[0001] La présente invention se rapporte aux antennes plaques, et a plus particulièrement
pour objet un dispositif d'alimentation, ou "distributeur", destine à un réseau d'antennes
plaques à double polarisation croisée, avantageusement réalisé en circuits imprimés.
Le double dispositif d'alimentation selon l'invention est spécialement conçu pour
être intégré dans un réseau qui peut comporter plusieurs centaines d'antennes plaques.
[0002] Dans l'art connu, il a été proposé plusieurs solutions pour la conception et l'alimentation
de telles antennes.
[0003] A titre d'exemple, une solution a consisté à prévoir que l'un des distributeurs,
en arbre, puisse se trouver sur le circuit imprimé portant les sources rayonnantes
et l'autre sur un autre circuit imprimé avec autant de passages que de sources rayonnantes
(ou groupe de sources rayonnantes constituant par exemple des sous-réseaux résonnants).
Cette solution en réalisation triplaque pour les deux distributeurs et testée dans
la bande Ku, est difficile à mettre en oeuvre lorsque plusieurs centaines de sources
sont envisagées. En outre, elle utilise quatre circuits imprimés juxtaposés. Une telle
configuration est décrite dans l'article de G. DUBOST: "Dual Polarized Microstrip
Arrays in S, C, X and Ku Bands", PIERS 1991, July 1,5, Cambridge, Massachussets (USA).
[0004] D'autres solutions ont été proposées, mais elles ne permettent pas d'obtenir un découplage
suffisant exigé pour certaines applications.
[0005] L'invention vise à pallier les défauts de l'art connu.
[0006] Pour ce faire, elle propose un dispositif d'alimentation comprenant deux lignes de
transmissions complètement indépendantes: une première ligne de transmission du type
triplaque et une deuxième ligne de transmission de type microruban.
[0007] Elle permet d'obtenir ainsi un découplage très important entre les deux voies correspondant
aux deux polarisations croisées.
[0008] L'invention a donc pour objet un dispositif d'alimentation d'au moins une antenne
plaque à double polarisation croisée, caractérisé en ce qu'il comprend, pour chaque
source, une première ligne de type triplaque comprenant un premier plan de masse,
un second plan de masse et une piste de forme allongée parallèle à une première direction
et disposée entre le premier et le second plan de masse; une seconde ligne de type
microruban comprenant le premier plan de masse et une piste de forme allongée de direction
perpendiculaire à la première direction, et en ce que les pistes, les premier et second
plans de masse sont disposés dans quatre plans distincts et parallèles entre eux.
[0009] L'invention a encore pour objet un réseau d'antennes plaques à double polarisation
équipe d'un tel dispositif.
[0010] L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront
à l'aide de la description qui suit et des figures annexées, parmi lesquelles:
- la figure 1 illustre un dispositif d'alimentation pour antenne plaque à double polarisation
croisée selon l'invention ;
- les figures 2 et 3 illustrent un sous-réseau d'antennes plaques incorporant le dispositif
selon l'invention.
[0011] La figure 1 illustre un dispositif d'alimentation pour antennes plaques à double
polarisation croisée selon l'invention.
[0012] De façon plus précise, le bas de la figure 1 illustre l'antenne et son dispositif
d'alimentation vus de haut, par convention. Le haut de la figure illustre ces mêmes
éléments en coupe CC', c'est-à-dire suivant une direction parallèle à l'une des lignes
d'alimentation R que l'on va décrire ultérieurement.
[0013] La source utilisée S est une antenne plaque, à double polarisation croisée. Cette
source, dans un exemple de réalisation préféré de l'invention, est conforme aux principaux
enseignements de la demande de brevet européen publiée sous le n° EP-A- 0 243 289,
le 28 octobre 1987. On pourra se reporter, à titre d'exemple non limitatif, à la variante
de réalisation représentée sur les figures 1 et 2 de cette demande. On verra cependant
que l'alimentation de l'antenne selon l'invention ne s'effectue plus par deux lignes
triplaques, contrairement aux dispositions prises dans la demande de brevet européen
précitée.
[0014] Les principales caractéristiques de l'antenne plaque pouvant être utilisées dans
le cadre de l'invention vont maintenant être rappelées.
[0015] La source S se compose de deux doublets plaques, repliés et entrelacés, métallisés
sur la même face d'un circuit imprimé. Pour permettre son utilisation à un très grand
nombre d'exemplaires dans un réseau, elle est découplée du plan métallique M commun
à toutes les sources à l'aide de quatre fenêtres F₁ à F₄ non conductrices.
[0016] La caractéristique principale de l'invention consiste à alimenter une telle source
à double polarisation à l'aide de deux lignes de transmission complètement indépendantes.
Trois circuits imprimés juxtaposés CI₁, CI₂ et CI₃ sont nécessaires. Ces circuits
imprimés peuvent naturellement être constituées des couches successives d'un circuit
imprimé multicouches.
[0017] L'une des lignes de transmission, du type triplaque, possède une piste T et deux
plans de masse M et CP. L'autre, du type microruban, comprend une piste R et de nouveau
le plan de masse M. La longueur des deux lignes ouvertes à leurs extrémités est voisine
du quart-d'onde. Ces longueurs sont notées l₁ et l₂ sur la figure 1. Dans la mesure
où l'épaisseur du plan métallique M est grande devant l'épaisseur de peau (par exemple
une épaisseur de circuit imprimé de 17,5 µm), le couplage entre les deux lignes de
transmission est très faible.
[0018] Les fenêtres F₁ à F₄ sont réalisées, par exemple, par ablation de la métallisation.
Elles sont en forme de portion de couronnes, le centre commun O étant au point de
croisement des pistes R et T, centre de la source S, lorsque l'on regarde la source
en projection.
[0019] Des largeurs de pistes R et T sont notées, respectivement, w₁ et w₂. Les épaisseurs
des circuits imprimés CI₁ à CI₃ ont été notées sur la figure 1 : H₁, H₂ et H₃. Tous
ces paramètres dépendent de l'application envisagées ou de choix technologiques.
[0020] Des essais ont été effectués sur un dispositif conforme à l'invention. Avec les valeurs
des paramètres caractérisant le dispositif tel que ci-dessous :
H₁ = H₂ = H₃ = 0,8 mm
ε
r = 2,2 (permittivité relative du substrat du circuit imprimé)
w₁ = 0, 68 mm
w₂ = 0,3 mm
l₁ = 4,5 mm
l₂ = 3, 55 mm
[0021] Les caractéristiques radioélectriques suivantes ont été mesurées dans la bande de
fréquences utilisée pour la réception du satellite "DBS" ("Direct Broadcasting Satellite")
a) "rapport d'ondes stationnaires" (R.O.S.) de l'impédance rapportées à 100 Ω :
R.OS. < 1,5 entre 11,7 et 12,1 GHz (R.O.S. moyen inférieur à 1,2)
b) le découplage entre les deux accès de la source reste inférieur à -30dB de 11,85
à 12,2 GHz.
[0022] Les impédances d'entrée ont été adaptées à l'aide de transformateurs quart-d'onde.
Ceux-ci ont été réalisés soit en ligne triplaque pour la ligne de transmission triplaque,
soit en ligne microruban pour la ligne de transmission microruban. Ils seront illustrés
ultérieurement par référence aux figures 2 et 3.
[0023] On voit que l'objet principal de l'invention, c'est-à-dire d'obtenir un découplage
très important entre polarisations croisées est bien atteint.
[0024] La réalisation d'un dispositif selon l'invention tel qu'il vient d'être décrit est
susceptible de plusieurs variantes de réalisations pratiques.
[0025] Le tableau I, placé en fin de la présente description, montre quatre solutions notées
A, B, C et D, pour réaliser la métallisation des éléments R, M, T et CP. Le choix
s'effectue en fonctions de données essentiellement de nature technologique, notamment
des tolérances de réalisation de la metallisation des circuits imprimés et de la précision
nécessaire pour assurer une bonne position mécanique pour la coïncidence des trois
circuits imprimés juxtaposés. Dans ce tableau, il est indiqué sur quel circuit imprimé
et sur quelle face de ce circuit est réalisé tel élément de metallisation. Par convention,
les faces notées "face 1 " sont les faces supérieures (figure 1) et "face 2", les
faces inférieures.
[0026] A titre d'exemple, si l'on considère la variante notée A, la métallisation de R est
réalisée sur la "face 1 " du circuit imprimé CI₁, la métallisation T sur la "face
2" de CI₂, la métallisation de M sur la "face 2" de CI₁ et la métallisation de CP
sur la "face 2" de CI₃.
[0027] En outre, pour la variante notée D, le circuit CI₂ est simplement constitué par une
feuille en diélectrique. Il faut noter que la métallisation CP, sur le circuit imprimé
CI₃, peut être remplacé par une plaque métallique si l'on désire une rigidité de l'ensemble
plus importante. Dans ce cas, et seulement pour les solutions A et B, le circuit imprimé
CI₃ peut être remplacé par une simple feuille métallique et une feuille de diélectrique
entre cette feuille métallique et le circuit imprimé CI₂.
[0028] Un réseau utilisant des dispositifs conformées à l'invention va maintenant être décrit
en référence aux figures 2 et 3. En réalité, on a représenté sur ces figures deux
sous-réseaux résonnants de dix sources rayonnantes chacun. Plus particulièrement,
ces sous-réseaux ont été réalisés selon la variante notée B du tableau I.
[0029] Plus particulièrement la figure 2 correspond à l'alimentation par lignes triplaques
de chaque sous-réseau résonnant dont la directivité est maximale dans le "plan E"
ou polarisation électrique. La figure 3 correspond, pour sa part, à l'alimentation
par lignes microrubans de chaque sous-réseau résonnant dont la directivité est maximale
dans le "plan H" ou polarisation magnétique.
[0030] Sur ces deux figures, on a représenté deux bandes de dix sources chacune distribuées
parallèlement à un axe Δ. Ces sources ont été libellés S₁₀₀ à S₁₀₉ et S₂₀₀ à S₂₀₉.
Seule la source S₂₀₄, dans la zone centrale des sources S₂₀₀ à S₂₀₉, a été détaillée
à titre d'illustration plus complète de l'invention.
[0031] Sur la figure 2, le sous-réseau représenté est alimenté par deux lignes primaires
comprenant notamment les pistes T₁₀ et T₂₀. Ces lignes alimentent à leurs tours, dans
une zone centrale, deux lignes secondaires T₁₀₀ et T₂₀₀ qui se ramifient également
en lignes d'alimentation individuelles des sources. Les lignes primaires d'alimentation
T₁₀ et T₂₀ ainsi que les lignes secondaires T₁₀₀ et T₂₀₀ s'étendent parallèlement
à l'axe Δ entre deux bandes de sources. Les lignes individuelles, telle la ligne T₂₀₄,
sont tout d'abord perpendiculaires à Δ, entre deux sources contigües puis de nouveau
parallèles à Δ pour croiser les lignes ruban (figure 3). La ligne T₂₀₄ en constitue
un exemple pour la source S₂₀₄.
[0032] On a représenté également sur la figure 2, des transformateurs d'adaptation, entre
les lignes primaires et secondaires : transformateurs Tr₁₀ et Tr₂₀; et entre les lignes
secondaires et les lignes d'alimentation individuelles, par exemple le transformateur
Tr₂₀₄. Ils sont réalisés de la même manière que les lignes elles-mêmes, c'est-à-dire
en technologie triplaque pour la partie du sous-réseau de la figure 2. Le rôle de
ces transformateurs a été précisé précédemment en relation avec la description de
la figure 1.
[0033] Les centres de deux sources contigües sont éloignés d'une distance d. Cette largeur
est donnée par la relation

relation dans laquelle λ₀ est la longueur d'onde dans l'air et ε
r la permittivité relative du substrat du circuit imprimé.
[0034] Cette configuration de distributeurs en arbre permet d'alimenter toutes les sources
en phase, d'une part, et permet, d'autre part, d'obtenir un réseau équilibré du fait
de la symétrie dans l'alimentation des sources d'un même sous-réseau.
[0035] Puisqu'on a décrit plus particulièrement la solution B, présentée dans le tableau
I placée en fin de la présente description, les lignes T₁₀, T₂₀, T₁₀₀, T₂₀₀ et les
lignes individuelles d'alimentation telle que la ligne T₂₀₄ sont réalisées par métallisation
de la "face 2" du circuit imprimé CI₂ (figure 1). Le plan de masse M est réalisé par
métallisation de la "face 1 " de ce circuit imprimé et le plan de masse CP, dit de
contre-poids métallique, est réalisée par métallisation de la "face 2" du circuit
CI₃.
[0036] La figure 3 correspond à l'alimentation par lignes microrubans. On a représenté le
même sous-réseau résonnant comportant deux bandes de dix sources S₁₀₀ à S₂₀₉ réparties
régulièrement parallèlement à l'axe Δ. La configuration des lignes microrubans est
analogue à celle représentée sur la figure 2 pour les lignes triplaques. On retrouve
des lignes primaires R₁₀ et R₂₀ et secondaires R₁₀₀ et R₂₀₀ par bandes de dix sources.
La jonction entre ces deux types de lignes est réalisée au milieu des lignes secondaires.
[0037] On doit cependant noter que la distance de translation, égale à d = 17 mm entre sources
adjacentes d'un sous-réseau, correspond pour 11,9 GHz, fréquence centrale de la bande
de fréquence de réception du satellite DBS (11,7 à 12, 1 GHz), à une longueur d'onde
de phase dans la ligne triplaque. Comme on l'a vu précédemment, la distance d est
donnée par la relation

[0038] Pour la ligne microruban, la longueur d'onde de phase est plus grande et c'est la
raison pour laquelle les lignes d'alimentation R₁₀₀ et R₂₀₀ devant avoir entre deux
sources adjacentes une longueur supérieure à 17 mm, sont sinueuses comme il est représenté
à la figure 3.
[0039] Enfin, pour chaque source, telle la source S₂₀₄, partent en dérivation des lignes
R₁₀₀ ou R₂₀₀, perpendiculaires à l'axe Δ et des lignes d'alimentation individuelles.
Un exemple est donné par la ligne R₂₀₄ (source S₂₀₄).
[0040] De la même manière que pour la figure 2, on a représenté sur la figure 3 des transformateurs
d'adaptation T'r₁₀, T'r₂₀ et T'r₂₀₄. Ils sont naturellement réalisés en technologie
à ligne de type microruban.
[0041] Cette configuration de distributeurs en arbre assure donc également pour cette polarisation
du sous-réseau une alimentation en phase de toutes les sources et permet d'obtenir
un réseau équilibre du fait de la symétrie de l'alimentation.
[0042] Toujours dans le cas de la solution B, les lignes R₁₀, R₂₀, R₁₀₀, R₂₀₀ et les lignes
particulières d'alimentation de sources telle la ligne R₂₀₄ sont réalisées par métallisation
de la "face 1" du circuit imprimé CI₁ (figure 1 ), le plan de masse M étant réalisé
sur la "face 1" du circuit imprimé CI₂ comme on l'a indiqué précédemment.
[0043] Pour fixer les idées, sans que cela soit limitatif, on a indiqué sur les figures
2 et 3 quelques détails d'ordre constructif.
[0044] Sur la figure 2, outre la distance de translation d, on a fait figuré la distance
l séparant deux centres de sources. Dans l'exemple d'antenne expérimentée, avec ε
r = 2,2, l = 0,944 λ₀ (avec λ₀ longueur d'onde dans le vide à la fréquence centrale).
[0045] Les lignes d'alimentation individuelle, telle la ligne T₂₀₄, ont un tronçon plus
large dans la zone de connexion avec les lignes secondaires T₁₀₀ et T₂₀₀. Celui-ci
s'étend sur une longueur, par exemple l₂₀₄, donnée par la relation l₂₀₄ = 0,17 λ₀.
[0046] Les axes des deux rangées de sources sont éloignés d'une distance d₂, donnée par
la relation d₂ = 0,944 λ₀.
[0047] La distance d est naturellement donnée par la même relation pour les figures 2 et
3. Comme il a été indiqué d = 0,674 λ₀.
[0048] Dans la réalité, un réseau d'antennes plaques comporte généralement davantage de
sous-réseaux résonnants représentés sur les figures 2 et 3. Un réseau complet (non
représenté) comportera typiquement des centaines d'antennes plaques. Il est obtenu
simplement par augmentation du nombre de sous-réseaux L'ensemble aura la configuration
d'une matrice régulière de n sous-réseaux chacun comportant p source.
[0049] Des sous-réseaux résonnants conformes à ceux qui viennent d'être décrits en relation
avec les figures 2 et 3 ont été réalisés.
[0050] Les résultats expérimentaux obtenus sur ces deux sous-réseaux résonnants sont les
suivants :
- le rapport d'onde stationnaire (R.O.S.) de l'impédance d'entrée rapportée à 100 ohms
reste inférieur à 1,85 entre 11,8 et 12,2 GHz.
- le découplage entre polarisations croisées d'une même colonne (par exemple pour les
sources S₁₀₀ à S₁₁₀), c'est-à-dire entre les deux accès du sous-réseau, reste meilleur
que -30dB ; les fréquences variant de 11,7 à 12,1 GHz.
[0051] Le but principal que se fixe l'invention, un très bon découplage entre les deux polarisations
croisées, est donc bien atteint.
[0052] Un deuxième avantage des dispositifs d'alimentation selon l'invention est que le
nombre des pistes des lignes d'alimentation localisées entre deux sous-réseaux adjacents
est réduit à deux. Ceci est important pour éviter des couplages indésirables entre
les lignes, dans la mesure où la source rayonnante a un diamètre voisin de 0,65 λ₀
(λ₀ étant la longueur d'onde du vide à la fréquence centrale) et où la distance entre
sous-réseaux adjacents doit rester inférieure à λ₀ pour éviter les lobes de réseaux.
[0053] L'invention n'est pas limitée au seul dispositif d'alimentation précisément décrit.
En particulier, les sources du type décrit en relation avec la figure 1, bien que
spécialement adaptées, peuvent être remplacées par d'autres sources de l'Art Connu
dans la mesure où elles peuvent être alimentées conformément aux enseignements de
l'invention.
[0054] L'invention s'applique plus particulièrement aux antennes de réception satellite
à double polarisation, notamment pour la réception du satellite DBS, et de façon plus
générale à la réception d'émissions de télévision.

1. Dispositif d'alimentation d'au moins une antenne plaque (S) à double polarisation
croisée, caractérisé en ce qu'il comprend, pour chaque source (S), une première ligne
de type triplaque comprenant un premier plan de masse (M), un second plan de masse
(CP) et une piste (T) de forme allongée parallèle à une première direction et disposée
entre le premier et le second plan de masse; une seconde ligne de type microruban
comprenant le premier plan de masse (M) et une piste (R) de forme allongée de direction
perpendiculaire à la première direction, et en ce que les pistes (T, R), les premier
(M) et second (CP) plans de masse sont disposés dans quatre plans distincts et parallèles
entre eux.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la piste (T) de la ligne
de type triplaque et la piste (R) de la ligne de type microruban se croisent dans
une zone centrale (O) de chaque source (S) et se prolongent sur des longueurs (l₁
et l₂), pour former, respectivement, une ligne quart d'onde de type triplaque et une
ligne quart d'onde de type microruban, ces lignes étant ouvertes à leurs extrémités.
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que
lesdits quatre plans constituent chacun une des faces, inférieures ou supérieures,
d'un empilement de trois circuits imprimés (CI₁ à CI₃) superposés.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la ligne de type microruban
est constituée par une piste (R) métallisée sur la face supérieure du circuit imprimé
supérieur (CI₁) dudit empilement et d'un plan de masse (M) réalisé par métallisation
de la face inférieure de ce circuit imprimé (CI₁), et en ce que la ligne triplaque
est constituée par ledit plan de masse (M), une piste (T) réalisée par métallisation
de la face inférieure du circuit imprimé intermédiaire (CI₂) dudit empilement et un
second plan de masse réalisé par métallisation de la face inférieure du circuit imprimé
inférieure (CI₃).
5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la ligne de type microruban
est constituée par une piste (R) métallisée sur la face supérieure du circuit imprimé
supérieur (CI₁) dudit empilement et d'un plan de masse (M) réalisé par métallisation
de la face supérieure du circuit imprimé intermédiaire (CI₂), et en ce que la ligne
triplaque est constituée par ledit plan de masse (M), une piste (T) réalisée par métallisation
de la face inférieure du circuit imprimé intermédiaire (CI₂) et un second plan de
masse réalisé par métallisation de la face inférieure du circuit imprimé inférieur
(CI₃).
6. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la ligne de type microruban
est constituée par une piste (R) métallisée sur la face supérieure du circuit imprimé
supérieur (CI₁) dudit empilement d'un plan de masse (M) réalisé par métallisation
de la face supérieure du circuit imprimé intermédiaire (CI₂), et en ce que la ligne
triplaque est constituée par ledit plan de masse (M), une piste (T) réalisée par métallisation
de la face supérieure du circuit imprimé inférieur (CI₃) dudit empilement et un second
plan de masse réalisé par métallisation de la face inférieure de ce circuit imprimé
(CI₃).
7. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la ligne de type microruban
est constituée par une piste (R) métallisée sur la face supérieure du circuit imprimé
supérieur (CI₁) dudit empilement et d'un plan de masse (M) réalisé par métallisation
de la face inférieure de ce circuit imprimé (CI₁), et en ce que la ligne triplaque
est constituée par ledit plan de masse (M), une piste (T) réalisée par métallisation
de la face supérieure du circuit imprimé inférieur (CI₃) dudit empilement et un second
plan de masse (CP) réalisé par métallisation de la face inférieure du circuit imprimé
inférieur (CI₃).
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que
la métallisation formant le second plan de masse (CP) est remplacée par une plaque
métallique rigide.
9. Réseau d'antennes plaques organisé selon une matrice de n sous-réseaux résonnants
chacun comportant p sources (S₁₀₀ à S₂₀₉), caractérisé en ce qu'il est équipé d'un
dispositif d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, et en ce
que chaque ligne d'alimentation, du type triplaque, respectivement du type microruban,
est constitué d'un distributeur configuré en forme d'arbre comprenant, par ligne,
une ligne principale (T₁₀ et T₂₀, R₁₀ et R₂₀) s'étendant parallèlement à ladite colonne
et une ligne secondaire (T₁₀₀ et T₂₀₀, R₁₀₀ et R₂₀₀), parallèle à cette ligne et connectée
en une zone médiane, et, pour chaque source (S₂₀₄), une ligne d'alimentation individuelle
(T₂₀₄, R₂₀₄), le connexions avec les lignes secondaires étant régulièrement réparties
le long de celles-ci.
10. Réseau selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'à l'intérieur d'un sous-réseau
résonnant (S₁₀₀ à S₁₀₉, S₂₀₀ à S₂₀₉), les sources sont régulièrement réparties et
leurs centres espacés d'une distance d telle que d = λ₀/√εr, avec λ₀ la longueur d'onde du rayonnement dans l'air et εr la permittivité relative du milieu formant les lignes.
11. Réseau selon la revendication 10, caractérisé en ce que les longueurs de pistes (T)
formant la ligne de type triplaque entre deux desdites connexions, reliant les lignes
secondaires (T₁₀₀ et T₂₀₀) aux lignes d'alimentation individuelles (T₂₀₄), sont égales
à la distance d, ces longueurs étant égales elles-mêmes à une longueur d'onde de phase
dans la ligne triplaque, et en ce que les lignes secondaires sont constituées de segments
de droites de longueurs d.
12. Réseau selon la revendication 11, caractérisé en ce que les longueurs de piste (R)
formant la ligne de type microruban entre deux desdites connexions reliant les lignes
secondaires (R₁₀₀ et R₂₀₀) aux lignes d'alimentation individuelles (R₂₀₄) étant égales
à la longueur d'onde de phase d'une ligne d'alimentation de type microruban, cette
longueur d'onde de phase étant plus grande que la longueur d'onde de phase dans la
ligne d'alimentation de type triplaque, les lignes secondaires (R₁₀₀ et R₂₀₀) sont
de forme sinusoïdale.