, de manière à ce qu'un signal reçu en polarisation verticale soit transmis en polarisation horizontale par le deuxième élément rayonnant 202. De plus, pour élargir la bande passante, des éléments rayonnants 15 201, 202 supplémentaires peuvent être positionnées au-dessus/dessous des deux patchs 201, 202 précités, selon le principe des patchs superposés couplés, connu de l'homme de l'art, principe aussi désigné par l'expression anglo-saxonne « stacked patch antennas ». Par ailleurs, la fente 220 peut être annulaire, circulaire, elliptique 20 ou avoir une encore autre forme ; cette fente 220 permet de créer deux surfaces conductrices séparées 221, 222, la première surface conductrice 221 étant reliée au premier élément rayonnant 201, et la deuxième surface conductrice 222 étant apte à rayonner, cette deuxième surface conductrice 222 comprenant les zones conductrices périphériques du deuxième élément 25 rayonnant 202, c'est-à-dire les zones proches des bords de cet élément 202 qui sont propices à un bon rayonnement, la deuxième surface 222 étant plus grande que la première surface 221 pour l'entourer. Au lieu d'une fente, un matériau isolant pourrait être employé pour isoler les deux surfaces conductrices 221, 222. 30 Par ailleurs, la présence de deux surfaces conductrices 221, 222 séparées à la surface du deuxième élément rayonnant 202 n'est pas nécessaire. Par exemple, la connexion traversante 205 se dédouble en deux branches, chacune de ces branches étant connectée au premier accès d'un interrupteur, les interrupteurs étant placés dans des sens opposés, les 35 deuxièmes accès des interrupteurs étant connectés à des endroits diamétralement opposés de la surface conductrice 222 du deuxième élément rayonnant 202. Selon encore une autre variante du premier mode de réalisation moins compact que celui des figures 2a, 2b, 2c, un passage conducteur extérieur à la surface conductrice du deuxième élément rayonnant 202 relie le premier élément rayonnant 201 à chacun des interrupteurs 231, 232. Par exemple, une ligne conductrice partant de la première antenne 201 débouche sur un accès d'un interrupteur situé près d'un bord du deuxième élément rayonnant 202. 1 o Dans tous les cas, les interrupteurs fonctionnent en opposition et sont agencés de manière à exciter le deuxième élément rayonnant 202 par des courants en opposition de phase. De multiples technologies d'interrupteurs radiofréquence peuvent être employées dans la cellule selon l'invention, par exemple des diodes, des 15 transistors, des photodiodes, des phototransistors, des MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), NEMS (Nano Electro Mechanical Systems). En outre, les interrupteurs 231, 232 peuvent être réalisés à l'aide de deux composants indépendants ou bien avec un composant unique comprenant deux interrupteurs et comprenant une fonction d'interrupteurs 1- 20 vers-2, fonction parfois désignée par le sigle SPDT pour « Single Pole Double Throw », c'est-à-dire une fonction pourvu d'une entrée et de deux sorties commutées. Le type de dispositif à mettre en oeuvre pour commander les interrupteurs dépend notamment de la technologie d'interrupteur choisie. Les 25 dispositifs suivants pourront par exemple être employés : ^ des lignes de commande conductrices directement connectées à la seconde antenne patch 202 ou aux interrupteurs 231, 232, comme illustré plus loin aux figures 4a, 4b, 4c ; - une fibre optique si un interrupteur de type photo-électrique est utilisé ; 30 ^ un faisceau laser généré par des moyens extérieurs et excitant un interrupteur de type photo-électrique ; - une onde électromagnétique selon des principes de la télé-alimentation, connus du domaine de la RFID (Radio Frequency Identification). 35 Un deuxième mode de réalisation est illustré aux figures 3a, 3b et 3c. La figure 3a est une vue du dessous de la cellule 300, la figure 3b est une vue en coupe transversale de la cellule 300, et la figure 3c est une 5 vue du dessus de la cellule 300. Dans l'exemple des figures 3a, 3b et 3c, le point de connexion 311 du premier élément rayonnant 301 est situé au centre de la surface de cet élément 301, de manière à minimiser l'encombrement de la cellule, car les deux éléments rayonnants 301, 302 se retrouvent face à face. 1 o Afin d'assurer un fonctionnement satisfaisant du premier élément rayonnant 301, une fente 320 en U est formée autour du point de connexion 311, de manière à ce que le point de connexion 311 se situe sur une bande conductrice 341 formée à l'intérieur du U, cette bande conductrice 341 aboutissant au niveau de la périphérie 361 du premier élément rayonnant 15 301. La bande conductrice 341 agit donc comme une ligne de conduction permettant d'exciter efficacement le premier élément rayonnant 301 au niveau de sa périphérie. Par « périphérie » ou « zone périphérique », ont entend une zone située à une distance du bord de l'élément rayonnant inférieure à un tiers de 20 la largeur de cet élément, de préférence inférieure à un quart de sa largeur. Quatre interrupteurs 331, 332, 333 et 334 sont prévus, l'interrupteur 334 étant en position fermée.
Les figures 4a, 4b et 4c présentent un exemple de réalisation de la 25 cellule selon l'invention fonctionnant autour d'une fréquence centrale de 9.5 GHz, la cellule comprenant des moyens de commande permettant de choisir le déphasage appliqué au signal transmis. La figure 4a est une vue du dessous de la cellule 400, la figure 4b est une vue en coupe transversale de la cellule 400, et la figure 4c est une 30 vue du dessus de la cellule 400. La cellule 400 comprend un plan de masse 403 encadré par deux substrats 451, 452 de type Rogers RO4003, dont la permittivité relative est égale à 3.38 et l'épaisseur est égale à 1.524 mm. La cellule 400 comprend également un film de collage de 40 mm 35 d'épaisseur. Ce film est visible sur la figure 4b entre le plan de masse 403 et la ligne 407. Son rôle est le collage des substrats et l'isolation électrique entre la ligne 407 et le plan de masse 403. Le premier substrat 451 comprend sur sa face inférieure un premier élément rayonnant rectangulaire 401, de dimensions 8.2x7.4 mm, et pourvu d'une fente 140 en U, le plan de masse 403 étant disposé sur la face supérieure du premier substrat 451. Le deuxième substrat 452 comprend un deuxième élément rayonnant rectangulaire 402 de mêmes dimensions que le premier élément 401, mais pourvu d'une fente annulaire 420 sur sa face supérieure. 1 o Les deux éléments rayonnants 401, 402 sont reliés par une connexion 405 verticale placée au centre de la cellule 400 et passant à travers une ouverture 406 pratiquée dans le plan de masse 403. Le deuxième élément rayonnant 402 comprend, dans l'exemple, deux diodes 431, 432 de type MACOM MA4AGP907 placées à deux 15 extrémités opposées de la fente annulaire 420. L'anode de la première diode 431 est connectée à la surface conductrice 422 ceignant la fente annulaire 420, tandis que la cathode de cette même diode 431 est connectée à la surface conductrice comprise à l'intérieur de la fente annulaire 420. A l'opposé, l'anode de la deuxième diode 20 432 est connectée à la surface conductrice 421 comprise à l'intérieur de la fente annulaire 420, tandis que la cathode de la deuxième diode 432 est connectée à la surface conductrice 422 ceignant la fente annulaire 420. La polarisation des diodes 431, 432 est effectuée par une ligne conductrice 407 placée sur la face inférieure du second substrat 452 et reliée 25 au deuxième élément rayonnant 402 par une deuxième connexion traversante 405'. Cette connexion traversante 405' est placée sur la ligne médiane, représentée en pointillés sur la figure 4a, de ce deuxième élément 402, de sorte que le point de connexion 413 faisant jonction entre la connexion traversante 405' et ce deuxième élément 402 correspond à un 30 point de tension nulle entre ce deuxième élément 402 et le plan de masse 403 ; cette position minimisant la perturbation du deuxième élément rayonnant 402 par cette connexion traversante 405'. Similairement, une autre connexion 405" connecte le premier élément rayonnant 401 et le plan de masse 403.
Les diodes 431, 432 sont commandées par un courant positif ou négatif entre la ligne conductrice 407 et le plan de masse 403. Les diodes 433, 434 sont alors polarisées de manière inversée, pour les placer dans des états opposés passant/bloqué ou bloqué/passant.
Selon un autre mode de réalisation, la ligne conductrice 407 est raccordée au premier élément rayonnant 401 et le plan de masse 403 est raccordé à la surface rayonnante 422 du deuxième élément rayonnant 402 ; dans ce cas, la polarisation des interrupteurs suit le même principe mais est inversée.
La figure 5 illustre, par des courbes, l'évolution des coefficients de réflexion S11 et de transmission S21 de la cellule 400 des figures 4a, 4b et 4c en fonction de la fréquence du signal transmis par cette cellule. Les pertes de transmission sont identiques dans les deux états de polarisation des diodes (c'est-à-dire si le premier interrupteur est bloqué et le deuxième interrupteur est passant, ou si le premier interrupteur est passant et le deuxième interrupteur est bloqué) ; ces pertes sont égales à 1.8 dB à la fréquence de 9.5 GHz, ce qui est bien meilleur que les performances obtenues avec les réalisations de l'art antérieur. La bande passante à -3 dB est de 1.75 GHz, soit environ 170/0.
La figure 6 présente un exemple de réseau transmetteur comprenant des cellules reconfigurables selon l'invention. Le réseau 600 de cet exemple comprend un carré de 7x7 cellules 601 identiques, chacune d'entre elle pouvant être commandée indépendamment, de manière à contrôler le diagramme de rayonnement du réseau. Un tel réseau transmetteur peut être utilisé dans des systèmes radar militaire aux fréquences micro-ondes. Il peut également être employé dans des applications telles que les systèmes de communications longue distance terrestres ou satellitaires, les liaisons sans fil à courte ou moyenne portée (par exemple un réseau local sans fil ou un réseau métropolitain sans fil), ou encore les dispositifs de radar ou d'imagerie aux fréquences millimétriques ou submillimétriques.35 Un avantage de la cellule selon l'invention est sa simplicité de réalisation. En effet, les interrupteurs ne sont pas forcément implantés à l'intérieur de la cellule, mais peuvent être implantés selon les modes de réalisation du côté extérieur et sur une seule face de surcroît.
En outre, pour faciliter encore la réalisation de la cellule, il est possible de grouper les deux interrupteurs en un seul composant à fixer grâce à un procédé de report classique. La cellule selon l'invention bénéficie de faibles pertes, notamment du fait de l'utilisation de seulement deux interrupteurs. De plus, les pertes 1 o sont identiques dans les deux états de phase, car ces deux états sont engendrés par des configurations symétriques. Par ailleurs, la cellule selon l'invention peut bénéficier de techniques d'élargissement de la bande passante. Par exemple, les éléments rayonnants ou patchs peuvent être conçus pour fonctionner sur 15 une large bande passante, en utilisant un substrat de faible permittivité et des patchs couplés au-dessus de chacune des antennes patch de la cellule. De plus, il est à noter que la cellule selon l'invention fonctionne selon un principe de commutation entre plusieurs points d'alimentation de l'antenne, par opposition au principe de perturbation ou de commutation de 20 résonateurs qui sont intrinsèquement faible bande. Enfin, les dimensions de la cellule sont réduites, notamment grâce au mode de connexion entre les deux éléments rayonnants, qui permet d'avoir une cellule dont les dimensions latérales sont inférieures à une demi-longueur d'onde. Il est d'ailleurs souhaitable d'avoir des cellules de petites 25 dimensions (c'est-à-dire inférieures ou égales à une demi-longueur d'onde) pour optimiser leur efficacité. D'autres variantes peuvent être prévues également sans sortir de la portée de l'invention. Il est par exemple possible que la structure soit entièrement symétrique dans le sens où les deux éléments rayonnants 30 peuvent être identiques et pourvus tous les deux de fente rectangulaire ou annulaire au milieu séparant les surfaces conductrices. Il est également possible d'avoir un interrupteur sur le premier élément rayonnant et un autre interrupteur sur le deuxième élément rayonnant de sorte que les deux interrupteurs soient commandés de façon inversée afin de 35 créer les deux états de phase désirés.
Claims (17)
- REVENDICATIONS1. Cellule rayonnante (200, 300, 400) pour former une antenne intégrable dans un réseau (600) et apte à transmettre des signaux hyperfréquences, la cellule comprenant un premier élément rayonnant (201) et un deuxième élément rayonnant (202) disposés de part et d'autre d'un plan de masse (203), le deuxième élément rayonnant (202) comprenant au moins une surface conductrice apte à rayonner (221, 222), caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un premier et un deuxième moyens de io commutation (231, 232), lesdits moyens comportant chacun un état passant et un état bloqué entre deux accès, dont un desdits accès est connecté au deuxième élément rayonnant, lesdits moyens de commutation étant commandés en opposition pour que lorsque ledit premier moyen de commutation est à l'état passant, ledit deuxième moyen est à l'état bloqué, 15 ces premier et deuxième moyens de commutation étant en outre commandés pour que le courant circulant dans ladite surface conductrice (221, 222) soit en opposition de phase selon que le premier moyen de commutation (231) est à l'état passant ou que le deuxième moyen de commutation (232) est à l'état passant. 20
- 2. Cellule rayonnante selon la revendication 1, dans laquelle le deuxième élément rayonnant (202) comprend des première et deuxième surfaces disjointes et isolées l'une de l'autre électriquement. 25
- 3. Cellule rayonnante selon la revendication 2, dans laquelle lesdites première et deuxième surfaces forment une antenne planaire, ladite première surface (221) étant reliée au premier élément rayonnant (201), ladite deuxième surface (222) comprenant des zones conductrices périphériques du deuxième élément rayonnant (202), les moyens de 3o commutation (231, 232) étant disposés en interface entre ladite première (221) surface et ladite deuxième surface (222).
- 4. Cellule rayonnante selon la revendication 3, dans laquelle la première surface conductrice (221) du deuxième élément rayonnant (202)est reliée au premier élément rayonnant (201) par une connexion (205) traversante.
- 5. Cellule rayonnante selon la revendication 4, dans laquelle plusieurs surfaces conductrices (221, 222) sont isolées par une fente formée autour d'un point de jonction (212) entre ladite première surface (221) et ladite connexion traversante (205).
- 6. Cellule rayonnante selon la revendication 5, dans laquelle les moyens de commutation (231) sont disposés l'un relativement par rapport à l'autre de manière symétrique par rapport au centre du deuxième élément rayonnant (202).
- 7. Cellule rayonnante selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que le point de jonction (212) entre ladite première surface (221) et ladite connexion traversante (205) est situé au centre du deuxième élément rayonnant (202).
- 8. Cellule rayonnante selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le point de jonction (212) entre ladite première surface (221) et ladite connexion traversante (205) est situé hors d'une zone milieu du deuxième élément rayonnant (202).
- 9. Cellule rayonnante selon la revendication 2, dans laquelle lesdites première et deuxième surfaces forment une antenne planaire, ladite première surface (221) étant une surface inférieure disposée proche du plan de masse (203) et étant reliée au premier élément rayonnant (201), ladite deuxième surface (222) étant une surface supérieure disposée opposée à la surface inférieure, le premier moyen de commutation (231) étant disposé entre la surface inférieure et le premier élément rayonnant (201) et le deuxième moyen de commutation est disposé entre la surface supérieure et le premier élément rayonnant (201), et chacun des deux moyens de commutation formant connexion traversante et au moins un point de jonction entre chaque surface inférieure ou supérieure et le premier élément rayonnant (201) étant prévu pour cette connexion traversante..
- 10. Cellule rayonnante selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, dans laquelle le premier élément rayonnant (301) forme une antenne planaire dont le point de jonction (311) entre le premier élément rayonnant (301) et ladite connexion traversante (305) est situé au centre du premier élément rayonnant (301) qui , comprend une zone isolante (320) entourant au moins partiellement ledit point de jonction (311), de manière à former une ligne conductrice (341) reliant ledit point de jonction (311) à une zone périphérique (361) du premier élément conducteur (301).
- 11. Cellule rayonnante selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, dans laquelle le premier élément rayonnant (201) forme une antenne planaire dont le point de jonction (211) entre le premier élément rayonnant (201) et ladite connexion traversante (205) est situé en dehors du milieu de ce premier élément rayonnant (201).
- 12. Cellule rayonnante selon les revendications précédentes, dans laquelle la position angulaire du premier élément rayonnant (201) autour d'un axe orthogonal au plan de cet élément (201) et passant par ledit point de jonction (211) est choisie en fonction de la polarisation souhaitée du signal transmis par la cellule.
- 13. Cellule rayonnante selon l'une quelconque des revendications 2 à 12, dans laquelle le plan de masse (403) est connecté au premier élément rayonnant (401), la cellule (400) comprenant une ligne conductrice de commande (407) reliée à la deuxième surface (422) du deuxième élément (402), ladite ligne conductrice de commande (407) étant apte à transporter un courant électrique pour polariser lesdits moyens de commutation (431, 432).
- 14. Cellule rayonnante selon l'une quelconque des revendications 2 à 12, dans laquelle le plan de masse (403) est connecté à la deuxième surface (422) du deuxième élément rayonnant (402), la cellule (400) comprenant une ligne conductrice de commande (407) reliée au premier élément rayonnant (401), ladite ligne conductrice de commande (407) étantapte à transporter un courant électrique pour polariser lesdits moyens de commutation (431, 432).
- 15. Cellule rayonnante selon l'une des revendications 13 ou 14, dans laquelle le plan de masse (403) et la ligne de commande (407) sont connectées aux éléments rayonnants (401, 402) via des connexions (405', 405") traversant au moins une couche diélectrique (451, 452).
- 16. Cellule rayonnante selon l'une quelconque des revendications 2 à 15, dans laquelle les premiers moyens de commutation sont une diode (431) dont l'anode est connectée à la deuxième surface (422) et dont la cathode est connectée à la première surface (421), les deuxièmes moyens de commutation étant une diode (432) dont l'anode est connectée à la deuxième surface et dont la cathode étant connectée à la première surface (421).
- 17. Réseau transmetteur (600) comprenant au moins deux cellules rayonnantes (601) selon l'une quelconque des revendications précédentes, chacune desdites deux cellules (601) étant commandée pour modifier l'état de phase du signal transmis par cette cellule, de manière à configurer le diagramme de rayonnement dudit réseau.
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR3065329A1 (fr) * | 2017-04-14 | 2018-10-19 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Cellule elementaire d'un reseau transmetteur pour une antenne reconfigurable |
| EP3392959A1 (fr) * | 2017-04-14 | 2018-10-24 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Cellule élémentaire d'un reseau transmetteur pour une antenne reconfigurable |
| US10680329B2 (en) | 2017-04-14 | 2020-06-09 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Unit cell of a transmission network for a reconfigurable antenna |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2969832B1 (fr) | 2013-01-18 |
| EP2656438B1 (fr) | 2015-04-01 |
| EP2656438A1 (fr) | 2013-10-30 |
| WO2012085067A1 (fr) | 2012-06-28 |
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| US9099775B2 (en) | 2015-08-04 |
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