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EP0610126A1 - Dispositif d'antenne microruban perfectionné notamment pour récepteur hyperfréquence - Google Patents

Dispositif d'antenne microruban perfectionné notamment pour récepteur hyperfréquence Download PDF

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Publication number
EP0610126A1
EP0610126A1 EP94400204A EP94400204A EP0610126A1 EP 0610126 A1 EP0610126 A1 EP 0610126A1 EP 94400204 A EP94400204 A EP 94400204A EP 94400204 A EP94400204 A EP 94400204A EP 0610126 A1 EP0610126 A1 EP 0610126A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
dielectric layer
microstrip line
conductive pad
printed circuit
microstrip
Prior art date
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Granted
Application number
EP94400204A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP0610126B1 (fr
Inventor
Joel Medard
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Dassault Electronique SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dassault Electronique SA filed Critical Dassault Electronique SA
Publication of EP0610126A1 publication Critical patent/EP0610126A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0610126B1 publication Critical patent/EP0610126B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/065—Patch antenna array
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna

Definitions

  • the invention relates to the technical field of microstrip or "microstrip" antenna devices.
  • the geometric dimensions of the conductive pad determine the central operating frequency of the antenna device and the thickness of said dielectric layer is substantially proportional to the width of the frequency band. usable.
  • the usable frequency band in the field of telecommunication antennas, requires a thickness of dielectric layer such that, if it is desired to produce microstrip lines of impedance 50 Ohms, the width of these, is important, for example 20 mm in width for a thickness of 5 mm of air.
  • the invention provides a satisfactory solution to this problem.
  • the thickness of the dielectric layer with respect to the microstrip line is greater than that with respect to the periphery of said line.
  • the paving stone is generally circular or rectangular.
  • the conductive pad and its associated microstrip line are etched in a printed circuit metallized on one side, said block and line being in contact with the dielectric layer.
  • the substrate can act as a protective radome.
  • the substrate participates less in losses by dielectric, which makes it possible to use less expensive substrates, not dedicated to microwave applications.
  • the substrate of the printed circuit is a material based on glass fabric impregnated with epoxy-type resin, very widely used in low frequency applications.
  • the conductive plane forming a ground plane consists of a metal plate embossed with regard to the conductive pad and the microstrip line.
  • the metal plate is a stamped sheet.
  • the dielectric layer consists of air.
  • the device comprises a network of pavers with their associated microstrip lines, located on the same printed circuit.
  • the antenna device is associated with a frequency converter giving it the function of microwave receiver of satellite television signals.
  • the microstrip antenna device conventionally comprises a dielectric layer CD, carrying on one side a conductive pad PC of selected shape, and on the other a conductive plane forming a ground plane PM.
  • the dielectric layer CD consists for example of air.
  • the conductive pad is engraved on a single-sided PCB.
  • the PC driver block is etched by microphotolithography. It is made of a material such as copper, possibly tinned or varnished for better protection. It has a general circular or rectangular shape.
  • the substrate of the printed circuit CI is for example made of a material based on glass and epoxy-type resin.
  • the substrate of the printed circuit IC can advantageously serve here as a protective radome.
  • the glass-resin substrate is advantageously that sold under the reference FR4.
  • the microstrip feed line LM is also etched in the printed circuit CI by a conventional microphotolithography process.
  • the ground plane PM is produced in a metal plate of the stamped sheet metal type which is embossed to allow an adaptation of the thickness of the dielectric layer as a function of the radioelectric zones opposite said layer in order to avoid widening the width of the microstrip lines.
  • This adaptation of the thickness according to the invention is such that the thickness of the dielectric layer EP with respect to the conductive pad PC is greater than that with respect to the periphery of said conductive pad EHP and that with respect to the microstrip line EL , while the thickness of the dielectric layer with respect to the microstrip line EL is greater than that with respect to the periphery of said EHL line.
  • Such a structure makes it possible to significantly simplify the antenna device and thus to weaken the cost of production.
  • the width of the microstrip lines is of the order of 4 mm for a characteristic impedance of 50 Ohms with an EL thickness of the order of 1 mm of the dielectric layer with respect to the microstrip line.
  • Such a structure finds an advantageous application in an antenna device comprising a network of blocks interconnected with a microwave converter in the case an application for receiving microwave signals from satellite television.
  • FIG. 4 a network antenna device is shown comprising a printed circuit on which the radiating blocks are engraved.
  • LM microstrip transmission lines connect the various conducting blocks to a CV frequency converter.
  • the frequency converter CV is installed on the printed circuit CI by the CMS technology known as surface mounting.
  • WI-type WILKINSON dividers are provided with decoupling resistor to allow the connection of the various conductive blocks PC to the CV frequency converter.
  • the decoupling resistor of each Wilkinson type WI divider is installed on the printed circuit according to a CMS technology called surface mounting.
  • a UHF connector of the coaxial type is located at the rear of the PM embossed metal sheet.
  • the CV frequency converter is capable of converting frequencies from a range on the order of 2308 to 2482 MHz to a frequency on the order of 470 to 646 MHz.
  • the Applicant has obtained a receiver device operating at a central frequency of the order of 2.39 GHz and with a usable frequency bandwidth of the order of 6 to 8%.
  • the width of the microstrip lines LM is of the order of 4 mm
  • the thickness EP of the dielectric layer CD with respect to the pad PC is of the order of 5 mm
  • the thickness EL is of l '' order of 1 mm.
  • the diameter of the conductive blocks is of the order of 52 mm.
  • the microwave converter is housed in a recess or boss of the ground plane.
  • the thicknesses EHP and EHL are zero insofar as the stamped sheet directly supports the printed circuit in places other than the blocks and the microstrip lines. These thicknesses may not be zero when the dielectric is not air when a support is provided to support the printed circuit.
  • the main axis of the antenna device is generally directed towards the satellite.
  • the invention generally relates to an antenna device with an array of radiating elements, the main axis of which does not point the satellite permanently by construction, and in which it is provided, at the level of the distributor d feeding microstrip lines of said radiating elements, an appropriate phase and / or time law.
  • Such a variant makes it possible to have a satellite reception antenna in any location, for example placed on the facade of a building or on the roof thereof.

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Abstract

Le dispositif d'antenne microruban comprend : une couche diélectrique (CD), portant d'un côté un pavé conducteur (PC) de forme choisie, et de l'autre un plan conducteur formant plan de masse (PM) ; et un circuit d'alimentation comprenant au moins une ligne microruban (LM) connectée au pavé conducteur (PC) et implantée dans la couche diélectrique (CD) dans le même plan que le pavé conducteur (PC). L'épaisseur de la couche diélectrique au regard de la ligne microruban (EL) est supérieure à celle au regard de la périphérie de ladite ligne microruban (ML). <IMAGE>

Description

  • L'invention se rapporte au domaine technique des dispositifs d'antennes microruban ou "microstrip".
  • Elle trouve une application particulière dans la réception hyperfréquence de signaux de télévision par satellite.
  • De façon connue, un dispositif d'antenne microruban comporte une structure rayonnante comprenant :
    • une couche diélectrique, portant d'un côté un pavé conducteur de forme choisie, et de l'autre un plan conducteur formant plan de masse, et
    • un circuit d'alimentation définissant le mode d'alimentation de cette structure rayonnante en énergie hyperfréquence et comprenant par exemple au moins une ligne microruban connectée au pavé conducteur et implantée dans la couche diélectrique dans le même plan que le pavé conducteur.
  • L'homme du métier sait que, pour une constante diélectrique donnée, les dimensions géométriques du pavé conducteur déterminent la fréquence centrale de fonctionnement du dispositif d'antenne et l'épaisseur de ladite couche diélectrique est sensiblement proportionnelle à la largeur de la bande de fréquence utilisable.
  • Ainsi, pour conserver une largeur de bande de fréquence utilisable prédéterminée, il convient de déterminer une épaisseur de couche diélectrique correspondante.
  • La bande de fréquence utilisable, dans le domaine des antennes de télécommunication, nécessite une épaisseur de couche diélectrique telle que, si l'on désire réaliser des lignes microruban d'impédance 50 Ohms, la largeur de celles-ci, est importante, par exemple 20 mm de largeur pour une épaisseur de 5 mm d'air.
  • L'usage d'une telle largeur de ligne engendre des inconvénients, notamment pour l'implantation du distributeur d'alimentation lorsque le dispositif d'antenne comprend un réseau de pavés conducteurs ainsi que pour la réalisation des coupleurs résistifs des lignes microruban d'alimentation. Elle engendre également un rayonnement parasite plus important.
  • Une solution consiste à travailler alors avec une impédance de ligne de valeur supérieure à 50 Ohms, par exemple 70 Ohms, mais elle a l'inconvénient d'impliquer des tronçons d'adaptation encombrants et difficiles à mettre en oeuvre.
  • L'invention apporte une solution satisfaisante à ce problème.
  • Elle porte sur un dispositif d'antenne microruban du type décrit ci-avant.
  • Selon une définition générale de l'invention, l'épaisseur de la couche diélectrique au regard de la ligne microruban est supérieure à celle au regard de la périphérie de ladite ligne.
  • Une telle adaptation de l'épaisseur de la couche diélectrique, en fonction de la zone radioélectrique en regard de ladite couche, permet d'éviter l'usage de lignes microruban larges, ce qui favorise en conséquence l'implantation de distributeur d'alimentation dans un dispositif d'antenne comprenant un réseau de pavés conducteurs rayonnants.
  • En pratique, le pavé est de forme générale circulaire ou rectangulaire.
  • Selon un aspect de l'invention, le pavé conducteur et sa ligne microruban associée sont gravés dans un circuit imprimé métallisé sur une seule face, lesdits pavé et ligne étant au contact de la couche diélectrique.
  • Une telle réalisation a pour conséquence de mettre le substrat du circuit imprimé au-dessus du pavé et de sa ligne par rapport au plan de masse, ce qui confère deux avantages.
  • Tout d'abord, le substrat peut assurer le rôle de radôme de protection.
  • Enfin, le substrat participe moins aux pertes par diélectrique, ce qui permet d'utiliser des substrats moins chers, non dédiés aux applications hyperfréquences.
  • Avantageusement, le substrat du circuit imprimé est un matériau à base de tissu de verre imprégné de résine genre époxy, très largement répandu dans les applications basses fréquences.
  • Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le plan conducteur formant plan de masse est constitué d'une plaque métallique embossée au regard du pavé conducteur et de la ligne microruban.
  • Par exemple, la plaque métallique est une tôle emboutie.
  • Selon une caractéristique importante de l'invention, la couche diélectrique est constituée d'air.
  • Selon une application de l'invention, le dispositif comprend un réseau de pavés avec leurs lignes microruban associées, implantés sur le même circuit imprimé.
  • Avantageusement, dans l'application récepteur hyperfréquence, le dispositif d'antenne est associé à un convertisseur de fréquence lui conférant une fonction de récepteur hyperfréquence de signaux de télévision par satellite.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description détaillée ci-après et des dessins dans lesquels :
    • la figure 1 est une vue en coupe partielle selon la coupe B-B' d'un pavé conducteur selon l'invention ;
    • la figure 2 est une vue en coupe partielle selon la coupe A-A' d'une ligne microruban selon l'invention ;
    • la figure 3 est une vue en coupe partielle selon la coupe C-C' d'un pavé conducteur et d'une ligne microruban selon l'invention ; et
    • la figure 4 est une vue de dessus de dix pavés conducteurs interconnectés à un convertisseur de fréquence selon l'invention.
  • En référence aux figures 1 à 3, le dispositif d'antenne microruban comprend d'une façon classique une couche diélectrique CD, portant d'un côté un pavé conducteur PC de forme choisie, et de l'autre un plan conducteur formant plan de masse PM.
  • La couche diélectrique CD est constituée par exemple d'air.
  • Le pavé conducteur est gravé sur un circuit imprimé CI simple face.
  • Par exemple, le pavé conducteur PC est gravé par microphotolithographie . Il est constitué d'un matériau tel que du cuivre, le cas échéant étamé ou verni pour une meilleure protection. Il a une forme générale circulaire ou rectangulaire.
  • Le substrat du circuit imprimé CI est par exemple constitué d'un matériau à base de verre et de résine genre époxy.
  • L'homme du métier comprendra que le substrat du circuit imprimé CI peut servir ici avantageusement de radôme protecteur.
  • Pour des raisons de coût, le substrat verre-résine est avantageusement celui vendu sous la référence FR4.
  • De préférence, la ligne microruban d'alimentation LM est elle aussi gravée dans le circuit imprimé CI par un procédé classique de microphotolithogravure.
  • Le plan de masse PM est réalisé dans une plaque métallique du type tôle emboutie qui est embossée pour permettre une adaptation de l'épaisseur de la couche diélectrique en fonction des zones radioélectriques en regard de ladite couche afin d'éviter d'élargir la largeur des lignes microruban.
  • Cette adaptation de l'épaisseur selon l'invention est telle que l'épaisseur de la couche diélectrique EP au regard du pavé conducteur PC est supérieure à celle au regard de la périphérie dudit pavé conducteur EHP et à celle au regard de la ligne microruban EL, tandis que l'épaisseur de la couche diélectrique au regard de la ligne microruban EL est supérieure à celle au regard de la périphérie de ladite ligne EHL.
  • Une telle structure permet de simplifier notablement le dispositif d'antenne et ainsi d'affaiblir le coût de réalisation.
  • Par exemple, la largeur des lignes microruban est de l'ordre de 4 mm pour une impédance caractéristique de 50 Ohms avec une épaisseur EL de l'ordre de 1 mm de la couche diélectrique au regard de la ligne microruban.
  • Une telle structure trouve une application avantageuse dans un dispositif d'antenne comprenant un réseau de pavés interconnectés à un convertisseur hyperfréquence dans le cas d'une application récepteur hyperfréquence de signaux de télévision par satellite.
  • Sur la figure 4, il est représenté un dispositif d'antenne réseau comprenant un circuit imprimé sur lequel sont gravés les pavés rayonnants.
  • Dans l'application visée, dix pavés circulaires PC individualisées en PC1 à PC10 sont gravés sur le circuit imprimé.
  • Des lignes de transmission microruban LM relient les différents pavés conducteurs à un convertisseur de fréquence CV.
  • Par exemple, le convertisseur de fréquence CV est implanté sur le circuit imprimé CI par la technologie CMS dite montage de surface.
  • De façon classique, il est prévu des diviseurs WI type WILKINSON avec résistance de découplage pour permettre la liaison des différents pavés conducteurs PC au convertisseur de fréquence CV.
  • De préférence, la résistance de découplage de chaque diviseur WI de type Wilkinson est implanté sur le circuit imprimé selon une technologie CMS dite montage de surface.
  • Enfin, un connecteur UHF du type coaxial est situé à l'arrière de la tôle métallique embossée PM.
  • Par exemple, le convertisseur de fréquence CV est capable de convertir les fréquences d'une plage de l'ordre de 2308 à 2482 MHz à une fréquence de l'ordre de 470 à 646 MHZ.
  • Avec une telle structure, la Demanderesse a obtenu un dispositif récepteur fonctionnant à une fréquence centrale de l'ordre de 2,39 GHz et avec une largeur de bande de fréquence utilisable de l'ordre de 6 à 8%.
  • Pour un tel résultat, la largeur des lignes microruban LM est de l'ordre de 4 mm, l'épaisseur EP de la couche diélectrique CD au regard du pavé PC est de l'ordre de 5 mm et l'épaisseur EL est de l'ordre de 1 mm. Le diamètre des pavés conducteurs est de l'ordre de 52 mm.
  • En variante, le convertisseur hyperfréquence est logé dans un évidement ou bossage du plan de masse.
  • Dans cette structure, les épaisseurs EHP et EHL sont nulles dans la mesure où la tôle emboutie soutient directement le circuit imprimé aux endroits autres que les pavés et les lignes microruban. Ces épaisseurs peuvent ne pas être nulles lorsque le diélectrique n'est pas de l'air lorsqu'un support est prévu pour supporter le circuit imprimé.
  • L'homme du métier comprendra que la réalisation d'un tel dispositif d'antenne est susceptible d'être réalisé à faible coût, ce qui permet une application grand public, notamment pour les dispositifs d'antenne pour la réception hyperfréquence de signaux de télévision par satellite.
  • Dans l'application réception hyperfréquence de signaux de télévision par satellite, l'axe principal du dispositif d'antenne est généralement dirigé vers le satellite.
  • En variante, l'invention a généralement pour objet un dispositif d'antenne à réseau d'éléments rayonnants, dont l'axe principal ne pointe pas le satellite de façon permanente par construction, et dans lequel il est prévu, au niveau du distributeur d'alimentation en lignes microruban desdits éléments rayonnants, une loi de phase et/ou de temps appropriée.
  • Une telle variante permet de disposer une antenne de réception par satellite dans un endroit quelconque, par exemple plaquée sur la façade d'un immeuble ou sur le toit de celui-ci.

Claims (10)

  1. Dispositif d'antenne microruban comprenant :
    - une couche diélectrique (DC) portant d'un côté un pavé conducteur (PC) de forme choisie, et de l'autre un plan conducteur formant plan de masse (PM) ; et
    - un circuit d'alimentation comprenant au moins une ligne microruban (LM) connectée au pavé conducteur (PC) et implantée dans la couche diélectrique (CD) dans le même plan que le pavé conducteur (PC),
    caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche diélectrique au regard de la ligne microruban (EL) est supérieure à celle au regard de la périphérie de ladite ligne (EHL).
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pavé conducteur (PC) et la ligne microruban (LM) sont gravés sur un circuit imprimé (CI) simple face au contact de la couche diélectrique (CD) et en ce que le substrat du circuit imprimé assure en outre le rôle de radôme.
  3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le substrat du circuit imprimé (CI) est constitué d'un matériau à base de verre et de résine, genre époxy.
  4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le plan conducteur formant plan de masse (PM) est constitué d'une plaque métallique embossée au regard du pavé conducteur et de la ligne microruban.
  5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la plaque métallique est une tôle emboutie.
  6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche diélectrique est constituée d'air.
  7. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les épaisseurs de la couche diélectrique respectivement au regard de la périphérie du pavé (EHP) et de la périphérie de la ligne microruban (EHL) sont sensiblement nulles, la tôle emboutie supportant le circuit imprimé.
  8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce qu'il comprend un réseau de pavés implantés avec leurs lignes microruban associées, implantés sur le même circuit imprimé.
  9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il est associé à un convertisseur de fréquence (CV) lui conférant une fonction de récepteur hyperfréquence de signaux de télévision par satellite.
  10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le faisceau de l'antenne est dépointé de façon permanente par construction en réalisant, au niveau du distributeur d'alimentation en lignes microruban du réseau de pavés, une loi de phase et/ou de temps appropriée.
EP94400204A 1993-02-04 1994-01-31 Dispositif d'antenne microruban perfectionné notamment pour récepteur hyperfréquence Expired - Lifetime EP0610126B1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
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FR9301248A FR2701168B1 (fr) 1993-02-04 1993-02-04 Dispositif d'antenne microruban perfectionné notamment pour récepteur hyperfréquence.

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP0610126A1 true EP0610126A1 (fr) 1994-08-10
EP0610126B1 EP0610126B1 (fr) 1998-08-12

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ID=9443733

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP94400204A Expired - Lifetime EP0610126B1 (fr) 1993-02-04 1994-01-31 Dispositif d'antenne microruban perfectionné notamment pour récepteur hyperfréquence

Country Status (9)

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US (1) US5477231A (fr)
EP (1) EP0610126B1 (fr)
JP (1) JPH06260830A (fr)
AT (1) ATE169777T1 (fr)
DE (1) DE69412296T2 (fr)
DK (1) DK0610126T3 (fr)
ES (1) ES2122180T3 (fr)
FR (1) FR2701168B1 (fr)
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