FR3135572A1 - Antenne faible profil à balayage electronique bidimensionnel - Google Patents
Antenne faible profil à balayage electronique bidimensionnel Download PDFInfo
- Publication number
- FR3135572A1 FR3135572A1 FR2204480A FR2204480A FR3135572A1 FR 3135572 A1 FR3135572 A1 FR 3135572A1 FR 2204480 A FR2204480 A FR 2204480A FR 2204480 A FR2204480 A FR 2204480A FR 3135572 A1 FR3135572 A1 FR 3135572A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- phase shift
- elementary
- waveguide
- beam scanning
- scanning antenna
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 claims abstract description 101
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 claims abstract description 10
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 7
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 6
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 3
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 230000007257 malfunction Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
- H01Q13/20—Non-resonant leaky-waveguide or transmission-line antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
- H01Q13/28—Non-resonant leaky-waveguide or transmission-line antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave comprising elements constituting electric discontinuities and spaced in direction of wave propagation, e.g. dielectric elements or conductive elements forming artificial dielectric
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
- H01P1/00—Auxiliary devices
- H01P1/18—Phase-shifters
- H01P1/185—Phase-shifters using a diode or a gas filled discharge tube
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
- H01Q13/20—Non-resonant leaky-waveguide or transmission-line antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q21/00—Antenna arrays or systems
- H01Q21/0006—Particular feeding systems
- H01Q21/0031—Parallel-plate fed arrays; Lens-fed arrays
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
- H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
- H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
- H01Q3/34—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
- H01Q3/36—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with variable phase-shifters
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
La présente invention concerne une antenne à balayage bidimensionnel de faisceau comprenant un guide d’onde à plaques parallèles (240) replié sur lui-même, le guide d’onde étant alimenté par une source micro-onde à travers une antenne cornet et fournissant une onde quasi-plane se propageant selon une première direction (Ox); un réseau linéaire de stubs (230), étendus selon une seconde direction (Oy) perpendiculaire la première, lesdits stubs étant arrangés périodiquement selon la première direction (Ox) avec un pas sensiblement égal à la longueur d’onde guidée dans le guide d’onde. L’antenne comprend en outre une première surface de déphasage comprenant une première pluralité de cellules élémentaires de déphasage (211) arrangées périodiquement selon la seconde direction, ainsi qu’une seconde surface de déphasage (230) comprenant une seconde pluralité de bandes élémentaires de déphasage (231), chaque bande élémentaire étant associée à un stub dudit réseau. Fig. 2
Description
La présente invention concerne de manière générale le domaine des antennes réseaux à commande de phase permettant un contrôle bidimensionnel de l’orientation du faisceau. Elle trouve notamment application dans les terminaux terrestres dans la bande K/Ka pour les communications satellitaires, les systèmes de communication embarqués à bord de trains ou d’aéronefs, les stations de base 5G, les systèmes de focalisation micro-onde en champ proche.
Les antennes à balayage bidimensionnel sont bien connues de l’état de la technique, notamment pour des terminaux de communication satellitaires ou des systèmes de communication embarqués sur des véhicules en mouvement. Celles-ci permettent de contrôler de manière dynamique la direction du faisceau (en émission et/ou réception) selon deux axes orthogonaux et sont par conséquent capables de balayer un angle solide prédéterminé.
La première génération d’antennes à balayage bidimensionnel utilise un balayage mécanique. Celles-ci comportent généralement une antenne directive (par exemple parabolique) montée sur une articulation de cardans permettant de l’orienter selon deux axes. Outre le fait qu’elles n’autorisent pas un balayage angulaire rapide, ces antennes sont encombrantes et lourdes. Elles s’intègrent difficilement aux véhicules et dégradent bien souvent leur comportement aérodynamique. Enfin, les servo-moteurs qui les équipent nécessitent une maintenance assez lourde et sont consommateurs d’énergie.
Pour remédier à ces inconvénients, une seconde génération d’antennes a recours à des antennes réseaux à commande de phase (phased array) et des techniques de formation de faisceau permettant un balayage électronique. Ces antennes de seconde génération sont peu encombrantes et peuvent épouser la forme d’un véhicule (antennes conformes sur un aéronef par exemple). Elles autorisent un balayage angulaire rapide, en absence de toute inertie mécanique. En revanche, le grand nombre d’antennes élémentaires formant le réseau rend leur électronique particulièrement complexe et leur fabrication coûteuse.
Des antennes à balayage hybride mécanique/électronique sont également disponibles sur le marché, utilisant par exemple un positionneur mécanique en azimut et un balayage électronique en élévation. Toutefois, leur performance n’est pas optimale, le pointage mécanique reste lent et leur encombrement trop important pour bon nombre d’applications.
Récemment, une antenne adaptée au balayage électronique monodimensionnel utilisant un réseau de stubs continus transverses ou réseau CTS (Continuous Transverse Stubs) a été décrite dans l’article de M. Ettoreet al.intitulé « Continuous transverse stub array for Ka-band applications » publié dans IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 63, no. 11, pp. 4792-4800, Nov. 2015.
Une telle antenne a été représentée schématiquement en . Celle-ci comprend un réseau de stubs continus, 110, les stubs en question s’étendant dans une direction transverse (Oy) à un guide d’onde à un guide d’onde à plaques parallèles ou guide PPW (Parallel Plate Waveguide), 140. Comme illustré en , l’alimentation du réseau CTS à partir du guide d’onde est obtenue au moyen d’une arborescence de jonctions en T dont les différentes branches, 112, alimentent les stubs.
Par souci de simplification, les stubs ont été représentés ici avec une hauteur nulle et se réduisent donc à des fentes radiatives transverses 111, parallèles à l’axe (Oy).
Les Figures 1C et 1D représentent respectivement une coupe du guide d’onde PPW selon un plan (xy) et un plan (xz).
Une source micro-onde dans la bande Ka, 130, ici un cornet sectoriel plan H (H-plane sectorial horn) injecte une onde dans le guide d’onde PPW, 140. Le cornet sectoriel est évasé dans le plan H du guide d’onde PPW autrement dit dans le plan (xy). Le guide d’onde PPW présente une section de transition de type « pillbox » ou en « U », 160, de sorte qu’il est replié sur lui-même, ladite section de transition assurant la liaison entre une première section rectiligne 141 et une seconde section rectiligne 142, sensiblement parallèles entre elles. Le cornet sectoriel 130 débouche directement dans la première section rectiligne du guide d’onde PPW et la seconde section rectiligne du guide d’onde PPW débouche sur le réseau d’alimentation parallèle 120 du réseau CTS.
La section de transition présente un réflecteur parabolique 150 dans le plan (xy) comme on peut le voir en . Le point focal du réflecteur parabolique est situé au centre de l’ouverture du cornet sectoriel, ce qui permet d’obtenir une onde quasi-plane dans la seconde section du guide d’onde PPW.
Un changement de la position du cornet sectoriel le long de l’axe (y), à l’entrée du guide d’onde PPW, modifie la distribution de phase selon cet axe et assure un balayage du faisceau dans le plan H en sortie du réseau CTS, autrement dit un balayage dans le plan (yz). Ainsi en déplaçant mécaniquement l’antenne cornet devant l’entrée du guide d’onde ou bien en commutant l’alimentation de plusieurs cornets sectoriels disposées selon l’axe (y) devant cette même entrée, on obtient un balayage monodimensionnel du faisceau dans le plan (yz). Dans la majorité des réalisations, cette architecture ne permet toutefois qu’une commutation entre un ensemble discret de faisceaux et n’offre pas de dépointage angulaire fin du faisceau d’antenne dans le plan de balayage (yz).
Une antenne à balayage électronique bidimensionnel utilisant un réseau CTS a été divulgué dans le brevet US-B-6677899. Le réseau CTS alimente en champ proche un réseau d’éléments rayonnants reconfigurables par MEMS situé au-dessus de lui. Chaque élément comprend en entrée un élément de réception large bande, en sortie un élément de réception large bande et un module de déphasage contrôlé par MEMS entre l’élément d’entrée et celui de sortie.
Une telle antenne est toutefois très complexe à réaliser et est sujette à des dysfonctionnements des dispositifs MEMS, généralement peu fiables dans le temps. En outre, l’alignement entre le réseau de lentilles et le réseau d’alimentation CTS doit être précis, à défaut de quoi les pertes d’insertion peuvent être importantes. Les deux réseaux ne peuvent pas être intégrés dans une même structure monolithique dans la mesure où le réseau reconfigurable est réalisé sous la forme d’une pluralité de circuits imprimés ou PCB (Printed Circuit Board) montés verticalement en parallèle au-dessus du réseau d’alimentation CTS. Enfin, le balayage du faisceau suppose de pouvoir contrôler individuellement chaque dispositif MEMS et donc de disposer d’un réseau de contrôle comportant autant de lignes que de dispositifs MEMS.
Les antennes à réseau transmetteur (transmitarray antennas) offrent une solution compacte lorsque l’on souhaite réaliser un balayage électronique bidimensionnel (balayage à 2 degrés de liberté, dans un demi-espace). On pourra trouver un exemple de réalisation d’un tel réseau transmetteur dans l’article de A. R. Vilenskiyet al.intitulé « Reconfigurable transmitarray with near-field coupling to gap waveguide array antenna for efficient 2-D beam steering » publié dans IEEE Trans. Antennas Propag. Vol. 68, no. 12, pp. 7854-7865. Plus précisément, l’antenne à balayage bidimensionnel comprend ici un premier réseau 2D d’antennes fentes illuminant en champ proche un réseau transmetteur sous la forme d’une surface de déphasage ou PSS (Phase Shifting Surface). La surface de déphasage est formée par un réseau bidimensionnel de cellules élémentaires, chaque cellule élémentaire comprenant une première antenne élémentaire en réception et étant reliée à une seconde antenne élémentaire en transmission via un module de déphasage. Chaque module de déphasage est contrôlable individuellement de manière à pouvoir contrôler l’orientation et effectuer un balayage bidimensionnel du faisceau. Une telle antenne requiert toutefois un réseau de commande complexe, le nombre de couches, de diviseurs de puissance augmentant en fonction de la taille de l’antenne. En outre, le couplage en champ proche entre le réseau d’antennes fentes et le réseau transmetteur induit nécessairement des pertes d’insertion qui sont d’autant plus élevées que la taille du réseau est importante.
Un objet de la présente invention est par conséquent de proposer une antenne à balayage électronique bidimensionnel (à 2 degrés de liberté) qui ne présente pas les inconvénients précités, en particulier qui soit simple, à faible consommation d’énergie et faible encombrement, facilement intégrable et ne nécessite pas un grand nombre de lignes de contrôle, même pour des antennes de grande taille.
La présente invention est définie par une antenne à balayage bidimensionnel de faisceau comprenant un guide d’onde destiné à être alimenté par une source micro-onde et à fournir une onde quasi-plane se propageant dans une première direction, un réseau linéaire de stubs transverses, étendus selon une seconde direction perpendiculaire à la première, lesdits stubs étant arrangés périodiquement selon la première direction avec un pas sensiblement égal à la longueur d’onde guidée dans le guide d’onde, ladite antenne étant originale en ce qu’elle comprend :
- une première surface de déphasage reconfigurable électroniquement comprenant une première pluralité, , de cellules élémentaires de déphasage arrangées périodiquement selon la seconde direction avec un pas inférieur ou égal à la demi-longueur d’onde en espace libre de la source micro-onde ;
- une seconde surface de déphasage, reconfigurable électroniquement, comprenant une seconde pluralité, , de bandes élémentaires de déphasage, chaque bande élémentaire de déphasage étant étendue selon la seconde direction et étant associée à un stub transverse dudit réseau, ladite bande élémentaire de déphasage étant disposée directement sur la sortie du stub transverse auquel elle est associée ;
- un premier ensemble de lignes de contrôle destiné à contrôler les déphasages respectifs des cellules élémentaires de déphasage de manière à contrôler l’orientation du faisceau dans un plan orthogonal à la première direction ;
- un second ensemble de lignes de contrôle destiné à contrôler les déphasages respectifs des bandes élémentaires de déphasage de manière à contrôler l’orientation du faisceau dans un plan orthogonal à la seconde direction.
- une première surface de déphasage reconfigurable électroniquement comprenant une première pluralité,
- une seconde surface de déphasage, reconfigurable électroniquement, comprenant une seconde pluralité,
- un premier ensemble de lignes de contrôle destiné à contrôler les déphasages respectifs des cellules élémentaires de déphasage de manière à contrôler l’orientation du faisceau dans un plan orthogonal à la première direction ;
- un second ensemble de lignes de contrôle destiné à contrôler les déphasages respectifs des bandes élémentaires de déphasage de manière à contrôler l’orientation du faisceau dans un plan orthogonal à la seconde direction.
Selon un premier mode de réalisation, la première surface de déphasage est une surface de déphasage en transmission, adaptée à recevoir ladite onde plane se propageant dans la première direction et à la transmettre dans la même direction après que les cellules de déphasage élémentaires lui aient appliqué des premières valeurs de déphasage le long la seconde direction.
Selon un second mode de réalisation, la première surface de déphasage est une surface de déphasage en réflexion, adaptée à recevoir ladite onde plane se propageant dans la première direction et à la réfléchir dans la direction opposée après que les cellules de déphasage élémentaires lui aient appliqué des premières valeurs de déphasage le long de la seconde direction.
Le guide d’onde est de préférence un guide d’onde à plaques parallèles.
Il comprend avantageusement une première section rectiligne dans laquelle l’onde émise par la source micro-onde se propage dans une direction opposée à la première direction, une seconde section rectiligne, parallèle à la première section rectiligne, dans laquelle l’onde plane se propage dans la première direction après avoir été déphasée par la première surface de déphasage et une section de transition en forme de U, assurant le repliement à 180° et reliant la première section rectiligne à la seconde section rectiligne.
Selon une variante, le guide d’onde est alimenté par la source micro-onde à travers un cornet sectoriel.
Le guide d’onde peut comprendre dans sa section de transition un réflecteur cylindro-parabolique adapté à réfléchir l’onde fournie par la source micro-onde à travers le cornet sectoriel sous la forme d’une onde quasi-plane.
Chaque bande élémentaire de déphasage peut être avantageusement constituée d’une pluralité de secondes cellules élémentaires, lesdites secondes cellules élémentaires d’une bande élémentaire de déphasage étant arrangées périodiquement selon la seconde direction avec un pas inférieur ou égal à la demi-longueur d’onde en espace libre, une même valeur de déphasage étant appliquée à ladite pluralité de secondes cellules élémentaires appartenant à la même bande élémentaire de déphasage.
Chaque première cellule élémentaire, resp. chaque seconde cellule élémentaire, peut comprendre une pluralité de couches métalliques alternant avec des couches diélectriques ainsi qu’une pluralité de diodes PIN interconnectant au moins certaines desdites différentes couches métalliques, commandées par une pluralité de lignes de contrôle du premier, resp. du second ensemble.
Chaque première cellule élémentaire, resp. chaque seconde cellule élémentaire, peut comprendre une pluralité de diodes varactors, commandées par au moins une ligne de contrôle du premier, resp. second ensemble.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture d’un mode de réalisation préférentiel de l’invention, fait en référence aux figures jointes parmi lesquelles :
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Nous considérons dans la suite une antenne à balayage électronique bidimensionnel, c’est-à-dire une antenne dont il est possible d’orienter le faisceau selon 2 degrés de liberté. Par exemple, le faisceau pourra être orienté autour de deux axes orthogonaux, en azimut et en élévation.
L’antenne selon la présente est destinée à fonctionner avec une source micro-onde opérant typiquement dans les bandes millimétrique et centimétrique, de 3 à 300 GHz. Elle est particulièrement adaptée pour fonctionner dans la gamme de fréquence de 10 GHz à 60 GHz et peut être notamment utilisée dans des terminaux satellitaires (dans les bandes K/Ka) ou des terminaux/ stations de base 5G.
L’antenne en question utilise un guide d’onde jouant le rôle de formateur de faisceau quasi-optique. Ce guide d’onde fournit une onde plane ou quasi-plane, de préférence en mode quasi-TEM (Transverse Electro-Magnetic) se propageant dans une première direction (Ox), à un réseau de stubs, ou de fentes, transverses rayonnants, étendus dans une seconde direction (Oy), perpendiculaire à la première direction.
L’idée à la base de la présente invention est de prévoir une première surface de déphasage comprenant une première pluralité, , de cellules élémentaires de déphasage arrangées périodiquement selon la seconde direction et une seconde surface de déphasage, comprenant une seconde pluralité, , de bandes élémentaires de déphasage, chaque bande élémentaire de déphasage étant étendue selon la seconde direction et étant associée à un stub, ou une fente, transverse continu du réseau et disposée directement au-dessus de lui.
La première surface de déphasage assure le balayage du faisceau dans le plan (xy). La seconde surface de déphasage assure le balayage du faisceau autour de la seconde direction dans le plan (xz). Par exemple, la première surface de déphasage pourra assurer le balayage du faisceau en azimut et la seconde surface de déphasage pourra assurer le balayage du faisceau en élévation.
Le guide d’onde est avantageusement réalisé sous la forme d’un guide à plaques parallèles ou PPW (Parallel Plate Waveguide), replié sur lui-même pour des raisons de compacité. Il comprend une première section rectiligne dans une direction opposée à la première direction, une seconde section rectiligne, parallèle à la première section rectiligne, et une section de transition en forme de U, assurant le repliement à 180° en reliant la première section rectiligne à la seconde section rectiligne. La section de transition peut comprendre un réflecteur permettant d’inverser le sens de propagation entre la première section rectiligne et la seconde section rectiligne du guide d’onde.
Le guide d’onde, et plus précisément sa première section rectiligne, est alimenté par une source primaire, par exemple au moyen d’une antenne cornet, plus précisément un cornet sectoriel, les bords larges du cornet sectoriel rejoignant les plaques haute et basse du guide et les bords étroits rejoignant les parois latérales du guide, de manière à minimiser les pertes d’insertion.
La représente de manière schématique une antenne à balayage électronique bidimensionnel selon un premier mode de réalisation de l’invention.
Le guide d’onde 240 représenté ici un guide d’onde à plaques parallèles comprenant une première section rectiligne 241 dans laquelle l’onde injectée par le cornet sectoriel (non représenté) se propage dans le sens opposé à la direction Ox, une section rectiligne 243 dans laquelle l’onde se propage dans la direction Ox après s’être réfléchi sur le réflecteur 250 placé dans la section de transition, 242, du guide.
Le réflecteur 250 présente de préférence une surface réfléchissante cylindro-parabolique dont la ligne focale est verticale, de sorte que l’onde injectée dans la première partie du guide, à front d’onde cylindrique, est réfléchi sous la forme d’une onde plane se propageant dans la seconde section rectiligne du guide d’onde. Selon une variante, la source primaire est un réseau d’antennes, par exemple d’antennes cornet alimentées en parallèle, qui rayonne une onde quasi-plane dans la première partie du guide. Dans ce cas, la surface réfléchissante de la transition à U est alors planaire.
L’onde plane réfléchie se propage dans la première direction et est déphasée en traversant une première surface de déphasage 210. Cette première surface de déphasage comprend une première pluralité, , de cellules élémentaires de de déphasage, 211, arrangées périodiquement selon la seconde direction (y) avec un pas inférieur ou égal à la demi-longueur d’onde, , où est la longueur d’onde de propagation dans le vide.
Les cellules de déphasage élémentaires de la première surface de déphasage appliquent une loi de déphasage permettant d’orienter la direction du faisceau dans le plan (yz).
L’onde plane ainsi déphasée se propage ensuite selon la direction (Ox) dans la seconde section rectiligne, 243, du guide d’onde 240. Elle est distribuée, via un réseau de stubs, à une seconde surface de déphasage 220. La seconde surface de déphasage comprend une seconde pluralité, , de bandes élémentaires de déphasage, chaque bande élémentaire de déphasage étant associée à un stub transverse continu 230 et disposée directement sur ce dernier. Les stubs font au moins partiellement saillie hors du plan supérieur du guide PPW, leurs extrémités ouvertes étant tournées dans la direction Oz. Les stubs transverses continus s’étendent dans la seconde direction (Oy), dite aussi direction transverse. Selon une variante, les stubs pourront avoir une hauteur nulle et donc assimilés à des fentes rayonnantes. Dans la suite, le terme « stub » comprendra le cas particulier d’une fente rayonnante.
Dans tous les cas, les stubs sont arrangés périodiquement selon la première direction avec, de préférence, un pas sensiblement égal à la longueur d’onde guidée dans le guide d’onde, soit .
Le cas échéant chaque bande élémentaire peut être constituée d’une troisième pluralité de secondes cellules élémentaires de déphasage, 231, toutes les secondes cellules élémentaires de déphasage d’une même bande élémentaire appliquant alors le même déphasage à l’onde émise par le stub associé à ladite bande.
Avantageusement, la troisième pluralité sera choisie égale à la seconde pluralité, autrement dit .
Les bandes de déphasage élémentaires de la seconde surface de déphasage appliquent une loi de déphasage permettent d’orienter le faisceau dans le plan (xz).
Si l’on note et respectivement l’élévation et l’azimut correspondants à l’orientation souhaitée du faisceau, on peut montrer que l’application des déphasages , par les cellules élémentaires de la première surface de déphasage et des déphasages , par les bandes élémentaires de la seconde surface de déphasage, permet d’orienter le faisceau dans la direction souhaitée. Les valeurs des déphasages , et , sont définies par :
où est le nombre d’onde dans le vide de l’onde émise par la source micro-onde, est la constante de propagation selon l’axe x du mode fondamental guidé par le guide d’onde, est le pas entre les bandes élémentaires de déphasage de la seconde surface et est le pas entre les cellulaires élémentaires de déphasage de la première surface. Comme indiqué plus haut, on choisira avantageusement et .
Selon une première variante, chaque (première ou seconde) cellule élémentaire, voire bande élémentaire de déphasage, peut être réalisée à partir d’une succession de couches métalliques alternant avec des couches diélectriques. Une ou plusieurs couches métalliques comporte(nt) un ou plusieurs commutateurs électroniques, par exemple des diodes PIN, permettant de faire varier la réponse fréquentielle, en particulier la phase du coefficient de transmission de la cellule élémentaire parmi un ensemble de valeurs discrètes.
Alternativement, selon une seconde variante, chaque (première ou seconde) cellule élémentaire, voire chaque bande élémentaire de déphasage, peut être réalisée au moyen d’une capacité variable de type varactor. Cette seconde variante présente l’avantage de pouvoir effectuer une variation continue du déphasage, alors que la première variante ne permet qu’une commutation entre valeurs discrètes.
Un avantage important de la présente invention est de ne nécessiter qu’un faible nombre de lignes de contrôle des déphasages et donc de simplifier l’électronique de commande.
En effet, les antennes à balayage électronique 2D de type réseau transmetteurs (transmitarray) nécessitent au moins autant de lignes de contrôle que de cellules, soit pour une matrice de rangées et colonnes.A contrario, dans le cas présent, en supposant qu’une cellule/ bande élémentaire de déphasage puisse être contrôlée au moyen d’une seule ligne de contrôle, le nombre de lignes de contrôle requis pour la même précision d’orientation n’est plus que de .
La représente de manière schématique les lignes de contrôle des différentes cellules/bandes élémentaires de la première surface et de la seconde surface de déphasage.
Dans ce mode de réalisation, chaque cellule élémentaire de la première surface et chaque bande élémentaire de la seconde surface est contrôlée à l’aide d’une seule ligne de contrôle, 320 et 330. Par exemple, les cellules/bandes élémentaires sont réalisées à partir de varactors et chaque ligne de contrôle commande de manière analogique la capacitance du varactor associé.
Lorsque les déphasages ne peuvent prendre qu’une pluralité de valeurs discrètes, comme dans le cas d’une cellule à diodes PIN, le nombre de lignes de contrôle par cellule/bande élémentaire pourra être égal à . Les cellules/bandes élémentaires pourront appliquer une atténuation en sus d’un déphasage, de manière à pouvoir apodiser le faisceau et en réduire les lobes secondaires. Lorsque ces coefficients d’atténuation peuvent prendre valeurs discrètes, le nombre de lignes de contrôle par cellule/bande élémentaire passe alors à , ce qui conduit à un nombre total de lignes de contrôle égal à . Selon une variante de réalisation, les coefficients d’atténuation peuvent être choisis fixes (apodisation fixe) et dans ce cas le nombre de lignes de contrôle n’est plus que de .
La représente de manière schématique une antenne à balayage électronique bidimensionnel selon un second mode de réalisation de l’invention.
Ce mode de réalisation diffère du premier en ce que la première surface de déphasage, 410, n’opère plus en transmission mais en réflexion. Les éléments portant les signes de référence 420-442 sont fonctionnellement similaires aux éléments 220-242 et leur description sera par conséquent omise.
L’onde issue de la source micro-onde, après avoir été guidée par la première section rectiligne du guide, est réfléchie par la première surface de déphasage 410 avant de se propager dans la seconde section rectiligne du guide. La première surface de déphasage applique ici, d’une part, une première loi de déphasage visant à convertir l’onde cylindrique en onde plane et, d’autre part une seconde loi de déphasage selon la direction y, visant à orienter le faisceau dans le plan (yz).
De même que précédemment, les premières cellules élémentaires 411 peuvent en outre effectuer une apodisation du faisceau (ici orthogonalement à l’axe (Ox) en appliquant des valeurs d’atténuation appropriées (par exemple approximant un sinus cardinal).
Enfin, le guide d’onde PPW 240 ou 440 peut être réalisé selon différentes variantes. Selon une première variante, l’espace entre ses plaques parallèles est simplement empli d’air. Selon une seconde variante, cet espace est occupé par un diélectrique. Selon une troisième variante, représentée schématiquement en , une structure à ondes lentes (slow-wave structure) est prévue en crénelant la plaque inférieure de la seconde section rectiligne du guide d’onde, et en l’inclinant par rapport à laquelle plaque métallique supérieure dans laquelle sont formés les stubs. On note ici que l’écart entre la plaque supérieure M1 et la plaque inférieure M2 se réduit dans la direction de propagation (Ox) et que la plaque inférieure M2 présente des ondulations sur sa face supérieure, dans la direction (Oz). La présence d’un diélectrique eta fortiorid’une structure à ondes lentes dans le guide d’onde permet d’abaisser la vitesse de phase et de réduire la longueur d’onde guidée. Il en résulte que le pas du réseau de stubs continus peut être choisi plus faible, ce qui permet d’éviter l’apparition de lobes secondaires et d’étendre la plage angulaire de balayage.
Claims (10)
- Antenne à balayage bidimensionnel de faisceau comprenant un guide d’onde destiné à être alimenté par une source micro-onde et à fournir une onde quasi-plane se propageant dans une première direction, un réseau linéaire de stubs transverses, étendus selon une seconde direction perpendiculaire à la première, lesdits stubs étant arrangés périodiquement selon la première direction avec un pas sensiblement égal à la longueur d’onde guidée dans le guide d’onde, caractérisée en ce qu’elle comprend :
- une première surface de déphasage reconfigurable électroniquement comprenant une première pluralité,
- une seconde surface de déphasage, reconfigurable électroniquement, comprenant une seconde pluralité,
- un premier ensemble de lignes de contrôle destiné à contrôler les déphasages respectifs des cellules élémentaires de déphasage de manière à contrôler l’orientation du faisceau dans un plan orthogonal à la première direction ;
- un second ensemble de lignes de contrôle destiné à contrôler les déphasages respectifs des bandes élémentaires de déphasage de manière à contrôler l’orientation du faisceau dans un plan orthogonal à la seconde direction.
- une première surface de déphasage reconfigurable électroniquement comprenant une première pluralité,
- Antenne à balayage bidimensionnel de faisceau selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première surface de déphasage est une surface de déphasage en transmission, adaptée à recevoir ladite onde plane se propageant dans la première direction et à la transmettre dans la même direction après que les cellules de déphasage élémentaires lui aient appliqué des premières valeurs de déphasage le long la seconde direction.
- Antenne à balayage bidimensionnel de faisceau selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première surface de déphasage est une surface de déphasage en réflexion, adaptée à recevoir ladite onde plane se propageant dans la première direction et à la réfléchir dans la direction opposée après que les cellules de déphasage élémentaires lui aient appliqué des premières valeurs de déphasage le long de la seconde direction.
- Antenne à balayage bidimensionnel de faisceau selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le guide d’onde est un guide d’onde à plaques parallèles.
- Antenne à balayage bidimensionnel de faisceau selon la revendication 4, caractérisée en ce que le guide d’onde comprend une première section rectiligne (M3,M2) dans laquelle l’onde émise par la source micro-onde se propage dans une direction opposée à la première direction, une seconde section rectiligne (M2,M1), parallèle à la première section rectiligne, dans laquelle l’onde plane se propage dans la première direction après avoir été déphasée par la première surface de déphasage et une section de transition en forme de U, assurant le repliement à 180° et reliant la première section rectiligne à la seconde section rectiligne.
- Antenne à balayage bidimensionnel de faisceau selon la revendication 5, caractérisée en ce que le guide d’onde est alimenté par la source micro-onde à travers un cornet sectoriel.
- Antenne à balayage bidimensionnel de faisceau selon la revendication 6, caractérisée en ce que le guide d’onde comprend dans sa section de transition un réflecteur cylindro-parabolique adapté à réfléchir l’onde fournie par la source micro-onde à travers le cornet sectoriel sous la forme d’une onde quasi-plane.
- Antenne à balayage bidimensionnel de faisceau selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque bande élémentaire de déphasage est constituée d’une pluralité
- Antenne à balayage bidimensionnel de faisceau selon la revendication 8, caractérisée en ce que chaque première cellule élémentaire, resp. chaque seconde cellule élémentaire, comprend une pluralité de couches métalliques alternant avec des couches diélectriques ainsi qu’une pluralité de diodes PIN interconnectant au moins certaines desdites différentes couches métalliques, commandées par une pluralité
- Antenne à balayage bidimensionnel de faisceau selon la revendication 8, caractérisée en ce que chaque première cellule élémentaire, resp. chaque seconde cellule élémentaire, comprend une pluralité de diodes varactors, commandées par au moins une ligne de contrôle du premier, resp. second ensemble.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2204480A FR3135572A1 (fr) | 2022-05-11 | 2022-05-11 | Antenne faible profil à balayage electronique bidimensionnel |
| PCT/EP2023/062689 WO2023218008A1 (fr) | 2022-05-11 | 2023-05-11 | Antenne faible profil à balayage electronique bidimensionnel |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2204480A FR3135572A1 (fr) | 2022-05-11 | 2022-05-11 | Antenne faible profil à balayage electronique bidimensionnel |
| FR2204480 | 2022-05-11 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3135572A1 true FR3135572A1 (fr) | 2023-11-17 |
Family
ID=83438844
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR2204480A Pending FR3135572A1 (fr) | 2022-05-11 | 2022-05-11 | Antenne faible profil à balayage electronique bidimensionnel |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR3135572A1 (fr) |
| WO (1) | WO2023218008A1 (fr) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6064349A (en) * | 1998-02-13 | 2000-05-16 | Hughes Electronics Corporation | Electronically scanned semiconductor antenna |
| US6677899B1 (en) | 2003-02-25 | 2004-01-13 | Raytheon Company | Low cost 2-D electronically scanned array with compact CTS feed and MEMS phase shifters |
| US20040257288A1 (en) * | 2003-06-18 | 2004-12-23 | Robertson Ralston S. | Transverse device array phase shifter circuit techniques and antennas |
| US20060132369A1 (en) * | 2004-12-20 | 2006-06-22 | Robertson Ralston S | Transverse device array radiator ESA |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5579021A (en) * | 1995-03-17 | 1996-11-26 | Hughes Aircraft Company | Scanned antenna system |
| FR3065329B1 (fr) | 2017-04-14 | 2019-07-05 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Cellule elementaire d'un reseau transmetteur pour une antenne reconfigurable |
| FR3122780B1 (fr) | 2021-05-07 | 2024-09-27 | Commissariat A Lenergie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Cellule d’antenne à réseau transmetteur |
| FR3125173B1 (fr) | 2021-07-07 | 2024-10-04 | Commissariat A Lenergie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Cellule d’antenne à réseau transmetteur |
-
2022
- 2022-05-11 FR FR2204480A patent/FR3135572A1/fr active Pending
-
2023
- 2023-05-11 WO PCT/EP2023/062689 patent/WO2023218008A1/fr unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6064349A (en) * | 1998-02-13 | 2000-05-16 | Hughes Electronics Corporation | Electronically scanned semiconductor antenna |
| US6677899B1 (en) | 2003-02-25 | 2004-01-13 | Raytheon Company | Low cost 2-D electronically scanned array with compact CTS feed and MEMS phase shifters |
| US20040257288A1 (en) * | 2003-06-18 | 2004-12-23 | Robertson Ralston S. | Transverse device array phase shifter circuit techniques and antennas |
| US20060132369A1 (en) * | 2004-12-20 | 2006-06-22 | Robertson Ralston S | Transverse device array radiator ESA |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| A. R. VILENSKIY ET AL.: "Reconfigurable transmitarray with near-field coupling to gap waveguide array antenna for efficient 2-D beam steering", IEEE TRANS. ANTENNAS PROPAG., vol. 68, no. 12, pages 7854 - 7865, XP011826876, DOI: 10.1109/TAP.2020.2998904 |
| M. ETTORE ET AL.: "Continuous transverse stub array for Ka-band applications", IEEE TRANS. ANTENNAS PROPAG., vol. 63, no. 11, November 2015 (2015-11-01), pages 4792 - 4800 |
| YANG XUEXIA ET AL: "A compact beam steering planar array with broadband and high gain", 2015 INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON ANTENNAS AND PROPAGATION (ISAP), THE INSTITUTE OF ELECTRONICS, INFORMATION AND COMM, 9 November 2015 (2015-11-09), pages 1 - 3, XP032888863 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023218008A1 (fr) | 2023-11-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2415120B1 (fr) | Antenne multicouche a plans paralleles, de type pillbox, et systeme d'antenne correspondant | |
| EP2807702B1 (fr) | Formateur multi-faisceaux à deux dimensions, antenne comportant un tel formateur multi-faisceaux et système de télécommunication par satellite comportant une telle antenne | |
| EP2532050B1 (fr) | Antenne plane directive embarquée, véhicule comportant une telle antenne et système de télécommunication par satellite comportant un tel véhicule | |
| EP2532046B1 (fr) | Antenne plane à balayage pour application mobile terrestre, véhicule comportant une telle antenne et système de télécommunication par satellite comportant un tel véhicule | |
| EP3073569A1 (fr) | Matrice de butler compacte, formateur de faisceaux bidimensionnel planaire et antenne plane comportant une telle matrice de butler | |
| EP3435480B1 (fr) | Antenne intégrant des lentilles à retard à l'intérieur d'un répartiteur à base de diviseurs à guide d'ondes à plaques parallèles | |
| EP3371852A1 (fr) | Antenne compacte à faisceau orientable | |
| FR2806214A1 (fr) | Antenne reflectrice comportant une pluralite de panneaux | |
| EP0170154A1 (fr) | Antenne bi-fréquence à même couverture de zone à polarisation croisée pour satellites de télécommunications | |
| EP3840124B1 (fr) | Antenne à onde de fuite en technologie afsiw | |
| EP3446362B1 (fr) | Systeme de deflexion et de pointage d'un faisceau hyperfrequence | |
| EP1191630A1 (fr) | Lentille divergente à dôme pour ondes hyperfréquences et antenne comportant une telle lentille | |
| FR3135572A1 (fr) | Antenne faible profil à balayage electronique bidimensionnel | |
| FR3068523A1 (fr) | Antenne a reseau transmetteur comportant un mecanisme de reorientation de la direction du faisceau | |
| EP3155690B1 (fr) | Antenne plate de telecommunication par satellite | |
| EP4207493B1 (fr) | Antenne rf directive passive à balayage en une ou deux dimensions | |
| FR2858469A1 (fr) | Antenne a cavite resonante, reconfigurable | |
| FR2649543A1 (fr) | Distributeur d'energie hyperfrequence pouvant rayonner directement | |
| EP3155689A1 (fr) | Antenne plate de telecommunication par satellite | |
| EP3075031B1 (fr) | Agencement de structures antennaires pour télécommunications par satellites | |
| WO2001052356A1 (fr) | Antenne a cavite resonante ayant un faisceau conforme selon un diagramme de rayonnement predetermine | |
| EP3506426A1 (fr) | Dispositif de pointage de faisceau pour systeme antennaire, systeme antennaire et plateforme associes | |
| FR2596208A1 (fr) | Antenne bifrequence a faisceaux orientables independants | |
| FR2703516A1 (fr) | Antenne à ondes progressives. |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20231117 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 3 |