|
(11) | EP 0 783 189 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
| (54) | Antenne réseau plane hyperfréquence pour communiquer avec des satellites de télévision géostationnaires |
| (57) L'antenne est une antenne réseau plane (1') du type à empilement multiplaque et comprenant
une pluralité d'éléments rayonnants à fente (Eri) disposés selon les lignes et les colonnes d'une matrice. L'empilement de base comprend
trois plaques de masse (12, 11, 10) munies d'évidements (120) et deux plans (14, 13)
de circuits d'excitation indépendants (14, 13), de façon à pouvoir émettre ou recevoir
deux faisceaux inclinés. Selon l'invention, on prévoit au moins deux autres plans
de circuits d'excitation (17, 16), de manière à ce que chaque faisceau soit en outre
à polarisation double. Les circuits d'excitation sont constitués par des microrubans,
des guides d'onde coplanaires, des lignes dipôles, à boucle ou à fente, ou une combinaison
de ces lignes. Deux lignes consécutives sont orientées à 90°. Application notamment à la réception individuelle de deux satellites de télévision géostationnaires. |
[0003] Elle concerne encore l'application d'une telle antenne à la réception individuelle de deux satellites de télévision géostationnaires, ou "DTH" selon l'expression anglo-saxonne ("Direct To Home"), par exemple en bande X (12,1 GHz).
[0004] Il est clair que les antennes à double faisceau sont très intéressantes pour de nombreuses applications telles que la réception de deux satellites placés sur des positions orbitales différentes. On peut citer les couples de satellites tels que ASTRA et TELECOM, ASTRA et EUTELSAT, etc.
[0005] Dans la technique courante, on fait appel à des antennes paraboliques munies de deux têtes de réception décalées par rapport au point de focalisation, chacune étant destinée à recevoir l'un des faisceaux. On peut faire appel également à des antennes paraboliques motorisées qui permettent la réception de deux satellites ou plus, mais sont d'un prix de revient élevé.
[0006] Ce type d'antenne est par nature encombrant, même si la haute puissance rayonnée des satellites récents a permis d'en réduire sensiblement les dimensions hors-tout. L'esthétique de ces antennes n'est pas non plus exempt de critiques.
[0007] Une alternative intéressante à ce type d'antenne pourrait être constituée par des antennes réseau planes, réalisées essentiellement à base de plaques de circuits imprimés multicouches, plus particulièrement des antennes du type à éléments rayonnants à fente.
[0008] Cependant, malgré de nombreuses études, il n'existe pas actuellement, pour les applications grand public du type précité, d'antennes planes à double faisceau et double polarisation, qui sont, à la fois, économiques et susceptibles d'être fabriquées en grande série.
[0009] En outre, ce type d'antenne doit présenter un rendement et une bande passante élevés de façon à couvrir la bande passante des satellites à recevoir (typiquement 20 % de la bande combinée).
[0010] De nombreuses antennes planes ont été proposées. Il s'agit cependant, soit de projets n'ayant pas dépassé le stade du laboratoire (antennes expérimentales), soit d'antennes à usage professionnelles, par exemple pour les applications radar.
[0012] Un modèle expérimental d'antenne plane du type à double faisceau à ligne radiale a été proposé dans l'article de Jun-Ichi Takada et al. : "A Dual Beam-Polarized Radial Line Slot Antenna", paru dans "IEE Antennas and Propagation Society International Symposium", 1993, pages 1624-1627. Cependant, cette antenne ne permet qu'une seule polarisation par faisceau. Il est également à remarquer qu'une antenne à ligne radiale ne permet qu'une bande passante restreinte (moins de 5 % de la bande passante combinée). En outre, des contraintes de fabrication serrées sont inhérentes à la structure adoptée, même si l'on se contente d'une version à un seul faisceau. Naturellement, les problèmes sont encore plus importants pour une version à double faisceau.
[0013] Des faisceaux inclinés pour des antennes de type réseau peuvent être générés en alimentant les éléments rayonnants, dont sont munies ces antennes, par des signaux à déphasage progressif, de façon à s'adapter aux différences de phase de l'onde inclinée reçue par chaque élément rayonnant.
[0014] Ce déphasage peut être obtenu dans le circuit d'alimentation du réseau par de nombreux procédés, par exemple en utilisant des déphaseurs, des lignes à délais, etc. Ces méthodes sont bien connues dans le cas des applications radar ou des transmissions spatiales.
[0015] Pour des réseaux passifs à faisceau fixe, ce déphasage peut être obtenu par une modification appropriée de la longueur des lignes d'alimentation, comme le montre, par exemple, le livre de R. P. OWENS: "Handbook of Microstrip Antennas", J.R. James Hall, P.S. Hall, IEE, Vol II., 1989, Peter Peregrinus, Londres, pages 825-843 et 858-866, (voir plus particulièrement figure 14.9).
[0016] Pour des faisceaux multiples, il doit être prévu plusieurs excitations de phase des éléments rayonnants, ce par l'intermédiaire de conformateurs de faisceaux. A cet effet, on peut avoir recours des matrices de Blass ou de Butler, par exemple.
[0017] Ces méthodes peuvent être mises en oeuvre, de façon relativement simple pour des réseaux linéaires. Ce n'est plus du tout le cas pour des réseaux bi-dimensionnels plans. Il devient très difficile d'implanter les circuits requis: lignes d'alimentation, diviseurs, circuits hybride, etc., plus particulièrement lorsqu'on compte des centaines d'éléments rayonnants, ce qui est le cas des antennes réseau de grandes dimensions, adaptées à la réception de satellites de télévision à diffusion directe. En effet, ces composants doivent être insérés entre les éléments rayonnants.
[0018] En outre, pour ce type d'application, les alimentations séries décrites dans le livre précité (figure 14.33) ne sont pas, de toute façon, adaptées, car la bande passante est limitée pour des réseaux de grandes dimensions.
[0019] On a proposé d'autres type d'alimentation, par exemple dans la demande de brevet européen EP-A-0 252 779 (Emmanuel RAMMOS), plus particulièrement par référence à la figure 16. La structure décrite (longueur de la ligne d'excitation et les connecteurs de sortie) permet d'obtenir une grande bande passante. Cependant, l'antenne décrite permet une double polarisation ou un double faisceau, mais pas les deux à la fois.
[0020] Enfin, la combinaison d'alimentations séries et de matrices ou de circuits hybrides est également possible. Une telle combinaison est divulguée dans le livre précité, plus particulièrement en regard de la figure 14.35, mais elle ne permet pas non plus une bande passante suffisante pour l'application préférée de l'invention. En outre, son implantation est limitée, de façon pratique, à des réseaux de dimensions relativement faibles.
[0021] Une solution possible, répondant tout à la fois aux besoins qui se font sentir pour l'application préférée de l'invention et aux problèmes soulevés, consisterait en la réalisation de transitions entre les éléments rayonnants vers des réseaux d'alimentation multicouches. Cette technique a été utilisée dans le cas de la génération de polarisation double pour des réseaux de transitions verticales. Elle est décrite dans le livre précité, en regard de la figure 14.32.
[0022] Cependant, il est à noter que des éléments rayonnants à transitions sont pratiquement exclus pour la réalisation d'antennes de réception de satellites de télévision à diffusion directe. En effet, ils présentent une faible bande passante, nécessitent le recours à des diélectriques à hautes performances et impliquent des tolérances de fabrication très élevées. Même dans le cas d'une polarisation double, simplement à deux niveaux, des réseaux à transitions d'alimentation pour une antenne de réception de satellite ne sont pas appropriés. De tels réseaux n'ont d'ailleurs pas été commercialisés.A fortiori, au stade de la fabrication, ce type de réseaux à transitions n'est pas compatible pour des alimentations multicouches, sans avoir recours à des transitions verticales, des étapes de soudage, etc., dispositions qui sont très complexes et coûteuses à mettre en oeuvre.
[0023] L'enseignement que l'on peut tirer des antennes de l'art connu et des études menées par la Demanderesse montre que, de façon réaliste, une antenne pour des besoins "grand public" doit être dérivée, de façon simple, d'un modèle d'antenne plane existante. Elle doit, en outre, offrir une capacité de réception double faisceau et double polarisation, pour son application à la réception de satellites de télévision à diffusion directe. De façon plus générale, elle doit pouvoir offrir une capacité d'émission et/ou de réception, présentant cette double propriété, pour des applications moins spécifiques.
[0024] L'invention se fixe donc pour but une antenne du type précité, compatible avec toutes les exigences rappelées, notamment un faible prix de revient, une fabrication simple et ne requérant pas le respect de tolérances élevées, et enfin offrant un rendement élevé et une large bande. Elle offre, en outre, la double propriété précitée.
[0025] Pour ce faire, l'antenne selon l'invention conserve l'essentiel des caractéristiques de la structure adoptée pour des antennes planes selon l'art connu, avantageusement celles de l'antenne décrite dans la demande de brevet européen EP-A-0 252 779 précitée.
[0026] Cette dernière antenne, dans une variante de réalisation autorisant une double polarisation, comprend des éléments rayonnants à fente. Pour ce faire, on prévoit un empilement constitué de trois plaques de masse métalliques munies d'évidements et une paire de microrubans suspendus, en circuit imprimé. Ces microrubans sont interposés entre les plaques de masse, un pour la polarisation verticale, l'autre pour la polarisation horizontale.
[0027] Comme il le sera décrit ci-après, de façon plus détaillée, pour atteindre le but que se fixe l'invention, il suffit d'ajouter à cette structure de base une paire de circuits d'alimentation, l'un disposé sur le dessus du sandwich que constituent les trois plaques précitées, l'autre au-dessous.
[0028] Dans une variante préférée de l'invention, chaque paire de microrubans, ou plus généralement de lignes de transmission, a la capacité de double polarisation.
[0029] Par ces dispositions, l'antenne selon l'invention a une capacité de réception et/ou transmission en double polarisation et en double faisceau, ce qui lui permet de recevoir et/ou émettre, de et/ou vers deux directions différentes, un signal électromagnétique ayant deux polarisations différentes.
[0030] L'invention a donc pour objet une antenne réseau plane hyperfréquence comprenant une pluralité d'éléments rayonnants à fente, disposés dans l'espace selon une configuration déterminée, l'antenne étant constituée d'un empilement multiplaque comprenant des première, deuxième et troisième plaques de masse, sensiblement parallèles entre elles, munies chacune d'évidements de forme déterminée et alignés par paires suivant un axe orthogonal aux plans formés par les trois plaques, et des premiers et deuxièmes circuits d'excitation indépendants, disposés dans des premier et deuxième plans, le premier plan étant situé entre les première et deuxième plaques de masse et le deuxième plan étant situé entre les deuxième et troisième plaques de masse, ces circuits d'excitation étant constitués de lignes suspendues de transmmission de signaux, coopérant avec les évidements par couplage électromagnétique pour former lesdits éléments rayonnants, les circuits d'excitation étant agencés de manière à ce que l'antenne émette et/ou reçoive des premier et second faisceaux d'ondes électromagnétiques, vers et/ou de deux directions inclinées l'une par rapport à l'autre, caractérisée en ce que ledit empilement comprend au moins des troisièmes et quatrièmes circuits d'excitation indépendants, disposés dans des troisième et quatrième plans, en ce que ces ces circuits d'excitation sont constitués de lignes suspendues de transmmission de signaux et en ce qu'ils sont agencés de manière à co-opérer avec lesdits évidements et les premiers et deuxièmes circuits d'excitation, par couplage électromagnétique, de manière à obtenir une double polarisation pour chacun desdits premier et second faisceaux d'ondes électromagnétiques.
[0031] L'invention a encore pour objet l'application d'une telle antenne à la réception directe de satellites de télévision géostationnaires placés sur des positions orbitales différentes.
[0032] L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui suit en référence aux figures annexées, et parmi lesquelles :
- La figure 1 illustre schématiquement, en coupe, une antenne selon l'art connu, conforme à celle décrite à la figure 6 la demande de brevet européen EP-A-0 252 779 ;
- La figure 2 représente en vue éclatée en coupe d'un des éléments rayonnants d'une telle antenne ;
- La figure 3 illustre un exemple de lignes d'alimentation en circuit imprimé pour une telle antenne ;
- La figure 4 illustre schématiquement, en coupe, un premier mode de réalisation d'une antenne selon l'invention ;
- La figure 5 est une figure de détail illustrant dans l'espace, en écorché partiel, un exemple de réalisation d'une ligne microruban utilisable pour l'antenne selon la figure 4 ;
- La figure 6 illustre schématiquement, en coupe, un deuxième mode de réalisation d'une antenne selon l'invention ;
- La figure 7 illustre schématiquement, en coupe, un troisième mode de réalisation d'une antenne selon l'invention ;
- Les figures 8 à 10 illustrent, en coupe, trois modes de réalisation d'organes d'espacement entre plaques ;
- Les figures 11 à 15 illustrent, dans l'espace, en écorché partiel, cinq exemples de réalisation de lignes de transmission et d'éléments rayonnants utilisables pour l'antenne selon l'invention ;
- La figure 16 illustre schématiquement, en vue éclatée, un exemple de réalisation complet d'antenne selon l'invention ;
[0033] Comme il a été indiqué, de nombreuses structures d'antennes planes ont été proposées, notamment celle décrite dans la demande de brevet européen EP-A-0 252 779 précitée. Pour fixer les idées, bien que des variantes puissent être apportées à cette dernière structure, un exemple d'antenne conforme à l'invention va maintenant être décrite par référence à celle-ci. Il doit cependant être bien entendu que ceci ne saurait limiter en quoique ce soit la portée de l'invention.
[0034] On se placera, de même, dans le cadre de l'application préférée de l'invention, c'est-à-dire la réception de deux satellites de télévision à diffusion directe placés sur des positions orbitales différentes. Il s'ensuit que l'antenne reçoit les deux faisceaux émis sous des angles de réceptions également différents.
[0035] On va tout d'abord rappeler brièvement les caractéristiques principales de la structure de base d'une telle antenne, par référence aux figures 1 et 2. La figure 1 représente schématiquement l'antenne plane At en coupe. La figure 2 illustre, en écorché, un détail de cette antenne relatif à un des éléments rayonnants Eri ; i étant un indice quelconque compris entre 1 et le nombre total d'éléments rayonnants. On doit en effet bien comprendre que ce type d'antenne comporte de nombreux éléments rayonnants Eri, répartis, par exemple, selon les lignes et les colonnes d'une configuration matricielle, de manière à former un réseau.
[0036] Fondamentalement, l'antenne représentée sur ces figures 1 et 2 est du type à ligne à microrubans suspendus, constitués par des conducteurs centraux 140 portés par une feuille support diélectrique 14. Celle-ci est suspendue entre deux plaques métalliques, supérieure et inférieure, 12 et 11, respectivement. Les plaques sont chacune munies d'évidements (circulaires dans l'exemple décrit), 120 et 110, respectivement, alignés par paires au niveau des terminaisons saillantes des conducteurs centraux 140 formant microrubans.
[0037] En réalité, la variante d'antenne à réseau plane At, illustrée sur les figures 1 et 2, est plus complexe, car elle autorise une double polarisation ou un double faisceau.
[0039] La plaque 13 est une feuille en matériau diélectrique et supporte des conducteurs allongés 130 formant microrubans et semblables aux conducteurs 140. Ils sont cependant disposés suivant deux directions orthogonales entre elles.
[0040] La plaque 10 est une plaque métallique et supporte des évidements 100, alignés sur les évidements 110 et 120.
[0041] De façon plus précise, pour chaque élément rayonnant Eri du réseau de l'antenne At, deux lignes indépendantes d'alimentation en énergie (non représentées) sont disposées sur deux plans distincts, par exemple les plans des feuilles de diélectriques 13 et 14. Les microrubans 130 et 140 constituent les terminaisons actives de ces lignes d'alimentation.
[0042] La structure multiplaque de base de l'antenne réseau plane At est donc constituée de cinq plaques ou feuilles. Cette structure multiplaque de base est complétée par une plaque de fond métallique réfléchissante 15.
[0043] L'excitation en polarisation "verticale" est fournie, par exemple, par le circuit à microruban 140, et la polarisation "horizontale" est fournie, dans ce cas par le circuit à microruban 130. On peut naturellement inverser les fonctions.
[0044] On doit noter, que dans l'exemple décrit, la plaque de masse médiane 11 est utilisée par les deux circuits à microrubans 130 et 140.
[0045] Le positionnement relatif des plans 10, 13, 11, 14 et 12 et 15, le dimensionnement des évidements 120 et 110 et la longueur des terminaisons saillantes des conducteurs centraux 130 et 140 sont déterminés de façon que les évidements 120 et 110 jouent le rôle de fentes rayonnantes couplées électromagnétiquement à la ligne d'alimentation, pour une bande de fréquence de fonctionnement relativement large.
[0046] Les évidements, 120 et 110, d'une même paire, ont leurs centres alignés sur un axe vertical (c'est-à-dire orthogonal aux plaques de la structure) et peuvent présenter des diamètres égaux. Toutefois, les diamètres des évidements d'une même paire peuvent être légèrement différents, ce qui a pour effet d'augmenter la largeur de bande.
[0047] En effet, la fréquence de fonctionnement de chaque évidement dépend essentiellement de ses dimensions, et si deux évidements d'une même paire ont des fréquences centrales de fonctionnement légèrement différentes, la largeur de bande totale est augmentée. Le diamètre des évidements, 120 et 110, est de l'ordre de 0,3 à 0,7 longueur d'onde.
[0048] Avantageusement l'espacement entre deux éléments consécutifs, sur une ligne ou une colonne de la configuration matricielle précitée, est typiquement compris dans une gamme 0,7 à 0,9 longueur d'onde.
[0049] La plaque réfléchissante de fond 15 permet d'imposer à l'énergie rayonnée une direction déterminée. Elle se trouve à une distance de la structure multiplaque de l'antenne At de l'ordre du quart de la longueur d'onde. Cette distance est très importante, car elle donne la possibilité d'optimiser le fonctionnement conjointement aux dimensions de la ligne d'alimentation en énergie, 130 et 140, et des différents réseaux imprimés de microrubans.
[0050] L'adaptation de chaque ligne d'excitation peut être obtenue en ajustant la longueur des terminaisons s'avançant en regard des évidements précités, 100, 110 et 120, et de la distance séparant la structure multiplaque de la plaque réfléchissante de fond 15. En conférant un déphasage de +90° et de -90° aux signaux véhiculés par les lignes d'excitation, on peut obtenir une polarisation circulaire, droite ou gauche, respectivement. Si un circuit hybride de -3 dB est utilisé pour combiner les signaux provenant des deux sorties de polarisation linéaire, on peut obtenir une double polarisation circulaire.
[0051] Pour obtenir deux faisceaux inclinés avec une telle antenne réseau, il suffit d'exciter les éléments rayonnants Eri par des signaux déphasés de façon approprié. Cela peut être obtenu simplement en modifiant les lignes d'alimentation en circuit imprimé illustrées par la figure 3, qui sont conformes à celles représentées sur la figure 16 de la demande de brevet européen précitée.
[0052] Pour fixer les idées, on a représenté sur la figure 3 la configuration des circuits d'excitation portés par le support diélectrique 14, référencée par rapport à deux axes orthonormés YX. Le circuit d'alimentation primaire Ca part d'une ligne unique entrant sur la plaque 14, parallèle à l'axe Y (dans l'exemple décrit) et qui se subdivise régulièrement en une arborescence constituée d'une série de lignes parallèles aux axes Y et X. Les terminaisons ultimes de cette arborescence alimentent les microrubans 140. On observe sur la figure 3 une grande symétrie de la topologie des circuits par rapport au centre C de la plaque 14 (première subdivision). En outre, toutes les lignes constituant les circuits d'alimentation passent entre les fentes des éléments rayonnants Eri et dessinent des "H" imbriqués, reliés les uns aux autres, orientés alternativement suivant les deux axes X et Y, et dont les dimensions décroissent régulièrement.
[0053] Donc, pour transformer une antenne à polarisation double en une antenne à faisceau double, pour la réception ou la transmission de deux faisceaux inclinés l'un par rapport à l'autre, il suffit de déterminer la configuration des lignes d'alimentation pour transmettre aux éléments rayonnants Eri des signaux convenablement déphasés. Ceci peut être obtenu en ajustant la longueur des lignes jusqu'aux éléments rayonnants Eri ou en décalant les seuils des diviseurs de puissances alimentant ces lignes, ou les deux comme décrit dans le livre précité, par référence plus particulière à la figure 14.9.
[0054] La structure globale de l'antenne At reste inchangée, puisque les modifications sont apportées uniquement au réseau d'alimentation en circuits imprimés et n'affectent pas le reste des composants.
[0055] Cependant, comme il a été indiqué, ce type d'antenne ne permet qu'une polarisation double ou un faisceau double. Elle ne permet pas la double propriété, c'est-à-dire la polarisation double et le faisceau double (deux directions distinctes d'émission et/ou réception).
[0056] Tout au contraire, selon une des caractéristiques importantes, l'antenne selon l'invention présente, à la fois, la capacité de faisceau double et de polarisation double.
[0057] Pour ce faire, selon un premier mode de réalisation illustré schématiquement par la figure 4, il suffit d'ajouter, à la structure multiplaque de base qui vient d'être décrite en regard des figures 1 et 2, deux circuits supplémentaires, 160 et 170. Ces circuits sont constitués, chacun, par des microrubans suspendus en circuits imprimés, pour la double polarisation d'un des deux faisceaux (le faisceau référencé arbitrairement N° 1). Ils sont placés, le premier, 170, sur une feuille en diélectrique 17, disposée au "sommet" du sandwich (en l'occurrence au dessus de la plaque supérieure 12) ; le second, 160, sur une feuille en diélectrique 16, disposée au dessous de la plaque inférieure 10.
[0058] La fonctionnalité des circuits des différentes couches du sandwich formant la structure de base de l'antenne 1 est, par exemple, la suivante :
- microrubans 170: polarisation horizontale du faisceau N° 1 ;
- microrubans 140: polarisation horizontale du faisceau N° 2 ;
- microrubans 130: polarisation verticale du faisceau N° 2 ;
- microrubans 160: polarisation verticale du faisceau N° 1.
[0060] Naturellement, les microrubans ci-dessus coopèrent avec les évidements, 100, 101 et 120, des plaques métalliques 10, 11 et 12 de manière à former des éléments rayonnants à fente Eri.
[0061] Pour chaque élément rayonnant Eri, comme illustré de façon plus détaillée par la figure 5, les microrubans, 160 et 170, sont disposés (dans l'exemple décrit) sur leurs supports respectifs, 16 et 17, suivants deux directions orthogonales entre elles, D160 et D170, pour obtenir les polarisations croisées, c'est-à-dire horizontale et verticale.
[0062] On constate aisément que l'essentiel de la structure de l'antenne selon l'art connu est conservé. Seule l'adjonction des deux circuits, supérieurs 160 et inférieurs 170, est nécessaire. Le surcoût de cette adjonction, que ce soit en terme de matériel ou d'opérations supplémentaires de fabrication, est très réduit (quelques pour-cent).
[0063] La plaque métallique médiane peut être omise en espaçant de façon appropriée les circuits qui l'entourent.
[0064] D'autres variantes de structures en sandwich peuvent être mises en oeuvre, comme représenté par les figures 6 et 7.
[0065] La figure 6 illustre schématiquement, en coupe, une première variante. L'antenne plane, référencée ici 1' ,est constituée, comme précédemment, de trois plaques métalliques 10, 11 et 12, munies d'évidements, 100, 110 et 120, respectivement, pour former les éléments rayonnants à fente Eri. La répartition, dans les couches du sandwich, est également différente. Les circuits 160 sont placés au-dessus de la plaque 10 (supposée être la plaque inférieure du sandwich). Les circuits 130 et 140 sont situés de part et d'autre (en dessous et au-dessus, respectivement) de la plaque intermédiaire 11. Les circuits 170 sont localisés en dessous de la plaque 12.
[0066] Les microrubans, dans ce mode de réalisation, peuvent être remplacés par des guides d'onde coplanaires.
[0067] La fonctionnalité des différentes couches du sandwich 1' est la suivante :
- microrubans ou guides d'onde coplanaires 170 : polarisation N°1, faisceau N° 1 ;
- microrubans ou guides d'onde coplanaires 140 : polarisation N° 2, faisceau N° 1 ;
- microrubans ou guides d'onde coplanaires 130 : polarisation N° 1, faisceau N° 2 ;
- microrubans ou guides d'onde coplanaires 160 : polarisation N° 1, faisceau N° 1.
[0068] Dans ce mode de réalisation le terme "polarisation N° 1" représente, soit la polarisation horizontale, soit la polarisation verticale, la "polarisation N° 2" représentant la polarisation duale. En effet, celle-ci dépend des directions relatives des microrubans 160, 130, 140 et 170.
[0070] La figure 7 illustre un autre exemple de structure multiplaque d'une antenne réseau plane, référencée ici 1".
[0071] Le sandwich formant l'antenne 1" est constitué de cinq plaques métalliques, 10a, 10, 11, 12 et 12a (10a étant la plaque inférieure du sandwich 1" sur la figure 7), comportant des évidements, 100a, 100, 110, 120 et 120a, respectivement, et de quatre feuilles en matériau diélectrique, 16, 13, 14 et 17, support de microrubans ou de guides d'onde coplanaires: 160, 130, 140 et 170, respectivement.
[0072] La fonctionnalité des différentes couches de la structure multiplaque 1" est la suivante :
- microrubans ou guides d'onde coplanaires 170: polarisation N°1, faisceau N° 1 ;
- microrubans ou guides d'onde coplanaires 140: polarisation N° 2, faisceau N° 1 ;
- microrubans ou guides d'onde coplanaires 130: polarisation N° 1, faisceau N° 2 ;
- microrubans ou guides d'onde coplanaires 160: polarisation N° 1, faisceau N° 1.
[0073] Les significations "polarisation N° 1" et "polarisation N° 2" sont identiques à celles adoptées pour la variante illustrée par la figure 6.
[0074] On va maintenant décrire des méthodes de réalisation pratiques d'antennes planes selon les différents modes de l'invention qui viennent d'être rappelés. Pour fixer les idées, on va considérer dans ce qui suit l'exemple du mode de réalisation selon les figures 4 et 5 (microrubans), étant bien entendu que les dispositions décrites ci-après peuvent s'appliquer aux autres modes de réalisation. De même, pour ne pas surcharger les dessins, seuls le plan 16, support des microrubans 160, le plan de masse 10 comprenant les évidements 100, et le plan 13, support des microrubans 130 ont été représentés. Les mêmes dispositions se répètent entre chaque paires de plan support - plan de masse.
[0075] Les figures 8 à 10 sont des figures de détail, en coupe, illustrant trois variantes de réalisation permettant l'espacement des plans, 16 ou 13, supports des microrubans 130 et 160, par rapport au plan de masse 10.
[0076] Selon une première variante, illustrée par la figure 8, l'espacement entre deux plans supports de circuits, par exemple les plans 160 et 130, est obtenu par des bossages, 101 et 102, réalisés dans le plan de masse métallique intermédiaire 10. De façon plus précise, ces bossages ont des alternances "positives" (vers le haut, sur la figure), 101, en contact avec le support 13, et des alternances "négatives" (vers le bas, sur la figure) en contact avec le support 16. Ces supports, 16 et 13, sont avantageusement constitués de films diélectriques (par exemple du Mylar ® ou du Kapton ®) sur lesquels sont gravés, en circuits imprimés, les microrubans 160 et 130, respectivement. L'épaisseur de ces films est typiquement de l'ordre de 25 à 75 µm.
[0077] Pour l'application préférée de l'invention, c'est-à-dire la réception de deux satellites de télévision géostationnaires, la longueur d'onde étant dans la bande X (12,1 GHz), l'espacement entre deux plans supports est compris typiquement dans la gamme 0,5 à 2 mm. Dans la variante décrite en regard de la figure 8, les bossages ont donc une "amplitude" de 0,25 à 1 mm environ.
[0078] L'espacement peut également être assuré par des couches de mousse expansée diélectrique, d'épaisseur appropriée.
[0079] Selon la deuxième variante, illustrée par la figure 9, l'espacement est obtenu à l'aide d'entretoises, 18, disposées entre les plans 16 et 10, d'une part, et les plans 10 et 13, d'autre part. Divers matériaux peuvent être utilisés: plastique, mousse, métal, etc. De même, la fixation peut être obtenue de manière classique : vissage, collage, etc.
[0081] Selon une troisième variante, illustrée par la figure 10, les supports 16 et 13 sont des plaques en matériau diélectrique de plus grande épaisseur et sont utilisées à la fois comme support et comme organe d'espacement. Dans cette variante, sur l'une ou l'autre des plaques, 16 ou 13, ou encore sur les deux plaques, on grave le circuit métallique de masse 10 comportant les évidements 100. En d'autres termes, au moins l'une des plaques, 16 ou 13, est un circuit imprimé double face.
[0082] De même, le type de lignes de transmission utilisé peut être, comme il a déjà été indiqué un microruban. Elle peut cependant être constituée par d'autres types classiques: ligne à fente, ligne co-planaire, ligne bifilaire, éléments rayonnants à boucle, en dipôle, en fente, ou toutes combinaisons de ces types de lignes.
[0084] La figure 11 illustre un exemple de guides d'onde co-planaires, 16c et 13c, réalisées sur les supports 160 et 130, respectivement, et séparées par le plan de masse 10 muni des évidements 100.
[0085] Chaque ligne, dans l'exemple décrit, comprend un conducteur central allongé, 131c ou 161c, débouchant dans une zone évidée, 163c ou 133c, d'une plage métallique, 162c ou 132c, par exemple de forme carrée ou circulaire. Le conducteur central, 161c ou 131c, est entouré d'une zone métallique pleine: les conducteurs externes 162c ou 132c, entourant également la zone évidée, 163c ou 133c.
[0086] Le plan de masse 10 est constitué d'une plaque métallique comprenant des évidements 100 alignées sur les évidements 163c et 133c.
[0087] Les supports de circuits imprimés, 16 et 13, peuvent être constitués, comme précédemment, par des films diélectriques, si on met en oeuvre des entretoises ou d'autres organes d'espacement (figures 8 ou 9), ou des plaques diélectriques plus épaisses (figure 10).
[0088] La figure 12 illustre un exemple de lignes à fente, 16s et 13s, réalisées sur les supports 16 et 13, respectivement, et séparées par le plan de masse 10 muni d'évidements 100.
[0089] Chaque ligne à fente, dans l'exemple décrit, comprend une rainure centrale, 131s ou 161s, débouchant dans une zone évidée, 162s ou 132s, d'une plage métallique, 163s ou 133s, par exemple de forme carrée. Cette rainure centrale, 161s ou 131s, est entourée d'une zone métallique pleine, 162s ou 132s, entourant également l'évidement, 163s ou 133s.
[0090] Le plan de masse 10 et les supports, 16 et 13, conservent la même structure que précédemment.
[0091] La figure 13 illustre un exemple de lignes bifilaires avec un élément dipôle, 16d et 13d, réalisées sur les supports 16 et 13, respectivement, et séparées par le plan de masse 10 muni d'évidements 100.
[0092] Chaque ligne, dans l'exemple décrit, comprend tout d'abord deux rubans parallèles, 161d1 - 161d2 et 131d1 - 131d2, respectivement. Ces deux rubans parallèles se prolongent, dans une zone située en dessous (pour la ligne 16d) ou au-dessus (pour la ligne 13d) de l'évidement 100, par deux branches, 162d1 - 162d2 et 132d1 - 132d2, respectivement, formant un angle de 90° avec les microrubans précités.
[0093] Le plan de masse 10 et les supports, 16 et 13, conservent la même structure que précédemment.
[0094] La figure 14 illustre un exemple de lignes bifilaires avec un élément en boucle, 16b et 13b, réalisées sur les supports 16 et 13, respectivement, et séparées par le plan de masse 10 muni d'évidements 100.
[0095] Chaque ligne, dans l'exemple décrit, comprend tout d'abord deux rubans parallèles, 161b1 - 161b2 et 131b1 - 131b2, respectivement. Ces deux rubans parallèles se prolongent, dans une zone située en dessous (pour la ligne 16d) ou au-dessus (pour la ligne 13d) de l'évidement 100, par une boucle, 163b et 133b, respectivement. De façon plus précise, cette boucle, 163b et 133b, respectivement, a la même forme que l'évidement 100, de façon à être aligné avec lui.
[0096] La figure 15 illustre un autre exemple de configuration de ligne à microruban suspendu. La structure générale est semblable à celle illustrée par la figure 5.
[0097] La seule exception notable consiste en ce que les microrubans, 16m et 13m, respectivement, comprennent deux parties: une partie microruban proprement dite, 161m et 131m, respectivement, qui se termine par une plage métallique centrale pleine, 162m et 132m, respectivement. De façon plus précise, cette plage métallique centrale pleine, 162m et 132m, présente sensiblement la même forme que l'évidement 100, de façon à être aligné avec lui.
[0098] Les plages métalliques centrales pleines (par exemple les plages 162m ou 132m sur la figure 15), ainsi que les évidements 100 peuvent avoir des formes diverses: carrée, circulaire, elliptique, cruciforme, annulaire, etc.
[0099] En outre, comme il a été indiqué, dans des modes de réalisations plus complexes, non illustrés, on peut combiner ces différentes structures de lignes.
[0100] Diverses mesures connues dans le domaine de la réception et/ou de l'émission d'onde de la gamme de fréquence précitée peuvent être mise en oeuvre dans le cadre de l'invention: utilisation de "baluns", élimination de modes parasites par continuités de masses ("pins") réalisés entre plans de masse, etc.
[0101] De façon pratique, la structure de l'antenne complète peut être conforme à celle enseignée par la demande de brevet européen EP-A-0 252 779 précitée. En effet, l'antenne complète comprend deux parties principales : un empilement multiplaque et un plan de masse externe 15 formant réflecteur.
[0102] La figure 16 illustre schématiquement un exemple de réalisation d'antenne réseau plane complète. Pour fixer les idées, on a considéré la structure d'antenne 1' dans la variante illustrée par la figure 6.
[0103] L'empilement multiplaque constitue une première partie de l'antenne, référencée A sur la figure 16.
[0104] Selon cette variante de réalisation, la plaque supérieure de l'empilement est un plan de masse 12 muni d'évidements 120. Les plans inférieurs comprennent successivement, en partant du haut, deux plans, 17 et 14, de circuits d'excitation (figure 6 : 170 et 140), un plan de masse médian 11 à évidements (figure 6 : 110), de nouveau, deux plans, 13 et 16, de circuits d'excitation (figure 6 : 130 et 160), et un un plan de masse inférieur 10 à évidements (figure 6 :100).
[0105] Les circuits d'excitation constituent les terminaisons actives de circuits d'alimentation en énergie Ca (pour une antenne émettrice) ou de transmission de signaux (pour une antenne réceptrice), représenté en pointillés sur la figure 16.
[0106] Les évidements (par exemple 120, pour la plaque 12) sont disposés régulièrement aux intersections des lignes et colonnes d'une matrice rectangulaire.
[0107] On a supposé que, dans l'exemple illustré, les différentes plaques étaient espacées à l'aide d'entretoises 18.
[0108] La seconde partie de l'antenne 1', référencée B sur la figure 16, est constitué d'un boîtier métallique 19, dont le fond sert de masse externe et joue le rôle de la plaque réflectrice 15. L'espace compris entre le premier support de circuits ou le premier plan de masse à évidement, selon les modes de réalisation (par exemple la plaque de masse 10 dans l'exemple décrit), peut être remplis avantageusement par de la mousse. De même, les plaques peuvent être espacées par des couches de mousse.
[0109] L'ensemble peut naturellement, et de façon connue, être complété par une enveloppe de protection (non représentée) perméable aux ondes, par exemple en matériau plastique.
[0110] La structure 19 forme un boîtier, avec son fond et ses bords latéraux repliés, 150 et 151. On peut également (dans une variante de réalisation non représentée) utiliser des cavités derrière chaque élément rayonnant ou groupe d'éléments rayonnants (par exemple des colonnes). Cette variante de réalisation, en soi, est décrite dans la demande de brevet européen précitée. Cette structure en cavité permet généralement une plus grande inclinaison des deux ondes émises et/ou reçues, l'une par rapport à l'autre.
[0111] L'invention permet enfin des combinaisons multiples de polarisation de faisceaux: par exemple une polarisation linéaire double de faisceau, plus deux polarisations croisées de faisceaux.
[0112] A la lecture de ce qui précède, on constate aisément que l'invention atteint bien les buts qu'elle s'est fixés. On obtient notamment, sans augmentation significative de la complexité des circuits une antenne susceptible d'émettre et/ou de recevoir selon deux directions et selon deux polarisations, avec un bon rendement et une bande passante combinée suffisante. Le surcoût reste également très limité. Il s'ensuit que l'antenne selon l'enseignement de l'invention est parfaitement utilisable pour des applications grand public, notamment dans l'application préférée, c'est-à-dire la réception de deux satellites géostationnaires de diffusion de programmes de télévision.
[0113] On doit noter en particulier que les plans de masse, ainsi que le boîtier, peuvent être réalisés simplement par emboutissage de tôle métallique, ce qui constitue une opération, à la fois peu complexe et peu coûteuse.
[0114] Il doit cependant être clair que l'invention n'est pas limitée aux seuls exemples de réalisations précisément décrits, notamment en relation avec les figures 4 à 16.
[0115] Notamment, les différents matériaux ou les dimensions n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. L'antenne fait appel essentiellement à des technologies connues, per se, et couramment utilisées dans le domaine de l'émission et/ou la réception, notamment dans la gamme des fréquences de l'ordre de 12 GHz dans l'application préférée de réception de satellites géostationnaires. Il s'ensuit que les paramètres précités (dimensions, choix des matériaux) ne constituent qu'un simple choix technologique à la portée de l'homme de métier et qui dépendent essentiellement de l'application précise envisagée.
[0116] Il doit être clair aussi que, bien que particulièrement adaptée à l'application précitée, on ne saurait cantonner l'invention à ce seul type d'application. Elle s'applique tout aussi bien à l'émission et/ou la réception d'ondes électromagnétiques de et/ou vers deux directions différentes, tout en autorisant, simultanément, une double polarisation.
1. Antenne réseau plane hyperfréquence comprenant une pluralité d'éléments rayonnants
à fente (Eri), disposés dans l'espace selon une configuration déterminée, l'antenne (1) étant
constituée d'un empilement multiplaque comprenant des première (12), deuxième (11)
et troisième (10) plaques de masse, sensiblement parallèles entre elles, munies chacune
d'évidements (120, 110, 100) de forme déterminée et alignés par paires suivant un
axe orthogonal aux plans formés par les trois plaques (12, 11, 10), et des premiers
(140) et deuxièmes (130) circuits d'excitation indépendants, disposés dans des premier
et deuxième plans, le premier plan étant situé entre les première (12) et deuxième
(11) plaques de masse et le deuxième plan étant situé entre les deuxième (11) et troisième
(10) plaques de masse, ces circuits d'excitation (140, 130) étant constitués de lignes
suspendues de transmmission de signaux, coopérant avec les évidements (120, 110, 100)
par couplage électromagnétique pour former lesdits éléments rayonnants (Eri), les circuits d'excitation (140, 130) étant agencés de manière à ce que l'antenne
(1) émette et/ou reçoive des premier et second faisceaux d'ondes électromagnétiques,
vers et/ou de deux directions inclinées l'une par rapport à l'autre, caractérisée
en ce que ledit empilement comprend au moins des troisièmes (170) et quatrièmes (160)
circuits d'excitation indépendants, disposés dans des troisième et quatrième plans,
en ce que ces circuits d'excitation (170, 160) sont constitués de lignes suspendues
de transmmission de signaux et en ce qu'ils sont agencés de manière à coopérer avec
lesdits évidements (120, 110, 100) et les premiers (140) et deuxièmes (130) circuits
d'excitation, par couplage électromagnétique, de manière à obtenir une double polarisation
pour chacun desdits premier et second faisceaux d'ondes électromagnétiques.
2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits troisième et quatrième
plans contenant les troisièmes (170) et quatrièmes (160) circuits d'excitation sont
situés, respectivement, en dessus et en dessous desdites première (12) et troisième
(10) plaques de masse de l'empilement multiplaque.
3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des
quatrième (12a) et cinquième (10a) plaques de masse, sensiblement parallèles entre
elles et parallèles auxdites première (12), deuxième (11) et troisième (10) plaques
de masse, munies chacune d'évidements (120a, 100a) de forme déterminée, en ce que
les évidements (120a, 120, 110, 100, 100a) de toutes les plaques de masse (12a, 12,
11, 10, 10a) sont alignés par paires suivant un axe orthogonal aux plans formés par
ces plaques, et en ce que lesdites quatrièmes (12a) et cinquième (10a) plaques de
masse sont disposées, respectivement, au-dessus desdits troisièmes circuits d'excitation
(170) et en dessous desdits quatrièmes circuits d'excitation (160).
4. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit troisième plan contenant
les troisièmes circuits d'excitation (170) est situé entre ladite première plaque
de masse (12) et lesdits premiers circuits d'excitation (140) et en ce que ledit quatrième
plan contenant les quatrièmes circuits d'excitation (160) est situé entre ladite troisième
plaque de masse (10) et lesdits deuxièmes circuits d'excitation (130).
5. Antenne selon l'une quelconque des revendications précedentes, caractérisée en ce
que lesdits circuits d'excitation (170, 140, 130, 160) sont supportés par des feuilles
en matériau diélectrique (17, 14, 13, 16) et en ce qu'il est prévu des moyens d'espacement
(101, 102, 18) disposés entre deux feuilles support succesives ou entre une feuille
support et une plaque de masse.
6. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdits moyens d'espacement
sont constitués par des bossages (101, 102) réalisés réalisés par emboutissage desdites
plaques de masse (10).
7. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdits moyens d'espacement
sont constitués par une couche de mousse diélectrique.
8. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdits moyens d'espacement
sont constitués d'entretoises (18).
9. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdits moyens d'espacement
sont constitués par le matériau diélectrique desdites feuilles (13, 16) supportant
les circuits d'excitation (130, 160), en ce que au moins une partie de ces feuilles
constitue des circuits imprimés double face et en ce qu'au moins une partie desdites
plaques de masse (10) est formée par un pellicule métallique comportant des évidements
(100), supportée par au moins l'une des faces.
10. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdites
lignes suspendues de transmmission de signaux sont constituées par des rubans (131m,
161m) se prolongeant par une plage métallique pleine (132m, 162m), de forme déterminée,
alignée sur lesdits évidements (100), et en ce que deux rubans successifs sont disposés
suivant des directions orthogonales entre elles.
11. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdites
lignes suspendues de transmmission de signaux sont constituées par des guides d'onde
co-planaires (13c, 16c), en ce que chaque guide d'onde co-planaire (13c, 16c) comprend
un conducteur central allongé (131c, 161c) débouchant dans une zone évidée (163c ou
133c) d'une plage métallique (162c ou 132c), et en ce que les conducteurs centraux
allongés (131c, 161c) de deux guides d'onde co-planaires successifs (13c, 16c) sont
disposés suivant des directions orthogonales entre elles.
12. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdites
lignes suspendues de transmmission de signaux sont constituées par des lignes à fente
(13s, 16s), en ce que chaque ligne à fente (13s, 16s) comprend une rainure centrale
(131s, 161s) débouchant dans une zone évidée (163s ou 133s) d'une plage métallique
(162c ou 132c), et en ce que les rainures centrales (131s, 161s) des lignes à fente
(131s, 161s) de deux guides d'onde co-planaires successifs (13s, 16s) sont disposées
suivant des directions orthogonales entre elles.
13. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdites
lignes suspendues de transmmission de signaux sont constituées par des lignes bifilaires
avec un élément dipôle (13d, 16d), en ce que chaque ligne bifilaire avec un élément
dipôle (13d, 16d) comprend deux rubans parallèles (161d1 - 161d2 et 131d1 - 131d2)
se prolonge par deux branches (162d1 - 162d2 et 132d1 - 132d2) formant un angle de
90° avec les rubans (162d1 - 162d2 et 132d1 - 132d2) et en ce que les rubans parallèles
(162d1 - 162d2 et 132d1 - 132d2) de deux lignes dipôle successives (13d, 16d) sont
disposés suivant des directions orthogonales entre elles.
14. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdites
lignes suspendues de transmmission de signaux sont constituées par des lignes bifilaires
avec un élément en boucle (13b, 16b), en ce que chaque ligne bifilaire avec un élément
en boucle (13b, 16b) comprend deux rubans parallèles (161b1 - 161b2, 131b1 - 131b2)
prolongés par une boucle de forme déterminée (163b, 133b) et en ce que les rubans
parallèles (161b1 - 161b2, 131b1 - 131b2) de deux lignes bifilaires successives avec
un élément en boucle (13b, 16b) sont disposés suivant des directions orthogonales
entre elles.
15. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce
qu'il est prévu en outre une plaque de masse externe supplémentaire (15) formant réflecteur
et en ce que cette plaque de masse externe est située à une distance dudit empilement
sensiblement égale au quart de la longueur d'onde des faisceaux émis et/ou reçus par
l'antenne.
16. Antenne selon la revendication 15, caractérisée en ce que ledit empilement (A) est
disposé dans un boîtier métallique (19), dont le fond (15) constitue ledit réflecteur.
17. Application d'une antenne (1, 1', 1") selon l'une quelconque des revendications précédentes
à la réception individuelle de deux satellites de télévision géostationnaires placés
sur des positions orbitales différentes.