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(11) | EP 0 064 313 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | Elément rayonnant ou récepteur de signaux hyperfréquences à polarisations circulaires et antenne plane hyperfréquence comprenant un réseau de tels éléments |
| (57) Elément rayonnant ou récepteur de signaux hyperfréquences à polarisations circulaires,
comprenant la structure symétrique suivante : (A) deux couches diélectriques planes
superposées (12) et (13) comportant chacune sur leur face extérieure une surface électriquement
conductrice (14) ou (15) et, dans chacune de ces surfaces un évidement (7) ou (8)
non conducteur ; (B) dans le plan médian (10) situé entre les deux couches (12) et
(13), deux lignes triplaques distinctes de transmission hyperfréquence pour réaliser
avec les évidements un couplage permettant la transmission des signaux hyperfréquences
à recevoir, et, éventuellement, (C) au moins deux dipôles (1) et (2), constitués chacun
d'un ruban électriquement conducteur de longueur sensiblement égale à la moitié de
la longueur d'onde des signaux à recevoir et disposés dans le plan médian (10) pour
permettre un couplage effectif entre les dipôles et les lignes triplaques de transmission
correspondantes, une feuille isolante (11) étant interposée entre ces dipôles pour
les séparer. Application : antennes pour systèmes de réception de télevision transmise
par satellites. |
[0001] La présente invention concerne un élément récepteur de signaux hyperfréquences à polarisations circulaires, réalisé en structure plane selon la technique du circuit imprimé associé à un support diélectrique, ainsi qu'une antenne plane comprenant un réseau de tels éléments. Il va de soi qu'étant donné le caractère de réciprocité d'une antenne, un élément de réception (ou une antenne composée d'un réseau d'éléments de réception) est capable de fonctionner en élément rayonnant (en antenne rayonnante),sans aucune modification de ses caractéristiques. Cette remarque reste valable sans exception tout au long de la description qui va suivre, et le mot réception peut toujours être remplacé par le mot émission.
[0002] Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 4 054 874, déposé le 11 juin 1975 et délivré le 18 octobre 1977 au nom de la Société cessionnaire Hughes Aircraft Company, décrit, entre autres réalisations, une antenne hyperfréquence composée d'éléments permettant l'émission ou la réception de signaux à polarisation circulaire, chaque élément étant composé dans ce cas d'une paire de dipôles conducteurs associés en croix par leur partie centrale pour constituer un dispositif unique, couplé aux extrémités de lignes de transmission correspondantes. Les longueurs des lignes de transmission diffèrent d'un quart de la longueur d'onde associée à la fréquence des signaux émis ou reçus, afin que ces signaux utiles soient en quadrature de phase.
[0003] Une telle structure présente malheureusement les inconvénients'suivants. D'une part sa dissymétrie électrique, due principalement à l'excitation non symétrique (à une seule extrémité) entraîne l'existence, au centre de la croix, d'un couplage galvanique critique là où justement la valeur des courants est maximale, d'autre part l'antenne proposée ne peut recevoir que des signaux à polarisation circulaire gauche ou des signaux à polarisation circulaire droite (l'existence de l'une de ces deux possibilités excluant celle de l'autre), ce sens de polarisation étant fixé par celle des lignes de transmission couplées aux dipôles qui est plus longue que l'autre.
[0004] Le but de l'invention est de proposer une nouvelle structure d'élément de réception de signaux hyperfréquences, ces signaux pouvant être indifféremment à polarisation circulaire gauche ou à polarisation circulaire droite, ainsi qu'une antenne composée de tels éléments.
[0005] L'invention concerne d'abord, à cet effet, un élément récepteur de signaux hyperfréquences à polarisations circulaires réalisé en structure plane selon la technique du circuit imprimé associé à un support diélectrique, ou, selon le principe de réciprocité des antennes, un élément rayonnant de tels signaux réalisé de façon similaire, caractérisé en ce qu'il comprend la structuré symétrique suivante:
(A) deux couches diélectriques planes superposées comportant chacune sur leur face extérieure une surface électriquement conductrice qui constitue un plan dit de masse et, dans chacune de ces surfaces conductrices, un évidement non conducteur laissant apparaître la couche diélectrique correspondante, ces deux évidements étant situés en regard l'un de l'autre ;
(B) dans le plan médian situé entre les deux couches, deux lignes triplaques distinctes de transmission hyperfréquence, une première extrémité de chacune de ces lignes étant située suffisamment en regard des deux évidements pour réaliser avec ceux-ci un couplage permettant la transmission des signaux hyperfréquences à recevoir, ces deux premières extrémités étant respectivement disposées suivant deux axes sensiblement perpendiculaires dont l'intersection coïncide sensiblement avec le centre des évidements, et la deuxième extrémité de chacune de ces lignes constituant une connexion destinée à être reliée aux circuits électroniques d'un dispositif de réception.
[0006] Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'élément récepteur comprend également dans le même plan médian au moins deux dipôles constitués chacun d'un ruban électriquement conducteur de longueur sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde des signaux à recevoir et disposés suivant lesdits axes pour permettre un couplage effectif entre ces dipôles et les lignes triplaques de transmission correspondantes, une feuille isolante étant interposée entre ces dipôles pour séparer électriquement l'une de l'autre au moins les portions de ces deux dipôles qui sont en regard l'une de l'autre, et cette paire de dipôles étant située en regard des évidements.
[0007] Quel que soit le mode de réalisation choisi, l'une et l'autre de ces deux structures possèdent les mêmes avantages essentiels, à savoir la possibilité de recevoir des signaux à polarisation circulaire gauche ou droite en même temps, et l'absence quasi-totale de couplage entre les circuits correspondant à ces deux types de signaux reçus puisqu'au centre des dipôles, le couplage n'est que capacitif, et là où justement le champ électrique est nul ou très faible.
[0008] L'invention concerne également une antenne à réseau d'élé-TIents récepteurs tels que définis précédemment, et comprenant la structure symétrique suivante :
(A) dans un plan médian, un ensemble de (m x n) paires de dipôles répartis en premiers et deuxièmes dipôles disposés respectivement suivant deux axes pratiquement perpendiculaires, les premiers dipôles d'une part, les deuxièmes dipôles d'autre part, étant parallèles les uns aux autres d'une paire de dipôles à l'autre ;
(B) dans le même plan médian, deux réseaux plans distincts de lignes triplaques de transmission hyperfréquence composés chacun d'une succession d'étages de combinaison des signaux reçus, les (m x n) extrémités de chacun de ces réseaux étant situées en regard d'une extrémité des (m x n) premiers dipôles pour l'un des réseaux et d'une extrémité des (m x n) deuxièmes dipôles pour l'autre réseau de façon à réaliser entre chaque réseau et les (m x n) dipôles qui lui sont associés un couplage capacitif suffisant pour permettre la transmission des signaux hyperfréquences à recevoir, et l'extrémité opposée de chacun de ces deux réseaux constituant une connexion destinée à être reliée aux circuits électroniques du dispositif de réception ;
(C) de part et d'autre de ce même plan médian, deux couches diélectriques planes comportant chacune sur leur face extérieure une surface électriquement conductrice qui constitue un plan dit de masse et, dans chacune de ces surfaces conductrices, (m x n) évidements non conducteurs laissant apparaître ]a couche diélectrique correspondante et situés en regard des (m x n) paires de dipôles.
[0009] Une antenne en structure dite stripline ou triplaque est déjà décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 4 170 013, déposé le 28 juillet 1978 et délivré le 2 octobre 1979 au nom des Etats-Unis d'Amérique représentés par le Secrétaire à la Marine, mais ne peut en aucun cas s'appliquer, contrairement au mode de réalisation d'antenne qui vient d'être proposé, à la réception de signaux hyperfréquences susceptibles d'être à polarisation circulaire gauche ou droite en même temps. Par ailleurs, la structure des éléments récepteurs de l'antenne décrite dans ce brevet est celle d'éléments à dipôles magnétiques, et non électriques.
[0010] D'autres particularités et avantages des éléments et antennes réalisés conformément à l'invention apparaîtront plus précisément dans la description qui suit et dans les dessins annexés, domes à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquels : 1
- la figure la est une vue de dessus d'un élément de réception conforme à l'invention et la figure lb une coupe suivant l'axe bb de la figure la ;
- la figure 2 montre deux dipôles dans lesquels ont été prévus des évidements non conducteurs 20 autour du point d'intersection des axes de disposition des dipôles ;
- la figure 3a est une vue de dessus d'une antenne plane comprenant un réseau d'éléments récepteurs conformes à l'invention et la figure 3b une coupe suivant l'axe bb de la figure 3a ; et
- la figure 4 montre une variante de réalisation de l'élément de réception selon l'invention.
[0011] L'élément récepteur représenté sur les figures la et lb est réalisé selon la technique du circuit imprimé associé à un support diélectrique et comprend la structure plane symétrique suivante. Dans un premier plan 10, dit médian et qui constitue un plan de symétrie pour la structure décrite, sont prévus deux dipôles complètement distincts 1 et 2, constitués chacun d'un ruban électriquement conducteur dont la longueur est sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde des signaux hyperfréquences devant être reçus. Ces dipôles 1 et 2 sont ici disposés en croix électriquement symétrique, suivant deux axes perpendiculaires, et séparés par une mince feuille isolante 11 (les dimensions de cette feuille peuvent, si on le veut, être limitées à celles nécessaires pour isoler l'une de l'autre les portions des dipôles qui sont effectivement en regard l'une de l'autre).
[0012] Ce même plan médian 10 contient aussi deux lignes triplaques 3 et 4, destinées à assurer la transmission des signaux reçus par les dipôles vers un dispositif de réception non représenté. Ces deux lignes 3 et 4 doivent être indépendantes et n'ont aucune liaison électrique entre elles. Une première-extrémité 3a de la ligne 3 est située en regard d'une extrémité du dipôle 1 et alignée avec lui, de façon à réaliser avec ce dipôle un couplage capacitif et, de même, une première extrémité 4a de la ligne 4 est située en regard d'une extrémité du dipôle 2 et alignée avec lui, pour réaliser également un couplage capacitif. Les deuxièmes extrémités 3b et 4b de la ligne 3 et de la ligne 4 sont équipées de connecteurs 5 et 6 respectivement et constituent chacune une connexion destinée à être reliée aux circuits électroniques de réception, non représentés.
[0013] Pour compléter cette structure, l'élément récepteur comprend enfin, de part et d'autre du plan médian 10, deux couches diélectriques planes 12 et 13 comportant chacune sur leur face extérieure une surface électriquement conductrice, 14 et 15 respectivement,-qui a constitue un plan de masse. Dans ces surfaces conductrices sont ménagés des évidements non conducteurs 7 et 8 respectivement, l'évidement 7 dans la surface 14 laissant apparaître la couche diélectrique 12 et l'évidëment 8 dans la couche 15 laissant apparaître la couche diélectrique 13. Les évidements 7 et 8 sont circulaires, avec un diamètre légèrement supérieur à la longueur de chaque dipôle, et sont situés en regard des dipôles de telle façon que ceux-ci soient entièrement contenus dans le contour cylindrique que ces évidements délimitent.
[0014] L'élément ainsi proposé est intéressant à plusieurs égards : (a) les couplages lignes-dipôles et espace-dipôles peuvent être forts simultanément, grâce à la présence des plans de masse empêchant le rayonnement parasite des lignes triplaques de transmission et à celle des évidements autorisant la réception exclusivement un regard des dipôles ; (b) la réception est celle de signaux de polarisation circulaire aussi bien gauche que droite, puisque la structure proposée n'élimine aucune des deux possibilités, la séparation des uns ou des autres ne s'effectuant qu'ultérieurement ; (c) la coexistence de ces deux possibilités de réception de signaux de polarisations circulaires différentes s'accompagne d'une bonne isolation électrique entre les circuits correspondants, grâce à la séparation complète des deux dipôles 1 et 2 (à l'opposé de ce qui est décrit dans le brevet N° 4 054 874 déjà cité).
[0015] L'élément peut être équipé d'une surface métallique réflectrice 16, disposée d'un côté de l'élément (voir la figure lb) et parallèlement au plan médian 10 de celui-ci. Cette disposition classique (voir par exemple la figure 2 de la demande de brevet français N° 78 31 879) renforce le rendement de réception, les ondes reçues qui atteignent ladite surface 16 étant renvoyées vers les dipôles. Ce renforcement est optimal si la distance entre cette surface 16 et le plan médian 10 est égale ou sensiblement égale au quart de la longueur J'onde associée à la fréquence des signaux utiles à recevoir (par égale, on entend électriquement équivalente compte tenu des milieux traversés ; entre la surface 16 et le plan 10, il y a en effet une couche d'air et une couche diélectrique, la couche 13).
[0016] Les caractéristiques suivantes peuvent également être adoptées, selon les nécessités :
(a) si les rubans qui constituent les dipôles ont des longueurs différentes, chaque dipôle peut recevoir des signaux dont les fréquences sont, de façon correspondante, différentes,
(b) si l'on donne aux extrémités des rubans une largeur supérieure à celle de leur zone centrale, chaque dipôle peut soit assurer la réception de signaux de même fréquence mais avec des dimensions un peu réduites par rapport au cas où la largeur de chaque dipôle reste constante, soit, à dimensions maintenues égales, assurer la réception de signaux de fréquence inférieure.
(c) enfin on peut améliorer encore l'absence quasi-totale de couplage entre les dipôles,(1) soit en les disposant l'un par rapport à l'autre de telle sorte que l'intersection des deux axes perpendiculaires suivant lesquels ils ont placés coïncide, pour chacun des dipôles, avec son minimum électrique, (2) soit même en ménageant (voir la figure 2) un petit évidement non conducteur 20 dans la surface de chaque dipôle autour du point correspondant à l'intersection de ces deux axes (en réduisant le couplage résiduel éventuel entre les dipôles, les évidements permettent de rendre encore plus mince la feuille isolante 11 dont une trop grande épaisseur pourrait perturber la symétrie de la structure de l'élément récepteur et diminuer les avantages de celle-ci), (3) soit en combinant ces deux dispositions.
[0017] L'élément qui vient d'être décrit peut, conformément à l'invention, être utilisé pour la réalisation d'une antenne plane hyperfréquence composée de tout un réseau de tels éléments, selon la même technique du circuit imprimé associé à un support diélectrique, avec la structure décrite ci-dessous en référence aux figures 3a et 3b.
[0018] Dans un premier plan médian 100 est prévu tout un ensemble de (m x n) paires de dipôles 1m,n et 2m,n (référencés de la même manière que les dipôles 1 et 2 de l'élément considéré isolément, mais avec les indices m, n pour les caractériser chacun, m et n étant, dans l'exemple ici considéré, égaux à 25, mais pouvant naturellement prendre d'autres valeurs). Dans chaque paire, les dipôles 1 m,n et 2 m,n sont, comme précédemment, disposés en croix électriquement symétrique, suivant deux axes perpendiculaires, mais en étant complètement distincts, avec une isolation électrique assurée là encore par une feuille isolante (soit une feuille unique de même surface que l'antenne complète, soit des morceaux de feuille isolante prévus seulement dans la zone des dipôles, ces morceaux pouvant eux-mêmes, éventuellement; être, limités aux dimensions juste suffisantes pour que les portions de dipôles qui sont en regard l'une de l'autre soient effectivement isolées l'une par rapport à l'autre).
[0019] Les 2.(m x n) dipôles (1m,n), (2m,n) sont constitués chacun d'un ruban conducteur dont la longueur électrique est sensiblement égale à la moitié de la longueur d'onde des signaux hyperfréquences à recevoir. Pour simplifier la description de leur disposition, les dipôles sont regroupés en (m x n) premiers dipôles 1 m, n et en (m x n) deuxièmes dipôles 2m,n, , tous les premiers dipôles d'une part étant parallèles les uns aux autres d'une paire de dipôles à l'autre, tous les deuxièmes dipôles d'autre part étant également parallèles les uns aux autres d'une paire de dipôles à l'autre.
[0020] Le plan médian 100 contient, en plus des (m x n) paires de dipôles, l'association de deux réseaux de lignes triplaques de transmission hyperfréquence, non représentés pour simplifier les figures. Ces réseaux sont, comme les lignes 3 et 4, électriquement indépendants l'un de l'autre, destinés à assurer la transmission des signaux reçus par les dipôles vers le dispositif de réception (non représenté), et composés à cet effet chacun d'une succession d'étages de combinaison des signaux reçus. De tels réseaux sont connus dans de nombreuses réalisations (voir, à titre d'exemple.non limitatif, le réseau représenté sur la figure 1 de la demande de brevet français N°70 11 449). Les (m x n) premières extrémités d'un des réseaux sont situées en regard d'une extrémité des (m x n) dipôles 1 m,n (la même pour tous ces dipôles) et alignées chacune avec l'extrémité de dipôle correspondante, de façon a réaliser avec les dipôles concernés un couplage capacitif ; de même, les (m x n) premières extrémités de l'autre réseau sont situées en regard d'une extrémité des (m x n) dipôles 2 m,n et alignées avec elles respectivement, pour réaliser également un couplage capacitif des dipôles aux réseaux. L'extrémité opposée, ou deuxième extrémité, du premier réseau est le point de convergence·de toutes les lignes de transmission composant ce réseau ; elle est équipée d'un premier connecteur et constitue une connexion destinée à être reliée aux circuits électroniques du dispositif de réception ; il en est de même pour la deuxième extrémité du deuxième réseau, équipée d'un deuxième connecteur.
[0021] Pour compléter ladite structure, l'antenne comprend enfin, de part et d'autre du-plan médian 100, deux couches diélectriques planes 112 et 113 comportant chacune sur leur face extérieure une surface électriquement conductrice, 114 et 115 respectivement, qui constitue un plan de masse. Ces surfaces conductrices 114 et 115 comprennent chacune un ensemble de (m x n) évidements non conducteurs laissant apparaître la couche diélectrique 112 ou 113 correspondante. Ces évidements 107m,n et 108 m, n sont circulaires, avec un diamètre légèrement supérieur à la longueur des dipôles et sont situés en regard de ceux-ci, de telle façon que chaque paire de dipôles soit entièrement contenue dans le contour cylindrique délimité par les évidements correspondants.
[0022] L'antenne ainsi proposée présente les mêmes avant ages que l'élément unique décrit précédemment (qualité des couplages utiles, absence quasi-totale de couplages nuisibles, possibilité de réception simultanée de signaux à polarisation circulaire gauche ou droite, variantes dans les caractéristiques des dipôles, etc...)
[0023] Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits et représentés, à partir desquels d'autres variantes peuvent encore être proposées sans pour cela sortir du cadre de l'invention.
[0024] En particulier, l'élément et l'antenne tels que décrits comprennent des dipôles, mais une réalisation sans dipôles (toutes choses presque égales par ailleurs) peut être proposée, avec les mêmes avantages essentiels rappelés ci-dessus. Dans ce cas, les dimensions des évidements sont telles que ceux-ci deviennent des diaphragmes résonnants pour la fréquence des signaux à recevoir, l'intensité du couplage diaphragmes-lignes triplaques étant alors liée à l'importance de la pénétration de l'extrémité de ces lignes dans le contour cylindrique limité par les évidements.
[0025] D'autre part, lorsque les dipôles sont prévus, leur inclinaison reste semblable d'une paire à l'autre, mais peut être choisie de diverses façons, une des orientations les plus intéressantes étant celle où les dipôles sont inclinés à 45 degrés, ce qui permet une mise en place symétrique des premier et deuxième réseaux de lignes triplaques.
[0026] Si l'élément ou l'antenne selon l'invention est équipé d'une surface réflectrice métallique telle que 16 (voir l'élément de la figure lb), cette surface peut, notamment pour éviter tout couplage entre éléments récepteurs voisins, être limitée par (m x n) parois métalliques latérales de diamètre légèrement supérieur à celui des évi- dements. Ces parois sont perpendiculaires à la surface réflectrice qui constitue maintenant une paroi de fond et placées sur le plan de masse de la couche diélectrique correspondante (voir la figure 4 où un élément est représenté équipé d'une telle paroi 17). L'élément ou l'antenne peut aussi être équipé, notamment pour éviter tout rayonnement horizontal d'un élément récepteur à l'autre, d'une couronne métallique 18 de diamètre identique à celui de la paroi 17 et placée sur le plan de masse de l'autre couche diélectrique.
(A) deux couches diélectriques planes superposées (12) et (13) comportant chacune sur leur face extérieure une surface électriquement conductrice (14) ou (15) qui constitue un plan dit de masse et, dans chacune de ces surfaces conductrices, un évidement non conducteur (7) ou (8) laissant apparaître la couche diélectrique correspondante, ces deux évidements étant situés en regard l'un de l'autre ;
(B) dans le plan médian (10) situé entre les deux couches (12) et (13), deux lignes triplaques (3) et (4) distinctes de transmission hyperfréquence, une première extrémité de chacune de ces lignes étant située suffisamment en regard des deux évidements pour réaliser avec ceux-ci un couplage permettant la transmission des signaux hyperfréquences à recevoir, ces deux premières extrémités étant respectivement disposées suivant deux axes sensiblement perpen- diculaires dont l'intersection coïncide sensiblement avec le centre des évidements, et la deuxième extrémité de chacune. de ces lignes constituant une connexion destinée à être reliée aux circuits électroniques d'un dispositif de réception.
(A) deux couches diélectriques planes superposées (112) et (113) comportant chacune sur leur face extérieure une surface électriquement conductrice (114) ou (115) qui constitue un plan dit de masse et, dans chacune de ces surfaces conductrices, (m x n) évidements non conducteurs (107m,n) , (108m,n) laissant apparaître la couche diélectrique correspondante et situés deux à deux en regard les uns des autres ;
(B) dans le plan médian (100) situé entre les deux couches (112) et (113), deux réseaux plans distincts de lignes triplaques de transmission hyperfréquence composés chacun d'une succession d'étages de combinaison des signaux reçus, les (m x n) extrémités de chacun de ces réseaux étant situées suffisamment en regard des 2.(m x n) évidements pour réaliser avec ceux-ci un couplage permettant la transmission des signaux hyperfréquences à recevoir, et l'extrémité opposée de chacun de ces deux réseaux constituant une connexion destinée à être reliée aux circuits électroniques du dispositif de réception.
(A) dans un plan médian (100) un ensemble de (m x n) . paires de dipôles répartis en premiers et deuxièmes dipôles (1m,n) ) et (2m,n) disposés respectivment suivant deux axes pratiquement perpendiculaires, les premiers dipôles (1m,n) d'une part, les deuxièmes dipôles (2 m,n) d'autre part, étant parallèles les uns aux autres d'une paire de dipôles à l'autre ;
(B) dans le même plan médian (100), deux réseaux plans distincts de lignes triplaques de transmission hyperfréquence composés chacun d'une succession d'étages de combinaison des signaux reçus," les (m x n) extrémités de chacun de ces réseaux étant situées en regard d'une extrémité des (m x n) premiers dipôles (1m,n) pour l'un des réseaux et d'une extrémité des (m x n) deuxièmes dipôles (2m,n) pour l'autre réseau de façon à réaliser entre chaque'réseau et les (m x n) dipôles qui lui sont associés un couplage capacitif suffisant pour permettre la transmission des signaux hyperfréquences à recevoir, et l'extrémité opposée de chacun de ces deux réseaux constituant une connexion destinée à être reliée aux circuits électroniques du dispositif de réception ;
(C) de part et d'autre de ce même plan médian (100), deux couches diélectriques planes (112) et (113) comportant chacune sur leur face extérieure une surface électriquement conductrice (114) ou (115) qui constitue un plan dit de masse et, dans chacune de ces surfaces conductrices , (m x n) évidements non conducteurs (7 ) ou (8m,n) laissant apparaître la couche diélectrique correspondante et situés en regard des (m x n) paires de dipôles.