EP2415120B1

EP2415120B1 - Antenne multicouche a plans paralleles, de type pillbox, et systeme d'antenne correspondant

Info

Publication number: EP2415120B1
Application number: EP10711224.5A
Authority: EP
Inventors: Ronan Sauleau; Mauro Ettorre
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite de Rennes 1
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite de Rennes 1
Priority date: 2009-04-02
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2019-03-06
Anticipated expiration: 2030-03-29
Also published as: US20120092224A1; US9246232B2; JP5913092B2; FR2944153A1; JP2012523149A; EP2415120A1; FR2944153B1; WO2010112443A1

Description

1. DOMAINE DE L'INVENTION

Le domaine de l'invention est celui des antennes multicouches à plans parallèles, aussi appelées « pillbox antennas » ou « cheese antennas » en anglais.
L'invention a de nombreuses applications, telles que par exemple :

les radars automobiles,
les communications entre plateformes mobiles (voitures, camions, trains, bateaux, etc.) et satellites,
les communications entre plateformes mobiles (plateformes à haute altitude (HAP, pour « High Altitude Platform » en anglais), avions, etc.) et la terre (par exemple dans les bandes Ku, Ka et Q),
les communications terrestres sans fil (à l'intérieur ou à l'extérieur de bâtiments) avec des capacités de faisceaux multiples, de mise en forme de faisceau et de reconfiguration de faisceau.

2. CONTEXTE ET ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE

2.1 Contexte

Durant ces dernières années est apparue une très forte demande pour la fabrication d'antennes à bas coûts et à hautes performances dans la gamme des ondes millimétriques, notamment pour des applications en télécommunications, en radar, et des applications de surveillance.
Des solutions planaires, sous la forme de systèmes à plans parallèles sur un substrat, compatibles avec la technologie des cartes de circuits imprimés (PCB, pour « Printed Circuit Board » en anglais), ont été proposées et sont considérées comme les plus prometteuses à la fois en termes de performances, de coûts et d'encombrement.
Dans les systèmes d'antennes à plans parallèles (ou PPW, pour « Parallel Plate Waveguide » en anglais) et à couche unique (encore appelés systèmes monocouches), l'énergie fournie par une source est confinée entre deux plaques métalliques situées de part et d'autre d'une couche de substrat, pour ensuite être guidée vers une partie rayonnante également comprise dans cette couche. Cette partie rayonnante est généralement composée de guides d'ondes intégrés à fentes (« Slotted waveguide array » en anglais) par exemple réalisés en technologie SIW (« Substrate Integrated Waveguides » en anglais) ou de structures à ondes de fuite.
Des parois verticales conductrices, reliant les deux plaques métalliques, qui se comportent comme un miroir pour l'énergie de l'onde, permettent de réfléchir ou diriger l'énergie. Ces parois verticales ont généralement un profil parabolique afin d'effectuer une collimation de l'énergie venant de la source. Mais pour éviter une rétrodiffusion vers la source, il convient d'utiliser une solution à base de double réflecteur ou à configuration décentrée, ou bien une structure à double couche.
Dans le cas d'une structure à plans parallèles et à double couche, la source et la partie rayonnante sont dans deux couches différentes, connectées par une plaque coudée à 180° (« 180° parallel plate bend » en anglais) de profil souvent parabolique.
De telles antennes multicouches à plans parallèles sont décrites par exemple dans les documents suivants :

C. J. Sletten, "Reflector Antennas", Antenna theory, R. E. Collin et F. J. Zucker, Eds. New York: McGraw-Hill, 1969, pt. 2, ch. 17, et
W. Rotman, "Wide Angle Scanning with microwave Double-Layer Pillboxes", IRE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 6, no.1, pp. 96-105, janv. 1958.
US 6,049,311

Le principal avantage de ces antennes est leur modularité. En effet, trois parties correspondant à différentes fonctions peuvent être distinguées : une partie alimentation (source), une partie rayonnante et une partie guidage. Cette dernière permet de guider l'énergie de l'onde générée par la source, depuis la partie alimentation jusqu'à la partie rayonnante, à travers les couches superposées de type guide à plans parallèles. Pour chaque couple de couches adjacentes, la partie guidage comprend des moyens de transition entre ces couches, comprenant un réflecteur coopérant avec une fente.
On présente maintenant, à travers l'application particulière des radars automobiles, certaines caractéristiques souhaitées pour les antennes.
L'objectif de la prochaine génération de radars pour les applications automobiles est d'améliorer la sécurité le long des routes, en contrôlant et en réagissant efficacement aux différents scénarii possibles à l'avant de la voiture (accident, véhicules trop proches les uns des autres, ...).
A l'avant du véhicule, deux zones d'action sont particulièrement bien définies : une portée radar courte (SRR, pour « Short Radar Range » en anglais) et une portée radar longue (LRR, pour « Long Radar Range » en anglais), s'étendant respectivement de 0 à 30 m et de 30 à 200 m (valeurs typiques) à partir de l'avant du véhicule, qui est la position classique d'une antenne de détection embarquée.
D'un point de vue de la théorie des antennes, cela revient à dire que les performances en rayonnement et la gamme de balayage de faisceau (champ de vision) des antennes utilisées pour des applications radars doivent être différentes dans le mode « SRR » et dans le mode « LRR ». On parlera d'antennes reconfigurables en rayonnement. Également, pour des raisons d'esthétique et d'aérodynamique, ce type d'antennes doit être peu encombrante, légère et de faible coût de fabrication. Du fait de l'impossibilité d'intégrer à la fois une antenne "SRR" et une antenne "LRR" sur un même véhicule, notamment pour des raisons de coûts et d'encombrement, il est nécessaire que cette antenne soit reconfigurable, c'est-à-dire qu'elle soit apte à fonctionner en mode SRR et en mode LRR. Pour ce faire, une antenne planaire, reconfigurable, multi-faisceaux et/ou à balayage de faisceau(x), semble être la solution la plus prometteuse, tel que plus amplement décrit par la suite.

2.2 Arrière-plan technologique

Nous allons décrire dans cette section quelques types d'antennes pouvant être utilisées pour des applications automobiles.
Une première technique bien connue repose sur l'utilisation de lentilles diélecriques. Des solutions commerciales existent déjà. Ces solutions sont très attractives mais demeurrent encombrantes.
Une seconde technique bien connue consiste à utiliser des lentilles de Rotman qui sont des systèmes planaires quasi-optiques présentant trois points focaux, tel que décrit par exemple dans le document scientifique suivant : W. Rotman, R. F. Turner, "Wide-angle microwave lens for line source applications", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 11, no.6, pp. 623-632, Nov.1956.
Un inconvénient majeur de cette seconde technique est la grande taille du système d'antenne complet et sa faible modularité, du fait que toutes les parties (partie alimentation, partie de guidage et partie rayonnante) sont réalisées sur un même substrat.
Egalement, la lentille de Rotman présente de grandes dimensions ne permettant pas de réduire la taille globale de l'antenne.
Cette structure est également limitée quant au nombre de faisceaux d'entrée pour réaliser un balayage complet.
Enfin, une telle structure présente des pertes d'insertion importantes.
Une troisième technique connue concerne une antenne à plans parallèles (« pillbox ») et à double couche, telle que présentée dans le document scientifique suivant : T. Teshirogi, Y. Kawahara, A. Yamamoto, Y. Sekine, N. Baba, M. Kobayashi, "Dielectric Slab Based Leaky-Wave Antennas for Millimeter-Wave Applications", IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 2001, Vol. 1, pp. 346-349, Jul. 2001.
Les figures 1 et 2 présentent des vues, en perspective et en coupe respectivement, d'une antenne selon cette troisième technique connue. Elle comprend une couche basse 5 et une couche haute 6. La couche basse 5 est une structure à plans parallèles comprenant deux plaques métalliques 8, 9. La couche haute 6 est également une structure à plans parallèles comprenant deux plaques métalliques 9, 4, dont l'une (celle référencée 9) est commune aux deux couches et aux deux structures à plans parallèles. Les deux couches 5, 6 sont connectées par des moyens de transition comprenant un réflecteur 2 (plaque coudée à 180° (« 180° parallel plate bend » en anglais)) de profil parabolique et une fente unique 7, s'étendant le long et sur toute la longueur du réflecteur parabolique 2. Dans la couche basse 5 est placée la partie alimentation, comprenant un seul cornet sectoriel 1. Dans la couche haute 6 est placée la partie rayonnante 3. Les moyens de transition (réflecteur 2 et fente unique 7) permettent le transfert de l'énergie entre la couche basse 5 et la couche haute 6 (c'est-à-dire depuis le cornet 1 jusqu'à la partie rayonnante 3), le front d'onde incident sur le réflecteur parabolique étant un front d'onde cylindrique.
Les principaux inconvénients de cette troisième technique connue résident dans le fait que les moyens de transition comprennent une fente unique, qui ne permet pas un transfert d'énergie optimal (du fait de l'existence de phénomènes de résonnance dans une fente unqiue) et n'est efficace que dans une étroite plage angulaire. La résolution n'est donc pas optimale.
De plus, l'utilisation combinée (dans les moyens de transition) d'un réflecteur parabolique et d'une fente unique ne permet pas, selon le document de brevet WO91/17586 , d'obtenir un front d'onde parfaitement plan dans la couche haute (après réflexion sur le réflecteur) si le front d'onde incident de la couche basse est un front d'onde cylindrique (ou plus généralement non plan).
En outre, cette troisième technique connue ne permet pas d'utiliser plusieurs sources d'excitation puisque le cornet s'étend directement jusqu'au bord du réflecteur parabolique (cornet sectoriel). Aucune reconfiguration de faisceau ni balayage de faisceau n'est de ce fait possible.
Une quatrième technique connue est une variante de la troisième technique connue précitée. Elle est décrite dans le document scientifique suivant : V. Mazzola, J. E. Becker, "Coupler-Type Bend for Pillbox Antennas", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 15, no.8, pp. 462-468, Aug. 1967 »).
Dans cette variante, la fente unique (comprise dans les moyens de transition entre les deux couches) est remplacée par une pluralité d'ouvertures circulaires, reparties selon un maillage triangulaire (c'est-à-dire un maillage dont le motif de base est un triangle) qui s'étend tout le long du réflecteur. Ainsi, le couplage effectué par les moyens de transiton est amélioré, la bande de fréquences de fonctionnement est plus large et la plage angulaire est plus large également. Elle fonctionne dans le plan E (champ électrique parallèle aux plaques métalliques formant les plans parallèles des deux couches).
Un inconvénient de cette quatrième technique connue est qu'elle ne peut fonctionner qu'avec une seule polarisation (polarisation horizontale : mode TE en guide d'onde à plans parallèles (PPW, pour « parallel plate waveguide » en anglais). Elle ne peut donc pas fonctionner en double polarisation.
En outre, comme la troisième technique connue, elle ne permet pas d'utiliser plusieurs sources d'excitation. Aucune reconfiguration de faisceau n'est de ce fait possible.
Un autre inconvénient de la quatrième technique connue est que l'augmentation de l'efficacité de la transition est réalisée au détriment d'une augmentation de la région de couplage (nombre et taille des ouvertures circulaires comprises dans le maillage triangulaire), et donc au final une augmentation de l'encombrement et du coût de l'antenne.

3. OBJECTIFS DE L'INVENTION

L'invention, dans au moins un mode de réalisation, a notamment pour objectif de proposer une antenne multicouche à plans parallèles (« pillbox ») ne présentant pas les inconvénients des solutions techniques connues discutées ci-dessus.
Un objectif, dans au moins un mode de réalisation de l'invention est de proposer une antenne comprenant des moyens de transition, entre deux couches adjacentes (appelées couche basse et couche haute, par exemple), permettant un transfert d'énergie optimal et efficace dans une large plage angulaire et fréquentielle, et ce même si ces moyens de transition comprennent un réflecteur de forme non plane (parabolique par exemple). On souhaite donc obtenir un front d'onde parfaitement plan dans la couche haute (après réflexion sur le réflecteur) même si le front d'onde incident de la couche basse est un front d'onde non plan (cylindrique par exemple).
Un autre objectif, d'au moins un mode de réalisation de l'invention, est de fournir une antenne pouvant fonctionner en double polarisation ou en polarisation circulaire.
Un autre objectif, d'au moins un mode de réalisation de l'invention, est de fournir une antenne permettant d'utiliser plusieurs sources d'excitation, et donc dont le faisceau est reconfigurable (multi-faisceaux, dépointage de faisceau(x), faisceau(x) à directivité variable).
Un autre objectif, d'au moins un mode de réalisation de l'invention, est de fournir une antenne à faible encombrement et de poids réduit.
Un autre objectif, d'au moins un mode de réalisation de l'invention, est de fournir une antenne simple à mettre en oeuvre et peu coûteuse.

4. EXPOSÉ DE L'INVENTION

Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, il est proposé une antenne multicouche comprenant :

une partie alimentation générant une onde ;
une partie rayonnante ;
une partie guidage, permettant de guider ladite onde depuis la partie alimentation jusqu'à la partie rayonnante, ladite partie guidage comprenant :
- * au moins deux couches superposées de type guide à plans parallèles, et
- * pour chaque couple de couches adjacentes, des moyens de transition entre lesdites couches adjacentes, comprenant un réflecteur coopérant avec un moyen de couplage par fente,

Ainsi, l'invention repose sur une approche tout à fait nouvelle et inventive consistant à conserver un réflecteur de forme non plane (par exemple de type parabolique) et remplacer, dans les moyens de transition entre les deux couches, la fente unique de la troisième solution connue :

non pas par une pluralité d'ouvertures circulaires reparties selon un maillage triangulaire qui s'étend tout le long du réflecteur (comme dans la quatrième technique connue),
mais par une pluralité de fentes (voir ci-après la description des figures 17A à 17E pour la définition du terme « fente » dans le cadre de la présente invention, ainsi que pour quelques exemples non limitatifs de fentes).

De cette façon, on réduit les effets de résonnance apparaissant dans une fente continue. Le transfert d'énergie entre deux couches successives s'en trouve alors amélioré, et ce dans une large plage angulaire et sur une large bande de fréquences. En d'autres termes, on obtient une antenne présentant un rendement optimisé en termes de transfert de puissance.
En outre, l'utilisation combinée (dans les moyens de transition) d'un réflecteur de forme non plane (le front d'onde incident de la couche basse est donc un front d'onde non plan) et d'une pluralité de fentes permet d'obtenir un front d'onde parfaitement plan dans la couche haute (après réflexion sur le réflecteur).
En outre, et comme détaillé par la suite, l'utilisation d'une pluralité de fentes permet de fournir une antenne pouvant fonctionner en double polarisation. Cela permet également de fournir une antenne pouvant utiliser plusieurs sources d'excitation, et donc dont le faisceau est reconfigurable.
Dans un mode de réalisation particulier, ladite pluralité de fentes est disposée sur un unique rang.
Avantageusement, chaque fente comprend un corps principal possédant une forme allongée selon au moins un axe sensiblement parallèle ou perpendiculaire au réflecteur.
Ainsi, on améliore encore le couplage effectué par la pluralité de fentes.
Dans un premier mode de mise en oeuvre particulier, au moins certaines fentes comprennent un corps principal possédant une forme allongée selon un seul axe.
Ainsi, l'antenne peut fonctionner en simple polarisation. Les figures 17A à 17C, décrites en détail par la suite, illustrent quelques exemples non limitatifs de fentes pouvant être utilisées dans ce premier mode de réalisation de l'invention.
Dans un second mode de mise en oeuvre particulier, au moins certaines fentes comprennent un corps principal possédant une forme en croix, ledit corps principal comprenant une première branche possédant une forme allongée selon un premier axe et une deuxième branche possédant une forme allongée selon un second axe sensiblement perpendiculaire au premier axe.
Ainsi, grâce à ces fentes en croix (c'est-à-dire dont le corps principal est en forme de croix), l'antenne peut fonctionner en double polarisation. Les figures 17D et 17E, décrites en détail par la suite, illustrent quelques exemples non limitatifs de fentes pouvant être utilisées dans ce second mode de réalisation de l'invention.
Il est à noter que dans une variante de réalisation de ce second mode de réalisation, la pluralité de fentes en croix peut être remplacée par un ensemble de premières fentes comprenant un corps principal possédant une forme allongée selon un premier axe, et un ensemble de secondes fentes comprenant un corps principal possédant une forme allongée selon un second axe sensiblement perpendiculaire au premier axe.
Avantageusement, la forme du motif que forment ensemble ladite pluralité de fentes possède une forme sensiblement identique à celle du réflecteur.
On rappelle que le réflecteur possède soit une forme classique (parabole, ellipse, hyperbole, cercle), soit toute autre forme adaptée à un besoin spécifique.
Avantageusement, chaque fente de ladite pluralité de fentes possède une longueur comprise entre 0,25*λ_d et 0,5*λ_d, et une largeur comprise entre 0,1*λ_d et 0,2*λ_d, avec λ_d la longueur d'onde dans les couches superposées de type guide à plans parallèles, à la fréquence de fonctionnement de l'antenne.
Ainsi, la longueur et la largeur des fentes constituent des paramètres sur lesquels il est possible de jouer, pour chaque fente, pour aisément optimiser l'efficacité de la transition à laquelle participent les fentes.
Selon une caractéristique avantageuse, chaque fente de ladite pluralité de fentes est à une distance, par rapport au réflecteur, comprise entre 0,3*λ_d et 0,5*λ_d, avec λ_d la longueur d'onde dans les couches superposées de type guide à plans parallèles, à la fréquence de fonctionnement de l'antenne.
Ainsi, la distance de chaque fente par rapport au réflecteur constitue un paramètre sur lequel il est possible de jouer, pour chaque fente, pour aisément optimiser l'efficacité de la transition à laquelle participent les fentes.
Avantageusement, l'écart entre deux fentes adjacentes de ladite pluralité de fentes est compris entre 0,02*λ_d et 0,1*λ_d, avec λ_d la longueur d'onde dans les couches superposées de type guide à plans parallèles, à la fréquence de fonctionnement de l'antenne.
Ainsi, la distance entre deux fentes adjacentes constitue un paramètre sur lequel il est possible de jouer, pour chaque fente, pour aisément optimiser l'efficacité de la transition à laquelle participent les fentes.
Selon une caractéristique avantageuse, ladite partie alimentation comprend au moins deux sources entrelacées entre elles physiquement ou électriquement.
Ainsi, il est possible d'avoir une largeur de faisceau uniforme sur une plage angulaire plus grande, déterminée par la position desdites sources entrelacées.
Dans une variante de réalisation, ladite partie alimentation comprend au moins une source et un premier moyen de déplacement mécanique de ladite au moins une source, dans un plan parallèle aux couches superposées de type guide à plans parallèles.
Ainsi, il est possible de réaliser, mécaniquement, un balayage de faisceau. La notion de balayage de faisceau est décrite en détail par la suite, en relation avec la figure 18.
Suivant une caractéristique avantageuse, ladite partie alimentation comprend au moins deux sources et des moyens d'alimentation sélective desdites au moins deux sources.
Ainsi, il est possible de réaliser un changement de forme de faisceau et/ou un balayage de faisceau (changement de l'axe de pointage), en changeant dans le temps la ou les sources qui sont effectivement alimentées. Les notions de changement de forme de faisceau et de balayage de faisceau sont décrites en détail par la suite, en relation avec la figure 18.
Selon un autre mode de réalisation conforme à l'invention, il est proposé un système d'antenne comprenant une antenne multicouche selon l'un des modes de réalisation précités, et un second moyen de déplacement mécanique de ladite antenne.
Ainsi, il est possible de faire de la reconfiguration en trois dimensions (changement de forme de faisceau et/ou balayage de faisceau). En effet, l'antenne multicouche rayonne essentiellement dans un plan (voir la figure 18), que le second moyen de déplacement permet de déplacer.
Selon un autre mode de réalisation conforme à l'invention, il est proposé un système d'antenne comprenant une antenne multicouche selon l'un des modes de réalisation précités (c'est-à-dire comprenant : une première partie alimentation générant une première onde ; une partie rayonnante ; et une partie guidage, permettant de guider ladite première onde depuis la première partie alimentation jusqu'à la partie rayonnante, ladite partie guidage comprenant au moins deux couches superposées de type guide à plans parallèles, et, pour chaque couple de couches adjacentes, des premiers moyens de transition entre lesdites couches adjacentes, comprenant un premier réflecteur coopérant avec un premier moyen de couplage par fente). En outre, le système d'antenne comprend une deuxième partie alimentation générant une deuxième onde. Ladite partie guidage permet également de guider ladite deuxième onde depuis la deuxième partie alimentation jusqu'à la partie rayonnante, ladite partie guidage comprenant en outre, pour chaque couple de couches adjacentes, des deuxièmes moyens de transition entre lesdites couches adjacentes, comprenant un deuxième réflecteur coopérant avec un deuxième moyen de couplage par fente, lesdits deuxièmes moyens de transition étant décalés de 90° par rapport auxdits premiers moyens de transition. Pour au moins un couple de couches adjacentes pour lequel la partie guidage comprend un réflecteur de forme non plane, le premier moyen de couplage par fente comprend une pluralité de premières fentes, chaque première fente possédant une forme allongée selon au moins un axe, ladite pluralité de premières fentes étant disposées sur au moins un rang et formant ensemble un motif qui s'étend le long du premier réflecteur et possède une forme fonction de la forme du premier réflecteur. Pour au moins un couple de couches adjacentes pour lequel la partie guidage comprend un réflecteur de forme non plane, le deuxième moyen de couplage par fente comprend une pluralité de deuxièmes fentes, chaque deuxième fente possédant une forme allongée selon au moins un axe, ladite pluralité de deuxièmes fentes étant disposées sur au moins un rang et formant ensemble un motif qui s'étend le long du deuxième réflecteur et possède une forme fonction de la forme du deuxième réflecteur.
Ainsi, il est possible de faire de la reconfiguration en trois dimensions (changement de forme de faisceau et/ou balayage de faisceau) de manière simple, fiable, peu encombrante et peu coûteuse.

5. LISTE DES FIGURES

D'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre à titre d'exemple non limitatif, et à l'examen des dessins annexés dans lesquels :

les figures 1 et 2 présentent des vues, en perspective et en coupe respectivement, d'une antenne selon la technique connue de Teshirogi et al. ;
les figures 3 et 4 présentent des vues, en perspective et en coupe respectivement, d'une antenne à deux couches selon un mode de réalisation particulier de l'invention ;
la figure 5 est une vue schématique en perspective d'un entrelacement physique de sources comprises dans la partie alimentation, selon un mode de réalisation particulier de l'invention ;
la figure 6 illustre différents profils possibles pour le réflecteur compris dans les moyens de transition entre deux couches adjacentes ;
la figure 7 est une vue schématique d'une pluralité de fentes coopérant avec un réflecteur parabolique, dans un premier mode de réalisation particulier des moyens de transition entre deux couches adjacentes, pour un fonctionnement en simple polarisation ;
la figure 8 est une vue schématique d'une pluralité de fentes coopérant avec un réflecteur parabolique, dans un second mode de réalisation particulier des moyens de transition entre deux couches adjacentes, pour un fonctionnement en double polarisation ;
la figure 9 est une vue en coupe d'une antenne à deux couches selon un mode de réalisation particulier de l'invention, faisant apparaître un ensemble de sources entrelacées physiquement ;
la figure 10 présente quatre diagrammes de rayonnement obtenus avec l'antenne de la figure 9, pour quatre configurations d'alimentation différentes (chaque configuration d'alimentation correspondant à l'activation de trois sources proches);
la figure 11 présente une vue partielle et en perspective d'une antenne à deux couches selon un mode de réalisation particulier de l'invention, comprenant de premiers moyens de reconfiguration de la partie rayonnante, basés sur l'utilisation de diodes ou charges courts-circuitées (shunts) ;
la figure 12 présente une vue partielle et en perspective d'une antenne à deux couches selon un mode de réalisation particulier de l'invention, comprenant de seconds moyens de reconfiguration de la partie rayonnante, basés sur l'utilisation de deux jeux de fentes dans la parties rayonnante ;
la figure 13 est une vue de dessus d'un système d'antenne selon un mode de réalisation particulier de l'invention ;
la figure 14 est une vue en perspective d'une antenne à trois couches selon un premier mode de réalisation particulier de l'invention ;
la figure 15 est une vue en perspective d'une antenne à trois couches selon un deuxième mode de réalisation particulier de l'invention ;
la figure 16 est une vue en perspective d'une antenne à trois couches selon un troisième mode de réalisation particulier de l'invention ;
les figures 17D et 17E illustrent quelques exemples non limitatifs de fentes de couplage pouvant être utilisées dans une antenne selon l'invention ; et
la figure 18 illustre la notion de plan de rayonnement principal de l'antenne des figures 3 et 4, ainsi que les notions de changement de forme de faisceau et balayage de faisceau.

6. DESCRIPTION DÉTAILLÉE

On s'attache plus particulièrement, dans la suite de ce document, à décrire la problématique existant dans le domaine des antennes pour radars automobiles de dernière génération, à laquelle ont été confrontés les inventeurs de la présente demande de brevet. L'invention ne se limite bien sûr pas à ce domaine particulier d'application, mais présente un intérêt pour toute technique devant faire face à une problématique proche ou similaire.
Il est également à noter que sur toutes les figures du présent document, les éléments identiques sont désignés par une même référence numérique.
On présente maintenant, en relation avec les figures 3 et 4 , une antenne 30 à deux couches selon un mode de réalisation particulier de l'invention. Une telle antenne peut par exemple être utilisée dans des radars, pour des applications automobiles.
Dans ce mode de réalisation, l'antenne 30 comprend une partie guidage comprenant deux couches à plans parallèles ayant une plaque métallique M.2 en commun. Plus précisément, la partie guidage comprend :

une première couche à plans parallèles comprenant elle-même deux plaques métalliques M.1, M.2 situées de part et d'autre d'une couche de substrat diélectrique Sub.1 ;
une deuxième couche à plans parallèles comprenant elle-même deux plaques métalliques M.2, M.3 situées de part et d'autre d'une couche de substrat diélectrique Sub.2.

La hauteur et la permitivité des deux couches de substrat Sub.1, Sub.2 sont choisies préférentiellement de façon à respecter la relation suivante : $h 2 = (\sqrt ε_{r 2} / \sqrt ε_{r 1}) * h 1$
où h2 et h1 sont respectivement les hauteurs des deux couches de substrat Sub.2 et Sub.1, et ε_r1 et ε_r2 sont respectivement les permitivités des deux couches de substrat Sub.1 et Sub.2.
Par souci de simplification, dans la suite de la description, on considère que : $h 1 = h 2, et ε_{r 1} = ε_{r 2} avec (ε_{r 1}, ε_{r 2} \geq 1) .$
Les deux couches de substrats sont couplées par un moyen de transition optique comprenant un réflecteur parabolique R1 et une pluralité de fentes de couplage 10 réalisées dans la plaque métallique commune M.2.
Le réflecteur parabolique R1 s'étend de la plaque métallique M.1 à la plaque métallique M.3. D'autres profils de réflecteur (canoniques ou de forme arbitraire optimisée) peuvent être utilisés (voir ci-après la description de la figure 6).
Dans ce mode de réalisation, chaque fente de couplage 10 possède une forme rectangulaire et s'étend selon un axe sensiblement parallèle au réflecteur. La pluralité des fentes de couplage 10 est disposée sur un rang et forment ensemble un motif parabolique qui s'étend le long du réflecteur parabolique. Le motif que forment ensemble les fentes de couplage est par exemple le lieu géométrique formé par les centres géométriques des fentes (comme par exemple celui donné par l'équation numéro 2 donnée plus loin ; cette équation n'est pas limitative).
D'autres formes de fentes de couplage peuvent bien sûr être utilisées sans sortir du cadre de la présente invention.
On présente maintenant, en relation avec les figures 17D et 17E , quelques exemples non limitatifs de fentes de couplage pouvant être utilisées dans une antenne selon l'invention.
La figure 17A présente une fente rectangulaire 170 (c'est-à-dire une fente comprenant un corps principal possédant une forme rectangulaire et donc allongée selon un axe).
La figure 17B présente une fente 171 comprenant un corps principal possédant une forme allongée selon un axe. Cette fente 171 se distingue de celle de la figure 17A en ce que ses extrémités sont arrondies.
La figure 17C présente une fente en H (aussi appelée fente en os de chien (« dog bone » en anglais) 172 comprenant un corps principal 172a possédant une forme allongée selon un axe, et deux extrémités dédoublées 172b, 172c. Chaque extrémité dédoublée permet de réduire la longueur physique de la fente (objectif de compacité de l'antenne) mais pas sa longueur électrique. Typiquement, la longueur l_f de chaque extrémité dédoublée 172b, 172c est largement supérieure à la longueur L_f du corps principal 172a (par exemple dans un rapport 3 à 4). Dans une variante (non illustrée), les extrémités dédoublées de la fente en H sont arrondies.
La figure 17D présente une fente en croix simple 173. Elle comprend un corps principal comprenant une première branche 173a, 173b possédant une forme allongée selon un premier axe et une deuxième branche 173c, 173d possédant une forme allongée selon un second axe sensiblement perpendiculaire au premier axe. Dans une variante (non illustrée), les extrémités de la fente en croix simple sont arrondies.
La figure 17E présente une fente en croix de Jérusalem 174. Elle comprend un corps principal comprenant une première branche 174a, 174b possédant une forme allongée selon un premier axe et une deuxième branche 174c, 174d possédant une forme allongée selon un second axe sensiblement perpendiculaire au premier axe. Chaque extrémité 174e, 174f, 174g, 174h de branche est dédoublée. Ceci permet de réduire la longueur physique de la fente (objectif de compacité de l'antenne) mais pas sa longueur électrique. Typiquement, la longueur de chaque extrémité dédoublée est largement supérieure à la longueur de la branche (du corps principal) à l'extrémité de laquelle est est située (par exemple dans un rapport 3 à 4). Dans une variante (non illustrée), les extrémités de la fente en croix de Jérusalem sont arrondies.
Comme détaillé ci-après en relation avec la figure 8, les fentes en croix permettent un fonctionnement de l'antenne en double polarisation.
On reprend maintenant la description des figures3 et 4. L'antenne 30 comprend également une partie alimentation comprenant une source S1 placée dans la couche de substrat Sub.1. Comme détaillé par la suite, il est aussi possible d'utiliser plusieurs sources (voir figures 5 et 9) ou des moyens de déplacement mécanique d'une source unique, pour effectuer un déplacement dans un plan parallèle aux couches superposées de type guide à plans parallèles (la trajectoire du déplacement obtenu est représentée sur la figure 3 par la flèche en pointillés référencée 12).
L'antenne comprend également une partie rayonnante qui est réalisée sur la couche de substrat Sub.2 et qui comprend une pluralité de fentes rayonnantes 11 réalisées dans la plaque métallique supérieure M.3.
Sur les figures 3 et 4, on a également représenté un substrat BFN (pour "Beam Forming Network" en anglais). Ce substrat BFN permet la mise en forme du faisceau par excitation ou non de la ou les sources, par exemple au moyen de composants actifs (diodes ou composants EMS par exemple).
Le fonctionnement de cette antenne est le suivant : l'énergie de l'onde générée par la source S1 est guidée par la première couche à plans parallèles (plaques métalliques M.1, M.2 et couche de substrat Sub.1). Grâce au moyen de transition optique (réflecteur R1 et pluralité de fentes de couplage 10), cette énergie est transférée à la deuxième couche à plans parallèles (plaques métalliques M.2, M.3 et couche de substrat Sub.2), où finalement elle est rayonnée par la partie rayonnante (pluralité de fentes rayonnantes 11).
La figure 18 illustre le rayonnement principal de l'antenne 30 des figures 3 et 4. On suppose que le mode utilisé est le mode TEM, dans lequel le champ électrique est orienté selon l'axe Z. Selon le type de partie rayonnante utilisée, on obtient :

soit un diagramme de rayonnement principal 181 situé dans le plan YZ (plan orthogonal aux couches superposées de type guide à plans parallèles), référencé P sur la figure 18 ;
soit un diagramme de rayonnement principal 182 situé dans un plan, référencé P' sur la figure 18, qui est incliné d'un angle θ par rapport au plan YZ.

Quel que soit le plan, P ou P', dans lequel il se situe, le diagramme de rayonnement principal comprend par exemple un lobe principal (c'est notamment le cas si une seule source est alimentée). Comme détaillé par la suite, dans certains modes de réalisation particuliers de l'antenne, il est possible de :

changer la forme du diagramme de rayonnement principal (en modifiant le nombre de sources alimentées). Pour illustrer ce changement de forme sur la figure 18, on a représenté deux faisceaux possibles, l'un étroit 181a, 182a et l'autre large 181b, 182b, pour chacun des plans P et P' ; et/ou
effectuer un balayage de faisceau (soit en modifiant les sources alimentées, soit grâce à un moyen de déplacement mécanique de la ou les sources). Ce balayage est illustré sur la figure 18 par les deux flèches référencées 183 et 184

Il convient de noter que ces notions de changement de forme de faisceau et balayage de faisceau s'appliquent à toutes les structures selon différents modes de réalisation de l'invention.
Dans l'exemple d'antenne 30 des figures 3 et 4, du fait du profil parabolique du réflecteur R1, et pour des raisons optiques, la source S1 et la partie rayonnante 11 sont placées le long et immédiatement après le plan focal du réflecteur parabolique (c'est-à-dire à la distance focale), même si, particulièrement pour la partie rayonnante, d'autres positions sont possibles (notamment pour réduire la surface de l'antenne) en vérifiant opportunément le front de phase de l'onde réfléchie par le réflecteur parabolique. La distance focale est référencée F sur la figure 3.
Il est à noter que bien que la bande de fréquence 76-81 GHz soit généralement utilisée pour une application radar automobile, tous les résultats présentés par la suite sont obtenus à la fréquence de fonctionnement f₀ = 24,15 GHz, sans toutefois affecter le principe général de la présente invention. Tous les concepts présentés ici peuvent donc se décliner à d'autres fréquences.
On présente maintenant plus en détail la partie alimentation. Elle est située au plan focal F (ou au voisinage de ce plan focal) du réflecteur R1 du moyen de transition. Elle comprend soit une unique source (cas de la source S1 sur la figure 3) soit plusieurs sources. La ou les sources permettent de générer une onde TEM (pour "Transverse Electromagnetic" en anglais), une onde TE (pour « Transverse Electric » en anglais) ou bien les deux. L'onde TEM possède un champ électrique orienté selon l'axe Z, tandis que l'onde TE possède un champ électrique selon l'axe Y. Le mode TEM est plus particulièrement décrit par la suite.
Selon un mode de realisation de l'invention, la ou les sources élémentaires sont des cornets sectoriels H (« integrated H-plane sectoral horn » en anglais). Une telle forme en cornet est particulièrement avantageuse dans le cas où plusieurs sources sont utilisées pour générer un ou plusieurs faisceaux et pouvoir ainsi réaliser de la reconfiguration de faisceaux. Cependant, il est à noter que d'autres formes de sources bien connues peuvent être utilisées (réseaux de monopoles, sources de Perot-Fabry à entrelacement, etc.).
Comme illustré sur la figure 5 , dans le cas où plusieurs sources sont utilisées, une solution avantageuse en terme d'encombrement et d'efficacité d'éclairement du réflecteur R1 consiste à effectuer un entrelacement physique de sources. Dans cet exemple, les sources unitaires 51 à 55 sont empilées sur deux niveaux selon l'axe Z (un nombre plus élevé de niveaux peut bien sûr être mis en oeuvre). Les sources d'un même niveau ont leurs ouvertures rectangulaires, de longueur l_aper, alignées selon l'axe Y. Les sources d'un niveau sont décalées d'une distance d_ds par rapport à celles de l'autre niveau. Dans cet exemple, on a : d_ds = 0,5 * l_aper (c'est-à-dire un recouvrement de 50% entre ouvertures de deux cornets adjacents). Un tel arrangement des sources permet ainsi de couvrir une large gamme d'angles. Cependant, d'autres configurations sont également possibles.
La figure 9 est une vue en coupe d'une antenne à deux couches selon un mode de réalisation particulier de l'invention, faisant apparaître un ensemble de sources entrelacées physiquement, sur deux niveaux. Dans cet exemple, on utilise neuf sources. Elles sont réparties comme suit (en suivant l'ordre de gauche à droite, sur la figure 9) : sur le premier niveau, les sources S9, S7, S1, S3 et S5 ; et sur le deuxième niveau, les sources S8, S6, S2 et S4. Par rapport aux sources du premier niveau, les sources du deuxième niveau sont décalées vers la droite d'une demi-longueur d'ouverture de cornet.
On présente maintenant plus en détail la partie guidage.
La figure 6 présente différents profils possibles pour le réflecteur R1 compris dans les moyens de transition entre la première couche à plans parallèles (plaques métalliques M.1, M.2 et couche de substrat Sub.1) et la deuxième couche à plans parallèles (plaques métalliques M.2, M.3 et couche de substrat Sub.2). Ces différents profils sont un profil hyperbolique 63, un profil elliptique 62, un profil parabolique 61 et un profil circulaire 64. D'autres formes arbitraires optimisées peuvent être utilisées bien évidemment. D'une manière générale, le profil du réflecteur dépend du profil d'onde qui doit arriver dans la deuxième couche à plans parallèles, conformément aux lois optiques. Le profil le plus souvent utilisé pour les antennes de type « pillbox » est le profil parabolique 61. En effet, dans ce cas, l'énergie venant du point focal F2 sera réfléchie, dans la deuxième couche à plans parallèles, comme une onde planaire et concentrée et dirigée vers la partie rayonnante qui est habituellement un réseau planaire.
Dans les exemples présentés, le motif que forment ensemble les fentes de couplage possède une forme identique (ou sensiblement identique) à celle du réflecteur le long duquel elles sont situées.
La figure 7 est une vue schématique d'une pluralité de fentes de couplage 10 coopérant avec un réflecteur parabolique R1, dans un premier mode de réalisation particulier des moyens de transition entre deux couches adjacentes, pour un fonctionnement en simple polarisation.
Comme sur la figure 3, chaque fente de couplage 10 possède une forme rectangulaire selon un axe sensiblement parallèle au réflecteur. La pluralité de fentes de couplage 10 sont disposées sur un rang et forment ensemble un motif parabolique qui s'étend le long du réflecteur parabolique. D'autres formes de fentes non nécéssairement rectangulaires peuvent être utilisées (voir la description des figures 17A à 17C).
La performance de ces moyens de transition optique (en terme de transfert d'énergie vers la deuxième couche à plans parallèles, et d'annulation de l'onde réfléchie qui revient du réflecteur vers la source) peut être augmentée en jouant sur les dimensions (longueur l_si et largeur w_si) et la position (r_si) de chaque i^ème fente de couplage.
Ainsi, la i^ème fente de couplage (au sein du rang comprenant toutes les fentes de couplage) occupe une position dont l'une des coordonnées cylindriques est définie par la relation suivante : $r_{i} = (\frac{2 F}{1 + \cos φ}) - Δ_{si}$
où F est la distance focale du profil parabolique du réflecteur R1, r_i et φ les coordonnées cylindriques classiques du centre de la i^ème fente, et Δ_si la distance entre le centre de la i^ème fente et le réflecteur parabolique.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, les conditions suivantes sont vérifiées :

0,25 * λ_d < l_si < 0,5 * λ_d ;
0,1 * λ_d < w_si< 0,2 * λ_d ; et
0,3 * λ_d < Δ_si < 0,5 * λ_d.

Dans ces formules, λ_d est la longueur d'onde dans le diélectrique (c'est-à-dire dans les couches superposées de type guide à plans parallèles) à la fréquence de fonctionnement de l'antenne.
Le nombre de fentes est choisi de façon que l'espace δ_si entre deux fentes adjacentes obéisse à la condition : 0,02 * λ_d < δ_si < 0,1 * λ_d.
Dans cet exemple, la symétrie de la structure selon le plan xz est également préservée. Mais une distribution non symétrique des fentes est également envisageable selon le type de faisceau à rayonner par l'antenne.
Cette configuration de la figure 7 permet uniquement de rayonner en simple polarisation (verticale, avec le champ électrique le long de l'axe Z). Mais il est également possible de rayonner double polarisation tel que plus amplement décrit par la suite (voir figure 8).
En accord avec la simulation, l'utilisation d'un tel moyen de couplage comprenant une pluralité de fentes de couplage permet de supprimer les reflexions de l'onde lors de son interaction avec le moyen de couplage. Ainsi, le transfert de puissance est optimisé (sur une large plage angulaire et fréquentielle) entre les première et seconde couches.
Egalement, l'utilisation d'une pluralité de fentes de couplage permet de supprimer les effets de résonnance indésirables tels que classiquement rencontrés pour un moyen de couplage par fente unique continue.
La figure 8 est une vue schématique d'une pluralité de fentes coopérant avec un réflecteur parabolique, dans un second mode de réalisation particulier des moyens de transition entre deux couches adjacentes, pour un fonctionnement en double polarisation.
Dans ce qui précède, et notamment dans l'exemple de la figure 3 (antenne fonctionnant en simple polarisation), le mode utilisé est le mode TEM dans lequel le champ électrique est orienté selon l'axe Z. Cependant, les mêmes considérations que celles faites ci-dessus pour les moyens de transition peuvent être répétées pour un mode TE dans lequel le champ électrique est orienté selon l'axe Y. La seule variation des moyens de transition optique serait une rotation de sensiblement 90° des fentes de couplage réalisées dans la plaque métallique M.2 commune aux deux couches à plans parallèles (d'autres angles de rotation pourraient être choisis, par exemple une croix tournée de 45°).
Ainsi, pour fonctionner en bi-polarisation, dans l'antenne de la figure 8, chaque fente de couplage est une fente en croix 80 (voir la description des figures 17D et 17E), correspondant à la combinaison de deux fentes perpendiculaires. Dans cet exemple, les deux fentes combinées pour former une croix sont identiques, mais elles peuvent aussi être différentes. Selon une variante, chaque fente en croix est remplacée par deux fentes perpendiculaires espacées l'une de l'autre.
Le fait que les moyens de couplage soient capables de fonctionner en double polarisation donne un autre degré de liberté, aussi bien en termes de fonctionnement que de reconfigurabilité de l'antenne, comme détaillé par la suite.
Il est à noter que, dès lors qu'un fonctionnement en double polarisation est possible, toutes les autres polarisations sont également possibles, comme par exemple une polarisation circulaire.
On rappelle par ailleurs que deux types de rayonnement peuvent être obtenus selon les modes de réalisation des antennes multicouches à plans parallèles de l'invention :

un rayonnement simple faisceau (« single beam » en anglais), si l'antenne comprend une seule source (cas des figures 3 et 4 déjà décrites ci-dessus) ;
un rayonnement multifaisceau (« multi beam » en anglais), si l'antenne comprend plusieurs sources (cas des figures 5 et 9 déjà décrites ci-dessus).

On discute ci-dessous différents aspects liés à la reconfiguration de faisceau en sortie d'antenne :

reconfiguration de faisceau ou balayage, en 2D, dans un premier plan (dans lequel se situe le diagramme de rayonnement principal), avec présentation d'une solution électronique et une solution mécanique. Ce premier plan (appelé plan P ou P' sur la figure 18) est le plan de la route, dans une application automobile ;
contrôle de la largeur de faisceau dans un second plan, orthogonal au premier plan P, P' (ce second plan est le plan orthogonal à la route, aussi appelé plan d'élévation, dans une application automobile), avec présentation de plusieurs solutions ; et
reconfiguration de faisceau ou balayage, en 3D, avec présentation d'une solution électronique et une solution mécanique.

Tel que décrit précédemment, les radars automobiles de prochaine génération doivent être compatibles avec les deux modes SRR (portée radar courte, avec faisceau large) et LRR (portée radar longue, avec faisceau étroit), et ce en utilisant une seule antenne.
Pour réaliser une reconfiguration de faisceau ou un balayage en 2D dans le plan de la route, c'est-à-dire pour qu'une même antenne fonctionne dans les deux modes SRR et LRR, une solution consiste à additionner, en phase ou non, plusieurs faisceaux étroits de type LRR afin de couvrir le domaine angulaire associé au mode SRR, du fait notamment qu'un faisceau large SRR est une combinaison de faisceaux étroits LRR.
Ce concept est illustré sur la figure 10 , qui présente quatre diagrammes de rayonnement 101 à 104 obtenus avec l'antenne de la figure 9, pour quatre configurations d'alimentation différentes (chaque configuration d'alimentation correspondant à l'activation de trois sources proches, respectivement S6/S1/S2, S1/S2/S3, S2/S3/S4 et S3/S4/S5).
Pour chaque configuration, le faisceau obtenu présente une largeur de faisceau de 14° (contre 6° pour une source unique) et un niveau de lobes secondaires SLL inférieur à -20dB. Il est possible d'effectuer un balayage en passant de l'une à l'autre de ces configurations (de même qu'il est possible d'effectuer un balayage en activant les sources une par une).
Le concept de base illustré sur la figure 10 peut être généralisé à la mise en forme de faisceau (« beam shaping » en anglais). Par exemple, une autre solution consiste à alimenter les sources de la figure 9 de manière successive, pour modifier la forme du faisceau et ainsi pouvoir élargir la plage angulaire de l'antenne pour un même faisceau. Il est également possible selon cette technique de créer deux faisceaux différents et pointant dans deux directions différentes.
Pour réaliser une reconfiguration de faisceau ou un balayage en 2D dans le plan de la route, la solution électronique décrite ci-dessus (et illustrée par la figure 10), trouve son application particulièrement lorsqu'une vitesse de balayage importante est nécessaire. Mais dans certaines applications, comme les télécommunications entre véhicules ou stations de base, des vitesses de balayage lentes sont acceptées et il est alors possible d'utiliser une solution mécanique pour réaliser une reconfiguration de faisceau ou un balayage en 2D.
Cette solution mécanique, qui a déjà été évoquée ci-dessus dans la description de la figure 3, consiste à utiliser des moyens de déplacement mécanique de la source, dans un plan parallèle aux couches superposées de type guide à plans parallèles. Sur la figure 3, la flèche référencée 12 illustre la trajectoire de déplacement de la source S1.
On présente maintenant plusieurs solutions pour contrôler la largeur de faisceau dans le plan d'élévation (plan orthogonal à la route dans une application automobile).
Les modes SRR et LRR requièrent des performances différentes aussi dans le plan d'élévation. Dans ce cas, aucun balayage n'est requis, mais la largeur de faisceau en mode LRR est typiquement (mais non nécessairement) la moitié de celle en mode SRR.
Puisque la largeur de faisceau dans le plan d'élévation est fonction de la taille de l'antenne le long de l'axe X, cela signifie que la taille du faisceau en mode LRR devrait le double de celui en mode SRR. En terme de reconfiguration, ceci signifie être capable d'augmenter ou réduire la taille selon l'axe X, de manière automatique. D'un point de vue antenne, ceci peut être fait de plusieurs manières, comme par exemple en utilisant des diodes shunts le long de l'ouverture (voir figure 11), une discrimination de polarisations (voir figure 12) ou encore plusieurs antennes en mode SRR (par exemple deux antennes juxtaposées, sans décalage angulaire entre elles).
Les deux premières solutions sont détaillées ci-dessous, dans le cas d'une partie rayonnante comprenant un réseau de fentes rayonnantes, mais il est clair que ces solutions peuvent être utilisées dans d'autres configurations. Par souci de simplification, seule la partie rayonnante est considérée, les parties alimentation et guidage sont par exemple celles déjà décrites ci-dessus.
La figure 11 montre l'intégration de diodes shunts 112 (ou charges shunts dans une variante), sous la partie rayonnante (le long d'une ligne coupant en deux la zone de la partie rayonnante où se trouvent les fentes rayonnantes 11), permettant de relier des connexions 111 et 113 réalisées sur les plaques métallisées M.3 et M.2. Ces diodes sont activées (moyens d'activation non représentés sur la figure 11), pour un fonctionnement dans le mode SRR, afin de réduire de moitié la partie rayonnante en court-circuitant ou absorbant l'énergie qui arrive.
Sur la figure 12 , la partie rayonnante est conçue afin de répondre à différentes polarisations pour les modes LLR et SRR. Ceci est fait en utilisant deux sortes de fentes rayonnantes : des fentes simples 121 (selon un axe) et des fentes en croix 122 (selon deux axes perpendiculaires). Les premières peuvent rayonner seulement si alimentées avec un champ électrique le long de l'axe Z (TEM). Les dernières peuvent rayonner comme les premières mais aussi si alimentées avec un champ électrique le long de l'axe Y (TE). Ainsi, les fentes en croix fonctionnent dans les deux modes LRR et SRR, tandis que les fentes simples seulement dans le mode LRR. Cette solution est possible si les moyens de transition (réflecteur et fentes de couplage) peuvent fonctionner en double polarisation. Cette solution ne nécessite aucune électronique de contrôle, la discrimination étant effectuée d'un point de vue rayonnement.
On présente maintenant successivement deux solutions (la première mécanique et la seconde électronique) pour effectuer une reconfiguration de faisceau ou balayage, en 3D. Les applications de télécommunication requièrent habituellement un balayage 3D à l'intérieur d'un cône prédéfini. Dans ce cas, le système d'antenne doit être capable de balayer le faisceau sur 360° dans un plan, et dans une plage angulaire plus petite dans l'autre plan.
La solution mécanique pour le balayage 3D s'appuie sur l'une ou l'autre des solutions de balayage 2D proposées ci-dessus (l'une mécanique et l'autre électronique). En effet, ces dernières peuvent être adoptées pour couvrir la plage angulaire la plus faible (balayage dans un premier plan (référencé P ou P' sur la figure 18). Par exemple, en ajoutant un moyen de déplacement mécanique de l'ensemble de l'antenne dans le plan xy (plan parallèle aux couches superposées de type guide à plans parallèles), on obtient une rotation du plan de rayonnement principal (plan P ou P', figure 18) dans lequel l'antenne rayonne principalement.
La solution électronique pour le balayage 3D est présentée en relation avec la figure 13 , qui est une vue de dessus d'un système d'antenne 130, comprenant une antenne multicouche selon un mode de réalisation de l'invention (à deux couches ou plus) tel que décrit ci-dessus.
En résumé, cette antenne comprend une première partie alimentation (générant une première onde), une partie rayonnante et une partie guidage. La partie guidage permet de guider la première onde depuis la première partie alimentation jusqu'à la partie rayonnante. La partie guidage comprend au moins deux couches superposées de type guide à plans parallèles, et, pour chaque couple de couches adjacentes, des premiers moyens de transition entre les couches adjacentes, comprenant un premier réflecteur coopérant avec une pluralité de premières fentes de couplage (les caractéristiques d'une telle pluralité de fentes de couplages ont déjà été discutées en détail ci-desssus).
Le système d'antenne de la figure 13 comprend en outre une deuxième partie alimentation, générant une deuxième onde. La partie guidage permet également de guider la deuxième onde depuis la deuxième partie alimentation jusqu'à la partie rayonnante. La partie guidage comprend en outre, pour chaque couple de couches adjacentes, des deuxièmes moyens de transition entre les couches adjacentes, comprenant un deuxième réflecteur coopérant avec une pluralité de deuxièmes fentes (les caractéristiques d'une telle pluralité de fentes de couplages ont déjà été discutées en détail ci-desssus). Ces deuxièmes moyens de transition sont décalés de 90° par rapport aux premiers moyens de transition.
Sur la vue de dessus présentée sur la figure 13, on voit la partie rayonnante 131 et un premier (respectivement second) réflecteur parabolique référencé P.1 (repectivement P.2) qui est :

soit le réflecteur de l'unique premier (respectivement deuxième) moyen de transition optique. Ce cas correspond à une antenne à deux couches ; ou
soit le dernier réflecteur d'une combinaison de premiers (respectivement deuxièmes) moyens de transition optique. Ce cas correspond à une antenne à plus de deux couches (chaque moyen de transition entre deux couches étant tel que déjà décrit ci-dessus, et comprenant un réflecteur et une pluralité de fentes de couplage). L'énergie provient de la partie alimentation (une ou plusieurs sources) située dans la couche la plus basse, et est transférée par le ou les moyens de transition.

Les réflecteurs paraboliques P.1 et P.2 alimentent la partie rayonnante, et contrôlent par exemple la direction du faisceau dans les plans YZ (plan P sur la figure 18) et XZ respectivement. Pour cela, chacune des première et deuxième parties alimentation comprend plusieurs sources entrelacées (comme sur la figure 5 par exemple). Ainsi, le faisceau peut être pointé dans n'importe quelle direction de l'espace supérieur. En d'autres termes, en jouant sur les premier et deuxième moyens alimentation, la direction du maximum de rayonnement de la structure d'antenne peut se retrouver dans n'importe quelle direction du demi-espace situé au-dessus de la partie rayonnante (dans la direction des Z positifs).
Pour cela, des structures à ondes de fuite peuvent être utilisées. Leur limitation est le décalage en fréquence de faisceau (« beam frequency squinting » en anglais). Mais pour une faible bande passante (< 10%), un fonctionnement en faisceau déterminé est possible et la structure d'antenne est planaire, de faibe coût, légère et convient au balayage électronique 3D avec de faibles pertes comparé aux autres solutions telles que les réseaux phasés.
On présente maintenant, en relation avec les figures 14, 15 et 16 , des antennes 140, 150, 160 à trois couches selon trois modes de réalisation particuliers de l'invention.
D'autres modes de réalisation sont envisageables. En effet, dès lors qu'il est possible de transférer efficacement l'énergie entre deux couches adjacentes, grâce au type de moyen de transition introduit par la présente invention (pluralité de fentes de couplage associées à un réflecteur), alors toutes les configurations optiques utilisées habituellement pour les antennes à réflecteurs peuvent être implémentées ici en version intégrée dans le substrat (en technologie SIW par exemple).
Les antennes des figures 14, 15 et 16 comprennent une partie alimentation (comprenant une source, dans cet exemple, mais c'est aussi possible avec plusieurs sources) et une partie rayonnante identiques à celles de l'antenne de la figure 3. Elles comprennent une partie guidage comprenant trois couches à plans parallèles :

une première couche à plans parallèles comprenant elle-même deux plaques métalliques M.1, M.2 situées de part et d'autre d'une couche de substrat diélectrique Sub.1 (permitivité ε_r1) ;
une deuxième couche à plans parallèles comprenant elle-même deux plaques métalliques M.2, M.3 situées de part et d'autre d'une couche de substrat diélectrique Sub.2 (permitivité ε_r2) ; et
une troisième couche à plans parallèles comprenant elle-même deux plaques métalliques M.3, M.4 situées de part et d'autre d'une couche de substrat diélectrique Sub.3 (permitivité ε_r3).

Pour l'antenne 140 de la figure 14 (système à double réflecteur de type Grégorien), la partie guidage comprend en outre :

un premier moyen de transition optique comprenant un réflecteur elliptique R1' et une pluralité de fentes de couplage 10a' réalisées dans la plaque métallique M.2 ; et
un deuxième moyen de transition optique comprenant un réflecteur parabolique R2' et une pluralité de fentes de couplage 10b' réalisées dans la plaque métallique M.3.

Pour l'antenne 150 de la figure 15 (système à double réflecteur de type Cassegrain), la partie guidage comprend en outre :

un premier moyen de transition optique comprenant un réflecteur hyperbolique R1" et une pluralité de fentes de couplage 10a" réalisées dans la plaque métallique M.2 ; et
un deuxième moyen de transition optique comprenant un réflecteur parabolique R2" et une pluralité de fentes de couplage 10b" réalisées dans la plaque métallique M.3.

Pour l'antenne 160 de la figure 16, la partie guidage comprend en outre :

un premier moyen de transition optique comprenant un réflecteur parabolique R1'" et une pluralité de fentes de couplage 10a'" réalisées dans la plaque métallique M.2 ; et
un deuxième moyen de transition optique comprenant un miroir plan R2'" et une pluralité de fentes de couplage 10b'" réalisées dans la plaque métallique M.3.

Dans les exemples des figures 14 et 15, les systèmes à double réflecteur de type Grégorien ou Cassegrain permettent de réduire la taille axiale du système de transition optique et d'augmenter les performances concernant la capacité de balayage dans le plan YZ.
Dans l'exemple de la figure 16, l'utilisation d'un miroir plan permet simplement de replier encore l'antenne (troisième couche) pour réduire encore plus l'encombrement. En effet, le miroir plan réfléchit l'onde plane envoyée par le réflecteur parabolique (premier moyen de transition optique) sans affecter sa nature.
Dans des variantes (moins performantes) des figures 14, 15 et 16, l'un des premier et second moyens de transition optique est réalisé selon l'invention (c'est-à-dire avec une pluralité de fentes de couplage) et l'autre est réalisé de manière classique (c'est-à-dire avec une unique fente de couplage).

Claims

Antenne multicouche (30 ; 140 ; 150 ; 160) comprenant :
- une partie alimentation générant une onde ;

- une partie rayonnante ;

- une partie guidage, permettant de guider ladite onde depuis la partie alimentation jusqu'à la partie rayonnante, ladite partie guidage comprenant :
* au moins deux couches superposées de type guide à plans parallèles, et

* pour chaque couple de couches adjacentes, des moyens de transition entre lesdites couches adjacentes, comprenant un réflecteur (R1 ; R1', R2'; R1", R2"; R1'", R2'") coopérant avec un moyen de couplage par fente,

ladite antenne étant caractérisée en ce que, pour au moins un couple de couches adjacentes pour lequel la partie guidage comprend un réflecteur de forme non plane, le moyen de couplage par fente comprend une pluralité de fentes (10 ; 10a', 10b' ; 10a", 10b" ; 10a'", 10b'"), chaque fente comprenant un corps principal possédant une forme allongée selon au moins un axe, ladite pluralité de fentes étant disposées sur au moins un rang et formant ensemble un motif qui s'étend le long du réflecteur et possède une forme fonction de la forme du réflecteur.
Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque fente comprend un corps principal possédant une forme allongée selon au moins un axe sensiblement parallèle ou perpendiculaire au réflecteur.
Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que au moins certaines fentes (170 ; 171 ; 172) comprennent un corps principal possédant une forme allongée selon un seul axe.
Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que au moins certaines fentes (173 ; 174) comprennent un corps principal possédant une forme en croix, ledit corps principal comprenant une première branche possédant une forme allongée selon un premier axe et une deuxième branche possédant une forme allongée selon un second axe sensiblement perpendiculaire au premier axe.
Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la forme du motif que forment ensemble ladite pluralité de fentes possède une forme sensiblement identique à celle du réflecteur.
Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que chaque fente de ladite pluralité de fentes possède :
- une longueur (l_si) comprise entre 0,25*λ_d et 0,5*λ_d ; et

- une largeur (w_si) comprise entre 0,1*λ_d et 0,2*λ_d,
avec λ_d la longueur d'onde dans les couches superposées de type guide à plans parallèles, à la fréquence de fonctionnement de l'antenne.
Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que chaque fente de ladite pluralité de fentes est à une distance (Δ_si), par rapport au réflecteur, comprise entre 0,3*λ_d et 0,5*λ_d, avec λ_d la longueur d'onde dans les couches superposées de type guide à plans parallèles, à la fréquence de fonctionnement de l'antenne.
Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'écart (δ_si) entre deux fentes adjacentes de ladite pluralité de fentes est compris entre 0,02*λ_d et 0,1*λ_d, avec λ_d la longueur d'onde dans les couches superposées de type guide à plans parallèles, à la fréquence de fonctionnement de l'antenne.
Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que ladite partie alimentation comprend au moins deux sources (51 à 55 ; S1 à S9) entrelacées entre elles physiquement ou électriquement.
Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que ladite partie alimentation comprend au moins une source (S1) et un premier moyen de déplacement mécanique de ladite au moins une source, dans un plan parallèle aux couches superposées de type guide à plans parallèles.
Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que ladite partie alimentation comprend au moins deux sources (51 à 55 ; S1 à S9) et des moyens d'alimentation sélective desdites au moins deux sources.
Système d'antenne, caractérisé en ce qu'il comprend une antenne (30 ; 140 ; 150 ; 160) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, et un second moyen de déplacement mécanique de ladite antenne.
Système d'antenne (130), caractérisé en ce qu'il comprend :
- une antenne multicouche selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, comprenant :
* une première partie alimentation générant une première onde ;

* une partie rayonnante ;

* une partie guidage, permettant de guider ladite première onde depuis la première partie alimentation jusqu'à la partie rayonnante, ladite partie guidage comprenant au moins deux couches superposées de type guide à plans parallèles, et, pour chaque couple de couches adjacentes, des premiers moyens de transition entre lesdites couches adjacentes, comprenant un premier réflecteur (P.1) coopérant avec un premier moyen de couplage par fente ;

en ce qu'il comprend en outre une deuxième partie alimentation générant une deuxième onde,
en ce que ladite partie guidage permet également de guider ladite deuxième onde depuis la deuxième partie alimentation jusqu'à la partie rayonnante, ladite partie guidage comprenant en outre, pour chaque couple de couches adjacentes, des deuxièmes moyens de transition entre lesdites couches adjacentes, comprenant un deuxième réflecteur (P.2) coopérant avec un deuxième moyen de couplage par fente, lesdits deuxièmes moyens de transition étant décalés de 90° par rapport auxdits premiers moyens de transition,
en ce que, pour au moins un couple de couches adjacentes pour lequel la partie guidage comprend un réflecteur de forme non plane, le premier moyen de couplage par fente comprend une pluralité de premières fentes, chaque première fente possédant une forme allongée selon au moins un axe, ladite pluralité de premières fentes étant disposées sur au moins un rang et formant ensemble un motif qui s'étend le long du premier réflecteur et possède une forme fonction de la forme du premier réflecteur,
et en ce que, pour au moins un couple de couches adjacentes pour lequel la partie guidage comprend un réflecteur de forme non plane, le deuxième moyen de couplage par fente comprend une pluralité de deuxièmes fentes, chaque deuxième fente possédant une forme allongée selon au moins un axe, ladite pluralité de deuxièmes fentes étant disposées sur au moins un rang et formant ensemble un motif qui s'étend le long du deuxième réflecteur et possède une forme fonction de la forme du deuxième réflecteur.