[0001] La présente invention concerne une antenne de réception ou d'émission de micro-ondes,
perfectionnée par des moyens permettant d'orienter le faisceau par rapport au plan
de l'antenne. Le déplacement des moyens mis en oeuvre assure un réglage semi-fixe
de cette antenne, par opposition aux antennes à balayage électronique dans lesquelles
l'orientation du faisceau est obtenu au moyen de circuits électroniques.
[0002] A titre d'exemple non limitatif, l'antenne orientable selon l'invention peut être
une antenne de type grand public, donc économique, d'un modèle plan fixé sur ou incorporé
contre le mur d'un bâtiment : l'orientation du faisceau est nécessaire pour pouvoir
orienter l'antenne, électriquement mais non pas mécaniquement par sa rotation, vers
un émetteur ou un satellite de télévision par exemple. Dans ce cas de réception vidéo,
l'antenne doit travailler dans une gamme voisine de 10 GHz, et avoir des pertes faibles,
inférieures à 1,5 dB.
[0003] Il est connu que le gain d'une antenne micro-ondes doit être très élevé, ce qui nécessite
que des sections importantes du faisceau micro-ondes soient reçues ou émises. Ceci
n'est pas possible avec des systèmes axiaux, du genre cornets ou antennes rateaux
Yagi, ou "fishbone" en anglais. Pour obtenir un dispositif de surface importante,
une solution connue consiste à associer à un réflecteur focalisant, parabolique par
exemple, un dispositif à faible gain tel qu'un cornet. Mais l'orientation du faisceau
émis ou reçu nécessite soit l'orientation du réflecteur focalisant, soit le déplacement
du cornet par rapport à l'axe du réflecteur.
[0004] On peut également associer en réseau planaire équiphase des éléments à faible gain,
c'est à dire une pluralité de dipôles, constitués par un réseau de bandes métalliques,
en cuivre par exemple, tel que représenté en figure 1 qui sera détaillée ultérieurement.
On sait commander en phase ce type de réseau par des éléments actifs tels que des
circuits magnétiques ou des diodes de commutation. Il s'agit là d'une solution efficace
mais coûteuse.
[0005] L'invention propose une solution moins onéreuse permettant un réglage semi-fixe de
l'orientation du faisceau. Par semi-fixe, il faut entendre qu'une antenne orientée
dans une direction reste ainsi réglée tant qu'il n'y a pas nécessité de modifier cette
direction, mais que cela est possible. Par exemple, la régler sur un premier satellite
TV, puis ultérieurement sur un second satellite TV.
[0006] Selon l'invention, le faisceau émis ou reçu par une antenne en réseau planaire équiphase,
comprenant un réseau de dipôles dans un plan parallèle à un plan de masse, peut être
orienté par le déplacement, dans un plan compris entre celui du réseau de dipôle et
le plan de masse, d'au moins une feuille de matériau diélectrique présentant des zones
d'inhomogénéïté qui apportent un déphasage sur les éléments du circuit qui relient
l'entrée de l'antenne aux dipôles.
[0007] De façon plus précise, l'invention concerne une antenne orientable plane, fonctionnant
en micro-ondes, comportant, déposé sur un support isolant, un réseau à structure arborescente
formé par une pluralité de dipôles rayonants reliés par des lignes conductrices de
longueurs égales, cette antenne étant caractérisée en ce que l'espace situé entre
le réseau et son plan de masse comprend au moins une feuille diélectrique comportant
des éléments déphasants, placés à l'aplomb des lignes conductrices, lesdits éléments
déphasants apportant un déphasage sur les brins de lignes reliant l'entrée de l'antenne
aux dipôles.
[0008] L'invention sera mieux comprise par la description plus complète qui suit d'un exemple
de réalisation, en liaison avec les figures jointes en annexe, qui représentent :
- figure 1 : réseau planaire équiphase de dipôles d'une antenne micro-ondes, connu,
- figure 2 : vue en coupe de 3/4 d'un fragment d'antenne, selon l'invention,
- figure 3 : plan d'un intercalaire diélectrique d'une antenne modifiée selon l'invention,
- figure 4 :vue de 3/4 agrandie de quelques éléments apportant un gradient de diélectrique
- figure 5 : vue en plan d'un dipôle selon l'art connu
- figure 6 : vue en plan du dipôle précédent, modifié selon l'invention
- figure 7 : vue éclatée d'un fragment d'antenne modifiée selon l'invention.
[0009] La figure 1 représente, vu en plan, un réseau planaire équiphase regroupant des éléments
à faible gain d'une antenne micro-onde plane, de gain total élevé. Elle présente une
symétrie par apport à son entrée (ou sortie) symbolisée par un transistor 1. Une pluralité
de dipôles rayonnants 2 sont groupés en un réseau, et reliés entre eux par un circuit
de lignes conductrices de longueurs égales, à structure arborescente. Il faut entendre
par là qu'une ligne conductrice 3, de longueur L, se divise en deux lignes conductrices
4, chacune de longueur L/2, qui elles-mêmes se divisent en quatre lignes conductrices
5, chacune de longueur L/4 et ainsi de suite. De plus, chaque ligne est entrecoupée
d'éléments réactifs 6 de longueur demi-onde λ/2 permettant d'accorder chaque noeud
à l'impédance caractéristique de la ligne.
[0010] D'un point de vue pratique, ces lignes sont orthogonales entre elles, et se regroupent
en deux séries : les lignes qu'on conviendra d'appeler longitudinales, telles que
3 et 5, et les lignes qu'on conviendra d'appeler transversale, telles que 4.
[0011] Dans une forme de réalisation, ce réseau planaire equiphase se présente sous forme
d'une métallisation, de cuivre par exemple, déposée sur une feuille support mince,
telle qu'un film de polypropylène ou autre polymère adéquat. Pour des applications
dans lesquelles le prix est déterminant, le support mince est tendu à une certaine
distance d'un plan de masse métallique afin d'utiliser l'air comme diélectrique dans
la formation des lignes microbandes dipôles /diélectrique/plan de masse. Le rapport
entre l'espacement support mince/plan de masse et la largeur de la ligne définit l'impédance
caractéristique de la ligne.
[0012] Le plan de masse a un double rôle :
- il assure la propagation du signal le long du circuit,
- il réfléchit l'onde émise par le dipôle, ce qui améliore de 6 dB le gain de l'antenne.
A cette fin, l'électrode de masse est avantageusement réalisée en relief soit par
emboutissage d'une feuille métallique, soit par métallisation d'un substrat non-plan.
Le relief de l'électrode de masse est soit en tranchées, tel que représenté en figure
2, soit en fraction de cylindres : l'important est que ce relief focalise l'onde émise
pour la réfléchir vers le dipôle.
[0013] L'invention propose d'introduire dans l'espace existant entre le support du circuit
équiphase et le plan de masse une feuille d'un matériau diélectrique, tel que représenté
en figure 2. Sur cette figure, pour la simplifier, on a seulement représenté :
- un fragment du film support 7, sur lequel est déposé le circuit équiphase dont on
voit un dipôle 2, des lignes 4 et 5 et un élément réactif 6,
- un fragment du plan de masse 8
- et entre les deux, un fragment de matériau diélectrique 9, au moins une feuille.
[0014] Cette feuille 9 présente des irrégularités calculées dans sa structure, qui apportent
un déphasage sur chaque brin du circuit reliant l'entrée 1 de l'antenne aux dipôles
2. Par déplacement dans les directions longitudinale et transversale, les irrégularités
de la feuille 9, en modifiant le diélectrique situé entre le réseau et le plan de
masse, assurent un déphasage continu de l'excitation des dipôles 2 qui défléchit l'axe
du lobe principal de l'antenne, respectivement dans une direction transversale ou
longitudinale.
[0015] La position et la forme des irrégularités de la feuille de déphasage sont représentées
en figures 3 et 4. Sur la figure 3, pour mieux localiser les éléments déphasants,
le plan du circuit de l'antenne proprement dite, lignes et dipôles de 1 à 6, est superposé,
en traits fins.
[0016] Telle que représentée sur la figure 3, cette feuille 9 apporte un déphasage linéaire
longitudinal (L), obtenu par son déplacement transversal (T). Elle comporte une pluralité
d'éléments déphasants tels que 13 et 14, qui, tous sont alignés sur les lignes du
circuit qu'on a convenu d'appeler longitudinales, telles que 3 et 5. Ces éléments
13 et 14 sont répartis de façon symétrique sur deux branches de ligne, à partir du
noeud commun. Par exemple, sur les deux branches 3 et 3′ d'entrée d'antenne, il y
a quatre éléments déphasants 13 entre les noeuds 10 et 11, et quatre éléments déphasants
14 entre les noeuds 10 et 12. Mais de plus, les éléments déphasants 13 et 14 sont
disposés de façon symétrique par rapport à un axe parallèle à la ligne dont ils modifient
la phase : les éléments 13 sont tête bêche par rapport aux éléments 14.
[0017] En effet, comme montré en figure 4, les éléments déphasants 13 et 14, moulés en même
temps que la feuille 9, ont un volume dont la trace sur la feuille 9 est un trapèze,
et dont la coupe perpendiculaire à cette feuille est un coin, ou triangle. Le trapèze
a un petit côté de longueur λ/2, un grand côté de longueur comprise entre λ/2 + 20
% et λ , et une longueur (ou hauteur du trapèze) de l'ordre de λ. L'épaisseur maximale
d'un élément 13 ou 14 est de l'ordre de λ/10.
[0018] Les éléments déphasants 13 et 14 sont à l'aplomb des branches longitudinales 3-5
du circuit : en déplaçant la feuille 9, l'épaisseur de diélectrique présentée par
les éléments déphasants varie, en augmentant par exemple pour un élément 13 et en
diminuant pour un élément 14, ou réciproquement : la variation de vitesse de l'onde
en fonction de l'épaisseur de l'élément impose cette forme de trapèze. Ainsi, la largeur
d'un élément reste toujours égale à une demi-onde, ce qui réduit les réflexions parasites
introduites par l'élément.
[0019] La disposition tête-bêche des éléments déphasants 13 et 14, par rapport à un noeud
10, sur les branches 3 et 3′, fait qu'un déplacement transversal de la feuille 9 entraîne
un déphasage pour la branche 3 et un déphasage de sens opposé pour la branche 3′.
[0020] Sur la figure 3 ne sont représentés que des éléments déphasants 13 et 14 dont l'action
porte sur les branches longitudinales du circuit. Pour agir sur les branches transversales
telles que 4 et 4′, il y a deux possibilités :
- ajouter sur la même feuille 9 une seconde pluralité d'éléments déphasants identiques,
mais orientés à angle droit de telle façon qu'ils soient à l'aplomb des lignes transversales
4 et 4′. Dans ce cas, l'orientation du lobe principal de l'antenne est obtenu par
le déplacement transversal et longitudinal de l'unique feuille 9
- intercaler une seconde feuille diélectrique 15, comportant des éléments déphasants
disposés à l'aplomb des lignes transversales 4 et 4′. Dans ce cas, l'orientation du
lobe principal de l'antenne est obtenu, respectivement, par le déplacement transversal
de la feuille 9 et par le déplacement longitudinal de la feuille 15.
[0021] La ou les feuilles diélectriques 9 et 15 sont constituées de céramique ou de matériaux
polymères présentant une constante diélectrique élevée et une absorbtion faible, tels
que le polypropylène ou le polytétrafluoroéthylène. Elles sont avantageusement moulées.
[0022] Les moyens de déphasage exposés jusqu'ici apportent un déphasage linéaire, en agissant
sur les branches du circuit compris entre l'entrée 1 de l'antenne et les dipôles 2.
Il est également possible d'apporter un déphasage par polarisation circulaire de l'onde,
en agissant sur les dipôles.
[0023] Il est connu qu'un dipôle peut se présenter sous la forme illustrée en figure 5 :
une métallisation 16, de préférence carrée, est excitée en deux points 17 et 18 situés
sur deux côtés adjacents du carré, donc à 90°. Si ces deux points d'excitations sont
déphasés de 90°, l'onde générée est circulaire.
[0024] Selon l'invention, un déphasage supplémentaire est généré par l'interposition, entre
le circuit sur la feuille 7 et le plan de masse 8, d'une troisième feuille déphasante
21 supportant, pour chaque élément radiatif au moins un déphaseur quart d'onde 19
et un déphaseur demi-onde 20, tel que représenté en figure 6. Ces déphaseurs sont,
comme les éléments du déphasage 13 et 14, constitués par des irrégularités dans l'épaisseur
de la troisième feuille déphasante 21, qui est elle aussi formée en céramique, polypropylène
ou autre matériau diélectrique. Le réglage de la polarisation circulaire est obtenu
par le déplacement relatif de la troisième feuille par rapport au circuit d'éléments
radiatifs 16, de sorte que les déphaseurs 19 et 20 agissent sur les lignes qui excitent
en 17 et 18 le dipôle 16.
[0025] Dans le cas où les dipôles linéaires 2 sont remplacés par les éléments radiatifs
16, il est alors possible d'ajouter à la polarisation linéaire une polarisation circulaire.
[0026] La figure 7 représente une vue éclatée d'un fragment d'antenne orientable, qui cumule
les différents perfectionnements décrits au titre de l'invention. Les feuilles supports
en sont espacées dans le but de laisser voir les composants de chacune d'entre elles.
[0027] Cette antenne orientable comprend au moins :
- une feuille 7 qui supporte le circuit de dipôles 2 ou d'éléments radiatifs 16
- et un plan de masse 8.
[0028] Entre ces deux plans sont intercalés au moins une parmi les trois feuilles suivantes
:
- feuille 9 qui supporte des éléments déphasants 13 et 14, déplacée transversalement
mais apportant une polarisation linéaire longitudinale,
- feuille 15 qui supporte des éléments déphasants 13′ et 14′, déplacée longitudinalement
mais apportant une polarisation linéaire transversale,
- feuille 21 qui supporte des éléments déphasants 19 et 20, qui apporte une polarisation
circulaire.
[0029] Les feuilles 9 et 15 peuvent être confondues en une seule feuille. Toutes ces feuilles
sont bien entendu tendues sur des cadres rigides, non représentés, qui permettent
entre autres de les régler en position pour orienter l'antenne. Les moyens de réglage
font partie du domaine de l'homme de l'art : ce sont soit des moyens mécaniques pour
réglage manuel, soit des moyens électriques pour réglage asservi au gain de l'antenne.
[0030] L'antenne orientable selon l'invention trouve son application dans le domaine de
la réception ou de l'émission d'ondes hyperfréquences, notamment pour les télécommunications.
1 - Antenne orientable plane, fonctionnant en micro-ondes, comportant, déposé sur un
support isolant (7), un réseau à structure arborescente formé par une pluralité de
dipôles rayonnants (2,16) reliés par des lignes conductrices (3,4,5) de longueurs
égales, cette antenne étant caractérisée en ce que l'espace situé entre le réseau
et son plan de masse (8) comprend au moins une feuille diélectrique (9) comportant
des éléments déphasants (13,14), placés à l'aplomb des lignes conductrices (3,4,5),
lesdits éléments déphasants (13,14) apportant un déphasage sur les brins de lignes
(3,4,5) reliant l'entrée de l'antenne aux dipôles.
2 - Antenne orientable selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments
déphasants (13,14) ont, en plan, une forme de trapèze dont les bases sont parallèles
aux lignes conductrices (3,4,5) de manière à ce que leur longueur en regard de la
ligne soit toujours λ/2 et, en coupe, une forme de triangle, la partie épaisse de
l'élément déphasant étant du côté de la petite base du trapèze, et en ce qu'ils sont
réalisés par moulage dans le même matériau diélectrique que la feuille (9) qui les
supporte.
3 - Antenne orientable selon la revendication 2, caractérisée en ce que dans la structure
arborescente du réseau, les éléments déphasants (13,14) sont disposés de façon symétrique
sur les deux brins de ligne (3 et 3′) issus d'un noeud (10), les éléments (13) d'un
premier brin de ligne (3′) étant de plus montés tête-bêche par rapport aux éléments
(14) d'un second brin de ligne (3).
4 - Antenne orientable selon la revendication 1, caractérisée en ce que, les lignes (3,4,5)
étant orientées les unes (3,5) selon une première direction dite longitudinale (L)
et les autres (4) selon une direction dite transversale (T), les éléments déphasants
(13,14) apportent une polarisation linéaire de même direction que celle de la ligne
sur laquelle ils agissent.
5 - Antenne orientable selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comprend,
entre le support (7) du réseau et le plan de masse (8), une première feuille (9) munie
d'éléments déphasants (13,14) qui apportent un déphasage sur les lignes (3,5) orientées
selon une première direction, et une seconde feuille (15) munie d'éléments déphasants
(13′,14′) qui apportent un déphasage sur les lignes (4) orientées selon une seconde
direction.
6 - Antenne orientable selon la revendication 1, caractérisée en ce que, le réseau étant
formé d'éléments rayonnants (16) carrés excités sur deux côtés adjacents du carré,
une polarisation circulaire est apportée au moyen d'une troisième feuille diélectrique
(21), introduite entre le support (7) du réseau et son plan de masse (8), ladite feuille
(21) comportant pour chaque élément rayonnant (16) au moins un déphaseur quart d'onde
(19) et un déphaseur demi-onde (20), les déphaseurs (19, 20) agissant sur les lignes
(17, 18) d'excitation de chaque élément rayonnant (16).
7 - Antenne orientable selon la revendication 6, caractérisée en ce que les déphaseurs
(19,20) sont constitués par une couche d'épaisseur homogène, et en ce qu'ils sont
réalisés par moulage dans le même matériau diélectrique que la feuille (21) qui les
supporte.
8 - Antenne orientable selon la revendication 7, caractérisée en ce que les feuilles
diélectriques (9,15,21), les éléments déphasants (13,14) et les déphaseurs (19,20)
sont réalisés en céramique ou en polymère tel que le polypropylène.
9 - Procédé d'orientation du lobe principal d'une antenne orientable selon la revendication
1, caractérisé en qu'un déplacement transversal des éléments déphasants (13,14) par
rapport à une ligne (3,4) entraîne un déphasage longitudinal entre les brins de cette
ligne (3,3′,4,4′) qui défléchit l'axe du lobe principal de l'antenne .
10 - Procédé d'orientation du lobe principal d'une antenne orientable selon la revendication
6, caractérisé en ce que le lobe est orienté par déplacement d'au moins une feuille
de diélectrique (9,15,21) dans un plan parallèle au plan du support (7) du réseau
:
- le déplacement transversal d'une première feuille (9) entraîne une polarisation
linéaire longitudinale de l'onde
- le déplacement longitudinal d'une deuxième feuille (15) entraîne une polarisation
linéaire transversale de l'onde
- le déplacement longitudinal et transversal d'une troisième feuille (21) munie au
moins de déphaseurs quart d'onde (19) entraîne une polarisation circulaire de l'onde.