WO2020120715A1 - Panneau de conversion de polarisation - Google Patents

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WO2020120715A1
WO2020120715A1 PCT/EP2019/084992 EP2019084992W WO2020120715A1 WO 2020120715 A1 WO2020120715 A1 WO 2020120715A1 EP 2019084992 W EP2019084992 W EP 2019084992W WO 2020120715 A1 WO2020120715 A1 WO 2020120715A1
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WO
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section
gon
network
polarization conversion
dielectric material
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Application number
PCT/EP2019/084992
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Inventor
Romain Czarny
Original Assignee
Thales
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/16—Auxiliary devices for mode selection, e.g. mode suppression or mode promotion; for mode conversion
    • H01P1/162—Auxiliary devices for mode selection, e.g. mode suppression or mode promotion; for mode conversion absorbing spurious or unwanted modes of propagation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/08—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices
    • H01P5/087—Transitions to a dielectric waveguide

Definitions

  • the invention applies to the fields of telecommunications, in the microwave range (1 GHz-300 GHz). It relates in particular to a polarization conversion panel made up of a plurality of conversion cells. Finally, it relates to an antenna comprising a plurality of sources configured to radiate in linear polarization, and also comprising a polarization conversion panel.
  • the transmitting antenna and the receiving antenna are not necessarily tuned according to the same polarization state.
  • a polarization check may then be necessary in order to obtain an optimal link budget between the transmitter and the receiver.
  • the transmitting antenna and the receiving antenna are in circular polarization.
  • the first solution is to control the polarization at the antenna excitation source.
  • This solution is particularly easy to implement when it comes to generating linear polarizations, which can be done by orienting, in the plane of the wave, the radiating element (of the dipole, patch, horn type) according to the desired direction.
  • controlling polarization at the antenna excitation source becomes much more complex to implement.
  • polarization duplexers or OMT for Orthogonal Mode Transducer
  • the polarization duplexer For each antenna source, the polarization duplexer has a port for vertical polarization signals, and a port for horizontal polarization signals, in order to combine (or dissociate) the vertical polarization signals and the polarization signals horizontal.
  • This solution is however not satisfactory for multi-source antennas, insofar as one of the two ports is located on the side with respect to the direction of radiation. Thus, the congestion of the ports is hardly compatible with a networking of sources arranged side by side.
  • Polarization control at the antenna excitation source can also be achieved by an iris or septum polarizer.
  • the iris polarizer is composed of a waveguide in which there is an iris, which constitutes a capacitive discontinuity for one linear polarization, and inductive for the other linear polarization. A phase shift is thus generated between the two polarizations, in order to obtain in particular a circular polarization.
  • the septum polarizer also consists of a waveguide, in which there is a staircase-like wall. The horizontal polarization, taken from one side of the waveguide wall, is converted to the left circular polarization, and the vertical polarization, taken from the opposite side, to the right circular polarization.
  • the input ports of the two polarizations are generally curved at right angles before entering the septum, making integration difficult for a large number of sources.
  • the solutions using iris or septum polarizers are not satisfactory because they include metallic structures (the septum or iris) in another metallic structure (the waveguide), making their design more complex. These solutions finally have a limited frequency band.
  • the second solution consists in using a surface of the half-wave type (conversion from horizontal polarization to vertical polarization, or vice versa) or quarter-wave (transformation of linear polarization in circular polarization) in the radiating opening of the antenna.
  • This can be done in different ways, for example using metallic networks, meta-materials anisotropic, chiral materials, metallic grids, frequency selective surfaces, or even meta-surfaces.
  • Document WO 2015/00441 1 discloses a polarization converter of the quarter-wave surface type, comprising a frequency selective surface composed of a conductive rectangular meander line disposed on a substrate, and of a rectangular metal strip disposed between each meander.
  • the object of the invention is to remedy the drawbacks of known polarization converters and to produce a polarization converter having the above-mentioned advantages.
  • An object of the invention is therefore a polarization conversion panel comprising a plurality of polarization conversion cells arranged in a regular compact network, each cell of the network comprising a metal waveguide delimited by an input port. and by an output port, the metal waveguide supporting a first and a second degenerate modes at
  • crossed and substantially linear polarizations characterized in that a section of the waveguide of each cell, called the main section, is configured so that the first and second degenerate modes propagate with different phase velocities.
  • the waveguide has a cross section having at least four axes of symmetry, and being partially filled with a dielectric material disposed along the axis of propagation of the waveguide, the dielectric material having, in the main section, a section in the transverse plane having at most two axes of symmetry.
  • the waveguide comprises at least one section called
  • the dielectric material has a section in the transverse plane having at least four axes of symmetry, or being devoid of dielectric material.
  • the waveguide comprises at least one so-called transition section, in which the dimensions of the section of the dielectric material decrease or increase progressively from the main section and along the propagation axis.
  • the transition section is arranged between the section
  • main and the secondary section is configured to adapt the section of the dielectric material in the main section to the section of the dielectric material in the secondary section.
  • the waveguide is equipped with internal ribs, the internal ribs having a section in the transverse plane having at least three axes of symmetry.
  • the input port and the output port are spaced apart by a length such that there is a phase difference of +/- 90 0 modulo 180 ° between the two degenerate modes at the port of exit (POS).
  • the input port and the output port are spaced by a length such that one of the two degenerate modes is phase shifted by +/- 180 0 modulo 360 ° between the input port and the port of exit.
  • each polarization conversion cell comprises an impedance matching layer, consisting of a dielectric substrate and / or a stack of solid and / or structured dielectric materials, and arranged outside the guide d 'waves, facing the entry and / or exit port.
  • each polarization conversion cell comprises a polarizing layer, transparent for a desired polarization, and disposed on the side of the output port.
  • the waveguide is closed at one end by a metal plane.
  • the waveguide is bevelled at the entry port and the exit port.
  • the waveguides of all the polarization conversion cells have a square outside section in the transverse plane, the polarization conversion cells being arranged in a square mesh network.
  • polarization have a hexagonal outer section in the transverse plane, the polarization conversion cells being arranged in a honeycomb network.
  • polarization have a circular outer section in the transverse plane, the polarization conversion cells being arranged in a triangular mesh network.
  • the dielectric material of each polarization conversion cell has, in the main section, a first axis of symmetry and a second axis of symmetry, the dielectric material having a first dimension in a first direction parallel to the first axis of symmetry, and a second dimension in a second direction parallel to the second axis of symmetry, a filling of dielectric material being produced
  • first filling rate in the first direction and a second filling rate in the second direction, the first filling rate and the second filling rate having different values.
  • the invention also relates to an antenna comprising a plurality of sources configured to radiate in linear polarization, and an abovementioned polarization conversion panel, each source being arranged opposite a polarization conversion cell.
  • FIG. 1 represents a longitudinal section of a polarization cell according to the invention, comprising a main portion, a transition portion, a secondary zone, an impedance matching layer, and a polarizing layer.
  • Figure 2A shows a section, in the transverse plane, of a main portion of rectangular shape of a polarization conversion cell according to the invention.
  • Figure 2B shows a section, in the transverse plane, of a main portion of elliptical shape, of a polarization conversion cell according to the invention.
  • Figure 3 shows a section, in the transverse plane, of a
  • Figure 4 shows a section, in the transverse plane, of a
  • Figure 5 represents a graph illustrating the correspondence between the length of the conversion cell according to the invention and the phase of the two main components of the modes at cell output.
  • Figure 6 shows a longitudinal section of a cell
  • polarization according to the invention comprising in particular a metallic plane.
  • FIG.7 Figure 7, a longitudinal section of a polarization cell according to the invention, with a beveled waveguide.
  • Figure 8A shows a polarization conversion panel according to the invention made up of an arrangement of square waveguides.
  • Figure 8B shows a polarization conversion panel according to the invention made up of an arrangement of hexagonal waveguides.
  • Figure 8C shows a polarization conversion panel according to the invention made up of an arrangement of circular waveguides.
  • Figure 9 shows four cells along different planes, of the main component of the electric field for each of the modes, for a polarization conversion panel according to the invention.
  • Figures 10, 10B and 10C illustrate a method of manufacturing a polarization conversion panel according to the invention.
  • FIG. 1 illustrates a longitudinal section of a conversion cell according to the invention.
  • the polarization conversion cell CEL comprises a POE input port, at the level of which a linearly polarized plane electromagnetic wave is injected, by means of a source, not shown.
  • the cell also includes a POS output port, at which the desired polarization (circular, or linear) is recovered.
  • the conversion cell is made up of a GON metal waveguide.
  • metallic waveguide is meant a waveguide whose walls are made of massive amounts of metal, or else with a metallized plate, for example on a polymer substrate.
  • the GON waveguide may in particular have a cross section in the form of a square, a circle or even a hexagon.
  • the GON waveguide can be closed around its entire periphery, or consist of non-contiguous plates. GON waveguides having such a section are particularly suitable for supporting degenerate modes. Modes are said to be degenerate in a waveguide when their cutoff frequency is identical. These waveguides also have the particularity of presenting orthogonal electric field orientations for degenerate modes. The polarization of the incident electromagnetic wave can thus be oriented at forty-five degrees with respect to the electric field lines of each of the degenerate modes.
  • the GON waveguide comprises a main section TP, intended to generate the polarization conversion.
  • it also includes a CAI impedance matching layer which can be located outside the waveguide, at the POE input port and / or the POS output port.
  • the CAI impedance matching layer may consist of a dielectric substrate, a stack of solid dielectric materials, or a stack of structured dielectric materials.
  • Layer Impedance matching CAI can also consist of a combination of the above elements.
  • the constitution of the CAI impedance matching layer essentially depends on the manufacturing constraints (for example machining, additive manufacturing) and in use (for example broadband, high incidence).
  • the CEL polarization conversion cell according to the invention can convert two waves from a bipolarization source, or else from two sources under different incidences. If polarization conversion of a single wave is desired, a polarizing layer CPO can be arranged at the output port POS, in order to improve the purity of the converted polarization.
  • the polarizing layer CPO, disposed on the side of the output port POS is then transparent for the desired polarization, and highly reflective (or absorbent) for the other polarizations.
  • the polarizing layer CPO can be
  • a transition section TR can be arranged between the main section TP and a secondary section TS.
  • FIG. 2A and 2B illustrate a transverse view of the main section, according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2A illustrates in particular a view of the cross section of a part of a GON waveguide.
  • a metal waveguide GON is partially filled with a dielectric material MDI.
  • a metal waveguide GON illustrates a section, in the transverse plane, of a main section of a waveguide used in the invention.
  • the waveguide is filled, on at least part of the propagation axis (Oz axis in FIG. 2A), with a dielectric material MDI.
  • the filling of dielectric material MDI does not include more than two axes of symmetry AX1 and AX2.
  • the cross section of the dielectric material MDI can thus for example have the shape of a rectangle, as illustrated in FIG. 2A, or of an ellipse, as illustrated in FIG. 2B.
  • FIG. 2A illustrates the case where a dielectric material MDI of rectangular section is placed in the waveguide GON of square section
  • FIG. 2B illustrates the case where a dielectric material MDI of elliptical section is placed in the wave guide GON of circular section.
  • the dielectric material MDI have a cross section of hexagon in which two opposite sides are longer than the others, so as not to have more than two axes of symmetry.
  • the first Ex component propagates in a first degenerate mode, oriented linearly along the Ox axis
  • the second Ey component propagates in a second degenerate mode, oriented linearly along the axis Oy.
  • the presence of an asymmetrical filling of dielectric material makes it possible to lift the degeneration between the modes, thus slowing down one component with respect to the other component of the incident electromagnetic wave, and thus obtain a phase shift between the two components.
  • the propagation constant of the two modes is therefore different, due to the asymmetry of the dielectric filling.
  • the dielectric material MDI of the polarization conversion cell CEL has, in the main section TP, a first axis of symmetry AX1 and a second axis of symmetry AX2.
  • the dielectric material MDI has a first dimension d1 in a first direction Ox parallel to the first axis of symmetry AX1.
  • the first dimension d1 corresponds to the length of the rectangle.
  • the first dimension d1 corresponds to the major axis of the ellipse.
  • the dielectric material MDI also has a second dimension d2 in a second direction Oy parallel to the second axis of symmetry AX2.
  • the second dimension d2 corresponds to the width of the rectangle.
  • the second dimension d2 corresponds to the minor axis of the ellipse.
  • [49] D corresponds to the length of one side of the GON waveguide when it has a square section, or to the diameter of the circular section waveguide, including the wall of the waveguide.
  • the waveguide has a thickness having the value e / 2.
  • Figure 3 illustrates a view of the cross section of a secondary section TS of the GON waveguide.
  • the filling pattern made of dielectric material MDI has at least three axes of symmetry.
  • the secondary section TS makes it possible to use an impedance matching layer whose pattern generally also has at least three axes of symmetry (for example an iris whose slats follow all the walls of the waveguide), and thus avoid reflective losses.
  • the secondary section TS may alternatively be devoid of dielectric material.
  • a transition section TR makes it possible to gradually adapt the secondary section TS to the main section, and vice versa.
  • the transition section TR may for example have a constant dimension along one of the axes of symmetry of the dielectric material MDI in cross section, and a gradually increasing or decreasing dimension along the other axis of symmetry of the dielectric material MDI in cross section.
  • transition section can be filled with a dielectric material whose dimensions in cross section gradually decrease from the main section TP and along the axis of propagation.
  • the dimensions in transverse section may alternatively gradually increase from the main section TP and along the propagation axis
  • the presence of a section secondary is therefore not essential for there to be a transition section TR.
  • Dielectric materials with low losses (tan d ⁇ 10 2 or R> 1000 Q.cm) and with high permittivity are preferable. It can be polymer materials, ceramic materials, semiconductor materials, insulating materials, composite materials (association of a ceramic filler in a polymer matrix for example).
  • the dielectric material may be composed of materials
  • polymers such as polyamide, acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polypropylene, high density polyethylene (HDPE), Polytetrafluoroethylene (TRFE), polyetherimide (PEI or ULTEM), Polyetheretherketone (PEEK), Polycarbonate (PC ), the cycloolefin copolymers (COC and COP), the
  • Polystyrene PE or Rexolite
  • Polyphenylen sulfide TRS and TRSF
  • TRS Polyphenylen sulfide
  • TRSF Polyphenylen sulfide
  • the dielectric material can be composed of ceramics, for example Alumina, Aluminum nitride, Zirconia, Barium Titanate, Titanium dioxide. Their permittivity is particularly high.
  • the dielectric material may be composed of semiconductors, such as ultra-resistive silicon (Si-HR), semi-insulating Galium Arsenide (GaAs-SI), Silicon Carbide (SiC) .
  • Si-HR ultra-resistive silicon
  • GaAs-SI semi-insulating Galium Arsenide
  • SiC Silicon Carbide
  • the main section TP, the secondary section TS and the transition section TR can be made of identical dielectric materials, the monolithic nature of which would facilitate manufacture. Alternatively, the sections can include different dielectric materials.
  • Figure 4 illustrates an improvement in which the GON waveguide comprises internal ribs NI (“ridge” according to English terminology) on the walls, inside the waveguide.
  • the ribs may be present in the main section TP, in the secondary section TS and in the transition section TR.
  • the presence of ribs widens the band bandwidth compared to a waveguide without ribs, lowering the cutoff frequency.
  • FIG. 5 illustrates an example of the evolution of the phase of the two modes as a function of the length of the conversion cell.
  • the length of the mentioned conversion cell corresponds to the length of the main section TP and of the transition section TR, since the two modes move with the same phase speed in the secondary section TS.
  • the conversion cell makes it possible to perform quarter-wave type functions (transformation of a linear polarization into circular polarization), half-wave type functions (polarization rotation, allowing by example of transforming a horizontal polarization into
  • the POE input port and the POS output port are spaced by a length such that one of the two degenerate modes is phase shifted by +/- 180 0 (modulo 360 °) between the POE input port and the POS output port.
  • a PME metallic plane can be placed adjacent to the main section TP, as illustrated in FIG. 6.
  • the polarization cell thus operates in reflection, and not in transmission as that described.
  • the length (along the direction of propagation Oz) of the main section TP can therefore be reduced compared to operation in
  • Figure 7 illustrates another variant, in which the waveguide GON is bevelled at the POE input port and the POS output port.
  • the bevel can be adapted in particular to off-axis radiation of a radiating element.
  • off-axis radiation is meant radiation outside the axis normal to the plane of the radiating element. So the adaptation layer
  • CAI impedance can be placed directly in front of the radiating element, without any transmission losses.
  • the CEL conversion cells are arranged in a regular compact network in the transverse plane.
  • the regular compact network consists of a periodic network of polarization conversion cells, defined by a first network step L1, by a second network step L2, and by a network angle a.
  • the values of the first network step L1 and of the second network step L2 are determined in particular as a function of the minimum wavelength 7 min of operation of each of the polarization conversion cells, so as to respect the condition of spatial sampling. :
  • Figures 8A and 8B illustrate two examples of PAN polarization conversion panels, comprising a plurality of the above-mentioned CEL polarization conversion cells.
  • the GON waveguides of all the CEL polarization conversion cells have a square outside section in the transverse plane.
  • the CEL polarization conversion cells are arranged in a square mesh network.
  • the first network step L1 and the second network step L2 have the value of side D (in external section) of each of the GON waveguides, according to the cross section.
  • the network angle a is 90 °.
  • the GON waveguides of all the CEL polarization conversion cells have an external hexagonal section in the transverse plane.
  • hexagonal here is meant a regular hexagon.
  • the CEL polarization conversion cells are arranged in a honeycomb network.
  • the network angle a is in this case 30 °.
  • the first network step L1 is worth 3D / 2
  • the second network step L2 has the value V3D / 2.
  • the first network step L1 and the second network step L2 have the value D, where D is the diameter of the circular waveguide (in external section), and the network angle a is equal to 60 °, which corresponds to a triangular mesh.
  • D is the diameter of the circular waveguide (in external section)
  • the network angle a is equal to 60 °, which corresponds to a triangular mesh.
  • the PAN polarization conversion panel thus formed therefore combines a simple self-supporting metallic structure with great mechanical rigidity, in particular when the cells are hexagonal in shape. This high mechanical rigidity allows their implementation on large areas ranging from a few cm 2 to several m 2 , and to use this polarization conversion panel as a polarizing radome.
  • the PAN polarization conversion panel thus formed can also be manufactured in a relatively simple manner. Indeed, a regular compact network of waveguides can be sandwiched between a first assembly (input port side) comprising at least one impedance matching layer, common to all the polarization conversion cells, and a second assembly (output port side) comprising at least one impedance matching layer, common to all the polarization conversion cells.
  • the first set and the second set may also include a plurality of main, secondary and transition sections.
  • the first assembly and the second assembly can advantageously be manufactured by additive manufacturing, by molding or by machining.
  • Figure 9 illustrates a representation, along different planes, of the
  • the panel as that illustrated shows 2x2 polarization conversion cells; a higher number of polarization conversion cells in the x and / or y directions can be envisaged, without departing from the scope of the invention.
  • the spatial distributions of the main components of the electric field (Ex for the first mode and Ey for the second mode) are shown. Given the dielectric filling anisotropy, the phase speed of the first mode (mode 1) is faster than that of the second mode (mode 2) in the waveguide.
  • mode 1 Given the dielectric filling anisotropy, the phase speed of the first mode (mode 1) is faster than that of the second mode (mode 2) in the waveguide.
  • Figures 10A, 10B and 10C illustrate a method of manufacturing the polarization conversion panel described above.
  • waveguide matrix is understood to mean a network of waveguides, arranged in a compact and regular arrangement, with a mesh defined by a value of first network step L1, by a value of second network step L2, and by a network angle a, the value of the first network step L1 and the value of the second network step L2 being such that L1 and L2 ⁇ 7 min / 2, where 7 min is the minimum operating wavelength of each metallic waveguides. Examples of such matrices are illustrated in FIGS. 8A,
  • the metal matrix of waveguides looks like a mesh.
  • the matrix can be manufactured by machining, by 3D printing, or by molding.
  • the matrix can advantageously be produced by 3D printing of a polymer, which is subsequently metallized.
  • a first structure is made of dielectric material and a
  • the first structure of dielectric material comprises a first base BA1 and a first network of pins PL1 projecting from the first base BA1.
  • the second structure of dielectric material comprises a second base BA2 and a second network of pins PL2 projecting from the second base BA2.
  • the dielectric material may be composed of polymer materials such as polyamide, acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polypropylene, high density polyethylene (HDPE), Polytetrafluoroethylene (TRFE), polyetherimide (PEI or ULTEM) , Polyetheretherketone (PEEK),
  • ABS acrylonitrile butadiene styrene
  • HDPE high density polyethylene
  • TRFE Polytetrafluoroethylene
  • PEI or ULTEM polyetherimide
  • PEEK Polyetheretherketone
  • PC Polycarbonate
  • COC Cycloolefin Copolymers
  • COP Polycarbonate
  • Polystyrene PE or Rexolite
  • Polyphenylen sulfide TRS and TRSF
  • TRS Polyphenylen sulfide
  • TRSF Polyphenylen sulfide
  • the dielectric material may be composed of ceramics, for example Alumina, Aluminum nitride, Zirconia, Barium Titanate, Titanium dioxide. Their permittivity is particularly high.
  • the dielectric material can be composed of semiconductors, such as ultra-resistive silicon (Si-HR), semi-insulating Galium Arsenide
  • SiC Silicon Carbide
  • Each pin has a section in the plane normal to the direction of extension
  • each pin can have a section having at most two axes of symmetry, in order to constitute, with the waveguide, the main section TP described above. It may also have with a section having four axes of symmetry, in order to constitute, with the waveguide, the main section TS described above.
  • the dielectric can finally constitute, with the waveguide, a transition section TR, in which the dimensions of the section of the dielectric decrease or increase gradually from the main section TP and along the axis of propagation.
  • one of the bases BA1, BA2, or both bases can be any of the bases BA1, BA2, or both bases.
  • an impedance matching layer consisting of a dielectric substrate, a stack of solid dielectric materials, or a stack of structured dielectric materials.
  • One of the two bases may include a polarizing layer, in order to improve the purity of the converted polarization.
  • the pins of the same structure are spaced like a checkerboard: once assembled with the matrix of metallic waveguides GON, the waveguides of the PAN panel are crossed alternately by a spike of the first network of pins PL1 and by a spike of the second network of spikes PL2.
  • This embodiment is advantageous, compared to an embodiment where all the pins are on the same side. Indeed, the value of the first and second network steps must be less than 7 min / 2. If all the pins were on the same side, the pins would be extremely tight, and therefore much more difficult to manufacture. In particular, the molds suitable for such a dielectric structure would be difficult to manufacture.
  • each of the bases has a triple function: it serves to hold the pins in the panel, and make an impedance adaptation, and to protect each cell of the panel against external intrusion (radome function).
  • a broadband polarization conversion panel is thus obtained, effective even at high incidence (due to the sub-lamda size of the network steps), solid, and which can be easily manufactured.

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

Panneau de conversion de polarisation (PAN) comprenant une pluralité de cellules de conversion de polarisation (CEL) agencées en réseau compact régulier, chaque cellule du réseau comprenant un guide d'ondes métallique (GON) délimité par un port d'entrée (POE) et par un port de sortie (POS), le guide d'ondes métallique (GON) supportant un premier et un deuxième modes dégénérés à polarisations croisées et sensiblement linéaires, un tronçon du guide d'ondes (GON) de chaque cellule (CEL), appelé tronçon principal (TP), étant configuré pour que le premier et le deuxième modes dégénérés se propagent avec des vitesses de phase différentes.

Description

Description
Titre de l'invention : Panneau de conversion de
polarisation
[1 ] [L'invention s’applique aux domaines des télécommunications, dans la gamme des ondes hyperfréquences (1 GHz-300 GHz). Elle porte en particulier sur un panneau de conversion de polarisation constitué d’une pluralité de cellules de conversion. Elle porte enfin sur une antenne comprenant une pluralité de sources configurées pour rayonner en polarisation linéaire, et comprenant également un panneau de conversion de polarisation.
[2] Sur une liaison de télécommunications entre un émetteur et un récepteur,
l’antenne émettrice et l’antenne réceptrice ne sont pas nécessairement accordées selon le même état de polarisation. Un contrôle de la polarisation peut alors s’avérer nécessaire, en vue d’obtenir un bilan de liaison optimal entre l’émetteur et le récepteur. En particulier, pour une liaison entre un satellite et un porteur mobile au sol, il est préférable que l’antenne émettrice et l’antenne réceptrice soient en polarisation circulaire.
[3] Deux types de solutions sont classiquement utilisées. Elles agissent soit
directement au niveau de la source d’excitation de l’antenne, soit au niveau de son ouverture rayonnante.
[4] La première solution consiste à contrôler la polarisation au niveau de la source d’excitation de l’antenne. Cette solution est particulièrement facile à implémenter lorsqu’il s’agit de générer des polarisations linéaires, ce qui peut se faire en orientant, dans le plan de l’onde, l’élément rayonnant (du type dipôle, patch, cornet) selon la direction souhaitée. Lorsqu’il est question de générer une polarisation circulaire, le contrôle de la polarisation au niveau de la source d’excitation de l’antenne devient beaucoup plus complexe à mettre en oeuvre.
Une des solutions existantes consiste à utiliser des duplexeurs de polarisation (ou OMT pour Orthogonal Mode Transducer). Pour chaque source d’antenne, le duplexeur de polarisation a un port pour des signaux en polarisation verticale, et un port pour des signaux en polarisation horizontale, afin de combiner (ou de dissocier) les signaux en polarisation verticale et les signaux en polarisation horizontale. Cette solution n’est toutefois pas satisfaisante pour des antennes multi-sources, dans la mesure où un des deux ports est situé sur le côté par rapport à la direction de rayonnement. Ainsi, l’encombrement des ports est difficilement compatible avec une mise en réseau de sources disposées côte à côte.
[5] Le contrôle de la polarisation au niveau de la source d’excitation de l’antenne peut également être réalisé par un polariseur à iris ou à septum. Le polariseur à iris est composé d’un guide d’ondes dans lequel se trouve un iris, qui constitue une discontinuité capacitive pour une polarisation linéaire, et inductive pour l’autre polarisation linéaire. Un déphasage est ainsi généré entre les deux polarisations, afin d’obtenir notamment une polarisation circulaire. Le polariseur à septum est également composé d’un guide d’ondes, dans lequel se trouve une paroi en forme d’escaliers. La polarisation horizontale, prélevée d’un côté de la paroi du guide d’ondes, est convertie en polarisation circulaire gauche, et la polarisation verticale, prélevée du côté opposé, en polarisation circulaire droite. Les ports d’entrée des deux polarisations sont généralement courbés à angle droit avant l’accès dans le septum, l’intégration pouvant alors s’avérer complexe pour un nombre élevé de sources. Par ailleurs, les solutions utilisant les polariseurs à iris ou à septum ne sont pas satisfaisantes car elles comprennent des structures métalliques (le septum ou l’iris) dans une autre structure métallique (le guide d’ondes), complexifiant leur conception. Ces solutions ont enfin une bande de fréquence limitée.
[6] Ainsi, de par leur encombrement et leur complexité, les solutions implémentées au niveau de la source d’excitation de l’antenne sont difficilement intégrables dans des antennes multi-sources, qu’il s’agisse d’antennes réseaux ou d’antennes multi-faisceaux.
[7] Afin de permettre une approche plus adaptée à un nombre élevé de sources, la deuxième solution consiste à utiliser une surface du type demi-onde (conversion de polarisation horizontale en polarisation verticale, ou inversement) ou quart- onde (transformation d’une polarisation linéaire en polarisation circulaire) dans l’ouverture rayonnante de l’antenne. Ceci peut être réalisé de différentes manières, par exemple à l’aide de réseaux métalliques, de méta-matériaux anisotropes, de matériaux chiraux, de grilles métalliques, de surfaces sélectives en fréquence, ou encore de méta-surfaces. Le document WO 2015/00441 1 divulgue un convertisseur de polarisation de type surface quart d’onde, comprenant une surface sélective en fréquence composée d’une ligne à méandres rectangulaire conductrice disposée sur un substrat, et d’une bande métallique rectangulaire disposée entre chaque méandre. L’implémentation d’un tel convertisseur sur de grandes surfaces, pour un nombre élevé de sources, et pour des surfaces de grand diamètre, peut poser des problèmes de tenue mécanique, liés notamment à la faible épaisseur du convertisseur. Par ailleurs, l’empilement de plusieurs surfaces sélectives en fréquence, qui permet d’améliorer le comportement en bande et de diminuer les pertes par réflexion, peut présenter des difficultés de fabrication.
[8] Dans tous les cas, il est difficile d’associer à la fois une bonne tenue mécanique, un bon comportement en bande, un bon comportement en incidence, un faible niveau de réflexion, une bonne pureté de polarisation (en particulier pour la conversion de polarisation linéaire en polarisation circulaire), avec des techniques de fabrication peu onéreuses.
[9] Le but de l’invention est de remédier aux inconvénients des convertisseurs de polarisation connus et de réaliser un convertisseur de polarisation présentant les avantages précités.
[10] Un objet de l’invention est donc un panneau de conversion de polarisation comprenant une pluralité de cellules de conversion de polarisation agencées en réseau compact régulier, chaque cellule du réseau comprenant un guide d’ondes métallique délimité par un port d’entrée et par un port de sortie, le guide d’ondes métallique supportant un premier et un deuxième modes dégénérés à
polarisations croisées et sensiblement linéaires, caractérisé en ce qu’un tronçon du guide d’ondes de chaque cellule, appelé tronçon principal, est configuré pour que le premier et le deuxième modes dégénérés se propagent avec des vitesses de phase différentes.
[1 1 ] Avantageusement, le guide d’ondes dispose d’une section transverse ayant au moins quatre axes de symétrie, et étant rempli partiellement d’un matériau diélectrique disposé le long de l’axe de propagation du guide d’ondes, le matériau diélectrique ayant, dans le tronçon principal, une section dans le plan transverse présentant au plus deux axes de symétrie.
[12] Avantageusement, le guide d’ondes comprend au moins un tronçon dit
secondaire, dans lequel le matériau diélectrique a une section dans le plan transverse présentant au moins quatre axes de symétrie, ou étant dépourvue de matériau diélectrique.
[13] Avantageusement, le guide d’ondes comprend au moins un tronçon dit de transition, dans lequel les dimensions de la section du matériau diélectrique diminuent ou augmentent progressivement depuis le tronçon principal et selon l’axe de propagation.
[14] Avantageusement, le tronçon de transition est disposé entre le tronçon
principal et le tronçon secondaire, et est configuré pour adapter la section du matériau diélectrique dans le tronçon principal à la section du matériau diélectrique dans le tronçon secondaire.
[15] Avantageusement, le guide d’ondes est équipé de nervures internes, les nervures internes ayant une section dans le plan transverse présentant au moins trois axes de symétrie.
[16] Avantageusement, le port d’entrée et le port de sortie sont espacés d’une longueur telle qu’il y ait une différence de phase de +/-900 modulo 180° entre les deux modes dégénérés au niveau du port de sortie (POS).
[17] En variante, le port d’entrée et le port de sortie sont espacés d’une longueur telle qu’un parmi les deux modes dégénérés soit déphasé de +/-1800 modulo 360° entre le port d’entrée et le port de sortie.
[18] Avantageusement, chaque cellule de conversion de polarisation comprend une couche d’adaptation d’impédance, constituée d’un substrat diélectrique et/ou d’un empilement de matériaux diélectriques massifs et/ou structurés, et disposée en dehors du guide d’ondes, face au port d’entrée et/ou de sortie.
[19] Avantageusement, chaque cellule de conversion de polarisation comprend une couche polarisante, transparente pour une polarisation souhaitée, et disposée du côté du port de sortie. [20] Avantageusement, le guide d’ondes est fermé à une extrémité par un plan métallique.
[21 ] Avantageusement, le guide d’ondes est biseauté au niveau du port d’entrée et du port de sortie.
[22] Avantageusement, les guides d’ondes de toutes les cellules de conversion de polarisation ont une section extérieure carrée dans le plan transverse, les cellules de conversion de polarisation étant agencées selon un réseau à maille carrée.
[23] En variante, les guides d’ondes de toutes les cellules de conversion de
polarisation ont une section extérieure hexagonale dans le plan transverse, les cellules de conversion de polarisation étant agencées selon un réseau en nid d’abeille.
[24] En variante, les guides d’ondes de toutes les cellules de conversion de
polarisation ont une section extérieure circulaire dans le plan transverse, les cellules de conversion de polarisation étant agencées selon un réseau à maille triangulaire.
[25] Avantageusement, le matériau diélectrique de chaque cellule de conversion de polarisation possède, dans le tronçon principal, un premier axe de symétrie et un deuxième axe de symétrie, le matériau diélectrique ayant une première dimension selon une première direction parallèle au premier axe de symétrie, et une deuxième dimension selon une deuxième direction parallèle au deuxième axe de symétrie, un remplissage en matériau diélectrique étant réalisé
conformément à un premier taux de remplissage selon la première direction, et à un deuxième taux de remplissage selon la deuxième direction, le premier taux de remplissage et le deuxième taux de remplissage ayant des valeurs différentes.
[26] L’invention se rapporte également à une antenne comprenant une pluralité de sources configurées pour rayonner en polarisation linéaire, et un panneau de conversion de polarisation précité, chaque source étant disposée face à une cellule de conversion de polarisation.
[27] D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple. [28] [Fig.1 ] La figure 1 représente une coupe longitudinale d’une cellule de polarisation selon l’invention, comprenant une portion principale, une portion de transition, une zone secondaire, une couche d’adaptation d’impédance, et une couche polarisante.
[29] [Fig.2A] La figure 2A représente une coupe, dans le plan transverse, d’une portion principale de forme rectangulaire d’une cellule de conversion de polarisation selon l’invention.
[30] [Fig.2B] La figure 2B représente une coupes, dans le plan transverse, d’une portion principale de forme elliptique, d’une cellule de conversion de polarisation selon l’invention.
[31 ] [Fig.3] La figure 3 représente une coupe, dans le plan transverse, d’une
portion secondaire, de forme carrée, d’une cellule de conversion de polarisation selon l’invention.
[32] [Fig.4] La figure 4 représente une coupe, dans le plan transverse, d’une
portion principale, sous forme de nervures, d’une cellule de conversion de polarisation selon l’invention.
[33] [Fig.5] La figure 5 représente un graphe illustrant la correspondance entre la longueur de la cellule de conversion selon l’invention et la phase des deux composantes principales des modes en sortie de cellule.
[34] [Fig.6] La figure 6 représente une coupe longitudinale d’une cellule de
polarisation selon l’invention, comprenant notamment un plan métallique.
[35] [Fig.7] La figure 7, une coupe longitudinale d’une cellule de polarisation selon l’invention, avec un guide d’ondes biseauté.
[36] [Fig.8A] La figure 8A représente un panneau de conversion de polarisation selon l’invention constitués d’un agencement de guides d’ondes carrés.
[37] [Fig.8B] La figure 8B représente un panneau de conversion de polarisation selon l’invention constitués d’un agencement de guides d’ondes hexagonaux.
[38] [Fig.8C] La figure 8C représente un panneau de conversion de polarisation selon l’invention constitués d’un agencement de guides d’ondes circulaires. [39] [Fig.9] La figure 9 représente quatre cellules suivant différents plans, de la composante principale du champ électrique pour chacun des modes, pour un panneau de conversion de polarisation selon l’invention.
[40] Les figures 10, 10B et 10C illustrent un procédé de fabrication d’un panneau de conversion de polarisation selon l’invention.
[41 ] La figure 1 illustre une coupe longitudinale d’une cellule de conversion selon l’invention. La cellule de conversion de polarisation CEL comprend un port d’entrée POE, au niveau duquel est injectée une onde électromagnétique plane polarisée linéairement, par l’intermédiaire d’une source, non représentée. La cellule comprend également un port de sortie POS, au niveau duquel est récupérée la polarisation souhaitée (circulaire, ou linéaire). La cellule de conversion est composée d’un guide d’ondes métallique GON. Par « guide d’ondes métallique », on entend un guide d’ondes dont les parois sont faites massivement de métal, ou bien avec une plaque métallisée, par exemple sur un substrat polymère. Le guide d’onde GON peut avoir notamment une section transverse en forme de carré, de cercle ou encore d’hexagone. En section transverse, le guide d’onde GON peut être fermé sur tout son pourtour, ou être constitué de plaques non jointives. Les guides d’ondes GON ayant une telle section sont particulièrement adaptés pour supporter des modes dégénérés. Des modes sont dits dégénérés dans un guide d’ondes lorsque leur fréquence de coupure est identique. Ces guides d’ondes ont également la particularité de présenter des orientations de champ électriques orthogonales pour les modes dégénérés. La polarisation de l’onde onde électromagnétique incidente peut ainsi être orientée à quarante-cinq degrés vis-à-vis des lignes de champs électriques de chacun des modes dégénérés.
[42] En vue longitudinale, le guide d’ondes GON comprend un tronçon principal TP, destiné à générer la conversion de polarisation. De façon optionnelle, il comprend également une couche d’adaptation d’impédance CAI qui peut être située à l’extérieur du guide d’ondes, au niveau du port d’entrée POE et/ou du port de sortie POS. La couche d’adaptation d’impédance CAI peut être constituée d’un substrat diélectrique, d’un empilement de matériaux diélectriques massifs, ou d’un empilement de matériaux diélectriques structurés. La couche d’adaptation d’impédance CAI peut également être constituée d’une combinaison des éléments précités. La constitution de la couche d’adaptation d’impédance CAI dépend essentiellement des contraintes de fabrication (par exemple usinage, fabrication additive) et d’utilisation (par exemple large bande, forte incidence). La cellule de conversion de polarisation CEL selon l’invention peut convertir deux ondes issues d’une source bipolarisation, ou bien issues de deux sources sous différentes incidences. Si la conversion de polarisation d’une seule onde est souhaitée, une couche polarisante CPO peut être disposée au niveau du port de sortie POS, afin d’améliorer la pureté de la polarisation convertie. La couche polarisante CPO, disposée du côté du port de sortie POS est alors transparente pour la polarisation souhaitée, et hautement réflective (ou absorbante) pour les autres polarisations. Par exemple, la couche polarisante CPO peut être
constituée d’un réseau de fils métalliques, pour ne laisser passer qu’une seule polarisation linéaire. Enfin, également de façon optionnelle, un tronçon de transition TR peut être disposé entre le tronçon principal TP et un tronçon secondaire TS.
[43] Les figures 2A et 2B illustrent une vue transverse du tronçon principal, selon un premier mode de réalisation de l’invention. La figure 2A illustre en particulier une vue de la section transversale d’une partie d’un guide d’ondes GON. Selon ce premier mode de réalisation, un guide d’ondes métallique GON est rempli partiellement d’un matériau diélectrique MDI. Sur la figure 2A, un guide d’ondes métalliques GON illustre une coupe, dans le plan transverse, d’un tronçon principal d’un guide d’ondes employé dans l’invention. Le guide d’ondes est rempli, sur au moins une partie de l’axe de propagation (axe Oz sur la figure 2A), d’un matériau diélectrique MDI. Le remplissage en matériau diélectrique MDI ne comprend pas plus de deux axes de symétrie AX1 et AX2. Ce remplissage sera par la suite dénommé « asymétrique ». La section transverse du matériau diélectrique MDI peut ainsi par exemple avoir une forme de rectangle, comme l’illustre la figure 2A, ou d’ellipse, comme l’illustre la figure 2B. La figure 2A illustre le cas où un matériau diélectrique MDI de section rectangulaire est disposé dans le guide d’ondes GON de section carrée, et la figure 2B illustre le cas où un matériau diélectrique MDI de section elliptique est disposé dans le guide d’ondes GON de section circulaire. Ces exemples ne sont pas limitatifs, il est ainsi possible d’envisager le cas où un matériau diélectrique MDI de section rectangulaire est disposé dans un guide d’ondes GON de section circulaire, ou inversement. Le guide d’ondes GON peut également avoir une section
transverse d’hexagone régulier, et le matériau diélectrique MDI avoir une section transverse d’hexagone dans lequel deux côtés opposés sont plus longs que les autres, afin de ne pas avoir plus de deux axes de symétrie.
[44] L’onde électromagnétique incidente est décomposée en une première
composante Ex, selon l’axe Ox, et une deuxième composante Ey, selon l’axe Oy. La première composante Ex se propage selon un premier mode dégénéré, orienté linéairement selon l’axe Ox, et la deuxième composante Ey se propage selon un deuxième mode dégénéré, orienté linéairement selon l’axe Oy. La présence d’un remplissage asymétrique en matériau diélectrique permet de lever la dégénérescence entre les modes, de ralentir ainsi une composante par rapport à l’autre composante de l’onde électromagnétique incidente, et d’obtenir ainsi un déphasage entre les deux composantes. La constante de propagation des deux modes est donc différente, du fait de l’asymétrie du remplissage en diélectrique.
[45] En référence aux figures 2A et 2B, le matériau diélectrique MDI de la cellule de conversion de polarisation CEL a, dans le tronçon principal TP, un premier axe de symétrie AX1 et un deuxième axe de symétrie AX2. Le matériau diélectrique MDI a une première dimension d1 selon une première direction Ox parallèle au premier axe de symétrie AX1. Pour un matériau diélectrique MDI ayant un motif transverse rectangulaire, la première dimension d1 correspond à la longueur du rectangle. Pour un matériau diélectrique MDI ayant un motif transverse elliptique, la première dimension d1 correspond au grand axe de l’ellipse. Le matériau diélectrique MDI a également une deuxième dimension d2 selon une deuxième direction Oy parallèle au deuxième axe de symétrie AX2. Pour un matériau diélectrique MDI ayant un motif transverse rectangulaire, la deuxième dimension d2 correspond à la largeur du rectangle. Pour un matériau diélectrique MDI ayant un motif transverse elliptique, la deuxième dimension d2 correspond au petit axe de l’ellipse. [46] On définit un premier taux de remplissage Tr1 selon la première direction Ox et un deuxième taux de remplissage TR2 selon la deuxième direction Oy, par les relations suivantes :
[47] TRI = d1/(D-e)
[48] T R2 = d2/(D-e)
[49] D correspond à la longueur d’un côté du guide d’ondes GON lorsqu’il a une section carrée, ou au diamètre du guide d’ondes à section circulaire, en incluant la paroi du guide d’ondes.
[50] Le guide d’ondes a une épaisseur ayant pour valeur e/2.
[51 ] Lorsque Tr1 ¹ TR2 , le remplissage en matériau diélectrique est asymétrique.
[52] La figure 3 illustre une vue de la section transverse d’un tronçon secondaire TS du guide d’ondes GON. Dans le tronçon secondaire TS, le motif de remplissage en matériau diélectrique MDI a au moins trois axes de symétrie. Le tronçon secondaire TS permet d’utiliser une couche d’adaptation d’impédance dont le motif a généralement également au moins trois axes de symétrie (par exemple un iris dont les lattes suivent toutes les parois du guide d’ondes), et éviter ainsi les pertes par réflexion. Le tronçon secondaire TS peut en variante être dépourvu de matériau diélectrique.
[53] Un tronçon de transition TR permet d’adapter progressivement le tronçon secondaire TS vers le tronçon principal, et réciproquement. Le tronçon de transition TR peut par exemple avoir une dimension constante selon un des axes de symétrie du matériau diélectrique MDI en section transverse, et une dimension progressivement croissante ou décroissante selon l’autre axe de symétrie du matériau diélectrique MDI en section transverse.
[54] En variante, notamment lorsqu’il n’y a pas de tronçon secondaire TS, le
tronçon de transition peut être rempli d’un matériau diélectrique dont les dimensions en section transverse diminuent progressivement depuis le tronçon principal TP et selon l’axe de propagation. Selon le contexte, les dimensions en section transverse peuvent en variante progressivement augmenter depuis le tronçon principal TP et selon l’axe de propagation La présence d’un tronçon secondaire n’est donc pas indispensable pour qu’il y ait un tronçon de transition TR.
[55] Des matériaux diélectriques à faible pertes (tan d < 102 ou R>1000 Q.cm) et à forte permittivité sont préférables. Il peut s’agir de matériaux polymères, de matériaux céramiques, de matériaux semi-conducteurs, de matériaux isolants, de matériaux composites (association d’une charge céramique dans une matrice polymère par exemple).
[56] Par exemple, le matériau diélectrique peut être composé de matériaux
polymères tels que le polyamide, l’acrylonitrile butadiène styrène (ABS), le polypropylène, le polyéthylène haute densité (HDPE), le Polytétrafluoroéthylène (TRFE), le polyétherimide (PEI ou ULTEM), le Polyétheréthercétone (PEEK), le Polycarbonate (PC), les Copolymères de cyclooléfines (COC et COP), le
Polystyrène (PE ou Rexolite), le Polyphenylen sulfide (TRS et TRSF). Les matériaux polymères peuvent être avantageusement moulés ou imprimés, dans un process de fabrication additive.
[57] En variante, le matériau diélectrique peut être composé de céramiques, par exemple l’Alumine, le nitrure d’Aluminium, Zircone, le Titanate de Barium, le dioxyde de Titane. Leur permittivité est particulièrement élevée.
[58] En variante, le matériau diélectrique peut être composé de semi-conducteurs, tels que le silicium ultra résistif (Si-HR), l’Arséniure de Galium semi-isolant (GaAs-SI), le Carbure de Silicium (SiC).
[59] Le tronçon principal TP, le tronçon secondaire TS et le tronçon de transition TR peuvent être constitués de matériaux diélectriques identiques, dont le caractère monolithique faciliterait la fabrication. En alternative, les tronçons peuvent comprendre des matériaux diélectriques différents.
[60] La figure 4 illustre un perfectionnement dans lequel le guide d’ondes GON comprend des nervures internes NI (« ridge » selon la terminologie anglo- saxonne) sur les parois, à l’intérieur du guide d’ondes. Les nervures peuvent être présentes dans le tronçon principal TP, dans le tronçon secondaire TS et dans le tronçon de transition TR. La présence de nervures permet d’élargir la bande passante par rapport à un guide d’ondes sans nervures, en abaissant la fréquence de coupure.
[61 ] La phase de chacun des deux modes est différente au niveau du port de
sortie POS. Le déphasage entre les deux modes est alors fonction de la longueur du guide d’onde comportant le remplissage asymétrique. La figure 5 illustre un exemple d’évolution de la phase des deux modes en fonction de la longueur de la cellule de conversion. Selon cet exemple, pour une cellule de conversion de 12,5 mm, un déphasage de -90° peut être obtenu au niveau du port de sortie. La longueur de la cellule de conversion mentionnée correspond à la longueur du tronçon principal TP et du tronçon de transition TR, étant donné que les deux modes se déplacent avec la même vitesse de phase dans le tronçon secondaire TS. Ainsi, en fonction de sa longueur, la cellule de conversion permet de réaliser des fonctions de type quart-d’onde (transformation d’une polarisation linéaire en polarisation circulaire), des fonctions de type demi-onde (rotation de polarisation, permettant par exemple de transformer une polarisation horizontale en
polarisation verticale), ou tout autre type d’opération de conversion de
polarisation. Pour obtenir une fonction de type demi-onde, le port d’entrée POE et le port de sortie POS sont espacés d’une longueur telle qu’un parmi les deux modes dégénérés soit déphasé de +/-1800 (modulo 360°) entre le port d’entrée POE et le port de sortie POS.
[62] En variante, un plan métallique PME peut être disposé de façon adjacente au tronçon principal TP, comme l’illustre la figure 6. La cellule de polarisation opère ainsi en réflexion, et non pas en transmission comme celle décrite
précédemment. La longueur (selon la direction de propagation Oz) du tronçon principal TP peut donc être réduite par rapport à un fonctionnement en
transmission. De plus, selon cette variante, étant donné que les ports d’entrée POE et de sortie POS sont confondus, un seul tronçon secondaire TS, un seul tronçon de transition TR, et une seule couche d’adaptation d’impédance CAI nécessitent d’être montés. Un gain en compacité selon l’axe de propagation est ainsi obtenu.
[63] La figure 7 illustre une autre variante, dans laquelle le guide d’ondes GON est biseauté au niveau du port d’entrée POE et du port de sortie POS. Le biseau peut être adapté notamment au rayonnement hors d’axe d’un élément rayonnant. Par « rayonnement hors d’axe », on entend un rayonnement en dehors de l’axe normal au plan de l’élément rayonnant. Ainsi, la couche d’adaptation
d’impédance CAI peut être disposée directement face à l’élément rayonnant, sans qu’il y ait de pertes par transmission.
[64] Les cellules de conversion CEL sont agencées en réseau compact régulier dans le plan transverse. Le réseau compact régulier est constitué d’un réseau périodique de cellules de conversion de polarisation, défini par un premier pas de réseau L1 , par un deuxième pas de réseau L2, et par un angle de réseau a. Les valeurs du premier pas de réseau L1 et du deuxième pas de réseau L2 sont déterminées notamment en fonction de la longueur d’onde minimale 7min de fonctionnement de chacune des cellules de conversion de polarisation, de manière à respecter la condition d’échantillonnage spatial :
[65] L1 et L2 < 7min/2
[66] Cette condition relative aux valeurs des pas de réseau garantit qu’il n’y ait pas de lobes de réseau et de directions aveugles, même sous forte incidence.
[67] Les figures 8A et 8B illustrent deux exemples de panneaux de conversion de polarisation PAN, comprenant une pluralité de cellules de conversion de polarisation CEL précitées.
[68] Dans l’exemple illustré par la figure 8A, les guides d’ondes GON de toutes les cellules de conversion de polarisation CEL ont une section extérieure carrée dans le plan transverse. Les cellules de conversion de polarisation CEL sont agencées selon un réseau à maille carrée. Le premier pas de réseau L1 et le deuxième pas de réseau L2 ont pour valeur le côté D (en section externe) de chacun des guides d’ondes GON, selon la section transverse. L’angle de réseau a vaut dans ce cas 90°.
[69] En variante, illustrée par la figure 8B, les guides d’ondes GON de toutes les cellules de conversion de polarisation CEL ont une section extérieure hexagonale dans le plan transverse. Par hexagonale, on entend ici un hexagone régulier. Les cellules de conversion de polarisation CEL sont agencées selon un réseau en nid d’abeille. L’angle de réseau a vaut dans ce cas 30°. Pour un guide d’ondes GON à section hexagonale, de rayon D (en section externe), le premier pas de réseau L1 vaut 3D/2, et le deuxième pas de réseau L2 a pour valeur V3D/2. Cette variante est particulièrement adaptée lorsque le faisceau rayonné par l’antenne a un angle d’incidence élevée par rapport au panneau de conversion de
polarisation.
[70] Selon une autre variante, illustrée par la figure 8C, des guides d’ondes à
section transverse circulaire peuvent être employés. Dans ce cas, le premier pas de réseau L1 et le deuxième pas de réseau L2 ont pour valeur D, ou D est le diamètre du guide d’ondes circulaire (en section externe), et l’angle de réseau a vaut 60°, ce qui correspond à une maille triangulaire. Cette variante présente avantageusement un meilleur comportement sous incidence.
[71 ] Le panneau de conversion de polarisation PAN ainsi constitué associe donc une structure métallique autoportante simple et de grande rigidité mécanique, en particulier lorsque les cellules sont de forme hexagonale. Cette grande rigidité mécanique permet leur implémentation sur de grandes surfaces pouvant aller de quelques cm2 jusqu’à plusieurs m2, et d’utiliser ce panneau de conversion de polarisation comme radome polarisant.
[72] Le panneau de conversion de polarisation PAN ainsi constitué peut être par ailleurs fabriqué de façon relativement simple. En effet, un réseau compact régulier de guides d’ondes peut être pris en sandwich entre un premier ensemble (côté port d’entrée) comprenant au moins une couche d’adaptation d’impédance, commune à toutes les cellules de conversion de polarisation, et un deuxième ensemble (côté port de sortie) comprenant au moins une couche d’adaptation d’impédance, commune à toutes les cellules de conversion de polarisation. Le premier ensemble et le deuxième ensemble peuvent également comprendre une pluralité de tronçons principaux, secondaires et de transition. Le premier ensemble et le deuxième ensemble peuvent avantageusement être fabriqués par fabrication additive, par moulage ou encore par usinage.
[73] La figure 9 illustre une représentation, suivant différents plans, de la
composante principale du champ électrique pour le premier et le deuxième mode pour un panneau de conversion de polarisation selon l’invention. Le panneau tel qu’illustré représente 2x2 cellules de conversion de polarisation ; un nombre plus élevé de cellules de conversion de polarisation dans les directions x et/ou y peut être envisagé, sans sortir du cadre de l’invention. Les distributions spatiales des composantes principales du champ électrique (Ex pour le premier mode et Ey pour le deuxième mode) sont représentées. Compte tenu de l’anisotropie de remplissage en diélectrique, la vitesse de phase du premier mode (mode 1 ) est plus rapide que celle du deuxième mode (mode 2) dans le guide d’ondes. On peut observer qu’avec une même phase en entrée de cellule de conversion (propagation vers les z négatifs) conduit à un décalage d’un quart de longueur d’onde en sortie (c’est-à-dire à 90° de déphasage entre les deux modes). On observe en effet trois ventres pour le premier mode, et quatre ventres pour le deuxième mode. Cette configuration permet ainsi de convertir une onde polarisée linéairement en une onde polarisée de façon circulaire, et inversement.
[74] Les figures 10A, 10B et 10C illustrent un procédé de fabrication du panneau de conversion de polarisation décrit précédemment.
[75] Il faut tout d’abord fabriquer une matrice de guides d’ondes métalliques. On entend pas matrice de guides d’ondes un réseau de guides d’ondes, arrangés selon un agencement compact et régulier, avec une maille définie par une valeur de premier pas de réseau L1 , par une valeur de deuxième pas de réseau L2, et par un angle de réseau a, la valeur du premier pas de réseau L1 et la valeur de deuxième pas de réseau L2 étant telles que L1 et L2 < 7min/2, où 7min est la longueur d’onde minimale de fonctionnement de chacune des guides d’ondes métalliques. Des exemples de telles matrices sont illustrés dans les figures 8A,
8B et 8C, précédemment décrites. La matrice métallique de guides d’ondes a l’aspect d’un grillage. La matrice peut être fabriquée par usinage, par impression 3D, ou encore par moulage. La matrice peut avantageusement être fabriquée par impression 3D d’un polymère, qui est par la suite métallisé.
[76] Puis, on fabrique une première structure en matériau diélectrique et une
seconde structure en matériau diélectrique.
[77] La première structure en matériau diélectrique comprend une première base BA1 et un premier réseau de picots PL1 faisant saillie depuis la première base BA1. La seconde structure en matériau diélectrique comprend une seconde base BA2 et un second réseau de picots PL2 faisant saillie depuis la seconde base BA2.
[78] le matériau diélectrique peut être composé de matériaux polymères tels que le polyamide, l’acrylonitrile butadiène styrène (ABS), le polypropylène, le polyéthylène haute densité (HDPE), le Polytétrafluoroéthylène (TRFE), le polyétherimide (PEI ou ULTEM), le Polyétheréthercétone (PEEK), le
Polycarbonate (PC), les Copolymères de cyclooléfines (COC et COP), le
Polystyrène (PE ou Rexolite), le Polyphenylen sulfide (TRS et TRSF). Les matériaux polymères peuvent être avantageusement moulés ou imprimés, dans un process de fabrication additive.
[79] En variante, le matériau diélectrique peut être composé de céramiques, par exemple l’Alumine, le nitrure d’Aluminium, Zircone, le Titanate de Barium, le dioxyde de Titane. Leur permittivité est particulièrement élevée.
[80] En variante, le matériau diélectrique peut être composé de semi-conducteurs, tels que le silicium ultra résistif (Si-HR), l’Arséniure de Galium semi-isolant
(GaAs-SI), le Carbure de Silicium (SiC).
[81 ] Chaque picot a une section dans le plan normal à la direction d’extension
dudit picot, présentant au plus deux axes de symétrie, afin que les deux premiers modes dégénérés, à polarisations croisées et sensiblement linéaires, se
propagent avec des vitesses de phase différentes, une fois que le panneau est assemblé.
[82] Bien entendu, les picots peuvent être constitués de différents tronçons, ayant différentes sections dans le plan normal à la direction d’extension du picot. En particulier, chaque picot peut avoir une section présentant au plus deux axes de symétrie, afin de constituer, avec le guide d’ondes, le tronçon principal TP décrit précédemment. Il peut avoir également avec une section présentant quatre axes de symétrie, afin de constituer, avec le guide d’ondes, le tronçon principal TS décrit précédemment. Le diélectrique peut enfin constituer, avec le guide d’ondes, un tronçon de transition TR, dans lequel les dimensions de la section du diélectrique diminuent ou augmentent progressivement depuis le tronçon principal TP et selon l’axe de propagation.
[83] On peut retrouver ces différentes sections au niveau de chaque picot, et ce de part et d’autre du picot, afin de réaliser les fonctions souhaitées du côté du port d’entrée et du côté du port de sortie.
[84] Par ailleurs, l’une des bases BA1 , BA2, ou les deux bases peuvent
comprendre une couche d’adaptation d’impédance, constituée d’un substrat diélectrique, d’un empilement de matériaux diélectriques massifs, ou d’un empilement de matériaux diélectriques structurés.
[85] L’une des deux bases, à savoir celle située du côté du port de sortie du guide d’ondes, peut comprendre une couche polarisante, afin d’améliorer la pureté de la polarisation convertie.
[86] Les picots d’une même structure sont espacés à la façon d’un damier : une fois assemblés avec la matrice de guides d’ondes métalliques GON, les guides d’ondes du panneau PAN sont traversés alternativement par un picot du premier réseau de picots PL1 et par un picot du second réseau de picot PL2.
[87] Ce mode de réalisation est avantageux, par rapport à un mode de réalisation où tous les picots seraient du même côté. En effet, la valeur des premier et deuxième pas de réseau doit être inférieure à 7min/2. Si tous les picots étaient du même côté, les picots seraient extrêmement resserrés, et donc beaucoup plus difficiles à fabriquer. En particulier, les moules adaptés à une telle structure diélectrique seraient difficilement fabriqués.
[88] Une fois qu’on dispose de la matrice de guides d’ondes métalliques, de la première structure en matériau diélectrique et de la seconde structure en matériau diélectrique, on emboîte l’une des deux structures diélectriques dans la matrice de guide d’ondes, puis la deuxième, en ayant au préalable mis un film de colle sur l’extrémité de chaque picot, et en prenant soin de faire en sorte qu’il n’y ait qu’un seul picot inséré dans chaque guide d’ondes. La matrice de guides d’ondes métalliques est ainsi prise en sandwich entre les deux structures en matériau diélectrique. [89] Chacune des bases a une triple fonction : elle sert à tenir les picots dans le panneau, et faire une adaptation d’impédance, et à protéger chaque cellule du panneau contre une intrusion extérieure (fonction de radôme).
[90] On obtient ainsi un panneau de conversion de polarisation large bande, efficace même sous forte incidence (en raison de la taille sub-lamda des pas de réseau), solide, et qui peut être facilement fabriqué.

Claims

Revendications
[Revendication 1 ] Panneau de conversion de polarisation (PAN)
comprenant une pluralité de cellules de conversion de polarisation (CEL) agencées en réseau compact régulier, chaque cellule du réseau comprenant un guide d’ondes métallique (GON) délimité par un port d’entrée (POE) et par un port de sortie (POS), le guide d’ondes métallique (GON) supportant un premier et un deuxième modes dégénérés à polarisations croisées et sensiblement linéaires, caractérisé en ce qu’un tronçon du guide d’ondes (GON) de chaque cellule (CEL), appelé tronçon principal (TP), est configuré pour que le premier et le deuxième modes dégénérés se propagent avec des vitesses de phase différentes.
[Revendication 2] Panneau selon la revendication 1 , le guide d’ondes
(GON) disposant d’une section transverse ayant au moins quatre axes de symétrie, et étant rempli partiellement d’un matériau diélectrique (MDI) disposé le long de l’axe de propagation du guide d’ondes (GON), le matériau diélectrique (MDI) ayant, dans le tronçon principal (TP), une section dans le plan transverse présentant au plus deux axes de symétrie.
[Revendication 3] Panneau selon la revendication 2, le guide d’ondes
(GON) comprenant au moins un tronçon dit secondaire (TS), dans lequel le matériau diélectrique (MDI) a une section dans le plan transverse présentant au moins quatre axes de symétrie, ou étant dépourvue de matériau
diélectrique (MDI).
[Revendication 4] Panneau selon la revendication 2, le guide d’ondes
(GON) comprenant au moins un tronçon dit de transition (TR), dans lequel les dimensions de la section du matériau diélectrique (MDI) diminuent ou augmentent progressivement depuis le tronçon principal (TP) et selon l’axe de propagation.
[Revendication 5] Panneau selon les revendications 3 et 4, le tronçon de transition (TR) étant disposé entre le tronçon principal (TP) et le tronçon secondaire (TS), et étant configuré pour adapter la section du matériau diélectrique (MDI) dans le tronçon principal (TP) à la section du matériau diélectrique (MDI) dans le tronçon secondaire (TS).
[Revendication 6] Panneau selon l’une des revendications précédentes, le guide d’ondes (GON) étant équipé de nervures internes (NI), les nervures internes (NI) ayant une section dans le plan transverse présentant au moins trois axes de symétrie.
[Revendication 7] Panneau selon l’une des revendications précédentes, le port d’entrée (POE) et le port de sortie (POS) étant espacés d’une longueur telle qu’il y ait une différence de phase de +/-900 modulo 180° entre les deux modes dégénérés au niveau du port de sortie (POS).
[Revendication 8] Panneau selon l’une des revendications 1 à 6, le port d’entrée (POE) et le port de sortie (POS) étant espacés d’une longueur telle qu’un parmi les deux modes dégénérés soit déphasé de +/-1800 modulo 360° entre le port d’entrée (POE) et le port de sortie (POS).
[Revendication 9] Panneau selon l’une des revendications précédentes, chaque cellule de conversion de polarisation (CEL) comprenant une couche d’adaptation d’impédance (CAI), constituée d’un substrat diélectrique et/ou d’un empilement de matériaux diélectriques massifs et/ou structurés, et disposée en dehors du guide d’ondes (GON), face au port d’entrée (POE) et/ou de sortie (POS).
[Revendication 10] Panneau selon l’une des revendications précédentes, chaque cellule de conversion de polarisation (CEL) comprenant une couche polarisante (CPO), transparente pour une polarisation souhaitée, et disposée du côté du port de sortie (POS).
[Revendication 1 1] Panneau selon l’une des revendications 1 à 9, le guide d’ondes (GON) étant fermé à une extrémité par un plan métallique (PME).
[Revendication 12] Panneau selon l’une des revendications précédentes, le guide d’ondes (GON) étant biseauté au niveau du port d’entrée (POE) et du port de sortie (POS).
[Revendication 13] Panneau selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la section extérieure des cellules de conversion de polarisation (CEL) a une forme géométrique telle que leur mise en réseau selon l’agencement régulier compact respecte une maille définie par une valeur de premier pas de réseau L1 , par une valeur de deuxième pas de réseau L2, et par un angle de réseau a, la valeur du premier pas de réseau L1 et la valeur de deuxième pas de réseau L2 étant telles que L1 et L2 < 7min/2, est la longueur d’onde minimale de fonctionnement de chacune des cellules de conversion de polarisation.
[Revendication 14] Panneau selon l’une des revendications précédentes, les guides d’ondes (GON) de toutes les cellules de conversion de polarisation (CEL) ayant une section extérieure carrée dans le plan transverse, les cellules de conversion de polarisation (CEL) étant agencées selon un réseau à maille carrée.
[Revendication 15] Panneau selon l’une des revendications 1 à 13, les
guides d’ondes (GON) de toutes les cellules de conversion de polarisation (CEL) ayant une section extérieure hexagonale dans le plan transverse, les cellules de conversion de polarisation (CEL) étant agencées selon un réseau en nid d’abeille.
[Revendication 16] Panneau selon l’une des revendications 1 à 13, les
guides d’ondes (GON) de toutes les cellules de conversion de polarisation (CEL) ayant une section extérieure circulaire dans le plan transverse, les cellules de conversion de polarisation (CEL) étant agencées selon un réseau à maille triangulaire.
[Revendication 17] Panneau selon l’une des revendications 2 à 16, le
matériau diélectrique (MDI) de chaque cellule de conversion de polarisation (CEL) possédant, dans le tronçon principal (TP), un premier axe de symétrie (AX1 ) et un deuxième axe de symétrie (AX2), le matériau diélectrique (MDI) ayant une première dimension (d1 ) selon une première direction (Ox) parallèle au premier axe de symétrie (AX1 ), et une deuxième dimension (d2) selon une deuxième direction (Oy) parallèle au deuxième axe de symétrie (AX2), un remplissage en matériau diélectrique (MDI) étant réalisé
conformément à un premier taux de remplissage (Tr1 ) selon la première direction (Ox), et à un deuxième taux de remplissage (TR2) selon la deuxième direction (Oy), le premier taux de remplissage (TR-I ) et le deuxième taux de remplissage (TR2) ayant des valeurs différentes.
[Revendication 18] Antenne (ANT) comprenant une pluralité de sources (SCE) configurées pour rayonner en polarisation linéaire, et un panneau de conversion de polarisation (PAN) selon l’une des revendications 1 à 17, chaque source (SCE) étant disposée face à une cellule de conversion de polarisation (CEL).
[Revendication 19] Procédé de fabrication d’un panneau de conversion de polarisation (PAN) selon l’une des revendications 1 à 17, comprenant :
une étape d’assemblage
-d’une matrice de guides d’ondes métalliques (GON), chaque guide d’ondes (GON) disposant d’une section transverse ayant au moins quatre axes de symétrie, la section extérieure des guides d’ondes métalliques ayant une forme géométrique telle que leur mise en réseau selon un agencement régulier compact respecte une maille définie par une valeur de premier pas de réseau L1 , par une valeur de deuxième pas de réseau L2, et par un angle de réseau a, la valeur du premier pas de réseau L1 et la valeur de deuxième pas de réseau L2 étant telles que L1 et L2 < 7min/2, où 7min est la longueur d’onde minimale de fonctionnement de chacune des guides d’ondes métalliques,
avec
- une première structure en matériau diélectrique et une seconde structure en matériau diélectrique, la première structure en matériau diélectrique comprenant une première base (BA1 ) et un premier réseau de picots (PL1 ) faisant saillie depuis la première base (BA1 ), la seconde structure en matériau diélectrique comprenant une seconde base (BA2) et un second réseau de picots (PL2) faisant saillie depuis la seconde base (BA2), chaque picot ayant une section, dans le plan normal à la direction d’extension dudit picot, présentant au plus deux axes de symétrie, le premier réseau de picots (PL1 ) et le second réseau de picots (PL2) étant configurés pour que, une fois assemblés avec la matrice de guides d’ondes métalliques (GON), les guide d’ondes du panneau (PAN) soient traversés alternativement par un picot du premier réseau de picots (PL1 ) et par un picot du second réseau de picot (PL2),
la matrice de guides d’ondes métalliques (GON) étant prise en sandwich entre la première structure en matériau diélectrique et la seconde structure en matériau diélectrique, les picots du premier réseau de plots (PL1 ) et du second réseau de picots (PL2) étant insérés dans les guides d’ondes métalliques (GON),
une étape de collage de l’extrémité de chaque picot avec la base avec laquelle chaque picot a été mis en contact. :
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