[0001] La présente invention concerne une matrice de Butler compacte, un formateur de faisceaux
bidimensionnel planaire et une antenne plane à faisceaux multiples comportant une
telle matrice de Butler. Elle s'applique à toute antenne multifaisceaux, notamment
au domaine des applications spatiales telles que les télécommunications par satellite,
et plus particulièrement aux antennes de faible épaisseur.
[0002] Les formateurs de faisceaux sont utilisés dans les antennes multifaisceaux pour élaborer
des faisceaux de sortie à partir de signaux radiofréquence d'entrée. Un formateur
de faisceaux classique comporte N entrées In1 à InN, P sorties Out1 à OutP, et une
pluralité de circuits radiofréquences 11, 12, 13 aptes à diviser et recombiner les
signaux radiofréquences d'entrée suivant une loi de phase et d'amplitude choisie pour
former des faisceaux de sortie. Il existe différentes technologies de formateurs de
faisceaux. Sur la figure 1, les circuits radiofréquences comportent un grand nombre
de guides d'ondes individuels 10 qui s'entrecroisent entre eux de façon à permettre
les combinaisons nécessaires pour la formation des différents faisceaux de sortie
par des combineurs 12 de signaux radiofréquence. Ces formateurs de faisceaux sont
adaptés pour un nombre limité d'éléments rayonnants et pour former un nombre limité
de faisceaux car ils deviennent très complexes lorsque le nombre de faisceaux augmente
en raison des croisements nécessaires entre les guides d'onde.
[0003] Il est également connu de former des faisceaux en utilisant une matrice de Butler
constituée d'un circuit passif symétrique à N ports d'entrée et N ports de sorties,
qui pilote des éléments rayonnants produisant N faisceaux différents d'amplitudes
égales. Le circuit est composé de jonctions qui connectent les ports d'entrée aux
ports de sortie par N lignes de transmission 18 différentes et parallèles entre elles.
Il existe plusieurs configurations possibles de matrice de Butler. Sur le schéma de
la figure 2, la matrice de Butler comporte des coupleurs 15, de type coupleurs hybrides
3 dB, 90°, permettant de combiner ou de diviser la puissance des ondes radiofréquence
d'entrée, des déphaseurs 16 aptes à appliquer un retard de phase de 45°, et des dispositifs
de croisement 17 permettant de croiser deux lignes de transmission différentes. De
manière connue, chaque dispositif de croisement 17 peut être constitué de deux coupleurs
3 dB, 90° connectés en série. Un exemple d'architecture de matrice de Butler à quatre
ports d'entrée A, B, C, D et quatre ports de sortie A', B', C', D' est représenté
sur la figure 2. Sur cet exemple, la matrice de Butler comporte quatre coupleurs 3
dB, 90°, deux déphaseurs 45° et un dispositif de croisement. Ce type de formateur
de faisceaux est bien adapté pour la formation d'un petit nombre de faisceaux mais
devient trop complexe lorsque le nombre de faisceaux augmente. En outre, il ne permet
la formation des faisceaux que dans une seule direction de l'espace perpendiculaire
aux lignes de transmission 18. D'autres exemples de matrices de Butler sont décrits
dans le document
Y.J.Cheng et al. : « Miniaturized Multilayer Folded Substrate Integrated Waveguide
Butler Matrix », Progress in Electromagnetics Research C, vol.21, 12 avril 2011 ;
p. 45-58 ; dans le document
Remez J et al : « Compact Designs of Waveguide Butler Matrices », IEEE Antennas and
Wireless Propagation Letters, IEEE, Piscataway, NJ, US, vol.5, N°1 ; dans le document
Allessandri F et al : « Rigorous and Efficient Fabrication-Oriented CAD and optimization
of Complex Waveguide Networks », Microwave Symposium Digest, 1997, IEEE MTT-S International
Denver, Co, USA 8-13 june 1997, NY ; ainsi que dans les documents
US2013/0181880 et
US5812089.
[0004] Selon une autre technologie, il existe des formateurs de faisceaux quasi-optiques
planaires utilisant une propagation électromagnétique des ondes radiofréquence provenant
de plusieurs sources d'alimentation placées en entrée, par exemple des cornets rayonnants,
selon un mode de propagation en général TEM entre deux plaques métalliques parallèles.
La focalisation et la collimation des faisceaux peuvent être réalisées par une lentille
optique comme décrit par exemple dans les documents
US 3170158 et
US 5936588 qui illustrent le cas d'une lentille de Rotman, ou alternativement par un réflecteur
comme décrit par exemple dans les documents
FR 2944153 et
FR 2 986377, la lentille optique ou respectivement le réflecteur étant insérés sur le trajet
de propagation des ondes radiofréquences, entre les deux plaques métalliques parallèles.
Différents types de lentilles optiques peuvent être utilisés, ces lentilles optiques
servant essentiellement de correcteurs de phase et permettant dans la plupart des
cas de convertir une, ou plusieurs, onde cylindrique émise par les sources en une,
ou plusieurs, onde plane se propageant dans le guide d'onde à plaques métalliques
parallèles. La lentille optique peut comporter deux bords opposés à profils paraboliques,
respectivement d'entrée et de sortie. Alternativement, la lentille optique peut être
une lentille diélectrique, ou une lentille à gradient d'indice à bords droits, ou
tout autre type de lentille optique. Dans le cas d'un formateur de faisceaux quasi-optique
à lentille optique, pour obtenir une antenne plane, il suffit de placer des éléments
rayonnants d'entrée autour du bord d'entrée de la lentille optique et de fixer des
sondes radiofréquences sur le bord de sortie de la lentille optique, puis de relier
chaque sonde radiofréquence à un élément rayonnant de sortie par l'intermédiaire d'une
ligne de transmission, par exemple un câble coaxial. Dans le cas d'un formateur de
faisceaux pillbox, pour obtenir une antenne plane, des éléments rayonnants d'entrée
sont placés devant le réflecteur parabolique intégré, et des éléments rayonnants de
sortie sont placés sur le trajet des ondes radiofréquences réfléchies par le réflecteur
parabolique. Il existe différentes solutions de formateurs de faisceaux pillbox, utilisant
un ou plusieurs réflecteurs comme décrit par exemple dans le document
Rotman W : « Wide-Angle Scanning With Microwave Double-Layer Pillboxes » IRE Transactions
On Antennas And Propagation, IEEE, USA, vol.10, N°1, 1 janvier 1958, P. 96-105.
[0005] Comme cette technologie utilise des guides d'onde à plaques parallèles, en alternative
à l'utilisation de plusieurs éléments rayonnants discrets alignés côte à côte, il
est possible d'utiliser une ouverture linéaire rayonnante continue en sortie de chaque
guide d'onde à plaques parallèles. Ces ouvertures linéaires rayonnantes, qui ne sont
pas spatialement quantifiées, ont des performances très supérieures par rapport aux
réseaux linéaires de plusieurs éléments rayonnants, pour les faisceaux dépointés,
en raison de l'absence de quantification, et en bande passante en raison de l'absence
de modes de propagation résonants.
[0006] Un formateur de faisceaux quasi-optique est de réalisation beaucoup plus simple que
les formateurs de faisceaux traditionnels à guides d'onde individuels car il ne comporte
ni coupleur, ni dispositif de croisement. Cependant, tous les formateurs de faisceaux
planaires connus ne sont capables de former des faisceaux que selon une seule dimension
de l'espace, dans une direction parallèle au plan des plaques métalliques. Pour former
des faisceaux selon deux dimensions de l'espace, dans deux directions, respectivement
parallèle et orthogonale au plan des plaques métalliques, il est nécessaire de combiner
orthogonalement entre eux, deux ensembles de formation de faisceaux, chaque ensemble
de formation de faisceaux étant constitué d'un empilement de plusieurs couches de
formateurs de faisceaux unidirectionnels. Pour combiner orthogonalement deux ensembles
de formation de faisceaux, il est en outre nécessaire d'aménager des interfaces de
connexion, en particulier des connecteurs d'entrée/sortie, sur chaque ensemble de
formation de faisceaux puis de relier deux à deux les différentes entrées et sorties
correspondantes des deux ensembles de formation de faisceaux par des câbles d'interconnexion
dédiés comme représenté par exemple dans le document
US 5 936 588 pour des formateurs de faisceaux à lentille. Cette architecture est satisfaisante
pour la formation d'un petit nombre de faisceaux, mais devient très complexe et d'encombrement
trop important lorsque le nombre de faisceaux augmente.
[0007] A notre connaissance, jusqu'à ce jour, il n'existe pas de dispositif de formation
de faisceaux planaire permettant de former des faisceaux selon deux dimensions de
l'espace. Par ailleurs, il n'existe pas non plus de solutions simples d'interconnexion
de deux formateurs de faisceaux unidirectionnels permettant de s'affranchir des interfaces
de connexion et des câbles d'interconnexions.
[0008] Le but de l'invention est de remédier aux inconvénients des formateurs de faisceaux
connus et de réaliser un formateur de faisceaux bidimensionnel planaire comportant
des lignes de transmission continues et permettant de former des faisceaux selon deux
dimensions de l'espace sans aucune interface de connexion ni aucun câble d'interconnexion.
[0009] Un autre but de l'invention est de réaliser une nouvelle matrice de Butler particulièrement
compacte et ayant une nouvelle architecture à plaques parallèles compatible avec les
formateurs de faisceaux quasi-optiques.
[0010] Pour cela, l'invention concerne une matrice de Butler compacte comportant N guides
d'onde, où N est un nombre entier supérieur à trois et choisi parmi les puissances
de deux, des coupleurs destinés à coupler deux guides d'onde adjacents, des déphaseurs
et au moins un dispositif de croisement apte à croiser deux guides d'onde adjacents,
le dispositif de croisement comportant deux coupleurs connectés en série. La matrice
de Butler est constituée d'une structure multicouches planaire comportant N+1 plaques
métalliques parallèles entre elles, empilées les unes au-dessus des autres, et régulièrement
espacées les unes des autres, chaque espace entre deux plaques métalliques consécutives
formant un guide d'onde à plaques parallèles ayant deux parois opposées, respectivement
supérieure et inférieure, constituées par les deux plaques métalliques consécutives,
deux guides d'onde à plaques métalliques adjacents comportant une paroi commune constituée
par l'une des plaques métalliques, et les coupleurs, les déphaseurs et le dispositif
de croisement sont constitués par des métasurfaces intégrées dans les parois respectives
des guides d'onde à coupler, à croiser et à déphaser, respectivement dans des zones
de couplage, de déphasage, et de croisement.
[0011] Avantageusement, les métasurfaces constituant chaque coupleur et le dispositif de
croisement entre deux guides d'onde adjacents peuvent être constituées d'un support
métallisé muni d'une pluralité de trous traversants régulièrement répartis dans une
zone de couplage, respectivement une zone de croisement, de la paroi commune aux deux
guides d'onde adjacents correspondants, la zone de croisement étant constituée de
deux zones de couplage disposées en cascade l'une derrière l'autre.
[0012] Avantageusement, les métasurfaces constituant chaque déphaseur intégré dans un guide
d'onde peuvent être constituées de corrugations aménagées dans une zone de déphasage,
sur les deux parois opposées du guide d'onde correspondant.
[0013] Alternativement, selon un mode de réalisation particulier, chaque plaque métallique
peut être constituée d'un revêtement métallique déposé sur un substrat diélectrique
et chaque coupleur et dispositif de croisement entre deux guides d'ondes adjacents
peut être constitué d'une pluralité de fentes gravées dans le revêtement métallique,
les fentes étant régulièrement réparties dans toute la zone de couplage, respectivement
dans toute la zone de croisement, la zone de croisement étant constituée de deux zones
de couplage disposées en cascade l'une derrière l'autre.
[0014] Alternativement, chaque déphaseur peut être constitué d'un ensemble de patchs métalliques
périodiquement photogravés sur le substrat diélectrique des deux parois d'un guide
d'onde à déphaser.
[0015] L'invention concerne aussi un formateur de faisceaux planaire apte à synthétiser
des faisceaux selon deux dimensions de l'espace, comportant au moins une matrice de
Butler à N+1 plaques parallèles.
[0016] Avantageusement, le formateur de faisceau peut comporter deux matrices de Butler
différentes empilées l'une au-dessus de l'autre et respectivement dédiées à deux polarisations
différentes orthogonales entre elles.
[0017] Selon un mode de réalisation, le formateur de faisceaux peut comporter en outre N
lentilles optiques respectivement intégrées, en sortie, ou alternativement en entrée,
de la matrice de Butler, dans les N guides d'onde délimités par les N+1 plaques métalliques.
[0018] Avantageusement, chaque lentille optique peut être une lentille d'épaisseur constante
et à gradient d'indice.
[0019] Selon un autre mode de réalisation, le formateur de faisceaux peut comporter deux
étages empilés, respectivement inférieur et supérieur, chaque étage comportant un
nombre identique de guides d'onde à plaques parallèles, la matrice de Butler étant
située à l'étage supérieur, chaque guide d'onde de l'étage inférieur étant connecté
en série à un guide d'onde de l'étage supérieur par un guide d'onde intermédiaire
respectif comportant des plaques métalliques parallèles disposées orthogonalement
au plan XOY des deux étages inférieur et supérieur, les plaques métalliques parallèles
constituant les parois de chaque guide d'onde intermédiaire formant un réflecteur
intégré dans le formateur de faisceaux.
[0020] L'invention concerne également une antenne plane comportant au moins une matrice
de Butler à N+1 plaques parallèles, l'antenne comportant en outre M cornets rayonnants
d'alimentation connectés en entrée de chaque guide d'onde à plaques métalliques parallèles,
soit M.N cornets rayonnants d'alimentation pour les N guides d'onde à plaques métalliques,
où M est supérieur à 2, et N cornets rayonnants de sortie respectivement connectés
aux N guides d'onde à plaques métalliques.
[0021] Avantageusement, chaque cornet rayonnant de sortie peut être un cornet longitudinal
couplé à une ouverture linéaire rayonnante s'étendant transversalement sur toute la
largeur du guide d'onde à plaques parallèles correspondant.
[0022] Avantageusement, les ouvertures linéaires rayonnantes peuvent être orientées selon
une direction perpendiculaire au plan des plaques parallèles du guide d'onde à plaques
parallèles correspondant.
[0023] D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans
la suite de la description donnée à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif,
en référence aux dessins schématiques annexés qui représentent :
- figure 1 : un schéma synoptique d'un exemple de formateur de faisceaux traditionnel,
selon l'art antérieur ;
- figure 2 : un exemple de schéma synoptique d'une matrice de Butler, selon l'art antérieur
;
- figures 3a et 3b : deux schémas, respectivement en perspective et en coupe longitudinale,
d'un premier exemple de réalisation d'une matrice de Butler comportant un empilement
de plusieurs guides d'onde à plaques parallèles, selon l'invention ;
- figures 4a et 4b : deux schémas, respectivement en coupe longitudinale et en vue de
dessus, illustrant un exemple de zone de couplage insérée dans une plaque métallique
commune entre deux guides d'onde à plaques métalliques, selon l'invention ;
- figure 5 : un schéma en coupe longitudinale, d'un deuxième exemple de réalisation
d'une matrice de Butler comportant un empilement composite de plusieurs couches de
substrats gravés et métallisés séparées par des espaceurs, selon l'invention ;
- figure 6 : un schéma en perspective, d'un premier exemple de formateur de faisceaux
à deux dimensions, connecté à des ouvertures linéaires rayonnantes, et comportant
une matrice de Butler, selon l'invention ;
- figure 7 : un schéma en perspective, d'un deuxième exemple de formateur de faisceaux
à deux dimensions, connecté à des ouvertures linéaires rayonnantes, et comportant
une matrice de Butler, selon l'invention ;
- figure 8a : un schéma en perspective d'un exemple de lentille diélectrique intégrée
dans un guide d'onde à plaques parallèles ; selon l'invention ;
- figure 8b : un schéma en perspective d'un exemple de lentille d'épaisseur constante
et à gradient d'indice intégrée dans un guide d'onde à plaques parallèles ; selon
l'invention ;
- figure 9 : un schéma, en coupe longitudinale, d'un troisième exemple de formateur
de faisceaux à deux dimensions comportant une matrice de Butler, selon l'invention
;
- figure 10a et 10b : un schéma, en vue de dessus, de deux étages, respectivement inférieur
et supérieur, d'une antenne plane selon le mode de réalisation de la figure 9 ;
- figure 11 : un schéma en coupe longitudinale, d'un exemple de matrice de Butler bi-polarisation,
selon l'invention.
[0024] Conformément à l'invention, comme représenté sur les schémas des figures 3a et 3b,
la matrice de Butler est constituée d'une structure multicouches planaire comportant
N+1 plaques métalliques 20, parallèles entre elles, empilées les unes au-dessus des
autres, et régulièrement espacées les unes des autres. L'espace 21 entre deux plaques
métalliques consécutives, constitué d'air ou de diélectrique, forme un guide d'onde
à plaques parallèles PPW (en anglais : parallel plate waveguide) dont les parois supérieure
et inférieure sont les deux plaques métalliques consécutives. Sur les différentes
figures, les plaques métalliques sont parallèles au plan XOY, la direction X correspondant
à la direction longitudinale de propagation des ondes radiofréquences dans chaque
guide d'onde à plaques parallèles. Deux guides d'onde adjacents PPW1 et PPW2, PPW2
et PPW3, PPW3 et PPW4, comportent une paroi commune constituée par l'une des plaques
métalliques 20. La matrice de Butler comporte donc N guides d'onde à plaques parallèles,
empilés les uns au-dessus des autres selon la direction Z orthogonale au plan XOY,
où N est un nombre entier supérieur à trois et choisi parmi les puissances de deux.
La matrice de Butler comporte également des coupleurs, par exemple de type coupleur
hybride à 3dB, 90°, chaque coupleur étant destinés à coupler deux guides d'onde adjacents
entre eux, des déphaseurs à 45° et des dispositifs de croisement (en anglais : crossover)
destinés à croiser entre eux deux guides d'onde adjacents. Selon l'invention, les
coupleurs 15, les dispositifs de croisement 17 et les déphaseurs 16 sont intégrés
localement dans les plaques métalliques formant les parois des guides d'onde PPW1,
PPW2, PPW3, PPW4 dans des zones respectives de couplage 22a, 22b, 22c, 22d, de croisement
24 et de déphasage 23a, 23b, situées sur le trajet de propagation des ondes radiofréquences
et s'étendant transversalement, parallèlement à la direction Y, sur toute la largeur
D de la plaque métallique 20 correspondante.
[0025] Pour coupler ou croiser deux guides d'onde adjacents entre eux, la plaque métallique
formant la paroi commune entre les deux guides d'onde adjacents, comporte des zones
de couplage et des zones de croisement constituées par des métasurfaces intégrées
localement dans ladite paroi commune. Une métasurface est une surface texturée constituée
d'une distribution planaire dense de petits éléments identiques ou non, fixés, ou
imprimés, ou gravés, sur un support très fin. Une métasurface est caractérisée par
une impédance de surface qui modifie localement la propagation longitudinale d'une
onde guidée dans un guide d'onde. Une métasurface possède des propriétés très intéressantes
d'un point de vue électromagnétique car elle permet de contrôler la propagation des
ondes électromagnétiques le long de sa surface. Suivant les propriétés recherchées,
les éléments fixés, ou imprimés, ou gravés peuvent par exemple être des plots métalliques
ou des patchs métalliques ou des trous, ou des fentes, régulièrement répartis ou de
densité variable, la distance entre deux éléments consécutifs étant inférieure à la
longueur d'onde centrale de fonctionnement. Comme représenté sur les figures 4a et
4b, selon l'invention, dans chaque zone de couplage 22a, 22b, 22c, 22d et dans la
zone de croisement 24 qui est constituée de deux zones de couplage disposées en cascade
l'une derrière l'autre, la métasurface est constituée d'un support métallisé 26 muni
d'une pluralité de trous traversants 25 régulièrement répartis dans toute la zone
de couplage, respectivement dans toute la zone de croisement. La distance séparant
deux trous adjacents est très inférieure, d'au moins un facteur trois, aux longueurs
d'onde guidées dans le guide à plaques parallèles. La métasurface présente une haute
impédance de surface réactive, par exemple 100 Ohms, dont la valeur dépend de la densité
des trous et de la longueur L de la zone de couplage. A titre d'exemple non limitatif,
à 25 GHz, un coupleur à 3dB, 90° synthétisé par une métasurface ayant une impédance
de surface réactive de 100 Ohms a été obtenu avec des trous régulièrement répartis
sur une longueur L égale à 35 mm. Deux métasurfaces identiques mises bout à bout synthétisent
la zone de croisement. Il a été vérifié que ces impédances de surface sont efficaces
pour des ondes radiofréquences ayant différents angles d'incidence.
[0026] Pour réaliser un déphasage dans un guide d'onde à plaques parallèles, PPW1, PPW4,
les deux plaques métalliques formant les parois supérieure et inférieure du guide
d'onde correspondant comportent des zones de déphasage 23a, 23b pouvant être constituées
de corrugations aménagées localement sur la surface interne des deux plaques métalliques
correspondantes et dont la largeur est égale à la largeur transversale D des plaques
métalliques correspondantes. Dans l'exemple des figures 3a et 3b, le nombre N de guides
d'onde est égal à quatre, et le nombre de plaques métalliques 20 est égal à cinq.
Entre les entrées l1, l2, l3, l4, et les sorties O1, O2, O3, O4, de la matrice de
Butler, une première zone de couplage 22a est intégrée dans la deuxième plaque métallique
commune au premier guide d'onde PPW1 et au deuxième guide d'onde PPW2 et une deuxième
zone de couplage 22b est intégrée dans la quatrième plaque métallique commune au troisième
guide d'onde PPW3 et au quatrième guide d'onde PPW4. En aval des deux zones de couplage
22a, 22b, la matrice de Butler comporte une zone de croisement 24 constituée de deux
coupleurs hybrides 3dB, 90°, intégrés en cascade, l'un derrière l'autre, dans la troisième
plaque métallique commune aux deuxième et troisième guides d'onde PPW2, PPW3, et deux
zones de déphasage 23a, 23b respectivement aménagées dans les parois supérieure et
inférieure des premier et quatrième guides d'onde PPW1, PPW4. Enfin, en aval des zones
de déphasage 23a, 23b et de la zone de croisement 24, une troisième et une quatrième
zones de couplage 23c, 23d, sont respectivement intégrées dans la deuxième plaque
métallique commune aux premier et deuxième guides d'onde PPW1, PPW2 et dans la quatrième
plaque métallique commune aux troisième et quatrième guides d'onde PPW3, PPW4. En
fonctionnement, dans la zone de croisement 24 entre deux guides d'onde adjacents PPW2,
PPW3, les signaux radiofréquences se propageant dans les deux guides d'onde adjacents,
se croisent, puis échangent mutuellement leur guide d'onde de propagation, ce qui
permet de regrouper deux à deux des signaux qui se propagent initialement dans des
guides d'onde non adjacents pour les coupler entre eux. Ainsi, dans cet exemple, les
signaux radiofréquences qui se propagent initialement dans les guides d'onde PPW2
et PPW3 sont échangés dans la zone de croisement 24 et se propagent ensuite, en aval
de la zone de croisement, respectivement dans les guides d'onde PPW3 et PPW2. Ils
peuvent donc ensuite être respectivement couplés aux signaux radiofréquences qui se
propagent dans les guides d'onde PPW4 et PPW1. Pour que la matrice de Butler fonctionne
correctement pour plusieurs incidences d'ondes radiofréquences se propageant, selon
un mode TEM, dans les guides d'onde à plaques parallèles, il est nécessaire que les
zones de déphasage, de couplage et de croisement soient compactes et donc que les
impédances de surface soient élevées. La dimension des zones de déphasage, de couplage
et de croisement est d'autant plus réduite que la matrice de Butler fonctionne sur
une plus large bande et pour des incidences d'ondes radiofréquence plus élevées.
[0027] Alternativement, comme représenté sur l'exemple de la figure 5, la matrice de Butler
peut être réalisée selon une technologie de circuit imprimé en utilisant une structure
composite multicouches comportant un empilement de plusieurs couches constituées de
substrats gravés et métallisés S1, S2, S3, S4, S5 pouvant éventuellement être séparés
par des espaceurs E1, E2, E3, E4. Chaque couche forme un guide d'onde comportant deux
parois métallisées parallèles entre elles, chaque paroi étant constituée d'un revêtement
métallique 33 déposé sur un substrat diélectrique 32, l'espaceur situé entre deux
parois métallisées pouvant être constitué d'air ou comporter un matériau transparent
aux ondes radiofréquence, tel que par exemple un matériau en nid d'abeilles, ou un
matériau en quartz, ou un matériau en kevlar, ou une mousse en polymère expansé. Le
rôle d'un espaceur est de réduire les pertes de propagation, mais cet espaceur n'est
pas indispensable. Le revêtement métallique 33 déposé sur le substrat 32 est alors
équivalent à une plaque métallique 20. Les zones de couplage 22a, 22b, 22c, 22d et
de croisement 24 entre deux guides d'onde adjacents sont alors constituées d'une pluralité
de fentes gravées dans le revêtement métallique, les fentes étant régulièrement réparties
dans toute la zone de couplage, respectivement dans toute la zone de croisement, la
longueur de la zone de croisement 24 étant égale au double de la longueur d'une zone
de couplage. Les zones de déphasage sont constituées de métasurfaces, déposées sur
le revêtement métallique, qui modifient le retard de propagation des ondes radiofréquence.
Selon l'invention, dans la zone de déphasage 23a, 23b d'un guide d'onde, les métasurfaces
peuvent, par exemple, être constituées d'un ensemble de plots métalliques, ou de patchs
métalliques 30 périodiquement photogravés par photolithographie sur la face interne
du substrat diélectrique des deux parois du guide d'onde correspondant. Bien que ce
ne soit pas indispensable, les patchs métalliques peuvent par exemple être court-circuités
en les reliant au revêtement métallique de la paroi du guide d'onde correspondant,
par un trou traversant métallisé 31 aménagé dans le substrat diélectrique correspondant.
La période de répartition des patchs métalliques, égale à la distance entre deux patchs
métalliques adjacents, est inférieure à la longueur d'onde de propagation des ondes
radiofréquences dans le guide d'onde à parois métalliques parallèles.
[0028] La matrice de Butler selon l'invention constitue un formateur de faisceaux à une
dimension lorsqu'elle est utilisée seule. Selon l'invention, le formateur de faisceaux
planaire à deux dimensions comporte une matrice de Butler 41 comportant N guides d'onde
PPW à plaques parallèles, empilés les uns au-dessus des autres, où N est un nombre
entier supérieur à trois et choisi parmi les puissances de deux, par exemple, 4, 8,
16, 32..., et comporte en outre un dispositif optique de type lentille optique ou
réflecteur. Sur les figures 6 et 7, le nombre N de guides d'onde PPW1, PPW2, PPW3,
PPW4, est égal à 4. La structure de la matrice de Butler est identique à celle représentée
sur les figures 3a et 3b. En outre, le formateur de faisceaux comporte N lentilles
optiques 42 respectivement intégrées dans les N guides d'onde délimités par les N+1
plaques métalliques parallèles. Sur la figure 6, les lentilles optiques 42 sont aménagées
dans les guides d'onde PPW, en entrée de la matrice de Butler 41, entre des cornets
d'alimentation 43 d'entrée de chaque guide d'onde et la matrice de Butler 41, alors
que sur la figure 7, les lentilles optiques 42 sont aménagées dans les guides d'onde
PPW en sortie de la matrice de Butler 41, entre la matrice de Butler et des cornets
de sortie 44. Chaque lentille optique 42 peut par exemple être une lentille diélectrique
dont la permittivité diélectrique est différente de celle du milieu de propagation
des guides d'onde à plaques parallèles PPW1, PPW2, PPW3, PPW4 (qui est égale à 1 si
les guides d'onde PPW1,..., PPW4 sont remplis d'air ou égale à la permittivité du
substrat 32 dans le cas où les guides d'onde sont constitués d'un empilement de couches
de substrats métallisés et gravés). Chaque lentille optique 42 intégrée dans un guide
d'onde à plaques parallèles peut comporter des bords paraboliques comme représenté
sur le guide d'onde PPW de la figure 8a, ou être une lentille à épaisseur variable,
ou, pour éviter des discontinuités de forme, être une lentille à bords droits, d'épaisseur
constante et à gradient d'indice de réfraction comme représenté sur le guide d'onde
PPW de la figure 8b, ou tout autre type de lentille optique à indice de réfraction
variable permettant de déphaser les ondes radiofréquence selon une loi de phase prédéfinie.
[0029] Le formateur de faisceau planaire ainsi réalisé permet avec la matrice de Butler
41, de synthétiser des faisceaux dans le plan XOZ perpendiculaire aux plaques parallèles
et permet avec la lentille optique 42 de synthétiser des faisceaux dans le plan XOY
parallèle aux plaques parallèles sans aucune discontinuité de propagation dans les
guides d'ondes à plaques parallèles et sans utiliser aucune interconnexion, ni aucun
câble de liaison.
[0030] Pour obtenir une antenne plane, M cornets d'alimentation 43 alignés les uns à côté
des autres sont connectés en entrée de chaque guide d'onde PPW, où M est supérieur
à deux, et en sortie du formateur de faisceaux, chaque guide d'onde PPW peut être
relié à plusieurs éléments rayonnants de sortie ou à un seul cornet rayonnant longitudinal
44 couplé à une ouverture linéaire rayonnante. Sur les figures 6, 7, 8a et 8b, le
nombre M de cornets d'alimentation 43 est égal à 7 par guide d'onde, soit M ∗ N cornets
d'entrée au total, égal à 28 pour les quatre guides d'onde PPW. Sur les figures 6
et 7, un seul cornet rayonnant longitudinal 44 est utilisé en sortie de chaque guide
d'onde PPW. Chaque ouverture linéaire rayonnante, couplée au cornet rayonnant longitudinal
44 de sortie, s'étend transversalement sur toute la largeur D du guide d'onde correspondant.
Sur les figures 6 et 7, chaque ouverture linéaire rayonnante est orientée pour rayonner
selon une direction Z perpendiculaire au plan XOY des plaques parallèles mais ce n'est
pas indispensable, les ouvertures linéaires pourraient aussi être dans le prolongement
des plaques parallèles. Il est à noter que dans les figures 6 et 7, le plan de rayonnement
des cornets rayonnants longitudinaux n'est pas dans le prolongement des plaques parallèles,
mais est replié par rapport aux plaques parallèles. Bien entendu, cela n'est pas indispensable.
Il est également possible de disposer les cornets rayonnants dans le prolongement
des plaques parallèles, mais dans ce cas, il peut être nécessaire d'ajouter une transition
entre chaque cornet et le guide d'onde correspondant lorsque la largeur des cornets
est supérieure à l'épaisseur des guides d'onde. Un cornet longitudinal présente l'avantage
de rayonner l'énergie sur toute la largeur d'ouverture du guide d'onde à plaques parallèles,
ce qui permet de réaliser une antenne à grande largeur de bande de fonctionnement
et à grande capacité de dépointage du faisceau formé et permet de s'affranchir des
lobes de réseaux.
[0031] Les dimensions du formateur de faisceau incluant des lentilles optiques sont fortement
contraintes par la distance focale entre chaque lentille optique 42 et les cornets
d'alimentation d'entrée 43. Plus la distance focale est grande, meilleure est la qualité
des faisceaux dépointés. Lorsque les lentilles optiques sont aménagées en sortie de
la matrice de Butler comme représenté sur la figure 7, la distance focale requise
entre chaque lentille optique et les cornets d'alimentation est avantageusement utilisée
par la matrice de Butler, ce qui permet de réduire les dimensions du formateur de
faisceau qui est alors plus compact. Dans ce mode de réalisation, les ondes radiofréquences
qui se propagent dans la matrice Butler ne sont plus planes mais cylindriques.
[0032] La figure 9 illustre un autre mode de réalisation d'un formateur de faisceau planaire
à deux dimensions ne présentant aucune discontinuité de propagation. Dans ce mode
de réalisation, le formateur de faisceaux planaire comporte 2N+1 plaques parallèles
20 constituant les parois respectives de 2N guides d'onde à plaques parallèles répartis
sur deux étages, respectivement inférieur 50 et supérieur 51. Chaque étage comporte
N guides d'onde en technologie PPW, empilés les uns au-dessus des autres, où N est
supérieur à trois. Chaque guide d'onde à plaques parallèles PPW1, PPW2, PPW3, PPW4
de l'étage inférieur est respectivement connecté en série à un guide d'onde à plaques
parallèles PPW8, PPW7, PPW6, PPW5 de l'étage supérieur par l'intermédiaire d'un guide
d'onde intermédiaire respectif, à plaques parallèles PPWP1, PPWP2, PPWP3, PPWP4, disposé
orthogonalement au plan XOY des deux étages du formateur de faisceaux. Les plaques
métalliques parallèles constituant les parois de chaque guide d'onde intermédiaire
forment alors un réflecteur intégré dans le formateur de faisceaux, comme dans un
formateur de faisceaux de type pillbox. Les plaques métalliques parallèles constituant
les parois des guides d'onde intermédiaires peuvent comporter un profil de forme choisie,
qui peut par exemple, être de forme droite comme illustré sur la figure 9 ou de forme
courbée, par exemple de forme parabolique, comme illustré sur les figures 10a et 10b,
qui représentent deux étages, inférieur et supérieur, d'une antenne plane comportant
un tel formateur de faisceaux. En sortie du réflecteur, les N guides d'onde PPW8,
PPW7, PPW6, PPW5 de l'étage supérieur sont couplés entre eux par une matrice de Butler
conforme à l'invention et telle que décrite en liaison avec les figures 3a et 3b.
[0033] Pour réaliser une antenne plane, il suffit alors d'équiper, chaque guide d'onde PPWP1,
PPWP2, PPWP3, PPWP4 de l'étage inférieur du formateur de faisceaux, de plusieurs cornets
rayonnants 43 d'alimentation et en sortie de la matrice de Butler 41, de coupler chaque
guide d'onde PPW8, PPW7, PPW6, PPW5 de l'étage supérieur à un cornet longitudinal
44 de sortie couplé à une ouverture linéaire rayonnante s'étendant transversalement
sur toute la largeur D du guide d'onde à plaques métalliques correspondant, comme
représenté sur les figures 10a et 10b.
[0034] Pour un fonctionnement en double polarisation, par exemple circulaire, l'invention
consiste à utiliser deux matrices de Butler identiques, respectivement dédiées à chaque
polarisation, et empilées l'une au-dessus de l'autre comme représenté sur la figure
11 où chaque matrice de Butler comporte quatre guides d'onde A, B, C, D et A', B',
C', D', en technologie guides d'onde à plaques parallèles PPW. Chaque matrice de Butler
étant dédiée à l'une des deux polarisations, en sortie du formateur de faisceau, les
guides d'onde PPW fonctionnant dans une même polarisation sont adjacents les uns aux
autres. Or, pour réaliser une antenne à double polarisation circulaire, il est nécessaire
d'alimenter des éléments rayonnants de sortie en double polarisation circulaire par
l'intermédiaire de transducteurs orthomodes OMT. Il est donc nécessaire, en sortie
des matrice de Butler, de regrouper deux à deux, des guides d'onde de polarisation
différentes. Pour cela, en sortie des deux matrices de Butler, l'invention consiste
en outre, à croiser successivement des guides d'onde adjacents choisis pour regrouper
deux à deux, les guides d'onde de polarisations différentes. Les croisements sont
réalisés par des métasurfaces intégrées dans les plaques métalliques communes à deux
guides d'onde adjacents à croiser, comme expliqué en liaison avec la figure 3b. Ainsi,
dans l'exemple de la figure 11, un premier croisement est réalisé entre les guides
d'onde D et A' par une métasurface intégrée dans la cinquième plaque métallique 5.
Puis deux croisements successifs sont respectivement réalisés entre les guides d'onde
D et C et entre les guides d'onde B et C par des métasurfaces correspondantes intégrées
dans les quatrième et troisième plaques métalliques 4, 3. De même symétriquement,
deux croisements successifs sont respectivement réalisés entre les guides d'onde A'
et B' et B' et C' par des métasurfaces correspondantes intégrées dans les plaques
6, 7. Les différents croisement réalisés, permettent en sortie des deux matrices de
Butler, de regrouper les guides d'onde A et A', les guides d'onde B et B', les guides
d'onde C et C' et les guides d'onde D et D'. Le nombre de guides d'onde de chaque
matrice de Butler n'est pas limité à quatre mais doit être égal à une puissance de
deux.
1. Matrice de Butler compacte comportant N guides d'onde, où N est un nombre entier supérieur
à trois et choisi parmi les puissances de deux, des coupleurs (22a, 22b, 22c, 22d)
configurés pour coupler deux guides d'onde adjacents, des déphaseurs (23a, 23b) et
au moins un dispositif de croisement (24) configuré pour croiser deux guides d'onde
adjacents, le dispositif de croisement (24) comportant deux coupleurs connectés en
série, la matrice de Butler étant constituée d'une structure multicouches planaire
comportant N+1 plaques métalliques (20) parallèles entre elles, empilées les unes
au-dessus des autres, et régulièrement espacées les unes des autres, chaque espace
entre deux plaques métalliques consécutives formant un guide d'onde à plaques parallèles
(PPW1, PPW2, PPW3, PPW4) ayant deux parois opposées, respectivement supérieure et
inférieure, constituées par les deux plaques métalliques consécutives, deux guides
d'onde à plaques métalliques adjacents comportant une paroi commune constituée par
l'une des plaques métalliques, et les coupleurs (22a, 22b, 22c, 22d), les déphaseurs
(23a, 23b) et le dispositif de croisement (24) étant constitués par des métasurfaces
intégrées dans les parois (20) respectives des guides d'onde à coupler, à croiser
et à déphaser, respectivement dans des zones de couplage, de déphasage, et de croisement.
2. Matrice de Butler selon la revendication 1, caractérisée en ce que les métasurfaces constituant chaque coupleur (22a, 22b, 22c, 22d) et le dispositif
de croisement (24) entre deux guides d'onde adjacents (PPW1, PPW2), (PPW2, PPW3),
(PPW3, PPW4) sont constituées d'un support métallisé (26) muni d'une pluralité de
trous traversants (25) régulièrement répartis dans une zone de couplage, respectivement
une zone de croisement, de la paroi commune aux deux guides d'onde adjacents correspondants,
la zone de croisement étant constituée de deux zones de couplage disposées en cascade
l'une derrière l'autre.
3. Matrice de Butler selon la revendication 2, caractérisée en ce que les métasurfaces constituant chaque déphaseur (23a, 23b) intégré dans un guide d'onde
(PPW1), (PPW4) sont constituées de corrugations aménagées dans une zone de déphasage,
sur les deux parois opposées du guide d'onde correspondant.
4. Matrice de Butler selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque plaque métallique est constituée d'un revêtement métallique (33) déposé sur
un substrat diélectrique (32) et en ce que chaque coupleur (22a, 22b, 22c, 22d) et le dispositif de croisement (24) entre deux
guides d'ondes adjacents est constitué d'une pluralité de fentes gravées dans le revêtement
métallique, les fentes étant régulièrement réparties dans toute la zone de couplage,
respectivement dans toute la zone de croisement, la zone de croisement étant constituée
de deux zones de couplage disposées en cascade l'une derrière l'autre.
5. Matrice de Butler selon la revendication 4, caractérisée en ce que chaque déphaseur est constitué d'un ensemble de patchs métalliques (30) périodiquement
photogravés sur le substrat diélectrique (32) des deux parois d'un guide d'onde à
déphaser.
6. Formateur de faisceaux planaire caractérisé en ce qu'il comporte au moins une matrice de Butler (41) selon l'une des revendications 1 à
5.
7. Formateur de faisceau planaire selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte deux matrices de Butler différentes empilées l'une au-dessus de l'autre
et respectivement dédiées à deux polarisations différentes orthogonales entre elles.
8. Formateur de faisceaux planaire selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre N lentilles optiques (42) respectivement intégrées, en sortie
de chaque matrice de Butler (41), dans les N guides d'onde délimités par les N+1 plaques
métalliques parallèles.
9. Formateur de faisceaux planaire selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre N lentilles optiques (42) respectivement intégrées, en entrée
de chaque matrice de Butler (41), dans les N guides d'onde délimités par les N+1 plaques
métalliques.
10. Formateur de faisceaux planaire selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que chaque lentille optique (42) est une lentille d'épaisseur constante et à gradient
d'indice.
11. Formateur de faisceaux planaire selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte deux étages empilés, respectivement inférieur (50) et supérieur (51),
chaque étage comportant un nombre identique de guides d'onde à plaques parallèles,
chaque matrice de Butler (41) étant située à l'étage supérieur (51), chaque guide
d'onde à plaques parallèles (PPW1, PPW2, PPW3, PPW4) de l'étage inférieur (50) étant
connecté en série à un guide d'onde à plaques parallèles (PPW5, PPW6, PPW7, PPW8)
de l'étage supérieur (51) par un guide d'onde intermédiaire respectif (PPWP1, PPWP2,
PPWP3, PPWP4) comportant des plaques métalliques parallèles disposées orthogonalement
au plan XOY des deux étages inférieur et supérieur, les plaques métalliques parallèles
constituant les parois de chaque guide d'onde intermédiaire formant un réflecteur
intégré dans le formateur de faisceaux.
12. Antenne plane comportant au moins une matrice de Butler selon l'une des revendications
1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre M cornets rayonnants d'alimentation (43) connectés en entrée
de chaque guide d'onde à plaques métalliques parallèles (20), soit M∗N cornets rayonnants
d'alimentation pour les N guides d'onde à plaques métalliques parallèles, où M est
supérieur à 2, et N cornets rayonnants (44) de sortie respectivement connectés aux
N guides d'onde à plaques métalliques parallèles.
13. Antenne plane selon la revendication 12, caractérisée en ce que chaque cornet rayonnant (44) de sortie est un cornet longitudinal couplé à une ouverture
linéaire rayonnante s'étendant transversalement sur toute la largeur du guide d'onde
à plaques parallèles correspondant.
14. Antenne plane selon la revendication 13, caractérisée en ce que les ouvertures linéaires rayonnantes sont orientées selon une direction perpendiculaire
au plan des plaques parallèles (20) du guide d'onde à plaques parallèles correspondant.
1. Kompakte Butler-Matrix, beinhaltend N Hohlwellenleiter, wobei N eine Ganzzahl größer
als drei und aus den Potenzen von zwei gewählt ist, Koppler (22a, 22b, 22c, 22d),
welche konfiguriert sind, um zwei benachbarte Hohlwellenleiter zu koppeln, Phasenschieber
(23a, 23b) und mindestens eine Kreuzungsvorrichtung (24), welche konfiguriert ist,
um zwei benachbarte Hohlwellenleiter zu kreuzen, wobei die Kreuzungsvorrichtung (24)
zwei in Reihe verbundene Koppler beinhaltet, wobei die Butler-Matrix aus einer mehrschichtigen
planaren Struktur gebildet ist, beinhaltend N+1 zueinander parallele Metallplatten
(20), welche übereinander gestapelt und in regelmäßigem Abstand voneinander angeordnet
sind, wobei jeder Raum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Metallplatten einen Hohlwellenleiter
mit parallelen Platten (PPW1, PPW2, PPW3, PPW4) bildet, welche zwei gegenüberliegende
Wände besitzt, jeweils eine obere und eine untere, gebildet aus zwei aufeinanderfolgenden
Metallplatten, wobei zwei benachbarte Metallplatten-Hohlwellenleiter eine gemeinsame
Wand besitzen, welche aus einer der Metallplatten gebildet ist, und
wobei die Koppler (22a, 22b, 22c, 22d), die Phasenschieber (23a, 23b) und die Kreuzungsvorrichtung
(24) aus Metaoberflächen bestehen, die in den jeweiligen Wänden (20) der zu koppelnden,
zu kreuzenden und phasenzuverschiebenden Hohlwellenleiter, beziehungsweise in Kopplungs-,
Kreuzungs- und Phasenverschiebungsbereichen, integriert sind.
2. Butler-Matrix nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metaoberflächen, welche jeden Koppler (22a, 22b, 22c, 22d) und die Kreuzvorrichtung
(24) zwischen zwei benachbarten Hohlwellenleitern (PPW1, PPW2), (PPW2, PPW3), (PPW3,
PPW4) bilden, aus einem metallisierten Träger (26) bestehen, welcher mit einer Vielzahl
von Durchgangslöchern (25) versehen ist, welche in regelmäßigem Abstand in einem Kopplungsbereich
bzw. einem Kreuzungsbereich der den beiden entsprechenden benachbarten Hohlwellenleitern
gemeinsamen Wand verteilt sind, wobei der Kreuzungsbereich aus zwei Kopplungsbereichen
besteht, welche kaskadenförmig hintereinander angeordnet sind.
3. Butler-Matrix nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeden Phasenschieber (23a, 23b), welcher in einem Hohlwellenleiter (PPW1), (PPW4)
integriert ist, bildenden Metaoberflächen aus Korrugationen bestehen, welche in einem
Phasenverschiebungsbereich an den beiden gegenüberliegenden Wänden des entsprechenden
Hohlwellenleiters gebildet sind.
4. Butler-Matrix nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Metallplatte aus einer Metallbeschichtung (33) gebildet ist, welche auf einem
dielektrischen Substrat (32) abgelagert ist und dadurch, dass jeder Koppler (22a,
22b, 22c, 22d) und die Kreuzungsvorrichtung (24) zwischen zwei benachbarten Hohlwellenleitern
aus einer Vielzahl von in der Metallbeschichtung gravierten Schlitzen gebildet ist,
wobei die Schlitze regelmäßig in dem gesamten Kopplungsbereich bzw. in dem gesamten
Kreuzungsbereich verteilt sind, wobei der Kreuzungsbereich aus zwei kaskadenförmig
hintereinander angeordneten Kopplungsbereichen gebildet ist.
5. Butler-Matrix nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Phasenschieber aus einer Gruppe von Metall-Patchs (30) besteht, welche in regelmäßigem
Abstand in dem dielektrischen Substrat (32) der beiden Wände eines phasenzuverschiebenden
Hohlwellenleiters fotogeätzt sind.
6. Planarer Strahlformer, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens eine Butler-Matrix (41) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 beinhaltet.
7. Planarer Strahlformer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei unterschiedliche, übereinander gestapelte Butler-Matrizen beinhaltet, welche
jeweils für zwei unterschiedliche, zueinander rechtwinkligen Polarisationen vorgesehen
sind.
8. Planarer Strahlformer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass er zudem N optische Linsen (42) beinhaltet, welche jeweils am Ausgang einer jeden
Butler-Matrix (41) in den durch die N+1 parallelen Metallplatten begrenzten N Hohlwellenleitern
integriert sind.
9. Planarer Strahlformer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass er zudem N optische Linsen (42) beinhaltet, welche jeweils am Eingang einer jeden
Butler-Matrix (41) in den durch die N+1 Metallplatten begrenzten N Hohlwellenleitern
integriert sind.
10. Planarer Strahlformer nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede optische Linse (42) eine Linse mit konstanter Dicke und mit Index-Gradient ist.
11. Planarer Strahlformer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei gestapelte Stufen beinhaltet, jeweils eine untere (50) und eine obere (51),
wobei jede Stufe eine identische Anzahl an Hohlwellenleitern mit parallelen Platten
beinhaltet, wobei jede Butler-Matrix (41) in der oberen Stufe (51) befindlich ist,
wobei jeder Hohlwellenleiter mit parallelen Platten (PPW1, PPW2, PPW3, PPW4) der unteren
Stufe (50) in Reihe mit einem Hohlwellenleiter mit parallelen Platten (PPW5, PPW6,
PPW7, PPW8) der oberen Stufe (51) durch einen jeweiligen Zwischenhohlwellenleiter
(PPWP1, PPWP2, PPWP3, PPWP4) verbunden ist, welcher parallele Metallplatten beinhaltet,
welche rechtwinklig zur Ebene XOY der beiden Stufen, der unteren und der oberen, angeordnet
sind, wobei die Metallplatten, welche die Wände eines jeden Zwischenhohlwellenleiters
bilden, einen in dem Strahlformer integrierten Reflektor bilden.
12. Flachantenne, beinhaltend mindestens eine Butler-Matrix nach einem der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie zudem M Speisungs-Hornstrahler (43) beinhaltet, welche am Eingang eines jeden
Hohlwellenleiters mit parallelen Metallplatten (20) verbunden sind, d. h. M∗N Speisungs-Hornstrahler für die N Hohlwellenleiter mit parallelen Metallplatten,
wobei M größer ist als 2, und N Ausgangs-Hornstrahler (44), welche jeweils mit den
N Hohlwellenleitern mit parallelen Metallplatten verbunden sind.
13. Flachantenne nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Ausgangs-Hornstrahler (44) ein länglicher Horn ist, welcher mit einer linearen
Strahlöffnung gekoppelt ist, welche sich quer über die gesamte Breite des entsprechenden
Hohlwellenleiters mit parallelen Platten erstreckt.
14. Flachantenne nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die linearen Strahlöffnungen entlang einer Richtung rechtwinklig zur Ebene der parallelen
Platten (20) des entsprechenden Hohlwellenleiters mit parallelen Platten ausgerichtet
sind.
1. The compact Butler matrix comprising N waveguides, in which N is an integer number
greater than three and chosen from the powers of two, couplers (22a, 22b, 22c, 22d)
configured to couple two adjacent waveguides, phase-shifters (23a, 23b) and at least
one crossover device (24) configured for crossing over two adjacent waveguides, the
crossover device (24) comprising two couplers connected in series, the Butler matrix
consisting of a planar multilayer structure comprising N+1 mutually parallel metal
plates (20), stacked one on top of the other, and evenly spaced apart from one another,
each space between two consecutive metal plates forming a parallel plate waveguide
(PPW1, PPW2, PPW3, PPW4) having two opposing walls, respectively top and bottom, consisting
of the two consecutive metal plates, two adjacent metal plate waveguides comprising
a common wall consisting of one of the metal plates, and
the couplers (22a, 22b, 22c, 22d), the phase-shifters (23a, 23b) and the crossover
device (24) consist of metasurfaces incorporated in the respective walls (20) of the
waveguides to be coupled, to be crossed over and to be phase-shifted, respectively
in coupling, phase shifting and crossing zones.
2. The Butler matrix according to claim 1, characterized in that the metasurfaces forming each coupler (22a, 22b, 22c, 22d) and the crossover device
(24) between two adjacent waveguides (PPW1, PPW2), (PPW2, PPW3), (PPW3, PPW4) consist
of a metallized support (26) provided with a plurality of through-holes (25) evenly
distributed in a coupling zone, respectively a crossover zone, of the wall common
to the two corresponding adjacent waveguides, the crossover zone consisting of two
coupling zones arranged cascaded one behind the other.
3. The Butler matrix according to claim 2, characterized in that the metasurfaces forming each phase-shifter (23a, 23b) incorporated in a waveguide
(PPW1), (PPW4) consist of corrugations formed in a phase-shifting zone, on the two
opposing walls of the corresponding waveguide.
4. The Butler matrix according to claim 1, characterized in that each metal plate consists of a metal coating (33) deposited on a dielectric substrate
(32) and in that each coupler (22a, 22b, 22c, 22d) and the crossover device (24) between two adjacent
waveguides consists of a plurality of slits etched in the metal coating, the slits
being evenly distributed throughout the coupling zone, respectively throughout the
crossover zone, the crossover zone consisting of two coupling zones arranged cascaded
one behind the other.
5. The Butler matrix according to claim 4, characterized in that each phase-shifter consists of a set of metal patches (30) periodically photo-etched
on the dielectric substrate (32) of the two walls of a waveguide to be phase-shifted.
6. The planar beam-former characterized in that it comprises at least one Butler matrix (41) according to one of claims 1 to 5.
7. The planar beam-former according to claim 6, characterized in that it comprises two different Butler matrices stacked one on top of the other and respectively
dedicated to two different mutually orthogonal polarizations.
8. The planar beam-former according to claim 6, characterized in that it further comprises N optical lenses (42) respectively incorporated, at the output
of each Butler matrix (41), in the N waveguides delimited by the N+1 parallel metal
plates.
9. The planar beam-former according to Claim 6, characterized in that it further comprises N optical lenses (42) respectively incorporated, at the input
of each Butler matrix (41), in the N waveguides delimited by the N+1 metal plates.
10. The planar beam-former according to one of claims 8 or 9, characterized in that each optical lens (42) is a lens of constant thickness and with graded index.
11. The planar beam-former according to claim 6, characterized in that it comprises two stacked stages, respectively lower (50) and upper (51), each stage
comprising an identical number of parallel plate waveguides, each Butler matrix (41)
being situated at the upper stage (51), each parallel plate waveguide (PPW1, PPW2,
PPW3, PPW4) of the lower stage (50) being connected in series to a parallel plate
waveguide (PPW5, PPW6, PPW7, PPW8) of the upper stage (51) by a respective intermediate
waveguide (PPWP1, PPWP2, PPWP3, PPWP4) comprising parallel metal plates arranged orthogonally
to the plane XOY of the two lower and upper stages, the metal parallel plates constituting
the walls of each intermediate waveguide forming a reflector incorporated in the beam-former.
12. The planar antenna comprising at least one Butler matrix according to any one of claims
1 to 5, characterized in that it further comprises M feeder radiant horns (43) connected at the input of each parallel
metal plate waveguide (20), i.e. M ∗ N feeder radiant horns for the N parallel metal plate waveguides, in which M is greater
than 2, and N output feeder radiant horns (44) respectively connected to the N parallel
metal plate waveguides.
13. The planar antenna according to claim 12, characterized in that each radiant horn (44) of output is a longitudinal horn coupled to a radiant linear
aperture extending transversely over the entire width of the corresponding parallel
plate waveguide.
14. The planar antenna according to claim 13, characterized in that the radiant linear apertures are oriented in a direction at right angles to the plane
of the parallel plates (20) of the corresponding parallel plate waveguide.