La présente invention concerne une antenne réseau réflecteur à compensation de polarisation croisée et un procédé de réalisation d'une telle antenne. Elle s'applique notamment aux antennes montées sur un engin spatial tel qu'un satellite de télécommunication ou aux antennes des terminaux terrestres pour les systèmes de télécommunications ou de diffusion par satellite.

Les configurations d'antenne offset comportant un réflecteur à surface formée géométriquement (en anglais : offset shaped reflector antenna) et une source primaire décalée par rapport à l'axe normal au réflecteur, engendrent des rayonnements dans une polarisation croisée induite par la courbure géométrique du réflecteur et dont le niveau dépend directement du rapport focal du réflecteur, le rapport focal étant défini par le rapport entre la focale et le diamètre du réflecteur. Plus le rapport focal est grand, plus le niveau de polarisation croisée est faible. Cependant, lorsque l'antenne est implantée sur une face d'un satellite orientée vers la Terre, la structure de l'antenne doit être compacte et les rapports focaux sont faibles, ce qui induit un niveau de polarisation croisé élevé.

Dans le cas d'une antenne comportant un réflecteur illuminé par une source primaire centrée, le niveau de polarisation croisée est nul dans la direction normale à l'antenne mais il peut y avoir des lobes de polarisation croisée axisymétriques dus à la courbure des lignes de champs aux extrémités du réflecteur.

Par ailleurs, la source primaire utilisée peut, lorsqu'elle comporte des faibles performances, engendrer elle-même des composantes de champ comportant une polarisation croisée.

Pour répondre à des spécifications de faible niveau de polarisation croisée, les antennes montées sur les satellites et pointant en direction de la Terre ont souvent une structure à double réflecteur montés dans une configuration Grégorienne. L'utilisation de deux réflecteurs permet de définir la géométrie du réflecteur auxiliaire par rapport à la géométrie du réflecteur principal de façon que la polarisation croisée induite par la courbure du réflecteur auxiliaire annule la polarisation croisée induite par la courbure du réflecteur principal. Cependant la présence du réflecteur auxiliaire et de sa structure de support entraîne une augmentation de la masse, du volume et du coût de l'antenne par rapport à une antenne à un seul réflecteur.

Une autre solution pour diminuer le niveau de polarisation croisée est d'utiliser une antenne réseau réflecteur (en anglais : reflectarray antenna) en configuration offset. Dans ce type d'antenne, une source primaire illumine un réseau réflecteur sous une incidence oblique. Le réflecteur comporte un ensemble d'éléments rayonnants élémentaires assemblés en réseau à une ou deux dimensions et formant une surface réfléchissante qui peut être plane. En considérant le cas où les éléments rayonnants de l'antenne sont tous identiques et n'induisent pas individuellement de polarisation croisée, le réseau réflecteur agit alors comme un miroir et le rayonnement réfléchi par le réseau réflecteur ne comporte pas de composante en polarisation croisée s'il est illuminé par une source primaire sans polarisation croisée placée dans son axe de symétrie. Cependant, les éléments rayonnants d'un réseau réflecteur comportent généralement des différences géométriques de façon à contrôler précisément le déphasage que chaque élément rayonnant produit sur une onde incidente. En outre, l'agencement des éléments rayonnants élémentaires les uns par rapport aux autres sur la surface du réflecteur est généralement synthétisé et optimisé de façon à obtenir un diagramme de rayonnement donné dans une direction de pointage choisie avec une loi de phase choisie. Par conséquent, il a été constaté que bien que le réflecteur soit plan et qu'il n'y ait donc pas de polarisation croisée induite par la courbure du réflecteur, du fait de l'illumination du réflecteur par une source en configuration offset, le réseau réflecteur se comporte en fonctionnement comme un réflecteur à surface formée géométriquement qui induit aussi un rayonnement en polarisation croisée dont le niveau est du même ordre de grandeur qu'un réflecteur à surface formée équivalent. Une antenne réseau réflecteur est divulguée dans US 6,081,234.

Le but de l'invention est de réaliser une antenne réseau réflecteur ayant un diagramme de phase donné et dans laquelle la polarisation croisée engendrée par une source primaire est annulée.

Pour cela, l'invention concerne une antenne réseau réflecteur à compensation de polarisation croisée comportant un réseau réflecteur constitué d'une pluralité d'éléments rayonnants élémentaires régulièrement répartis et formant une surface réfléchissante et une source primaire destinée à illuminer le réseau réflecteur, le réseau réflecteur ayant un diagramme de rayonnement selon deux polarisations principales orthogonales dans une direction de propagation choisie avec une loi de phase choisie, chaque élément rayonnant élémentaireétant réalisé en technologie planaire et comportant un motif gravé constitué d'au moins un patch métallique comportant, dans une configuration symétrique ayant une forme géométrique carrée, au moins quatre côtés opposés deux à deux par rapport à un centre du motif gravé et disposés parallèlement à deux directions X, Y du plan XY de l'élément rayonnant, caractérisée en ce qu'au moins un élément rayonnant du réseau réflecteur comporte un patch métallique ayant une forme géométrique dissymétrique par rapport à au moins l'une des directions X et/ou Y du plan XY de l'élément rayonnant, les dissymétries angulaires consistant en une inclinaison angulaire d'au moins deux côtés opposés, du patch métallique des éléments rayonnants dans un même sens ou dans des sens opposés de façon à transformer la forme carrée respectivement en trapèze ou en parallélogramme.

Ainsi, pour chaque élément rayonnant du réseau réflecteur, la dissymétrie du motif gravé est calculée individuellement pour chaque élément rayonnant à partir d'un élément rayonnant symétrique de même motif et consiste en une inclinaison angulaire d'au moins une direction du motif. La valeur angulaire de l'angle d'inclinaison est déterminée de manière que l'élément rayonnant engendre une onde réfléchie ayant une dépolarisation contrôlée qui s'oppose à une dépolarisation engendrée dans le plan normal à la direction de propagation par le réseau réflecteur illuminé par la source primaire. La dépolarisation contrôlée de l'élément rayonnant correspond à une matrice de réflexion individuelle ayant des coefficients de réflexion principaux d'amplitude similaire à ceux de l'élément rayonnant de même motif et de forme géométrique symétrique selon les deux directions X et Y, et des coefficients de réflexion croisés d'amplitude non nulle supérieure à celle dudit élément rayonnant de même motif symétrique.

Avantageusement, le motif gravé comprend au moins une fente rayonnante comprenant dans une configuration symétrique de l'élément rayonnant, au moins deux branches diamétralement opposées par rapport au centre du motif gravé et disposées parallèlement à au moins l'une des directions X et/ou Y de l'élément rayonnant, la dissymétrie du motif gravé de l'élément rayonnant consistent en outre en une inclinaison angulaire de chaque branche, par rapport aux directions X et/ou Y du plan de l'élément rayonnant.

Avantageusement, dans le cas d'un motif gravé comportant un patch métallique et au moins deux fentes gravées dans le patch métallique, les fentes formant au moins quatre branches principales orientées respectivement, deux à deux, parallèlement aux directions X et Y dans une configuration symétrique de l'élément rayonnant, les dissymétries angulaires consistent en outre en des rotations angulaires des quatre branches principales des fentes, autour du centre du motif gravé, dans le plan XY.

Avantageusement, le motif gravé de forme dissymétrique comporte un patch métallique et des fentes gravées dans le patch métallique, les fentes formant une croix centrale ayant quatre branches principales opposées deux à deux, les branches principales situées dans des directions opposées par rapport au centre du motif gravé, étant inclinées dans des sens opposés..

Selon un mode de réalisation, plusieurs éléments rayonnants adjacents du réseau réflecteur comportent un motif gravé ayant une forme géométrique dissymétrique par rapport à au moins une direction X et/ou Y du plan XY de chacun desdits éléments rayonnants, les inclinaisons angulaires du côté ou de la branche de la forme géométrique du motif gravé de chacun desdits éléments rayonnants formant un angle de valeur continûment progressive d'un élément rayonnant à un autre élément rayonnant adjacent sur la surface réfléchissante.

Dans un mode de réalisation, que le réseau réflecteur comporte plusieurs facettes planes orientées selon des plans différents, chaque facette plane comportant une pluralité d'éléments rayonnants élémentaires, et en ce qu'au moins un élément rayonnant de chaque facette plane du réseau réflecteur comporte un motif gravé ayant une forme géométrique dissymétrique par rapport à au moins une direction X et/ou Y du plan XY de la facette à laquelle appartient l'élément rayonnant correspondant.

L'invention concerne également un procédé de réalisation d'une antenne réseau réflecteur à compensation de polarisation croisée consistant à réaliser un réseau réflecteur (11) constitué d'une pluralité d'éléments rayonnants élémentaires (20) régulièrement répartis et formant une surface réfléchissante et à illuminer le réseau réflecteur (11) par une source primaire (13), caractérisé en ce qu'il consiste à élaborer un réseau réflecteur dans lequel chaque élément rayonnant élémentaire est réalisé en technologie planaire et comporte un motif gravé constitué d'au moins un patch métallique (15) comportant, dans une configuration symétrique ayant une forme géométrique carrée, au moins quatre côtés opposés deux à deux par rapport à un centre (50) du motif gravé et disposés parallèlement à deux directions X et Y du plan XY de l'élément rayonnant, au moins un élément rayonnant (20) du réseau réflecteur (11) comportant un patch métallique ayant une forme géométrique dissymétrique par rapport à au moins l'une des directions X et/ou Y du plan XY de l'élément rayonnant, les dissymétries angulaires consistent en une inclinaison angulaire d'au moins deux côtés opposés (81, 82), (83, 84) du patch métallique des éléments rayonnants dans un même sens ou dans des sens opposés de façon à transformer la forme carrée respectivement en trapèze ou en parallélogramme

Selon un mode de mise en œuvre, le calcul de la dissymétrie à introduire dans l'élément rayonnant consiste:

• dans une première étape, à partir du diagramme de rayonnement du champ électromagnétique lointain désiré dans lequel la polarisation croisée est nulle, à déduire les composantes de polarisation principale et croisées du champ électrique rayonné Er dans le plan normal à la direction de propagation des ondes réfléchies par le réseau réflecteur,
• dans une deuxième étape, à calculer, pour chaque élément rayonnant du réseau réflecteur, les composantes Erx et Ery du champ électrique rayonné correspondant dans le plan du réseau réflecteur,
• dans une troisième étape, à calculer les composantes Eix et Eiy du champ électrique incident Ei induit par la source primaire sur chaque élément rayonnant du réseau réflecteur,
• dans une quatrième étape, à partir des composantes Erx, Ery, Eix et Eiy déterminées à la deuxième et à la troisième étape, à en déduire des valeurs des coefficients de réflexion principaux Rxx, Ryy et croisés Rxy, Ryx souhaités qui doivent être induits par l'élément rayonnant dissymétrique correspondant.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la suite de la description donnée à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés qui représentent :

• figure 1 : un schéma d'un exemple d'une antenne réseau réflecteur, selon l'invention ;
• figure 2 : un schéma d'un exemple d'élément rayonnant élémentaire, selon l'invention ;
• figure 3 : un schéma d'un exemple d'arrangement des éléments rayonnants d'une antenne réseau réflecteur, selon l'invention ;
• figure 4a : un schéma illustrant le trajet d'une onde incidente oblique sur un réseau réflecteur, selon l'invention ;
• figure 4b : un schéma illustrant l'orientation des composantes de champ dans différents plans sur le trajet d'une onde incidente et d'une onde réfléchie, selon l'invention ;
• figures 5a et 5b : deux schémas illustrant la distribution du champ électrique dans le plan de l'ouverture rayonnante dans le cas où le rayonnement comporte une composante en polarisation croisée et respectivement, dans le cas où le rayonnement est parfaitement polarisé sans composante croisée, selon l'invention ;
• figure 6a: un exemple d'élément rayonnant symétrique comportant un patch métallique et des fentes gravées dans le patch métallique, la matrice de réflexion correspondante et la matrice de réflexion souhaitée, selon l'invention ;
• figures 6b à 6e : l'élément rayonnant de la figure 6a dans lequel différents types de rotations sont introduits et les diagrammes relatifs aux évolutions de l'amplitude et de la phase des coefficients croisés correspondants, selon l'invention ;
• figure 7 : un exemple d'un ensemble d'éléments rayonnants successifs symétriques comportant une phase continûment évolutive entre deux éléments rayonnants consécutifs, chaque élément rayonnant comportant un motif constitué d'un patch métallique de forme carrée et d'une ouverture rayonnante pratiquée dans le patch métallique, selon l'invention ;
• figures 8a, 8b, 9a, 9b : un élément rayonnant de la figure 7 dans lequel différents types de rotations sont introduits et les diagrammes relatifs aux évolutions de l'amplitude et de la phase des coefficients croisés correspondants, selon l'invention.

Une antenne réseau réflecteur 10 telle que représentée par exemple sur la figure 1, comporte un ensemble d'éléments rayonnants élémentaires 20 assemblés en réseau réflecteur 11 à une ou deux dimensions et formant une surface réfléchissante 14 permettant d'augmenter la directivité et le gain de l'antenne 10. Le réseau réflecteur 11 est illuminé par une source primaire 13. Les éléments rayonnants élémentaires 20, appelés aussi cellules élémentaires, du réseau réflecteur 11, comportent des motifs gravés de type patchs métalliques et/ou fentes. Les motifs gravés ont des paramètres variables, tels que par exemple les dimensions géométriques des motifs gravés (longueur et largeur des « patchs » ou des fentes), qui sont réglés de façon à obtenir un diagramme de rayonnement choisi. Comme représenté par exemple sur la figure 2, les éléments rayonnants élémentaires 20 peuvent être constitués par des patchs métalliques chargés de fentes rayonnantes et séparés d'un plan de masse métallique d'une distance typique comprise entre λg/10 et λg/4, où λg est la longueur d'onde guidée dans le milieu espaceur. Ce milieu espaceur peut être un diélectrique, mais aussi un sandwich composite réalisé par un agencement symétrique d'un séparateur de type Nid d'abeille et de peaux diélectriques de fines épaisseurs.

Sur la figure 2, l'élément rayonnant élémentaire 20 est de forme carré ayant des côtés de longueur m, comportant un patch métallique 15 imprimé sur une face supérieure d'un substrat diélectrique 16 muni d'un plan de masse métallique 17 sur sa face inférieure. Le patch métallique 15 a une forme de carré ayant des côtés de dimension p et comporte deux fentes 18 de longueur b et de largeur k pratiquées en son centre, les fentes étant disposées en forme de croix. Dans un repère à trois dimensions XYZ, le plan de la surface réfléchissante de l'élément rayonnant est le plan XY. La forme des éléments rayonnants élémentaires 20 n'est pas limitée à un carré, elle peut également être rectangulaire, triangulaire, circulaire, hexagonale, en forme de croix, ou toute autre forme géométrique. Les fentes peuvent également être réalisées en un nombre différent de deux et leur disposition peut être différente d'une croix. Au lieu de fentes centrales, l'élément rayonnant pourrait également comporter un motif constitué d'un patch central en forme de croix et d'une ou plusieurs fentes périphériques. Alternativement, l'élément rayonnant pourrait comporter un motif constitué de plusieurs patchs métalliques annulaires concentriques et de plusieurs fentes annulaires ou non.

Pour que l'antenne 10 soit performante, il faut que la cellule élémentaire puisse contrôler précisément le déphasage qu'elle produit sur une onde incidente, pour les différentes fréquences de la bande passante.

L'agencement (en anglais : lay-out) des éléments rayonnants élémentaires les uns par rapport aux autres pour constituer un réseau réflecteur est synthétisé de façon à obtenir un diagramme de rayonnement donné dans une direction de pointage choisie et avec une loi de phase prédéterminée. La figure 3 montre un exemple d'arrangement des éléments rayonnants d'une antenne réseau réflecteur, permettant d'obtenir un faisceau directif pointé dans une direction latérale par rapport à l'antenne. En raison de la planéité du réseau réflecteur et des différences de longueurs de trajet d'une onde émise par une source primaire 13 jusqu'à chaque élément rayonnant 7, 8 du réseau, l'illumination du réseau réflecteur par une onde incidente provenant de la source primaire 13 provoque une distribution de phase du champ électromagnétique au-dessus de la surface réfléchissante 14. Les motifs gravés de chaque élément rayonnant 7, 8 ont donc des dimensions géométriques définies de façon que l'onde incidente soit réfléchie par le réseau 11 avec un décalage de phase qui compense la phase relative de l'onde incidente.

La forme géométrique du motif gravé de chaque élément rayonnant est habituellement choisie symétrique par rapport aux deux axes orthogonaux X et Y du plan de chaque élément rayonnant. Un élément rayonnant symétrique isolé ne dépolarise quasiment pas une onde incidente normale à son plan et la matrice de réflexion associée comporte donc des coefficients de réflexion croisés très faibles, généralement inférieurs à 30dB. Ces niveaux peuvent augmenter pour une incidence oblique, particulièrement supérieure à 40° par rapport à la normale. Les éléments rayonnants sont agencés sur la surface du réflecteur de façon à réaliser une loi de phase spécifique sur l'ensemble de la surface, dans une polarisation principale correspondant à la polarisation émise par la source primaire. Les phénomènes de dépolarisation sont des phénomènes considérés comme des parasites qui détériorent les performances de l'antenne mais ils ne sont généralement pas pris en compte lors de la réalisation de l'agencement du réseau réflecteur.

Lorsque le réseau réflecteur 11 est illuminé par une onde incidente oblique dans une polarisation linéaire, il engendre une onde réfléchie comportant deux composantes de champ selon deux directions X et Y orthogonales. Sur la figure 4a, la surface du réseau réflecteur 11 est partiellement schématisée par des lignes pointillées et quatre éléments rayonnants 20 sont représentés, chaque élément rayonnant 20 comportant un patch métallique de forme carrée. Une source primaire 13 placée en configuration offset, illumine le réseau réflecteur 11 selon une direction oblique faisant un angle θ par rapport à la direction normale n au réseau réflecteur 11. Le champ électromagnétique incident Einc émis par la source primaire peut être polarisé linéairement, par exemple selon une direction verticale dans un repère orthonormé lié à la source. Du fait de son incidence oblique, le champ incident Einc, polarisé linéairement dans le plan lié à la source, induit, dans un repère XY lié au plan de l'élément rayonnant, un champ incident Ei comportant deux composantes de champ Eix et Eiy selon les deux directions X et Y du plan de l'élément rayonnant, les deux composantes Eix et Eiy correspondant à la projection du champ incident oblique Einc dans le plan du réseau réflecteur. Le réseau réflecteur rayonne alors, selon une direction de propagation principale, un champ électromagnétique réfléchi Er comportant deux composantes de champ Erx et Ery. Le champ incident Einc polarisé linéairement dans le repère lié à la source primaire 13 engendre donc dans un plan XY parallèle au plan du réseau réflecteur 11, une composante de champ en polarisation croisée.

Pour un réseau réflecteur plan et dans la direction normale n au plan du réseau réflecteur, les composantes de polarisation croisées induites au niveau des éléments rayonnants se compensent. Pour une loi de phase imposée pour réaliser un faisceau dans une direction donnée ou une couverture spécifique, comme illustré sur la figure 4b, la direction normale n au plan du réseau réflecteur est généralement différente du plan normal 44 à la direction de propagation 45. Les composantes de polarisation croisées sont alors sommées avec une pondération en phase et ne se compensent plus.

L'invention consiste donc à synthétiser un réseau réflecteur conformément à l'art antérieur, c'est-à-dire en ne se préoccupant que des diagrammes de rayonnement requis dans les deux polarisations principales orthogonales et donc en ne s'intéressant qu'aux coefficients de réflexion principaux Rxx et Ryy. Pour que le diagramme de rayonnement du réseau réflecteur soit performant, il est important que les coefficients de réflexion principaux Rxx et Ryy aient des amplitudes proches de 1. L'invention consiste ensuite à perturber faiblement la polarisation induite par au moins un élément rayonnant du réseau réflecteur de manière à compenser les composantes de polarisation croisée induites par le réseau réflecteur. La perturbation à introduire dans les éléments rayonnants est déterminée individuellement, pour chacun des éléments rayonnants du réseau réflecteur. La légère dépolarisation des ondes réfléchies par chaque élément rayonnant correspond à l'apparition, dans le plan du réseau réflecteur, d'un rayonnement en polarisation croisée, à faible amplitude, au niveau des éléments rayonnants individuels. La légère dépolarisation est telle qu'elle permet d'obtenir, dans le plan normal 44 à la direction de propagation 45 des ondes réfléchies par le réseau réflecteur 11, appelé plan d'ouverture du réseau réflecteur ou plan d'ouverture rayonnante, une distribution de champ électrique sans composante croisée. La dépolarisation introduite doit être faible et ne pas perturber le mode fondamental de rayonnement de l'élément rayonnant, ni sa phase. Par exemple, les coefficients de réflexion croisés introduits par chaque élément rayonnant élémentaire seront préférentiellement inférieurs à -15dB.

Pour estimer la quantité de dépolarisation nécessaire à réaliser sur chaque élément rayonnant individuel, l'invention consiste, dans une première étape, à définir le diagramme de rayonnement du champ électromagnétique lointain 46 désiré et à imposer comme condition de départ, que les composantes de polarisation croisée sont nulles pour ce champ lointain. A ce champ électromagnétique lointain 46 est associé une unique distribution d'un champ électromagnétique proche sur une ouverture rayonnante infinie définie par un plan normal 44 à la direction de propagation 45 des ondes réfléchies par le réseau réflecteur 11. Automatiquement, les composantes de polarisation croisées étant nulles en champ lointain, elles sont également nulles dans un plan normal à la direction de propagation des ondes réfléchies par le réseau réflecteur et sont donc nulles dans le plan d'ouverture 44 du réseau réflecteur 11. A partir du diagramme de rayonnement du champ électromagnétique lointain 46 désiré, il est possible d'en déduire, au moyen d'une transformée de Fourier, les composantes de polarisation principale du champ proche rayonné correspondant, dans le plan d'ouverture 44 du réseau réflecteur,

Il est également possible de reconstruire le champ proche rayonné sur une surface limitée correspondant au réseau réflecteur. Pour qu'il y ait équivalence entre le champ proche reconstruit et le champ lointain désiré, il est nécessaire que le champ proche soit confiné à l'intérieur de la surface du réseau réflecteur.

Dans une deuxième étape, dans le cas général où le plan d'ouverture 44 est différent du plan du réseau réflecteur 11, l'invention consiste ensuite à calculer, par une technique de rétropropagation, pour chaque élément rayonnant du réseau réflecteur, les composantes du champ électrique rayonné correspondant dans le plan du réseau réflecteur. La technique de rétropropagation consiste en un changement de repère du plan d'ouverture 44 au plan du réseau réflecteur 11. Les composantes du champ électrique rayonné dans le plan du réseau réflecteur sont les composantes Erx et Ery réfléchies par l'élément rayonnant correspondant selon les directions respectives X et Y. La composante Ery est faible mais non nulle si le plan du réseau réflecteur est différent du plan d'ouverture.

Dans une troisième étape, l'invention consiste, à calculer les composantes du champ électrique incident Eix et Eiy induit par la source primaire 13 sur chaque élément rayonnant du réseau réflecteur. Pour une source primaire de type cornet rayonnant, le cornet est défini par un ensemble de coefficients modaux d'ondes sphériques avec lesquels il est possible de calculer le champ rayonné proche ou lointain comme décrit par exemple dans le livre de G. Franceschetti, « Campi Elettromagnetici », Bollati Boringhieri editore s.r.l., Torino 1988 (II edizione), incorporé par référence.

Dans une quatrième étape, à partir des composantes Erx et Ery déterminées à la deuxième étape et des composantes Eix et Eiy déterminées à la troisième étape, l'invention consiste, pour chaque élément rayonnant, à en déduire les coefficients de réflexion principaux Rxx et Ryy et les coefficients de réflexion croisés Rxy et Ryx correspondants.

En effet, les composantes Erx et Ery du champ réfléchi Er engendrées par le réseau réflecteur selon les directions respectives X et Y s'expriment en fonction des composantes Eix et Eiy du champ incident Ei induit par la source par les équations suivantes : $$\mathrm{Erx}=\mathrm{Rxx}\mathrm{Eix}+\mathrm{Rxy}\mathrm{Eiy}$$ $$\mathrm{Ery}=\mathrm{Ryx}\mathrm{Eix}+\mathrm{Ryy}\mathrm{Eiy}$$

Si l'onde incidente oblique Einc est polarisée selon deux directions principales orthogonales X et Y, les composantes du champ réfléchi engendrées selon les directions X et Y sont reliées au champ incident par deux équations pour la polarisation selon la direction X et deux équations additionnelles pour la polarisation selon la direction Y.

La matrice de réflexion de chaque élément rayonnant du réseau réflecteur comporte donc des coefficients de réflexion Rxx dans la direction X, Ryy dans la direction Y et deux coefficients de réflexion croisés Rxy et Ryx correspondant à une polarisation croisée.

Pour que les coefficients de réflexion principaux Rxx et Ryy aient des amplitudes proches de 1, il est nécessaire que le champ rayonné lointain soit très fortement corrélé au champ rayonné proche reconstruit dans le plan virtuel de l'ouverture rayonnante. C'est la raison pour laquelle l'invention consiste d'abord à synthétiser un réseau réflecteur en ne se préoccupant que des diagrammes de rayonnement requis dans les deux polarisations principales orthogonales selon les directions X et Y et donc en ne s'intéressant qu'aux coefficients de réflexion principaux Rxx et Ryy, puis à perturber faiblement la polarisation d'au moins un élément rayonnant de manière à compenser la polarisation croisée induite par le réseau réflecteur dans la direction de propagation des ondes réfléchies.

En appliquant cette méthode permettant d'estimer la quantité de dépolarisation nécessaire à réaliser sur chaque élément rayonnant individuel, élément rayonnant par élément rayonnant, des valeurs de coefficients de réflexion principaux et croisés sont déduits pour chacun des éléments rayonnants correspondants.

Suivant la position de l'élément rayonnant 20 sur la surface réfléchissante, l'angle d'incidence de l'onde émise par rapport à cet élément rayonnant varie et les coefficients de réflexion croisés varient également. La dépolarisation est d'autant plus importante que l'angle θ de l'onde incidente par rapport à la direction normale n au réseau réflecteur augmente.

Ainsi, par exemple, dans le cas d'un réseau réflecteur 11 constitué de plusieurs facettes planes, comme représenté sur la figure 4b où le réflecteur comporte trois facettes planes 41, 42, 43 orientées selon trois plans différents, les composantes Erx et Ery du champ rayonné Er doivent être déterminés pour chaque élément rayonnant, dans le plan XY de la facette à laquelle appartient cet élément rayonnant. Différents repères XY sont donc à considérer selon l'élément rayonnant considéré et la facette dans laquelle il se trouve. La méthode permettant d'estimer la quantité de dépolarisation nécessaire à réaliser sur chaque élément rayonnant individuel doit donc être appliquée facette par facette de façon à reconstruire, selon la méthode présentée ci-dessus, les composantes Erx et Ery du champ rayonné dans le plan XY correspondant à l'élément rayonnant considéré.

Un réseau réflecteur synthétisé, conformément à l'art antérieur, en ne s'intéressant qu'aux coefficients de réflexion principaux Rxx et Ryy, comporte généralement, pour des raisons de simplicité de réalisation, des éléments rayonnants ayant un motif gravé symétrique selon leurs axes principaux dans les directions orthogonales X et Y du plan du réseau réflecteur. Dans le cas où les mêmes rayonnements sont requis pour les deux polarisations orthogonales, les éléments rayonnants ont de plus des dimensions identiques selon les directions X et Y.

Les dimensions précises des motifs gravés de chaque élément rayonnant sont donc déduites des coefficients principaux Rxx et Ryy. La polarisation croisée est dans l'art antérieur considérée comme subite, même si des artifices ont été proposés pour limiter les effets .

Lorsque les composantes Erx et Ery permettant d'éliminer la polarisation croisée ont été déterminées pour tous les éléments rayonnants du réseau réflecteur, l'invention consiste alors à introduire, dans les éléments rayonnants individuels 20 du réseau réflecteur 11, une dépolarisation contrôlée, différente d'un élément rayonnant à un autre élément rayonnant, permettant d'obtenir la totalité des coefficients de réflexion correspondant aux valeurs souhaitées. Cette dépolarisation introduite individuellement dans les éléments rayonnants est telle qu'elle compense alors la dépolarisation induite par une onde incidente oblique sur le réseau réflecteur final.

La figure 5a illustre la distribution du champ électrique dans le plan de l'ouverture rayonnante dans le cas où le réseau réflecteur a été synthétisé sans tenir compte des phénomènes parasites liés à la polarisation croisée et où le rayonnement comporte une composante en polarisation croisée, et la figure 5b illustre le cas où le réseau réflecteur a été synthétisé de façon à annuler la composante de polarisation croisée et où le rayonnement est parfaitement polarisé sans composante croisée.

Selon l'invention, la dépolarisation introduite dans au moins un élément rayonnant individuel du réseau réflecteur consiste à briser la symétrie du motif de cet élément rayonnant tout en conservant la même phase des coefficients de réflexions principaux induits par cet élément rayonnant, afin de ne pas perturber son rayonnement dans la polarisation principale. On agit ainsi sur l'amplitude et la phase des coefficients de réflexion croisés. Pour cela, des dissymétries angulaires sont introduites dans les motifs des éléments rayonnants qui engendrent de la polarisation croisée, certains éléments rayonnants n'engendrant pas de polarisation croisée, par exemple ceux situés dans l'axe de symétrie du réseau réflecteur, pouvant rester symétriques. Ces dissymétries angulaires consistent en des inclinaisons angulaires d'au moins une direction principale du motif ou des rotations angulaires des quatre directions principales X, X', Y, Y' des motifs, autour du centre 50 du motif, dans le plan XY. Les rotations angulaires sont réalisées avec des angles qui peuvent être différents ou identiques pour toutes les directions et dans des sens qui peuvent être identiques ou différents. Lorsque plusieurs éléments rayonnants adjacents du réseau réflecteur comportent un motif ayant une forme géométrique dissymétrique par rapport à au moins une direction X et/ou Y du plan XY de ces éléments rayonnants, la dissymétrie du motif de chacun desdits éléments rayonnants est continûment progressive d'un élément rayonnant à un autre élément rayonnant adjacent sur la surface réfléchissante.

Un premier exemple représenté sur les figures 6a à 6d concerne le cas d'un élément rayonnant 20 dont le motif géométrique comporte un patch métallique et des fentes gravées dans le patch. Sur la figure 6a, les fentes forment une croix centrale symétrique selon deux directions orthogonales XX' et YY', appelée croix de Jérusalem. La croix comporte quatre branches principales 62, 63, 64, 65, opposées deux à deux, orientées respectivement selon les directions X, X', Y, Y', chaque branche principale comportant une extrémité pourvue d'une extension perpendiculaire. La matrice de réflexion 60 de cet élément rayonnant symétrique est telle que les coefficients de réflexion principaux sont d'amplitudes égales et proches de la valeur maximum 1, correspondant à 0dB, et les coefficients de réflexion croisés ont des amplitudes très faibles, typiquement de l'ordre de -29dB. La matrice de réflexion souhaitée 61 comporte des coefficients de réflexion principaux très peu modifiés par rapport à ceux de l'élément symétrique et des coefficients de réflexion croisés légèrement dégradés, ayant une amplitude de l'ordre de -21 dB, cette amplitude dégradée étant cependant toujours située à un niveau correspondant à du bruit. Sur les figures 6b, 6c, 6d, chaque branche principale de la croix centrale a subi différents types de rotations angulaires par rapport au centre 50 de l'élément rayonnant. Les rotations angulaires consistent à modifier l'inclinaison de chacune des branches principales, indépendamment l'une de l'autre, d'un angle différent et dans un sens positif ou négatif.

Dans les deux configurations 20a, 20b de la figure 6b, les branches principales de la croix situées selon des directions diamétralement opposées XX', YY' ont été inclinées simultanément, d'un même angle, l'inclinaison étant dans un sens positif pour deux branches opposées et dans un sens négatif pour les deux autres branches. Les diagrammes d'amplitude et de phase des coefficients de réflexion croisés correspondants montrent que cette configuration a un fort impact sur l'amplitude des coefficients de réflexion croisés alors que leur phase, modulo 180°, n'évolue pas lorsque l'angle d'inclinaison des branches principales de la croix varie entre -10° et +10°.

Dans les deux configurations 20c, 20d de la figure 6c, les quatre branches principales de la croix sont inclinées indépendamment les unes des autres d'un même angle, les branches situées selon des directions diamétralement opposées étant inclinées dans des sens opposés mais deux branches successives étant inclinées dans un même sens. Les diagrammes d'amplitude et de phase des coefficients de réflexion croisés correspondants montrent que cette configuration a peu d'impact sur l'amplitude des coefficients de réflexion croisés lorsque l'angle d'inclinaison des branches principales de la croix varie entre -4° et +4° alors que leur phase évolue beaucoup.

Les deux configurations 20f, 20g de la figure 6d, les quatre branches principales de la croix sont inclinées indépendamment les unes des autres d'un même angle, les branches situées selon des directions diamétralement opposées étant inclinées dans des sens opposés comme sur la figure 6c mais le sens d'inclinaison de deux branches opposées est inversé. Les diagrammes d'amplitude et de phase des coefficients de réflexion croisés correspondants montrent que cette configuration a beaucoup d'impact sur l'amplitude des coefficients de réflexion croisés lorsque l'angle d'inclinaison des branches principales de la croix varie entre -10° et +10° alors que leur phase n'évolue pas.

La figure 6e montre un exemple d'élément rayonnant 20i optimisé dont la matrice de réflexion est très proche de la matrice souhaitée 61 indiquée sur la figure 6a. Cet élément rayonnant 20i comporte deux branches formant un angle de 9,35° respectivement dans un sens de rotation négatif et dans un sens de rotation positif par rapport aux directions Y et X, et deux branches formant un angle de 6,65° respectivement dans un sens de rotation négatif et dans un sens de rotation positif par rapport aux directions X' et Y'.

Les différents exemples de rotation des figures 6a à 6e montrent donc qu'il est possible en réglant l'angle d'inclinaison des quatre branches d'une croix orientées selon des directions principales de l'élément rayonnant, de contrôler l'amplitude et la phase des coefficients de réflexion croisés et donc la dépolarisation de cet élément rayonnant.

La figure 7 concerne un ensemble d'éléments rayonnants symétriques successifs comportant une phase continûment évolutive entre deux éléments rayonnants consécutifs, chaque élément rayonnant 20 comportant un motif constitué d'un patch métallique de forme carrée et d'une ouverture rayonnante pratiquée dans le patch métallique. Les dimensions respectives du patch métallique par rapport à l'ouverture rayonnante sont continûment évolutives d'un élément rayonnant à un autre élément rayonnant adjacent ce qui permet de disposer d'un grand nombre de phases différentes entre 0° et 360°, modulo 360° à répartir sur un réseau réflecteur en fonction de la loi de phase rayonnée désirée. Les différentes phases successives sont obtenues sans rupture brusque des dimensions du patch par rapport à l'ouverture rayonnante grâce à l'apparition de l'ouverture rayonnante au centre du patch métallique et à l'augmentation progressive des dimensions de l'ouverture rayonnante jusqu'à la disparition dudit patch métallique puis à l'apparition au centre de l'ouverture rayonnante d'un nouveau patch métallique dont les dimensions augmentent progressivement jusqu'à la disparition de l'ouverture rayonnante.

En modifiant l'angle d'inclinaison de deux côtés opposés du patch métallique de chacun de ces éléments rayonnants de façon à transformer la forme carrée en trapèze, il est possible de contrôler la phase des coefficients de réflexion croisés de ces éléments rayonnants sans modifier sensiblement les coefficients de réflexion principaux. Les figures 8a et 8b montrent les diagrammes d'évolution de la phase et de l'amplitude des coefficients de réflexion croisés pour un élément rayonnant soumis à une onde incidente oblique et comportant deux côtés inclinés 81, 82 ou 83, 84 selon des directions opposées de manière à former un trapèze, l'angle d'inclinaison des côtés variant entre -10° et +10° par rapport à la direction YY' pour la figure 8a ou par rapport à la direction XX' pour la figure 8b. Dans ces deux figures, l'amplitude des coefficients de réflexion croisés varie très faiblement alors que la phase évolue beaucoup.

Les figures 10a et 10b montrent d'autres diagrammes d'évolution de la phase et de l'amplitude des coefficients de réflexion croisés lorsque deux côtés opposés sont inclinés d'un même angle selon une même direction de façon à obtenir un parallélogramme.

Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.