WO1998027616A1 - Antenne reseau imprimee large bande - Google Patents

Antenne reseau imprimee large bande Download PDF

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WO1998027616A1
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Jean-Pierre Daniel
Mohamed Himdi
Daniel Gaudin
Jean-Pierre David
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
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    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/22—Antenna units of the array energised non-uniformly in amplitude or phase, e.g. tapered array or binomial array

Definitions

  • the present invention relates to a broadband printed network antenna intended to provide a main lobe substantially of revolution around an axis passing through its center.
  • An object of the invention is therefore a printed array antenna with a small footprint thanks to the use of pellets and having a substantially revolution diagram over a very wide band.
  • a broadband printed array antenna is therefore provided to provide a main lobe substantially of revolution around an axis passing through the center (A) of the antenna, said antenna comprising a plurality of substantially square radiating pellets. supplied by microstrip lines, characterized in that the supply by said lines from the center (A) of the antenna is of the tree type and in that each patch is supplied by an angle by one of said lines which partially overlaps said angle.
  • the distribution of the pellets is not periodic so as to limit the secondary lobes in the radiation pattern of the antenna and to separate the network lobes, the pellets at the periphery of the antenna in this direction having a spacing greater than that of the pellets towards the center of the antenna.
  • FIG. 1 is a plan view of the antenna according to the invention.
  • FIG. 1 is a plan view of the antenna according to the invention.
  • This antenna 1 uses a network of pellets (“patch”) 10.1 1 distributed over an area limited here by an octagon without this being in any way limiting.
  • These pads are supplied by a network of supply lines 40 from a central point A where the signal is applied, for example by means of a coaxial.
  • FIG. 2 is a partial section through the antenna 1.
  • the antenna is produced according to the technique of printed circuits and comprises a first dielectric layer 12, for example made of polypropyiene, one face of which carries a metallization 13 serving as ground plane and the other face of which includes the pellets 10 (one of them is shown).
  • a layer of dielectric foam 3 much thicker which in turn carries a second dielectric layer 2, by example made of epoxy glass, the face of which in contact with the foam carries parasites 20 opposite each of the pellets 10.
  • These parasites preferably have the same shape as the pellets but are of smaller size and make it possible to enlarge the bandwidth of the antenna.
  • the thickness h2 of the dielectric foam layer 3 is preferably three to four times the thickness h3 of the first dielectric layer 12. Thanks to this structure, the second dielectric layer 2 carrying the parasites also serves as a radome for the antenna. .
  • FIG 3 shows, in plan view, a pellet 10 and its supply.
  • This patch is square in shape, side a_; opposite it is the corresponding parasite 20 on side b smaller than a.
  • the patch is supplied at an angle through its angle 100 which is connected to the line 40 at 90 ° to the diagonal of the patch.
  • the size of the overlap between line and patch makes it possible in particular to adapt the impedance of the assembly.
  • the advantage of the angle feed with a tree feed as shown in Figure 1 is that this removes for each pastille an elbow on the line, which would otherwise be necessary if the departure of line 40 from the angle 100 was in the direction of the diagonal of the patch leading to the angle. This eliminates a significant cause of losses due to elbows on the entire network.
  • the distribution of the pads on the antenna could be done periodically as is conventional in the array antennas.
  • a non-periodic distribution of the pellets 10, 11 is used according to at least one direction of the antenna plane.
  • the periodicity is destroyed according to the plane E.
  • the pads 10 of the center of the antenna are distributed periodically with a periodicity of 0.8 ⁇ , where ⁇ is the central wavelength of the bandwidth of the antenna, and the pads 1 1 of the periphery in the direction of the field E have a greater spacing, for example 0.9 ⁇ .
  • ⁇ is the central wavelength of the bandwidth of the antenna
  • the pads 1 1 of the periphery in the direction of the field E have a greater spacing, for example 0.9 ⁇ .
  • FIG. 5 Another source of disturbance in the radiation pattern is the central feed to the antenna.
  • the immediate solution to pass from the coaxial line (not shown) for supplying the signal at point A to the tree feed by lines 40 is to use the diagram in FIG. 6 with two main lines 41, 42 and 43, 44 crosswise in the center A 'of the antenna. Each section 41, 44, 42, 43 feeds a successive sector of the antenna around the center A '.
  • FIG. 7 To remedy this, the geometry of FIG. 7 is therefore adopted.
  • the main supply lines of two successive sectors are interconnected by a central line, 45 for lines 41 and 44 and 46 for lines 42 and 43, for form two groups from two successive sectors.
  • a distribution line 47 connects the central point A to lines 45 and 46.
  • This geometry of the supply lines significantly reduces the secondary lobes as can be seen in the diagram in FIG. 9 corresponding to the structure in FIG. 7.
  • the level of the secondary lobes is always less than -16 dB.
  • a network antenna with a small footprint and weight is obtained, with radome protection, a very wide bandwidth (greater than 10% for an ROS ⁇ 1, 5), a radiation diagram. of revolution and a low level of secondary lobes.
  • the antenna according to the invention is not very sensitive to the positioning of the parasites which widen the bandwidth.

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)

Abstract

L'invention concerne une antenne réseau large bande fournissant un lobe principal sensiblement de révolution. Cette antenne comprend des pastilles (10, 11) disposées avec une rupture de périodicité selon un des plans et alimentées en angle par des lignes d'alimentation (40) arborescentes à partir du point central (A) d'excitation. Chaque pastille a en vis-à-vis un parasite pour élargir la bande. L'invention s'applique notamment à des radars de mesure.

Description

- ANTENNE RESEAU IMPRIMEE LARGE BANDE -
La présente invention se rapporte à une antenne réseau imprimée large bande destinée à fournir un lobe principal sensiblement de révolution autour d'un axe passant par son centre.
Il est bien connu maintenant que, pour réaliser des antennes à faible encombrement, une solution particulièrement intéressante est l'utilisation d'antennes réseaux imprimées. Parmi les différents types possibles, les antennes à pastilles ("patch" dans la littérature anglo-saxonne) sont encore peu utilisées malgré leur intérêt, dû à la facilité de réalisation par les techniques connues de fabrication de circuits imprimés.
Dans certaines applications comme par exemple des radars de mesure en espace clos, il est particulièrement important d'avoir une antenne micro-ondes à large bande dont le diagramme de rayonnement soit sensiblement de révolution.
Bien que cela soit réalisable avec des types d'éléments rayonnants classiques, tels que cornets , le problème rencontré est celui d'un encombrement souvent trop important.
Un objet de l'invention est donc une antenne réseau imprimée de faible encombrement grâce à l'utilisation de pastilles et présentant un diagramme sensiblement de révolution sur une très large bande.
Selon l'invention, il est donc prévu une antenne réseau imprimée large bande pour fournir un lobe principal sensiblement de révolution autour d'un axe passant par le centre (A) de l'antenne, ladite antenne comportant une pluralité de pastilles rayonnantes sensiblement carrées alimentées par des lignes microrubans, caractérisée en ce que l'alimentation par lesdites lignes à partir du centre (A) de l'antenne est du type arborescente et en ce que chaque pastille est alimentée par un angle par une desdites lignes qui chevauche partiellement ledit angle.
Pour obtenir un diagramme de rayonnement le plus propre possible, selon un autre aspect de l'invention, il est en autre prévu que , selon au moins une direction du plan de l'antenne (E,H,D), la répartition des pastilles n'est pas périodique de manière à limiter les lobes secondaires dans le diagramme de rayonnement de l'antenne et à écarter les lobes de réseau, les pastilles à la périphérie de l'antenne dans cette direction présentant un écartement supérieur à celui des pastilles vers le centre de l'antenne.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints où :
- la figure 1 est une vue en plan de l'antenne selon l'invention.
- la figure 2 est une vue en coupe partielle ;
- la figure 3 représente une pastille et sa ligne d'alimentation ;
- les figures 4 et 5 sont des diagrammes illustrant l'amélioration des performances grâce à la non périodicité des pastilles ;
- la figure 6 illustre une alimentation centrale classique en croix de l'antenne ;
- la figure 7 illustre l'alimentation centrale selon l'invention ;
- les figures 8 et 9 montrent le diagramme de rayonnement dans le plan H à la fréquence la plus haute, respectivement dans le cas de la figure
6 et de la figure 7 ;
- les figures 10 et 1 1 sont les diagrammes en plan E et D à la fréquence la plus haute pour l'antenne selon l'invention ; et
- les figures 12 à 14 représentent les diagrammes de rayonnement de l'antenne selon l'invention dans les plans H, E et D pour la fréquence la plus basse.
La figure 1 est une vue en plan de l'antenne selon l'invention. Cette antenne 1 utilise un réseau de pastilles ("patch") 10,1 1 réparties sur une surface limitée ici par un octogone sans que cela soit en rien limitatif. Ces pastilles sont alimentées par un réseau de lignes d'alimentation 40 à partir d'un point central A où est appliqué le signal, par exemple par l'intermédiaire d'un coaxial.
La structure de l'antenne sera mieux comprise à l'aide des figures 2 et 3 . La figure 2 est une coupe partielle à travers l'antenne 1. L'antenne est réalisée selon la technique des circuits imprimés et comprend une première couche diélectrique 12, par exemple en polypropyiène, dont une face porte une métallisation 13 servant de plan de masse et dont l'autre face comporte les pastilles 10 (l'une d'entre elles est représentée). Sur la face portant les pastilles est appliquée une couche de mousse diélectrique 3 beaucoup plus épaisse qui porte à son tour une seconde couche diélectrique 2, par exemple en verre époxy, dont la face en contact avec la mousse porte des parasites 20 en vis-à-vis avec chacune des pastilles 10. Ces parasites ont de préférence la même forme que les pastilles mais sont de taille inférieure et permettent d'élargir la bande passante de l'antenne. L'épaisseur h2 de la couche de mousse diélectrique 3 est de préférence trois à quatre fois l'épaisseur h3 de la première couche diélectrique 12. Grâce à cette structure, la seconde couche diélectrique 2 portant les parasites sert aussi de radôme pour l'antenne.
Les parasites n'ont pas été représentés sur la figure 1 pour la clarté du dessin.
La figure 3 montre, vue en plan, une pastille 10 et son alimentation. Cette pastille est de forme carrée, de côté a_ ; en face d'elle se trouve le parasite correspondant 20 de côté b plus petit que a. La pastille est alimentée en angle par son angle 100 qui est raccordé à la ligne 40 à 90° de la diagonale de la pastille. La taille du chevauchement entre ligne et pastille permet d'adapter notamment l'impédance de l'ensemble. L'avantage de l'alimentation en angle avec une alimentation arborescente comme présenté sur la figure 1 est qu'on supprime ainsi pour chaque pastille un coude sur la ligne, qui, sinon, serait nécessaire si le départ de la ligne 40 à partir de l'angle 100 se faisait dans le sens de la diagonale de la pastille aboutissant à l'angle. On élimine ainsi une cause notable de pertes dues aux coudes sur l'ensemble du réseau.
En revenant à la figure 1 , la répartition des pastilles sur l'antenne pourrait se faire de manière périodique comme cela est classique dans les antennes réseaux. Cependant, comme on peut le voir sur le diagramme de rayonnement de la figure 4 selon le plan H (pour la fréquence la plus élevée de la bande considérée ici à titre d'exemple), on observe une remontée des lobes secondaires vers ± 90° qui est très gênante.
On rappelle que, dans le diagramme global de rayonnement d'une antenne, on peut définir des coupes par le plan contenant le champ électrique (plan E), par le plan contenant le champ magnétique (plan H) et par des plans diagonaux à 45° des plans E et H (plans D).
Selon une caractéristique de l'invention, pour empêcher cette remontée des lobes secondaires et écarter les lobes de réseaux, on utilise une répartition non périodique des pastilles 10, 11 selon au moins une direction du plan de l'antenne. Dans l'exemple décrit à l'aide de la Figure 1 , on détruit la périodicité selon le plan E. Ainsi, les pastilles 10 du centre de l'antenne sont réparties périodiquement avec une périodicité de 0,8 λ, où λ est la longueur d'onde centrale de la bande passante de l'antenne, et les pastilles 1 1 de la périphérie dans la direction du champ E ont un écartement plus grand, par exemple 0,9 λ. Bien entendu, on pourrait aussi envisager une croissance par paliers de l'écartement entre pastilles.
Grâce à l'introduction de cette non périodicité, on obtient alors le diagramme de la figure 5 où les remontées gênantes ont été éliminées. Une autre source de perturbation dans le diagramme de rayonnement réside dans l'alimentation centrale de l'antenne. La solution immédiate pour passer de la ligne coaxiale (non représentée) d'amenée du signal au point A à l'alimentation arborescente par les lignes 40 est d'utiliser le schéma de la figure 6 avec deux lignes principales 41 ,42 et 43,44 en croix au centre A' de l'antenne. Chaque tronçon 41 ,44,42,43 alimente un secteur successif de l'antenne autour du centre A'. Cependant, on constate alors une dégradation des lobes secondaires à ± 40°, comme on peut le voir sur le diagramme à la fréquence la plus élevée en pian H de la figure 8 (remontée jusqu'à environ -13 dB). Ceci est dû très vraisemblablement au rayonnement parasite de la croix.
Pour y remédier, on adopte donc la géométrie de la figure 7. Les lignes d'alimentation principales de deux secteurs successifs sont reliées entre elles par une ligne centrale, 45 pour les lignes 41 et 44 et 46 pour les lignes 42 et 43, pour former deux groupes de deux secteurs successifs. Une ligne de répartition 47 relie le point central A aux lignes 45 et 46. Cette géométrie des lignes d'alimentation réduit notablement les lobes secondaires comme on peut le voir sur le diagramme de la figure 9 correspondant à la structure de la figure 7.
Comme on l'a mentionné plus haut, il est important pour certaines applications d'obtenir un diagramme de révolution, c'est-à-dire avec des ouvertures à 3 dB sensiblement identiques pour le lobe principal dans les divers plans H, E et D.
Dans l'antenne selon l'invention ceci est obtenu par la combinaison de la non périodicité des pastilles et de pondérations convenables appliquées aux diverses pastilles par l'intermédiaire des lignes d'alimentation 40.
Grâce à cela, on obtient des diagrammes sensiblement de révolution sur toute la bande passante de l'antenne. Ceci apparaît par exemple pour la fréquence la plus haute sur les diagrammes des figures 9,10 et 1 1 respectivement en plan H, E et D. On constate la même qualité pour la fréquence la plus basse (ici 9,2 GHz) sur les diagramme des figures 12,13 et 14 respectivement en plan H, E et D.
Dans tous les cas de figure représentés, le niveau des lobes secondaires est toujours inférieur à -16 dB.
Ainsi, grâce aux caractéristiques selon l'invention, on obtient une antenne réseau à faible encombrement et poids, avec une protection par radôme, une bande passante très large (supérieure à 10% pour un R O S <1 ,5), un diagramme de rayonnement de révolution et un faible niveau de lobes secondaires. En outre, l'antenne selon l'invention est peu sensible au positionnement des parasites qui élargissent la bande passante. Enfin, l'alimentation arborescente des pastilles par un angle réduit les pertes;
Bien entendu, l'exemple de réalisation décrit n'est nullement limitatif de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1 Antenne réseau imprimée large bande pour fournir un lobe principal sensiblement de révolution autour d'un axe passant par le centre (A) de l'antenne, ladite antenne comportant une pluralité de pastilles rayonnantes (10, 1 1 ) sensiblement carrées alimentées par des lignes microrubans (40), l'alimentation par lesdites lignes (40) à partir du centre (A) de l'antenne étant du type arborescente et chaque pastille (10,1 1 ) étant alimentée par un angle par une desdites lignes (40), caractérisée en ce que la ligne alimentant une pastille à un angle chevauche partiellement ledit angle (100), et en ce que, selon au moins une direction du plan de l'antenne (E,H,D), la répartition des pastilles n'est pas périodique de manière à limiter les lobes secondaires dans le diagramme de rayonnement de l'antenne et à écarter les lobes de réseau, les pastilles (1 1 ) à la périphérie de l'antenne dans cette direction présentant un écartement supérieur à celui des pastilles (10) vers le centre de l'antenne
2 Antenne réseau selon la revendication 1 , caractérisée en ce que ladite direction est celle du plan E de l'antenne
3 Antenne reseau selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdites lignes d'alimentation sont prévues pour pondérer les énergies rayoπnées par chaque pastille (10,1 1 ) de manière à assurer un faisceau principal sensiblement de révolution dans ladite large bande
4 Antenne réseau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'antenne est divisée en deux groupes de deux secteurs successifs, chaque secteur étant alimenté de manière arborescente à partir d'une ligne principale (41 à 44) et les lignes principales des secteurs d'un groupe (41 ,44 , 42,43) étant reliées par une ligne centrale (45 , 46), et en ce que l'alimentation à partir du centre (A) de l'antenne s'effectue par une ligne de répartition (47) reliant ledit centre (A) auxdites lignes centrales des deux groupes 5 Antenne reseau selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend une première couche diélectrique (12) dont une face est recouverte par un plan de masse (1 3) et dont l'autre face comporte lesdites pastilles (10, 1 1 ) et lesdites lignes d'alimentation (40), une couche de mousse diélectrique (3) sur ladite autre face et une seconde couche diélectrique (2) dont la face tournée vers la couche de mousse porte des parasites (20) de même forme que lesdites pastilles et en vis-à-vis desdites pastilles, pour accroître la bande passante de l'antenne
6 Antenne réseau selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdits parasites (20) sont de taille inférieure aux pastilles (1 0,1 1 ) correspondantes
7 Antenne réseau selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que ladite seconde couche (2) est en verre epoxy de manière à servir de radôme pour l'antenne
8 Antenne réseau selon la revendication 7, caractérisée en ce que ladite première couche (12) est en polypropylène et en ce que l'épaisseur (h1 ) de ladite première couche (12) est de trois a quatre fois plus faible que l'épaisseur de ladite couche de mousse diélectrique (3)
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