WO2011134666A1 - Element rayonnant compact a cavites resonantes - Google Patents

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WO2011134666A1
WO2011134666A1 PCT/EP2011/002149 EP2011002149W WO2011134666A1 WO 2011134666 A1 WO2011134666 A1 WO 2011134666A1 EP 2011002149 W EP2011002149 W EP 2011002149W WO 2011134666 A1 WO2011134666 A1 WO 2011134666A1
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WO
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radiating element
cavity
polarizing
lower cavity
resonant cavities
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PCT/EP2011/002149
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Hervé Legay
Shoaib Muhammad
Ronan Sauleau
Gérard Caille
Original Assignee
Thales
Centre National De La Recherche Scientifique
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    • H01Q15/24—Polarising devices; Polarisation filters 
    • H01Q15/242—Polarisation converters
    • H01Q15/244—Polarisation converters converting a linear polarised wave into a circular polarised wave

Definitions

  • the present invention relates to the field of radiating elements, in particular for the low frequency bands, more particularly the frequency bands lying below the S band, and used in applications requiring the radiating of power, which can also be used in network antennas. It applies in particular to antennas used in telecommunication satellites.
  • radiating element denotes a combination of at least one radiating ground plane, excitation means intended to be supplied with signals, and a charged resonant cavity, of radiating energy representative of these signals according to a wavelength ⁇ 0 chosen.
  • the radiating elements used in network antennas must typically have at least one of the following characteristics: a high surface efficiency and / or a small footprint and a low mass and / or the ability to be excited compactly in single or dual -polarization and / or a bandwidth compatible with the intended application.
  • the feature of high surface efficiency is particularly important in uses of radiating elements in network antennas, because it optimizes the gain and reduces the levels of side lobes and lattice lobes.
  • this characteristic is hardly compatible with some of the other characteristics, and in particular those of compactness and integration, regardless of the frequency band concerned.
  • network antenna designates both active direct radiation network antennas and focal network antennas, the latter having one or more focusing reflectors, with an array of elementary sources placed in the focal zone.
  • FAFR corresponding to the English terminology “Focal Array Fed Reflector”.
  • CQPIE OF CONFIRMATION beam or "spot” is achieved by coherently grouping the signals of a subset of the elementary sources, with appropriate amplitudes and phases to obtain the desired antenna pattern, including the size and direction of aiming of the main lobe of radiation.
  • the radiating elements whatever the applications for which they are intended, aim at filling the cones, too bulky.
  • the most compact horns are of the Potter horn type; they have a longitudinal dimension typically greater than 3 ⁇ 0 , where ⁇ 0 is the wavelength in vacuum; for example, ⁇ is of the order of 150 mm in S-band.
  • These Potter's horns are limited in radiating aperture, and thus in gain. Larger dimensions require longer lengths. As a result, Potter's turbinates have significant longitudinal bulk, as well as a large mass.
  • a first type of planar subnetwork consists of radiating elements of cobblestone type, also called "patches" according to English terminology, connected by a triplate splitter.
  • This splitter is relatively complex and makes it difficult to achieve a sub-network for bi-polarization, or even a dual-band operation. The losses generated in this network can also be significant.
  • a second type of sub-network in particular described in the French patent application published under the reference FR2767970, consists of the combination of an exciter resonator of cobblestone type and of parasitic cobblestones which constitute radiating elements known under the initials ERDV, for "Radiant Element with Variable Directivity".
  • This second type makes it possible to dispense with the splitter, and thus to significantly simplify its definition, as well as to repolarize in circular fields when the blocks, or "patches”, are chamfered and the polarization is circular. But, its implementation for openings greater than 1, 5 times the nominal operating wavelength is complex. This concept is also based on a micro-ribbon technology that can be incompatible with high power.
  • the radiating element is then entirely metallic, compatible with applications requiring a high power, much simpler to define than a conventional ERDV element, and makes it possible to reach larger radiating openings than a conventional ERDV element.
  • a radiating element has two disadvantages: obtaining large radiating openings requires grids of high reflectivities, so that the electromagnetic field is established in the Perot-Fabry type cavity.
  • One of the embodiments presented therein, hereinafter described in detail with reference to FIG. 2, comprises a stack two air cavities type Perot-Fabry, allowing great compactness, while giving a high surface efficiency and compatibility with high power signals.
  • the stack of two cavities makes it possible to release the coefficient of overvoltage of the exciter cavity, and thus to reduce the returns in the access, to allow a better adaptation.
  • Such a structure is conducive to the excitation of higher modes, in particular generated by the discontinuity present at the interface of the two stacked cavities. These higher modes interfere with the antenna's radiation pattern.
  • the aforementioned patent application FR2901062 proposes to overcome this problem by the use of side walls for the cavities, within which are made adequate reliefs.
  • the reliefs may for example be made in the form of longitudinal corrugations. Nevertheless, such corrugations are difficult to achieve, and are relatively bulky.
  • it may be necessary in practice to load these corrugations of a dielectric, which makes their realization more complex, and can generate problems in a space environment, or in which it is necessary to process strong signals. power.
  • the radiating elements must be able to be excited in single polarization and / or in bipolarization and / or in circular polarization.
  • the size of the polarizer is of the same order of magnitude as the size of the horn.
  • the size of the antennas is strongly impacted by the addition of polarizers.
  • An object of the present invention is to overcome at least the aforementioned drawbacks, by proposing a radiating element with resonant cavities with high surface efficiency, whose structure is particularly compact, and confers an optimal compromise between a high surface efficiency, a low congestion and low mass, as well as the ability to be excited in single polarization or bipolarization.
  • the subject of the present invention is a radiating element comprising at least two concentric resonant cavities, formed by a lower cavity fed by excitation means, and an upper cavity stacked on the lower cavity, each of said resonant cavities being delimited.
  • the radiating element in its lower part by a ground plane, in its lateral part by a substantially cylindrical or conical side wall, at least the upper cavity being delimited at its upper part by a first substantially plane cover, the radiating element being characterized in that essentially cylindrical and concentric corrugations of the resonant cavities are formed substantially below the first ground plane of the upper resonant cavity.
  • the sidewalls may be substantially cylindrical in shape.
  • the sidewalls may be substantially conical in shape.
  • the lower cavity may also be delimited at its upper part, substantially at the level of the lower part of the upper cavity, by a second cap.
  • the ground planes, the covers, the side walls and the corrugations may be essentially made of a metallic material.
  • the covers may be formed by a partially reflecting surface.
  • the covers may be formed by a metal grid.
  • the covers may be formed by a dielectric material.
  • the radiating element may be characterized in that a polarizing radome is formed in the upper part of the upper cavity.
  • the polarizing radome may be formed by two polarizing frequency selective surfaces called FSS.
  • polarizers substantially planar, arranged parallel to each other, and parallel and substantially above said first hood.
  • each polarizing FSS may be formed by a metal plate having a plurality of slots.
  • each polarizing FSS may be formed by a metal plate comprising a plurality of cross-slot cells.
  • each polarizing FSS may be formed by a metal plate comprising a plurality of cross-slotted cells arranged in a periodic pattern on the surface of the metal plate.
  • the side walls and the corrugations may be cylindrical with circular section.
  • said excitation means may comprise at least one concentric supply guide of the resonant cavities and opening directly, or via adaptation means, into the lower cavity.
  • said excitation means may comprise at least one double feed formed by two lateral waveguides opening symmetrically with respect to the main axis of the lower cavity, substantially at the level of the side wall of the lower cavity, the signals conveyed by the excitation means being tuned in phase so that the unwanted upper modes are filtered.
  • said excitation means may comprise at least one concentric supply guide of the resonant cavities and opening directly, or via adaptation means, into the lower cavity, and at least one power supply. double formed by two lateral waveguides opening symmetrically with respect to the main axis of the lower cavity, substantially at the sidewall of the lower cavity, the signals conveyed by the excitation means being tuned in phase so that the unwanted top modes are filtered.
  • a polarizing radome can be made above the upper cavity, the polarizing radome being substantially cylindrical and concentric resonant cavities.
  • the polarizing radome may be substantially cylindrical in shape with a square section.
  • the present invention also relates to a network antenna characterized in that it comprises one or a plurality of radiating elements as described above.
  • a network antenna characterized in that it comprises one or a plurality of radiating elements as described above.
  • FIG. 1 shows a single air cavity radiator element, of the Pérot-Fabry type, according to an embodiment itself known from the state of the art and described in the aforementioned patent application FR2901062.
  • a radiating element 10, shown in side sectional view in an XZ plane in the figure, may comprise an air resonant cavity 11 entirely delimited by a ground plane 110 at its bottom part situated in an XY plane, side walls 111 and a hood 1 12 in its upper part.
  • the radiating element 10 comprises excitation means 12, which can be supplied with radiofrequency signals.
  • the excitation means 12 may in particular comprise a supply port, for example formed by a metal waveguide 121 whose main axis is parallel to the Z axis, one of whose ends opens substantially at the level of the plane of Mass 110.
  • the air resonant cavity 11 has a transverse section, that is to say parallel to the XY plane, for example square, circular, hexagonal, or any other form that is compatible with the networking of the radiating element 10.
  • the side walls 111 may be of the "hard surface" type, that is to say for example made of a metallic material, in which longitudinal grooves are formed on the one hand. and other longitudinal ribs.
  • the longitudinal grooves can be filled at least partially with a dielectric material.
  • Longitudinal furrows and ribs can define periodic longitudinal structuring. As mentioned above, such a structuring is difficult to achieve in practice, and has a large footprint. In addition, the realization of such structuring is complicated by the need to load a dielectric material longitudinal grooves.
  • the cover 1 12 may for example be made of a thin or thick dielectric material.
  • the dielectric material may for example comprise a face in which is formed a metal grid forming a semi-reflecting surface for increasing the excitation of the air resonant cavity 11 by the signals.
  • the dielectric material may also comprise a face on which is formed a metal pad, said "patch", or a network of metal blocks, in order to induce a resonance complementary to that of the air resonant cavity 11.
  • the cover 1 12 may be made of a metallic material in which is formed a metal grid.
  • the gate formed in the cover 112 may advantageously have a variable pitch in at least one selected direction.
  • FIG. 2 shows a radiating element stacked with two air cavities of the Perrot-Fabry type, according to an embodiment itself known from the state of the art and described in the aforementioned patent application FR2901062.
  • a radiating element 20 may comprise two concentric air resonant cavities 21 and 22 cascaded; an upper cavity 21 disposed above a lower cavity 22. This cascading is used to excite by the feed port a lower cavity 22 of reduced dimensions, and thus to limit the excitation of higher modes in this lower cavity 22, then by coupling in the upper cavity 21.
  • the radiation can be better controlled, especially in the case of radiating elements 20 wide openings. It also makes it possible to reduce the reflectivities of the covers 212 and 222, and thus to more effectively couple the radiating element 20 to the supply access. The reflection losses in the access guide are reduced, and thus the adaptation of the input impedance of the radiating element 20 is facilitated.
  • the upper cavity 21 has substantially the same structure as the lower cavity 22.
  • the radiating element 20 comprises excitation means 12, ci being able to feed the lower cavity 22.
  • the transverse section of the upper cavity 21 is greater than that of the lower cavity 22.
  • the upper cavity 21 is delimited in the XY plane by a first side wall 211, and covered at its upper part by a first cover 212.
  • the first side wall 211 may be secured to a first ground plane 210, for example formed on the lower surface of a first SBT substrate.
  • the lower cavity 22 is delimited by a second lateral wall 221 and covered by a second cover 222.
  • the second lateral wall 221 can be secured to a second ground plane 220, which can be formed on the lower surface of a second SBT substrate.
  • the first 212 and the first side wall 211 may be made according to the configuration described above with reference to FIG.
  • the first substrate SBT and the first ground plane 210 may comprise a through opening adapted to house the second cover 222 of the lower cavity 22.
  • the covers 212 and 222 may each comprise a metal gate 213, 223, more generally these may comprise partially reflecting surfaces.
  • FIG. 3a and 3b show a radiating element according to an exemplary embodiment of the invention, respectively in a sectional side view and a top view.
  • a radiating element 30 presented in section in the plane XZ may comprise an upper cavity 31 concentric with a lower cavity 32, the upper cavity 31 being stacked on the lower cavity 32, in a similar manner to the example described above with reference to Figure 2.
  • the cavities 31, 32 are essentially cylindrical in the embodiments given by way of examples and described in the figures. Alternative embodiments may also include cavities 31, 32 of substantially conical shape.
  • the lower cavity 32 may be powered by excitation means, for example a metallic waveguide 33, of cylindrical shape in the example illustrated by the figure.
  • the upper cavity 31 may be delimited at its upper part by a first cover 312, in its lateral part by a first side wall 311, and in its lower part by a first ground plane 310.
  • the lower cavity 32 may be delimited at its upper part by a second cover 322, in its lateral part by a second side wall 312, and in its lower part by a second ground plane 320.
  • the ground planes 310, 320 may for example be made in a metallic material.
  • the side walls 311, 321 may be made of a metallic material, and be free of dielectrics and / or reliefs.
  • An opening may be made in the first ground plane 310, of surface substantially corresponding to the surface of the lower cavity 32 in the XY plane, said opening giving way to the second cover 322.
  • the covers 312, 322 may be formed by surfaces partially reflective, for example by grids 313, 323.
  • the grids 313, 323 may be one-dimensional grids, such as son networks, the son being aligned with the polarization excitation.
  • the grids 313, 323 must have identical reflectivity characteristics for the two excitation polarizations, so they are two-dimensional grids, the alignment of which does not have to correspond to that of the excitation polarizations.
  • the waveguide 33 may emerge flush with the bottom of the lower cavity 32, or open into the lower cavity 32, slightly protruding from the bottom of the latter. Also, it may be envisaged to resort to means of adaptation, for example by iris.
  • excitation means by double feeds from the side, respectively for applications requiring a simple polarization or multiple polarization.
  • double polarization excitation can be achieved by a bottom feed as described above, together with a double feed from the side.
  • the dual power supplies open orthogonal to the lateral surface of the lower cavity 32, and opposite each other with respect to the main axis.
  • each dual power supply is associated with a single access, for example by means of a suitable splitter, and all the power supplies are excited in a coherent manner, so that the excitations of the unwanted higher modes are filtered.
  • Such structures make it possible to use the radiating element for applications requiring double polarization.
  • corrugations 300 may be formed, substantially below the first ground plane 310.
  • the corrugations 300 may be made of a metallic material, and may be of cylindrical shape, concentric of the resonant cavities 31, 32 In the example illustrated by FIGS. 3a and 3b, two cylindrical corrugations 300 are shown. In alternative embodiments, cylindrical corrugation may be contemplated. Also, more than two cylindrical corrugations may be disposed under the upper resonant cavity 31; it may be advantageous in such a case to use a plurality of corrugations 300 disposed periodically, that is to say that the spacing between two adjacent concentric corrugations remains constant.
  • corrugations 300 In general, it is necessary to resort to a greater number of corrugations 300, if the lateral size of the upper resonant cavity 31 is larger.
  • the position of a corrugation 300 may, for example, be characterized by its distance r c with respect to the main axis of the radiating element 30.
  • the sizing of the corrugations 300 may be characterized by their height l c , their thickness.
  • the spacing between adjacent corrugations can be characterized by the period ac-
  • the height l c corrugations 300 allows a control of the frequency band where the higher mode is deleted. It is for example advantageous to choose the height l c of the order of a quarter of the nominal wavelength ⁇ operating mode of the radiating element 30, this value allowing a deletion of the upper mode.
  • the position of the corrugations that is to say the value rc, makes it possible to optimize the axial symmetry of the radiation pattern of the radiating element 30, that is to say the desired similarity between the diagrams of radiation in the plane E and in the plane H of the radiated electromagnetic wave. It may be advantageous to choose the value r c of the order of the nominal wavelength ⁇ 0 .
  • a radiating element intended to operate in a frequency band ranging from 2.48 GHz to 2.5 GHz
  • the upper cavity 31 of which is cylindrical in shape with a circular cross-section.
  • the diameter of the lower cavity 32 may for example be less than half the diameter of the upper cavity 31. In this typical example, it is of the order of 1 ⁇ 0 .
  • Such a configuration makes it possible to achieve a perfectly axisymmetric radiation pattern, ie with a constant lobe width regardless of the observation plane, and also characterized by a secondary lobe or SLL level of less than -20 dB. .
  • it has performance such that a directivity variation of between 16 dB and 16.2 dB, a variation of the surface efficiency between 60% and 63%, a reflection coefficient ⁇ s u ⁇ less than -25 dB.
  • a radiating element of similar structure without any corrugation is characterized by a non-axisymmetric radiation pattern, with a pinching of the lobe in the plane E associated with a rise in the secondary lobe or SLL, typically between -13 and -10 dB in the operating band.
  • the cavities 31, 32, as well as the corrugations 300 may be cylindrical with a circular section.
  • Other embodiments of the invention, not shown in the figures, may for example comprise cavities 31, 32 and / or corrugations.
  • 300 cylindrical non-circular section for example square, rectangular, hexagonal, etc.
  • the reflectivities of the partially reflecting surfaces 313, 323 formed by the covers 312, 322 of the cavities 31, 32 may be adjusted to obtain concomitant matching and radiating bands.
  • the lower cavity 32 may be chosen smaller in size than the upper cavity 31.
  • the partially reflecting surfaces 313, 323 may be formed by grids, and the reflectivity of the grid associated with the lower cavity 32 may be small. value, in order to obtain a good adaptation.
  • the reflectivity of the upper cavity 31 may be of higher value, in order to spread the field over the opening of the radiating element, and achieve high directivities.
  • a radiating element of similar structure without corrugation is mainly different in that the radiation pattern is non-axisymmetric, and is characterized by a pinching of the lobe in the plane E associated with a rise of the secondary lobe or SLL, typically between -13 and -10 dB in the operating band.
  • FIG. 4 shows a radiating element according to another embodiment of the invention, in a side sectional view.
  • a radiating element 30 can be realized following a structure identical to the structure described above with reference to Figures 3a and 3b, but wherein the lower cavity 32 does not include a cover.
  • Such a radiating element structure comprises only one gate 313, and hence is simpler and less expensive to produce.
  • the removal of the grid in the lower cavity 32 is indeed possible because the only sudden transition between the lower cavity 32 and the upper cavity 31 generates a reflection phenomenon, a lower resonant cavity then being defined without a metal grid being necessary.
  • Such a structure is for example suitable for apertures of the radiating element ranging from 1 to 3 ⁇ 0 , for example for S-band or Ku-band applications, the configuration being given previously by way of example corresponding to a band application. Ku.
  • FIG. 5 shows an advantageous exemplary embodiment, in which a polarizer is integrated in the actual structure of the radiating element.
  • a radiating element 50 shown in a side sectional view in an XZ plane may be made in a similar structure to the structures of the radiating element 30 described above with reference to Figures 3a, 3b and 4.
  • the radiating element 50 thus comprises in particular a lower cavity 32 fed by excitation means formed by a waveguide 33.
  • the upper cavity 31 is covered by a cover formed by a grid 313 constituting a partially reflecting surface.
  • a simple corrugation is performed substantially below the upper cavity 31.
  • a polarizing radome 51 can be made in the upper part of the upper cavity 31. .
  • the polarizing radome 51 can be formed by the combination of at least two polarizing frequency selective surfaces, designated polarizing FSS according to the English terminology "Frequency Selective Surface".
  • a polarizing radome is itself known from the state of the art, and makes it possible to induce a phase difference between the two components of the electric field E x and E y of the electromagnetic wave.
  • this phase difference is ⁇ 90 °
  • the polarizing radome 51 excited in linear polarization in an oblique direction in the XY plane, that is to say at + 45 ° by means of the X axis, generates a right circular polarization, and excited in linear polarization in a direction of -45 °, generates a left circular polarization.
  • the polarizing radome 51 transforms a linear dual-polarization type operation into circular double-polarization type operation.
  • the polarizing radome 51 may be of the "double-FSS" type, and comprise two polarizing FSSs 51 1 and 512 arranged parallel to one another above the other, and separated a distance D Fss - The lower FSS 512 is disposed parallel to the gate 313 at a distance D 3 of the latter.
  • a double FSS type configuration makes it possible to obtain a wider bandwidth, and a signal transmission without loss, the signal transmission not inducing a return to the upper cavity 31. It is not possible to to obtain with a single-layer polarizing radome a transmission without losses, and a phase shift of 90 ° between the two components E x and E y of the incident signal.
  • the two polarizing FSSs 51 1 and 512 are identical and separated by a guided half-wavelength, for the purpose of simultaneously obtaining lossless transmission of the incident signal, and a quadrature delay of phase between the two orthogonal components of the transmitted signal.
  • the polarizing radome 51 is positioned above the radiating element 50 designed to radiate in double linear polarization, at a distance typically of the order of a quarter of a guided wavelength.
  • the polarizing radome 51 does not fundamentally disturb the operation of the radiating element 50.
  • a slight modification of the dimensions of the patterns of the FSS can be adjusted in order to refine the radiation and the adaptation of the radiating element 50 .
  • the polarizing FSSs can be of the inductive or capacitive type: the polarizing FSS of the inductive type being essentially formed by metal surfaces in which slit-defined patterns are formed, the capacitive-type polarizing FSS being essentially formed by surfaces on which metallic patterns are made.
  • the use of inductive type FSS can be advantageous because it does not require the use of a substrate, the FSS can then be directly made of a metallic material.
  • Each polarizing FSS 511, 512 may for example be made in the form of a metal plate provided with slots.
  • cross slot cells 520 designated "cross slots" cells according to the English terminology, may be arranged on the metal plate, for example in a periodic pattern.
  • a slot cell cross 520 is shown in top view in Figure 5.
  • the slot cross cell 520 is particularly characterized by the length of its side, or period, by the length and width, respectively and there are a of the horizontal slit (that is to say along the X axis), as well as by the length and the width a x and d x of the vertical slit (along the Y axis).
  • the reflectivity according to a given polarization is adjusted by varying the length of the slot perpendicular to this polarization. Knowing that the reflectivity of the slot is zero at resonance, and that before its resonance the slot has a negative phase reflection coefficient and after the resonance a positive phase, the cross slots have different lengths according to each of the two polarizations of way to create a phase shift of 90 ° between the two polarizations, and insi generate a circular polarization. For example, the lengths at x and y slots can be determined so that one of the slots has an action on frequencies below the resonant frequency, and the other slots for higher frequencies.
  • the polarizing radome consisting of two separate FSS for example a distance D Fss equal to ⁇ / 2 or close to this value, a phase difference of 90 ° in transmission between the components E x and E y .
  • a phase difference 90 ° in transmission between the components E x and E y .
  • Period a must be set to a value greater than a x and a y .
  • Slit widths d x and d y are adjusted according to the thickness of the metal plate. Typically, the widths of the slots d x and d y are chosen well below the nominal wavelength ⁇ 0 .
  • the aforementioned embodiment is based on cross-shaped slot cells 520 arranged in a square mesh, but it is also possible to use cells arranged in a different mesh, for example round, hexagonal, ...
  • FIGS. 6a and 6b show a radiating element according to a another embodiment of the invention, respectively in a side sectional view, and in a perspective view.
  • a radiating element In the example illustrated by FIGS. 6a and 6b, a radiating element
  • the radiating element 60 may have a structure substantially similar to the structure of the radiating element 50 described above with reference to Figure 5.
  • the radiating element 60 comprises in particular an upper cavity 31, a lower cavity 32 fed by a guide
  • the upper cavity 31 is in this example covered by a cover formed by a grid 313.
  • Corrugations 300 are made substantially below the upper cavity 31.
  • the walls side of the upper and lower cavities 31, 32 are cylindrical in shape, circular section.
  • a polarizing radome 61 is produced above the upper cavity 31.
  • the polarizing radome 61 is also cylindrical in shape, but square section. As illustrated by FIG. 6b, the polarizing radome 61 is delimited at its lateral portion by side walls of substantially cylindrical shape, with a square section. The use of a square section allows here to have a larger number of square cross-shaped slot cells 620 on the surface of polarizing FSS 61 1, 612 formed by two metal plates arranged parallel to each other. In a typical example, it is possible to produce a radiating element intended to operate in a frequency band ranging from 2.48 GHz to 2.5 GHz, the polarizing radome 61 of which is square in shape, the side of which has a length of the order of 2.7 ⁇ 0 .
  • Such a configuration makes it possible to achieve circular double polarization, that is to say right and left, by exciting the antenna by two linear polarizations + 45 ° to -45 °.
  • the radiation patterns are perfectly axisymmetric, that is to say that the lobe width is constant regardless of the observation plane, and also characterized by a secondary lobe level or SLL less than - 25 dB.
  • the directivity varies between 16.5 dB and 16.7 dB, and the surface efficiency is between 63% and 66%.
  • is less than -20 dB and the axial ratio is less than

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

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

Description

ELEMENT RAYONNANT COMPACT À CAVITÉS RÉSONANTES
La présente invention concerne le domaine des éléments rayonnants, notamment pour les bandes de fréquences basses, plus particulièrement les bandes de fréquences se situant en dessous de la bande S, et employés dans des applications nécessitant de rayonner de la puissance, pouvant également être utilisés dans des antennes réseau. Elle s'applique notamment aux antennes utilisées dans des satellites de télécommunication.
Le terme "élément rayonnant" désigne une combinaison d'au moins un plan de masse rayonnant, de moyens d'excitation destinés à être alimentés en signaux, et d'une cavité résonante chargée, de rayonner de l'énergie représentative de ces signaux selon une longueur d'onde λ0 choisie.
Les éléments rayonnants utilisés dans des antennes réseau doivent typiquement présenter l'une au moins des caractéristiques suivantes : une forte efficacité de surface et/ou un faible encombrement et une faible masse et/ou la capacité à être excité de manière compacte en simple ou bi-polarisation et/ou une bande passante compatible avec l'application visée.
La caractéristique de forte efficacité de surface est particulièrement importante dans des utilisations d'éléments rayonnants dans des antennes réseau, du fait qu'elle permet d'optimiser le gain et de réduire les niveaux des lobes secondaires et des lobes de réseau. Or, comme cela est explicité ci- après, cette caractéristique est difficilement compatible avec certaines des autres caractéristiques, et notamment celles de compacité et d'intégration, quelle que soit la bande de fréquence concernée.
Le terme "antenne réseau" désigne aussi bien les antennes réseau actives à rayonnement direct que les antennes réseau focales, ces dernières ayant un ou plusieurs réflecteur(s) focalisant(s), avec un réseau de sources élémentaires placé dans la zone focale. Une telle géométrie d'antenne est communément désignée par le sigle FAFR correspondant à la terminologie anglaise "Focal Array Fed Reflector". Au sein d'une telle antenne, chaque
CQPÏE DE CONFIRMATION faisceau ou "spot" est réalisé par le regroupement cohérent des signaux d'un sous-ensemble des sources élémentaires, avec des amplitudes et phases appropriées pour obtenir le diagramme d'antenne voulu, notamment la taille et la direction de visée du lobe principal de rayonnement.
Dans les bandes de fréquences basses, comme par exemple la bande
L ou S, les éléments rayonnants, quelles que soient les applications pour lesquelles ils sont destinés, visent à suppléer les cornets, trop encombrants. Les cornets les plus compacts sont de type cornet de Potter ; ils ont une dimension longitudinale typiquement supérieure à 3λ0, où λ0 est la longueur d'onde dans le vide; par exemple, λο est de l'ordre de 150 mm en bande S. Ces cornets de Potter sont limités en ouverture rayonnante, et donc en gain. De plus grandes dimensions nécessitent des longueurs plus importantes. Par conséquent, les cornets de Potter présentent un encombrement longitudinal significatif, ainsi qu'une masse importante.
Les sous-réseaux, par exemple planaires dans le cas d'applications spatiales, ne sont également pas satisfaisants, en terme de pertes et de compatibilité à des fonctionnements à forte puissance.
Un premier type de sous-réseau planaire consiste en des éléments rayonnants de type pavé, encore désignés "patches" selon la terminologie anglaise, reliés par un répartiteur triplaque. Ce répartiteur est relativement complexe et permet difficilement de réaliser un sous-réseau permettant la bi- polarisation, voire un fonctionnement bi-bande. Les pertes générées dans ce réseau peuvent être également significatives.
Un second type de sous-réseau, notamment décrit dans la demande de brevet français publiée sous la référence FR2767970, consiste en la combinaison d'un résonateur excitateur de type pavé et de pavés parasites qui constituent des éléments rayonnants connus sous le sigle ERDV, pour "Elément Rayonnant à Directivité Variable". Ce second type permet de s'affranchir du répartiteur, et donc de simplifier notablement sa définition, ainsi que de repolariser en circulaire les champs lorsque les pavés, ou "patches", sont chanfreinés et que la polarisation est circulaire. Mais, sa mise en œuvre pour des ouvertures supérieures à 1 ,5 fois la longueur d'onde nominale de fonctionnement est complexe. Ce concept repose en outre sur une technologie de type micro-ruban qui peut être incompatible de fortes puissances.
Une simplification aux sous-réseaux du second type a été proposée.
Elle consiste à remplacer, d'une part, les pavés parasites par une grille métallique réalisant une interface semi-réfléchissante facilitant l'établissement du champ électromagnétique dans la cavité, et d'autre part, le pavé excitateur par un excitateur guidé, de manière à définir une cavité de type Pérot-Fabry, comme dans le cas d'un ERDV. L'élément rayonnant est alors entièrement métallique, compatible avec des applications requérant une forte puissance, beaucoup plus simple à définir qu'un élément ERDV classique, et permet d'atteindre des ouvertures rayonnantes plus importantes qu'un élément ERDV classique. Cependant, un tel élément rayonnant possède deux inconvénients : l'obtention d'ouvertures rayonnantes de dimensions importantes nécessite des grilles de fortes réflectivités, pour que le champ électromagnétique s'établisse dans la cavité de type Pérot-Fabry. L'utilisation de ces fortes réflectivités génère un retour important du signal vers le guide d'accès, et l'adaptation de l'élément rayonnant est très délicate et valide seulement sur une bande de fréquence très étroite. D'autre part, lorsqu'une forte efficacité de surface est requise, il est alors nécessaire, pour insérer l'élément rayonnant dans une antenne réseau, de contraindre l'expansion du champ électromagnétique dans la cavité, par l'intermédiaire de parois métalliques. Ces dernières induisent une distribution non uniforme du champ dans la cavité métallique. Certes, l'utilisation de grilles à pas variable permet d'améliorer la distribution du champ en provoquant une réflexion plus importante au centre qu'en périphérie, mais alors la structure complète devient très difficile à adapter.
Une solution est proposée dans la demande de brevet français publiée sous la référence FR2901062. Un des modes de réalisation qui y est présenté, décrit ci-après en détails en référence à la figure 2, comprend un empilement de deux cavités à air de type Pérot-Fabry, permettant une grande compacité, tout en conférant un fort rendement de surface ainsi qu'une compatibilité avec des signaux de forte puissance. L'empilement de deux cavités permet de relâcher le coefficient de surtension de la cavité excitatrice, et de réduire ainsi les retours dans l'accès, pour permettre une meilleure adaptation. Cependant une telle structure est propice à l'excitation de modes supérieurs, notamment générés par la discontinuité présente à l'interface des deux cavités empilées. Ces modes supérieurs nuisent au diagramme de rayonnement de l'antenne. La demande de brevet FR2901062 précitée propose de pallier ce problème par l'usage de parois latérales pour les cavités, au sein desquels sont réalisés des reliefs adéquats. Les reliefs peuvent par exemple être réalisés sous la forme de corrugations longitudinales. Néanmoins, de telles corrugations sont difficiles à réaliser, et sont relativement encombrantes. En outre, il peut s'avérer nécessaire en pratique de charger ces corrugations d'un diélectrique, ce qui rend leur réalisation plus complexe, et peut générer des problèmes dans un environnement spatial, ou dans lequel il est nécessaire de traiter des signaux de forte puissance.
Enfin, il est nécessaire d'associer à des éléments rayonnants d'antennes des dispositifs de polarisation. Par exemple, les éléments rayonnants doivent pouvoir être excités en simple polarisation et/ou en bipolarisation et/ou en polarisation circulaire. D'une manière typique, dans les antennes comprenant des éléments rayonnants de type cornet, la dimension du polariseur est du même ordre de grandeur que la dimension du cornet. Ainsi, l'encombrement des antennes est fortement impacté par l'adjonction de polariseurs.
Un but de la présente invention est de pallier au moins les inconvénients précités, en proposant un élément rayonnant à cavités résonantes à fort rendement de surface, dont la structure est particulièrement compacte, et confère un compromis optimal entre une forte efficacité de surface, un faible encombrement et une faible masse, ainsi que la capacité à être excité en simple polarisation ou en bipolarisation. A cet effet, la présente invention a pour objet un élément rayonnant comprenant au moins deux cavités résonantes concentriques, formées par une cavité inférieure alimentée par des moyens d'excitation, et une cavité supérieure empilée sur la cavité inférieure, chacune desdites cavités résonantes étant délimitée en sa partie inférieure par un plan de masse, en sa partie latérale par une paroi latérale essentiellement cylindrique ou conique, au moins la cavité supérieure étant délimitée en sa partie supérieure par un premier capot essentiellement plan, l'élément rayonnant étant caractérisé en ce que des corrugations essentiellement de forme cylindrique et concentriques des cavités résonantes, sont formées sensiblement en dessous du premier plan de masse de la cavité résonante supérieure.
Dans un mode de réalisation de l'invention, les parois latérales peuvent être de forme essentiellement cylindrique.
Dans un mode de réalisation de l'invention, les parois latérales peuvent être de forme essentiellement conique.
Dans un mode de réalisation de l'invention, la cavité inférieure peut être également délimitée en sa partie supérieure, sensiblement au niveau de la partie inférieure de la cavité supérieure, par un second capot.
Dans un mode de réalisation de l'invention, les plans de masse, les capots, les parois latérales et les corrugations peuvent être essentiellement réalisées dans un matériau métallique.
Dans un mode de réalisation de l'invention, les capots peuvent être formés par une surface partiellement réfléchissante.
Dans un mode de réalisation de l'invention, les capots peuvent être formés par une grille métallique.
Dans un mode de réalisation de l'invention, les capots peuvent être formés par un matériau diélectrique.
Dans un mode de réalisation de l'invention, l'élément rayonnant peut être caractérisé en ce qu'un radome polarisant est réalisé en la partie supérieure de la cavité supérieure.
Dans un mode de réalisation de l'invention, le radome polarisant peut être formé par deux surfaces sélectives de fréquence polarisantes dites FSS polarisantes essentiellement planes, disposées parallèlement l'une de l'autre, et parallèlement et sensiblement au-dessus dudit premier capot.
Dans un mode de réalisation de l'invention, chaque FSS polarisante peut être formée par une plaque métallique comprenant une pluralité de fentes.
Dans un mode de réalisation de l'invention, chaque FSS polarisante peut être formée par une plaque métallique comprenant une pluralité de cellules fentes en croix.
Dans un mode de réalisation de l'invention, chaque FSS polarisante peut être formée par une plaque métallique comprenant une pluralité de cellules fentes en croix disposées selon un motif périodique sur la surface de la plaque métallique.
Dans un mode de réalisation de l'invention, les parois latérales et les corrugations peuvent être cylindriques à section circulaire.
Dans un mode de réalisation de l'invention, lesdits moyens d'excitation peuvent comprendre au moins un guide d'alimentation concentrique des cavités résonantes et débouchant directement, ou via des moyens d'adaptation, dans la cavité inférieure.
Dans un mode de réalisation de l'invention, lesdits moyens d'excitation peuvent comprendre au moins une alimentation double formée par deux guides d'onde latéraux débouchant de manière symétrique par rapport à l'axe principal de la cavité inférieure, sensiblement au niveau de la paroi latérale de la cavité inférieure, les signaux convoyés par les moyens d'excitation étant accordés en phase de manière à ce que les modes supérieurs indésirables soient filtrés.
Dans un mode de réalisation de l'invention, lesdits moyens d'excitation peuvent comprendre au moins un guide d'alimentation concentrique des cavités résonantes et débouchant directement, ou via des moyens d'adaptation, dans la cavité inférieure, et au moins une alimentation double formée par deux guides d'onde latéraux débouchant de manière symétrique par rapport à l'axe principal de la cavité inférieure, sensiblement au niveau de la paroi latérale de la cavité inférieure, les signaux convoyés par les moyens d'excitation étant accordés en phase de manière à ce que les modes supérieurs indésirables soient filtrés. Dans un mode de réalisation de l'invention, un radome polarisant peut être réalisé au-dessus de la cavité supérieure, le radome polarisant étant essentiellement de forme cylindrique et concentrique des cavités résonantes.
Dans un mode de réalisation de l'invention, le radome polarisant peut être essentiellement de forme cylindrique à section carrée.
La présente invention a également pour objet une antenne réseau caractérisée en ce qu'elle comprend un ou une pluralité d'éléments rayonnants tels que décrits ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description, donnée à titre d'exemple, faite en regard des dessins annexés qui représentent : la figure 1 , un élément rayonnant à cavité à air unique, de structure en elle-même connue de l'état de la technique ; la figure 2, un élément rayonnant à empilement de deux cavités à air, de structure en elle-même connue de l'état de la technique ; les figures 3a et 3b, un élément rayonnant selon un exemple de réalisation de l'invention, respectivement en vue en coupe latérale et en vue de dessus ; - la figure 4, un élément rayonnant selon un autre exemple de réalisation de l'invention, dans une vue en coupe latérale ; la figure 5, un élément rayonnant selon un autre exemple de réalisation de l'invention, dans une vue en coupe latérale ; les figures 6a et 6b, un élément rayonnant selon un autre exemple de réalisation de l'invention, respectivement dans une vue en coupe latérale, et dans une vue en perspective. La figure 1 présente un élément rayonnant à cavité à air unique, de type Pérot-Fabry, selon un mode de réalisation en lui-même connu de l'état de la technique et décrit dans la demande de brevet FR2901062 précitée.
Un élément rayonnant 10, présenté en vue en coupe latérale dans un plan XZ sur la figure, peut comprendre une cavité résonante à air 11 entièrement délimitée par un plan de masse 110 en sa partie inférieure situé dans un plan XY, des parois latérales 111 et un capot 1 12 en sa partie supérieure. L'élément rayonnant 10 comprend des moyens d'excitation 12, pouvant être alimentés en signaux radiofréquence. Les moyens d'excitation 12 peuvent notamment comprendre un accès d'alimentation, par exemple formée par un guide d'onde métallique 121 dont l'axe principal est parallèle à l'axe Z, dont une des extrémités débouche sensiblement au niveau du plan de masse 110.
La cavité résonante à air 11 présente une section transverse, c'est-à- dire parallèle au plan XY, par exemple de forme carrée, circulaire, hexagonale, ou encore de toute autre forme qui soit compatible de la mise en réseau de l'élément rayonnant 10.
Dans l'exemple de réalisation illustré par la figure 1 , les parois latérales 111 peuvent être de type "hard surface", c'est-à-dire par exemple réalisées dans un matériau métallique, dans lequel sont formés des sillons longitudinaux disposés de part et d'autre de nervures longitudinales. Les sillons longitudinaux peuvent être remplis au moins partiellement d'un matériau diélectrique. Les sillons longitudinaux et les nervures peuvent définir une structuration longitudinale périodique. Ainsi que cela est évoqué précédemment, une telle structuration est difficile à réaliser en pratique, et présente un encombrement important. En outre la réalisation d'une telle structuration est complexifiée par la nécessité de charger d'un matériau diélectrique les sillons longitudinaux.
Le capot 1 12 peut par exemple être réalisé dans un matériau diélectrique fin ou épais. Le matériau diélectrique peut par exemple comprendre une face dans laquelle est formée une grille métallique formant une surface semi-réfléchissante permettant d'augmenter l'excitation de la cavité résonante à air 11 par les signaux. Le matériau diélectrique peut également comprendre une face sur laquelle est formé un pavé métallique, dit "patch", ou un réseau de pavés métalliques, afin d'induire une résonance complémentaire à celle de la cavité résonante à air 11. Egalement, le capot 1 12 peut être réalisé dans un matériau métallique dans lequel est formée une grille métallique. La grille formée dans le capot 112 peut avantageusement présenter un pas variable dans au moins une direction choisie. La figure 2 présente un élément rayonnant à empilement de deux cavités à air de type Pérot-Fabry, selon un mode de réalisation en lui-même connue de l'état de la technique et décrit dans la demande de brevet FR2901062 précitée.
Un élément rayonnant 20 peut comporter deux cavités résonantes à air 21 et 22 concentriques mises en cascade ; une cavité supérieure 21 disposée au-dessus d'une cavité inférieure 22. Cette mise en cascade permet d'exciter par l'accès d'alimentation une cavité inférieure 22 de dimensions réduites, et ainsi de limiter l'excitation de modes supérieurs dans cette cavité inférieure 22, puis par couplage dans la cavité supérieure 21. Le rayonnement peut ainsi être mieux maîtrisé, notamment dans le cas d'éléments rayonnants 20 d'ouvertures larges. Elle permet également de réduire les réflectivités des capots 212 et 222, et donc de coupler plus efficacement l'élément rayonnant 20 à l'accès d'alimentation. Les pertes par réflexion dans le guide d'accès sont réduites, et ainsi l'adaptation de l'impédance d'entrée de l'élément rayonnant 20 est facilitée.
La cavité supérieure 21 présente sensiblement la même structure que la cavité inférieure 22. D'une manière similaire à la structure à une cavité décrite précédemment en référence à la figure 1 , l'élément rayonnant 20 comprend des moyens d'excitation 12, ceux-ci étant aptes à alimenter la cavité inférieure 22. La section transverse de la cavité supérieure 21 est supérieure à celle de la cavité inférieure 22.
La cavité supérieure 21 est délimitée dans le plan XY par une première paroi latérale 211 , et couverte en sa partie supérieure par un premier capot 212. La première paroi latérale 211 peut être solidarisée à un premier plan de masse 210, par exemple formé sur la surface inférieure d'un premier substrat SBT. De la même manière, la cavité inférieure 22 est délimitée par une seconde paroi latérale 221 et couverte par un second capot 222. La seconde paroi latérale 221 peut être solidarisée à un second plan de masse 220, pouvant être formé sur la surface inférieure d'un second substrat SBT. Le premier 212 et la première paroi latérale 211 peuvent être réalisés selon la configuration décrite précédemment en référence à la figure 1 . Le premier substrat SBT et le premier plan de masse 210 peuvent comporter une ouverture traversante apte à loger le second capot 222 de la cavité inférieure 22. Ainsi que cela est illustré par la figure 2, les capots 212 et 222 peuvent chacun comporter une grille métallique 213, 223, plus généralement ceux-ci peuvent comporter des surfaces partiellement réfléchissantes.
Les exemples de réalisation de la présente invention décrits en détail ci-après en référence aux figures suivantes, s'appliquent à une structure comprenant au moins deux cavités résonantes empilées, cependant ceux-ci peuvent également s'appliquer à des structures comprenant un empilement d'une pluralité de cavités résonantes à air. La présente invention propose de ne pas recourir aux parois latérales des cavités résonantes pour pallier les problèmes liés aux modes supérieurs électromagnétiques. Les figures 3a et 3b présentent un élément rayonnant selon un exemple de réalisation de l'invention, respectivement en vue en coupe latérale et en vue de dessus.
Dans l'exemple illustré par la figure 3a, un élément rayonnant 30 présenté en coupe dans le plan XZ, peut comprendre une cavité supérieure 31 pouvant être concentrique d'une cavité inférieure 32, la cavité supérieure 31 étant empilée sur la cavité inférieure 32, d'une manière similaire à l'exemple décrit précédemment en référence à la figure 2. Il est à noter que les cavités 31 , 32 sont essentiellement cylindriques dans les modes de réalisation donnés à titres d'exemples et décrits par les figures. Des modes de réalisation alternatifs peuvent également comprendre des cavités 31 , 32 de forme essentiellement conique. La cavité inférieure 32 peut être alimentée par des moyens d'excitation, par exemple un guide d'onde métallique 33, de forme cylindrique dans l'exemple illustré par la figure. La cavité supérieure 31 peut être délimitée en sa partie supérieure par un premier capot 312, en sa partie latérale par une première paroi latérale 311 , et en sa partie inférieure par un premier plan de masse 310. De la même manière, la cavité inférieure 32 peut être délimitée en sa partie supérieure par un second capot 322, en sa partie latérale par une seconde paroi latérale 312, et en sa partie inférieure par un second plan de masse 320. Les plans de masse 310, 320 peuvent par exemple être réalisés dans un matériau métallique. Egalement, les parois latérales 311 , 321 peuvent être réalisées dans un matériau métallique, et être exemptes de diélectriques et/ou de reliefs. Une ouverture peut être réalisée dans le premier plan de masse 310, de surface correspondant sensiblement à la surface de la cavité inférieure 32 dans le plan XY, ladite ouverture laissant place au second capot 322. Les capots 312, 322 peuvent être formés par des surfaces partiellement réfléchissantes, par exemple par des grilles 313, 323. Par exemple pour des applications nécessitant un rayonnement suivant une seule polarisation, les grilles 313, 323 peuvent être des grilles unidimensionnelles, telles que des réseaux de fils, les fils étant alignés avec la polarisation d'excitation. Dans des applications nécessitant un rayonnement en double polarisation, les grilles 313, 323 doivent avoir des caractéristiques de réflectivité identiques pour les deux polarisations d'excitation, ce sont donc des grilles bidimensionnelles, dont il n'est pas nécessaire que l'alignement corresponde à celui des polarisations d'excitation.
Le guide d'onde 33 peut par exemple déboucher à fleur du fond de la cavité inférieure 32, ou bien déboucher dans la cavité inférieure 32, en dépassant légèrement du fond de celle-ci. Egalement, il peut être envisagé de faire recours à des moyens d'adaptation, par exemple par iris.
Dans un mode de réalisation alternatif, non représenté sur les figures, il est également possible de former des moyens d'excitation par alimentations doubles par le côté, respectivement pour des applications requérant une simple polarisation ou une polarisation multiple. Egalement, une excitation en polarisation double peut être obtenue par une alimentation par le dessous telle que décrite ci-dessus, conjointement à une alimentation double par le côté. Les alimentations doubles débouchent à l'orthogonale de la surface latérale de la cavité inférieure 32, et à l'opposé l'une de l'autre par rapport à l'axe principal. Dans ces divers modes de réalisation, chaque alimentation double est associée à un unique accès par exemple au moyen d'un répartiteur adéquat, et toutes les alimentations sont excitées de manière cohérente, de sorte que les excitations des modes supérieurs indésirables soient filtrées. De telles structures permettent d'utiliser l'élément rayonnant pour des applications nécessitant une polarisation double.
Selon une particularité de la présente invention, des corrugations 300 peuvent être formées, sensiblement en dessous du premier plan de masse 310. Les corrugations 300 peuvent être réalisées dans un matériau métallique, et peuvent être de forme cylindrique, concentriques des cavités résonantes 31 , 32. Dans l'exemple illustré par les figures 3a et 3b, deux corrugations 300 cylindriques sont représentées. Dans des modes de réalisation alternatifs, une corrugation cylindrique peut être envisagée. Egalement, plus de deux corrugations cylindriques peuvent être disposées sous la cavité résonante supérieure 31 ; il peut être avantageux dans un tel cas de recourir à une pluralité de corrugations 300 disposées de manière périodique, c'est-à-dire que l'écartement entre deux corrugations concentriques voisines demeure constant.
D'une manière générale, il est nécessaire de recourir à un plus grand nombre de corrugations 300, si la taille latérale de la cavité résonante supérieure 31 est plus grande. La position d'une corrugation 300 peut par exemple être caractérisée par sa distance rc par rapport à l'axe principal de l'élément rayonnant 30. Le dimensionnement des corrugations 300 peut être caractérisé par leur hauteur lc, leur épaisseur de- Dans le cas où plusieurs corrugations 300 concentriques disposées de manière périodique sont utilisées, l'écartement entre des corrugations voisines peut être caractérisé par la période ac-
La hauteur lc des corrugations 300 permet un contrôle de la bande de fréquence où le mode supérieur est supprimé. Il est par exemple avantageux de choisir la hauteur lc de l'ordre du quart de la longueur d'onde nominale λο de fonctionnement de l'élément rayonnant 30, cette valeur permettant une suppression du mode supérieur.
La position des corrugations, c'est-à-dire la valeur rc, permet d'optimiser la symétrie axiale du diagramme de rayonnement de l'élément rayonnant 30, c'est-à-dire la similarité, souhaitée, entre les diagrammes de rayonnement dans le plan E et dans le plan H de l'onde éléctromagnétique rayonnée. Il peut être avantageux de choisir la valeur rc de l'ordre de la longueur d'onde nominale λ0.
Dans un exemple typique, il est par exemple possible de réaliser un élément rayonnant 30 destiné à fonctionner dans une bande de fréquence s'étalant de 2,48 GHz à 2,5 GHz, dont la cavité supérieure 31 est de forme cylindrique à section circulaire, d'un diamètre de l'ordre de 2,5χλ0, comportant une unique corrugation 300 cylindrique à section circulaire, disposée à 118 mm de l'axe principal de l'élément rayonnant 30, d'une hauteur de 31 mm et d'une largeur de 3.7 mm. Le diamètre de la cavité inférieure 32 peut par exemple être inférieur à la moitié du diamètre de la cavité supérieure 31. Dans cet exemple typique, il est de l'ordre de 1 λ0. Une telle configuration permet d'atteindre un diagramme de rayonnement parfaitement axisymétrique, c'est à dire dont la largeur du lobe est constante quelque soit le plan d'observation, et également caractérisé par un niveau de lobe secondaire ou SLL inférieur à -20 dB. En outre, il possède des performances telles qu'une variation de directivité comprise entre 16 dB et 16,2 dB, une variation de l'efficacité de surface comprise entre 60% et 63%, un coefficient de réflexion \su\ inférieur à -25 dB. En comparaison, un élément rayonnant de structure similaire ne comportant pas de corrugation est caractérisé par un diagramme de rayonnement non axisymétrique, avec un pincement du lobe dans le plan E associé à une remontée des lobe secondaire ou SLL, typiquement entre -13 et -10 dB dans la bande de fonctionnement.
Ainsi que cela est illustré par la figure 3b, les cavités 31 , 32, ainsi que les corrugations 300 peuvent être cylindriques de section circulaire. D'autres modes de réalisations de l'invention, non représentés dans les figures, peuvent par exemple comporter des cavités 31 , 32 et/ou des corrugations 300 cylindriques de section non circulaire, par exemple de section carrée, rectangulaire, hexagonale, etc.
Les réflectivités des surfaces partiellement réfléchissantes 313, 323 formées par les capots 312, 322 des cavités 31 , 32 peuvent être ajustées afin d'obtenir des bandes d'adaptation et de rayonnement concomitantes. La cavité inférieure 32 peut être choisie de dimension plus réduite que la cavité supérieure 31. Par exemple, les surfaces partiellement réfléchissantes 313, 323 peuvent être formées par des grilles, et la réflectivité de la grille associée à la cavité inférieure 32 peut être de faible valeur, dans le but d'obtenir une bonne adaptation. La réflectivité de la cavité supérieure 31 peut être de valeur plus élevée, dans le but d'étaler le champ sur l'ouverture de l'élément rayonnant, et d'atteindre de fortes directivités.
Des valeurs peuvent être données ici à titre d'exemple non limitatif de réalisation de l'invention : il est par exemple possible de réaliser un élément rayonnant 30 bande Ku de simple polarisation linéaire, avec corrugation 300, destiné à opérer dans une bande de fréquence s'étalant de 1 1 ,8 à 13,2 GHz, dont l'ouverture est de l'ordre de 1 ,85χλ0, dont l'épaisseur, c'est-à-dire l'épaisseur cumulée des deux cavités résonantes 31 , 32, est de l'ordre de λ0, dont les capots 312, 322 sont respectivement formés par des grilles semi- réfléchissantes respectivement de coefficients de réflectivités (en puissance) égaux à 20% et à 30%. Une telle configuration permet d'atteindre un diagramme de rayonnement axisymétrique et caractérisé par un niveau de lobe secondaire ou SLL inférieur à -18 dB. En outre, il possède des performances telles qu'une variation de directivité comprise entre 14,59 dB et 15,39 dB, une variation de l'efficacité de surface comprise entre 71 ,9% et 77,6%, ainsi qu'un coefficient de réflexion |su| inférieur à -15,5 dB. En comparaison, un élément rayonnant de structure similaire ne comportant pas de corrugation est principalement différent en ce que le diagramme de rayonnement est non axisymétrique, et se caractérise par un pincement du lobe dans le plan E associé à une remontée des lobe secondaire ou SLL, typiquement entre -13 et -10 dB dans la bande de fonctionnement.
La figure 4 présente un élément rayonnant selon un autre exemple de réalisation de l'invention, dans une vue en coupe latérale. Dans l'exemple de réalisation illustré par la figure 4, un élément rayonnant 30 peut être réalisé suivant une structure identique à la structure décrite ci-dessus en référence aux figures 3a et 3b, mais dans laquelle la cavité inférieure 32 ne comprend pas de capot. Une telle structure d'élément rayonnant ne comporte qu'une seule grille 313, et partant est plus simple et moins coûteuse à réaliser. La suppression de la grille dans la cavité inférieure 32 est en effet possible car la seule brusque transition entre la cavité inférieure 32 et la cavité supérieure 31 génère un phénomène de réflexion, une cavité résonante inférieure étant alors définie sans qu'une grille métallique ne soit nécessaire. Une telle structure est par exemple appropriée pour des ouvertures de l'élément rayonnant allant de 1 à 3 λ0, par exemple pour des applications en bandes S ou Ku, la configuration étant donnée précédemment à titre d'exemple correspondant à une application en bande Ku.
Ainsi que cela est évoqué précédemment, il est avantageusement possible de conférer à un élément rayonnant selon l'invention, une plus grande compacité, en s'affranchissant de l'encombrement additionnel imposé par un dispositif de polarisation ou polariseur. La figure 5 présente un exemple de réalisation avantageux, dans lequel un polariseur est intégré à la structure-même de l'élément rayonnant.
En référence à la figure 5, un élément rayonnant 50 représenté dans une vue en coupe latérale dans un plan XZ, peut être réalisé selon une structure similaire aux structures de l'élément rayonnant 30 décrites précédemment en référence aux figures 3a, 3b et 4. Dans l'exemple illustré par la figure 5, une structure similaire à la structure illustrée par la figure 4 est choisie. L'élément rayonnant 50 comprend ainsi notamment une cavité inférieure 32 alimentée par des moyens d'excitation formés par un guide d'onde 33. La cavité supérieure 31 est couverte par un capot formé par une grille 313 constituant une surface partiellement réfléchissante. Dans l'exemple illustré par la figure, une corrugation simple est réalisée sensiblement sous la cavité supérieure 31. Selon une particularité du mode de réalisation illustré par la figure 5, un radome polarisant 51 peut être réalisé dans la partie supérieure de la cavité supérieure 31 . Le radome polarisant 51 peut être formé par l'association d'au moins deux surfaces sélectives en fréquence polarisantes, désignée FSS polarisantes selon la terminologie anglaise "Frequency Sélective Surface". Un radome polarisant est en lui-même connu de l'état de la technique, et permet d'induire une différence de phase entre les deux composantes du champ électrique Ex et Ey de l'onde électromagnétique. Lorsque cette différence de phase est ±90°, le radôme polarisant 51 , excité en polarisation linéaire selon une direction oblique dans le plan XY, c'est-à-dire à +45° par ra pport à l'axe X, génère une polarisation circulaire droite, et excité en polarisation linéaire selon une direction de -45°, génère une polarisation circulai re gauche. Il est à observer que le radome polarisant 51 transforme un fonctionnement de type double polarisation linéaire en fonctionnement de type double polarisation circulaire.
Dans l'exemple non limitatif illustré par la figure 5, le radome polarisant 51 peut être de type "double-FSS", et comprendre deux FSS polarisantes 51 1 et 512 disposées parallèlement l'une au-dessus de l'autre, et séparées d'une distance DFss- La FSS inférieure 512 est disposée parallèlement à la grille 313, à une distance D3 de cette dernière. Une configuration de type double FSS permet l'obtention d'une bande passante plus large, et une transmission du signal sans perte, la transmission du signal n'induisant pas un retour vers la cavité supérieure 31. Il n'est pas possible d'obtenir avec un radôme polarisant simple couche une transmission sans pertes, et un déphasage de 90° se lon les deux composantes Ex et Ey du signal incident.
D'une manière typique, les deux FSS polarisantes 51 1 et 512 sont identiques et séparées d'une demi-longueur d'onde guidée, dans le but d'obtenir simultanément une transmission sans perte du signal incident, et un retard en quadrature de phase entre les deux composantes orthogonale du signal transmis. Le radôme polarisant 51 est positionné au dessus de l'élément rayonnant 50 conçu pour rayonner en double polarisation linéaire, à une distance typiquement de l'ordre d'un quart de longueur d'onde guidée. Ainsi, le radome polarisant 51 ne perturbe pas fondamentalement le fonctionnement de l'élément rayonnant 50. Une légère modification des dimensions des motifs de la FSS peuvent être ajustés dans le but d'affiner le rayonnement et l'adaptation de l'élément rayonnant 50.
Les FSS polarisantes peuvent être de type inductif ou capacitif : les FSS polarisantes de type inductif étant essentiellement formées par des surfaces métalliques dans lesquelles des motifs définis par des fentes sont réalisés, les FSS polarisantes de type capacitif étant essentiellement formées par des surfaces sur lesquelles des motifs métalliques sont réalisés. L'usage de FSS de type inductif peut s'avérer avantageux, car il ne nécessite pas l'usage d'un substrat, les FSS pouvant être alors directement réalisées en un matériau métallique.
Chaque FSS polarisante 511 , 512 peut par exemple être réalisée sous la forme d'une plaque métallique munie de fentes. Par exemple, pour des applications requérant une excitation en bipolarisation ou en polarisation circulaire, des cellules fentes en croix 520, désignées cellules "cross slots" selon la terminologie anglaise, peuvent être disposées sur la plaque métallique, par exemple suivant un motif périodique. Une cellule fente en croix 520 est représentée en vue de dessus sur la figure 5. La cellule fente en croix 520 est notamment caractérisée par la longueur de son côté, ou période a, par la longueur et la largeur, respectivement ay et dy de la fente horizontale (c'est-à-dire selon l'axe X), ainsi que par la longueur et la largeur ax et dx de la fente verticale (selon l'axe Y). Il est possible d'obtenir une différence de phase entre les deux composantes de champ Ex et Ey en choisissant des fentes horizontales et verticales de tailles différentes. La réflectivité selon une polarisation donnée est ajustée en faisant varier la longueur de la fente perpendiculaire à cette polarisation. Sachant que la réflectivité de la fente est nulle à la résonance, et que avant sa résonance la fente présente un coefficient de réflexion de phase négative et après la résonance une phase positive, les fentes en croix ont des longueurs différentes selon chacune des deux polarisations de façon à créer un déphasage de 90° entre les deux polarisations, et a insi générer une polarisation circulaire. Par exemple, les longueurs ax et ay des fentes peuvent être déterminées afin que l'une des fentes ait une action sur des fréquences inférieures à la fréquence de résonance, et l'autre fente pour des fréquences supérieures. De la sorte, il est possible d'obtenir pour le radome polarisant constitué de deux FSS séparés par exemple d'une distance DFss égale à λο/2 ou voisine de cette valeur, une différence de phase de 90° en transmission entre les composantes Ex et Ey. Par exemple, il est possible de fixer la longueur ax de la fente verticale à une valeur inférieure à λο/2, et la longueur ay de la fente horizontale à une valeur supérieure à λο/2. Il est bien sûr réciproquement possible de fixer la longueur ay de la fente horizontale à une valeur inférieure à λο/2, et la longueur ax de la fente verticale à une valeur supérieure à λο/2. La période a doit être fixée à une valeur supérieure à ax et à ay. Les largeurs de fentes dx et dy sont ajustées en fonction de l'épaisseur de la plaque métallique. D'une manière typique, les largeurs des fentes dx et dy sont choisies bien inférieures à la longueur d'onde nominale λ0. L'exemple de réalisation précité se fonde sur des cellules fentes en croix 520 agencées selon une maille carrée, mais il est également possible de recourir à des cellules agencées selon une maille différente, par exemple ronde, hexagonale, ...
Egalement, des motifs autres que des croix peuvent être utilisés, par exemple des fentes annulaires, ou des fentes de type Croix de Jérusalem, etc. II est avantageusement possible de recourir à un radome polarisant qui ne soit pas directement intégré à la cavité supérieure, comme dans l'exemple de réalisation décrit ci-dessus en référence à la figure 5. Les figures 6a et 6b présentent un élément rayonnant selon un autre exemple de réalisation de l'invention, respectivement dans une vue en coupe latérale, et dans une vue en perspective.
Dans l'exemple illustré par les figures 6a et 6b, un élément rayonnant
60 peut présenter une structure essentiellement similaire à la structure de l'élément rayonnant 50 décrit ci-dessus en référence à la figure 5. Ainsi, l'élément rayonnant 60 comprend notamment une cavité supérieure 31 , une cavité inférieure 32 alimentée par un guide d'onde 33. La cavité supérieure 31 est dans cet exemple couverte par un capot formé par une grille 313. Des corrugations 300 sont réalisées sensiblement en dessous de la cavité supérieure 31. Dans l'exemple illustré par les figures 6a et 6b, les parois latérales des cavités supérieure et inférieure 31 , 32 sont de forme cylindrique, à section circulaire. Un radome polarisant 61 est réalisé au- dessus de la cavité supérieure 31. Dans cet exemple, le radome polarisant
61 est également de forme cylindrique, mais à section carrée. Ainsi que cela est illustré par la figure 6b, le radome polarisant 61 est délimité en sa partie latérale par des parois latérales de forme sensiblement cylindrique, à section carrée. L'usage d'une section carrée permet ici de disposer un plus grand nombre de cellules fentes à croix 620 de forme carrée sur la surface de FSS polarisantes 61 1 , 612 formées par deux plaques métalliques disposées parallèlement l'une de l'autre. Dans un exemple typique, il est possible de réaliser un élément rayonnant destiné à fonctionner dans une bande de fréquence s'étalant de 2,48 GHz à 2,5 GHz, dont le radome polarisant 61 est de forme carrée dont le côté a une longueur de l'ordre de 2,7χλ0. Une telle configuration permet d'atteindre la double polarisation circulaire, c'est-à-dire droite et gauche en excitant l'antenne par deux polarisations linéaires +45° à -45°. Dans les deux cas, les diagrammes de rayonnement sont parfaitement axisymétriques, c'est-à-dire que la largeur du lobe est constante quel que soit le plan d'observation, et également caractérisés par un niveau de lobe secondaire ou SLL inférieur à -25 dB. En outre, sur la bande de fréquences mentionnée plus haut, pour les deux polarisations, la directivité varie entre 16,5 dB et 16,7 dB, et l'efficacité de surface est comprise entre 63% et 66%. Le coefficient de réflexion |s„| est inférieur à -20 dB et le rapport axial inférieur à
1 dB sur la bande d'intérêt.

Claims

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