[0001] La présente invention concerne une antenne imprimée élémentaire en technologie plaquée
pour réseau de réception et/ou d'émission de signaux de télécommunications, présentant
un faible encombrement à des fins d'embarquement dans un engin, tel que satellite.
[0002] Plus précisément, l'antenne comprend, d'une manière connue, un substrat diélectrique,
un plan conducteur de masse d'une ligne d'alimentation hyperfréquence disposé sur
une face du substrat, et un élément rayonnant disposé sur une autre face du substrat,
ledit plan conducteur ayant une fente de couplage pour coupler la ligne d'alimentation
à l'élément rayonnant.
[0003] Dans une telle antenne, comme illustrée à la figure 14.6, page 824, du livre "MICROSTRIP
ANTENNAS", Vol. 2, édité par J.R. James & P.S. Hall, 19.., l'élément rayonnant est
constitué par une plaque métallique imprimée sur la face du substrat opposée à la
fente pratiquée dans le plan de masse. La ligne d'alimentation est par exemple une
ligne microruban.
[0004] La plaque rayonnante est assimilable à un résonateur ouvert qui est le siège d'ondes
essentiellement polarisées suivant la largeur de la fente de couplage sous-jacente.
Les résonances dépendent principalement des dimensions de la fente et de la plaque.
La largeur de bande est fonction du coefficient de surtension du résonateur, lui-même
dépendant de l'épaisseur et des caractéristiques électriques du substrat.
[0005] Pour constituer un réseau à double polarisation, celui-ci comprend un premier sous-réseau
comprenant des antennes assujetties à une première polarisation, par exemple Ex, et
un second sous-réseau comprenant des antennes assujetties à une seconde polarisation
Ey orthogonale à la première. Les antennes dans les premier et second sous-réseaux
sont entrelacées et sont donc à une relative proximité les unes des autres.
[0006] Les deux polarisations sont obtenues par des fentes de couplages perpendiculaires.
Les mesures montrent que le champ électromagnétique n'est pas parfaitement polarisé
dans le voisinage d'une antenne élémentaire. En effet, par exemple, les lignes de
champ électrique s'incurvent en proportion de la distance au centre de la fente de
couplage, le long de l'axe longitudinal de celle-ci. Cette incurvation de ligne de
champ rend ainsi imparfaite la polarisation, et par suite engendre des couplages néfastes
entre antennes élémentaires dans un même sous-réseau, mais également entre antennes
élémentaires dans les deux sous-réseaux. Ces couplages sont d'autant plus prononcés
que les antennes sont proches les unes des autres.
[0007] Le gain d'un tel réseau est donc faible. La surface occupée par celui-ci est d'autant
plus grande que le gain est amélioré, au détriment de l'encombrement du réseau et
donc contrairement à la recherche de compacité pour les matériels embarqués dans des
engins.
[0008] La présente invention vise à fournir une antenne imprimée élémentaire qui engendre
une polarisation quasiment parfaite, c'est-à-dire quasiment rectiligne, ce qui permet
de rapprocher de telles antennes ayant des polarisations croisées et donc de diminuer
l'encombrement d'un réseau d'antennes.
[0009] A cette fin, une antenne imprimée selon l'invention et telle que définie dans l'entrée
en matière, est caractérisée en ce que l'élément rayonnant consiste en plusieurs bandes
étroites conductrices s'étendant perpendiculairement à la fente de couplage.
[0010] Les bandes étroites maintiennent une polarisation suivant leur direction longitudinale
et empêche ainsi une excitation du mode orthogonal à la polarisation ainsi définie.
Dans ces conditions deux antennes élémentaires ayant des bandes conductrices coplanaires
et perpendiculaires entre elles offrent un couplage quasiment nul, ce qui permet de
les rapprocher, et donc d'augmenter la densité d'antenne et la compacité dans un réseau
à double polarisation.
[0011] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement
à la lecture de la description qui suit de plusieurs réalisations préférées de l'invention
en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels:
- la fig. 1 est une vue éclatée en perspective d'une antenne imprimée à fente de couplage
et plaque rayonnante selon la technique antérieure ;
- les figs. 2 et 3 sont respectivement une vue en coupe transversale à la fente de couplage
et une vue de dessus de la plaque rayonnante, montrant des répartitions de lignes
de champ électrique et du courant surfacique dans l'antenne de la fig. 1 ;
- la fig. 4 est analogue à la fig. 3 et montre une plaque rayonnante elliptique ;
- la fig. 5 est une vue éclatée en perspective d'une antenne imprimée à bandes rayonnantes
selon l'invention ;
- les figs. 6 et 7 sont des vues de dessus de bandes rayonnantes inscrites globalement
dans un rectangle et une ellipse, respectivement ; et
- la fig. 8 est une vue schématique de dessus d'un réseau d'antennes à deux polarisations
orthogonales selon l'invention.
[0012] Afin de mieux discerner les caractéristiques de l'invention, la structure d'une antenne
imprimée élémentaire 1a à fente de couplage selon la technique antérieure est rappelée
en référence à la fig. 1.
[0013] Selon cet exemple, l'antenne 1a est alimentée par une ligne microruban hyperfréquence
supporté par un premier substrat diélectrique 2a d'épaisseur d₂ et de permittivité
relative εr₂ prédéterminées. Le substrat 2a est imprimé sur les deux faces. La face
inférieure du substrat comporte un ruban conducteur 3a de largeur prédéterminée W₃.
La face supérieure du substrat 2a est recouverte d'un plan conducteur de masse 4a.
Une portion rectangulaire de la face supérieure du substrat 2a est dépourvue de matériau
conducteur pour former une fente de couplage 5a. L'axe longitudinal de la fente 5a
est perpendiculaire au microruban 3a, tandis que l'axe transversal de la fente 5a
est parallèle à et aligné verticalement avec l'axe du microruban. Les longueur et
largeur de la fente 5a sont dénotées par L₅ et W₅ dans la fig. 1.
[0014] L'antenne élémentaire 1a comprend également une plaque conductrice 6a ("patch" en
terminologie anglo-saxonne) constituant l'élément rayonnant de l'antenne. La plaque
6a est superposée au-dessus du plan de masse 4a, à l'opposé de la face inférieure
du substrat 2a supportant le microruban 3a, du moyen d'un second substrat diélectrique
7a. Le substrat 7a offre une épaisseur d₇ et une permittivité relative εr₇ généralement
différentes de d₂ et εr₂ respectivement, la constante εr₇ étant souvent inférieure
à ε
r2 et voisine de l'unité pour augmenter la bande passante de l'antenne. Le substrat
7a est fixé sur le plan conducteur 4a du premier substrat, par exemple avec du ciment
époxydique.
[0015] La plaque 6a est pleine, contrairement au caractère ajouré du plan de masse 4a conféré
par la présence de la fente 5a.
[0016] La plaque 6a est rectangulaire et a des largeur W₆ et longueur L₆ prédéterminées
beaucoup plus grandes que les dimensions de la fente 5a, comme montré à la fig. 3.
Selon d'autres variantes, la plaque rayonnante peut être carrée, circulaire, trapèzoïdale,
polygonale ou bien elliptique comme montré à la fig. 4. Les centres de la fente 5a
et de la plaque 6a sont superposés verticalement, c'est-à-dire alignés perpendiculairement
à l'axe longitudinal du microruban 3a. Les axes transversal et longitudinal de la
fente 5a sont ici parallèles aux axes transversal et longitudinal de la plaque 6a,
respectivement.
[0017] Une plaque diélectrique mince (non représentée) servant de couverture de protection
peut être collée sur la face supérieure du second substrat 7a supportant la plaque
imprimée 6a.
[0018] Les deux substrats éventuellement avec la couverture de protection forment ainsi
une antenne élémentaire monolithique.
[0019] La fig. 2 illustre des lignes de champ électrique E dans l'antenne 1a qui sont vues
dans le plan vertical comprenant l'axe longitudinal du microruban 3a et l'axe transversal
de la fente 5a, et donc qui s'étendent perpendiculairement à la fente 5a. La fig.
3 montre des lignes de courant surfacique sur la plaque rayonnante 6a. Ces figures
font apparaître, comme déjà dit, des lignes de courant qui sont curvilignes de part
et d'autre de l'axe transversal de la fente 5a et donc des lignes de champ non perpendiculaires
à la fente ce qui perturbe toute polarisation de champ dans l'environnement proche
de l'antenne 1a, et particulièrement provoque un couplage de cette antenne 1a avec
tout autre antenne élémentaire voisine dans un réseau plat d'antenne.
[0020] Une antenne imprimée élémentaire 1b à fente de couplage et ligne microruban d'alimentation
hyperfréquence selon l'invention est illustrée à la fig. 5. Cette antenne 1b est donc
du même type que l'antenne connue 1a décrite ci-dessus et comprend des éléments 2b,
3b, 4b, 5b et 7b, repérés avec l'indice b, respectivement analogues à ceux 2a, 3a,
4a, 5a et 7a de l'antenne 1a.
[0021] L'antenne 1b comprend, à la place de la plaque métallique 6a, plusieurs bandes étroites
métalliques parallèles 8b formant l'élément rayonnant de l'antenne 1b. Les bandes
8b sont imprimées sur la face supérieure du second substrat 7b. Par exemple, selon
la fig. 5, les bandes 8b sont au nombre de sept, ont chacune une longueur L₈ = W₆
et une largeur W₈ environ égale à L₆/14, et sont équidistantes par intervalles de
largeur I = W₈ le long de l'axe longitudinal de la fente 5b. Les bandes 8 s'étendent
ainsi parallèlement au microruban 3b et perpendiculairement à la fente 5b, et sont
réparties symétriquement de part et d'autre de l'axe transversal de la fente 5b.
[0022] Le contour formé par les extrémités des bandes 8b peut être analogue à celui de la
plaque 6a, et est par exemple rectangulaire comme montré aux fig. 5 et 6, ou elliptique
comme montré à la fig. 7, ou bien encore circulaire ou polygonale.
[0023] Dans les figs. 6 et 7 sont indiquées par des flèches des lignes de courant surfacique
qui sont confinées dans les bandes conductrices 8b. Comparativement aux figs. 3 et
4, ces lignes de courant sont parfaitement rectilignes et parallèles, eu égard à la
faible largeur W₈ des bandes conductrices 8b par rapport à la longueur L₆ de la plaque
6a. Grâce à la rectitude des bandes 8b, la polarisation de champ électrique E est
parfaitement perpendiculaire à la fente de couplage 5b, et ne peut être perturbée
par et ne peut perturber un champ électrique polarisé orthogonal émis par une antenne
élémentaire selon l'invention située au voisinage de l'antenne 1b, comme on le verra
ci-après dans un réseau d'antennes.
[0024] A titre d'exemple, un réseau à double polarisation comprenant deux sous-réseaux ayant
chacun seize antennes élémentaires selon l'invention est montré à la fig. 8.
[0025] Le premier sous-réseau comprend seize antennes 1X₁ à 1X₁₆ à polarisation Ex qui sont
réparties uniformément en quatre rangées parallèles 1X₁ à 1X₄, 1X₅ à 1X₈, 1X₉ à 1X₁₂
et 1X₁₃ à 1X₁₆, formant des réseaux linéaires. Le premier sous-réseau d'antenne est
alimenté par une ligne microruban 9X qui se termine en une ligne arborescente dans
le réseau au moyen de diviseurs de puissance par deux 10X afin d'alimenter les quatre
rangées, puis des paires d'antennes et enfin chacune des antennes élémentaires d'une
paire. Les antennes 1X₁ à 1X₁₆ sont ainsi régulièrement réparties en une matrice carrée.
[0026] Le second sous-réseau comprend également quatre sous-réseaux linéaires d'antenne
1Y₁ à 1Y₄, 1Y₅ à 1Y₈, 1Y₉ à 1Y₁₂ et 1Y₁₃ à 1Y₁₆ formant des lignes d'une matrice carrée
entrelacées deux à deux avec les lignes du premier sous-réseau. Une ligne microruban
9Y également arborescente à travers des diviseurs de puissance par deux 10Y alimente
le second sous-réseau. La ligne 9Y est analogue à la ligne 9X et provient d'un côté
opposé à la ligne 9Y par rapport au réseau, et les antennes dans le premier sous-réseau
sont disposées en quinconce par rapport aux antennes dans le second sous-réseaux,
les colonnes des sous-réseaux étant également entrelacées deux à deux.
[0027] Les deux sous-réseaux ont en commun les deux substrats diélectriques 2b et 7b entre
lesquels s'étend le plan de masse 4b avec des fentes 5X et 5Y associées aux antennes
1X₁ à 1X₁₆ et 1Y₁ à 1Y₁₆, et sous le premier 2b desquels sont imprimés les microrubans
de ligne 3X et 3Y associées auxdites antennes, respectivement. Les bandes rayonnantes
8X et 8Y des deux sous-réseaux sont ainsi coplanaires sur la face supérieure du substrat
7b.
[0028] Les antennes 1X₁ à 1X₁₆ ont leur bandes rayonnantes 8X, s'étendant suivant une direction
Ex, tandis que les antennes 1Y₁ à 1Y₁₆ ont leurs bandes rayonnantes 8Y s'étendent
suivant une direction Ey perpendiculaire à la direction Ex. Les antennes selon l'invention
ainsi associées à des polarisations pures orthogonales peuvent être très proches les
unes des autres, contrairement aux réseaux selon la technique antérieure, puisque
les polarisations Ex et Ey sont parfaitement rectilignes et orthogonales, et donc
ne se perturbent pas mutuellement. Par exemple une antenne 1X, 1Y est "encadrée" par
quatre autres antennes 1Y, 1X selon la fig.8. Il en résulte une plus grande compacité
qui est particulièrement avantageuse lorsque le réseau d'antenne est embarqué par
exemple dans un satellite, un missile ou autre engin.
[0029] Bien que l'invention ait été décrite en référence à des lignes d'alimentation microruban
(microstrip), l'homme du métier saura remplacer celles-ci par des lignes triplaques
(stripline) ou des lignes coaxiales. Pour une ligne triplaque, un troisième substrat
diélectrique est fixé sous la face inférieure du premier substrat 2b; un plan conducteur
de masse réflecteur est imprimé sous la face inférieure du troisième substrat.
[0030] D'autre part, la répartition des antennes dans un réseau peut être différente de
celle montrée à la fig. 8.
1. Antenne imprimée (1b) comprenant un substrat diélectrique (7b), un plan conducteur
de masse (5b) d'une ligne d'alimentation hyperfréquence (3b) disposé sur une face
du substrat, et un élément rayonnant disposé sur une autre face du substrat, ledit
plan conducteur ayant une fente de couplage (5b) pour coupler la ligne d'alimentation
à l'élément rayonnant, caractérisée en ce que l'élément rayonnant consiste en plusieurs
bandes étroites conductrices (8b) s'étendant perpendiculairement à la fente de couplage
(5b).
2. Antenne conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que les bandes (8b) sont
réparties symétriquement de part et d'autre de l'axe transversal de la fente (5b).
3. Réseau d'antennes comprenant plusieurs premières antennes (1X₁ à 1X₁₆) qui sont conformes
à la revendication 1 ou 2 et dont les bandes (8X) sont parallèles entre elles.
4. Réseau d'antennes conforme à la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend
plusieurs secondes antennes (1Y₁ à 1Y₁₆) qui sont conformes à la revendication 1 ou
2 et dont les bandes (8Y) sont parallèles entre elles et s'étendent coplanairement
et perpendiculairement aux bandes (8X) des premières antennes (1X₁ à 1X₁₆).
5. Réseau d'antennes conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que les antennes
les plus proches d'une première, respectivement seconde antenne (1X, 1Y) sont des
secondes, respectivement premières antennes (1Y, 1X).
6. Réseau d'antennes conforme à la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les premières
antennes (1X₁ à 1X₁₆) sont réparties suivant des rangées d'une première matrice qui
sont entrelacées deux à deux avec des rangées d'une seconde matrice le long desquelles
sont réparties les secondes antennes (1Y₁ à 1Y₁₆).