SYSTÈME ANTENNAIRE DE TYPE RÉSEAU

Abstract

 L'invention concerne un système antennaire comprenant un réseau d'éléments d'antennes (1, 2) comprenant :
- une pluralité d'éléments (1) primaires comprenant au moins un port d'accès (P);
- une pluralité d'éléments (2) secondaires comprenant au moins un port d'accès (P) ;
- une pluralité de circuits (3) d'alimentation configurés pour exciter au moins un port d'un élément (1) primaire ;
- une pluralité de charges (jXi) réactives, idéalement, ou a minima peu dissipatives connectées à
o un des ports d'un élément primaire si tous les ports dudit élément primaire ne sont pas excités ;
o un port d'un élément secondaire
les éléments (2) secondaires étant excités par couplages mutuels avec les éléments (1) primaires, les charges permettant de configurer la contribution des éléments secondaires aux diagrammes de rayonnement orthogonaux dudit système antennaire.

Description

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL

[0001] L'invention concerne le domaine des systèmes antennaires du type réseau comprenant plusieurs éléments d'antennes excités.

ETAT DE LA TECHNIQUE

[0002] On connait des systèmes antennaires du type réseau dans lesquels tous les éléments sont alimentés. Or un tel système est complexe et coûteux car il nécessite un circuit de répartition complexe.

[0003] On connait également des systèmes antennaires du type lacunaires ou raréfiés dans lesquels on a retiré d'un réseau d'éléments un ou plusieurs éléments. Or la suppression de certains éléments conduit à une dégradation de performance et à des incertitudes quant au réglage de l'excitation des différents éléments pour obtenir des performances souhaitées.

PRESENTATION DE L'INVENTION

[0004] Un but de l'invention est de proposer un système antennaire de type réseau comprenant un circuit d'alimentation qui est peu complexe et donc peu coûteux.

[0005] Un autre but de l'invention est de proposer une antenne dont les performances peuvent être facilement configurées.

[0006] Encore un autre but de l'invention est d'être moins encombrant qu'une antenne réseau de type classique, l'encombrement dépendant fortement du circuit d'alimentation.

[0007] A cet effet, l'invention propose un système antennaire comprenant un réseau d'éléments d'antennes comprenant :

• une pluralité d'éléments primaires comprenant au moins un port d'accès (P);
• une pluralité d'éléments secondaires comprenant au moins un port d'accès (P) ;
• une pluralité de circuits d'alimentation configurés pour exciter au moins un port d'un élément primaire ;
• une pluralité de charges réactives, idéalement, ou a minima peu dissipatives connectées à

  o un des ports d'un élément primaire si tous les ports dudit élément primaire ne sont pas excités ;

  o un port d'un élément secondaire

les éléments secondaires étant excités par couplages mutuels avec les éléments primaires, les charges permettant de configurer la contribution des éléments secondaires aux diagrammes de rayonnement orthogonaux dudit système antennaire.

[0008] L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible :

• les éléments primaires et secondaires comportent tous deux ports d'accès ;
• les éléments primaires comportent deux ports d'accès et les éléments secondaires comportent un ou deux ports d'accès ;
• les éléments primaires et secondaires comportent un ou deux ports d'accès ;
• le réseau d'éléments d'antennes et configuré pour que le niveau de couplage entre chaque élément primaire et au moins un élément secondaire soit supérieur ou égal à un niveau de -23dB ;
• chaque port d'accès est associé à un mode de fonctionnement, dans le cas de plusieurs ports d'accès, les modes de fonctionnement sont orthogonaux entre eux ;
• les éléments primaires sont choisis dans le groupe suivant : patchs, dipôles, structure résonantes, cornets ;
• le réseau d'éléments d'antennes est disposé selon une grille présentant une maille dont le pas est compris entre 0,2 λ, et 3 λ, λ étant longueur d'onde associée à une fréquence de fonctionnement du système antennaire.

[0009] Les avantages de l'invention sont multiples.

[0010] En utilisant le couplage entre des éléments alimentés et non alimentés par le circuit d'alimentation on peut configurer de manière précise le diagramme de rayonnement du système antennaire tout en ayant un circuit d'alimentation peu complexe (compte tenu que tous les éléments ne sont pas alimentés directement). En revanche, tous les éléments sont excités ; certains directement via le circuit d'alimentation (éléments primaires), les autres par couplage (éléments secondaires).

[0011] Le système est configurable en ce que la contribution au diagramme de rayonnement des éléments primaires s'effectue grâce à l'optimisation du circuit d'alimentation et la contribution des éléments secondaires s'effectue grâce à l'optimisation des charges d'impédances complexes. De même, il est possible de configurer un mode de fonctionnement permettant d'optimiser l'adaptation du système en même temps que le diagramme de rayonnement.

[0012] Il est possible d'optimiser l'adaptation du système en même temps que le diagramme de rayonnement.

[0013] Il est possible de générer des diagrammes orthogonaux en polarisation et/ou en fréquence grâce à l'utilisation de ports séparés en polarisation et/ou en fréquence sur tout ou partie des éléments rayonnants.

[0014] Dans tous les cas, l'optimisation utilise la connaissance de la matrice de couplage du réseau d'éléments rayonnants exprimée en chacun des ports des éléments rayonnants.

PRESENTATION DES FIGURES

[0015] D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :

• les figures 1a, 1b, 1c, 2a, 2b illustrent des éléments de base d'un système antennaire selon l'invention ;
• la figure 3 illustre une vue d'ensemble d'un système antennaire selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
• la figure 4 illustre une vue d'ensemble d'un système antennaire selon un second mode de réalisation de l'invention ;
• la figure 5 illustre une vue d'ensemble d'un système antennaire selon un troisième mode de réalisation de l'invention ;
• la figure 6 illustre une vue d'ensemble d'un système antennaire selon un quatrième mode de réalisation de l'invention ;
• la figure 7 illustre le principe du rayonnement du système antennaire selon l'invention.

[0016] Sur l'ensemble des figures les éléments similaires portent des références identiques.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

[0017] Les figures 1a, 1b, 1c, 2a, 2b illustrent des éléments de base d'un système antennaire selon l'invention.

[0018] Les figures 1a, 1b, 1c illustrent un élément primaire 1, 1', 1", comprenant au moins un port P d'accès (ici un ou deux port(s) d'accès). Au moins un port d'accès est excité par un circuit 3 d'alimentation (figures 1a, 1b, 1c). Dans le cas d'un seul port d'accès (figure 1a) ce dernier est excité par le circuit 3 d'alimentation. Dans le cas de deux ports où un seul port est excité par le circuit 3 d'alimentation (figure 1b) l'autre est connecté à une charge 4 d'impédance complexe jXi. Les deux ports P de l'élément primaire peuvent aussi être excités chacun par le circuit 3 d'alimentation (figure 1c).

[0019] Un élément primaire est donc excité par un circuit 3 d'alimentation représenté conceptuellement sur les figures par un générateur Eg ; une résistance Rg en série. Tous les éléments primaires sont excités par un circuit d'alimentation, de la même manière ou de manière différenciée via une pondération en amplitude et phase du signal.

[0020] Les figures 2a et 2b illustrent un élément secondaire 2', 2" comprenant au moins un port P d'accès (ici un ou deux port(s) d'accès). Chaque port d'accès est connecté à une charge 4 d'impédance complexe jXi.

[0021] Chaque élément secondaire est connecté à une charge 4 d'impédance complexe jXi connectée entre une ligne de masse et l'élément 2 secondaire (toutefois selon les cas, les charges complexes ne sont pas nécessairement connectées à une ligne de masse commune, voir plus bas dans la description). Chaque charge 4 d'impédance complexe permet d'optimiser la phase du champ réémis par l'élément secondaire. En outre, chaque charge 4 est réglable afin de pouvoir modifier sa valeur selon les besoins.

[0022] Le circuit 3 d'alimentation et les charges 4 permettent de configurer les diagrammes de rayonnement qui résultent de la contribution des éléments primaires et secondaires.

[0023] De préférence, les charges 4 sont réactives pour éviter toute dissipation.

[0024] On décrit ci-dessous plusieurs configurations mettant en oeuvre les éléments décrits ci-dessus.

[0025] Pour chaque configuration, chaque élément (primaire ou secondaire) présente un ou plusieurs ports d'accès correspondant à des modes de fonctionnement différents (polarisation / fréquence).

[0026] Si l'élément primaire ou secondaire comprend deux ports d'accès alors ils sont orthogonaux c'est-à-dire qu'ils sont différenciés en polarisation et/ou en fréquence.

[0027] Si l'élément primaire ou secondaire comprend un seul port d'accès alors le port d'accès correspond à l'un ou l'autre des modes orthogonaux.

[0028] La figure 3 illustre un système antennaire selon un premier mode de réalisation de l'invention dans lequel les éléments primaires et secondaires comportent un seul port d'accès. S'agissant des éléments primaires ils sont tous excités par un circuit d'alimentation.

[0029] La figure 4 illustre un système antennaire selon un second mode de réalisation dans lequel les éléments primaires et secondaires comportent tous deux ports d'accès. Le système antennaire selon ce premier mode de réalisation est constitué d'éléments primaires de la figure 1b ou 1c et d'éléments secondaires de la figure 2b.

[0030] La figure 5 illustre un système antennaire selon un troisième mode de réalisation de l'invention dans lequel les éléments primaires comportent tous deux ports d'accès et les éléments secondaires comportent un ou deux ports d'accès. Le système antennaire selon ce troisième mode de réalisation est constitué d'éléments primaires de la figure 1b ou 1c et d'éléments secondaires de la figure 2a ou 2b

[0031] La figure 6 illustre un système antennaire selon un quatrième mode de réalisation de l'invention dans lequel les éléments primaires et les éléments secondaires comportent tous un ou deux ports d'accès. Le système antennaire selon ce quatrième mode de réalisation est constitué d'éléments primaires de la figure 1a, ou 1b ou 1c et d'éléments secondaires de la figure 2a ou 2b.

[0032] Dans chacun des modes de réalisation ci-dessus décrits l'excitation des éléments 1 primaires est due au circuit 3 d'alimentation tandis que celle des éléments 2 secondaires est obtenue par couplages mutuels avec les éléments primaires.

[0033] Ainsi, seuls les éléments primaires sont alimentés et les éléments secondaires sont utilisés pour contribuer à l'obtention des performances souhaitées pour le système antennaire.

[0034] Ainsi, il est possible de configurer le diagramme de rayonnement du système antennaire.

[0035] De manière avantageuse, le circuit 3 d'alimentation et les charges 4 sont configurés pour que le niveau de couplage entre chaque élément 1 primaire et au moins un élément 2 secondaire soit supérieur ou égal à -23dB typiquement. Le niveau de couplage a une influence directe sur l'amplitude d'excitation des éléments secondaires, il doit donc être suffisant pour que la contribution des éléments secondaires soit significative.

[0036] De manière avantageuse, les éléments 1 primaires sont choisis dans le groupe suivant : patchs, dipôles, structure résonantes, cornets.

[0037] Le système antennaire de l'invention comprend des éléments primaires et secondaires, de préférence identiques, disposés selon une grille périodique qui est rectangulaire ou bien triangulaire. Le fait d'alimenter certains éléments et pas d'autres, permet d'obtenir un meilleur rendement rapporté à la surface du réseau par rapport à un réseau lacunaire par exemple.

[0038] Suivant un mode de réalisation, les éléments primaires excités par le circuit d'alimentation et tous les éléments (primaires ou secondaires) qui ne sont pas excités sont en polarisation linéaire (H,V).

[0039] Selon un autre mode de réalisation, les éléments primaires excités par le circuit d'alimentation et tous les éléments (primaires ou secondaires) qui ne sont pas excités sont en polarisation circulaire (RHCP, LHCP).

[0040] Selon un autre mode de réalisation, les éléments primaires excités par le circuit d'alimentation sont en polarisation circulaires (RHCP, LHCP) et tous les éléments (primaires ou secondaires) qui ne sont pas excités sont en polarisation linéaire. Le système antennaire fonctionne néanmoins en polarisation circulaire grâce à la gestion des charges connectées aux éléments en polarisation linéaire.

[0041] L'intérêt d'une telle configuration est une simplification des circuits à connecter aux éléments (la polarisation circulaire nécessitant généralement des circuits plus complexes).

[0042] Sur la figure 7 on illustre le principe du système antennaire sur laquelle les différentes ondes correspondantes aux puissances incidentes et réfléchies (ou couplées) dans les ports de chaque élément rayonnant sont notées respectivement a^C_n a^D_n, a_n^C+D, et b^C_n b^D_n, b_n^C+D, n étant compris entre 1 et N, N étant le nombre total de ports de la structure. Sur cette figure le système antennaire comprend M éléments rayonnants et N ports, un circuit d'alimentation qui comprend un premier circuit d'alimentation auxiliaire qui réalise les excitations E_g^C et un second circuit d'alimentation auxiliaire qui réalise les excitations E_g^D. Ce nombre de circuits d'alimentation auxiliaire n'est pas limitatif. Ainsi, sur la figure 2, certains éléments primaires comprennent deux ports d'alimentations Port 1, Port 2.

[0043] A chacun de ces éléments est associé un diagramme de rayonnement environné, noté Φ_n. On notera qu'ici la notion de diagramme environné est définie pour chaque élément rayonnant à sa position respective dans le réseau, ou au sens d'un formalisme périodique infini.

[0044] Au niveau des éléments excités par couplages, des charges d'impédances complexes, idéalement réactive X_n, sont considérées. Celles-ci sont de préférence sans pertes pour éviter de dissiper les puissances couplées b_n afin qu'elles participent de manière maximale à la synthèse du diagramme de rayonnement global. A chacune de ces charges est associé un coefficient de réflexion Γ_n, lié intrinsèquement à l'impédance caractéristique du port connecté. [S] représente la matrice de couplage complète du système et E^C_g,n, E^D_g,n et Z_g,n traduisent les caractéristiques du signal incident sur les voies alimentées.

[0045] L'optimisation de ces charges doit satisfaire au minimum une contrainte sur l'objectif de rayonnement et une contrainte sur l'adaptation. Dans le cas d'une utilisation en double polarisation, un critère supplémentaire peut être introduit, portant sur l'isolation des ports ayant des polarisations croisées. Le même principe s'applique pour des utilisations en multi-fréquences.

[0046] Un tel système antennaire permet de réaliser l'orthogonalité des diagrammes Φ^C et Φ^D, ces diagrammes étant la contribution des diagrammes environnés pondérés par les puissances incidentes.

[0047] Dans le mode de réalisation de la figure 7, un élément primaire peut être alimenté sur un port et connecté seulement à une charge sur l'autre de sorte que son comportement est à la fois celui d'un élément primaire et celui d'un élément secondaire. Ceci s'applique également dans le cas de plusieurs ports.

Revendications

1. Système antennaire comprenant un réseau d'éléments d'antennes (1, 2) comprenant :

- une pluralité d'éléments (1) primaires comprenant au moins un port d'accès (P);

- une pluralité d'éléments (2) secondaires comprenant au moins un port d'accès (P) ;

- une pluralité de circuits (3) d'alimentation configurés pour exciter au moins un port d'un élément (1) primaire ;

- une pluralité de charges (jXi) réactives, idéalement, ou a minima peu dissipatives connectées à

o un des ports d'un élément primaire si tous les ports dudit élément primaire ne sont pas excités ;

o un port d'un élément secondaire

les éléments (2) secondaires étant excités par couplages mutuels avec les éléments (1) primaires, les charges permettant de configurer la contribution des éléments secondaires aux diagrammes de rayonnement orthogonaux dudit système antennaire.

2. Système antennaire selon la revendication 1, dans lequel les éléments primaires et secondaires comportent tous deux ports d'accès.

3. Système antennaire selon la revendication 1, dans lequel les éléments primaires comportent deux ports d'accès et les éléments secondaires comportent un ou deux ports d'accès.

4. Système antennaire selon la revendication 1, dans lequel les éléments primaires et secondaires comportent un ou deux ports d'accès.

5. Système antennaire selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le réseau d'éléments d'antennes (1, 2) et configuré pour que le niveau de couplage entre chaque élément (1) primaire et au moins un élément (2) secondaire soit supérieur ou égal à un niveau de -23dB.

6. Système antennaire selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque port d'accès est associé à un mode de fonctionnement, dans le cas de plusieurs ports d'accès, les modes de fonctionnement sont orthogonaux entre eux.

7. Système antennaire selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les éléments (1) primaires sont choisis dans le groupe suivant: patchs, dipôles, structure résonantes, cornets.

8. Système antennaire selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le réseau d'éléments d'antennes est disposé selon une grille présentant une maille dont le pas est compris entre 0,2 λ et 3 λ, λ étant longueur d'onde associée à une fréquence de fonctionnement du système antennaire.

Dessins