Antenne plane hyperfréquence recevant simultanément deux polarisations

Abstract

 Antenne plane hyperfréquence multiéléments pour la récéption de la télévision par satellite avec deux polarisations simultanées. L'antenne est munie de deux réseaux de lignes (1) dont les extrémités (3, 30) constituent des sondes débouchant dans des guides d'onde (2), les sondes d'un réseau (3) étant perpendiculaires à celles de l'autre réseau (30). Entre les deux réseaux de lignes est seulement placée une tôle mince (150) percée d'évidements (6) en forme de croix, et munie de plots d'écartement faits d'une matière isolante sérigraphiée.

Description

[0001] La présente invention concerne une antenne plane hy­perfréquence composée d'une pluralité d'éléments rayonnants (récepteurs ou, selon le principe de réciprocité des antennes, émetteurs), prévue pour fonctionner simultanément avec deux polarisations différentes des ondes, présentant à cet effet deux réseaux de lignes planaires disposés chacun sur une feuille de diélectrique du type "lignes à substrat complètement suspendu" enserré entre des dispositifs au moins localement métalliques ou métallisés dans lesquels des évidements placés en regard les uns des autres sont percés pour constituer des guides d'onde élémentaires ouverts ou fermés, les extrémités des conducteurs centraux des lignes planaires étant disposées à l'intérieur de ces guides d'onde de manière à constituer des sondes qui réalisent un couplage permettant la réception (ou l'émission) de signaux hyperfréquences.

[0002] De telles antennes sont utilisées notamment pour la réception des émissions de télévision par satellite, à une fréquence d'environ 12 GHZ, en polarisation circulaire.

[0003] Une antenne plane hyperfréquence comprenant un en­semble de tels éléments a été décrite dans la demande de bre­vet français n^o 2544920. Il y est décrit notamment un agence­ment permettant de maintenir les lignes de transmission compos­sant le ou les réseaux d'alimentation de l'antenne. Chacun des réseaux de lignes hyperfréquences est constitué par un circuit imprimé déposé sur une feuille mince de diélectrique servant de substrat enserrée entre deux plaques métalliques ou en diélectrique métallisé. Chaque réseau est disposé de telle sorte que les extrémités des conducteurs centraux des lignes se trouvent en regard d'évidements carrés percés respectivement dans chacune des plaques qui l'enserrent de manière à réaliser le couplage entre les lignes et les évidements. Chaque feuille de diélectrique portant le réseau de conducteurs centraux imprimés des lignes hyperfréquences est maintenue entre les plaques qui l'enserrent par des plots de positionnement situés sur les faces de ces plaques, en regard les uns des autres et de part et d'autre de cette feuille, ces plots étant en outre disposés par rapport à cette feuille, dans ces espaces dépourvus de circuits imprimés.

[0004] L'antenne est destinée à fonctionner en polarisation circulaire. Deux solutions sont connues : la première consiste en l'utilisation d'un coupleur dit "coupleur 3dB" dont les entrées sont reliées aux deux réseaux sensibles aux deux polarisations linéaires orthogonales ; on obtient ainsi simultanément les deux sens de polarisation circulaire, chacun sur une sortie du coupleur.
Cette solution, présente l'inconvénient d'imposer, surtout pour de grandes antennes, une grande précision de réalisation aux deux réseaux de lignes reliant les sondes dans les guides d'onde aux entrées du coupleur, car les longeurs électriques doivent être égales, tout déphasage dégradant la pureté de polarisation circulaire. Elle ne sera donc utilisée que pour de petites antennes. En outre, elle imposerait encore la présence de deux réseaux dans l'antenne même si on ne désirait recevoir qu'un seul sens de polarisation.

[0005] Une autre solution est fournie par l'emploi d'un dépolariseur à grilles placé devant l'antenne. Celui-ci peut être de l'un quelconque des types connus : à fils, à lignes en méandres, ou à lames métalliques. Les deux sens de polarisation circulaire sont alors disponibles simultanément à la sortie de chaque circuit. Cette solution diminue l'exigence de précision des réseaux de lignes et facilité donc leur fabrication . En outre elle permettrait de n'utiliser qu'un seul réseau si on ne désirait recevoir qu'un seul sens de polarisation. Pour obtenir un taux de composante contrapolaire faible, dans le cas présent ou l'on reçoit deux polarisations, les deux réseaux orthogonaux doivent être découplés, or il existe un couplage parasite entre les deux réseaux dû au fait que les sondes d'un réseau sont proches de celles de l'autre réseau. La méthode habituelle pour réduire ce couplage consiste à éloigner les sondes les unes des autres, c'est-à-dire à écarter l'un de l'autre les deux plans des réseaux de lignes, ce qui a l'inconvénient de rendre difficile l'adaptation parfaite de deux sondes à la fois avec le même plan de court-circuit derrière ces sondes. En outre cet éloignement nécessite un bloc de guides d'onde supplémentaire entre les deux réseaux de lignes, ce qui accroît le coût et l'encombrement de l'antenne.

[0006] Pour remédier à ces inconvénients, l'antenne selon l'invention est notamment remarquable en ce que le dispositif situé entre les deux réseaux de lignes est d'épaisseur faible vis à vis de la longueur d'onde et les évidements dont il est percé ont une forme de croix.

[0007] Les évidements en croix permettent de réduire le couplage mutuel entre deux sondes orthogonales, par une atténuation des modes supérieurs plus importante qu'avec un évidement carré, car les guides en croix ont un effet comparable à celui de deux guides rectangulaires placés orthogonalement, dans lesquels la fréquence de coupure des modes TE11 et TM11 est plus haute que dans un guide carré de côté égal au grand côté des rectangles. De ce fait il est possible de rapprocher les plans des deux réseaux, ce qui diminue le coût et l'encombrement.

[0008] Avantageusement le dispositif situé entre les deux réseaux est une plaque mince percée de trous en forme de croix et munie de plots pour tenir les feuilles de diélectrique à distance et cette plaque est une tôle plane sur les deux faces de laquelle les plots sont rapportés par sérigraphie et faits d'une matière diélectrique.

[0009] Selon une variante la plaque est faite de deux tôles planes appliquées l'une sur l'autre, chaque tôle étant munie sur sa face extérieure de plots disposés par sérigraphie et faits d'une matière diélectrique.

[0010] Cette structure est particulièrement économique puisqu'une simple tôle poinçonnée y suffit pour constituer le dispositif de guides d'onde, et en outre les plots en matière diélectrique sérigraphiés sont de fabrication plus simple et ils améliorent les performances de l'antenne.

[0011] L'antenne selon l'art antérieur présente en outre l'inconvénient que les plaques, constituant à la fois l'ossature principale de l'antenne et le système de guides d'ondes, doivent présenter une bonne rigidité et une grande précision dimensionnelle. Des plaques en métal avec une structure aussi complexe sont coûteuses et en outre très lourdes. Des plaques en matière plastique métallisée présentent des caractéristiques de dilatation thermique impropres à la réalisation d'une antenne de grande dimension devant fonctionner aussi bien par -40° qu'en plein soleil d'été.

[0012] Pour remédier à ces inconvénients, l'antenne selon l'invention est notamment remarquable en ce que les "plaques y sont remplacées par des dispositifs composites constitués chacun par une tôle mince et percée d'évidements, sur une face de laquelle est appliqué au moins un bloc constituant une pluralité de guides d'onde, et sur l'autre face de laquelle sont situés les plots d'écartement, et en ce que l'ensemble des tôles est maintenu par un châssis rigide unique.

[0013] Le bloc constituant une pluralité de guides d'onde est rapporté sur la tôle et maintenu par elle, il n'est donc pas soumis à des exigences de précision mécanique sévères et peut donc être réalisé d'une manière économique. La tôle mince est relativement flexible, et est tenue en position par le châssis, qui constitue donc une sorte de marbre pour maintenir les tôles à plat. On a donc maintenant une seule pièce rigide : le châssis, qui maintient plusieurs tôles, au lieu de la pluralité de plaques autoporteuses complexes de l'art antérieur.

[0014] La description qui va suivre, en regard des dessins annexés décrivant des exemples non limitatifs fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée.

La figure 1 représente en coupe une partie d'une antenne comportant deux réseaux de lignes hyperfréquence, réalisée selon l'invention.

La figure 2 représente une vue en plan de la même partie d'antenne.

La figure 3 représente un exemple d'un mode de fixation des constitutants de l'antenne les uns aux autres.

La figure 4 représente, partiellement en coupe, une antenne complète.

[0015] La figure 1 qui est une vue en coupe selon la ligne A de la figure 2 représente des constituants d'une antenne écartés les uns des autres pour une meilleure clarté de la figure. L'antenne est composée d'un réseau de lignes planaires disposé sur une feuille diélectrique 195 et d'un deuxième réseau semblable disposé sur une feuille diélectrique 196, ces réseaux sont chacun enserrés entre des dispositifs en matérieu métallique ou métallisé. Les lignes portées par les feuilles 195 et 196 ne sont pas représentes car leur épais­seur à l'échelle est trop faible pour les rendre visibles. Il y a ici trois dispositifs en materiau métallique ou métal­lisé ; l'une est placé au-dessus du réseau 195, un deuxième est placé entre les réseaux 195, 196 et le troisième est placé sous le réseau 196. L'un de ces dispositifs comporte les éléments références 50 et 156, un autre de ces dispositifs comporte les éléments réferencés 49 et 159. Le dispositif situé entre les deux réseaux de lignes est d'épaisseur faible vis à vis de la longueur d'onde. Il est constitué d'une plaque mince 150 percée de trous 6 et munie de plots 19, 20 pour tenir les feuilles 195, 196 à distance. Cette plaque 150 est une tôle plane sur les deux faces de laquelle sont reportés par sérigraphie les plots 19, 20, faits d'une matière diélectrique. Dans tous ces dispositifs sont percés des évide­ments qui constituent des guides d'onde élémentaires 2,dans lesquels débouchent les extrémités des lignes, ainsi qu'il apparaitra plus clairement à la description de la figure 2. Des plots, 4, 14, sont prévus aussi sur les dispositifs supérieur et inférieur pour tenir les feuilles de diélectrique 195, 196, à une certaine distance desdits dispositifs. Un de ces dispositifs est constitué d'une tôle 156 plane et percée de trous 6, sur une face de laquelle est appliqué un bloc 50 constituant une pluralité de guides d'onde 2, et sur l'autre face de laquelle sont situés des plots d'écartement 4. Un autre de ces dispositifs est constitué de façon semblable par la tôle 159 percée des trous 6, le bloc 49, constituant des guides d'ondes, et des plots décartement 14.

[0016] Les tôles 156, 150, 159, sont réalisées en aluminium et ont une épaisseur de 1 mm, les blocs 49, 50 sont moulés par exemple en matière plastique thermoplastique, dite "ABS" et métallisés, et les feuilles diélectriques portant les réseaux de lignes sont réalisées à partir d'une feuille de "mylar" de 70 microns d'épaisseur recouverte d'une feuille de cuivre de 35 microns qui est gravée pour constituer les lignes. Il est possible d'utiliser des épaisseurs encore plus faibles pour la feuille diélectrique, dans le but de diminuer encore les pertes ; on pourrait utiliser par exemple une feuille de Kapton de 25 microns, mais cette dernière est plus chère que la feuille de mylar. La matière utilisée pur constituer les plots est avantageusement chargée de particules en matériau diélectrique ; ces particules sont par exemple des billes éventuellement creuses en verre ou en matière plastique.Les plots d'écartement sérigraphiés 4, 14, 19, 20 ont une épaisseur de 0,8 mm. Ils sont réalisés au moyen d'une sérigraphie utilisant un écran d'épaisseur adéquate ; l'écran est constitué d'une toile à mailles assez larges pour laisser passer les susdites billes, recouverte d'une ou plusieurs couches fournissant l'épaisseur désirée, en matière photo-sensible, et les motifs des plots sont obtenus, au moyen d'un traitement photographique,sur cet écran.

[0017] La figure 2 montre les mêmes constituants que la figure 1, mais sans la tôle supérieure 156 afin de laisser ap­paraitre le réseau de lignes 1. Ces dernières ont en général une largeur de 1,8 mm. Elles présentent des parties plus étroites au niveau des raccordements en "T" pour adapter l'impédance. Les plots sérigraphiés 19, 29 de la tôle 157 sont vus par transparence au travers de la feuille de mylar 195.

[0018] Les évidements 6 de la tôle 150 ont la forme d'une croix alors que les guides d'onde 2, sont de section carrée. Les références 7 et 8 indiquant respectivement un point du périmètre du guide d'onde et un point du périmètre de l'évide­ment montrent comment ils sont placés l'un par rapport à l'au­tre. Les évidements des tôles supérieure et inférieure 156, 159 sont aussi en forme de croix afin de réaliser toutes les tôles avec un même outillage. Les guides d'onde 2 pourraient d'ailleurs eux aussi être en forme de croix, mais pour eux cela n'est pas avantageux, car cela complique inutilement l'outillage de fabrication. Cette forme n'est vraiment indispensable que pour la tôle située entre les deux plans des réseaux de lignes 195, 196.

[0019] Les plots d'écartement 19, vus au travers de la feuille 195 sont représentés par des zones hachurées entourées de pointillés. Le dessin des plages sérigraphiées constituant ces plots représente pratiquement en négatif un dessin sembla­ble à celui du réseau de lignes, dessin dans lequel ces der­nières y seraient élargies. Par les mots "en négatif", on entend que la matière est absente là où les lignes sont pré­sentes. Un tel dessin peut être obtenu facilement au moyen d'un équipement de dessin assisté par ordinateur. Avec cet équipement on peut faire dessiner des bandes ayant une même ligne médiane que les lignes hyperfréquence, mais plus larges, et y ajouter le réseau des évidements en croix. En l'absence d'un tel équipement, il est possible de réaliser le même des­sin. Il faut alors utiliser un cliché des lignes en transpa­rent sur fond noir, et en réaliser un contre-type négatif en déplaçant le cliché dans tous les sens pendant l'exposition . L'amplitude de ce déplacement est bien entendu égale à l'élar­gissement souhaité pour les lignes.On obtient ainsi un dessin en noir des lignes élargies, qu'il suffit alors de superposer au dessin en noir des évidements. Sur la figure 2, le dessin des plots comporte un couloir vierge le long du bloc 50, à sa gauche et en haut : ceci est dû au fait qu'il existe une li­gne, cachée sous le bord du bloc 50.

[0020] La référence 3 indique l'extrémité d'une ligne ou réseau porté par la feuille 195, extrémité qui débouche dans le guide d'onde 2 pour réaliser une sonde de couplage permet­tant la récéption des ondes hyperfréquences ; la référence 30 indique de la même manière une sonde du réseau porté par la feuille diélectrique 196. La largeur des sondes doit être un peu augmentée par rapport à celle des lignes. Elle est d'envi­ron 2,5 mm.

[0021] L'intervalle entre deux rangées d'évidements dans les deux directions est de 23 mm.

[0022] Sur la figure on n'a représenté qu'un bloc de guides d'onde 50, de manière à laisser visible à côté de ce bloc le réseau des lignes. Il est bien évident que d'autres blocs de guides d'onde analogues au bloc 50 doivent êtres mon­tés sur toute la surface de l'antenne ; ces blocs sont séparés les uns des autres ce qui permet de diminuer l'effet des di­latations différentes de la matière plastique de ces blocs d'une part et de l'aluminium constituant les tôles d'autre part. Les blocs de guides d'onde 50 sont munis d'ergots tel que 5 sur la figure 1, qui permettent la fixation des blocs 50 sur les tôles. Des trous 17, destinés à recevoir ces ergots, sont visibles sur la figure 2.

[0023] La configuration répétitive du réseau de lignes permet de reconstituer facilement le reste de l'antenne qui n'est pas représenté sur la figure. Une antenne peut être constituée par exemple par seize blocs 50 comportant chacun seize guides d'onde 2 disposés en rectangle de huit sur deux blocs. Le dessin du réseau de lignes portés par la feuille 196 est différent de celui montré sur la figure 2, de manière à ce que les lignes débouchent perpendiculairement à celles de la feuille 195. Le dessin de ce réseau (non représenté) peut être facilement imaginé à partir du dessin représenté. En outre des exemples schématiques de ces deux dessins sont don­nés dans la demande de brevet citée en introduction.

[0024] Il est facile de comprendre que les plots d'écarte­ment 4 et 19 ou 20 et 24 auraient pu aussi être déposés par sérigraphie sur les deux faces de chaque feuille 195, 196 au lieu d'être déposés sur les tôles métalliques 156 150, 159. Toutefois le dépôt sur les tôles est bien plus facile.

[0025] La figure 4 montre en détail des moyens d'assem­blage de l'antenne. On y retrouve les tôles 156 et 159, munies respectivement des plages d'écartement 4 et 14 et enserrant les feuilles 195 et 196. Il s'agit ici d'une variante dans la­quelle la plaque 150 de la figure 1 est faite de deux tôles planes 157, 158 appliquées l'une sur l'autre, chaque tôle étant munie sur sa face extérieure des plots respectivement 19, 20.

[0026] L'ergot 18, appartenant au bloc de guides d'onde ouverts supérieur est fixé dans un trou des tôles 156 et 157. L'ergot 5 appartenant au bloc de guides d'onde fermés infé­rieur est fixé dans un trou des tôles 159 et 158. La tôle 157 est appliquée directement contre la tôle 158. L'emploi de deux tôles peut être utile, car il est difficile de trouver des emplacements libres (sans plots sérigraphié) à la même posi­tion sur les deux faces de la plaque centrale 157, 158, pour y placer un trou destiné à un ergot 5, 18. Alors l'usage de deux tôles permet de placer les trous à des positions différentes sur chaque tôle, sans déboucher sur l'autre face de la plaque. En outre il peut être plus simple de sérigraphier les plots 19, 20 sur deux tôles séparées, adossées par la suite l'une à l'autre, que sur deux faces d'une même plaque. L'en­semble de l'antenne est monté sur un châssis dont une petite partie est représentée hachurée en 22. Un pion 21 est fixé dans la matière de ce châssis et l'empilage constituant l'an­tenne, muni de trous adéquats, est fixé au châssis à l'aide de tels pions et de clips 23 enfoncés à force sur les pions. Dans le cas d'une seule tôle 150 comme dans la figure 1, c'est à dire si l'on a pu trouver des emplacements communs aux deux réseaux de lignes pour les trous 17 de la figure 2, les pions 21 pourraient passer par ces trous et fixer à la fois les tôles sur le châssis et les blocs de guide d'onde 50.

[0027] La figure 5 représente une antenne complète : les deux parties en coupe représentent chacune une variante de réalisation. Il va de soi qu'en pratique ces deux variantes ne seraient pas présentes ensembles dans une même antenne !

[0028] En bas à gauche, la variante est la même que celle décrite par les figures 1 et 4. On y retrouve les mêmes réfé­rences 22 pour le châssis, 49 et 50 pour les blocs de guide d'onde. La référence 15 englobe l'empilage des tôles précédem­ment référencées 150 à 159. L'antenne est logée dans un boi­tier de protection, dont la paroi arrière 22 constitue le susdit châssis.

[0029] En haut à droite, le bloc de guide d'onde est cons­titué par les parois 9, 10 décrités à propos de la figure 3. Les guides d'onde fermés placés à l'arrière de l'empilage 15 sont constitués par des évidements 23 creusés directement dans la face du châssis 22, qui est ici la paroi arrière du boi­tier, appliqué sur la face arrière de la tôle arrière de l'empilage 15.

[0030] En avant des constituants précédemment décrits est placé un dépolariseur 25 à fils, d'un modèle connu et un couvercle 24 pour fermer le boitier, couvercle bien évidemment transparent au rayonnement électromagnétique, par exemple en polyuréthane.

[0031] Le boitier est réalisé par moulage. Il peut être mé­tallique, mais il est plus avantageux de réaliser dans la même matière que le couvercle 24, ce qui permet de réaliser écono­miquement un assemblage étanche avec ce dernier par collage.

[0032] Il est manifeste que l'application de l'invention à la réception des signaux de télévision à 12 gigahertz retrans­mis par satellites n'est pas limitative. D'une part, l'inven­tion est applicable à toute sortes de réseaux de transmission hyperfréquences purement terrestres, et d'autre part, le choix d'un exemple d'application à la fréquence de 12 gigahertz n'est pas exclusif de toute autre fréquence de fonctionnement, dans la gamme des hyperfréquences, liée à telle autre applica­tion envisagée. Les dimensions des guides d'onde et leur intervalles devraient alors bien entendu être modifiés.

Revendications

1) Antenne plane hyperfréquence composé d'une pluralité d'éléments rayonnants, prévue pour fonctionner simultanément avec deux polarisations différentes des ondes, présentant à cet effet deux réseaux de lignes planaires dipos­sé chacun sur une feuille de diélectrique enserrée entre des dispositifs au moins localement métalliques ou métallisés dans lesquels des évidements sont percés pour constituer des guides d'onde élémentaires ouverts ou fermés dans lesquels débouchent des extrémités de lignes, caractérisée en ce que le dispositif situé entre les deux réseaux de lignes est d'épaisseur faible vis à vis de la longueur d'onde et les évidements dont il est percé ont une forme de croix.

2) Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif situé entre les deux réseaux est une pla­que mince percée de trous en forme de croix et munie de plots pour tenir les feuilles de diélectrique à distance.

3) Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que la plaque est une tôle plane sur les deux faces de laquelle les plots sont rapportés par sérigraphie et faits d'une matière diélectrique.

4) Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que la plaque est faite de deux tôles planes appliquées l'une sur l'autre, chaque tôle étant munie sur sa face exté­rieure de plots déposés par sérigraphie et faits d'une matière diélectrique.

5) Antenne selon l'une quelconque des revendication 2 à 4, caractérisée en ce que les dispositifs situés en avant et en arrière des deux réseaux sont constitués chacun par au moins une tôle mince et percée d'évidements, sur une face de laquelle est appliqué au moins un bloc constituant une plura­lité de guides d'onde, et sur l'autre face de laquelle sont situés les plots d'écartement, et en ce que l'ensemble des tôles est maintenu par un châssis rigide unique.

6) Antenne selon la revendication 6, caractérisée en ce que les guides d'onde formés dans lesdits blocs ont une section carrée, bien que les évidements des tôles aient une forme de croix.

7) Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est placée derrière un dépolariseur.

Dessins