[0001] La présente invention concerne un formateur de faisceaux quasi-optique à lentille
et une antenne plane comportant un tel formateur de faisceaux. Elle s'applique à toute
antenne multifaisceaux de faible épaisseur et plus particulièrement au domaine des
applications spatiales telles que les télécommunications par satellite, pour des antennes
destinées à être montées à bord des satellites, ou pour des antennes destinées à être
utilisées au sol sur des terminaux fixes ou mobiles.
[0002] Pour faciliter la description, le mode d'opération des formateurs de faisceaux est
supposé en transmission, mais une description similaire pourrait être formulée en
réception, les formateurs de faisceaux considérés étant des éléments passifs donc
réciproques.
[0003] Les formateurs de faisceaux sont utilisés dans les antennes multifaisceaux pour élaborer
des faisceaux de sortie à partir de signaux radiofréquence d'entrée. De manière connue,
il existe des formateurs de faisceaux quasi-optiques planaires utilisant une propagation
électromagnétique des ondes radiofréquences entre deux plaques métalliques parallèles
(en anglais : parallel plates), selon un mode de propagation en général TEM (en anglais
: Transverse Electrique Magnétique) pour lequel les champs électrique et magnétique
sont orthogonaux à la direction de propagation des ondes radiofréquences. Le mode
TEM se propage dans le guide à plaques parallèles à la même vitesse que dans le vide,
ce qui rend ledit guide non dispersif pour ce mode TEM. La focalisation et la collimation
des faisceaux peuvent être réalisées par une lentille contrainte, comme décrit par
exemple dans les documents
US 3170158 et
US 5936588 qui illustrent le cas d'une lentille de Rotman, ou alternativement par un réflecteur
comme décrit par exemple dans les documents
FR 2944153 et
FR 2 986377 pour des formateurs de faisceaux Pillbox, la lentille contrainte, ou respectivement
le réflecteur, étant insérée sur le trajet de propagation des ondes radiofréquences,
entre les deux plaques métalliques parallèles. La lentille contrainte, ou le réflecteur,
sert essentiellement de correcteur de phase et permet, par transmission dans le cas
d'une lentille, ou après réflexion dans le cas d'un réflecteur, de convertir des fronts
d'ondes cylindriques en des fronts d'ondes plans.
[0004] Un formateur de faisceaux Pillbox peut, en sortie, être connecté à un réseau linéaire
de plusieurs éléments rayonnants individuels alignés côte à côte. En alternative à
l'utilisation de plusieurs éléments rayonnants individuels, il est également possible
de connecter l'ouverture linéaire de sortie, située entre les deux plaques parallèles,
à un unique cornet linéaire de sortie qui réalise la transition entre les plaques
parallèles et l'espace libre où sont rayonnés les faisceaux. Dans le cas de l'utilisation
d'un unique cornet linéaire, l'ouverture rayonnante en sortie du formateur de faisceaux
Pillbox est linéaire et s'étend continument sur toute la largeur transversale des
plaques parallèles. Ces ouvertures linéaires rayonnantes, qui ne sont pas spatialement
quantifiées, ont des performances très supérieures par rapport aux réseaux linéaires
de plusieurs éléments rayonnants, pour les faisceaux dépointés par rapport à l'axe
focal, en raison de l'absence de quantification, et présentent une bande passante
très supérieure en raison de l'absence de modes de propagation résonants. Cependant,
un formateur de faisceaux Pillbox présente l'inconvénient d'engendrer des faisceaux
dégradés lorsque les sources d'excitation sont éloignées du foyer du réflecteur intégré
entre les plaques parallèles.
[0005] Dans les formateurs de faisceaux de type lentilles contraintes, telles que les lentilles
de Ruze ou de Rotman, les ondes radiofréquences sont contraintes, c'est-à-dire guidées,
selon un chemin de propagation ne correspondant pas à un chemin optique naturel, en
espace libre, tel que défini par les lois de Snell-Descartes. Ces formateurs de faisceaux
peuvent être synthétisés de façon à présenter trois ou quatre foyers différents, ce
qui permet d'obtenir moins d'aberrations et des faisceaux de meilleure qualité. Cependant
pour maîtriser les retards des ondes radiofréquences se propageant vers les bords
latéraux de la lentille par rapport à celles se propageant selon une direction axiale,
vers le centre de la lentille, ces formateurs de faisceaux nécessitent de prélever
les ondes radiofréquences le long du contour interne de la lentille par un réseau
de différentes lignes de transmission à retard. Ces lignes de transmission à retard
sont réparties sur ledit contour interne de la lentille et connectées à des éléments
rayonnants correspondants dont les ports définissent le contour externe de la lentille.
Le problème est que le prélèvement des ondes radiofréquences perturbe le champ électromagnétique
qui est échantillonné spatialement et induit des pertes. Par ailleurs, pour que le
formateur de faisceaux à lentille contrainte soit planaire et que la lentille soit
complètement intégrée entre les deux plaques parallèles, il est nécessaire d'ajouter,
sur le trajet des ondes radiofréquences, des lignes de transmission à retard, par
exemple des guides d'onde rectangulaires, qui induisent une dispersion en fréquence
et limitent la bande passante du formateur de faisceaux. Pour éviter la dispersion
en fréquence et augmenter la bande passante, dans certaines lentilles de Rotman, les
lignes de transmission utilisées sont des lignes coaxiales, mais cela nécessite l'aménagement
d'une transition entre les lignes coaxiales et l'ouverture rayonnante linéaire, et
la structure du formateur de faisceaux n'est alors pas complètement intégrée. Il n'existe
actuellement pas de solution de formateur de faisceaux de type lentille contrainte
permettant de s'affranchir de l'échantillonnage des ondes radiofréquences.
[0006] Le but de l'invention est de réaliser un nouveau formateur de faisceaux quasi-optique
à lentille permettant de convertir des fronts d'onde cylindriques en des fronts d'ondes
plans par l'application de retards différentiels entre le centre et les bords latéraux
de la lentille, ne présentant pas les inconvénients des formateurs de faisceaux à
lentille contrainte connus, permettant de s'affranchir de l'échantillonnage spatial
des ondes radiofréquences, et permettant l'utilisation d'un unique cornet linéaire
de sortie.
[0007] Pour cela, selon l'invention, le formateur de faisceau quasi-optique à lentille comprend
une ligne de transmission radiofréquence alimentée à une première extrémité, par au
moins une source d'alimentation d'entrée, la ligne de transmission comportant deux
plaques métalliques empilées, espacées l'une de l'autre et s'étendant, selon deux
directions longitudinale X et transversale Y. La ligne de transmission comporte en
outre au moins une excroissance s'étendant selon les directions X, Y, et selon une
direction Z orthogonale au plan XY, l'excroissance comportant un insert métallique
s'étendant selon la direction X, selon la direction transversale Y entre deux bords
latéraux de la lentille, et s'étendant en hauteur selon la direction Z. L'insert métallique
comporte une base solidaire de l'une des deux plaques métalliques, au moins une extrémité
libre et a, en section longitudinale, un contour de longueur variable entre les deux
bords latéraux de la ligne de transmission. Dans l'excroissance, la ligne de transmission
est accolée à l'insert métallique et forme, dans la direction Z, une circonvolution
autour de l'insert métallique.
[0008] Avantageusement, l'extrémité libre de l'insert peut être repliée parallèlement au
plan XY.
[0009] Avantageusement, l'extrémité libre de l'insert peut être doublement repliée en forme
de T, parallèlement au plan XY.
[0010] Avantageusement, l'excroissance et l'insert métallique peuvent avoir un profil de
forme curviligne selon les directions X et Y.
[0011] Avantageusement, l'excroissance peut avoir un profil d'entrée et un profil de sortie
de formes différentes.
[0012] Avantageusement, l'excroissance peut comporter des stubs d'adaptation.
[0013] Avantageusement, dans l'excroissance, les plaques métalliques de la ligne de transmission
peuvent avoir une face interne comportant des transitions en marches d'escalier.
[0014] Avantageusement, dans le cas d'une lentille convergente, la longueur du contour de
l'insert métallique peut être progressivement décroissante du centre vers les deux
bords latéraux de la ligne de transmission.
[0015] Alternativement, dans le cas d'une lentille divergente, la longueur du contour, en
section longitudinale, de l'insert métallique peut être progressivement croissante
du centre vers les deux bords latéraux de la ligne de transmission.
[0016] Avantageusement, l'insert métallique peut comporter un profil symétrique par rapport
à l'axe longitudinal médian de la ligne de transmission.
[0017] Avantageusement, la lentille peut comporter plusieurs sources d'alimentation d'entrée
distribuées autour d'un bord d'entrée, selon une courbe focale.
[0018] Avantageusement, le formateur de faisceaux peut comporter plusieurs excroissances
aptes à réaliser des retards progressifs, les excroissances étant réparties successivement
le long de l'axe longitudinal X de la ligne de transmission, à différentes distances
des sources d'alimentation d'entrée, chaque excroissance comportant un insert métallique
dont la longueur du contour, en section longitudinale, varie entre les deux bords
latéraux de la ligne de transmission.
[0019] Avantageusement, la longueur du contour des inserts métalliques, dans les différentes
excroissances successives, peut varier progressivement d'une excroissance à une autre
excroissance adjacente, selon la direction longitudinale X de la ligne de transmission.
[0020] Avantageusement, la ligne de transmission peut être repliée sur elle-même selon la
direction X, selon une pliure de forme droite.
[0021] Avantageusement, le formateur de faisceaux peut comporter en outre au moins un premier
mur réflecteur s'étendant transversalement dans la ligne de transmission, et orthogonalement
aux plaques métalliques selon la direction Z, le premier mur réflecteur étant apte
à replier la ligne de transmission, sur elle-même, selon la direction X, selon une
pliure de forme curviligne.
[0022] Avantageusement, le formateur de faisceaux quasi-optique à lentille peut comporter
deux couches empilées et fermées à une extrémité par le premier mur réflecteur et
deux excroissances opposées aménagées autour d'un insert métallique s'étendant dans
les deux couches empilées, le premier mur réflecteur étant intégré aux deux excroissances
opposées.
[0023] Avantageusement, le formateur de faisceaux quasi-optique à lentille peut comporter
en outre une troisième couche empilée sur la deuxième couche et un deuxième mur réflecteur
s'étendant dans les deuxième et troisième couches.
[0024] Avantageusement, le formateur de faisceaux quasi-optique à lentille peut comporter
en outre au moins une troisième excroissance aménagée dans la deuxième couche en aval
du premier mur réflecteur.
[0025] L'invention concerne aussi une antenne plane comportant au moins un tel formateur
de faisceaux et comportant en outre un cornet rayonnant linéaire connecté en sortie
du formateur de faisceaux.
[0026] L'invention concerne enfin une antenne plane comportant un tel formateur de faisceaux,
la ligne de transmission étant repliée sur elle-même et comportant une ouverture linéaire
de sortie reliée à un réseau de plusieurs cornets rayonnants.
[0027] 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 illustrant le principe de fonctionnement d'un formateur de faisceaux
à lentille à retards continus et progressifs, selon l'invention ;
- figure 2a : un schéma en perspective d'un exemple de formateur de faisceaux à lentille
à retards continus et progressifs comportant une excroissance à profil plan, selon
l'invention ;
- figure 2b : un schéma éclaté en perspective de l'excroissance de la figure 2a, selon
l'invention;
- figure 3a : un schéma éclaté, en perspective, d'un exemple d'excroissance dans laquelle
l'insert a une hauteur variable selon la direction Z et une épaisseur variable selon
la direction X, selon une variante de l'invention ;
- figure 3b : deux schémas, en coupe longitudinale, respectivement au centre de la lentille
et sur les bords latéraux de la lentille, de l'excroissance correspondant à l'exemple
de la figure 3a, selon l'invention ;
- figure 3c : un schéma en perspective du formateur de faisceaux correspondant aux figures
3a et 3b, selon l'invention ;
- figures 4a, 4b, 4c : trois schémas, en coupes longitudinales, d'une excroissance comportant
un insert métallique dont la section est respectivement en forme de I, en forme de
L, en forme de T, la paroi interne de l'excroissance comportant des changements de
direction à angles droits, selon des premiers exemples de réalisation de l'invention
;
- figure 4d : une vue de dessus de l'excroissance dans le cas où l'insert est doublement
replié en forme de T, selon un mode de réalisation de l'invention ;
- figures 5a, 5b, 5c : trois schémas, en coupes longitudinales, d'une excroissance comportant
un insert métallique respectivement en forme de I, en forme de L, en forme de T, la
paroi interne de l'excroissance comportant des changements de direction en marches
d'escalier, selon des deuxièmes exemples de réalisation de l'invention ;
- figures 6 a et 6b: deux schémas, respectivement en perspective et en vue de dessus,
d'un exemple d'antenne multifaisceaux comportant un formateur de faisceaux à lentille
muni d'une excroissance à profil curviligne, selon l'invention ;
- figure 7 : un schéma en perspective d'un exemple d'antenne multifaisceaux comportant
un formateur de faisceaux à lentille muni de deux excroissances, selon l'invention
;
- figures 8a et 8b : deux schémas, respectivement en perspective et en coupe longitudinale,
d'un exemple d'antenne multifaisceaux comportant un formateur de faisceaux à lentille
à retards progressifs, muni de plusieurs excroissances à profil curviligne et à gradient
de retards, selon l'invention ;
- figure 9 : un schéma en perspective, d'un exemple d'antenne multifaisceaux comportant
un formateur de faisceaux à lentille à retards progressifs, muni d'une ligne de transmission
repliée sur elle-même, selon l'invention ;
- figure 10 : un schéma en perspective, d'un exemple d'antenne multifaisceaux comportant
un formateur de faisceaux à lentille à retards progressifs, muni d'un mur réflecteur,
selon l'invention ;
- figures 11 et 12: deux schémas, en coupes longitudinales, d'un formateur de faisceaux
à lentille à retards progressifs, muni d'un mur réflecteur, selon l'invention ;
- figure 13 : un schéma, en coupe longitudinale, d'un formateur de faisceaux à lentille
à retards progressifs, muni de deux murs réflecteurs, selon l'invention.
[0028] Conformément à l'invention, le formateur de faisceaux à lentille représentée sur
le schéma de la figure 1 et sur la vue en perspective de la figure 2a comporte une
ligne de transmission 20 à deux plaques métalliques et une lentille à retards progressifs
et continus entre le centre 14 de la lentille et les deux bords latéraux 15, 16. La
ligne de transmission 20 est constituée de deux plaques métalliques empilées, respectivement
supérieure et inférieure, espacées l'une de l'autre par une cavité, et s'étendant
selon deux directions longitudinale X et transversale Y. La ligne de transmission
20 est alimentée à une première extrémité, par au moins une source d'alimentation
d'entrée 10 et est munie d'une excroissance 13, située sur le trajet des ondes radiofréquences.
Les contours d'entrée et de sortie de l'excroissance, qui correspondent respectivement
aux contours interne et externe de la lentille, peuvent avoir des profils de formes
identiques et parallèles entre elles ou peuvent avoir des profils différents. L'excroissance
13 s'étend en épaisseur selon la direction X, transversalement sur la largeur de la
ligne de transmission selon la direction Y, et en hauteur selon une direction Z orthogonale
au plan XY des plaques métalliques, la longueur dL1, dL2, dL3 de la ligne de transmission
dans l'excroissance étant variable du centre 14 vers les deux bords latéraux 15, 16
de la lentille, de façon à appliquer un retard différent aux ondes radiofréquences
se propageant dans la lentille selon des trajets 1, 2, 3 ayant des directions angulaires
différentes et des longueurs respectives L1, L2, L3 différentes. Lorsque les contours
interne et externe de la lentille ont des profils de formes identiques, le retard
réalisé par l'excroissance est proportionnel à la longueur de la ligne de transmission,
dans l'excroissance, sur le trajet considéré. En particulier, lorsque les contours
interne et externe de la lentille ont des profils de formes identiques, pour réaliser
une lentille convergente, le retard appliqué aux ondes radiofréquences se propageant
selon l'axe longitudinal médian 3 de la lentille, qui correspond au trajet le plus
court, peut être supérieur aux retards appliqués à tous les autres trajets alors que
le retard appliqué aux ondes radiofréquences se propageant vers les bords de la lentille,
qui correspondent aux trajets les plus longs, peut être nul. Dans le cas d'une lentille
divergente, la loi des retards est différente. Lorsque les contours interne et externe
de la lentille ont des profils de formes différentes, la loi des retards est plus
complexe car elle dépend aussi des formes respectives desdits contours interne et
externe.
[0029] L'excroissance 13 comporte un insert métallique 21 logé transversalement dans la
cavité, entre les deux plaques métalliques, l'insert 21, de forme quelconque, comportant
une base 21 b solidaire de l'une des deux plaques métalliques, inférieure ou supérieure,
par exemple la plaque métallique inférieure, et au moins une extrémité libre 21 a.
Comme représenté sur la vue éclatée de la figure 2b, l'insert métallique 21 s'étend
en largeur, selon la direction transversale Y, entre deux bords latéraux de la lentille
15, 16, s'étend en épaisseur selon la direction X, et s'étend en hauteur, au moins
en partie, selon la direction Z. Selon une section longitudinale de la ligne de transmission,
l'insert 21 a un contour externe de longueur progressivement variable entre les deux
bords latéraux de la ligne de transmission. La variation de la longueur du contour
de l'insert 21 peut être obtenue par une variation de la hauteur de l'insert selon
la direction Z, ou par une variation de l'épaisseur de l'insert selon la direction
X, ou par une combinaison d'une variation en hauteur selon la direction Z et d'une
variation en épaisseur selon la direction X comme illustré par exemple sur les figures
3a, 3b, 3c. La figure 3a est un schéma éclaté en perspective d'un exemple d'excroissance
dans laquelle l'insert a une hauteur variable selon la direction Z et une épaisseur
variable selon la direction X. La figure 3b montre deux schémas, en coupe longitudinale,
respectivement au centre de la lentille et sur les bords latéraux de la lentille,
de l'excroissance de la figure 3a. Sur cette figure 3b, l'insert a une paroi en forme
de I sur l'axe longitudinal médian, au centre de la lentille, et a une épaisseur augmentée
et une hauteur réduite sur les bords latéraux de la lentille. La figure 3c est un
schéma en perspective du formateur de faisceaux correspondant aux figures 3a et 3b.
Dans cet exemple, comme l'épaisseur de l'insert varie selon la direction Y, entre
les deux bords latéraux de la lentille, les deux profils d'entrée 18 et de sortie
19 de l'excroissance 13, qui correspondent respectivement aux contours interne et
externe de la lentille, ne sont pas parallèles entre eux.
[0030] Dans l'excroissance 13, la ligne de transmission 20 est accolée à l'insert métallique
21 et forme donc, dans la direction Z, une circonvolution 22 autour de l'insert métallique
21, comme représenté par exemple sur la figure 4a pour un insert ayant une section
longitudinale en forme de I. La ligne de transmission chemine le long du contour de
l'insert et change donc plusieurs fois d'orientation mais ne comporte aucune discontinuité
de transmission. Ainsi, la ligne de transmission suit continument la forme de l'insert
21, longe une première surface avant, de la base 21 b à l'extrémité libre 21 a de
l'insert, puis longe une deuxième surface arrière, de l'extrémité libre 21 a à la
base 21 a. Dans l'excroissance 13, la propagation des ondes électromagnétiques est
toujours réalisée entre deux plaques métalliques et selon le mode de propagation TEM,
l'insert 21, placé au milieu de l'excroissance, assurant le rôle de la plaque métallique,
inférieure ou supérieure, à laquelle sa base est solidarisée. La direction du champ
électrique E dans la ligne de transmission tourne dans l'excroissance en fonction
de l'orientation des plaques métalliques et reste, en tous points de la ligne de transmission,
perpendiculaire aux plaques métalliques, ou quasiment perpendiculaire aux plaques
parallèles lorsque les plaques métalliques ne sont pas exactement parallèles.
[0031] L'insert 21 placé sur le trajet des ondes électromagnétiques TEM, constitue un obstacle
à contourner qui provoque un retard de propagation d'autant plus important que l'insert
a un contour plus long. La loi de variation de la longueur du contour de l'insert,
selon une direction transversale de la lentille, dépend de la loi de retard souhaitée
pour la formation des faisceaux.
[0032] La longueur du contour de l'insert métallique peut varier progressivement du centre
de la lentille, situé sur l'axe longitudinal médian, jusqu'aux bords latéraux de la
lentille, de façon à compenser l'écart de temps de trajet entre les différents chemins
et à obtenir des trajets de propagation de longueurs identiques sur toute la largeur
de l'ouverture rayonnante de sortie de la lentille.
[0033] En particulier, lorsque les contours interne et externe de la lentille ont des profils
de mêmes formes, la lentille est convergente lorsque la variation de la longueur du
contour de l'insert est progressivement décroissante du centre vers les deux bords
latéraux de la ligne de transmission. Dans ce cas, la longueur du contour de l'insert
est importante au centre de la lentille et peut être nulle sur les bords latéraux
de la lentille. A l'inverse, la lentille est divergente lorsque la variation de la
longueur du contour de l'insert est progressivement croissante du centre vers les
deux bords latéraux de la ligne de transmission. Pour réaliser une transformation
d'une onde cylindrique en une onde plane, il faut une lentille convergente. Toutefois,
l'association d'une lentille convergente et d'une lentille divergente peut permettre
de minimiser les aberrations de phase sur un plus large secteur angulaire, et donc
de former davantage de faisceaux.
[0034] Par ailleurs, dans le cas de faisceaux non formés, la longueur du contour de l'insert,
peut par exemple, varier symétriquement de part et d'autre de l'axe longitudinal médian
de la lentille.
[0035] L'insert 21 peut avoir différentes formes. Par exemple, lorsqu'il n'y a aucune contrainte
d'épaisseur pour le formateur de faisceaux, l'insert peut s'étendre sans limitation
selon la direction Z et avoir une section en forme de I sur toute la largeur de la
lentille, comme représenté sur la figure 4a. Lorsqu'il est nécessaire de réduire la
dimension des excroissances, selon la direction Z, pour maintenir une faible épaisseur
de la lentille, pour les retards importants nécessitant des hauteurs d'insert supérieures
à l'épaisseur souhaitée, pour diminuer la hauteur de l'insert sans modifier la longueur
de son contour, il est possible de replier une extrémité libre 21 a, opposée à la
base 21 b, de l'insert parallèlement au plan XY, le repliement pouvant être simple
ou double comme représenté sur les modes de réalisation des figures 4b et 4c, dans
lesquelles l'insert 21 peut avoir une section en forme de L lorsqu'il y a un repliement
simple, ou une section en forme de T lorsqu'il y a un double repliement. Il est également
possible de combiner ces différentes formes en I, en L, en T, sur la largeur transversale
de l'insert. Dans ces trois exemples illustrés sur les figures 4a, 4b, 4c, l'insert
métallique 21 et la face interne 23 de la paroi 22 de l'excroissance 20 comportent
des transitions 24 à angles droits correspondant, pour la ligne de transmission 20,
à des changements de direction de propagation de la direction Z vers la direction
X ou inversement de la direction X vers la direction Z. Bien entendu, le repliement
peut ne pas être nécessaire localement, sur certaines parties de l'insert, par exemple
sur les bords latéraux de la lentille, lorsque les retards locaux à réaliser sont
faibles. Par exemple, la longueur du contour de l'insert 21 replié peut être plus
grande sur l'axe longitudinal médian 3, au centre 14 de la lentille, que sur les autres
trajets comme le montre la vue de dessus de la figure 4d puis peut diminuer progressivement
et symétriquement jusqu'aux deux bords latéraux 15, 16 de la lentille où le repliement
n'est plus nécessaire.
[0036] En outre, dans l'excroissance, il est également possible de faire varier progressivement
l'épaisseur de l'insert, selon la direction X, entre le centre et les bords latéraux
de la lentille comme sur les figures 4a, 4b, 4c. Dans ce cas, les profils d'entrée
et de sortie de l'excroissance, qui correspondent aux contours interne et externe
de la lentille, sont de formes différentes. Cela permet d'obtenir un degré de liberté
supplémentaire et d'obtenir ainsi moins d'aberrations et des faisceaux de meilleure
qualité.
[0037] Pour réduire l'encombrement de la ligne de transmission en épaisseur, selon la direction
Z, et éviter l'excitation de modes supérieurs au niveau des excroissances, et notamment
lorsque l'insert est replié, la distance de séparation entre les plaques parallèles
doit être réduite au niveau des excroissances, pour être typiquement inférieure au
quart de la longueur d'onde guidée correspondant à la fréquence la plus élevée. Pour
réduire les pertes de la ligne de transmission, la distance de séparation doit au
contraire être maximale. Il est ainsi possible de faire varier progressivement la
distance de séparation depuis les sources d'alimentations d'entrées 10 jusqu'aux excroissances
13.
[0038] Par ailleurs, pour améliorer l'adaptation de la ligne de transmission au niveau de
l'excroissance et augmenter la bande passante, il est également possible d'ajouter
des stubs d'adaptation 25 sur l'excroissance 13, les stubs d'adaptation étant constitués
de portions de guides d'onde aménagées symétriquement dans la paroi métallique externe
22 de l'excroissance 20, de part et d'autre de l'insert métallique 21. Les stubs ont
un profil variable transversalement, en fonction du profil de l'excroissance 13. Alternativement,
au lieu d'ajouter des stubs, l'adaptation de la ligne de transmission au niveau de
l'excroissance peut également être améliorée en remplaçant les arêtes des angles à
90°, situés à la base de l'insert et à l'extrémité supérieure de l'excroissance et
correspondant à des changements de direction de la ligne de transmission, par des
transitions en biseaux ou par des transitions en marches en escalier 30 comme représenté
par exemple sur les figures 5a, 5b, 5c.
[0039] L'excroissance 13 et l'insert 21, placés sur un bord de sortie de la lentille, peuvent
avoir un profil de forme plane selon les directions X et Y, comme représenté sur les
figures 1 et 2 ou comporter un profil de forme curviligne selon les directions X et
Y, par exemple parabolique comme représenté sur les figures 6a et 6b.
[0040] De même, la ligne de transmission peut avoir un profil d'entrée linéaire comme sur
la figure 1 ou un profil d'entrée curviligne. Sur les figures 6a et 6b, la ligne de
transmission comporte plusieurs sources d'alimentation d'entrée 10 distribuées périodiquement
autour d'un bord d'entrée 31 de la lentille selon une courbe focale, par exemple un
arc focal, centrée sur un axe longitudinal médian 3 de la lentille. Des profils curvilignes
en entrée et en sortie de la lentille permettent d'obtenir plusieurs points focaux
différents et de former des faisceaux sur un plus large secteur angulaire.
[0041] Contrairement à la lentille contrainte, l'onde électromagnétique en sortie du formateur
de faisceaux n'est pas quantifiée spatialement, et contrairement à un formateur Pillbox,
le repliement de la ligne de transmission n'est pas indispensable. Le formateur de
faisceaux à lentille conforme à l'invention applique à l'onde incidente un retard
continu et progressivement modulé transversalement. Grâce à cette continuité de transmission
spatiale, pour obtenir une antenne plane, il est possible, en sortie de la lentille,
de connecter le formateur de faisceaux à un cornet linéaire 35 s'étendant transversalement
sur toute la largeur du guide d'onde, comme représenté sur les figures 6a et 6b ou
à un réseau d'ouvertures linéaires s'étendant transversalement sur toute la largeur
du guide d'onde comme représenté sur les figures 9 et 10. Ces ouvertures linéaires
continues présentent l'avantage de rayonner l'énergie sur toute la largeur d'ouverture
du formateur de faisceaux, ce qui permet de réaliser une antenne à grande largeur
de bande de fonctionnement et à grande capacité de dépointage du faisceau formé et
permet de s'affranchir des lobes de réseaux. La forme des parois du cornet linéaire
peut être curviligne comme sur les figures 6a, 6b, 7 et 8a.
[0042] Pour réaliser les retards de propagation pour tous les trajets de propagation, le
formateur de faisceaux à lentille peut comporter une seule excroissance munie d'un
insert métallique apte à réaliser des retards progressifs ou plusieurs excroissances
réparties le long de l'axe longitudinal X de la ligne de transmission, à différentes
distances des sources d'alimentation d'entrée 10 comme représenté par exemple sur
les figures 7 et 8a. Chaque excroissance 13a, 13b, 13c, 13i, 13n s'étend en hauteur
selon la direction Z orthogonale au plan XY des plaques métalliques et comporte un
insert métallique dont la longueur du contour, en section longitudinale, varie progressivement
du centre de la lentille, situé sur l'axe longitudinal médian, jusqu'aux bords latéraux
de la lentille. La multiplicité d'excroissances permet de répartir, entre les différentes
excroissances, les retards à réaliser pour chaque trajet de propagation 1, 2, 3, chaque
excroissance réalisant une fraction des différents retards respectifs. Cela permet
de diminuer l'amplitude des retards réalisés par chaque excroissance, de diminuer
la longueur dL1, dL2, dL3 de la ligne de transmission, dans chaque excroissance, selon
la direction Z et de diminuer la hauteur du formateur de faisceaux selon la direction
Z.
[0043] La fraction des retards réalisée par chaque excroissance peut être identique pour
toutes les excroissances ou peut varier en fonction de la distance respective entre
chaque excroissance et les sources 10 d'alimentation d'entrée de façon à obtenir un
gradient de retards selon la direction longitudinale X de la ligne de transmission.
Ainsi, comme représenté sur le schéma, en coupe longitudinale, de la figure 8b, en
fractionnant les retards sur sept excroissances successives réparties longitudinalement,
il est possible de réaliser un gradient de retards selon la direction longitudinale
X. Sur l'exemple de la figure 8b, la hauteur de l'insert selon la direction Z, dans
les différentes excroissances successives varie progressivement le long de l'axe longitudinal
X de la ligne de transmission. Ainsi, la longueur dL de la ligne de transmission,
autour de l'insert, dans chaque excroissance 13, croit entre les quatre premières
excroissances les plus proches des sources 10 d'alimentation d'entrée, puis décroit
sur les trois dernières excroissances les plus proches du cornet linéaire 35 de sortie.
Par conséquent, le retard réalisé par chaque excroissance étant proportionnel à la
longueur dL de la ligne de transmission dans l'excroissance, la fraction des retards
réalisée par chaque excroissance varie dans le même sens et croit entre les quatre
premières excroissances les plus proches des sources 10 d'alimentation d'entrée, puis
décroit sur les trois dernières excroissances les plus proches du cornet linéaire
35 de sortie.
[0044] La lentille ainsi réalisée, permet grâce à chaque excroissance d'obtenir un retard
variant progressivement et continument sur toute la largeur transversale de la lentille
et grâce au fractionnement des retards sur plusieurs excroissances successives, permet
d'obtenir un gradient de retards selon la direction longitudinale. Selon la direction
longitudinale, la lentille se comporte alors comme une lentille à gradient d'indice.
La valeur de l'indice dans chaque excroissance, selon la direction longitudinale,
est égale à (L+dL) /L, où L est la longueur de la ligne de transmission selon la direction
longitudinale X, et dL est la longueur de la ligne de transmission autour de l'insert
21, dans l'excroissance 13 correspondante.
[0045] En contrôlant le gradient d'indice, ou le gradient de retard, il est ainsi possible
de réduire les aberrations, pour les faisceaux dépointés, sur un large secteur angulaire.
Cela permet également d'augmenter le nombre de degrés de liberté et de points de focalisation.
En contrôlant le gradient de retard transversalement mais aussi longitudinalement,
le formateur de faisceaux peut former des faisceaux sans aberrations en utilisant
des lignes de transmission ayant une longueur réduite entre les sources d'alimentation
d'entrée et l'ouverture rayonnante de sortie.
[0046] Pour améliorer le secteur de dépointage angulaire du faisceau formé, il est également
possible, dans une même ligne de transmission, d'aménager plusieurs excroissances
successives, correspondant alternativement à des lentilles convergentes puis à des
lentilles divergentes.
[0047] Sur les schémas des figures 6a et 6b, un seul cornet rayonnant linéaire est connecté
en sortie de l'excroissance transversale de la lentille à retard continu. La lentille
à retard continu peut également être utilisée pour alimenter un réseau de plusieurs
cornets rayonnants linéaires, comme l'antenne représentée sur le schéma de la figure
9. Pour cela, en sortie de l'excroissance 13, la ligne de transmission à plaques parallèles
est repliée sur elle-même, et comporte une ouverture linéaire de sortie reliée au
réseau de cornets rayonnants 40 par l'intermédiaire de diviseurs de puissance 41.
Dans ce cas, le repliement de la ligne de transmission est réalisée selon une ligne
droite 42. Le repliement peut être total à 180° ou partiel et former un angle compris
entre 0 et 180°.
[0048] Alternativement, il est également possible de réaliser le repliement de la ligne
de transmission avec une pliure de forme curviligne, par exemple de forme parabolique,
en insérant, dans la ligne de transmission, un mur réflecteur 43, par exemple métallique,
s'étendant selon la direction Z, comme représenté par exemple sur les schémas des
figures 10, 11, 12. Dans ce cas, le formateur de faisceaux est constituée de deux
couches 44, 45, empilées et fermées à une extrémité par le mur réflecteur 43 qui s'étend
transversalement, dans les deux couches du formateur de faisceaux, sur toute la largeur
et sur toute la hauteur de la ligne de transmission. Le mur réflecteur peut être de
n'importe quelle forme, par exemple plane ou parabolique. Le formateur de faisceaux
comporte au moins une lentille à retards progressifs alimentée en entrée par une ou
plusieurs sources d'alimentation 10 conformément à l'invention, et comporte une ouverture
linéaire 48 de sortie. La lentille à retards progressifs peut être placée en amont,
ou en aval du mur réflecteur, ou peut être combinée au mur réflecteur pour former
un ensemble intégré. Dans chaque excroissance, l'insert métallique peut être de n'importe
quelle forme et peut s'étendre en hauteur selon la direction Z et/ou en épaisseur
selon la direction X. L'ouverture linéaire 48 de sortie peut être connectée à un cornet
rayonnant linéaire 35 ou à un réseau de plusieurs cornets linéaires 40.
[0049] La ou les excroissances 13, 13a, 13b, 13c élaborant les retards progressifs et continus
des lentilles à retards, peuvent être aménagées indifféremment dans la première ou
la deuxième couche, ou dans les deux couches du formateur de faisceaux. Sur le schéma
en perspective de la figure 10, une seule excroissance transversale 13 est aménagée
dans la première couche 44 du formateur de faisceaux, en amont du mur réflecteur 43.
Sur le schéma en coupe longitudinale de la figure 11, deux excroissances opposées
131, 132 sont aménagées autour d'un insert métallique 21 s'étendant dans les deux
couches 44, 45 du formateur de faisceaux et le mur réflecteur 43 est intégré aux deux
excroissances opposées 131, 132. Sur la figure 11, l'insert métallique s'étend selon
la direction Z, parallèlement au mur réflecteur 43, mais bien entendu, alternativement,
il pourrait s'étendre en épaisseur selon la direction X. Par ailleurs, sur le schéma
de la figure 11, les formes de l'insert métallique dans les deux couches sont symétriques,
mais ce n'est pas obligatoire. Les formes de l'insert métallique dans chaque excroissance
et dans chaque couche du formateur de faisceaux peuvent être différentes les unes
des autres.
[0050] Sur le schéma en coupe longitudinale de la figure 12, le formateur de faisceaux comporte
deux excroissances transversales 131, 132 combinées au mur réflecteur 43 et aménagées
autour d'un insert métallique 21 s'étendant dans les deux couches du formateur de
faisceaux et comporte en outre au moins une troisième excroissance transversale 133
aménagée en aval du réflecteur 43, dans la deuxième couche du formateur de faisceaux,
entre le mur réflecteur 43 et l'ouverture linéaire 48 de sortie. Les ondes radiofréquences
émises dans la première couche en entrée de la ligne de transmission sont retardées
dans les différentes excroissances des lentilles à retards continus, et réfléchies,
par le mur réflecteur, vers la deuxième couche avant d'être rayonnées par le cornet
linéaire de sortie ou par le réseau de cornets linéaires de sortie. La combinaison
d'un formateur de faisceaux à lentille à retards continus avec un mur réflecteur présente
l'avantage d'augmenter le nombre de degrés de liberté, le nombre de points de focalisation
et d'améliorer les performances de la lentille. Le nombre de murs réflecteurs peut
bien entendu être supérieur à un, les excroissances peuvent être situées en amont
ou en aval du, ou des murs réflecteurs, et les murs réflecteurs peuvent être intégrés
ou non à des excroissances.
[0051] Sur le schéma de la figure 13, le formateur de faisceaux comporte plusieurs excroissances
131, 132, 133, 134, 135 et deux murs réflecteurs successifs 43, 50. Le premier mur
réflecteur 43 est intégré dans les deux excroissances opposées 131, 132, la troisième
excroissance 133 est aménagée en aval du premier mur réflecteur 43, entre le premier
mur réflecteur 43 et le deuxième mur réflecteur 50, la quatrième excroissance 134
est aménagée en amont du premier mur réflecteur 43, et enfin la cinquième excroissance
135 est aménagée entre le deuxième mur réflecteur 50 et une ouverture linéaire de
sortie 48. Le formateur de faisceaux comporte alors trois couches empilées 44, 45,
46. Le premier mur réflecteur 43 s'étend dans les première et deuxième couches alors
que le deuxième mur réflecteur 50 s'étend dans les deuxième et troisième couches.
La ligne de transmission est alors repliée deux fois sur elle-même, par l'intermédiaire
du premier mur réflecteur 43, puis par l'intermédiaire du deuxième mur réflecteur
50.
[0052] Pour réduire l'encombrement vertical, et éviter l'excitation de modes supérieurs
au niveau des excroissances, et notamment lorsque celles-ci sont repliées, la séparation
entre les plaques parallèles doit être réduite au niveau des excroissances, pour être
typiquement inférieure au quart de la longueur d'onde correspondant à la fréquence
la plus élevée, parmi toutes les ondes radiofréquence guidées, de façon que seul le
mode TEM puisse se propager. Pour réduire les pertes de la ligne de transmission,
la distance de séparation doit au contraire être maximale. Il est ainsi possible de
faire varier progressivement la distance de séparation depuis les sources d'alimentations
d'entrées 10 jusqu'aux excroissances 13.
[0053] Le formateur de faisceaux précisément décrit permet de former une seule ligne de
faisceaux dans un seul plan XY puisque toutes les sources d'alimentation sont situées
dans le plan XY. Bien entendu, il est possible d'empiler plusieurs formateurs de faisceaux
identiques, conformes à l'invention, pour former plusieurs lignes de faisceaux différentes.
[0054] De même, il est possible de former des faisceaux dans deux plans orthogonaux en utilisant
deux formateurs de faisceaux identiques, conformes à l'invention, et connectés orthogonalement
l'un à l'autre par leurs ports d'entrée/sortie respectifs.
[0055] Il est également possible de former des faisceaux selon deux plans orthogonaux, en
combinant le formateur de faisceaux planaire conforme à l'invention, avec des formateurs
de faisceaux planaires différents, aptes à former des faisceaux dans un plan orthogonal
au plan XY, tel que par exemple une matrice de Butler.
[0056] 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. En particulier, la forme de l'excroissance et
la forme de l'insert peuvent être différentes des formes explicitement décrites. Pour
faire varier le retard entre les deux bords latéraux de la lentille, correspondant
à une variation de la longueur de la ligne de transmission, les dimensions de l'insert
peuvent varier en hauteur selon la direction Z, ou en épaisseur selon la direction
X, ou varier à la fois en hauteur et en épaisseur. Par ailleurs, pour diminuer l'épaisseur
du formateur de faisceaux selon la direction Z, l'insert peut comporter différents
types de repliement et/ou un nombre de repliements supérieurs à deux, ou une combinaison
de plusieurs types de repliements. De même, le nombre d'excroissance peut être supérieur
à un, la forme du réflecteur peut être quelconque et le nombre de réflecteurs utilisé
peut être supérieur à un. Les excroissances peuvent être placées en amont ou en aval
d'un mur réflecteur. Le formateur de faisceaux peut également comporter un mur réflecteur
intégré à deux excroissances. Lorsque le formateur de faisceaux comporte deux murs
réflecteurs, une ou plusieurs excroissances peuvent être aménagées entre les deux
murs réflecteurs.
1. Formateur de faisceaux quasi-optique à lentille comprenant une ligne de transmission
radiofréquence (20) alimentée à une première extrémité, par au moins une source d'alimentation
d'entrée (10), la ligne de transmission (20) comportant deux plaques métalliques empilées,
espacées l'une de l'autre et s'étendant, selon deux directions longitudinale X et
transversale Y, caractérisé en ce que la ligne de transmission (20) comporte en outre au moins une excroissance (13) s'étendant
selon les directions X, Y, et selon une direction Z orthogonale au plan XY, l'excroissance
(13) comportant un insert métallique (21) s'étendant selon la direction X, selon la
direction transversale Y entre deux bords latéraux (15, 16) de la ligne de transmission,
et s'étendant en hauteur selon la direction Z, l'insert métallique (21) comportant
une base (21 b) solidaire de l'une des deux plaques métalliques et au moins une extrémité
libre (21 a) et ayant, en section longitudinale, un contour de longueur variable entre
les deux bords latéraux de la ligne de transmission (20), et en ce que dans l'excroissance (13), la ligne de transmission (20) est accolée à l'insert métallique
(21) et forme, dans la direction Z, une circonvolution (22) autour de l'insert métallique
(21).
2. Formateur de faisceaux quasi-optique à lentille selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité libre (21 a) de l'insert métallique est repliée parallèlement au plan
XY.
3. Formateur de faisceaux quasi-optique à lentille selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité libre (21 a) de l'insert métallique est doublement repliée en forme de
T, parallèlement au plan XY.
4. Formateur de faisceaux quasi-optique à lentille selon l'une des revendications 1 ou
2, caractérisé en ce que l'excroissance (13) et l'insert métallique (21) ont des profils de formes curvilignes
selon les directions X et Y.
5. Formateur de faisceaux quasi-optique à lentille selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'excroissance (13) a un profil d'entrée (18) et un profil de sortie (19) de formes
différentes.
6. Formateur de faisceaux quasi-optique à lentille selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que l'excroissance (13) comporte des stubs d'adaptation (25).
7. Formateur de faisceaux quasi-optique à lentille selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que dans l'excroissance (13), les plaques métalliques de la ligne de transmission (20)
ont une face interne (23) comportant des transitions en marches d'escalier (30).
8. Formateur de faisceaux quasi-optique à lentille selon l'une des revendications 1 à
7, caractérisé en ce que la longueur du contour, en section longitudinale, de l'insert métallique (21) est
progressivement décroissante du centre (14) vers les deux bords latéraux (15, 16)
de la ligne de transmission.
9. Formateur de faisceaux quasi-optique à lentille selon l'une des revendications 1 à
7, caractérisé en ce que la longueur du contour, en section longitudinale, de l'insert métallique (21) est
progressivement croissante du centre (14) vers les deux bords latéraux (15, 16) de
la ligne de transmission.
10. Formateur de faisceaux quasi-optique à lentille selon l'une des revendications 8 ou
9, caractérisé en ce que l'insert métallique (21) comporte un profil symétrique par rapport à un axe longitudinal
médian (3) de la ligne de transmission.
11. Formateur de faisceaux quasi-optique à lentille selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que la ligne de transmission comporte plusieurs sources d'alimentation d'entrée (10)
distribuées périodiquement, autour d'un bord d'entrée (31), selon une courbe focale.
12. Formateur de faisceaux quasi-optique à lentille selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que la ligne de transmission comporte plusieurs excroissances (13a, 13b, 13c,.., 13i,
13j) aptes à réaliser des retards progressifs, les excroissances étant réparties successivement
le long de l'axe longitudinal X de la ligne de transmission, à différentes distances
des sources d'alimentation d'entrée (10), chaque excroissance comportant un insert
métallique (21) dont la longueur du contour, en section longitudinale, varie entre
les deux bords latéraux de la ligne de transmission (20).
13. Formateur de faisceaux quasi-optique à lentille selon la revendication 12, caractérisé en ce que la longueur du contour des inserts métalliques (21), dans les différentes excroissances
successives, varie progressivement d'une excroissance à une autre excroissance adjacente,
selon la direction longitudinale X de la ligne de transmission.
14. Formateur de faisceaux quasi-optique à lentille selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que la ligne de transmission (20) est repliée sur elle-même selon la direction X, selon
une pliure de forme droite.
15. Formateur de faisceaux quasi-optique à lentille selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un premier mur réflecteur (43) s'étendant transversalement
dans la ligne de transmission, et orthogonalement aux plaques métalliques selon la
direction Z, le premier mur réflecteur (43) étant apte à replier la ligne de transmission,
sur elle-même, selon la direction X, selon une pliure de forme curviligne.
16. Formateur de faisceaux quasi-optique à lentille selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux couches (44, 45), respectivement première et deuxième couches,
empilées et fermées à une extrémité par le premier mur réflecteur (43) et deux excroissances
opposées (131, 132) aménagées autour d'un insert métallique (21) s'étendant dans les
deux couches empilées (44, 45), le premier mur réflecteur (43) étant intégré aux deux
excroissances opposées (131, 132).
17. Formateur de faisceaux quasi-optique à lentille selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une troisième couche (46) empilée sur la deuxième couche (45)
et un deuxième mur réflecteur (50) s'étendant dans les deuxième et troisième couches
(45, 46).
18. Formateur de faisceaux quasi-optique à lentille selon l'une des revendications 16
ou 17, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins une troisième excroissance (133) aménagée dans la deuxième
couche en aval du premier mur réflecteur (43).
19. Antenne plane, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un formateur de faisceaux selon l'une des revendications précédentes
et en ce qu'elle comporte en outre un cornet rayonnant linéaire (35) connecté en sortie du formateur
de faisceaux.
20. Antenne plane, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un formateur de faisceaux selon l'une des revendications 1
à 18 et en ce que la ligne de transmission (20) est repliée, sur elle-même, selon la direction X, et
comporte en outre une ouverture linéaire (48) de sortie reliée à un réseau de plusieurs
cornets rayonnants (40).