LU86727A1 - Antennes a microbandes a couplage electromagnetique,a plaquettes de transmission couplees capacitivement a des lignes de transmission - Google Patents

Antennes a microbandes a couplage electromagnetique,a plaquettes de transmission couplees capacitivement a des lignes de transmission Download PDF

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Description

L'invention concerne un élément d'antenne à microbandes à plaquettes à couplage électromagnétique (EMCP) dont la plaquette de transmission est couplée capacitivement à une ligne de transmission. La plaquette 5 de transmission est couplée électromagnétiquement à une plaquette rayonnante. Plusieurs de telles antennes peuvent être combinées pour constituer un réseau d'antennes.
Des antennes à microbandes ont été utilisées 10 pendant plusieurs années comme émetteurs de rayonnement compacts. Cependant, elles sont entachées d'un certain nombre de défauts. Par exemple, elles constituent généralement des émetteurs inefficaces du rayonnement électromagnétique ; elles fonctionnent sur une largeur de 15 bande étroite ; et elles exigeaient des techniques de connexion compliquées pour obtenir une polarisation linéaire et circulaire, en sorte que leur fabrication était difficile.
Certains des problèmes énumérés ci-dessus ont 20 été résolus. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3 603 623 expose un moyen pour faire des antennes à microbandes des émetteurs plus efficaces du rayonnement électromagnétique. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3 987 455 décrit un réseau d'antennes à microbandes 25 a éléments multiples, ayant une largeur de bande de fonctionnement grande. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 4 067 016 décrit une antenne à microbandes 2 polarisée circulairement.
Les antennes décrites dans les brevets susmentionnés sont entachées encore de divers défauts. Elles commandent toutes des plaquettes de transmission re-5 liées directement à une ligne de transmission.
Les brevets des Etats-Unis d'Amérique nes 4 125 837 , 4 125 838 , 4 125 839 et 4 316 194 décrivent des antennes à microbandes dans lesquelles deux points de transmission sont utilisés pour obtenir une 10 polarisation circulaire. Chaque élément du réseau présente une discontinuité, de sorte que l'élément a une forme irrégulière. En conséquence, on obtient une polarisation circulaire avec un rapport axial bas. Chaque élément est couplé individuellement de façon directe 15 par une ligne de transmission coaxiale.
Bien que les brevets mentionnés jusqu'à présent aient résolu un certain nombre de problèmes propres à la technologie des antennes à microbandes, on a rencontré d'autres difficultés. Par exemple, alors que la 20 polarisation circulaire a été obtenue, il faut deux points de transmission et les éléments de l'antenne doivent être reliés directement à une ligne de transmission. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n°4 477 813 décrit un système d'antenne à microbandes avec une ligne 25 de transmission couplée de manière non conductrice. Cependant, la polarisation circulaire n'est pas réalisée.
La demande simultanée aux Etats-Unis d'Amérique n° 623 877 déposée le 25 juin 1984 et faisant l'objet d'une cession commune avec la présente demande de bre-30 vet décrit une technique de polarisation circulaire à large bande pour un réseau d'antennes à microbandes.
Bien que l'invention décrite dans cette demande simultanée obtienne la polarisation circulaire à large bande, l'emploi d'un couplage capacitif entre la ligne de 35 transmission et la plaquette de transmission, et l'em- 3 ploi d’un couplage électromagnétique entre la plaquette de transmission et la plaquette rayonnante ne sont pas décrits.
Avec l’arrivée de certaines technologies, par 5 exemple des circuits intégrés pour micro-ondes (MIC), des circuits intégrés monolithiques pour micro-ondes (MIC) et des satellites à diffusion directe (DBS), il est apparu un besoin d’antennes de fabrication facile, peu coûteuses, fonctionnant sur une largeur de bande 10 étendue. Ce besoin se présente aussi pour des types d'antennes capables de fonctionner sur des bandes de fréquences différentes. Alors que tous les brevets examinés ci-dessus ont résolu individuellement certains des problèmes techniques , aucun n’a procuré une an-15 terme à microbandes ayant toutes les particularités nécessaires pour des applications pratiques de certaines technologies.
Par conséquent, un objet de la présente invention est de procurer une antenne à microbandes qui soit 20 capable de fonctionner sur une largeur de bande étendue, dans le mode de polarisation linéaire ou circulaire, tout en étant simple et de fabrication peu coûteuse.
Un autre objet de l'invention est de procurer une antenne à microbandes et son réseau de transmission 25 constitué de plusieurs couches de circuits imprimés ne présentant pas de contact électrique direct les uns avec les autres, dans laquelle un couplage électromagnétique est prévu entre les circuits imprimés.
Un autre objet de l'invention est de procurer 30 une antenne à microbandes ayant plusieurs éléments rayonnants, chaque plaquette rayonnante étant couplée électromagnétlquement à une plaquette de transmission qui est couplée capacitivement,en un seul point de transmission ou en des points de transmission multiples, 33 à une ligne de transmission.
4
Un autre objet encore de 1*invention est de procurer une antenne à microbandes ayant des éléments polarisés circulairement et ayant un rapport axial bas« Un autre objet de l’invention est de procurer 5 une antenne à microbandes ayant des éléments polarisés linéairement et ayant un rapport axial élevé.
Pour atteindre ces objets et d’autres, la présente invention comporte une multiplicité de plaquettes rayonnantes et de plaquettes de transmission, chacune 10 comportant des segments de perturbation, les plaquettes de transmission étant couplées électromagnétiquement aux plaquettes rayonnantes, la ligne de transmission étant couplée capacitivement à la plaquette de transmission. (Pour obtenir la polarisation linéaire, les 15 segments de; perturbation ne sont pas nécessaires).
Le réseau de transmission peut comprendre aussi des composantes de circuit actives réalisées en utilisant des techniques MIC ou MMIC, telles que des amplificateurs et des décaleurs de phase pour commander la 20 distribution de l'énergie, les niveaux des lobes latéraux et la direction de faisceau de l’antenne.
Le modèle décrit dans la présente demande de brevet peut être développé pour fonctionner dans une bande de fréquences quelconque »telle qu’une bande L, 25 une bande S, une bande X , une bande et une bande K&.
L’invention sera décrite ci-après en se référant aux dessins joints au présent mémoire, sur lesquels: - les figures 1a et 1b sont des coupes transversales d’un élément d’antenne à plaquettes polarisé li-30 néairement, couplé électromagnétiquement, à transmission capacitive , pour une ligne de transmission à microbandes et une ligne de transmission à ruban, respectivement, et la figure 1c montre un élément d'antenne à plaquettes de la figure 1a, en vue par-dessus, avec une 35 ligne de transmission 2' montrée comme un moyen possible 5 d'obtention de la polarisation circulaire lorsque les lignes de transmission 2 et 2' sont en quadrature de phase ; - la figure 2 est un graphique de l'affaiblisse-5 ment d'adaptation pour un élément de plaquette couplé électromagnétiquement, à transmission capacitive, polarisé linéairement, optimalisé ; - les figures 3a et 3b sont des schémas montrant la configuration d'un élément de plaquette couplé 10 électromagnétiquement, à transmission capacitive, polarisé circulairement, les deux couches de plaquettes contenant des segments de perturbation ; - la figure 4 est un graphique de l'affaiblissement d'adaptation de l'élément montré à la figure 3h » 15 - la figure 5 est une vue en plan d'un réseau d'antennes à microbandes à quatre éléments, ayant une largeur de bande étendue et polarisés circulairement ; - la figure 6 est un graphique montrant l'affaiblissement d'adaptation du réseau montré à la figure 5 ; 20 - la figure 7 est un graphique montrant le rap port axial sur l’axe du réseau montré à la figure 5 î et - la figure 8 est une vue en plan d'un réseau d'antennes à microbandes, dans lequel on utilise une multiplicité de sous-réseaux configurés de manière 25 semblable à la configuration montrée à la figure 5.
En se reportant aux figures 1a, 1b et 1c, on y voit une ligne de transmission 2, de 50 ohms, tronquée, élargie ou changée de forme pour adapter la ligne de transmission à l'antenne à microbandes, et elle est 30 couplée capacitivement à une plaquette de transmission 3, la ligne de transmission étant disposée entre la plaquette de transmission et un plan de base 1. La ligne de transmission est exécutée avec des technologies de microbandes, à substrat suspendu, de ligne à ruban, 35 de ligne à ailettes ou de guide d'ondes coplanaire.
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La ligne de transmission et la plaquette de transmission ne sont pas en contact l’une avec l’autre» Elles sont séparées par un matériau diélectrique ou par de l’air. La plaquette de transmission , à son 5 tour, est couplée électromagnétiquement à une plaquette rayonnante 4, la plaquette de transmission et la plaquette rayonnante étant séparées d'une distance S. A nouveau, un matériau diélectrique ou de l'air peut séparer la plaquette de transmission de la plaquette 10 rayonnante. La ligne de transmission doit être espacée de la plaquette de transmission d'une fraction appropriée , d'une longueur d'onde X du rayonnement électromagnétique provenant de la plaquette de transmission.
De même, la distance S entre la plaquette de trans-15 mission et la plaquette rayonnante doit être déterminée d'après la longueur d'onde X .
Bien que les plaquettes de transmission et rayonnante soient circulaires sur les figures, elles peuvent avoir une forme arbitraire mais prédéterminée.
20 La figure 2 montre l'affaiblissement d'adaptation d'une antenne à plaquettes, couplée électromagnétiquement, à transmission capacitive, polarisée linéairement, optimalisée, du type montré à la figure 1a. On observera qu'un affaiblissement d'adaptation de plus de 20 25 dB est présent de l'un et l'autre côté d'une fréquence centrale de 4,1 GHz.
La figure 3a montre la ligne de transmission couplée capacitivement à une plaquette de transmission ayant des crans ou découpures 5 diamétralement oppo-30 sées, les crans ou découpures étant à un angle de 45 degrés par rapport au couplage capacitif de la ligne de transmission. Du fait que la ligne de transmission peut être élargie, c'est-à-dire qu'elle devient plus large lorsqu'elle s’approche de la plaquette de trans-35 mission pour diminuer la résistance, on peut disposer 7 d'un espace suffisant pour seulement un point de transmission par plaquette de transmission. Par conséquent, pour obtenir la polarisation circulaire, les segments de perturbation - soit les découpures montrées à la 5 figure 3a, soit les pattes 6 montrées à la figure 3b, les pattes étant placées de la même manière que les découpures par rapport à la ligne de transmission -sont nécessaires. Deux segments de perturbation diamétralement opposés sont prévus pour chaque plaquette.
10 D'autres formes et emplacements des segments de perturbation sont possibles. Dans le cas où deux points de transmission sont possibles, c'est-à-dire lorsqu'il existe un espace suffisant, les segments de perturbation peuvent n'être pas nécessaires. Une telle confi-15 guration est montrée à 1% figure 1c sur laquelle les lignes de transmission 2 et 2' sont placées à angle droit l'une de l'autre avec un décalage de phase de 90 degrés pour obtenir la polarisation circulaire.
La figure 4 montre l'affaiblissement d'adapta-20 tion d'une antenne à plaquettes à couplage électromagnétique, à transmission capacitive, polarisée circulaire-ment, optimalisée, du type montré à la figure 3b. On observera qu'un affaiblissement d'adaptation de plus de 20 dB est présent de chaque côté d'une fréquence 25 centrale de 4,1 GHz.
A la figure 5, on voit plusieurs éléments constituant un réseau. Les segments de perturbation sur chaque élément sont orientés différemment par rapport aux positions de segments sur les autres éléments, bien 30 que chaque ligne de transmission soit placée sous l'orientation de 45 degrés prémentionnée, par rapport à chaque paire de segments diamétralement opposés sur chaque plaquette de transmission. La ligne 7 va à un hybride annulaire 8 qui transmet à deux coupleurs 9 35 d'embranchements de lignes sur un circuit imprimé d'un 8 réseau de transmission. Ceci fait que les lignes de transmission 2 sont décalées en phase progressivement de 90 degrés l'une par rapport à l'autre. On peut utiliser d'autres réseaux de transmission produisant 5 la division d'énergie et la progression de phase convenables.
' Les plaquettes de transmission sont disposées de façon à être en alignement avec les plaquettes rayonnantes (non numérotées). C'est-à-dire que pour une 10 paire donnée quelconque comprenant une plaquette de transmission et une plaquette rayonnante, les pattes (ou les découpures) sont en alignement. Les paires sont arrangées de façon que la polarisation de deux paires adjacentes quelconques soit orthogonale. En 15 d'autres termes, les segments de perturbation d'une plaquette de transmission seront orthogonaux par rapport aux plaquettes de transmission qui lui sont adjacentes. Les lignes de transmission individuelles rayonnent vers les plaquettes de transmission. En conséquence, le 20 réseau d'ensemble peut comprendre trois circuits imprimés qui ne sont pas en contact l'un avec l'autre : un circuit imprimé de réseau de transmission ,un circuit imprimé de plaquette de transmission et un circuit imprimé de plaquette rayonnante.
25 Au surplus , alors que la figure 5 montre un réseau à quatre éléments, on peut utiliser un nombre quelconque d'éléments pour faire un réseau pour obtenir un fonctionnement sur une largeur de bande plus étendue. Naturellement, les segments de perturbation doivent 30 être placés de manière appropriée l'un par rapport à l'autre ; pour la configuration à quatre éléments, ces segments sont placés orthogonalement.
En outre, plusieurs réseaux ayant des configurations semblables à celle montrée à la figure 5 peuvent 35 être combinés pour former un réseau tel que montré à la 9 figure 8. (Dans ce cas, les réseaux de la figure 5 peuvent être considérés comme sous-réseaux). Chaque sous-réseau peut avoir un nombre différent d’éléments. Si l’on désire la polarisation circulaire, naturelle-5 ment, les segments de perturbation sur les éléments de chaque sous-réseau doivent être placés de façon appropriée dans le sous-réseau, comme décrit plus haut à propos de la figure 5. En particulier, les segments de perturbation doivent être placés à des intervalles 10 angulaires réguliers dans chaque sous-réseau, de façon que la somme des incréments angulaires (décalages de phase entre les éléments de chaque sous-réseau) soit de 360 degrés. En d’autres termes, l'incrément angulaire entre les éléments adjacents respectifs est de 15 360/N, où N est le nombre des éléments d'un sous- réseau donné.
Un autre paramètre que l'on peut faire varier est la dimension des pattes ou des découpures utilisées comme segments de perturbation par rapport à la lon-20 gueur et à la largeur des plaquettes de transmission et rayonnantes. Les dimensions des segments affectent la mesure et la qualité de la polarisation circulaire obtenue.
La figure 6 montre l'affaiblissement d’adapta-25 tion pour un réseau d'antennes à microbandes à quatre éléments, fabriqué suivant l'invention et semblable au réseau d'antennes montré à la figure 5. Comme on peut le voir, l'affaiblissement d'adaptation d'ensemble est proche de 20 dB sur 750 MHz , soit environ 18 pourcent 30 de la largeur de bande.
La figure 7 montre le rapport axial qui est le rapport du grand axe au petit axe de polarisation pour une dimension de segment de perturbation optimale. Le rapport axial est inférieur à 1 dB sur 475 MHz, soit 35 environ 12 pourcent de la largeur de bande. On peut 10 faire changer la dimension des segments de perturbation pour obtenir des rapports axiaux différents.
La technique d’ensemble décrite plus haut permet la fabrication peu coûteuse et simple de réseaux d'an-5 termes à microbandes dont les éléments sont polarisés linéairement ou circulairement, qui ont une grande pureté de polarisation et qui fonctionnent bien sur une grande largeur de bande. Toutes ces particularités rendent une antenne à microbandes,fabriquée suivant la 10 présente invention, intéressante pour être utilisée dans des applications MIC, MMIC, DBS et autres, ainsi que dans d'autres applications utilisant différentes bandes de fréquences.
Bien que l'invention ait été décrite pour l'em-15 ploi. de deux couches de plaquettes pour des applications à large bande, on peut utiliser une multiplicité de couches. Toutes les couches sont couplées électro-magnétiquement et peuvent être établies avec des ensembles différents de dimensions pour produire soit 20 le fonctionnement à large bande, soit le fonctionnement à fréquences multiples.
Légende des figures
Sur la figure 1b: la notation de référence 8 désigne 25 une plaque de base.
Sur les figures 2,4,6: on a désigné par AA l'affaibli s s ement d * adaptation.
Sur la figure 7: on a désigné par RA le rapport axial.

Claims (5)

  1. 2. Procédé suivant la revendication 1, dans 15 lequel on sépare chacune de la multiplicité des lignes de transmission (2), de la multiplicité des plaquettes de transmission (3) et des plaquettes rayonnantes (4) en au moins deux groupes, chaque groupe de lignes de transmission (2), de plaquettes de transmission (3) et 20 de plaquettes rayonnantes (4) formant un sous-réseau, en sorte que soient formés au moins deux sous-réseaux, les sous-réseaux étant reliés à une ligne de transmission commune (7). 3o- Procédé suivant la revendication 1, dans 25 lequel la multiplicité des lignes de transmission (2), la multiplicité des plaquettes de transmission (3) et la multiplicité des plaquettes rayonnantes (4) sont configurées en sorte d'obtenir la polarisation linéaire ou la polarisation circulaire, chacune des plaquettes 30 de transmission étant couplée à au moins deux des lignes de transmission (2) pour obtenir la polarisation circulaire.
  2. 4.- Procédé suivant la revendication 1, dans lequel chacune de la multiplicité des plaquettes de 35 transmission (3) a plusieurs segments de perturbation » 12 (premiers segments de perturbation )(5,6) et où chacune des plaquettes de la multiplicité des plaquettes rayonnantes a plusieurs seconds segments (5*6) de perturbation, ce procédé comprenant en outre l’étape consis-5 tant à coupler chacune des plaquettes de transmission (3) et une, respective, des plaquettes rayonnantes (4), de façon que les premiers et seconds segments de perturbation (5*6) sur chacune des plaquettes de transmission (3), et une, respective, des plaquettes rayonnan-10 tes (4) soient en alignement en sorte d’obtenir une polari sation circulaire.
  3. 5.- Réseau d'antennes à microbandes comprenantî - une multiplicité de lignes de transmission (2) ; - une multiplicité de plaquettes de transmission 15 (3)» chacune couplée sans contact à au moins une, res pective, de la multiplicité des lignes de transmission (2) ï et - une multiplicité de plaquettes rayonnantes (4), chacune couplée sans contact à une, respective, des 20 plaquettes de la multiplicité des plaquettes de transmission (3) » chacune des lignes de transmission (2), de la multiplicité des plaquettes de transmission (3) et de la multiplicité des plaquettes rayonnantes (4) étant séparée en au moins deux groupes, chaque groupe 25 de lignes de transmission (2), de plaquettes de transmission (3) et de plaquettes rayonnantes (4) formant un sous-réseau en sorte que soient formés au moins deux sous-réseaux, les sous-réseaux étant connectés à une ligne de transmission (7) commune. 30 6.- Réseau d'antennes à microbandes suivant la revendication 5, dans lequel la multiplicité des lignes de transmission (2), la multiplicité de plaquettes de transmission (3) et la multiplicité de plaquettes rayonnantes (4) sont configurées en sorte d'obtenir la 35 polarisation linéaire ou la polarisation circulaire, > , 13 chacune des plaquettes de transmission étant couplée à au moins une ligne de transmission pour obtenir la polarisation circulaire.
  4. 7.- Réseau d’antennes à microbandes suivant la 5 revendication 5, dans lequel la multiplicité des plaquettes de transmission (3) a plusieurs premiers segments de perturbation (5,6) et où la multiplicité des plaquettes rayonnantes (4) a plusieurs seconds segments de perturbation, les premiers et seconds segments de 10 perturbation (5,6) comprenant des pattes (6) ou des découpures (5) s'étendant à partir ou découpées à partir des plaquettes de transmission (3) et des plaquettes rayonnantes (4), respectivement, de sorte que l'on obtient la polarisation circulaire. 15 8.- Réseau d'antennes à microbandes suivant la revendication 5, dans lequel les plaquettes de transmission (3) et les plaquettes rayonnantes (9) sont de forme arbitraire mais prédéfinie.
  5. 9.- Réseau d'antennes à microbandes suivant la 20 revendication 7, dans lequel le nombre des éléments d'un premier des groupes au nombre d’au moins deux est et dans lequel le nombre des éléments d'un second des groupes comprenant au moins deux groupes est Ng, où N.j et sont des entiers supérieurs à 1 et où un 25 premier déplacement angulaire des segments de perturbation (5,6) de l'une des plaquettes rayonnantes (4) par rapport aux segments de perturbation (5,6) sur des plaquettes rayonnantes (4) adjacentes dans le premier , des groupes au nombre d'au moins deux, est égal à 360 30 degrés divisés par , et où un second déplacement angulaire des segments de perturbation (5,6) d'une plaquette rayonnante (4) par rapport aux segments de perturbation (5,6) sur des plaquettes rayonnantes (4) adjacentes dans le second des groupes au nombre d'au 35 moins deux, est égal à 360 degrés divisés par Ng . 14 10, - Réseau d'antennes à microbandes suivant la revendication 7, dans lequel le nombre des premiers et seconds segments de perturbation (5»6) est de deux, les premiers segments de perturbation (5,6) étant dia- 5 métralement opposés l'un par rapport à l'autre sur chacune des plaquettes de transmission, chacune des lignes de transmission (2) étant couplée à une plaquette correspondante des plaquettes de transmission suivant un angle de 45 degrés par rapport à l'un des premiers 10 segments de perturbation ( 5»6). 11, - Réseau d'antennes à microbandes suivant la revendication 10, dans lequel le nombre des seconds segments de perturbation (5»6) est de deux, et dans lequel les premiers et seconds segments de perturba- 15 tion (5»6) sur chacune des plaquettes de transmission (3) et une, respective, des plaquettes rayonnantes (4) sont en alignement . 12, - Réseau d'antennes à microbandes suivant la revendication 5» dans lequel chacune des lignes de 20 transmission (2) est séparée d'une plaquette correspondante des plaquettes de transmission (3) par de l'air ou un matériau diélectrique, et dans lequel chacune des plaquettes de transmission (3) est séparée d'une plaquette correspondante des plaquettes rayon- 25 nantes (4) par de l'air ou par un matériau diélectrique. 13, - Réseau d'antennes à microbandes suivant la revendication 6, dans lequel chacune des lignes de transmission (2) est couplée à une correspondante des 30 plaquettes de transmission (3) suivant un paramètre substantiellement en relation avec une longueur d'onde du rayonnement électromagnétique, chacune des plaquettes de transmission (3) étant couplée à une plaquette correspondante des plaquettes rayonnantes (4) suivant un 35 paramètre substantiellement en relation avec une longueur d'onde du rayonnement électromagnétique.
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