FR3151432A1 - Cellule polarisante, reseau transmetteur et antennes d’emission et de reception radio - Google Patents

Abstract

Une cellule polarisante (C) est adaptée pour recevoir un rayonnement incident sur un premier côté de la cellule, et pour produire, à partir du rayonnement incident, sur un second côté de la cellule opposé au premier côté, un rayonnement de réémission qui possède une polarisation circulaire. Une telle cellule peut être utilisée dans un réseau transmetteur, notamment pour entrer dans la constitution d’une antenne d’émission radio ou d’une antenne de réception radio. Une fonction de formation de faisceau peut être réalisée simplement et sans provoquer de pertes énergétiques, en adaptant des orientations d’un motif de plaquettes métalliques qui génère la polarisation circulaire.Figure d’abrégé : Figure 1

Description

CELLULE POLARISANTE, RESEAU TRANSMETTEUR ET ANTENNES D’EMISSION ET DE RECEPTION RADIO

La présente description concerne une cellule polarisante, un réseau transmetteur et des antennes d’émission et de réception radio.

Les réseaux transmetteurs, couramment appelés «transmit-arrays», sont des composants de plus en plus envisagés ou utilisés pour réaliser des antennes radio efficaces pour des valeurs de longueur d’onde de rayonnement électromagnétique de l’ordre de plusieurs millimètres. Les bandes de communication radio X et Ka sont particulièrement visées avec cette nouvelle technologie d’antenne. En effet, les réseaux transmetteurs permettent de fournir des antennes radio à fort gain et à des prix de revient qui sont beaucoup plus bas que ceux des antennes-réseaux, car ces dernières sont constituées chacune par de multiples sources de rayonnement qui sont déphasées entre elles, à la place d’une seule source de rayonnement pour chaque antenne radio à réseau transmetteur.

L’article intitulé “Hybrid Numerical Methodology for Efficient Design and Optimization of Transmit-Array Antennas, X-Band Application” de J. Pages-Mounic et al., IEEE Access, 2021, Vol. 9, pp. 148302-148314, DOI 10.1109/ACCESS.2021.3124287, décrit un réseau transmetteur capable de transformer un rayonnement qui est issu d’une source avec une polarisation linéaire en un faisceau de réémission qui est aussi polarisé linéairement, mais avec une direction de polarisation linéaire qui est orthogonale. Ce réseau transmetteur est constitué de cellules juxtaposées qui sont capables chacune d’absorber en entrée une partie du rayonnement polarisé linéairement qui est produit par la source, et capables de réémettre du rayonnement qui est aussi polarisé linéairement mais dont la direction de polarisation de réémission peut être changée simplement en modifiant une orientation d’une partie ré-émettrice de chaque cellule.

Mais pour obtenir une efficacité de communication élevée entre une antenne d’émission radio à rayonnement transmis qui est polarisé linéairement et une antenne de réception radio adaptée pour recevoir du rayonnement qui est aussi polarisé linéairement, il est nécessaire que les directions de polarisation des deux antennes soient identiques ou sensiblement identiques. Autrement dit, une étape d’alignement angulaire des deux antennes radio l’une par rapport à l’autre autour de la direction de transmission est nécessaire, ce qui peut être particulièrement pénalisant ou difficile à réaliser dans certaines circonstances, par exemple lorsqu’il s’agit de communications satellitaires. L’utilisation d’antennes radio à faisceaux de rayonnement qui sont polarisés circulairement supprime cette difficulté.

De plus, la conception de réseau transmetteur qui est décrite dans l’article précité de J. Pages-Mounic ne permet de réaliser une fonction de formation de faisceau qu’en tournant de 180° (degré) certains des motifs de cellules, ce qui limite la finesse de réalisation de cette fonction de formation de faisceau. Des rotations variables des motifs de cellules, selon des angles qui sont différents de 180°, dans un réseau transmetteur tel que décrit dans cet article, permettent de produire des compensations de phase, mais le rayonnement de réémission résultant possède une polarisation circulaire avec une efficacité qui est faible, et avec un taux d’ellipticité qui n’est pas maîtrisé.

Enfin, la plupart des sources de rayonnement qui sont utilisées pour des antennes radio à réseaux transmetteurs produisent des rayonnements qui sont polarisés linéairement. C’est le cas notamment des antennes à cornet, ou «horn antennas» en anglais.

Problème technique

A partir de cette situation, un but de la présente invention est de proposer un nouveau réseau transmetteur qui soit capable de réémettre du rayonnement électromagnétique avec une polarisation circulaire.

Plus précisément, l’invention a pour but que le rayonnement électromagnétique qui est réémis par le réseau transmetteur possède un taux d’ellipticité qui soit faible ou le plus faible possible, c’est-à-dire que ce rayonnement réémis possède une polarisation circulaire déterminée, droite ou gauche, avec un niveau de puissance dans l’autre polarisation circulaire qui soit faible ou le plus faible possible.

Ce but est recherché tout particulièrement lorsqu’un rayonnement incident qui est polarisé linéairement est utilisé.

Un autre but de l’invention est que le réseau transmetteur procure à une antenne d’émission radio qui l’incorpore une faible divergence de faisceau, ou la plus faible possible, pour le rayonnement qui est réémis avec la polarisation circulaire. Autrement dit, une conception de réseau transmetteur est recherchée, qui permette de réaliser la fonction de formation de faisceau avec un niveau de finesse accru.

Pour atteindre l’un au moins de ces buts ou un autre, un premier aspect de l’invention propose une nouvelle cellule polarisante qui est adaptée pour recevoir un rayonnement incident sur un premier côté de la cellule lors d’une utilisation de celle-ci, et pour produire, à partir du rayonnement incident, un rayonnement de réémission sur un second côté de la cellule opposé au premier côté, la cellule comprenant au moins :
- une portion d’un film métallique, qui est destinée à constituer un plan de masse pour la cellule lors de l’utilisation de cette cellule, et qui est munie d’un trou ;
- une première plaquette («patch» en anglais) métallique, qui est située au premier côté de la cellule par rapport à la portion de film métallique, qui est parallèle à cette portion de film métallique et isolée électriquement de cette dernière, et qui est destinée à absorber au moins partiellement le rayonnement incident pendant l’utilisation de la cellule ;
- une seconde plaquette métallique, qui est située au second côté de la cellule par rapport à la portion de film métallique, qui est parallèle à cette portion de film métallique et isolée électriquement de cette dernière, et qui est destinée produire le rayonnement de réémission pendant l’utilisation de la cellule ; et
- une connexion électrique, qui relie la première plaquette métallique à la seconde plaquette métallique en traversant la portion de film métallique par le trou, tout en étant isolée électriquement par rapport à cette portion de film métallique.

Selon l’invention, la seconde plaquette métallique possède un motif qui comprend les parties suivantes de seconde plaquette métallique :
- une portion périphérique, qui est comprise entre un bord externe et un bord interne circulaire, le bord interne circulaire délimitant une zone interne de motif de la seconde plaquette métallique, et la connexion électrique aboutissant au niveau d’un centre du bord interne circulaire ; et
- un premier segment d’alimentation, qui relie radialement le bord interne circulaire à la connexion électrique, dans la zone interne de motif,
le motif de la seconde plaquette métallique comprenant en outre les autres parties suivantes de seconde plaquette métallique, qui sont aussi dans la zone interne de motif :
- un second segment d’alimentation, qui aboutit radialement au bord interne circulaire en formant un angle compris entre 80° (degré) et 100° avec le premier segment d’alimentation, l’angle étant mesuré au niveau du centre du bord interne circulaire ; et
- une bande intermédiaire, qui relie le premier segment d’alimentation au niveau de la connexion électrique à une extrémité du second segment d’alimentation opposée au bord interne circulaire.

Par cette constitution du motif de la seconde plaquette métallique, les premier et second segments d’alimentation transmettent des premier et second courants électriques, respectivement, à la portion périphérique pendant l’utilisation de la cellule. En outre, selon une caractéristique supplémentaire de l’invention, la bande intermédiaire possède une longueur telle que le second courant électrique soit retardé en quadrature de phase par rapport au premier courant électrique au niveau du bord interne circulaire, lorsque le rayonnement incident possède une valeur de fréquence qui appartient à une bande de résonance de la cellule pour produire le rayonnement de réémission à partir du rayonnement incident.

Une telle cellule polarisante peut être fabriquée en utilisant l’une des technologies disponibles, notamment à base de circuits imprimés. Son prix de revient, ainsi que celui d’un réseau transmetteur qui est constitué par de telles cellules, peuvent donc être bas.

Lors d’une utilisation de la cellule polarisante de l’invention, la connexion électrique transmet à la seconde plaquette métallique un courant électrique variable qui résulte de l’absorption du rayonnement incident par la première plaquette métallique. Ce courant électrique est alors transmis à la portion périphérique de la seconde plaquette métallique simultanément pour une partie par le premier segment d’alimentation de la seconde plaquette métallique, et pour une partie supplémentaire par son second segment d’alimentation. Grâce au déphasage en quadrature que produit le motif de cette seconde plaquette métallique entre les parties respectives de courant électrique qui sont transmises par les deux segments d’alimentation, et du fait de l’angle entre les raccordements respectifs de ces deux segments d’alimentation au bord interne circulaire de la portion périphérique de la seconde plaquette métallique, ces parties transmises de courant électrique génèrent dans la portion périphérique un courant électrique qui tourne autour de la zone interne de motif. Ce courant électrique tournant produit alors le champ du rayonnement de réémission avec une polarisation circulaire et un sens de rotation déterminé, et avec un niveau élevé de pureté par rapport à l’autre sens de rotation de polarisation circulaire.

Une cellule polarisante qui est conforme à l’invention peut être utilisée en tant que polariseur circulaire. En outre, si la première plaquette métallique est adaptée pour absorber le rayonnement incident quand celui-ci possède une polarisation déterminée, différente de la polarisation circulaire de réémission produite par le motif de la seconde plaquette métallique, la cellule polarisante réalise une fonction de conversion de polarisation. En particulier, si la première plaquette métallique est adaptée pour absorber le rayonnement incident quand celui-ci possède une polarisation linéaire déterminée, la cellule polarisante de l’invention réalise une fonction de conversion de cette polarisation linéaire en polarisation circulaire.

Par ailleurs, lorsque plusieurs cellules polarisantes qui sont conformes chacune à l’invention et identiques sont juxtaposées pour former un réseau transmetteur, un écart angulaire entre les orientations respectives des secondes plaquettes métalliques de deux de ces cellules polarisantes, à l’intérieur d’un plan commun à ces secondes plaquettes métalliques, produit le même écart angulaire entre les champs instantanés respectifs qui sont réémis par les deux cellules. Du fait de la polarisation circulaire du champ réémis, cet écart angulaire est équivalent à un déphasage de même valeur entre les rayonnements qui sont réémis séparément par les deux cellules. Une sélection appropriée des orientations respectives des secondes plaquettes métalliques de toutes les cellules de ce réseau transmetteur permet donc de produire simplement une formation de faisceau pour le rayonnement qui réémis par l’ensemble du réseau transmetteur. L’angle d’orientation de chaque seconde plaquette métallique étant une variable continue, la fonction de formation de faisceau peut être réalisée avec une grande finesse à partir de cellules qui sont conformes à l’invention. Le faisceau du rayonnement réémis peut ainsi présenter une divergence qui est faible, et avoir une puissance radiative dans des lobes secondaires du faisceau qui est réduite. De plus, cette possibilité de produire la fonction de formation de faisceau en tournant les secondes plaquettes métalliques rend inutile d’associer un retardateur à chaque cellule du réseau transmetteur, au niveau de la connexion électrique de cette cellule. Le coût additionnel et les pertes énergétiques associés aux retardateurs sont ainsi supprimés.

Dans des modes préférés de réalisation de l’invention, la bande intermédiaire peut posséder une partie de raccordement et une partie courbe, la partie de raccordement reliant le premier segment d’alimentation au niveau de la connexion électrique à une première extrémité de la partie courbe, et une seconde extrémité de cette partie courbe étant connectée à l’extrémité du second segment d’alimentation qui est opposée au bord interne circulaire. Avec une telle forme, la bande intermédiaire peut avoir une impédance caractéristique qui est continue ou constante tout au long de cette bande intermédiaire, si bien qu’elle ne produit pas de réflexion significative pour la partie de courant électrique qu’elle transmet au second segment d’alimentation. La cellule polarisante présente ainsi un taux de réflexion effectif pour le rayonnement incident, qui est plus faible. Autrement dit, une proportion plus importante du rayonnement incident est convertie en rayonnement réémis. En outre, cette conception en deux parties de la bande intermédiaire, c’est-à-dire avec la partie de raccordement et la partie courbe, permet d’ajuster facilement la longueur totale de la bande intermédiaire pour produire le déphasage en quadrature entre les deux parties de courant électrique qui sont transmises séparément par les deux segments d’alimentation à la portion périphérique de seconde plaquette. Préférablement, la partie courbe de la bande intermédiaire peut posséder une forme en arc de cercle à l’intérieur de la zone de motif, avec une extension angulaire qui est comprise entre 210° et 270°. Une telle forme en arc de cercle de la partie courbe permet aussi de réduire des inductances parasites qui seraient susceptibles de dégrader le fonctionnement de la cellule polarisante.

De façon générale, la cellule polarisante de l’invention peut être dimensionnée de sorte que la bande de résonance de cette cellule soit contenue entre 8 GHz (Gigahertz) et 12 GHz, correspondant à la bande X, ou entre 26,5 GHz et 40 GHz, correspondant à la bande Ka. Toutefois, la cellule polarisante de l’invention peut être dimensionnée alternativement pour que sa bande de résonance soit dans d’autres domaines spectraux affectés à des types de communication radio répertoriés.

Possiblement, la cellule polarisante de l’invention peut comprendre en outre, sur son second côté, et d’un côté de la seconde plaquette métallique qui est opposé à la portion de film métallique :
- une troisième plaquette métallique qui est parallèle à la portion de film métallique, et qui est isolée électriquement de chacune de la portion de film métallique et des première et seconde plaquettes métalliques, la troisième plaquette métallique ayant une forme à symétrie de révolution autour d’un axe, appelé axe de cellule, qui passe par le centre du bord interne circulaire de la seconde plaquette métallique et qui est perpendiculaire à la portion de film métallique.
Une telle troisième plaquette métallique est donc couplée électromagnétiquement à distance à la seconde plaquette métallique. Elle permet d’élargir la bande de fréquence à l’intérieur de laquelle la cellule polarisante est efficace. Notamment, la troisième plaquette métallique peut posséder des dimensions qui sont adaptées pour élargir la bande de résonance de la cellule, par rapport à cette même cellule quand elle est dépourvue de troisième plaquette métallique. Avantageusement, la troisième plaquette métallique peut être une bande annulaire qui est centrée par rapport à l’axe de cellule. Les rayons des bords circulaires interne et externe de la bande annulaire sont alors deux paramètres dimensionnels qui peuvent être ajustés pour contrôler l’élargissement de la bande de résonance de la cellule.

Dans des modes de réalisation de l’invention qui sont destinés à être utilisés avec un rayonnement incident polarisé linéairement, la première plaquette métallique peut posséder un motif adapté pour qu’elle présente, lors de l’utilisation de la cellule, une efficacité d’absorption qui est supérieure pour une première polarisation linéaire du rayonnement incident, par rapport à une seconde polarisation linéaire de ce rayonnement incident perpendiculaire à la première polarisation. Notamment, le motif de la première plaquette métallique peut comprendre les parties suivantes de première plaquette métallique, indépendantes des parties de la seconde plaquette métallique :
- une portion périphérique, qui est comprise entre un bord externe et un bord interne circulaire, le bord interne circulaire délimitant une zone interne de motif de la première plaquette métallique, et la connexion électrique aboutissant au niveau d’un centre de ce bord interne circulaire ; et
- un segment d’alimentation, qui relie radialement le bord interne circulaire à la connexion électrique, dans la zone interne de motif de la première plaquette métallique.

Un deuxième aspect de l’invention propose un réseau transmetteur qui comprend une pluralité de cellules identiques et conformes chacune au premier aspect de l’invention. Ces cellules sont juxtaposées entre elles de sorte que leurs portions de film conducteur se prolongent continûment entre cellules voisines, pour constituer un écran plan à trous. Les cellules sont tournées pour que leurs premières plaquettes métalliques respectives soient toutes sur un même côté du réseau transmetteur, et sont espacées parallèlement à l’écran plan à trous de sorte que ces premières plaquettes métalliques respectives soient disjointes, et que les secondes plaquettes métalliques respectives soient aussi disjointes, et que les troisièmes plaquettes métalliques respectives, lorsqu’elles sont présentes dans les cellules, soient aussi disjointes.

Dans des modes de réalisation préférés d’un tel réseau transmetteur conforme à l’invention, les premières plaquettes métalliques respectives des cellules peuvent être toutes orientées identiquement à l’intérieur d’un plan d’entrée qui est parallèle à l’écran plan à trous, et les secondes plaquettes métalliques respectives des cellules peuvent avoir des orientations variables à l’intérieur d’un autre plan qui est aussi parallèle à l’écran plan à trous. Ces orientations variables peuvent être adaptées pour produire une fonction de formation de faisceau pour le rayonnement qui est réémis par le réseau transmetteur.

Dans ce réseau transmetteur, les cellules peuvent être disposées selon un agencement matriciel, en étant situées à des intersections de lignes et de colonnes d’une matrice. Un pas de la matrice, parallèlement aux lignes et aux colonnes, peut être sensiblement égal à la moitié d’une valeur de longueur d’onde qui est associée à une valeur de fréquence appartenant à la bande passante des cellules. La relation entre une valeur de longueur d’onde, notée λ, et la valeur associée de fréquence, notée f, est : λ = C/f où C est la vitesse de propagation du rayonnement électromagnétique dans le vide.

Un troisième aspect de l’invention propose une antenne d’émission radio qui comprend :
- une source, adaptée pour produire un rayonnement électromagnétique qui possède un état de polarisation lors d’une utilisation de l’antenne d’émission radio ; et
- un réseau transmetteur qui est conforme au deuxième aspect d’invention, et qui est disposé devant une sortie de rayonnement de la source, avec le premier côté du réseau transmetteur, qui comporte les premières plaquettes métalliques, tourné vers la source.
Dans cette antenne d’émission radio, le motif des premières plaquettes métalliques est adapté pour absorber le rayonnement produit par la source, en tant que rayonnement incident pour chaque cellule du réseau transmetteur, conformément à l’état de polarisation de ce rayonnement incident tel que produit par la source.

Enfin, un quatrième aspect de l’invention propose une antenne de réception radio qui comprend :
- un détecteur, adapté pour détecter un rayonnement électromagnétique qui possède un état de polarisation prescrit pour ce détecteur ; et
- un réseau transmetteur qui est conforme au deuxième aspect d’invention, et qui est disposé devant le détecteur, avec le premier côté du réseau transmetteur, qui comporte les premières plaquettes métalliques, tourné vers le détecteur,
Dans cette antenne de réception radio, le motif des premières plaquettes métalliques est adapté à l’état de polarisation prescrit pour le détecteur. Ainsi, lorsque du rayonnement externe qui possède une polarisation circulaire permettant une absorption de ce rayonnement externe par les secondes plaquettes métalliques du réseau transmetteur, arrive sur le second côté de ce dernier, les premières plaquettes métalliques réémettent vers le détecteur un rayonnement de réception qui possède l’état de polarisation prescrit pour ce détecteur.

Brève description des figures

Les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement dans la description détaillée ci-après d’exemples de réalisation non-limitatifs, en référence aux figures annexées parmi lesquelles :

est une vue en section d’une cellule polarisante qui est conforme à l’invention ;

est une vue en perspective de parties métalliques de la cellule polarisante de ;

est une vue en plan d’une première partie métallique de la cellule polarisante de ;

est une vue en plan d’une deuxième partie métallique de la cellule polarisante de ;

est une vue en plan d’une troisième partie métallique de la cellule polarisante de ;

est une vue en plan d’une quatrième partie métallique de la cellule polarisante de ;

est une vue d’un plan d’entrée d’un réseau transmetteur qui est conforme à l’invention ;

est une vue d’une partie d’un autre plan du réseau transmetteur de ;

est une vue schématique d’une antenne d’émission à réseau transmetteur qui est conforme à l’invention ; et

est une vue schématique d’une antenne de réception à réseau transmetteur qui est conforme à l’invention.

Description détaillée de l’invention

Pour raison de clarté, les dimensions des éléments qui sont représentés dans ces figures ne correspondent ni à des dimensions réelles, ni à des rapports de dimensions réels. En outre, certains de ces éléments ne sont représentés que symboliquement, et des références identiques qui sont indiquées dans des figures différentes désignent des éléments identiques ou qui ont des fonctions identiques.

A titre d’illustration, toutes les valeurs numériques qui sont données d’abord en référence à , et - concernent une cellule polarisante dimensionnée pour fonctionner à l’intérieur de la bande X, avec une valeur de longueur d’onde centrale de bande passante, notée λ, qui est sensiblement égale à 28,6 mm (millimètre), correspondant à une valeur de fréquence de rayonnement électromagnétique, notée f, qui est égale à 10,5 GHz.

Conformément à et , une cellule polarisante conforme à l’invention et désignée globalement par C peut être réalisée sous forme d’une superposition de trois substrats plans de circuits imprimés. Dans cette réalisation, les substrats 5 et 7 portent chacun une couche métallique sur une seule de leurs faces respectives, et le substrat 6 porte une couche métallique sur chacune de ses faces. Chaque couche métallique, qui peut être en cuivre (Cu), est gravée selon un motif qui sera décrit plus loin pour former les parties métalliques suivantes de la cellule C, énumérées dans l’ordre à partir d’un plan d’entrée P_inde la cellule C jusqu’à son plan de sortie P_out:
- une première partie métallique, désignée par la référence 1, qui est superposée au plan d’entrée P_inet qui a été appelée première plaquette métallique dans la partie générale de la présente description, est portée par le substrat 5,
- une deuxième partie métallique, désignée par la référence 2 et qui a été appelée portion de film métallique dans la partie générale de la présente description, est portée par la face du substrat 6 qui est tournée vers le plan d’entrée P_in,
- une troisième partie métallique, désignée par la référence 3 et qui a été appelée seconde plaquette métallique dans la partie générale de la présente description, est portée par l’autre face du substrat 6, qui est tournée vers le plan de sortie P_out, et
- une quatrième partie métallique, optionnelle et désignée par la référence 4, qui est superposée au plan de sortie P_outet qui a été appelée troisième plaquette métallique dans la partie générale de la présente description, est portée par le substrat 7.
Les substrats 5-7 sont collés entre eux par les couches d’assemblage 56 et 67, couramment appelées pré-preg. Les valeurs numériques suivantes peuvent être adoptées :
épaisseurs respectives des plaquettes métalliques 1, 3 et 4 : 43 µm (micromètre), 43 µm et 35 µm
épaisseur de la portion de film métallique 2 : 17 µm
épaisseur des substrats 5 et 6 : 1,524 mm
permittivité diélectrique relative des substrats 5 et 6 : 3,55
épaisseur et permittivité diélectrique relative du substrat 7 : 1,575 mm et 2,2
épaisseur et permittivité diélectrique relative de la couche pre-preg 56 : 90 µm et 3,52
épaisseur et permittivité diélectrique relative de la couche pre-preg 67 : 50 µm et 2,7

La cellule C possède une forme carrée parallèlement aux plans P_inet P_out, de côtés égaux à environ λ/2 = 14,3 mm. Elle est destinée à recevoir sur son plan d’entrée P_inun rayonnement électromagnétique incident R_inqui possède la longueur d’onde λ, et elle produit alors, à partir de ce rayonnement incident R_in, un rayonnement électromagnétique de réémission R_outà partir du plan de sortie P_out.

Comme montré par et , les plaquettes métalliques 1 et 3 sont connectées électriquement l’une à l’autre par un via métallique 8. Le via 8 est superposé à un axe central A-A de la cellule C, qui est perpendiculaire aux plans P_inet P_out. Le via 8 peut être en un alliage à base de cuivre, et avoir un rayon externe de 0,15 mm.

montre le motif de la portion de film métallique 2. Cette portion de film métallique 2 est continue dans toute l’extension de cellule C, parallèlement aux plans P_inet P_out, sauf au niveau d’un trou 20 qui centré sur l’axe A-A. Ce trou 20, qui peut avoir un rayon de 0,3 mm, assure que la portion de film métallique 2 soit isolée électriquement du via 8.

montre un exemple de motif de la plaquette métallique 1, qui est adapté lorsque le rayonnement incident R_inpossède une polarisation linéaire. Ce motif de plaquette 1 est décrit dans l’article de J. Pages-Mounic et al. qui a été cité au début de la présente description. Conformément à ce motif, la plaquette 1 comprend une portion périphérique 10 qui est continue entre un bord externe rectangulaire 11 et un bord interne circulaire 12. Le bord interne circulaire 12 est centré sur l’axe A-A. Le motif de plaquette 1 comprend en outre un segment d’alimentation 13 rectiligne qui relie le bord interne circulaire 12 au via 8. La couche métallique a été retirée par gravure chimique en dehors de la portion périphérique 10 et du segment d’alimentation 13. Les dimensions suivantes peuvent être adoptées pour la plaquette 1 :
dimensions L_{patch 1}x W_{patch 1}du bord externe 11 : 6,13 mm x 6,13 mm
rayon R_{cyl 1}du bord interne circulaire 12 : 2 mm
largeur W_{line 1}du segment d’alimentation 13 : 0,46 mm
Une telle plaquette métallique 1 est adaptée pour absorber le rayonnement incident R_inlorsque ce rayonnement incident possède une polarisation linéaire de son champ électrique qui est parallèle à la direction d’extension longitudinale du segment d’alimentation 13.

montre un exemple de motif de la plaquette métallique 3, qui est adapté pour produire le rayonnement de réémission R_outavec une polarisation circulaire. Ce motif de plaquette 3 comprend une portion périphérique 30 qui est continue entre un bord externe carré 31 et un bord interne circulaire 32, un premier segment d’alimentation 33 rectiligne, un second segment d’alimentation 34 aussi rectiligne, et une bande intermédiaire 35. Le bord interne circulaire 32 est centré sur l’axe A-A. Le premier segment d’alimentation 33 relie le bord interne circulaire 32 au via 8. Le second segment d’alimentation 34 relie le bord interne circulaire 32 en faisant un angle θ qui est égal à 90° avec la direction longitudinale du premier segment d’alimentation 33, autour de l’axe A-A. La bande intermédiaire 35 relie l’une à l’autre deux extrémités respectives 33e et 34e des segments d’alimentation 33 et 34, qui sont opposées au bord interne circulaire 32. Dans le mode de réalisation représenté, la bande intermédiaire 35 est constituée par une partie de raccordement 35a et une partie courbe 35b. La partie courbe 35b peut avoir une extension angulaire d’environ 240° autour de l’axe A-A, et les deux parties 35a et 35b sont agencées en série pour raccorder l’extrémité 33e du premier segment d’alimentation 33 à l’extrémité 34e du second segment d’alimentation 34. La façon de déterminer la longueur totale de la bande intermédiaire 35 sera décrite plus loin. Les dimensions suivantes peuvent être adoptées pour la plaquette 3 :
dimensions L_{patch 3}x W_{patch 3}du bord externe 31 : 6,13 mm x 6,13 mm
rayon R_{cyl 3}du bord interne circulaire 32 : 2 mm
largeur W_{line 3}du segment d’alimentation 33 : 0,44 mm
largeur commune W_strip3du segment d’alimentation 34 et de la bande intermédiaire 35 dans ses deux parties 35a et 35b : 0,43 mm

montre un exemple de motif de la plaquette métallique 4, qui est adapté pour agrandir une bande passante de la cellule C. Ce motif de plaquette 4 peut être une bande annulaire qui est limitée entre un bord externe circulaire 41 et un bord interne circulaire 42. Les deux bords 41 et 42 sont centrés sur l’axe A-A et peuvent avoir les valeurs de rayons Rcyl_ext4 = 3,7 mm et Rcyl_int4 = 1,2 mm, respectivement. Cette plaquette métallique 4 est isolée électriquement par rapport à toutes les autres parties métalliques de la cellule C. Son effet sur le fonctionnement de la cellule C résulte d’un couplage électromagnétique à distance qui existe entre les plaquettes 3 et 4.

Lorsque la cellule C qui vient d’être décrite reçoit le rayonnement incident R_insur la plaquette 1, dans le plan d’entrée P_in, ce rayonnement R_ininduit des courants électriques à l’intérieur de la plaquette 1, qui causent une absorption au moins partielle de la puissance du rayonnement R_in. Pour le motif de plaquette 1 décrit plus haut, cette absorption est maximale lorsque le rayonnement incident R_inest polarisé linéairement avec son champ électrique qui est parallèle à la direction longitudinale du segment d’alimentation 13. La portion de film métallique 2 produit un effet d’écran, pour une partie résiduelle du rayonnement incident R_inqui n’a pas été absorbée par la plaquette 1. Pour améliorer cet effet d’écran de la portion de film métallique 2, celle-ci peut être connectée à une borne de masse électrique. Ainsi, la portion de film métallique 2 constitue un plan de masse de la cellule C. Les courants électriques qui ont été générés par le rayonnement incident R_indans la plaquette 1 sont transmis à la plaquette 3 par le via 8, à travers la portion de film métallique 2. Par un fonctionnement électrique inverse de celui qui s’est produit dans la plaquette 1, ces courants électriques qui arrivent à la plaquette 3 par le via 8 sont transmis à la portion périphérique 30 de celle-ci par chacun des segments d’alimentation 33 et 34. La partie de ces courants électriques qui est transmise par le segment d’alimentation 33 produit une composante du rayonnement de réémission R_outqui possède une polarisation linéaire parallèle à ce segment 33. Simultanément, l’autre partie des courants électriques, transmise par le segment d’alimentation 34, produit une autre composante du rayonnement de réémission R_outqui possède une polarisation parallèle à cet autre segment 34. La bande intermédiaire 35 est conçue pour posséder une longueur totale qui produit un retard de transmission d’une quadrature de phase pour les courants électriques qu’elle transmet. Cette longueur totale peut être ajustée facilement en sélectionnant l’orientation angulaire de la partie de raccordement 35a par rapport à la direction longitudinale du segment d’alimentation 33, et en adaptant en conséquence la longueur angulaire de la partie courbe 35b pour rejoindre le segment d’alimentation 34. Etant donné que les deux segments d’alimentation 33 et 34 sont perpendiculaires (θ=90°), et que la bande intermédiaire 35 délivre à la portion périphérique 30, par l’intermédiaire du segment d’alimentation 34, la partie des courants électriques qu’elle transmet avec un retard d’une quadrature par rapport à la partie des courants électriques qui est transmise par le segment d’alimentation 33, les deux composantes du rayonnement de réémission R_outse combinent pour produire ce rayonnement de réémission avec une polarisation circulaire. Les largeurs W_{line 3}et W_strip3peuvent être sélectionnées pour que les courants électriques qui sont transmis respectivement par les segments d’alimentation 33 et 34 aient des amplitudes égales. L’effet complémentaire de la plaquette 4, optionnelle, a déjà été indiqué plus haut.

Un réseau transmetteur 100 est fabriqué en réalisant dans des plaques de circuits imprimés de grandes dimensions, un grand nombre de cellules C identiques chacune à celle qui a été décrite précédemment. Par exemple, les cellules C sont disposées selon un agencement matriciel, qui possède le pas λ/2 = 14,3 mm à la fois selon la direction des lignes et selon la direction des colonnes. Les portions de film métallique 2 se prolongent continûment entre cellules qui sont voisines dans la matrice. A l’intérieur du plan d’entrée P_in, les plaquettes 1 de toutes les cellules C du réseau transmetteur 100 sont orientées pour que leurs segments d’alimentation 13 respectifs soient tous parallèles, comme montré dans . Parallèlement au plan de sortie P_out, les plaquettes 3 de toutes les cellules C du réseau transmetteur 100 peuvent aussi être orientées pour que leurs segments d’alimentation 33 respectifs soient tous parallèles. Toutefois, lorsque deux cellules C du réseau transmetteur 100 sont orientées parallèlement au plan de sortie P_outpour que leurs segments d’alimentation 33 respectifs forment un angle α, ces deux cellules C produisent des contributions respectives au rayonnement R_outtel que réémis par l’ensemble du réseau transmetteur 100, qui présentent entre elles un déphasage égal α. Ce déphasage provient de l’équivalence entre une rotation du champ électrique et un retard de phase pour une polarisation circulaire. Il est alors possible de sélectionner les orientations respectives des plaquettes 3 de toutes les cellules C du réseau transmetteur 100, parallèlement au plan de sortie P_out, afin d’obtenir un effet de formation de faisceau pour le rayonnement de réémission R_out. L’Homme du métier saura déterminer par simulations numériques une distribution appropriée des valeurs d’angle α dans la matrice du réseau transmetteur 100, pour réduire ou adapter une divergence du faisceau du rayonnement réémis R_out. montre symboliquement une distribution de valeurs variables d’angle α dans une partie du réseau transmetteur 100.

Comme montré dans , le réseau transmetteur 100 peut être utilisé avec une source 200 de rayonnement pour constituer une antenne d’émission radio 300, dite antenne d’émission à réseau transmetteur. La source 200 peut être du type à cornet, qui produit le rayonnement R_indans la bande X, avec une fréquence centrale d’émission qui est égale à 10,5 GHz. Une telle source 200 produit le rayonnement R_inavec une polarisation linéaire de champ électrique qui est parallèle à l’axe x, et avec un gain nominal de 15,5 dBi, en étant efficace dans tout l’intervalle spectral d’émission 8 GHz - 12 GHz. De façon usuelle, on entend par gain nominal d’une source d’émission radio la valeur exprimée en décibels (dB) du rapport entre la puissance qui est émise par cette source dans sa direction principale d’émission et la valeur de puissance que produirait dans cette direction une source à émission isotrope, pour une même valeur de puissance totale émise. L’axe z désigne la direction principale d’émission de la source 200. Le réseau transmetteur 100 est alors disposé perpendiculairement à l’axe z, à une distance D = 214 mm du foyer d’émission de la source 200, et est orienté autour de l’axe z de sorte que les segments d’alimentation 13 soient tous parallèles à l’axe x. En outre, le réseau transmetteur 100 est tourné pour que la source 200 soit du côté des premières plaquettes métalliques 1.

Dans l’exemple de réalisation d’antenne d’émission à réseau transmetteur 300 qui est rapporté ici, le réseau transmetteur 100 a un périmètre carré dans le plan x-y de 285,5 mm de côté, et comporte 20 x 20 cellules C juxtaposées en disposition matricielle parallèlement aux axes x et y. Ces dimensions correspondent à la taille individuelle des cellules C de 14,275 mm x 14,275 mm, c’est-à-dire un pas matriciel qui est égal à λ/2 pour la fréquence d’émission de 10,5 GHz. Le motif des plaquettes 3 du réseau transmetteur 100 est sélectionné pour produire le rayonnement R_outavec la polarisation circulaire gauche. En outre, une distribution de valeurs d’angle α pour toutes les plaquettes 3 parallèlement au plan x-y a été déterminée pour conférer une valeur maximale de gain nominal à l’antenne d’émission à réseau transmetteur 300. Cette valeur maximale de gain nominal telle que calculée est égale à 26,5 dBi, ou 26 dBi en tenant compte de pertes se produisant dans le système, alors que des mesures effectuées en chambre anéchoïque ont fourni la valeur de 25,5 dBi. Le réseau transmetteur 100 procure donc une augmentation de 10 dBi par rapport à la source 200. Autrement dit, la fonction de formation de faisceau du réseau transmetteur 100 permet de réduire la divergence du faisceau de rayonnement réémis R_outqui est transmis vers l’extérieur par l’antenne d’émission 300, par rapport à la divergence du faisceau R_intel que sortant directement de la source 200. Le taux d’ellipticité du rayonnement réémis R_outest de 0,3 dB à la fréquence d’émission de 10,5 GHz, ce qui montre la pureté élevée de la polarisation circulaire gauche dans ce rayonnement réémis R_out. Enfin, l’antenne d’émission à réseau transmetteur 300 possède les caractéristiques supplémentaires suivantes :
bande passante Δf/f à -1 dB de gain : 16%, correspondant à la largeur de bande passante Δf = 1,6 GHz pour l’antenne d’émission à réseau transmetteur 300
bande passante à -1 dB de taux d’ellipticité : supérieure à 30%, correspondant à une largeur spectrale supérieure à 3 GHz pour ce critère de polarisation
quotient de la directivité de l’antenne d’émission à réseau transmetteur 300 sur la directivité théorique maximale qui peut être obtenue avec la même surface antennaire, appelé efficacité d’ouverture : 44%
quotient de la puissance qui est effectivement rayonnée par l’antenne à réseau transmetteur 300 sur la puissance d’alimentation de la source 200, appelé efficacité en puissance : 77%

Un autre réseau transmetteur a été réalisé conformément à la présente invention, en étant dimensionné pour une utilisation à l’intérieur de la bande Ka, avec une valeur de fréquence centrale égale à 30 GHz. Cet autre réseau transmetteur possède une matrice de 70 x 70 cellules C, aboutissant à un périmètre carré de 350 mm x 350 mm pour le réseau transmetteur. La source de rayonnement qui est utilisée avec cet autre réseau transmetteur pour réaliser une autre antenne d’émission efficace dans une partie de la bande Ka, possède un gain nominal de 15,5 dBi, en étant efficace dans tout l’intervalle spectral d’émission 26 GHz - 40 GHz. La valeur adoptée pour la distance D est alors 300 mm. Les caractéristiques de l’antenne d’émission à réseau transmetteur qui est ainsi réalisée sont les suivantes :
polarisation du rayonnement R_in: linéaire
polarisation du rayonnement réémis R_out: circulaire gauche
valeur calculée du gain nominal de l’antenne d’émission à réseau transmetteur : 39,5 dBi
valeur mesurée en chambre anéchoïque du gain nominal de l’antenne d’émission à réseau transmetteur : 39 dBi, soit une augmentation d’environ 24 dB par rapport à la valeur de gain nominal de la source utilisée
taux d’ellipticité à la fréquence centrale : 0,3 dB
bande passante Δf/f à -1 dB de gain : 8%, correspondant à Δf = 2,4 GHz
bande passante à -1 dB de taux d’ellipticité : supérieure à 20%, correspondant à une largeur spectrale supérieure à 6 GHz pour ce critère de polarisation
efficacité d’ouverture : 62%
efficacité en puissance : 80%
Les inventeurs soulignent que l’invention permet donc d’obtenir des valeurs d’efficacité d’ouverture et d’efficacité en puissance jamais atteintes antérieurement pour des réseaux transmetteurs qui convertissent une polarisation linéaire en polarisation circulaire.

Enfin, un réseau transmetteur 100 qui est conforme à l’invention peut aussi être utilisé pour constituer une antenne de réception radio, comme montré dans . L’antenne de réception à réseau transmetteur est désignée globalement par la référence 500. En plus du réseau transmetteur 100, l’antenne de réception 500 comprend un détecteur de rayonnement 400, qui est situé sur le côté du réseau transmetteur 100 qui comporte les premières plaquettes métalliques 1. Dans l’antenne de réception 500, le réseau transmetteur 100 possède un fonctionnement inverse de celui qui a été décrit antérieurement : un rayonnement externe R_extqui est polarisé circulairement et qui est incident sur le réseau transmetteur 100, du côté des secondes plaquettes métalliques 3, est absorbé par ces dernières lorsque son sens de rotation de polarisation est approprié. Les courants électriques qui sont produits par cette absorption sont transmis par les vias 8 aux plaquettes 1, qui émettent alors un rayonnement de réception R_recepen direction du détecteur 400. Le réseau transmetteur 100 est sélectionné pour posséder un motif de ses plaquettes 1 qui est compatible avec un état de polarisation nécessité par le détecteur 400. Par exemple, le détecteur 400 peut nécessiter que le rayonnement de réception R_receppossède une polarisation rectiligne orientée convenablement, afin de fournir une efficacité de détection optimale. En particulier, le détecteur 400 peut être constitué par une antenne à cornet qui est utilisée en réception. Pour une telle antenne de réception à réseau transmetteur 500, la fonction de formation de faisceau du réseau transmetteur 100 permet de faire converger le rayonnement de réception R_recepsur le détecteur 400.

Il est entendu que l’invention peut être reproduite en modifiant des aspects secondaires des modes de réalisation qui ont été décrits en détail ci-dessus, tout en conservant certains au moins des avantages cités. Notamment, toutes les valeurs numériques qui ont été citées ne l’ont été qu’à titre d’illustration, et peuvent être changées en fonction de l’application considérée et de la bande de transmission radio concernée.

Claims (10)

1. Cellule polarisante (C), adaptée pour recevoir un rayonnement incident sur un premier côté de la cellule lors d’une utilisation de ladite cellule, et pour produire, à partir du rayonnement incident, un rayonnement de réémission sur un second côté de la cellule opposé au premier côté, la cellule comprenant au moins :
   - une portion d’un film métallique (2), qui est destinée à constituer un plan de masse pour la cellule (C) lors de l’utilisation de ladite cellule, et qui est munie d’un trou (20) ;
   - une première plaquette métallique (1), qui est située au premier côté de la cellule (C) par rapport à la portion de film métallique (2), qui est parallèle à ladite portion de film métallique et isolée électriquement de ladite portion de film métallique, et qui est destinée à absorber au moins partiellement le rayonnement incident pendant l’utilisation de la cellule ;
   - une seconde plaquette métallique (3), qui est située au second côté de la cellule (C) par rapport à la portion de film métallique (2), qui est parallèle à ladite portion de film métallique et isolée électriquement de ladite portion de film métallique, et qui est destinée produire le rayonnement de réémission pendant l’utilisation de la cellule ; et
   - une connexion électrique (8), qui relie la première plaquette métallique (1) à la seconde plaquette métallique (3) en traversant la portion de film métallique (2) par le trou (20), tout en étant isolée électriquement par rapport à ladite portion de film métallique,
   la seconde plaquette métallique (3) possédant un motif qui comprend les parties suivantes de seconde plaquette métallique :
   - une portion périphérique (30), qui est comprise entre un bord externe (31) et un bord interne circulaire (32), le bord interne circulaire délimitant une zone interne de motif de la seconde plaquette métallique (3), et la connexion électrique (8) aboutissant au niveau d’un centre du bord interne circulaire ; et
   - un premier segment d’alimentation (33), qui relie radialement le bord interne circulaire (32) à la connexion électrique (8), dans la zone interne de motif,
   la cellule (C) étant caractérisée en ce que le motif de la seconde plaquette métallique (3) comprend en outre les autres parties suivantes de seconde plaquette métallique, qui sont aussi dans la zone interne de motif :
   - un second segment d’alimentation (34), qui aboutit radialement au bord interne circulaire (32) en formant un angle compris entre 80° et 100° avec le premier segment d’alimentation (33), l’angle étant mesuré au niveau du centre du bord interne circulaire ; et
   - une bande intermédiaire (35), qui relie le premier segment d’alimentation (33) au niveau de la connexion électrique (8) à une extrémité du second segment d’alimentation (34) opposée au bord interne circulaire (32),
   de sorte que, pendant l’utilisation de la cellule (C), les premier (33) et second (34) segments d’alimentation transmettent à la portion périphérique (30) des premier et second courants électriques, respectivement, et la bande intermédiaire (35) possède une longueur telle que le second courant électrique soit retardé en quadrature de phase par rapport au premier courant électrique au niveau du bord interne circulaire (32), lorsque le rayonnement incident possède une valeur de longueur d’onde qui appartient à une bande de résonance de la cellule pour produire le rayonnement de réémission à partir du rayonnement incident.
2. Cellule (C) selon la revendication 1, dans laquelle la bande intermédiaire (35) possède une partie de raccordement (35a) et une partie courbe (35b), la partie de raccordement reliant le premier segment d’alimentation (33) au niveau de la connexion électrique (8) à une première extrémité de la partie courbe, et une seconde extrémité de ladite partie courbe étant connectée à l’extrémité du second segment d’alimentation (34) opposée au bord interne circulaire (32).
3. Cellule (C) selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre, sur le second côté de la cellule, et d’un côté de la seconde plaquette métallique (3) qui est opposé à la portion de film métallique (2) :
   - une troisième plaquette métallique (4) qui est parallèle à la portion de film métallique (2), et qui est isolée électriquement de chacune de ladite portion de film métallique et des première (1) et seconde (3) plaquettes métalliques, la troisième plaquette métallique ayant une forme à symétrie de révolution autour d’un axe, appelé axe de cellule (A-A), qui passe par le centre du bord interne circulaire (32) de la seconde plaquette métallique et qui est perpendiculaire à la portion de film métallique.
4. Cellule (C) selon la revendication 3, dans laquelle la troisième plaquette (4) métallique est une bande annulaire qui est centrée par rapport à l’axe de cellule (A-A).
5. Cellule (C) selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle la troisième plaquette métallique (4) possède des dimensions adaptées pour élargir la bande de résonance de la cellule, par rapport à ladite cellule quand elle est dépourvue de troisième plaquette métallique.
6. Cellule (C) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la première plaquette métallique (1) possède un motif adapté pour que ladite première plaquette présente, lors de l’utilisation de la cellule, une efficacité d’absorption qui est supérieure pour une première polarisation linéaire du rayonnement incident, par rapport à une seconde polarisation linéaire dudit rayonnement incident perpendiculaire à la première polarisation.
7. Réseau transmetteur (100) comprenant une pluralité de cellules (C) identiques chacune selon l’une des revendications précédentes, juxtaposées entre elles de sorte que les portions de film conducteur (2) se prolongent continûment entre cellules voisines, pour former un écran plan à trous, les cellules étant tournées pour que les premières plaquettes métalliques (1) respectives desdites cellules soient toutes sur un même côté du réseau transmetteur, et les cellules étant espacées parallèlement à l’écran plan à trous de sorte que les premières plaquettes métalliques respectives soient disjointes et que les secondes plaquettes métalliques (3) respectives soient disjointes, et que les troisièmes plaquettes métalliques (4) respectives, lorsque lesdites troisièmes plaquettes métalliques sont présentes dans les cellules, soient aussi disjointes.
8. Réseau transmetteur (100) selon la revendication 7, dans lequel les premières plaquettes métalliques (1) respectives des cellules (C) sont toutes orientées identiquement à l’intérieur d’un plan d’entrée (P_in) qui est parallèle à l’écran plan à trous,
   et dans lequel les secondes plaquettes métalliques (3) respectives des cellules (C) ont des orientations variables à l’intérieur d’un autre plan qui est aussi parallèle à l’écran plan à trous, lesdites orientations variables étant adaptées pour produire une fonction de formation de faisceau pour un rayonnement qui est réémis par le réseau transmetteur.
9. Antenne d’émission radio (300) comprenant :
   - une source (200), adaptée pour produire un rayonnement électromagnétique qui possède un état de polarisation lors d’une utilisation de l’antenne d’émission radio (300) ;
   - un réseau transmetteur (100) qui est conforme à la revendication 7 ou 8, et qui est disposé devant une sortie de rayonnement de la source (200), avec le premier côté du réseau transmetteur, qui comporte les premières plaquettes métalliques (1), tourné vers la source,
   dans laquelle le motif des premières plaquettes métalliques (1) est adapté pour absorber le rayonnement produit par la source (200), en tant que rayonnement incident pour chaque cellule (C) du réseau transmetteur, conformément à l’état de polarisation dudit rayonnement incident tel que produit par la source.
10. Antenne de réception radio (500) comprenant :
    - un détecteur (400), adapté pour détecter un rayonnement électromagnétique qui possède un état de polarisation prescrit pour ledit détecteur ; et
    - un réseau transmetteur (100) qui est conforme à la revendication 7 ou 8, et qui est disposé devant le détecteur (400), avec le premier côté du réseau transmetteur, qui comporte les premières plaquettes métalliques (1), tourné vers le détecteur,
    dans laquelle le motif des premières plaquettes métalliques (1) est adapté à l’état de polarisation prescrit pour le détecteur (400), de sorte que lorsque du rayonnement externe qui possède une polarisation circulaire permettant une absorption dudit rayonnement externe par les secondes plaquettes métalliques (3) du réseau transmetteur (100), arrive sur le second côté dudit réseau transmetteur, les premières plaquettes métalliques (1) réémettent vers le détecteur un rayonnement de réception qui possède l’état de polarisation prescrit pour ledit détecteur.