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Antenne plane pour terminal fonctionnant en double polarisation
circulaire, terminal aéroporté et système de télécommunication
par satellite comportant au moins une telle antenne
La présente invention concerne une antenne plane pour terminal
fonctionnant en double polarisation circulaire, un terminal aéroporté et
un système de télécommunication par satellite comportant au moins
une telle antenne. Elle s'applique notamment au domaine des
télécommunications par satellite à haut débit et plus particulièrement
io aux configurations comportant des systèmes à satellite multi-spots
fonctionnant dans une bande de fréquences Ku, K ou Ka, l'antenne
pouvant être montée sur un terminal aéroporté à bord d'un avion, d'un
hélicoptère ou d'un drone.
Il existe de nombreux systèmes de télécommunications par
satellite déployés ou en cours de déploiement qui fonctionnent dans les
bandes de fréquences Ku, K ou Ka. Dans le cas d'un terminal
aéroporté, les dimensions maximales admissibles pour le système
d'antennes d'émission et de réception et notamment le rapport de sa
hauteur sur son diamètre maximal, sont limitées par les contraintes
aérodynamiques, par des paramètres liés à la tramée de pression
aérodynamique, ainsi que par les interfaces disponibles sur le véhicule
porteur et la masse globale du système aéroporté.
Dans le cas d'une utilisation du terminal via un système
satellitaire multi-spots fonctionnant en polarisation circulaire, le terminal
aéroporté peut, en raison de sa mobilité, devoir changer de spot durant
sa mission pour acheminer des signaux de télécommunications en
direction de différentes zones géographiques fixes au sol. Ce
mécanisme appelé hand over inter-spots (en anglais), se produit
lorsque le terminal mobile survole une zone géographique couverte par
deux spots différents adjacents.
Lors du changement de spot, la polarisation circulaire définie
pour les spots couvrant différentes zones géographiques peut en outre
changer de sens, c'est-à-dire passer d'une polarisation circulaire
gauche à une polarisation circulaire droite ou l'inverse. Dans ce cas, il
est nécessaire que le terminal soit capable de modifier la polarisation
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de l'antenne en même temps qu'il réalise le changement de spot, cette
modification pouvant être réalisée de préférence de manière
automatique, sans intervention mécanique, ni humaine.
Il est connu de réaliser une antenne comportant un panneau
rayonnant fonctionnant en polarisation circulaire en utilisant des guides
d'onde métalliques rectangulaires à fentes rayonnantes linéaires,
alimentés en phase et fonctionnant en polarisation linéaire, les guides
d'onde étant associés à un radôme de polarisation ou à une grille
polarisante placée en avant de ce panneau. Cependant, le fait d'utiliser
io une structure additionnelle pour obtenir la polarisation circulaire ne
permet pas d'assurer le changement de polarisation lors du
changement de spot.
Il est également connu d'utiliser une antenne comportant un
panneau rayonnant comportant une pluralité d'éléments rayonnants
constitués de patchs métalliques gravés sur un substrat multi-couches
et alimentés en polarisation circulaire. Les patchs sont disposés en
colonnes, les patchs d'une même colonne étant mis en série. La
polarisation circulaire est obtenue en excitant chaque patch par deux
signaux en quadrature de phase, c'est-à-dire déphasés de 900, et de
même amplitude. Suivant le signe du déphasage, la polarisation
circulaire est droite ou gauche. Cependant, les patchs étant déposés
sur des substrats diélectriques, le défaut principal de cette technologie
est son rendement médiocre dû aux pertes dans les diélectriques et
dans les surfaces conductrices, le rendement diminuant lorsque le
nombre de patchs dans chaque colonne augmente.
II est également connu de réaliser un guide d'onde comportant
des éléments rayonnants arrangés selon un motif périodique et
permettant d'obtenir une polarisation circulaire sans utiliser une grille
polarisante. Chaque élément rayonnant est constitué de deux fentes
rayonnantes en quadrature de phase, les deux fentes rayonnantes
étant disposées en chevron et formant un angle d'environ 90 entre
elles. Deux éléments rayonnants adjacents sont espacés d'une
distance d'environ une longueur d'onde. Ce guide d'onde est optimisé
pour fonctionner dans un seul sens de propagation des ondes et donc
dans un seul sens de polarisation circulaire. Il présente donc un
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problème de symétrie de fonctionnement et des caractéristiques de
rayonnement inacceptables pour une application en double polarisation
circulaire.
Le but de l'invention est de réaliser une antenne pour terminal
fonctionnant en double polarisation circulaire ne comportant pas de
grille polarisante, ayant un bon rendement, comportant un diagramme
de rayonnement quasiment identique dans les deux sens de
polarisation circulaire, droit et gauche, permettant un changement de
lo sens de
polarisation sans dissymétrie de fonctionnement et capable de
commuter d'un faisceau à un autre quel que soit le sens de polarisation
desdits faisceaux.
Pour cela, l'invention concerne une antenne plane pour terminal
fonctionnant en double polarisation circulaire, comportant au moins un
panneau s'étendant selon un plan XY, le panneau de l'antenne
comportant :
un premier réseau de N guides d'onde rayonnants comportant
des éléments rayonnants à double sens de polarisation
circulaire, où N est un nombre entier supérieur à 1, chaque
guide d'onde rayonnant comportant deux ports
d'entrée/sortie, respectivement supérieur et inférieur,
un deuxième réseau de N guides d'onde de distribution
respectivement couplés aux N guides d'onde rayonnants,
chaque guide d'onde de distribution comportant deux parties
indépendantes, respectivement supérieure et inférieure,
N commutateurs hyperfréquence, chaque commutateur
hyperfréquence comportant une entrée hyperfréquence, une
première sortie hyperfréquence reliée au premier port
d'entrée/sortie supérieur d'un guide d'onde rayonnant par
l'intermédiaire de la partie supérieure d'un guide d'onde de
distribution couplé au guide d'onde rayonnant et une
deuxième sortie hyperfréquence reliée au deuxième port
d'entrée/sortie inférieur du même guide d'onde rayonnant par
l'intermédiaire de la partie inférieure du même guide d'onde
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de distribution couplé au guide d'onde rayonnant, une entrée
de commande de position du commutateur apte à commuter
l'entrée hyperfréquence du commutateur sur la première ou
la deuxième sortie hyperfréquence en fonction du sens de la
polarisation circulaire.
Avantageusement, chaque guide d'onde rayonnant équipé des
éléments rayonnants et des deux ports d'entrée/sortie est symétrique.
Avantageusement, chaque guide d'onde de distribution comporte
au moins une paroi transversale de séparation des deux parties du
guide d'onde de distribution, la partie supérieure et la partie inférieure
d'un même guide d'onde de distribution étant couplées à un même
guide d'onde rayonnant respectivement par l'intermédiaire d'une
première fente de cOuplage constituant le port d'entrée/sortie supérieur
et par l'intermédiaire d'une deuxième fente de couplage constituant le
port d'entrée/sortie inférieur.
De préférence, les ports d'entrée/sortie supérieurs sont
positionnés à une extrémité supérieure des guides d'onde rayonnants
et en ce que les ports d'entrée/sortie inférieurs sont positionnés à une
extrémité inférieure des guides d'onde rayonnants.
Selon un premier mode de réalisation, les commutateurs sont
positionnés sur le panneau de l'antenne au niveau des ports
d'entrée/sortie supérieurs des guides d'onde rayonnants.
Selon un deuxième mode de réalisation, les commutateurs sont
positionnés sur le panneau de l'antenne, au niveau d'une ligne médiane
L du panneau de l'antenne, à égale distance des ports d'entrée/sortie
supérieurs et inférieurs des guides d'onde rayonnants.
Avantageusement, les deux parties supérieure et inférieure d'un
même guide d'onde de distribution sont identiques et disposées
symétriquement de part et d'autre de la ligne médiane L.
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Alternativement, les commutateurs peuvent être décalés les uns
par rapport aux autres sur le panneau de l'antenne.
Selon une variante de réalisation, chaque guide d'onde de
5 distribution comporte deux parois de séparation disposées de part et
d'autre de la ligne médiane L et chaque commutateur est monté dans
un guide d'onde de distribution respectif entre les deux parois.
Avantageusement, les N guides d'onde rayonnants forment N
lignes rayonnantes disposées parallèlement les unes à côté des autres,
chaque guide d'onde rayonnant s'étendant selon une direction
longitudinale X, ayant une largeur P correspondant au pas du réseau
selon une direction Y et ayant une section transversale YZ
rectangulaire.
De préférence, les éléments rayonnants de chaque guide d'onde
rayonnant sont alignés, gravés périodiquement et régulièrement
espacés d'une même distance D selon la direction longitudinale X du
guide d'onde rayonnant, chaque élément rayonnant étant constitué
d'une ou plusieurs fentes rayonnantes gravées selon un motif
géométrique rayonnant directement en double polarisation circulaire.
Avantageusement, le motif gravé de chaque élément rayonnant
a une forme choisie parmi un cercle, un carré ou une combinaison
d'une croix et d'un chevron symétrique.
L'invention concerne aussi un terminal aéroporté et un système
de télécommunication par satellite comportant au moins une telle
antenne plane.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront
clairement dans la suite de la description donnée à titre d'exemple
purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins
schématiques annexés qui représentent :
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figure la: un schéma en perspective d'un exemple d'antenne
comportant deux panneaux rayonnants, selon l'invention ;
figure lb: un schéma illustrant les différents mouvements de
rotation d'un panneau de l'antenne, selon l'invention ;
figure 2a: un schéma en perspective, d'un exemple de
panneau rayonnant d'une antenne, selon un premier mode de
réalisation de l'invention;
figure 2b: une vue schématique partielle de la partie
supérieure du panneau rayonnant, selon le premier mode de
lo réalisation de l'invention;
figures 3a, 3b: deux vues schématiques partielles de détail
montrant un exemple de couplage entre le niveau de guides
d'onde rayonnants et le niveau de guides d'onde de
distribution, selon l'invention;
figure 4: un exemple schématique d'un commutateur
hyperfréquence, selon l'invention ;
figures 5a, 5b: deux schémas illustrant l'acheminement d'un
signal d'alimentation entre un commutateur hyperfréquence et
un guide d'onde rayonnant, pour un premier sens,
respectivement pour un deuxième sens, de polarisation
circulaire, selon le premier mode de réalisation de l'invention;
figure 6a: un schéma en perspective, d'un exemple de
panneau rayonnant d'une antenne, selon un deuxième mode
de réalisation de l'invention;
figure 6b: une vue schématique partielle de la partie médiane
du panneau rayonnant, selon le deuxième mode de
réalisation de l'invention;
figures 7a, 7b: deux schémas illustrant l'acheminement d'un
signal d'alimentation entre un commutateur hyperfréquence et
un guide d'onde rayonnant, pour un premier sens,
respectivement pour un deuxième sens, de polarisation
circulaire, selon le deuxième mode de réalisation de
l'invention;
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figure 7c: un schéma illustrant le montage d'un commutateur
dans un guide d'onde de distribution, entre deux parois de
séparation, selon l'invention ;
figure 7d: un schéma illustrant une variante d'implantation
des commutateurs par rapport à la ligne médiane du panneau
de l'antenne, selon l'invention ;
figures 8a, 8b: deux vues schématiques, respectivement en
perspective et de face, d'un premier exemple de motif gravé
pour un élément rayonnant apte à fonctionner en polarisation
io circulaire droite et gauche, selon l'invention ;
figure 8c: une vue en perspective d'un premier exemple de
guide rayonnant équipé de plusieurs éléments rayonnants
dont le motif gravé correspond à celui de la figure 8a, selon
l'invention ;
figure 9: une vue schématique en perspective d'un deuxième
exemple de motif gravé pour un élément rayonnant apte à
fonctionner en polarisation circulaire droite et gauche, selon
l'invention,
figure 10a: une vue schématique en perspective, d'un
troisième exemple de motif gravé pour un élément rayonnant
apte à fonctionner en polarisation circulaire droite et gauche,
selon l'invention ;
figure 10b: une vue en perspective d'un deuxième exemple
de guide rayonnant équipé de plusieurs éléments rayonnants
dont le motif gravé correspond à celui de la figure 10a, selon
l'invention.
La figure la montre un exemple d'antenne pouvant être montée
sur un terminal aéroporté. L'antenne comporte un premier panneau 10
comportant une première surface rayonnante fonctionnant en émission
TX et un deuxième panneau 11 comportant une deuxième surface
rayonnante fonctionnant en réception RX, les deux panneaux 10, 11 de
l'antenne étant montés sur une plate-forme azimutale commune 12,
actionnée en rotation autour d'un axe central azimutal 17 par un
premier moteur 13. Chaque panneau 10, 11 de l'antenne est en outre
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actionné en rotation autour d'un premier, respectivement d'un
deuxième, axe d'élévation 18 par un deuxième, respectivement par un
troisième, moteur 14, 15. Chaque panneau 10, 11 est une antenne
active sur un axe de dépointage électronique, par exemple horizontal,
et réalise donc un balayage 16 électronique des faisceaux selon cet
axe de dépointage. La figure lb sur laquelle est représenté un seul
panneau, illustre les différents mouvements de rotation de chaque
panneau de l'antenne.
Les figures 2a et 2b sont deux schémas en perspective d'un
exemple de réalisation d'un panneau d'une antenne, selon un premier
mode de réalisation de l'invention. Le panneau de l'antenne comporte
un support 20 comportant une face avant plane, disposée parallèlement
à un plan XY, sur laquelle est fixé un réseau rayonnant 21 et une face
arrière, opposée à la face avant, sur laquelle est fixée une carte
électronique 22 comportant des dispositifs actifs de commande et de
contrôle du fonctionnement du réseau rayonnant 21. Des passages
sont aménagés dans le support 20 et des interfaces de transition sont
disposées entre le support 20 et le réseau rayonnant 21 de l'antenne
pour permettre aux signaux de commande, de contrôle et d'alimentation
de l'antenne de traverser le support et pour assurer les liaisons entre
les dispositifs actifs et le réseau rayonnant. Le support 20 peut
comporter des moyens de refroidissement, tels que des caloducs 25,
permettant de dissiper la chaleur des dispositifs actifs du panneau.
Le réseau rayonnant 21 comporte un premier niveau rayonnant
constitué d'un réseau de N guides d'onde rayonnants 26, où N est un
nombre entier supérieur à 1, disposés parallèlement les uns à côté des
autres et un deuxième niveau de distribution comportant un réseau de
N guides d'onde de distribution 23 disposés parallèlement les uns à
côté des autres, le premier niveau rayonnant étant superposé au-
dessus du deuxième niveau de distribution. Chaque guide d'onde
rayonnant 26 est couplé à un guide d'onde de distribution 23 qui lui est
dédié, par l'intermédiaire d'au moins deux fentes de couplage
constituant des ports d'entrée/sortie 40, 41, du guide d'onde rayonnant,
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comme représenté par exemple sur les figures 3a et 3b et sur les
figures 5a et 5b.
Les N guides d'onde rayonnants 26 forment N lignes
rayonnantes disposées parallèlement les unes à côté des autres,
chaque guide d'onde rayonnant 26 du réseau rayonnant 21 s'étendant
selon une direction longitudinale X, ayant une largeur P correspondant
au pas du réseau selon une direction Y et ayant une section
transversale YZ rectangulaire. Chaque guide d'onde rayonnant 26
comporte une paroi avant longitudinale constituant une face rayonnante
du guide, une paroi amère longitudinale opposée à la face avant, et
deux parois transversales, l'ensemble des faces rayonnantes des N
guides d'onde formant une surface rayonnante du panneau de
l'antenne. La paroi avant de chaque guide d'onde rayonnant 26
comporte plusieurs éléments rayonnants 27 alignés, gravés
périodiquement et régulièrement espacés d'une même distance D selon
la direction longitudinale X du guide d'onde. Chaque élément rayonnant
27 est constitué d'une ou plusieurs fentes rayonnantes gravées dans la
paroi supérieure du guide d'onde selon un motif géométrique
préalablement choisi. Chaque guide d'onde rayonnant 26 comporte un
premier port d'entrée/sortie 40 constitué par une première fente de
couplage et un deuxième port d'entrée/sortie 41 constitué par une
deuxième fente de couplage, un signal d'alimentation du guide d'onde
rayonnant 26 pouvant être appliqué soit sur le premier port
d'entrée/sortie 40 pour obtenir un rayonnement selon un premier sens
de polarisation circulaire, par exemple circulaire droit, soit sur le
deuxième port d'entrée/sortie 41 pour obtenir un rayonnement selon un
deuxième sens de polarisation circulaire, par exemple circulaire
gauche. Les éléments rayonnants 27 choisis sont aptes à rayonner
directement en double polarisation circulaire, sans ajout d'une grille
polarisante, le sens de la polarisation circulaire dépendant du sens
d'alimentation du guide d'onde rayonnant 26. Le premier port
d'entrée/sortie 40 peut être disposé par exemple à une extrémité
supérieure 28 du guide d'onde rayonnant 26 et le deuxième port
d'entrée/sortie 41 peut être situé par exemple à une extrémité inférieure
29 du guide d'onde rayonnant 26. Pour que les rayonnements émis
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dans les deux sens de polarisation soient symétriques, chaque guide
d'onde rayonnant 26 équipé des éléments rayonnants 27 est de
préférence symétrique par rapport aux deux ports d'entrée/sortie 40,
41.
5 Comme
représenté partiellement sur les figures 3a et 3b, les
fentes de couplage correspondant aux ports d'entrée/sortie 40, 41 sont
aménagées dans les parois longitudinales superposées de chaque
guide d'onde de distribution 23 et de chaque guide d'onde à fentes
rayonnantes 26 correspondants. La première fente de couplage
10 constituant
le premier port d'entrée/sortie 40 est placée à l'extrémité
supérieure 28 du guide d'onde rayonnant 26 et la deuxième fente de
couplage constituant le deuxième port d'entrée/sortie 41 est placée à
l'extrémité inférieure 29 du guide d'onde rayonnant 26. Chaque guide
d'onde rayonnant est alimenté par l'intermédiaire d'un guide d'onde de
distribution 23 correspondant et par l'intermédiaire soit de la fente de
couplage supérieure correspondant au port 40, soit de la fente de
couplage inférieure correspondant au port 41, selon le sens de la
polarisation circulaire sélectionné.
Le sens d'alimentation de chaque guide d'onde rayonnant 26 est
sélectionné par l'intermédiaire d'un commutateur hyperfréquence 30
dédié dont un exemple est représenté schématiquement sur la figure 4,
le nombre N de commutateurs étant égal au nombre N de guides
d'onde rayonnants. Chaque commutateur hyperfréquence 30 comporte
une entrée hyperfréquence 31 destinée à recevoir un signal
d'alimentation hyperfréquence 32, une entrée de commande 33
destinée à recevoir un signal de commande 38 de sélection du sens de
la polarisation, une première sortie 34 destinée à délivrer le signal
d'alimentation à un premier port d'entrée/sortie 36 d'un guide de
distribution 23, et une deuxième sortie 35 destinée à délivrer le signal
d'alimentation à un deuxième port d'entrée/sortie 37 d'un guide de
distribution 23. Les deux sorties 34, 35 du commutateur hyperfréquence
30 sont respectivement reliées, par l'intermédiaire de moyens de
transitions non représentés, aux premier et deuxième ports
d'entrée/sortie 36, 37 d'un guide de distribution. Selon le sens, droit ou
gauche, de polarisation souhaité, le signal de commande de la
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polarisation appliqué sur l'entrée de commande 33 du commutateur
hyperfréquence 30 sélectionne la position 1, 2 du commutateur 30 et
relie l'entrée hyperfréquence 31 du commutateur 30 à la première sortie
34 ou à la deuxième sortie 35 du commutateur 30. Un signal
d'alimentation hyperfréquence 32 appliqué sur l'entrée hyperfréquence
31 du commutateur 30 est alors transmis soit au premier port
d'entrée/sortie 36, soit au deuxième port d'entrée/sortie 37, du guide de
distribution auquel le commutateur 30 est relié, selon la position 1, 2 du
commutateur 30 sélectionnée.
io Selon le
premier mode de réalisation de l'invention représenté
sur les figures 2a et 2b, les N commutateurs 30 associés
respectivement aux N guides de distribution 23 et aux N guides d'onde
rayonnants 26 sont montés sur la face avant du support 20, dans un
logement 24 aménagé dans une partie supérieure du panneau de
l'antenne. Comme représenté schématiquement sur les figures 5a et
5b, le guide d'onde de distribution 23 comporte deux parties de guide,
supérieure 50 et inférieure 51, distinctes séparées par une paroi interne
transversale 52, chaque partie 50, 51 de guide de distribution étant
respectivement couplée au guide d'onde rayonnant 26 correspondant
par l'intermédiaire soit de la fente de couplage supérieure
correspondant au premier port d'entrée/sortie 40, soit de la fente de
couplage inférieure correspondant au deuxième port d'entrée/sortie 41.
Dans ce premier mode de réalisation, la paroi interne transversale 52
est disposée près de l'extrémité supérieure 28 du guide rayonnant 26,
juste en aval de la fente de couplage supérieure. Les deux parties
supérieure 50 et inférieure 51 du guide de distribution 23 ont donc des
longueurs très différentes. La première sortie 34 du commutateur 30 est
connectée au premier port d'entrée/sortie supérieur 40 d'un guide
d'onde rayonnant 26 par l'intermédiaire de la partie supérieure 50 du
guide de distribution 23. La deuxième sortie 35 du commutateur 30 est
connectée au deuxième port d'entrée/sortie inférieur 41 du même guide
d'onde rayonnant 26 par l'intermédiaire de la partie inférieure 51 du
guide de distribution 23.
Dans un premier sens de polarisation circulaire, par exemple
droit, un signal d'alimentation appliqué sur l'entrée hyperfréquence du
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commutateur 30 est transmis sur la première sortie du commutateur 30,
par exemple supérieure 34, sélectionnée par le signal 38 de commande
de position du commutateur 30 et appliqué sur le port d'entrée/sortie
supérieur 40 d'un guide d'onde rayonnant 26 par l'intermédiaire de la
partie supérieure 50 d'un guide d'onde de distribution 23 correspondant
auquel le commutateur 30 est relié. L'énergie du signal se propage
ensuite dans le guide d'onde rayonnant 26, du port supérieur 40 vers
l'extrémité inférieure 29 du guide d'onde rayonnant 26, puis est
rayonnée par les différents éléments rayonnants 27 gravés dans la
paroi avant dudit guide d'onde rayonnant 26 correspondant de
l'antenne.
Dans un deuxième sens de polarisation circulaire, par exemple
gauche, un signal d'alimentation 32 appliqué sur l'entrée
hyperfréquence 31 du commutateur 30 est transmis sur la deuxième
sortie du commutateur, par exemple inférieure 35, sélectionnée par le
signal 38 de commande de position du commutateur et appliqué sur
l'entrée de la partie inférieure du guide d'onde de distribution 51 auquel
le commutateur 30 est relié. Le signal d'alimentation se propage alors
dans le guide d'onde de distribution inférieur 51 jusqu'au port
d'entrée/sortie inférieur 41 constitué par la fente de couplage inférieure
couplant le guide d'onde de distribution inférieur 51 au guide d'onde
rayonnant 26 correspondant. L'énergie du signal transmise par
l'intermédiaire de la fente de couplage inférieure se propage ensuite
dans le guide d'onde rayonnant correspondant en sens inverse de celui
correspondant à la polarisation circulaire droite, c'est-à-dire dans le cas
présent, du port d'entrée/sortie inférieur 41 vers l'extrémité supérieure
28 du guide d'onde rayonnant, puis est rayonnée par les différents
éléments rayonnants 27 gravés dans la paroi avant dudit guide d'onde
rayonnant correspondant de l'antenne.
Ce premier mode de réalisation présente plusieurs
inconvénients. D'une part, l'alimentation du réseau rayonnant dans les
deux sens de polarisation circulaire ne peut pas être symétrique en
raison du déséquilibre de positionnement des commutateurs 30. En
effet, les commutateurs 30 étant positionnés à proximité du port
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d'entrée/sortie supérieur 40 des guides d'onde rayonnants 26, ce port
d'entrée/sortie supérieur 40 est favorisé du point de vue des pertes
hyperfréquences RF. Au contraire, les commutateurs 30 sont éloignés
du port inférieur 41 des guides d'onde rayonnants 26 ce qui entraîne
des pertes hyperfréquences RF additionnelles' par rapport au port
d'entrée/sortie supérieur 40. D'autre part, ce premier mode de
réalisation ne permet pas d'optimiser la surface rayonnante de
l'antenne en raison de l'encombrement des commutateurs 30 qui
occupent la partie supérieure de la face avant du panneau de l'antenne,
ce qui provoque une perte de directivité de l'antenne qui ne peut
occuper toute la surface physique du panneau.
Selon un deuxième mode de réalisation préféré de l'invention
représenté sur les figures 6a et 6b, le panneau de l'antenne comporte,
monté sur sa face avant, un premier niveau rayonnant comportant N
guides d'onde rayonnants 26 disposés parallèlement les uns à côté des
autres et un deuxième niveau de distribution comportant N guides
d'onde de distribution 23 disposés parallèlement les uns à côté des
autres, le premier niveau rayonnant étant superposé au-dessus du
deuxième niveau de distribution, chaque guide d'onde rayonnant 26
étant couplé à un guide d'onde de distribution 23 correspondant.
Chaque guide d'onde de distribution 23 est séparé, en son milieu, au
niveau d'une ligne médiane L du panneau de l'antenne, la ligne L étant
parallèle à l'axe Y, en deux parties de guides d'onde de distribution,
respectivement supérieure 50 et inférieure 51, par exemple au moyen
d'une paroi de séparation transversale 52 s'étendant à l'intérieur du
guide d'onde de distribution 23 et formant un court-circuit avec les
parois du guide d'onde de distribution 23. Dans ce deuxième mode de
réalisation, les deux parties, supérieure 50 et inférieure 51, constituent
deux demi-guides d'onde de distribution identiques et indépendants
entre eux. Comme représenté partiellement sur les figures 6a et 6b,
chaque guide d'onde rayonnant 26 est couplé aux deux demi-guides
d'onde, supérieur 50 et inférieur 51, du guide de distribution 23
correspondant par l'intermédiaire d'au moins deux fentes de couplage,
supérieure et inférieure, aménagées dans les parois longitudinales
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superposées de chaque demi-guide de distribution supérieur 50 et
inférieur 51 et du guide d'onde à fentes rayonnantes 26
correspondants. La première fente de couplage est placée à l'extrémité
supérieure du guide d'onde rayonnant 26 et la deuxième fente de
couplage est placée à l'extrémité inférieure du guide d'onde rayonnant
26. Les deux fentes de couplage, supérieure et inférieure constituent
respectivement les premier et deuxième ports d'entrée/sortie 40, 41 des
guides d'onde rayonnants 26. Les N guides d'onde rayonnants 26 et les
N guides d'onde de distribution 23 sont fermés par une paroi
io transversale formant un court-circuit à leurs deux extrémités
respectives, supérieure 28' et inférieure 29'.
Selon ce deuxième mode de réalisation de l'invention, les N
commutateurs hyperfréquences 30 associés respectivement aux N
guides d'onde rayonnants 26 sont montés sur la face avant du support
du panneau de l'antenne, au niveau de la ligne médiane du panneau de
l'antenne et au niveau de la paroi de séparation 52 des demi-guides
d'onde de distribution 50, 51, et les deux sorties 34, 35 de chaque
commutateur 30 sont respectivement reliées à deux entrées
correspondantes 36, 37 aménagées dans chaque demi-guide d'onde
de distribution 23, de part et d'autre de la paroi de séparation 52 entre
deux demi-guides d'onde 50, 51 d'un même guide de distribution 23.
Les N commutateurs 30 peuvent être localisés dans un logement
aménagé entre le support 20 du panneau de l'antenne et les deux
niveaux de guides d'onde de distribution et de guides d'onde
rayonnants.
Alternativement, comme représenté schématiquement sur la
figure 7c, les N commutateurs 30 peuvent être localisés dans un
logement aménagé à l'intérieur de chaque guide d'onde de distribution
23. Dans ce cas, la paroi de séparation transversale 52 des demi-
guides d'onde de distribution supérieur et inférieur est remplacée par
deux parois de séparation transversales 60, 61, espacées l'une de
l'autre, l'espace entre les deux parois de séparation formant le
logement dans lequel est inséré chaque commutateur 30.
Une telle configuration d'alimentation du réseau rayonnant par le
milieu du panneau de l'antenne permet d'une part, de symétriser
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parfaitement les comportements hyperfréquences du réseau rayonnant
de l'antenne pour les deux sens de polarisation circulaire, et d'autre
part, une utilisation complète de la surface du panneau à des fins de
rayonnement.
5 Comme
représenté schématiquement sur les figures 7a et 7b, le
fonctionnement de l'antenne est similaire à celui correspondant au
premier mode de réalisation. Dans un premier sens de polarisation
circulaire, par exemple droit, un signal d'alimentation 32 appliqué sur
l'entrée hyperfréquence 31 du commutateur 30 est transmis sur la
10 première
sortie du commutateur, par exemple supérieure 34,
sélectionnée par le signal 38 de commande de position du
commutateur 30 et appliqué sur l'entrée 36 du demi-guide d'onde de
distribution supérieur 50 auquel le commutateur 30 est relié. Le signal
d'alimentation se propage alors dans le demi-guide d'onde de
15 distribution
supérieur 50 jusqu'à la fente de couplage supérieure
correspondant au port d'entrée/sortie supérieur 40 d'un guide d'onde
rayonnant 26 correspondant. L'énergie du signal transmise par
l'intermédiaire de la fente de couplage supérieure se propage ensuite
dans le guide d'onde rayonnant 26, du port d'entrée/sortie supérieur 40
vers l'extrémité inférieure 29 du guide d'onde rayonnant, puis est
rayonnée par les différents éléments rayonnants 27 gravés dans la
paroi avant dudit guide d'onde rayonnant de l'antenne.
Dans un deuxième sens de polarisation circulaire, par exemple
gauche, un signal d'alimentation 32 appliqué sur l'entrée
hyperfréquence 31 du commutateur 30 est transmis sur la deuxième
sortie du commutateur, par exemple inférieure 35, sélectionnée par le
signal 38 de commande de position du commutateur et appliqué sur
l'entrée 37 du demi-guide d'onde de distribution inférieur 51 auquel le
commutateur 30 est relié. Le signal d'alimentation se propage alors
dans le demi-guide d'onde de distribution inférieur 51 jusqu'à la fente
de couplage inférieure couplant le demi-guide d'onde de distribution
inférieur 51 à un guide d'onde rayonnant 26 correspondant. L'énergie
du signal transmise par l'intermédiaire de la fente de couplage
inférieure se propage ensuite dans le guide d'onde rayonnant 26 en
sens inverse de celui correspondant à la polarisation circulaire droite,
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c'est-à-dire dans le cas présent, du port d'entrée/sortie inférieur 41 vers
l'extrémité supérieure 28 du guide d'onde rayonnant, puis est rayonnée
par les différents éléments rayonnants 27 gravés dans la paroi avant
dudit guide d'onde rayonnant 26 de l'antenne.
Dans ce second mode de réalisation de l'invention, les N
commutateurs 30 étant localisés entre le support 20 du panneau de
l'antenne et les deux niveaux de guides d'onde de distribution et de
guides d'onde rayonnants, cela permet de disposer de la totalité de la
surface du panneau pour la surface rayonnante. En outre, les N
io commutateurs
30 étant localisés dans la zone médiane de l'antenne, au
niveau des parois de séparation 52 des demi-guides d'onde de
distribution, supérieurs et inférieurs, la propagation des signaux et les
performances de l'antenne dans les deux sens de polarisation sont
parfaitement symétriques. Cette configuration d'antenne présente donc
un avantage au niveau des performances radiofréquence, de la
directivité et du gain de l'antenne et permet d'augmenter la densité
d'énergie rayonnée par l'antenne sans augmenter son encombrement,
ce qui est d'autant plus critique que les terminaux sont de petites tailles
et fonctionnent en mobilité.
Le montage des commutateurs au niveau de la ligne médiane du
panneau de l'antenne permet un équilibrage parfait des comportements
de l'antenne selon chacune des polarisations. Cependant, pour des
raisons d'implantation ou d'encombrement, d'autres aménagements
des différents commutateurs sont possibles. En particulier, les
commutateurs peuvent ne pas être tous positionnés selon une même
ligne et, par exemple, il est possible de disposer les commutateurs en
quinconce de part et d'autre de la ligne médiane du panneau de
l'antenne, ou de les décaler les uns par rapport aux autres de façon à
simplifier leur logement au sein du panneau de l'antenne. Le décalage
des commutateurs peut être réalisé à partir de la ligne médiane vers le
haut du panneau de l'antenne et se rapprocher du port d'entrée/sortie
supérieur 40 ou vers le bas du panneau de l'antenne et se rapprocher
du port d'entrée/sortie inférieur 41 ou alternativement vers le haut puis
vers le bas du panneau de l'antenne.
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La figure 7d illustre notamment un exemple dans lequel trois
commutateurs successifs sont décalés à partir de la ligne médiane vers
le haut du panneau de l'antenne. Ainsi, un premier commutateur est
positionné au niveau de la ligne médiane L du panneau, un deuxième
commutateur est décalé vers le haut du panneau, légèrement au-
dessus de la ligne médiane et un troisième commutateur est décalé
vers le haut de façon plus importante, au-dessus de la ligne médiane.
Le décalage des commutateurs à partir de la ligne médiane et
dans un même sens, par exemple vers le haut du panneau, peut être
io réalisé sur quelques commutateurs successifs, par exemple quatre
commutateurs successifs, puis reproduit à l'identique sur les quatre
commutateurs suivants, le cinquième commutateur étant placé au
niveau de la ligne médiane, et ainsi de suite jusqu'au dernier
commutateur.
Le motif des éléments rayonnants 27 gravés doit avoir une
géométrie permettant un rayonnement en double polarisation circulaire
sans ajout de grille polarisante. Différentes géométries sont possibles.
Selon un premier exemple de géométrie représenté sur les figures 8a à
8c, chaque élément rayonnant peut être constitué d'un motif gravé
comportant deux premières fentes identiques disposées en croix
symétrique et formant un angle de 90 entre elles et de deux secondes
fentes identiques disposées en chevron symétrique et formant un angle
de 90 entre elles. La croix et le chevron d'un même motif sont gravés
de part et d'autre d'une ligne médiane longitudinale de la paroi avant du
guide d'onde à fentes et ont un même axe de symétrie perpendiculaire
à ladite ligne médiane et passant par le centre de la croix. Ledit axe de
symétrie correspond alors au centre de phase du signal rayonné par
l'élément rayonnant correspondant, dans les deux sens de polarisation
circulaire droit et gauche.
Alternativement, selon des deuxième et troisième exemples de
géométrie représentés respectivement sur les figures 9, 10a et 10b, le
motif gravé de chaque élément rayonnant peut comporter une forme
géométrique carrée ou circulaire, cette forme géométrique pouvant être
centrée ou décalée par rapport à une ligne médiane du guide d'onde
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rayonnant ou pouvant être combinée avec une autre forme géométrique
de fentes, par exemple en croix ou en chevron. Sur la figure 9, la fente
circulaire est décalée par rapport à la ligne médiane longitudinale de la
paroi avant du guide d'onde rayonnant. Sur la figure 10a, la fente
carrée est également décalée par rapport à la ligne médiane
longitudinale de la paroi avant du guide d'onde rayonnant.
Les guides d'onde utilisés peuvent être réalisés en technologie
des guides d'onde métalliques usinés ou en technologie des cartes de
circuits imprimés PCB (en anglais Printed Circuit Board). Selon cette
technologie, connue sous le nom SIW (en anglais : Substrate Integrated
Waveguide) ou sous le nom de laminé (en anglais : laminated), les
guides d'ondes sont imprimés dans une couche de diélectrique située
entre deux plans métalliques d'une structure multi-couches, les deux
plans métalliques constituant les parois longitudinales avant et arrière
des guides d'ondes, et les parois transversales des guides d'onde sont
réalisées par des arrangements réguliers de trous métallisés traversant
le diélectrique et reliant les deux plans métalliques. Dans ce cas, les
éléments rayonnants sont réalisés par un procédé de photolithographie
permettant à l'endroit des fentes du motif rayonnant, de retirer
localement la couche métallique supérieure dans le plan métallique
supérieur de chaque guide d'onde rayonnant.
Le commutateur utilisé peut être de différentes technologies. Le
choix est réalisé en fonction de l'encombrement disponible, des pertes
acceptables, et de la facilité d'interfaçage avec une structure
mécanique et électrique. A titre d'exemple non limitatif le commutateur
peut être un commutateur à ferrites ce qui permet de minimiser les
pertes de commutation ou un commutateur électromécanique ce qui
permet de minimiser son encombrement.
Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des modes de
réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement
limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens
décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre
de l'invention.
