DISPOSITIF DE COUPLAGE FENTE / PASTILLE ELLIPSOïDALE POUR L'ALIMENTATION DIRECTE PAR GUIDE D'ONDES D'UNE

ANTENNE PLATE

Le domaine de l'invention est celui des antennes de télécommunication, et plus particulièrement celui des antennes pour faisceaux hertziens (antennes FH).

L'invention concerne les antennes plates pour faisceaux hertziens alimentées par guide d'ondes, et a plus précisément pour objet le couplage électromagnétique par fente entre une ligne de transmission d'énergie, typiquement un guide d'ondes, et une ligne d'alimentation d'éléments rayonnants de l'antenne plate.

Les antennes paraboliques sont couramment utilisées pour les faisceaux hertziens. Dans ces antennes paraboliques, un guide d'ondes rectangulaire est généralement connecté à un coffret déporté à l'arrière de l'antenne pour réaliser l'accès radio électrique de l'antenne.

Les antennes plates tendent désormais à être préférées aux antennes paraboliques. Les antennes plates présentent en effet l'avantage d'être à surface équivalente, globalement aussi efficaces que les antennes paraboliques. Et ces antennes plates sont caractérisées par leur compacité et leur faible poids.

Une antenne plate comprend un réseau d'éléments rayonnants intégrés au substrat diélectrique de l'antenne. L'antenne plate comprend plus précisément un ensemble de sous-réseaux linéaires parallèles entre eux, chaque sous-réseau linéaire étant constitué d'un ensemble d'éléments rayonnants. Les éléments rayonnants sont typiquement chacun constitués d'une surface carrée conductrice dont un coin est relié à une ligne d'alimentation de sous-réseau (typiquement sous la forme d'une ligne microruban).

L'alimentation en énergie de l'antenne plate est classiquement réalisée en dotant l'antenne d'un connecteur coaxial, et en raccordant l'antenne à un guide d'ondes par l'intermédiaire d'une transition guide-coaxial.

Toutefois l'augmentation de la fréquence utilisée pour les faisceaux hertziens implique la diminution des dimensions physiques des éléments de l'antenne. Cette diminution entraîne des difficultés de réalisation de la solution d'alimentation par sonde coaxiale.

Afin de répondre à cette problématique, des solutions d'alimentation directe par guide d'ondes ont été proposées.

Une telle solution est par exemple présentée dans l'article de Van Der WiIt et Strijbos, intitulé "A 40 Ghz planar array antenna using hybrid coupling" (in « Perspectives on Radio Astronomy - Technologies for Large Antenna Arrays, Proceedings of the Conférence held at the ASTRON Institute in Dwingeloo on 12-14 April 1999. ISBN: 90-805434-2-X, 354 pages, 2000, p.129").

La figure 1 annexée représente la solution préconisée par cet article, solution selon laquelle on réalise un coupleur électromagnétique d'un guide d'ondes 1 vers une ligne micro-ruban 2, à l'aide d'une pastille 3 placée au dessus d'une fente 4 dans le plan de masse 5 de l'antenne et communiquant avec le guide d'ondes 1.

La ligne micro-ruban 2 présente plus précisément une pastille de couplage rectangulaire 3 placée au dessus d'une fente rectangulaire 4.

La pastille 3 récolte ainsi l'énergie rayonnée par le guide d'ondes 1 à travers la fente 4, et permet ainsi de transmettre de la puissance du guide d'ondes 1 à la ligne micro-ruban 2.

On relèvera à ce stade que la procédure de conception d'un tel coupleur nécessite de trouver les dimensions adéquates de la fente et de la pastille pour réaliser un couplage à la fréquence désirée. Quatre variables doivent alors être optimisées pour obtenir la fréquence désirée : longueur et largeur de la fente, longueur et largeur de la pastille.

Si cette solution d'alimentation directe permet de répondre à la problématique exposée ci-dessus relative à l'augmentation de la fréquence de l'antenne, elle n'est toutefois pas totalement satisfaisante.

On constate en effet des pertes par rayonnement dues à la discontinuité de la pastille rectangulaire. Il en découle une dégradation des performances de pureté de polarité du rayonnement de l'antenne, et d'efficacité de transmission de la puissance du guide d'onde vers la ligne micro-ruban.

Le document BE 1 013 508 propose une antenne planaire du type de celle faisant l'objet du préambule de la revendication 1 , présentant un élément (élément 300 sur la figure 19) pour assurer le couplage fente / ligne d'alimentation de patchs rayonnants sous la forme d'une pastille de couplage rectangulaire.

Le manuel de JR JAMES AND PS HALL : « handbook of microstrip antennas, vol.1 » a trait à la génération d'une polarisation circulaire à l'aide d'une antenne à éléments rayonnants circulaires alimentés par une ligne microruban. On relèvera que ce manuel n'a pas trait à une structure d'antenne selon l'invention, laquelle met en œuvre un couplage électromagnétique par fente entre un guide d'ondes et la ligne microruban. A fortiori, ce manuel ne traite aucunement de pastille de couplage apte à prélever l'énergie dans le guide pour la redistribuer aux éléments rayonnants via la ligne microruban.

L'invention a pour objectif de proposer des moyens de couplage électromagnétique d'un guide d'ondes vers une ligne micro-ruban qui permettent des performances accrues tant en terme de pureté de polarité du rayonnement qu'en terme de transfert de puissance du guide vers la ligne, et réciproquement.

A cet effet, et selon un premier aspect, l'invention concerne une antenne plate comportant : • un substrat ;

• au moins un sous-réseau d'éléments rayonnants disposé sur le substrat, ledit sous-réseau comprenant :

- une ligne d'alimentation de sous-réseau comportant une pastille de couplage,

- et une pluralité d'éléments rayonnants reliés à la ligne ;

• un plan de masse sur lequel le substrat est superposé, dans lequel une fente est pratiquée en regard de la pastille de couplage de la ligne d'alimentation de chaque sous-réseau ;

• une ligne de transmission d'énergie agencée par rapport au plan de masse de manière à réaliser un couplage électromagnétique par fente entre ladite ligne de transmission d'énergie et la pastille de couplage de chacune des lignes d'alimentation de sous-réseau ; l'antenne étant caractérisée en ce que la pastille de couplage est de forme ellipsoïdale.

Certains aspects préférés, mais non limitatifs, de cette antenne sont les suivants :

- la pastille est circulaire ;

- la fente est rectangulaire et son périmètre est d'une longueur d'onde dans le milieu du substrat ;

- la largeur de la fente est inférieure à une demi fois l'épaisseur du substrat ;

- la fente est rectangulaire, et le diamètre de la pastille est choisi de sorte que la pastille recouvre la fente sur environ 2/3 de la longueur de la fente ;

- l'antenne est une antenne pour faisceaux hertziens dans la bande de 37,21 GHz à 38 ,64 GHz ;

- les éléments rayonnants reliés à la ligne d'alimentation sont espacés d'une moitié de longueur d'onde dans le milieu du substrat ;

- les éléments rayonnants sont reliés successivement à un côté puis à l'autre de la ligne d'alimentation ;

- la ligne d'alimentation présente deux bras de part et d'autre de la pastille de couplage et les éléments rayonnants sont reliés à la ligne

d'alimentation sur chacun des bras en position inversée d'un bras par rapport à l'autre.

Selon un second aspect, l'invention concerne une ligne d'alimentation d'un sous-réseau d'éléments rayonnants d'une antenne plate, comportant une pastille de couplage destinée à collecter l'énergie rayonnée par une ligne de transmission d'énergie à travers une fente, caractérisée en ce que la pastille de couplage est de forme ellipsoïdale.

D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels, outre la figure 1 déjà commentée la figure 2 est un schéma représentant le couplage guide-ligne microruban selon un mode de réalisation possible de l'invention ; la figure 3 est un schéma représentant une antenne plate selon une mode de réalisation possible de l'invention.

On précise à titre purement illustratif et non limitatif, qu'une application que l'on fera du couplage selon l'invention concerne les transmissions dans la bande de 37,21 GHz à 38,64 GHz.

En référence à la figure 2, on a représenté une ligne d'alimentation d'un sous-réseau d'éléments rayonnants d'une antenne plate sous la forme d'une ligne micro-ruban 20.

On notera que sur cette figure 2, on a uniquement représenté une portion, typiquement la portion centrale, de la ligne 20, des ports P1 et P2 représentant des accès en ligne micro-ruban pour l'excitation, de part et d'autre de cette portion centrale, des éléments rayonnants (non représentés sur cette figure) d'un sous-réseau de l'antenne plate

La ligne micro-ruban 20 est disposé sur le substrat diélectrique de l'antenne, ce substrat étant superposé au plan de masse 50 de l'antenne.

La ligne 20 comporte une pastille de couplage 30, et une fente 40 est pratiquée dans le plan de masse 50 en regard de la pastille de couplage 30.

Une ligne de transmission d'énergie, typiquement un guide d'ondes 10, est agencée par rapport au plan de masse 50 de manière à réaliser un couplage électromagnétique par fente entre ladite ligne de transmission d'énergie et la pastille de couplage de la ligne 20.

La pastille de couplage collecte ainsi l'énergie rayonnée par le guide d'ondes 10 à travers la fente 40.

On aura compris que d'une manière plus générale, une antenne plate comporte au moins un sous-réseau d'éléments rayonnants (typiquement une pluralité de sous-réseaux linéaires parallèles entre eux) disposé sur le substrat, ledit sous-réseau comprenant une ligne d'alimentation de sous- réseau comportant une pastille de couplage, et une pluralité d'éléments rayonnants reliés à la ligne. Une fente est alors pratiquée dans le plan de masse en regard de la pastille de couplage de la ligne d'alimentation de chaque sous-réseau.

Selon un mode de réalisation possible, la ligne de transmission d'énergie est un guide d'ondes rectangulaire dont une face est plaquée contre le plan de masse, et des fentes de rayonnement d'onde sont pratiquées dans ladite face du guide d'ondes de manière à ce que les fentes du plan de masse et les fentes du guide d'ondes coïncident.

Selon un autre mode de réalisation possible, la ligne de transmission d'énergie est un guide d'ondes ayant une forme de U en section, ledit guide d'ondes étant agencé de manière à ce que le plan de masse ferme l'espace du guide d'ondes.

Selon encore un autre mode de réalisation possible, la ligne de transmission d'énergie est une ligne triplaque comprenant une ligne conductrice prise en sandwich entre deux plans de masse de ligne triplaque, et des fentes de rayonnement d'onde sont pratiquées dans celui des plans de masse de ligne triplaque qui est plaqué contre le plan de masse de l'antenne de manière à ce que les fentes du plan de masse et les fentes de la ligne triplaque soient superposées.

On notera que l'un des plans de masse peut être confondu avec le plan de masse de l'antenne.

On trouvera une description plus détaillée de ces modes de réalisation dans la demande de brevet français de la Demanderesse déposée le 14 novembre 2005 sous le n°0511527.

On relèvera en particulier que la ligne de transmission d'énergie peut être positionnée perpendiculairement ou en oblique par rapport aux lignes d'alimentation des sous-réseaux d'éléments rayonnants.

Dans le cadre de la présente invention, la pastille de couplage de la ligne d'alimentation 20 placée au dessus de la fente est de forme ellipsoïdale.

On mentionne que la terminologie de forme ellipsoïdale ici retenue pour qualifier la géométrie de la pastille de couplage ne doit pas être entendue comme étant limitée à une ellipse stricto sensu. Cette terminologie a effectivement vocation à s'étendre à toute forme s'approchant de l'ellipse, et plus généralement à toute forme ovoïde, et encore plus généralement à toute forme dépourvue de discontinuités (en particulier, à toute forme sans angles durs, par opposition aux formes polygonales).

On mentionne ici que toute discontinuité se traduit par un changement brutal des dimensions volumiques à l'intérieur des lignes de transmission, et des lignes micro-ruban en particulier. Les lignes micro-ruban étant des lignes ouvertes, les angles durs imposent ainsi un changement des conditions limites des champs électromagnétiques, et entraînent par conséquent un rayonnement non souhaité dans le cadre de l'invention.

L'utilisation d'une pastille ellipsoïdale présente l'avantage d'induire une meilleure polarité de polarisation du rayonnement et des meilleures performances dans le transfert de puissance du guide d'ondes vers la ligne micro-ruban.

En effet, l'absence de discontinuités permet de réduire les phénomènes de rayonnement parasites qui conduisent à la dégradation de la pureté de

polarisation du fait d'un rayonnement avec des champs polarisés d'une façon aléatoire.

On rappelle que dans le cas des antennes FH par exemple, le rayonnement se fait sur une parmi deux polarisations linéaires (verticale ou horizontale). Ainsi, si l'antenne est par exemple polarisée verticalement à une extrémité, l'antenne doit posséder la même polarité à l'autre extrémité. Ceci permet alors de réutiliser la polarisation orthogonale (horizontale dans l'exemple ici retenu) à la même fréquence pour établir la liaison entre deux autres points, parfois au voisinage immédiat.

Les antennes doivent donc présenter une bonne pureté de polarisation pour permettre une discrimination en polarité, faute de quoi d'autres liaisons de proximité utilisant la polarisation orthogonale sont susceptibles d'être dégradées.

Cette propriété est mesurable en vérifiant les diagrammes de rayonnement dans les deux polarités. Les figures 4a et 4b représentent à titre d'exemple les diagrammes de rayonnement d'une antenne à excitation par pastille de couplage rectangulaire et d'une antenne à excitation par pastille de couplage ellipsoïdale, respectivement. Sur ces figures, les références Aa et Ab représentent la composante copolaire, tandis que les références Ba et Bb représentent la composante croisée.

On constate que l'antenne à pastille ellipsoïdale conforme à l'invention de la figure 4b est "plus propre" de 10 dB dans la polarisation croisée (elle est de 10 dB en dessous par rapport à l'antenne de la figure 4a). L'antenne de la figure 4b présente ainsi par rapport à l'antenne de la figure 4a un gain en pureté de polarisation de l'ordre de 9%, se traduisant par une meilleure discrimination en polarité et par une meilleure efficacité de l'antenne.

Selon un mode de réalisation préférentiel, on adapte une géométrie circulaire pour la pastille de couplage.

Une telle géométrie circulaire permet en outre de simplifier la procédure de conception.

En particulier, le couplage guide-ligne micro ruban dépend alors d'un nombre réduit de variables, à savoir :

- le diamètre de la pastille, et

- la longueur de la fente.

Ce couplage est ainsi nettement moins sensible aux dimensions physiques, du fait du plus petit nombre de degrés de liberté par rapport à la solution à pastille rectangulaire (2 variables contre 4).

On relèvera que la géométrie retenue dans le cadre de l'invention présente par ailleurs l'avantage d'être moins sensible aux variations des dimensions physiques (de la fente ou de la pastille de couplage) issues des procédés de fabrication industrielle.

On détaille ci-après certaines caractéristiques préférentielles du couplage fente - pastille.

• La fente rayonne dans le milieu diélectrique. Sa dimension est celle d'une fente rayonnante dans ce milieu et le périmètre de la fente est alors avantageusement choisi de manière à être proche d'une longueur d'onde dans ce milieu. La largeur de la fente est préférentiellement inférieure à l'épaisseur du substrat. L'épaisseur du substrat étant très faible par rapport à la longueur d'onde dans le milieu, la longueur de la fente doit par conséquent être proche de la moitié de la longueur de l'onde dans le milieu, cela afin de bien définir la polarisation privilégiée du champ électrique transféré du guide d'ondes vers la ligne micro ruban.

• Afin de régler le couplage à la fréquence désirée et d'optimiser le transfert de puissance, on utilise une pastille circulaire dont le diamètre est environ égal aux 2/3 de la longueur de la fente ; la pastille étant alors positionnée, comme cela est illustré sur la figure 2, de manière à recouvrir la fente sur environ 2/3 de sa longueur.

• La largeur de la fente est inférieure à la moitié de l'épaisseur du substrat. L'objectif est d'avoir une largeur de la fente suffisamment

faible, et on choisit préférentiellement une largeur de fente de l'ordre de 1/3 de l'épaisseur du substrat.

• Pour la dernière fente de couplage de la série de fentes excitant la pluralité de sous-réseaux linéaires d'éléments rayonnants depuis l'arrivée du signal par le guide d'ondes, on place avantageusement un court-circuit terminant le guide d'ondes à une distance d'un quart de la longueur I de l'onde dans le guide de la fente (ou à un multiple impair du quart de cette longueur I, à savoir 3 I/4, 5 I/4, etc.) dans le but de maximiser le transfert de puissance du guide d'ondes vers la ligne micro ruban.

Comme mentionné précédemment, on met en œuvre le couplage fente- pastille ellipsoïdale pour chaque sous-réseau d'une antenne plate.

Ainsi chaque sous-réseau d'éléments rayonnants de l'antenne plate est indépendamment alimenté à l'aide d'un tel couplage.

On souligne que ce type de couplage effectue une opposition de phase de part et d'autre de la fente et le long de la ligne micro-ruban.

De ce fait, afin de remettre en phase les signaux rayonnes par les éléments rayonnants d'un sous-réseau, on peut agencer chaque bras du sous-réseau (les bras situés respectivement du côté du port P1 et du côté du port P2 de la figure 2) de sorte que éléments rayonnants sont reliés à la ligne d'alimentation sur chacun des bras en position inversée d'un bras par rapport à l'autre. On établit ainsi une inversion de phase de 180°, permettant de compenser l'opposition de phase créée par la fente de couplage entre les deux bras.

Cette disposition est visible sur la figure 3 dans la disposition inversée des deux éléments rayonnants les plus proches de la pastille de couplage 30, appartenant à chacun des bras B1 et B2, ces éléments rayonnants diamétralement opposées se situant de l'un et de l'autre côté de la ligne micro ruban. Le premier élément rayonnant du bras gauche B1 depuis la pastille est ainsi un élément situé « en haut » de la ligne 20, tandis que le

premier élément rayonnant du bras droit B2 depuis la pastille 30 est un élément situé « en bas » de la ligne 20.

On obtient de la sorte un diagramme de rayonnement d'antenne directive, avec un maximum dans l'axe de l'antenne.

La figure 3 illustre cet agencement particulier des bras de chaque sous- réseau. Sur cette figure, une antenne plate A présente un substrat diélectrique sur lequel huit sous-réseaux a1 -a8 d'éléments rayonnants 30 sont disposés. Ces sous-réseaux a1 -a8 sont linéaires et parallèles entre eux.

Chaque sous-réseau comprend une ligne d'alimentation micro-ruban 20 comportant une pastille de couplage ellipsoïdale 30, et une pluralité d'éléments rayonnants 60 reliés à la ligne de part et d'autre de la pastille 30 (on définit ainsi un bras gauche B1 du sous-réseau portant les éléments à gauche de la pastille 30, et un bras droit B2 du sous-réseau portant les éléments à droite de la pastille 30).

On notera que dans chaque bras, les éléments rayonnants 60 sont reliés successivement à un côté puis à l'autre de la ligne d'alimentation 20.

Chaque tronçon de ligne micro-ruban entre deux éléments rayonnants confère une distance électrique d'une moitié de longueur d'onde dans le milieu établissant une alimentation des éléments rayonnants en opposition de phase, la compensation se faisant par l'inversion successive des éléments rayonnants de l'un côté et de l'autre du bras B1 ou B2.

La combinaison de ces deux phénomènes a comme conséquence une alimentation et un rayonnement de l'ensemble des pastilles en phase, avec le but recherché d'obtenir un maximum de rayonnement dans l'axe de l'antenne.

La référence 10 illustre le guide d'ondes permettant d'énergiser chacune des lignes 20 par un couplage fente (non représenté) / pastille de couplage.