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EP1605546A1 - Dispositif rayonnant à alimentation orthogonale - Google Patents

Dispositif rayonnant à alimentation orthogonale Download PDF

Info

Publication number
EP1605546A1
EP1605546A1 EP05290270A EP05290270A EP1605546A1 EP 1605546 A1 EP1605546 A1 EP 1605546A1 EP 05290270 A EP05290270 A EP 05290270A EP 05290270 A EP05290270 A EP 05290270A EP 1605546 A1 EP1605546 A1 EP 1605546A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ground plane
main
coupling
line
supply line
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05290270A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Hervé Legay
Guillaume Lathiere
Raphael Gillard
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.)
Alcatel Lucent SAS
Original Assignee
Alcatel SA
Nokia Inc
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 Alcatel SA, Nokia Inc filed Critical Alcatel SA
Publication of EP1605546A1 publication Critical patent/EP1605546A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • 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
    • H01Q9/045—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means
    • H01Q9/0457—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means electromagnetically coupled to the feed line
    • 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
    • H01Q9/0485—Dielectric resonator antennas

Definitions

  • the invention relates to the field of transmitting antennas and / or reception, and more particularly the radiating devices (or elements) equip such antennas.
  • the term "radiating device” means a combination of minus one main power line, a radiant ground plane, and of a resonant structure charged with radiating energy according to a wavelength ⁇ chosen when excited by the power line principal, possibly via coupling means belonging to the plan radiant mass.
  • antenna is understood to mean both antennas traditional than focal network antennas, such as multibeam antennas with reflectors (FAFR or passive type), or active direct radiation network antennas.
  • FAFR multibeam antennas with reflectors
  • the feeding of devices or radiating elements is usually done by coupling electromagnetic structure resonant to the power line that is parallel to the radiant mass plane and realized in a so-called technology Planar.
  • the supply line may be, for example, microstrip type, coplanar or triplate, and it can be coupled to the resonant structure either by proximity coupling, or by electromagnetic coupling through a coupling slot made in the radiating mass plane.
  • This planar technology poses a number of problems techniques.
  • the supply circuit being placed on the ground plane radiating or beneath it, the resonant structure may be disturbed by unwanted radiation or parasitic couplings.
  • the supply circuit being placed parallel to the plane mass, it is difficult to insert into the network mesh equipment such as low-noise amplifiers (LNAs) or power amplifiers (or HPAs), and / or phase-shifting cells whose the dimensions are typically about 0.6 ⁇ .
  • LNAs low-noise amplifiers
  • HPAs power amplifiers
  • phase-shifting cells whose the dimensions are typically about 0.6 ⁇ .
  • An alternative power supply has been proposed in the IST project Multikara antenna focal network at 30 GHz. It consists of using a transition from microstrip type to guide access, then to flush guide access so as to constitute a cornet. Such a transition can not be used when compactness is a determining factor. In addition, it does not allow to consider a double polarization in the radiating mass plane.
  • a device radiating comprising i) a first ground plane having at least one line surface electric field main power supply, (ii) a second plane of mass substantially perpendicular to the first plane of mass, preferably electrically connected to the latter at least near the line main power supply, and comprising coupling means electromagnetic power supplied orthogonally by a first end of the main supply line, and iii) a resonant structure charged with radiate energy according to a chosen wavelength ⁇ when it is excited by electromagnetic coupling at the first end of the line main supply, via the coupling means of the second plane of mass.
  • electrical field power supply line is surface "is a coplanar line or a slit (or microfent) line.
  • the resonant structure is chosen from the pavers, dielectric resonators and air resonators ( ⁇ / 4 thickness).
  • the coupling means comprise at least one coplanar auxiliary supply line, substantially perpendicular to the main supply line and having a first end coupled to the first end of the main power line and a second end coupled by proximity to the resonant structure.
  • the coupling means comprise a coupling slot of chosen shape and arranged to provide coupling between the first end of the main supply line and the resonant structure.
  • the device comprises a third substantially perpendicular ground plane to the first and second mass planes and comprising in two selected places two substantially parallel main power lines and of type coplanar.
  • the first ground plane then has two selected locations two substantially parallel main power lines and of type coplanar
  • the coupling means comprise a coupling slot having a general cross shape at first and second branches substantially perpendicular; the first branch presenting two opposite ends coupled respectively to the two feed lines principal of the first mass plane and the second leg presenting two opposite ends coupled respectively to the two feed lines principal of the third ground plane, so as to allow a double linear polarization.
  • the first branch may include an extended longitudinal side, in both ends, by two microfentes adaptation of dimensions and shapes selected, and having substantially perpendicular connecting portions at the longitudinal side and spaced by a selected distance; the first end of each main supply line of the first ground plane opening then substantially at the level of the connection between one of the ends of the longitudinal side of the first branch and the connecting parts microfentes of adaptation.
  • the second branch then comprises one side Longitudinal extension, at both ends, by two microfentes of adaptation of selected dimensions and shapes, and having parts of substantially perpendicular to the longitudinal side and spaced apart by chosen distance; the first end of each feed line principal of the third plane of mass, opening substantially at the level of the connection between one end of the longitudinal side of the second branch and the connecting parts of the fitting microfentes.
  • each microfence of adaptation can comprise a terminal part extending, at a chosen angle, its connecting portion.
  • the device in a fourth embodiment also dedicated to the multipolarization, includes a feed structure having four walls, physically connected two by two in defining a recessed cylinder of square section.
  • the first wall is consisting of the first ground plane that includes a power line main slot.
  • the second wall consists of a third plane of mass substantially perpendicular to the first and second ground planes and has a main slit feed line.
  • the third wall is consisting of a fourth plane of mass substantially perpendicular to second and third ground planes and has a power line main slot.
  • the fourth wall consists of a fifth plane of mass substantially perpendicular to the first, second and fourth planes of mass and has a main slot feed line.
  • the coupling means comprise a coupling slot having a general cross shape at first and second branches substantially perpendiculars; the first branch having two opposite ends coupled respectively to the main supply lines of the first and fourth mass planes and the second branch with two extremities opposed respectively to the main supply lines of the third and fifth ground planes, so as to allow a double linear polarization.
  • the device in a fifth embodiment also dedicated to the multipolarization, includes a third ground plane substantially perpendicular to the first and second ground planes and consisting of two main supply lines in two selected locations slit substantially parallel.
  • the first plane of mass comprises in two selected locations two main power lines with substantially slit parallel.
  • the coupling means comprise a slot of coupling having a general shape in first, second, sharp third and fourth branches substantially perpendicular two by two; the first and third branches being respectively coupled by a middle portion at the main feed lines of the first ground plane, and the second and fourth branches being respectively coupled by a middle part at the main feed lines of the third plane of mass, so as to allow a linear double polarization.
  • the first and third ground planes can each include a coplanar connection line having a split end in two parts defining the two main slot feed lines.
  • the coupling between the resonant structure and the slot of The coupling may be either inductive or capacitive, or electric dipole type.
  • the second plane of mass (PM2) is preferentially formed on a buffer substrate of thickness chosen so as to adapt impedance.
  • the device may optionally comprise a coupled horn (by proximity effect) to the resonant structure, in order to be excited by it to radiate energy according to a chosen template.
  • the invention also proposes an antenna, possibly of a network, equipped with at least one radiating device of the type presented above.
  • the invention is particularly well adapted, although in a non exclusive to focal network antennas, such as antennas multibeam reflectors, and active radiation network antennas direct.
  • the object of the invention is to allow, optionally, a radiation in monopolarization or multipolarization mode using a device (or element) radiating orthogonal supply.
  • Such a radiating device is intended to be integrated into a antenna, and preferably in a network antenna, for example a focal network antenna, such as a multibeam reflector antenna (of FAFR or passive type), or an active direct radiation network antenna. he can also be integrated in a primary source of reflector, especially when the source is of the dual-band type (in this case, as as will be seen later, the invention makes it possible to free up space to excite a same horn in a lower band).
  • a focal network antenna such as a multibeam reflector antenna (of FAFR or passive type), or an active direct radiation network antenna.
  • he can also be integrated in a primary source of reflector, especially when the source is of the dual-band type (in this case, as as will be seen later, the invention makes it possible to free up space to excite a same horn in a lower band).
  • a radiating device D comprises first of all a first ground plane PM1, placed in an XZ plane, and comprising at least a main power supply line LP1 surface electric field, intended to be connected to antenna equipment, for example an amplifying chip, such as a MMIC (possibly including a low noise amplifier (or LNA) or power amplifier (or HPA), or a phase-shifter cell.
  • an amplifying chip such as a MMIC (possibly including a low noise amplifier (or LNA) or power amplifier (or HPA), or a phase-shifter cell.
  • the line LP1 surface electric field power supply is a coplanar line, but as we will see later, it could be a slit line (or Microslot).
  • Device D also comprises a second ground plane PM2, placed in an XY plane, substantially perpendicular to the first plane of mass PM1, preferably electrically connected to the latter at least close to the main LP1 power line, and including electromagnetic coupling powered orthogonally by a first end of the LP1 main power line.
  • a second ground plane PM2 placed in an XY plane, substantially perpendicular to the first plane of mass PM1, preferably electrically connected to the latter at least close to the main LP1 power line, and including electromagnetic coupling powered orthogonally by a first end of the LP1 main power line.
  • the second plane of mass PM2 is preferably formed by metallization of the "lower" face of a substrate called “buffer” SBT (assimilated in some figures to its ground plane PM2).
  • first plane of mass PM1 is preferentially formed by metallization of the "front" face of a buffer substrate (not shown in the figures and assimilated to his mass plan PM1).
  • the coupling means electromagnetic are made in the form of a power line coplanar auxiliary LA formed on the "upper" side of the second plane of mass PM2, or else, as illustrated, in particular, in FIG. its underside when it is metallized, and extending (continuously) the main supply line LP1 at a connection zone Z.
  • the device D comprises a resonant structure SR placed on the upper face of the second ground plane LP2, above the line auxiliary power supply LA and at the end thereof.
  • This structure resonant SR is responsible for radiating energy, according to a length operating wave angle ⁇ chosen, when excited by coupling electromagnetic at the first (upper) end of the line main supply LP1, via the coupling means LA of the second plane PM2 mass.
  • the resonant structure SR can be either a block (or "patch"), of rectangular or circular shape, ie a massive dielectric resonator, by example realized, as illustrated, in the form of a rectangular parallelepiped of selected dimensions, that is to say an air resonator, for example realized in the form of a rectangular parallelepiped of thickness ⁇ / 4 according to the direction.
  • an air resonator or cavity
  • PM2 ground plane
  • a top wall of dielectric material and lateral walls (according to Z) of dielectric material of thickness ⁇ / 4 thus allowing to contain the fields in a non dissipative medium.
  • the Thickness constraint results from the coefficients opposite to the interfaces air / dielectric and dielectric / air which are made coherent by a thickness equal to ⁇ / 4.
  • the resonant structure SR is coupled to Auxiliary power line LA by proximity effect.
  • the first PM1 and second ground plane PM2 are produced on alumina substrates having a thickness equal to approximately 0.635 mm and a permittivity ⁇ r equal to approximately 9, 9, a second part, the central conductors of the main supply lines LP1 and auxiliary LA have a width W c equal to about 0.5 mm, thirdly, the slots placed on either side of the main supply lines LP1 and auxiliary LA, have a width G s equal to about 0.23 mm, and fourthly, the thickness e of ground plane eliminated at the end of the central conductors is equal about 0.23 mm.
  • Such an embodiment provides a characteristic impedance of approximately 50 ⁇ and makes it possible to obtain at the transition between the orthogonal lines (LP1 and LA) a bandwidth greater than 50% at 12.25 GHz for the S 11 mode. . It is recalled that in the presence of an auxiliary line LA formed on the upper face of the radiating ground plane PM2, a slot must be formed in the line coupling zone Z, which generates a radiating discontinuity and limits the bandwidth of the transition.
  • auxiliary supply line LA over a selected distance beyond the connection zone Z, in order to constitute a coplanar impedance adapter (or coplanar stub).
  • the extension is preferentially done over a length equal to ⁇ / 4. For example, if we take the above dimensions and we choose a stub length equal to about 2.2 mm, we can obtain a bandwidth of about 68% to 12.25 GHz for S mode 11 .
  • FIGS. 4 to 9 describe a second exemplary embodiment of a radiating device D, according to the invention, also suitable for monopolarization.
  • the coupling means are made in the form of a coupling slot.
  • This coupling slot is preferably positioned in the center of the resonant structure SR, in order to obtain maximum coupling and to minimize the higher modes in said radiating structure SR, and therefore the radiation in cross polarization.
  • the coupling slot FR has a shape general rectangular, but interrupted in its central part by a portion of the second ground plane.
  • the coupling slot FR has two parts FRa and FRb.
  • the long sides of the FR coupling slot extend in the (longitudinal) direction X, while its small sides, called transverse sides, extend in the direction (transverse) Y.
  • the first ground plane being installed in the XZ plane, the upper end of its LP1 main supply line opens therefore parallel to one of the longitudinal sides.
  • This embodiment corresponds to an inductive coupling between the top end of the LP1 main power line and the structure resonant SR.
  • each part FRa and FRb of the coupling slot is extended by an adapter impedance ST (or stub).
  • These two stubs ST are slots rectangles that extend perpendicularly to one of the sides longitudinal portions FRa and FRb parts of the coupling slot.
  • the extension is done on a length equal to ⁇ / 4.
  • the first ground plane PM1 is positioned so that that the upper end of its main LP1 power line is placed below the stubs ST, at their parts ensuring the connection with the longitudinal side of the coupling slot FR.
  • the spacing between the two portions FRa and FRb of the coupling slot which is the same as that W c between the two stubs ST, which is itself equal to the width of the central conductor of the main supply line LP1 , for example is chosen equal to about 0.5 mm.
  • the width G s of the stubs ST which is substantially equal to the width of the slots of the main supply line LP1 is for example chosen to be equal to about 0.23 mm.
  • the length L s of ST stubstubstubstubstubstubstubs in the transverse direction (Y) is for example chosen to be equal to about 2.2 mm.
  • the length L (in the longitudinal direction X) and the width l (in the transverse direction Y) of the coupling slot FR are for example respectively equal to about 5.2 mm and 0.4 mm. With such values, it is possible to obtain a bandwidth of about 8% at 12.25 GHz for the S 11 mode, in the case of inductive coupling. Higher bandwidths can be obtained by capacitive or electrical dipole coupling.
  • the bandwidth can be increased by slightly increasing the length L s of the ST stubs, due to a resonance effect at the coupling slot FR.
  • FIGS. 7 and 8 show a first variant of embodiment of the second embodiment described above, with reference FIGS. 4 to 6.
  • the coupling between the end top of the LP1 main power line and the resonant structure SR is no longer an inductive type. It is indeed of the capacitive type because the coupling slot FR is no longer interrupted in its central part by a portion of the second ground plane PM2.
  • FIG. 9 shows a second alternative embodiment of the second embodiment described above, with reference to FIGS. 4 to 6.
  • the coupling between the upper end of the main supply line LP1 and the resonant structure SR is no longer of the inductive type. It is in effect of electric dipole type (or "T match") because the conductive portion of the second ground plane remains present in most of the coupling slot (FR).
  • a flared type dipole can be used.
  • FIG. 10 also shows a third exemplary embodiment of a radiating device D according to the invention.
  • this third example which constitutes a variant of the first capacitively coupled variant of FIG. 8
  • the distance G P separating the resonant structure SR from the terminal portion of the central conductor of the main supply line LP1
  • the central conductor of the main supply line LP1 is interrupted at a selected distance from the second ground plane PM2. This produces a capacitive coupling that compensates for the inductive coupling of the coupling slot FR. This makes it possible to adapt the impedance and therefore significantly increase the bandwidth, while avoiding resorting to a stub.
  • a buffer substrate SBT Duroid TM 5880 having a permittivity ⁇ r equal to about 2.2.
  • the first ground plane PM1 always has a main LP1 power line type coplanar.
  • the coupling slot FR ' has a shape general rectangular defined by a longitudinal direction Y (large side) and a transverse direction X (small side), and on the other hand, the upper end (ES) main supply line LP1 is bent substantially at 90 ° to be placed under the coupling slot FR 'parallel to the direction transverse X.
  • the coupling slot FR has long sides (longitudinal) parallel to the longitudinal direction Y and short sides (transverse) parallel to the (transversal) direction X. Furthermore, the upper end of LP1 main power line is placed under the FR coupling slot " parallel to the transverse direction X, and preferably in the middle of this slot FR "(as shown).
  • FIG. 13 The surface field ⁇ I in the main supply line LP1 and the field ⁇ R radiated by the coupling slot FR are shown in FIG. 13. This figure shows the very good connection of the fields ⁇ I , and ⁇ R offered by this embodiment.
  • the first PM1 and second PM2 mass planes can be made on alumina substrates of thickness equal to about 0.635 mm and permittivity ⁇ r equal to about 9.9
  • the microfine of the main supply line LP1 may have a width W s equal to about 0.96 mm
  • the coupling slot FR may have a length L and a width l respectively equal to about 13 mm and about 0.96 mm
  • the resonant structure can be a square base dielectric resonator whose side is equal to about 16 mm and height d / 2 equal to about 7.62 mm , made in an Eccostock TM HIK500 type ceramic having a permittivity ⁇ r equal to about 9.7 to 5 GHz
  • Such an embodiment provides a characteristic impedance of about 147 ⁇ .
  • the two ST 'stubs are slots (or microfentes) communicate with the slot (or microfence) of the LP1 main supply line, on either side of it, to the same chosen distance from the terminal part of its upper end.
  • These ST 'stubs are preferentially rectangular, their large sides being, for example, parallel, at least in part, to the X direction and their small sides parallel to the Z direction (here vertical).
  • stubs ST ' having a length Ls equal to about 17 mm and distant from the coupling slot FR "by a distance d s equal to about 2.1 mm.
  • d s equal to about 2.1 mm.
  • ST stubs can be bent or folded parallel to the slot of the slit line LP1.
  • Such a transition TR is illustrated in FIG. connect the LP1 slot feed line to a connection line LC, preferably coplanar type.
  • a coplanar connection line is preferable because it is performed in a single-ply technology such as slit main power line, and it facilitates connection to some equipment is just MMICs.
  • This transition TR is intended to convert one of the two fields of antiparallel surface ⁇ 1 (even mode) and ⁇ 2 (odd mode), which propagate in the microfentes located on both sides of the central conductor of the LC coplanar connection line, in a surface field ⁇ 2 '(even mode) identical to the other surface field ⁇ 1 and therefore to the one that propagates in the slit of the LP1 main slot feed line.
  • a phase shift of 180 ° is thus carried out on one of the two slots of the coplanar connection line LC in order to phase their fields ⁇ 1 and ⁇ 2, thus making it possible to combine the two slots to constitute the slot of the power supply line.
  • the transition comprises three meanders of length L m , in the X direction, for example equal to about 3.2 mm.
  • L c of the conductor at the output of the transition TR must be optimized.
  • L c is chosen to be about 0.25 mm.
  • air bridges are introduced along the line of coplanar connection LC so as to block the evolution of the reflection of the mode1 even mode, not out of phase, so that its value is substantially independent of the length of the coplanar LC connection line.
  • FIG. 17 shows a variant of the radiating device D of FIG. 14 incorporating a transition TR of the type of that described above with reference to FIG. 16. Thanks to such an arrangement, and in the presence of the values presented in FIG. before, one can obtain a bandwidth of about 14% at 5 GHz for mode S 11 .
  • FIG. 18 Reference is now made to Figures 18 to 20 to describe a sixth exemplary embodiment of a radiating device D, according to the invention, adapted to multipolarization, and more precisely to a linear double polarization.
  • the coupling means are made in the form of a cross-shaped FC coupling slot.
  • a first branch B1 of the FC cross is placed in the Y direction, while a second branch B2, perpendicular to B1, is placed next the X direction.
  • Each linear polarization is excited by one of the two branches B1 and B2 of the FC coupling slot, which are respectively coupled by their two opposite ends to two main supply lines LP1 and LP3 on the one hand, and LP2 and LP4 on the other hand.
  • the four main supply lines LP1 to LP4 are respectively formed on four ground planes PM1, PM3, PM4 and PM5, perpendicular two by two and secured to form a SA cylindrical feed structure of square section.
  • the "front" end of the first branch B1 is coupled to the upper end of the line LP1 main power supply located on the first ground plane PM1
  • the "rear” end of the first branch B1 is coupled to the end top of the LP3 main power line located on the fourth PM4 ground plane
  • the "right” end of the second B2 branch is coupled to the upper end of the main LP2 power line located on the third ground plane PM3
  • the "left" end of the second branch B2 is coupled to the upper end of the line LP4 main power supply located on the fifth PM5 ground plane.
  • each line is placed parallel to the transverse sides of the branch B1 or B2 to which it is coupled.
  • FIG. 21 a seventh exemplary embodiment of a radiating device D, according to the invention, also suitable for multipolarization, and more specifically for a double linear polarization.
  • the coupling means are made in the form of a sharpening slot FD (#).
  • first B1 and third B3 sharp branches are placed parallel to the X direction, so shifted, while second B2 and fourth B4 branches, perpendicular to B1 and B3, are placed parallel to the Y direction, from staggered way.
  • the slot can also have a shape square, which is a particular form of a sharp.
  • each branch B1 to B4 is coupled by a median part to the top end of a main power line LP11, LP12, LP21 or LP22.
  • the four main power lines LP11, LP12, LP21 and LP22 are formed in pairs on two ground planes PM1 and PM3, perpendicular to each other.
  • the center of the first branch B1 is coupled to the upper end of the line LP11 main power supply located on the first ground plane PM1
  • the center of the third branch B3 is coupled to the upper end of the LP12 main power line located on the first ground plane PM1 at a distance of LP11 equal to the distance separating B1 from B3
  • the center of the second branch B2 is coupled to the upper end of the line LP22 main power supply located on the third ground plane PM3
  • the center of the fourth branch B4 is coupled to the upper end of the LP21 main power line located on the third ground plane PM3, at a distance of LP22 equal to the distance separating B2 from B4.
  • the first PM1 and third PM3 mass plans realize as well a feed structure SA 'crosswise.
  • the four feed lines main LP11, LP12, LP21 and LP22 are slit type. Therefore, each line is placed parallel to the transverse sides of the branch B1, B2, B3 or B4 to which it is coupled.
  • FIG. 23 shows a particularly advantageous example of embodiment of the two main supply lines of the ground planes PM1 and PM3.
  • a coplanar-type LC connection line is used to define the two main supply lines of a ground plane.
  • each slot (or microfence) placed on one side of the central conductor of the coplanar connection line LC has a first linear portion of width G s and a second transition portion disoriented with respect to the first part and having a increasing width of G s to a value W s , equal to the width of a slot of a main supply line LP11.
  • the second parts extend over a chosen height L t .
  • the distance separating the two slots of the coplanar connection line LC is thus constant and equal to W c at the level of the first parts, while it increases to a value d f equal to the distance separating the branches B1 and B3 or B2 and B4 of the coupling slot in FD sharp, at the second parts.
  • the two main supply lines LP11 and LP12 or LP21 and LP22 of the first PM1 or third PM3 ground plane therefore start at the output of the second portions of the slots of the coplanar connection line LC, where the width of the central conductor is equal to d f .
  • the two main supply lines LP11 and LP12 or LP21 and LP22 which extend the second transition portions are parallel to the first portions and have a constant width W s .
  • G s equal to approximately 0.23 mm
  • W s equal to approximately 0.96 mm
  • W c equal to approximately 0.5 mm
  • d f equal to approximately 12 mm
  • L t equal to approximately 8 mm. mm.
  • FIG. 24-27 to describe an eighth exemplary embodiment of a radiating device D, according to the invention, also suitable for multipolarization, and more specifically for a double linear polarization.
  • the coupling means are again made in the form of an FC 'shaped coupling slot cross.
  • a first branch B1 of the cross FC ' is placed according to the direction Y, while a second branch B2, perpendicular to B1, is placed in direction X.
  • each linear polarization is excited by one of the two branches B1 and B2 of the coupling slot FC ', which are respectively coupled by their two ends opposite to two main supply lines LP11 and LP12 on the one hand, and LP21 and LP22 on the other hand.
  • the four main power lines LP11, LP12, LP21 and LP22 are formed in pairs on two ground planes PM1 and PM3, perpendicular to each other, as in the seventh embodiment ( Figures 21 to 23).
  • the first PM1 and third PM3 mass plans realize as well a feed structure SA "crosswise.
  • each line is placed parallel to one of the longitudinal sides of the branch B1 or B2 to which it is coupled.
  • each branch B1, B2 are provided on one of their longitudinal sides with a pair of ST "impedance matching slots (or stubs).
  • These stubs ST “have the same function as that described above with reference to FIGS. 5, 7 and 9. However, they differ from those previously described by their shape which is bent for reasons of space.
  • the coupling provided by the cross slot FC 'of FIG. 25 is of the type capacitive.
  • FC cross slots can be envisaged adapted respectively to inductive and dipole type couplings as shown in Figures 26 and 27. This last variant of realization is particularly described in the document by D. Llorens Del Rio and al, "The T match: an integrated match for CPW-fed slot antennas", JINA 2002, Vol. No. 2, pp. 347-350, under the name T-match.
  • the two ends of the first branch B1 are coupled, via the pairs of stubs ST ", to the upper ends of the main power lines LP11 and LP12 located on the first ground plane PM1, and both ends of the second branch B2 are coupled, via the pairs of stubs ST ", to the upper ends of the main power lines LP21 and LP22 located on the third ground plane PM3.
  • FIGS. 28 and 29 it is possible to perform double-polarization excitation using a single SB substrate orthogonal (containing two ground planes PM1 and PM1 ').
  • a FC cross coupling slot featuring both ends of its branch B1 stubs ST.
  • the excitement is done using, a two LP1a and LP1b coplanar main power lines made in a first ground plane PM1 formed on the front face of a substrate SB, for one of the polarizations, and on the other hand, using a line main power slot LP1 'made in another foreground of mass PM1 'formed on the rear face of the substrate SB, for the other polarization orthogonal.
  • the orthogonal slots can have a coplanar line excitation and a slot line excitation, as illustrated in FIGS. 30 and 31. More specifically, here a Double polarization excitation always using a single substrate orthogonal SB (containing two ground planes PM1 and PM1 '). To do this, two rectangular coupling slots F1 and F2 can be used.
  • the F1 slot preferably includes stubs ST at its central portion.
  • Excitement is obtained using a main power line LP1 coplanar made in a first mass plane PM1 formed on the front face of a substrate SB, for one of the polarizations, while the other excitation (perpendicular) is performed using a power line main slot LP1 'made in another first ground plane PM1' formed on the rear face of the substrate SB, for the other orthogonal polarization.
  • a circular polarization in using only one access.
  • a structure is for example described in the patent document FR 2829300 from the National Research Center Scientific (CNRS).
  • resonant structures SR of dielectric resonator type or air may be to use a "washer” an indented dielectric RE, placed at the bottom of a CT horn and realizing the "Negative" of a air resonator SR (without side wall thickness ⁇ / 4) with only one dielectric medium.
  • the main LP1 power line can be of type coplanar or slit.
  • this last may have a reduced section in its portion housing the washer RE-dielectric, thereby freeing up room for excitation at several access to the periphery of the horn, when it is of type dual band.
  • the lateral metal walls of the CT horn have a mirror effect and may be placed at a distance from the air resonator equal to ⁇ / 8 (or 3 ⁇ / 8 or 5 ⁇ / 8, etc.).
  • the CT horn is of semi-conical type and comprises, in a lower part, two coupling irises IC, and in an intermediate part and central one SBT substrate on the underside of which is realized the second ground plane PM2 and the rectangular coupling slot FR, and secured by its upper face to coils or "chokes" of decoupling CC which house the cylindrical RE dielectric washer delimiting the SR air resonator.
  • the main LP1 power line can be of type coplanar or slit.
  • an SR air resonator can also another variant of radiating device, of the type illustrated in the figures 35 and 36.
  • the main supply line LP1 is of coplanar type.
  • the SB substrate on which it is formed has a narrow extension passing through the second ground plane PM2 at a slot FR and serving of support to a PS extension of the central conductor of the line LP1 main power supply.
  • the coupling slot FR is preferentially offset from the SR air resonator and presents small dimensions so as not to radiate.
  • each radiating device D can be possibly coupled with a horn to control the energy in front of be radiated to conform to a chosen template.
  • the resonant structure SR is used as a compact exciter of the horn.
  • radiating devices D can be combined to form part of an antenna, possibly network type.
  • the radiating devices D can be connected using ALCATEL 3D technology developed for Microwave circuits with high integration. This 3D technology consists of to drown in a low-loss standard resin the circuits on which are implanted the electronic components defining the power system SA, and to etch the second ground plane PM2 (orthogonal to the first PM1) on the upper side of the resin.
  • the invention is not limited to the modes of embodiment of radiating device (or element) and antenna described above, only as an example, but it encompasses all the variants that consider those skilled in the art within the scope of the claims below.

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Abstract

Un dispositif rayonnant (D), par exemple pour une antenne réseau, comprend i) un premier plan de masse (PM1) comportant au moins une ligne d'alimentation principale à champ électrique de surface (LP1), ii) un second plan de masse (PM2) sensiblement perpendiculaire au premier plan de masse (PM1) et comportant des moyens de couplage électromagnétique (FR) alimentés orthogonalement par une première extrémité de la ligne d'alimentation principale, et une structure résonnante (SR) chargée de rayonner de l'énergie lorsqu'elle est excitée par couplage électromagnétique à la première extrémité de la ligne d'alimentation principale (LP1), via les moyens de couplage. <IMAGE>

Description

L'invention concerne le domaine des antennes d'émission et/ou réception, et plus particulièrement les dispositifs (ou éléments) rayonnants qui équipent de telles antennes.
On entend ici par « dispositif rayonnant » une combinaison d'au moins une ligne d'alimentation principale, d'un plan de masse rayonnant, et d'une structure résonnante chargée de rayonner de l'énergie selon une longueur d'onde λ choisie lorsqu'elle est excitée par la ligne d'alimentation principale, éventuellement via des moyens de couplage appartenant au plan de masse rayonnant.
Par ailleurs, on entend ici par « antenne » aussi bien les antennes traditionnelles que les antennes réseau focales, comme par exemple les antennes multifaisceaux à réflecteur (de type FAFR ou passive), ou les antennes réseau actives à rayonnement direct.
Comme le sait l'homme de l'art, l'alimentation des dispositifs ou éléments rayonnants s'effectue le plus souvent par couplage électromagnétique de la structure résonnante à la ligne d'alimentation qui est parallèle au plan de masse rayonnant et réalisée dans une technologie dite planaire. La ligne d'alimentation peut être, par exemple, de type microruban, coplanaire ou triplaque, et elle peut être couplée à la structure résonnante soit par couplage de proximité, soit par couplage électromagnétique au travers d'une fente de couplage réalisée dans le plan de masse rayonnant.
Cette technologie planaire pose un certain nombre de problèmes techniques.
En effet, le circuit d'alimentation étant placé sur le plan de masse rayonnant ou sous celui-ci, la structure résonnante peut être perturbée par des radiations indésirables ou des couplages parasites.
Par ailleurs, le circuit d'alimentation étant placé parallèlement au plan de masse, il est difficile d'insérer dans la maille du réseau des équipements actifs, comme par exemple des amplificateurs à faible bruit (ou LNA) ou des amplificateurs de puissance (ou HPA), et/ou des cellules déphaseuses dont les dimensions sont typiquement d'environ 0,6 λ. Cette difficulté est encore renforcée lorsque le réseau fonctionne en polarisations orthogonales, puisqu'il faut alors doubler certains équipements (notamment ceux actifs). Ce sont donc les contraintes d'insertion qui imposent les tailles minimales des mailles des réseaux. En d'autres termes, la technologie planaire est un obstacle à la compacité de certaines antennes réseau.
Une alimentation alternative a été proposée dans le projet IST Multikara d'antenne réseau focale à 30 GHz. Elle consiste à utiliser une transition de type microruban vers un accès guide, puis à évaser l'accès guide de manière à constituer un cornet. Une telle transition ne peut pas être utilisée lorsque la compacité est un critère déterminant. En outre, elle ne permet pas d'envisager une double polarisation dans le plan de masse rayonnant.
Une autre alimentation alternative a été proposée dans le document de K.W. Leung et M.W. To, « Aperture-coupled dielectric resonator antenna with a perpendicular feed », Electronic Letters, juin 1997, vol.33, n°12, pages 1000-1001. Elle consiste à alimenter un résonateur diélectrique, placé sur un plan de masse rayonnant, avec une ligne microruban, placée sur un autre plan de masse perpendiculaire au plan de masse rayonnant et présentant un champ électrique « noyé », c'est-à-dire compris entre la ligne et le plan de masse perpendiculaire. Une telle solution présente certes des avantages en termes d'isolation du résonateur diélectrique et d'espace offert pour l'implantation d'équipements, mais elle n'offre qu'un nombre limité de degrés de liberté, rendant ainsi difficile l'obtention simultanée d'une large bande passante et d'une bonne qualité de rayonnement.
Aucun dispositif (ou élément) rayonnant connu n'apportant une entière satisfaction, l'invention a donc pour but d'améliorer la situation.
Elle propose à cet effet un dispositif (ou élément) rayonnant comprenant i) un premier plan de masse comportant au moins une ligne d'alimentation principale à champ électrique de surface, ii) un second plan de masse sensiblement perpendiculaire au premier plan de masse, de préférence raccordé électriquement à ce dernier au moins près de la ligne d'alimentation principale, et comportant des moyens de couplage électromagnétique alimentés orthogonalement par une première extrémité de la ligne d'alimentation principale, et iii) une structure résonnante chargée de rayonner de l'énergie selon une longueur d'onde λ choisie lorsqu'elle est excitée par couplage électromagnétique à la première extrémité de la ligne d'alimentation principale, via les moyens de couplage du second plan de masse.
On entend ici par « ligne d'alimentation à champ électrique de surface » soit une ligne coplanaire, soit une ligne à fente (ou microfente).
Préférentiellement, la structure résonnante est choisie parmi les pavés, les résonateurs diélectriques et les résonateurs à air (d'épaisseur λ/4).
Dans un premier mode de réalisation, les moyens de couplage comprennent au moins une ligne d'alimentation auxiliaire de type coplanaire, sensiblement perpendiculaire à la ligne d'alimentation principale et comportant une première extrémité couplée à la première extrémité de la ligne d'alimentation principale et une seconde extrémité couplée par effet de proximité à la structure résonnante.
Dans un deuxième mode de réalisation dédié à la monopolarisation, les moyens de couplage comportent une fente de couplage de forme choisie et agencée de manière à assurer le couplage entre la première extrémité de la ligne d'alimentation principale et la structure résonnante.
Ce second mode de réalisation peut se décliner de différentes manières, et notamment :
  • la fente de couplage peut présenter une forme générale rectangulaire définie par une direction longitudinale et une direction transversale, et la ligne d'alimentation principale est du type à fente et présente une première extrémité sensiblement parallèle à la direction transversale et placée sensiblement au milieu de la fente de couplage. Dans ce cas, la ligne d'alimentation principale peut comprendre un adaptateur d'impédance (ou « stub ») de type microfente à une distance choisie de sa première extrémité. Par ailleurs, le premier plan de masse peut comprendre une ligne de connexion de type coplanaire, présentant une première extrémité de forme choisie et une seconde extrémité dans laquelle se propagent des premier et second champs électriques de surface antiparallèles, et la ligne d'alimentation principale peut comprendre une seconde extrémité de forme choisie de manière à coopérer avec la première extrémité de la ligne de connexion afin de transformer le second champ électrique de surface en premier champ électrique de surface destiné à exciter la structure résonnante,
  • la fente de couplage peut également présenter une forme générale rectangulaire définie par une direction longitudinale et une direction transversale, et une ligne d'alimentation principale coplanaire et sensiblement parallèle à la direction longitudinale. Dans ce cas, la première extrémité de la ligne d'alimentation principale peut déboucher au niveau du milieu d'un côté longitudinal de la fente de couplage. En variante, la fente de couplage peut comprendre un côté longitudinal prolongé perpendiculairement, au milieu, par deux microfentes d'adaptation (ou stubs) de dimensions choisies, parallèles entre elles et espacées d'une distance choisie ; la première extrémité de la ligne d'alimentation principale débouchant alors sensiblement au niveau de la liaison entre le côté longitudinal de la fente de couplage et les microfentes d'adaptation,
  • la fente de couplage peut également présenter une forme générale rectangulaire définie par une direction longitudinale et une direction transversale, et une ligne d'alimentation principale coplanaire et présentant, au niveau d'une partie médiane de la fente de couplage, une première extrémité coudée sensiblement parallèle à sa direction transversale.
Dans un troisième mode de réalisation dédié à la multipolarisation, le dispositif comprend un troisième plan de masse sensiblement perpendiculaire aux premier et second plans de masse et comportant en deux endroits choisis deux lignes d'alimentation principale sensiblement parallèles et de type coplanaire. Le premier plan de masse comporte alors en deux endroits choisis deux lignes d'alimentation principale sensiblement parallèles et de type coplanaire, et les moyens de couplage comportent une fente de couplage présentant une forme générale en croix à première et seconde branches sensiblement perpendiculaires ; la première branche présentant deux extrémités opposées couplées respectivement aux deux lignes d'alimentation principale du premier plan de masse et la seconde branche présentant deux extrémités opposées couplées respectivement aux deux lignes d'alimentation principale du troisième plan de masse, de manière à permettre une double polarisation linéaire.
Par exemple, dans ce troisième mode de réalisation, la première branche peut comprendre un côté longitudinal prolongé, en ses deux extrémités, par deux microfentes d'adaptation de dimensions et formes choisies, et présentant des parties de liaison sensiblement perpendiculaires au côté longitudinal et espacées d'une distance choisie ; la première extrémité de chaque ligne d'alimentation principale du premier plan de masse débouchant alors sensiblement au niveau de la liaison entre l'une des extrémités du côté longitudinal de la première branche et les parties de liaison des microfentes d'adaptation. La seconde branche comprend alors un côté longitudinal prolongé, en ses deux extrémités, par deux microfentes d'adaptation de dimensions et formes choisies, et présentant des parties de liaison sensiblement perpendiculaires au côté longitudinal et espacées d'une distance choisie ; la première extrémité de chaque ligne d'alimentation principale du troisième plan de masse débouchant sensiblement au niveau de la liaison entre l'une des extrémités du côté longitudinal de la seconde branche et les parties de liaison des microfentes d'adaptation. Par exemple, chaque microfente d'adaptation peut comprendre une partie terminale prolongeant, selon un angle choisi, sa partie de liaison.
Dans un quatrième mode de réalisation dédié également à la multipolarisation, le dispositif comprend une structure d'alimentation comportant quatre parois, raccordées physiquement deux à deux en définissant un cylindre évidé de section carrée. La première paroi est constituée du premier plan de masse qui comporte une ligne d'alimentation principale à fente. La deuxième paroi est constituée d'un troisième plan de masse sensiblement perpendiculaire aux premier et second plans de masse et comporte une ligne d'alimentation principale à fente. La troisième paroi est constituée d'un quatrième plan de masse sensiblement perpendiculaire aux second et troisième plans de masse et comporte une ligne d'alimentation principale à fente. La quatrième paroi est constituée d'un cinquième plan de masse sensiblement perpendiculaire aux premier, second et quatrième plans de masse et comporte une ligne d'alimentation principale à fente. Par ailleurs, les moyens de couplage comportent une fente de couplage présentant une forme générale en croix à première et seconde branches sensiblement perpendiculaires ; la première branche présentant deux extrémités opposées couplées respectivement aux lignes d'alimentation principale des premier et quatrième plans de masse et la seconde branche présentant deux extrémités opposées couplées respectivement aux lignes d'alimentation principale des troisième et cinquième plans de masse, de manière à permettre une double polarisation linéaire.
Dans un cinquième mode de réalisation dédié également à la multipolarisation, le dispositif comprend un troisième plan de masse sensiblement perpendiculaire aux premier et second plans de masse et comportant en deux endroits choisis deux lignes d'alimentation principale à fente sensiblement parallèles. Le premier plan de masse comporte en deux endroits choisis deux lignes d'alimentation principale à fente sensiblement parallèles. Par ailleurs, les moyens de couplage comportent une fente de couplage présentant une forme générale en dièse à première, deuxième, troisième et quatrième branches sensiblement perpendiculaires deux à deux ; les première et troisième branches étant respectivement couplées par une partie médiane aux lignes d'alimentation principale du premier plan de masse, et les deuxième et quatrième branches étant respectivement couplées par une partie médiane aux lignes d'alimentation principale du troisième plan de masse, de manière à permettre une double polarisation linéaire. Par exemple, les premier et troisième plans de masse peuvent comprendre chacun une ligne de connexion coplanaire présentant une extrémité se séparant en deux parties définissant les deux lignes d'alimentation principale à fente.
Par ailleurs, le couplage entre la structure résonnante et la fente de couplage peut être soit de type inductif, soit de type capacitif, soit encore de type dipolaire électrique.
En outre, le second plan de masse (PM2) est préférentiellement formé sur un substrat tampon d'épaisseur choisie de manière à adapter l'impédance.
Enfin, le dispositif peut éventuellement comprendre un cornet couplé (par effet de proximité) à la structure résonnante, afin d'être excité par celle-ci en vue de rayonner l'énergie selon un gabarit choisi.
L'invention propose également une antenne, éventuellement de type réseau, équipée d'au moins un dispositif rayonnant du type de celui présenté ci-avant.
L'invention est particulièrement bien adaptée, bien que de façon non exclusive aux antennes réseau focales, comme par exemple les antennes multifaisceaux à réflecteur, et aux antennes réseau actives à rayonnement direct.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaítront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels :
  • la figure 1 illustre de façon schématique un premier exemple de réalisation d'un dispositif rayonnant selon l'invention,
  • la figure 2 est une vue du dessus, dans le plan XY, d'une partie du dispositif rayonnant de la figure 1,
  • la figure 3 est une vue de face, dans le plan XZ, d'une partie du dispositif rayonnant de la figure 1,
  • la figure 4 illustre de façon schématique un deuxième exemple de réalisation d'un dispositif rayonnant selon l'invention,
  • la figure 5 est une vue du dessus, dans le plan XY, d'une partie du dispositif rayonnant de la figure 4,
  • la figure 6 est une vue de face, dans le plan XZ, d'une partie du dispositif rayonnant de la figure 4,
  • la figure 7 est une vue du dessus, dans le plan XY, d'une première variante du dispositif rayonnant de la figure 4,
  • la figure 8 est une vue de face, dans le plan XZ, d'une partie du dispositif rayonnant de la figure 7,
  • la figure 9 est une vue du dessus, dans le plan XY, d'une seconde variante du dispositif rayonnant de la figure 4,
  • la figure 10 illustre de façon schématique, dans une vue de face dans le plan XZ, un troisième exemple de réalisation d'un dispositif rayonnant selon l'invention,
  • la figure 11 illustre de façon schématique un quatrième exemple de réalisation d'un dispositif rayonnant selon l'invention,
  • la figure 12 illustre de façon schématique un cinquième exemple de réalisation d'un dispositif rayonnant selon l'invention,
  • la figure 13 illustre la propagation des champs électriques au sein du dispositif rayonnant de la figure 12,
  • la figure 14 illustre de façon schématique, dans une vue de face dans le plan XZ, un sixième exemple de réalisation d'un dispositif rayonnant selon l'invention,
  • la figure 14 illustre de façon schématique, dans une vue de face dans le plan XZ, une variante de réalisation du dispositif rayonnant de la figure 14,
  • la figure 16 illustre de façon schématique une transition entre une ligne coplanaire de connexion et une ligne d'alimentation à fente, adaptée au dispositif de la figure 14,
  • la figure 17 illustre de façon schématique une variante du dispositif rayonnant de la figure 14 intégrant une transition du type de celle illustrée sur la figure 16,
  • la figure 18 illustre de façon schématique un septième exemple de réalisation d'un dispositif rayonnant selon l'invention,
  • la figure 19 est une vue du dessus, dans le plan XY, de la fente en croix du dispositif rayonnant de la figure 18,
  • la figure 20 est une vue du dessus, dans le plan XY, de la fente en croix du dispositif rayonnant de la figure 18, matérialisant le champ électrique,
  • la figure 21 illustre de façon schématique un huitième exemple de réalisation d'un dispositif rayonnant selon l'invention,
  • la figure 22 est une vue du dessus, dans le plan XY, de la fente en dièse (#) du dispositif rayonnant de la figure 21,
  • la figure 23 illustre de façon schématique, dans une vue de face dans le plan XZ, une variante d'alimentation pour le dispositif rayonnant de la figure 21,
  • la figure 24 illustre de façon schématique un neuvième exemple de réalisation d'un dispositif rayonnant selon l'invention,
  • la figure 25 est une vue du dessus, dans le plan XY, de la fente en croix du dispositif rayonnant de la figure 24,
  • la figure 26 est une vue du dessus, dans le plan XY, d'une première variante de la fente en croix du dispositif rayonnant de la figure 24,
  • la figure 27 est une vue du dessus, dans le plan XY, d'une seconde variante de la fente en croix du dispositif rayonnant de la figure 24,
  • la figure 28 est une vue en perspective d'un substrat, d'une variante d'un dispositif rayonnant selon l'invention, portant deux premiers plans de masse,
  • la figure 29 est une vue du dessus, dans le plan XY, d'une variante de fente de couplage en croix adaptée au substrat de la figure 28,
  • la figure 30 est une vue en perspective d'un substrat, d'une autre variante d'un dispositif rayonnant selon l'invention, portant deux premiers plans de masse,
  • la figure 31 est une vue du dessus, dans le plan XY, d'une combinaison de deux fentes de couplage rectangulaires, adaptée au substrat de la figure 30,
  • la figure 32 illustre de façon schématique, dans une vue en coupe dans le plan XZ, un neuvième exemple de réalisation d'un dispositif rayonnant selon l'invention,
  • la figure 33 illustre de façon schématique, dans une vue en coupe dans le plan XZ, un dixième exemple de réalisation d'un dispositif rayonnant selon l'invention,
  • la figure 34 est une vue du dessus, dans le plan XY, du dispositif rayonnant de la figure 33,
  • la figure 35 illustre de façon schématique, dans une vue en coupe dans le plan XZ, un onzième exemple de réalisation d'un dispositif rayonnant selon l'invention, et
  • la figure 36 est une vue du dessus, dans le plan XY, du dispositif rayonnant de la figure 35.
Les dessins annexés pourront non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.
L'invention a pour objet de permettre, au choix, un rayonnement en mode monopolarisation ou multipolarisation à l'aide d'un dispositif (ou élément) rayonnant à alimentation orthogonale.
Un tel dispositif rayonnant est destiné à être intégré dans une antenne, et de préférence dans une antenne réseau, comme par exemple une antenne réseau focale, telle qu'une antenne multifaisceau à réflecteur (de type FAFR ou passive), ou une antenne réseau active à rayonnement direct. Il peut également être intégré dans une source primaire de réflecteur, notamment lorsque la source est de type bibandes (dans ce cas, comme on le verra plus loin, l'invention permet de libérer de la place pour exciter un même cornet dans une bande inférieure).
On se réfère tout d'abord aux figures 1 à 3 pour décrire un premier exemple de réalisation d'un dispositif rayonnant selon l'invention D, adapté à la monopolarisation.
Un dispositif rayonnant D, selon l'invention, comprend tout d'abord un premier plan de masse PM1, placé dans un plan XZ, et comportant au moins une ligne d'alimentation principale à champ électrique de surface LP1, destinée à être raccordée à des équipements d'antenne, comme par exemple une puce amplificatrice, telle qu'un MMIC (comportant éventuellement un amplificateur à faible bruit (ou LNA) ou un amplificateur de puissance (ou HPA), ou une cellule déphaseuse. Dans ce premier exemple, la ligne d'alimentation à champ électrique de surface LP1 est une ligne coplanaire, mais comme on le verra plus loin, il pourrait s'agir d'une ligne à fente (ou microfente).
Le dispositif D comprend également un second plan de masse PM2, placé dans un plan XY, sensiblement perpendiculaire au premier plan de masse PM1, de préférence raccordé électriquement à ce dernier au moins près de la ligne d'alimentation principale LP1, et comportant des moyens de couplage électromagnétique alimentés orthogonalement par une première extrémité de la ligne d'alimentation principale LP1. On entend ici par « alimenté orthogonalement » le fait que le champ électrique arrive dans un plan perpendiculaire au second plan de masse PM2.
Le second plan de masse PM2 est préférentiellement formé par métallisation de la face « inférieure » d'un substrat dit « tampon » SBT (assimilé sur certaines figures à son plan de masse PM2). De même, le premier plan de masse PM1 est préférentiellement formé par métallisation de la face « avant » d'un substrat tampon (non représenté sur les figures et assimilé à son plan de masse PM1).
Dans ce premier exemple, les moyens de couplage électromagnétique sont réalisés sous la forme d'une ligne d'alimentation auxiliaire LA de type coplanaire formée sur la face « supérieure » du second plan de masse PM2, ou bien, comme illustré, notamment, sur la figure 1, sur sa face inférieure lorsqu'elle est métallisée, et prolongeant (de façon continue) la ligne d'alimentation principale LP1 au niveau d'une zone de liaison Z.
Enfin, le dispositif D comprend une structure résonnante SR placée sur la face supérieure du second plan de masse LP2, au dessus de la ligne d'alimentation auxiliaire LA et à l'extrémité de celle-ci. Cette structure résonnante SR est chargée de rayonner de l'énergie, selon une longueur d'onde de fonctionnement λ choisie, lorsqu'elle est excitée par couplage électromagnétique à la première extrémité (supérieure) de la ligne d'alimentation principale LP1, via les moyens de couplage LA du second plan de masse PM2.
La structure résonnante SR peut être soit un pavé (ou « patch »), de forme rectangulaire ou circulaire, soit un résonateur diélectrique massif, par exemple réalisé, comme illustré, sous la forme d'un parallélépipède rectangle de dimensions choisies, soit encore un résonateur à air, par exemple réalisé sous la forme d'un parallélépipède rectangle d'épaisseur λ/4 suivant la direction Z. Il est rappelé qu'un résonateur (ou cavité) à air est défini par le (second) plan de masse (PM2), une paroi supérieure en matériau diélectrique et des parois latérales (suivant Z) en matériau diélectrique d'épaisseur λ/4, permettant ainsi de contenir les champs dans un milieu non dissipatif. La contrainte d'épaisseur résulte des coefficients opposés aux interfaces air/diélectrique et diélectrique/air qui sont rendus cohérents par une épaisseur égale à λ/4.
Dans ce premier exemple, la structure résonnante SR est couplée à la ligne d'alimentation auxiliaire LA par effet de proximité.
Par exemple, comme illustré sur la figure 2, d'une première part, les premier PM1 et second PM2 plan de masse sont réalisés sur des substrats en alumine d'épaisseur égale à environ 0,635 mm et de permittivité εr égale à environ 9,9, d'une deuxième part, les conducteurs centraux des lignes d'alimentation principale LP1 et auxiliaire LA ont une largeur Wc égale à environ 0,5 mm, d'une troisième part, les fentes placées de part et d'autre conducteurs centraux des lignes d'alimentation principale LP1 et auxiliaire LA, ont une largeur Gs égale à environ 0,23 mm, et d'une quatrième part, l'épaisseur e de plan de masse éliminée à l'extrémité des conducteurs centraux est égale à environ 0,23 mm. Un tel mode de réalisation offre une impédance caractéristique d'environ 50 Ω et permet d'obtenir au niveau de la transition entre les lignes orthogonales (LP1 et LA) une bande passante supérieure à 50% à 12,25 GHz pour le mode S11. Il est rappelé qu'en présence d'une ligne auxiliaire LA formée sur la face supérieure du plan de masse rayonnant PM2, on doit former une fente dans la zone de couplage de lignes Z, ce qui génère une discontinuité rayonnante et limite la bande passante de la transition.
On peut envisager une solution alternative ne requérant pas de fente en prolongeant la ligne d'alimentation auxiliaire LA sur une distance choisie au-delà de la zone de liaison Z, afin de constituer un adaptateur d'impédance coplanaire (ou « coplanar stub »). Dans ce cas, la prolongation se fait préférentiellement sur une longueur égale à λ/4. Par exemple, si l'on reprend les dimensions précitées et que l'on choisit une longueur de stubs égale à environ 2,2 mm, on peut obtenir une bande passante d'environ 68% à 12,25 GHz pour le mode S11.
Sur la figure 3 se trouvent matérialisés les champs de surface Ψ1 et Ψ2 qui se propagent de façon antiparallèle dans les deux fentes latérales de la ligne d'alimentation principale LP1 (mais également dans la ligne d'alimentation auxiliaire LA).
On se réfère maintenant aux figures 4 à 9 pour décrire un deuxième exemple de réalisation d'un dispositif rayonnant D, selon l'invention, également adapté à la monopolarisation.
Ce deuxième exemple de réalisation se différencie du premier par les moyens de couplage formés sur le second plan de masse PM2. En effet, dans cet exemple de réalisation, comme d'ailleurs dans tous ceux qui seront décrits ci-après, les moyens de couplage sont réalisés sous la forme d'une fente de couplage. Cette fente de couplage est préférentiellement positionnée au centre de la structure résonnante SR, afin d'obtenir un couplage maximum et de minimiser les modes supérieurs dans ladite structure rayonnante SR, et par conséquent le rayonnement en polarisation croisée. Pour des raisons de compacité, il est possible de replier la fente de couplage ou de lui donner des formes particulières comme par exemple de type en forme de T (ou "T-bar " en anglais).
Plus précisément, dans cet exemple de réalisation, comme cela est illustré sur les figures 4 à 6, la fente de couplage FR présente une forme générale rectangulaire, mais interrompue dans sa partie centrale par une portion du second plan de masse. En d'autres termes, la fente de couplage FR comporte deux parties FRa et FRb.
Ici, les grands côtés de la fente de couplage FR, appelés côtés longitudinaux, s'étendent suivant la direction (longitudinale) X, tandis que ses petits côtés, appelés côtés transversaux, s'étendent suivant la direction (transversale) Y. Le premier plan de masse étant installé dans le plan XZ, l'extrémité supérieure de sa ligne d'alimentation principale LP1 débouche donc parallèlement à l'un des côtés longitudinaux.
Cet exemple de réalisation correspond à un couplage inductif entre l'extrémité supérieure de la ligne d'alimentation principale LP1 et la structure résonnante SR.
L'extrémité supérieure de la ligne d'alimentation principale LP1 peut déboucher au niveau de la fente de couplage FR, mais cela n'est pas optimal. Il est donc préférable, comme illustré sur les figures 4 et 5, que chaque partie FRa et FRb de la fente de couplage soit prolongée par un adaptateur d'impédance ST (ou stub). Ces deux stubs ST constituent des fentes rectangulaires qui prolongent perpendiculairement l'un des côtés longitudinaux des parties FRa et FRb de la fente de couplage. Préférentiellement, la prolongation se fait sur une longueur égale à λ/4. En présence de stubs ST, on positionne le premier plan de masse PM1 de sorte que l'extrémité supérieure de sa ligne d'alimentation principale LP1 soit placée en dessous des stubs ST, au niveau de leurs parties assurant la liaison avec le côté longitudinal de la fente de couplage FR.
L'espacement entre les deux parties FRa et FRb de la fente de couplage, qui est le même que celui Wc entre les deux stubs ST, qui est lui-même égal à la largeur du conducteur central de la ligne d'alimentation principale LP1, est par exemple choisi égal à environ 0,5 mm. Par ailleurs, la largeur Gs des stubs ST, qui est sensiblement égale à la largeur des fentes de la ligne d'alimentation principale LP1, est par exemple choisie égale à environ 0,23 mm. En outre, la longueur Ls des stubs ST suivant la direction transversale (Y) est par exemple choisie égale à environ 2,2 mm. Enfin, la longueur L (suivant la direction longitudinale X) et la largeur l (suivant la direction transversale Y) de la fente de couplage FR sont par exemple respectivement égales à environ 5,2 mm et 0,4 mm. Avec de telles valeurs, on peut obtenir une bande passante d'environ 8% à 12,25 GHz pour le mode S11, dans le cas d'un couplage inductif. Des bandes passantes plus élevées peuvent être obtenues par couplage capacitif ou dipolaire électrique.
On peut noter que la bande passante peut être augmentée lorsque l'on augmente légèrement la longueur Ls des stubs ST, en raison d'un effet de résonance au niveau de la fente de couplage FR.
On a représenté sur les figures 7 et 8 une première variante de réalisation du deuxième exemple de réalisation décrit ci-avant, en référence aux figures 4 à 6. Dans cette première variante, le couplage entre l'extrémité supérieure de la ligne d'alimentation principale LP1 et la structure résonnante SR n'est plus de type inductif. Il est en effet de type capacitif du fait que la fente de couplage FR n'est plus interrompue dans sa partie centrale par une portion du second plan de masse PM2.
On a représenté sur la figure 9 une seconde variante de réalisation du deuxième exemple de réalisation décrit ci-avant, en référence aux figures 4 à 6. Dans cette seconde variante, le couplage entre l'extrémité supérieure de la ligne d'alimentation principale LP1 et la structure résonnante SR n'est plus de type inductif. Il est en effet de type dipolaire électrique (ou « T match ») du fait que la partie conductrice du second plan de masse demeure présente dans la majeure partie de la fente de couplage (FR). En variante, on peut utiliser un dipôle de type évasé. Par ailleurs, on peut également utiliser une fente de couplage dont la largeur n'est pas égale à Gs (et constitue de ce fait un paramètre d'adaptation complémentaire).
On a par ailleurs représenté sur la figure 10 un troisième exemple de réalisation de dispositif rayonnant D, selon l'invention. Dans ce troisième exemple, qui constitue une variante de la première variante à couplage capacitif de la figure 8, la distance GP, séparant la structure résonnante SR de la partie terminale du conducteur central de la ligne d'alimentation principale LP1, est accrue. Pour ce faire, on interrompt le conducteur central de la ligne d'alimentation principale LP1 à une distance choisie du second plan de masse PM2. On réalise ainsi un couplage capacitif qui compense le couplage inductif de la fente de couplage FR. Cela permet d'adapter l'impédance et donc d'augmenter notablement la bande passante, tout en évitant de recourir à un stub.
Par exemple, on peut utiliser un substrat tampon SBT en Duroïd™ 5880 présentant une permittivité εr égale à environ 2,2.
On se réfère maintenant à la figure 11 pour décrire un quatrième exemple de réalisation d'un dispositif rayonnant D, selon l'invention, également adapté à la monopolarisation.
Dans ce quatrième exemple de réalisation, le premier plan de masse PM1 comporte toujours une ligne d'alimentation principale LP1 de type coplanaire. Mais, ici, d'une part, la fente de couplage FR' présente une forme générale rectangulaire définie par une direction longitudinale Y (grand côté) et une direction transversale X (petit côté), et d'autre part, l'extrémité supérieure (ES) de ligne d'alimentation principale LP1 est coudée sensiblement à 90° afin d'être placée sous la fente de couplage FR' parallèlement à la direction transversale X.
On se réfère maintenant aux figures 12 et 13 pour décrire un cinquième exemple de réalisation d'un dispositif rayonnant D, selon l'invention, également adapté à la monopolarisation.
Ce cinquième exemple de réalisation se différencie des quatre premiers (figures 1 à 11) du fait que sa ligne d'alimentation principale LP1 est de type « à fente ». Cependant comme dans les deuxième à quatrième exemples de réalisation (figures 4 à 11), les moyens de couplage du second plan de masse PM2 sont réalisés sous la forme d'une fente de couplage FR" de forme préférentiellement rectangulaire.
La fente de couplage FR" présente des grands côtés (longitudinaux) parallèles à la direction longitudinale Y et des petits côtés (transversaux) parallèles à la direction (transversale) X. Par ailleurs, l'extrémité supérieure de ligne d'alimentation principale LP1 est placée sous la fente de couplage FR" parallèlement à la direction transversale X, et préférentiellement au milieu de cette fente FR" (comme illustré).
Sur la figure 13 se trouvent matérialisés le champ de surface ΨI, dans la ligne d'alimentation principale LP1 et le champ ΨR rayonné par la fente de couplage FR". Cette figure met en évidence le très bon raccordement des champs ΨI, et ΨR offert par ce mode de réalisation.
Par exemple, d'une première part, les premier PM1 et second PM2 plans de masse peuvent être réalisés sur des substrats en alumine d'épaisseur égale à environ 0,635 mm et de permittivité εr égale à environ 9,9, d'une deuxième part, la microfente de la ligne d'alimentation principale LP1 peut présenter une largeur Ws égale à environ 0,96 mm, d'une troisième part, la fente de couplage FR" peut présenter une longueur L et une largeur l respectivement égale à environ 13 mm et environ 0,96 mm, et d'une quatrième part, la structure résonnante peut être un résonateur diélectrique de base carrée dont le côté est égal à environ 16 mm et de hauteur d/2 égale à environ 7,62 mm, réalisé dans une céramique de type Eccostock™ HIK500 présentant une permittivité εr égale à environ 9,7 à 5 GHz. Un tel mode de réalisation offre une impédance caractéristique d'environ 147 Ω.
Afin d'accroítre la bande passante de ce cinquième exemple de réalisation, on peut, comme illustré sur le sixième exemple de réalisation de la figure 14, adjoindre à la ligne d'alimentation principale LP1 un adaptateur d'impédance constitué de deux stubs ST'. Ici, les deux stubs ST' sont des fentes (ou microfentes) communiquent avec la fente (ou microfente) de la ligne d'alimentation principale LP1, de part et d'autre de celle-ci, à une même distance choisie de la partie terminale de son extrémité supérieure.
Ces stubs ST' sont préférentiellement rectangulaires, leurs grands côtés étant, par exemple, parallèles, au moins en partie, à la direction X et leurs petits côtés parallèles à la direction Z (ici verticale).
Par exemple, on peut choisir des stubs ST' présentant une longueur Ls égale à environ 17 mm et distants de la fente de couplage FR" d'une distance ds égale à environ 2,1 mm. Ainsi, en reprenant les valeurs données ci-avant en référence au cinquième mode de réalisation (figures 12 et 13), on peut obtenir une bande passante d'environ 17% à 5 GHz pour le mode S11.
Comme cela est illustré sur la variante de la figure 15, les stubs ST peuvent être coudés ou repliés parallèlement à la fente de la ligne à fente LP1. On peut également définir les stubs à l'intérieur de cette ligne à fente LP1, préférentiellement à la jonction avec la fente de couplage FR", sous forme d'inserts métalliques en forme de L connectés au plan de masse PM1.
Afin de permettre le couplage de la ligne d'alimentation principale à fente LP1, qui ne comporte par de partie conductrice, contrairement à une ligne coplanaire, à un équipement actif (comme par exemple un MMIC) ou un équipement passif (comme par exemple un connecteur), il est avantageux de prévoir sur le premier plan de masse PM1 une transition TR.
Une telle transition TR est illustrée sur la figure 16. Elle permet de coupler la ligne d'alimentation principale à fente LP1 à une ligne de connexion LC, de préférence de type coplanaire. Une ligne de connexion coplanaire est préférable car elle est réalisée dans une technologie uniplanaire comme la ligne d'alimentation principale à fente, et elle facilite le raccordement à certains équipements, tes que des MMICs.
Cette transition TR est destinée à convertir l'un des deux champs de surface antiparallèles Ψ1 (mode pair) et Ψ2 (mode impair), qui se propagent dans les microfentes situées de part et d'autre du conducteur central de la ligne de connexion coplanaire LC, en un champ de surface Ψ2' (mode pair) identique à l'autre champ de surface Ψ1 et donc à celui qui se propage dans la fente de la ligne d'alimentation principale à fente LP1.
On réalise donc un déphasage de 180° sur l'une des deux fentes de la ligne de connexion coplanaire LC afin de mettre en phase leurs champs Ψ1 et Ψ2, permettant ainsi de combiner les deux fentes pour constituer la fente de la ligne d'alimentation principale à fente LP1. Ici, la transition comporte trois méandres de longueur Lm, dans la direction X, par exemple égale à environ 3,2 mm. Afin d'optimiser le couplage, la longueur Lc du conducteur en sortie de la transition TR doit être optimisée. Par exemple on choisit Lc égale à environ 0,25 mm.
Préférentiellement, on introduit des ponts à air le long de la ligne de connexion coplanaire LC de manière à bloquer l'évolution de la réflexion du mode pair Ψ1, non déphasé, de sorte que sa valeur soit sensiblement indépendante de la longueur de la ligne de connexion coplanaire LC.
En prenant une largeur Ws de fente de ligne d'alimentation principale LP1 égale à environ 0,96 mm, une longueur de ligne d'alimentation principale LP1 égale à environ 0,5 mm, une largeur Wc de conducteur central pour la ligne de connexion coplanaire LC égale à environ 0,5 mm, une largeur Gs égale à environ 0,23 mm pour les fentes de part et d'autre du conducteur central de la ligne de connexion coplanaire LC, et des valeurs de Lm et Lc égales respectivement à environ 3,2 mm et à environ 0,25 mm, on peut obtenir une bande passante au niveau de la transition TR égale à environ 40% à 5 GHz pour le mode S11.
On a représenté sur la figure 17, une variante du dispositif rayonnant D de la figure 14 intégrant une transition TR du type de celle décrite ci-avant en référence à la figure 16. Grâce à un tel agencement, et en présence des valeurs présentées ci-avant, on peut obtenir une bande passante d'environ 14% à 5 GHz pour le mode S11.
On se réfère maintenant aux figures 18 à 20 pour décrire un sixième exemple de réalisation d'un dispositif rayonnant D, selon l'invention, adapté à la multipolarisation, et plus précisément à une double polarisation linéaire.
Dans ce sixième exemple de réalisation, les moyens de couplage sont réalisés sous la forme d'une fente de couplage FC en forme de croix. Une première branche B1 de la croix FC est placée suivant la direction Y, tandis qu'une seconde branche B2, perpendiculaire à B1, est placée suivant la direction X.
Chaque polarisation linéaire est excitée par l'une des deux branches B1 et B2 de la fente de couplage FC, lesquelles sont respectivement couplées par leurs deux extrémités opposées à deux lignes d'alimentation principale LP1 et LP3 d'une part, et LP2 et LP4 d'autre part.
Les quatre lignes d'alimentation principale LP1 à LP4 sont respectivement formées sur quatre plans de masse PM1, PM3, PM4 et PM5, perpendiculaires deux à deux et solidarisés de manière à constituer une structure d'alimentation SA cylindrique de section carrée.
Plus précisément, comme illustré sur la figure 19, l'extrémité « avant » de la première branche B1 est couplée à l'extrémité supérieure de la ligne d'alimentation principale LP1 située sur le premier plan de masse PM1, l'extrémité « arrière » de la première branche B1 est couplée à l'extrémité supérieure de la ligne d'alimentation principale LP3 située sur le quatrième plan de masse PM4, l'extrémité « droite » de la seconde branche B2 est couplée à l'extrémité supérieure de la ligne d'alimentation principale LP2 située sur le troisième plan de masse PM3, et l'extrémité « gauche » de la seconde branche B2 est couplée à l'extrémité supérieure de la ligne d'alimentation principale LP4 située sur le cinquième plan de masse PM5.
Dans cet exemple de réalisation, les quatre lignes d'alimentation principale LP1 à LP4 sont du type à fente. Par conséquent, chaque ligne est placée parallèlement aux côtés transversaux de la branche B1 ou B2 à laquelle elle est couplée.
En raison de la parfaite symétrie axiale obtenue pour chaque polarisation, on peut obtenir une isolation très élevée entre les deux polarisations linéaires. Comme illustré sur la figure 20, le champ électrique étant alimenté par deux points situés aux deux extrémités de l'une des branches B1 et B2, cela force l'annulation du champ électrique dans l'autre branche.
On se réfère maintenant aux figures 21 à 23 pour décrire un septième exemple de réalisation d'un dispositif rayonnant D, selon l'invention, également adapté à la multipolarisation, et plus précisément à une double polarisation linéaire.
Dans ce septième exemple de réalisation, les moyens de couplage sont réalisés sous la forme d'une fente de couplage FD en forme de dièse (#). Comme cela est illustré sur la figure 22, des première B1 et troisième B3 branches du dièse sont placées parallèlement à la direction X, de façon décalée, tandis que des deuxième B2 et quatrième B4 branches, perpendiculaires à B1 et B3, sont placées parallèlement à la direction Y, de façon décalée. On peut noter que la fente peut également avoir une forme carrée, qui est une forme particulière d'un dièse.
Les branches parallèles entre elles excitent une même polarisation. Par ailleurs, chaque branche B1 à B4 est couplée par une partie médiane à l'extrémité supérieure d'une ligne d'alimentation principale LP11, LP12, LP21 ou LP22.
Les quatre lignes d'alimentation principale LP11, LP12, LP21 et LP22 sont formées par paire sur deux plans de masse PM1 et PM3, perpendiculaires entre eux.
Plus précisément, comme illustré sur la figure 21, le centre de la première branche B1 est couplé à l'extrémité supérieure de la ligne d'alimentation principale LP11 située sur le premier plan de masse PM1, le centre de la troisième branche B3 est couplé à l'extrémité supérieure de la ligne d'alimentation principale LP12 située sur le premier plan de masse PM1 à une distance de LP11 égale à la distance séparant B1 de B3, le centre de la deuxième branche B2 est couplé à l'extrémité supérieure de la ligne d'alimentation principale LP22 située sur le troisième plan de masse PM3, et le centre de la quatrième branche B4 est couplé à l'extrémité supérieure de la ligne d'alimentation principale LP21 située sur le troisième plan de masse PM3, à une distance de LP22 égale à la distance séparant B2 de B4.
Les premier PM1 et troisième PM3 plans de masse réalisent ainsi une structure d'alimentation SA' en croix.
Dans cet exemple de réalisation, les quatre lignes d'alimentation principale LP11, LP12, LP21 et LP22 sont du type à fente. Par conséquent, chaque ligne est placée parallèlement aux côtés transversaux de la branche B1, B2, B3 ou B4 à laquelle elle est couplée.
On a représenté sur la figure 23 un exemple, particulièrement avantageux, de réalisation des deux lignes d'alimentation principale des plans de masse PM1 et PM3. En effet, dans cet exemple de réalisation, on se sert d'une ligne de connexion LC de type coplanaire pour définir les deux lignes d'alimentation principale d'un plan de masse. Pour ce faire, chaque fente (ou microfente) placée d'un côté du conducteur central de la ligne de connexion coplanaire LC présente une première partie linéaire de largeur Gs et une seconde partie de transition désorientée par rapport à la première partie et présentant une largeur croissant de Gs jusqu'à une valeur Ws, égale à la largeur d'une fente d'une ligne d'alimentation principale LP11. Les secondes parties s'étendent sur une hauteur choisie Lt. La distance séparant les deux fentes de la ligne de connexion coplanaire LC est donc constante et égale à Wc au niveau des premières parties, tandis qu'elle croít jusqu'à une valeur df, égale à la distance séparant les branches B1 et B3 ou B2 et B4 de la fente de couplage en dièse FD, au niveau des secondes parties.
Les deux lignes d'alimentation principale LP11 et LP12 ou LP21 et LP22 du premier PM1 ou troisième PM3 plan de masse débutent donc en sortie des deuxièmes parties des fentes de la ligne de connexion coplanaire LC, là où la largeur du conducteur central est égale à df. Les deux lignes d'alimentation principale LP11 et LP12 ou LP21 et LP22 qui prolongent les deuxièmes parties de transition sont parallèles aux premières parties et présentent une largeur constante Ws.
Par exemple, on peut choisir Gs égale à environ 0,23 mm, Ws égale à environ 0,96 mm, Wc égale à environ 0,5 mm, df égale à environ 12 mm et Lt égale à environ 8 mm.
Il est important de noter que dans ce mode de réalisation les champs de surface qui se propagent dans les deux lignes d'alimentation principale d'un même plan de masse sont déphasés de 180°, du fait qu'elles sont alimentées par les champs de surface antiparallèles Ψ1 et Ψ2 de la ligne de connexion coplanaire LC. Par conséquent, il faut coupler l'une des deux lignes d'alimentation principale à un déphaseur de 180° avant de coupler son extrémité supérieure à la branche concernée de la fente de couplage en dièse FD. Ce déphasage peut par exemple être réalisé au moyen d'un tronçon de ligne supplémentaire.
On se réfère maintenant aux figures 24 à 27 pour décrire un huitième exemple de réalisation d'un dispositif rayonnant D, selon l'invention, également adapté à la multipolarisation, et plus précisément à une double polarisation linéaire.
Dans ce huitième exemple de réalisation, les moyens de couplage sont de nouveau réalisés sous la forme d'une fente de couplage FC' en forme de croix. Une première branche B1 de la croix FC' est placée suivant la direction Y, tandis qu'une seconde branche B2, perpendiculaire à B1, est placée suivant la direction X.
Comme dans le sixième exemple de réalisation (figures 18 à 20), chaque polarisation linéaire est excitée par l'une des deux branches B1 et B2 de la fente de couplage FC', lesquelles sont respectivement couplées par leurs deux extrémités opposées à deux lignes d'alimentation principale LP11 et LP12 d'une part, et LP21 et LP22 d'autre part.
Les quatre lignes d'alimentation principale LP11, LP12, LP21 et LP22 sont formées par paire sur deux plans de masse PM1 et PM3, perpendiculaires entre eux, comme dans le septième exemple de réalisation (figures 21 à 23).
Les premier PM1 et troisième PM3 plans de masse réalisent ainsi une structure d'alimentation SA" en croix.
Dans cet exemple de réalisation, les quatre lignes d'alimentation principale LP11, LP12, LP21 et LP22 sont de type coplanaire. Par conséquent, comme illustré sur la figure 25, chaque ligne est placée parallèlement à l'un des côtés longitudinaux de la branche B1 ou B2 à laquelle elle est couplée.
Préférentiellement, comme illustré sur la figure 25, les deux extrémités opposées de chaque branche B1, B2 sont pourvues sur l'un de leurs côtés longitudinaux d'une paire de fentes d'adaptation d'impédance (ou stubs) ST".
Ces stubs ST" ont la même fonction que celle décrite précédemment en référence aux figures 5, 7 et 9. Ils diffèrent cependant de ceux précédemment décrits par leur forme qui est coudée pour des raisons d'encombrement. Plus précisément, chaque stub ST" présente une partie de liaison perpendiculaire au côté longitudinal de la branche concernée, prolongée de façon oblique par une partie terminale.
Le couplage offert par la fente en croix FC' de la figure 25 est de type capacitif. On peut cependant envisager deux variantes de fentes en croix FC' adaptées respectivement aux couplages de type inductif et dipolaire électrique, comme illustré sur les figures 26 et 27. Cette dernière variante de réalisation est notamment décrite dans le document de D. Llorens Del Rio et al, « The T match : an integrated match for CPW-fed slot antennas », JINA 2002, Vol n°2, pp. 347-350, sous l'appellation T-match.
Dans ce huitième exemple de réalisation, les deux extrémités de la première branche B1 sont couplées, via les paires de stubs ST", aux extrémités supérieures des lignes d'alimentation principale LP11 et LP12 situées sur le premier plan de masse PM1, et les deux extrémités de la seconde branche B2 sont couplées, via les paires de stubs ST", aux extrémités supérieures des lignes d'alimentation principale LP21 et LP22 situées sur le troisième plan de masse PM3.
Dans une autre variante, illustrée sur les figures 28 et 29, on peut réaliser une excitation en double polarisation à l'aide d'un unique substrat SB orthogonal (contenant deux plans de masse PM1 et PM1'). Pour ce faire, on peut utiliser une fente de couplage en croix FC, comportant aux deux extrémités de sa branche B1 des stubs ST. L'excitation se fait à l'aide, d'une part, de deux lignes d'alimentation principale coplanaires LP1a et LP1b réalisées dans un premier plan de masse PM1 formé sur la face avant d'un substrat SB, pour l'une des polarisations, et d'autre part, à l'aide d'une ligne d'alimentation principale à fente LP1' réalisée dans un autre premier plan de masse PM1' formé sur la face arrière du substrat SB, pour l'autre polarisation orthogonale.
On profite ainsi du fait que les lignes coplanaire LP1 a et LP1 b et ligne à fente LP1' sont agencées de manière à exciter des fentes orthogonales.
On peut éventuellement séparer les fentes orthogonales de manière à avoir une excitation par ligne coplanaire et une excitation par ligne à fente, comme illustré sur les figures 30 et 31. Plus précisément, on réalise ici une excitation en double polarisation toujours à l'aide d'un unique substrat orthogonal SB (contenant deux plans de masse PM1 et PM1'). Pour ce faire, on peut utiliser deux fentes de couplage rectangulaires F1 et F2. La fente F1 comporte de préférence des stubs ST au niveau de sa partie centrale. L'excitation est obtenue à l'aide d'une ligne d'alimentation principale coplanaire LP1 réalisée dans un premier plan de masse PM1 formé sur la face avant d'un substrat SB, pour l'une des polarisations, tandis que l'autre excitation (perpendiculaire) est réalisée à l'aide d'une ligne d'alimentation principale à fente LP1' réalisée dans un autre premier plan de masse PM1' formé sur la face arrière du substrat SB, pour l'autre polarisation orthogonale.
On profite ainsi du fait que les lignes coplanaire LP1 a et LP1 b et ligne à fente LP1' sont agencées de manière à exciter des fentes orthogonales. On peut éventuellement séparer les fentes orthogonales de manière à avoir une excitation par ligne coplanaire et une excitation par ligne à fente.
Dans une autre variante, on peut obtenir une polarisation circulaire en n'utilisant qu'un seul accès. Pour ce faire, on peut notamment utiliser une structure résonnante présentant, sur une surface ou dans sa structure, au moins un élément parasite électriquement conducteur et destiné à créer ou à renforcer une dissymétrie de la structure résonnante par rapport à la ligne d'alimentation (ou d'accès). Une telle structure est par exemple décrite dans le document brevet FR 2829300 du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS).
Dans ce qui précède, on a décrit des structures résonnantes SR de type résonateur diélectrique ou à air. Une variante de structure résonnante SR, illustrée sur la figure 32 peut consister à utiliser une « rondelle » diélectrique échancrée RE, placée au fond d'un cornet CT et réalisant le « négatif » d'un résonateur à air SR (sans paroi latérale d'épaisseur λ/4) avec uniquement un milieu diélectrique. La ligne d'alimentation principale LP1 peut être de type coplanaire ou à fente.
Afin d'éviter d'exciter des modes supérieurs dans le cornet CT, ce dernier peut présenter une section réduite dans sa partie logeant la rondelle diélectrique RE, permettant ainsi de libérer de la place pour une excitation à plusieurs accès à la périphérie du cornet, lorsque celui-ci est de type bibandes. Les parois métallique latérales du cornet CT ont un effet miroir et peuvent être placées à une distance du résonateur à air égale à λ/8 (ou 3λ/8 ou 5λ/8, etc).
Cette variante de structure résonnante peut être utilisée pour l'alimentation d'une variante de cornet du type de celle illustrée sur les figures 33 et 34. Ici, le cornet CT est de type semi-conique et comporte, dans une partie inférieure, deux iris de couplage IC, et dans une partie intermédiaire et centrale un substrat SBT sur la face inférieure duquel est réalisé le second plan de masse PM2 et la fente de couplage rectangulaire FR, et solidarisé par sa face supérieure à des bobines ou « chokes » de découplage CC concentriques qui logent la rondelle diélectrique RE cylindrique délimitant le résonateur à air SR. La ligne d'alimentation principale LP1 peut être de type coplanaire ou à fente.
Pour une excitation en bande de fréquence basse, deux accès sont nécessaires à 0° et 180°. Pour une application à forte puissance, l'excitation se fait à l'aide de guides. Pour une application à puissance intermédiaire, on peut recourir au même type d'excitation que dans le cas de la bande de fréquence basse, avec éventuellement un capot diélectrique complémentaire afin de forcer le mode à s'établir dans la structure rayonnante.
L'utilisation d'un résonateur à air SR peut également permettre une autre variante de dispositif rayonnant, du type de celle illustrée sur les figures 35 et 36. Ici, la ligne d'alimentation principale LP1 est de type coplanaire. Le substrat SB sur lequel elle est formée présente une prolongation étroite traversant le second plan de masse PM2 au niveau d'une fente FR et servant de support à une prolongation PS du conducteur central de la ligne d'alimentation principale LP1. La fente de couplage FR est préférentiellement décentrée par rapport au résonateur à air SR et présente de petites dimensions afin de ne pas rayonner.
Par ailleurs, chaque dispositif rayonnant D, selon l'invention, peut être éventuellement couplé à un cornet permettant de contrôler l'énergie devant être rayonnée de sorte qu'elle soit conforme à un gabarit choisi. Dans ce cas, la structure résonnante SR est utilisée en tant qu'excitateur compact du cornet.
En outre, plusieurs dispositifs rayonnants D, du type de ceux décrits ci-avant, peuvent être réunis afin de constituer une partie d'une antenne, éventuellement de type réseau. A cet effet, les dispositifs rayonnants D peuvent être raccordés selon la technologie 3D d'ALCATEL développée pour les circuits hyperfréquences à forte intégration. Cette technologie 3D consiste à noyer dans une résine standard à faibles pertes les circuits sur lesquels sont implantés les composants électroniques définissant le système d'alimentation SA, et à graver le second plan de masse PM2 (orthogonal au premier PM1) sur la face supérieure de la résine. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation de dispositif (ou élément) rayonnant et d'antenne décrits ci-avant, seulement à titre d'exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art dans le cadre des revendications ci-après.

Claims (23)

  1. Dispositif rayonnant (D) pour une antenne, caractérisé en ce qu'il comprend un premier plan de masse (PM1) comportant au moins une ligne d'alimentation principale à champ électrique de surface (LP1), un second plan de masse (PM2) sensiblement perpendiculaire au premier plan de masse (PM1) et comportant des moyens de couplage électromagnétique (LA, FR, FR', FR", FC, FD) alimentés orthogonalement par une première extrémité de ladite ligne d'alimentation principale (LP1), et une structure résonnante (SR) agencée pour rayonner de l'énergie selon une longueur d'onde choisie en cas d'excitation par couplage électromagnétique à la première extrémité de la ligne d'alimentation principale (LP1), via lesdits moyens de couplage.
  2. Dispositif la revendication 1, caractérisé en ce que ladite ligne d'alimentation principale (LP1) est choisie dans un groupe comprenant une ligne coplanaire et une ligne à fente.
  3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite structure résonnante (SR) est choisie dans un groupe comprenant un pavé, un résonateur diélectrique et un résonateur à air d'épaisseur égale au quart de ladite longueur d'onde choisie.
  4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de couplage comportent au moins une ligne d'alimentation auxiliaire (LA) de type coplanaire, sensiblement perpendiculaire à ladite ligne d'alimentation principale (LP1) et comprenant une première extrémité couplée à ladite première extrémité de la ligne d'alimentation principale (LP1) et une seconde extrémité couplée par effet de proximité à ladite structure résonnante (SR).
  5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de couplage comportent une fente de couplage (FR, FR', FR") de forme choisie et agencée de manière à assurer le couplage entre ladite première extrémité de la ligne d'alimentation principale (LP1) et ladite structure résonnante (SR).
  6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite fente de couplage (FR") présente une forme générale rectangulaire définie par une direction longitudinale et une direction transversale, et en ce que ladite ligne d'alimentation principale (LP1) est du type à fente(s) et présente une première extrémité sensiblement parallèle à ladite direction transversale et placée sensiblement au milieu de ladite fente de couplage (FR").
  7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite ligne d'alimentation principale (LP1) comprend un adaptateur d'impédance de type microfente (ST') à une distance choisie de sa première extrémité.
  8. Dispositif selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que ledit premier plan de masse (PM1) comprend une ligne de connexion (LC) de type coplanaire, présentant une première extrémité de forme choisie et une seconde extrémité dans laquelle se propagent des premier et second champs électriques de surface antiparallèles, et en ce que ladite ligne d'alimentation principale (LP1) comprend une seconde extrémité de forme choisie de manière à coopérer avec ladite première extrémité de la ligne de connexion (LC) pour transformer ledit second champ électrique de surface en ledit premier champ électrique de surface destiné à exciter ladite structure résonnante (SR).
  9. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite fente de couplage (FR) présente une forme générale rectangulaire définie par une direction longitudinale et une direction transversale, et en ce que ladite ligne d'alimentation principale (LP1) est du type coplanaire et est sensiblement parallèle à ladite direction longitudinale.
  10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite première extrémité de la ligne d'alimentation principale (LP1) débouche au niveau du milieu d'un côté longitudinal de ladite fente de couplage (FR).
  11. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite fente de couplage (FR) comprend un côté longitudinal prolongé perpendiculairement, au milieu, par deux microfentes d'adaptation (ST) de dimensions choisies, parallèles entre elles et espacées d'une distance choisie, ladite première extrémité de la ligne d'alimentation principale (LP1) débouchant sensiblement à la liaison entre ledit côté longitudinal de la fente de couplage (FR) et lesdites microfentes d'adaptation (ST).
  12. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite fente de couplage (FR') présente une forme générale rectangulaire définie par une direction longitudinale et une direction transversale, et en ce que ladite ligne d'alimentation principale (LP1) est du type coplanaire et présente, au niveau d'une partie médiane de ladite fente de couplage, une première extrémité coudée (ES) sensiblement parallèle à sa direction transversale.
  13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un troisième plan de masse (PM3) sensiblement perpendiculaire aux premier (PM1) et second (PM2) plans de masse et comportant en deux endroits choisis deux lignes d'alimentation principale (LP21, LP22) sensiblement parallèles et de type coplanaire, en ce que ledit premier plan de masse (PM1) comporte en deux endroits choisis deux lignes d'alimentation principale (LP11, LP12) sensiblement parallèles et de type coplanaire, et en ce que lesdits moyens de couplage comportent une fente de couplage (FC) présentant une forme générale en croix à première (B1) et seconde (B2) branches sensiblement perpendiculaires, ladite première branche (B1) présentant deux extrémités opposées couplées respectivement aux deux lignes d'alimentation principale (LP11, LP12) du premier plan de masse (PM1) et ladite seconde branche (B2) présentant deux extrémités opposées couplées respectivement aux deux lignes d'alimentation principale (LP21, LP22) du troisième plan de masse (PM3), de manière à permettre une double polarisation linéaire.
  14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite première branche (B1) comprend un côté longitudinal prolongé, en ses deux extrémités, par deux microfentes d'adaptation (ST") de dimensions et formes choisies, et présentant des parties de liaison sensiblement perpendiculaires audit côté longitudinal et espacées d'une distance choisie, ladite première extrémité de chaque ligne d'alimentation principale (LP11, LP12) du premier plan de masse (PM1) débouchant sensiblement à la liaison entre l'une des extrémités du côté longitudinal de la première branche (B1) et lesdites parties de liaison des microfentes d'adaptation (ST"), et en ce que ladite seconde branche (B2) comprend un côté longitudinal prolongé, en ses deux extrémités, par deux microfentes d'adaptation (ST") de dimensions et formes choisies, et présentant des parties de liaison sensiblement perpendiculaires audit côté longitudinal et espacées d'une distance choisie, ladite première extrémité de chaque ligne d'alimentation principale (LP21, LP22) du troisième plan de masse (PM3) débouchant sensiblement à la liaison entre l'une des extrémités du côté longitudinal de la seconde branche (B2) et lesdites parties de liaison des microfentes d'adaptation (ST").
  15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que chaque microfente d'adaptation (ST") comprend une partie terminale prolongeant, selon un angle choisi, sa partie de liaison.
  16. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend une structure d'alimentation (SA) comportant quatre parois, raccordées physiquement deux à deux en définissant un cylindre évidé de section carrée, une première paroi étant constituée dudit premier plan de masse (PM1) comportant une ligne d'alimentation principale à fente (LP1), une deuxième paroi étant constituée d'un troisième plan de masse (PM3) sensiblement perpendiculaire aux premier (PM1) et second (PM2) plans de masse et comportant une ligne d'alimentation principale à fente (LP2), une troisième paroi étant constituée d'un quatrième plan de masse (PM4) sensiblement perpendiculaire aux second (PM2) et troisième (PM3) plans de masse et comportant une ligne d'alimentation principale à fente (LP3), une quatrième paroi étant constituée d'un cinquième plan de masse (PM5) sensiblement perpendiculaire aux premier (PM1), second (PM2) et quatrième (PM4) plans de masse et comportant une ligne d'alimentation principale à fente (LP4), en ce que lesdits moyens de couplage comportent une fente de couplage (FC') présentant une forme générale en croix à première (B1) et seconde (B2) branches sensiblement perpendiculaires, ladite première branche (B1) présentant deux extrémités opposées couplées respectivement aux lignes d'alimentation principale (LP1, LP3) des premier (PM1) et quatrième (PM4) plans de masse et ladite seconde branche (B2) présentant deux extrémités opposées couplées respectivement aux lignes d'alimentation principale (LP2, LP4) des troisième (PM3) et cinquième (PM5) plans de masse, de manière à permettre une double polarisation linéaire.
  17. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un troisième plan de masse (PM3) sensiblement perpendiculaire aux premier (PM1) et second (PM2) plans de masse et comportant en deux endroits choisis deux lignes d'alimentation principale à fente (LP21, LP22) sensiblement parallèles, en ce que ledit premier plan de masse (PM1) comporte en deux endroits choisis deux lignes d'alimentation principale à fente (LP11, LP12) sensiblement parallèles, et en ce que lesdits moyens de couplage comportent une fente de couplage (FD) présentant une forme générale en dièse à première (B1), deuxième (B2), troisième (B3) et quatrième (B4) branches sensiblement perpendiculaires deux à deux, lesdites première (B1) et troisième (B3) branches étant respectivement couplées par une partie médiane aux lignes d'alimentation principale (LP11, LP12) du premier plan de masse (PM1), et lesdites deuxième (B2) et quatrième (B4) branches étant respectivement couplées par une partie médiane aux lignes d'alimentation principale (LP22, LP21) du troisième plan de masse (PM3), de manière à permettre une double polarisation linéaire.
  18. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce que lesdits premier (PM1) et troisième (PM3) plans de masse comprennent chacun une ligne de connexion (LC) de type coplanaire présentant une extrémité se séparant en deux parties définissant les deux lignes d'alimentation principale à fente (LP11, LP12 ; LP22, LP21).
  19. Dispositif l'une des revendications 5 à 18, caractérisé en ce que ledit couplage entre la structure résonnante et ladite fente de couplage est choisi dans un groupe comprenant un couplage inductif, un couplage capacitif et un couplage dipolaire électrique.
  20. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 19, caractérisé en ce que
       ledit second plan de masse (PM2) est formé sur un substrat tampon (SBT) d'épaisseur choisie de manière à adapter l'impédance.
  21. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 20, caractérisé en ce qu'il comprend un cornet couplé à ladite structure résonnante (SR) de manière à être excité par celle-ci en vue de rayonner ladite énergie selon un gabarit choisi.
  22. Antenne, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un dispositif rayonnant (D) selon l'une des revendications précédentes.
  23. Antenne selon la revendication 22, caractérisée en ce qu'elle est agencée sous la forme d'une antenne réseau.
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