WO2012095365A1 - Antenne a resonateur dielectrique - Google Patents

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WO2012095365A1
WO2012095365A1 PCT/EP2012/050172 EP2012050172W WO2012095365A1 WO 2012095365 A1 WO2012095365 A1 WO 2012095365A1 EP 2012050172 W EP2012050172 W EP 2012050172W WO 2012095365 A1 WO2012095365 A1 WO 2012095365A1
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dielectric
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PCT/EP2012/050172
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Stéphane THURIES
Pierre Larregle
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Axess Europe S.A.
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    • H01Q9/04—Resonant antennas
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    • H01Q9/0485—Dielectric resonator antennas
    • H01Q9/0492—Dielectric resonator antennas circularly polarised

Definitions

  • the present invention relates to a dielectric resonator antenna (dielectric resonator antenna), integrated heatsink (integrated heatsink).
  • the dielectric resonator antennas are well adapted to constitute the elementary antennas of a fully electronic phased array antenna. In particular, for such an application, they are superior to microstrip antennas.
  • the invention applies more particularly to a transceiver mounted on a mobile platform, for example an aircraft, a train or a ship, for communicating with a satellite, for example a geostationary satellite.
  • a known dielectric resonator antenna comprises a dielectric substrate, an electrically conductive layer constituting a ground plane on the substrate, a dielectric resonator on the conductive layer, and at least one excitation device.
  • the antenna is associated with one or more active electronic components that are connected to the excitation device.
  • the antenna and the active components may constitute an emitter and / or an electromagnetic wave receiver.
  • the excitation device is provided for exciting the dielectric resonator by a signal provided by the active components; and the dielectric resonator thus excited emits electromagnetic waves.
  • the excitation device is provided to provide the active components with an electrical signal which is representative of the electromagnetic waves received by the dielectric resonator; and the active components process this signal.
  • a known excitation device comprises a microstrip line which is placed under the dielectric resonator.
  • This microstrip line may be under the substrate.
  • an opening is provided through the ground plane, next to the microstrip line.
  • the heat generated by the electronic components must be removed.
  • a thick ground plane as a heat sink; indeed, the heat is all the better evacuated that the plane of mass is thicker.
  • the size of the opening (that is to say its diameter in the case of a circular opening) depends on the transmission and reception frequencies and, in some cases, can be larger than the size of the dielectric resonator.
  • a third problem arises: it may be useful to have a dielectric resonator antenna which is capable of generating various states of linear polarization; in this case, a dual polarization antenna is used, comprising two orthogonal ports (in English, ports); but it is then necessary to find an excitation technique of the dielectric resonator, which leads to good electrical insulation between the ports.
  • the present invention aims to solve the first problem mentioned above. For doing this, it uses a thick ground plane, able to constitute a heat sink; a waveguide is formed through this ground plane, under the dielectric resonator; and this waveguide is filled with a solid dielectric material.
  • the solid dielectric material is provided with a hollow at each of its ends. This solves the second problem mentioned above.
  • the two depressions respectively promote the coupling between the microstrip line and the waveguide and the coupling between the waveguide and the dielectric resonator.
  • the coupling between the microstrip line and the dielectric resonator is favored by the combination of the two hollows.
  • the third problem mentioned above is solved by using the aperture-probe feeding technique; in this case, the dielectric resonator is excited not only by the microstrip line, via the waveguide, but also by a conductive probe which is fed, preferably, by a coaxial line crossing the thick ground plane .
  • the present invention relates to a dielectric resonator antenna, comprising:
  • an electrically conductive element having opposite first and second faces, this element being on the substrate and constituting both a ground plane and a heat sink, the second face of the element facing the first face of the substrate,
  • a microstrip line on the second face of the substrate, for sending electromagnetic energy to the resonator and / or receiving resonator through the hole which constitutes a waveguide,
  • the hole is filled with a solid dielectric material.
  • this solid dielectric material is provided with a first recess located at the first face of the electrically conductive element, for coupling the electromagnetic energy between the waveguide and the dielectric resonator, and a second hollow located at the second face of the element, for the coupling electromagnetic energy between the waveguide and the microstrip line.
  • the second recess has an elongated shape orthogonal to the microstrip line.
  • the first recess preferably has an elongate shape parallel to the second recess.
  • the hole and the dielectric resonator have a common geometric axis that meets the first and second recesses.
  • the dielectric resonator is cylindrical.
  • the antenna further comprises an electrically conductive probe which is in contact with the dielectric resonator and electrically isolated from the electrically conductive element, and which cooperates with the microstrip line so that the antenna constitutes a dual polarization antenna.
  • the probe is preferably in contact with the periphery of the dielectric resonator.
  • the antenna further comprises a coaxial line which is electrically connected to the probe, this coaxial line passing through the electrically conductive element of the first face to the second face thereof.
  • the coaxial line extends parallel to the hole.
  • the present invention also relates to a phased array antenna, comprising a set of antennas with dielectric resonator according to the antenna object of the invention.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a particular embodiment of the dielectric resonator antenna, object of the invention
  • FIG. 2 is a diagrammatic sectional view of the antenna shown in FIG. 1;
  • FIG. 3 shows the distribution of the electric and magnetic fields for the mode En in the waveguide contained in the antenna of FIG. 1, and
  • FIG. 4 is a diagrammatic and partial top view of a particular embodiment of the phased array antenna, object of the invention.
  • Figures 1 and 2 are schematic views of a particular embodiment of the dielectric resonator antenna, object of the invention.
  • the dielectric resonator antenna which is shown in these figures, comprises a dielectric substrate 2, having two opposite faces, namely an upper face 4 and a lower face 6. Two perpendicular X and Y (geometric) axes are defined. one to the other on the upper face 4, and a third axis Z which passes through the point of intersection of the X and Y axes and which is perpendicular to these two axes.
  • Figure 2 is the sectional view of Figure 1 in the YZ plane.
  • the antenna of Figures 1 and 2 also comprises an electrically conductive element 8, for example metallic, which constitutes a ground plane and which is sufficiently thick to also constitute a heat sink.
  • an electrically conductive element 8 for example metallic, which constitutes a ground plane and which is sufficiently thick to also constitute a heat sink.
  • the antenna is brought to integrate with a transmitter and / or an electromagnetic wave receiver, comprising one or more active electronic components.
  • active electronic components are generally RFICs, ie radiofrequency integrated circuits, such as the RFIC 10 of FIG. 2, which is located under the lower face 6 of the substrate 2.
  • the RFICs generate heat which is partly dissipated by the heat sink constituted by the thick element 8.
  • FIG. 2 shows an RFIC directly attached to the underside of the substrate carrying the ground plane, for the sake of simplification. But RFICs are usually fixed to the face lower of another substrate whose upper face is fixed to the underside of the substrate carrying the ground plane.
  • the antenna of Figures 1 and 2 further comprises a dielectric resonator 12 on the upper face 8a of the element, or block, metal 8 (whose lower face 8b is on the upper face 4 of the substrate 2).
  • This resonator is advantageously made of a dielectric material, such as AIN for example, which is able to evacuate the heat generated by the active components.
  • the antenna of FIGS. 1 and 2 also comprises a hole 14 which passes through the metal element 8, from one face to the other of the latter, and which faces the resonator 12, as well as a line microstrip 16 on the lower face 6 of the substrate 4, for sending electromagnetic energy to the resonator and / or receiving it from the hole 14 which constitutes a waveguide 17.
  • the width of the microstrip line 16 is smaller as the relative dielectric permittivity s r of the substrate 4 is high.
  • the hole 14 is filled with a solid dielectric material 18 and this solid dielectric material is provided with two recesses 20 and 22 which are located respectively at the upper and lower faces of the thick metal element 8, as seen on the FIGS.
  • the hollow 20 promotes the coupling of the electromagnetic energy between the waveguide and the dielectric resonator 12, and the recess 22 promotes the coupling of the electromagnetic energy between the waveguide and the microstrip line 16.
  • the dielectric resonator 12 may be attached to the element 8 by means of a suitable layer of adhesive, deposited on the upper face of the element 8, around the hole 14.
  • the dielectric resonator 12 has the shape of a cylinder whose axis (geometric) is the Z axis; the hole 14 is cylindrical and its axis is also the Z axis but its radius is smaller than the radius of the resonator; the recesses 20 and 22 have an elongated substantially parallelepiped shape, are placed one above the other, are oriented along the Y axis, orthogonal to the X and Z axes; and the Z axis passes through the center of each hollow.
  • microstrip line 16 extends parallel to the axis X so that the recess 22 is orthogonal to this line.
  • a connection (not shown) is provided between one end (port) of the line 16 and the component 10, while the other end of the line 16 is free and extends a little beyond the recess 22, as one see it in Figure 1.
  • the antenna of Figures 1 and 2 further comprises an electrically conductive probe 24.
  • This probe is for example constituted by a metal rod of very small diameter. This rod is parallel to the Z axis and in contact with the periphery of the dielectric resonator 12 and is electrically isolated from the metal element 8.
  • the probe 24 cooperates with the microstrip line 16 so that the antenna constitutes a dual polarization antenna.
  • the antenna also comprises a coaxial line 26 which is electrically connected to the conductive probe 24.
  • This coaxial line passes through the substrate 2 and the metal element 8 and extends parallel to the hole 14 and thus to the Z axis, as one sees it.
  • This coaxial line is used to transmit electromagnetic signals to the probe and / or to recover therefrom.
  • the coaxial line 26 is formed in a cylindrical hole 28 whose axis is parallel to the Z axis (and which passes through the substrate 2 and the metal element 8).
  • the (conductive) core 30 of the coaxial line 26 extends into the hole 28 (parallel to the Z axis).
  • An electrically insulating material 32 fills the remainder of the hole 28, at least in the portion of the hole 28 which is located in the thick member 8, to electrically isolate the core 30 from this element.
  • one end of the core 30 is connected to the probe 24 (which is parallel to the Z axis).
  • the position of the hole 28, or more precisely the distance between its axis and the Z axis, is determined so that the probe 24 can effectively extend against the periphery of the resonator 12, parallel to the Z axis, as it is sees.
  • the other end of the core 30 (second port of the antenna) is connected to the active components (the connections are not shown). It should be noted that the characteristic impedance of the coaxial line depends on the ratio between the diameter of the hole 28 and the diameter of the core 30.
  • the waveguide In the example described, the waveguide
  • (circular) 17 is intended to operate in the TEii mode. This mode can easily couple the electromagnetic energy to the dielectric resonator 12. But the size of a hollow circular waveguide is greater than the size of the dielectric resonator for the electromagnetic waves considered in the present invention, namely the waves whose wavelengths are centimetric or shorter, especially the Ku and Ka bands.
  • the cutoff frequency is reduced (English, cutoff frequency) of the waveguide 17 by filling the latter from the dielectric material (solid) 18 which is preferably selected so as to have a relative dielectric permittivity s high r ; and because of the filling by the dielectric material, the diameter of the waveguide is reduced.
  • FIG. 3 is a sectional view of the distribution of the electric and magnetic fields in the circular waveguide, for the TEn mode.
  • the solid lines 34 correspond to the electric field and the dotted lines 36 to the magnetic field.
  • a half-wave variation is excited in a cross section of the cylindrical waveguide 17.
  • the operating mode of the dielectric resonator (HEMus) is adapted to the mode of the cylindrical waveguide.
  • the electromagnetic energy is coupled by the small recess 20 to the dielectric resonator 12 and excites the latter in the HEMug mode.
  • the probe 24 is in contact with the resonator and excites the latter in the HEMus mode, in a direction orthogonal to the direction of excitation resulting from the circular waveguide 17.
  • the dielectric resonator 12 is aluminum nitride (AIN) whose relative dielectric permittivity s r is 8; the substrate 4 is also made of AlN and has a thickness of 100 ⁇ ; the thickness of the heat sink (metal element 8) is 5 mm; and the dielectric material 32 of the coaxial line 26 is Teflon (Trade Mark); a ceramic material is used as the dielectric material inside the cylindrical hole.
  • the relative permittivity s r is equal to 20. This makes it possible to reduce the cutoff frequency of this waveguide to about 17 GHz.
  • the optimum diameter of the circular waveguide (hole diameter 14) is 2.4 mm.
  • Measurements carried out on the example antenna have led to values of the order of -10 dB for return losses, for frequencies ranging from 19.7 GHz to 20.2 GHz. . And the isolation between the ports is greater than 50 dB.
  • a local minimum (in English, clip) at 17.25 GHz was observed in the return loss curve and corresponds to the cavity resonance in the structure
  • measurements have shown that the radiation patterns of the antenna given as examples are broad.
  • a circularly polarized wave emission can be obtained with the exemplary antenna, by exciting the two ports of this antenna by means of signals having appropriate phase values.
  • the example of the antenna which has been given with reference to FIGS. 1 and 2, is suitable for transmitting and / or receiving radiofrequency waves of the Ka band, whose frequencies range from 18 , 3 GHz to
  • This antenna example has high beamwidth characteristics, moderate gain, high isolation, and low backward radiation.
  • the example given could of course be adapted to the transmission and / or reception of radio frequency waves of the Ku band, whose frequencies range from 10.7 GHz to 12.75 GHz for reception and from 14 GHz to 14.5 GHz for transmitting, or even transmitting and / or receiving waves belonging to other frequency bands.
  • FIG. 4 is a diagrammatic and partial top view of an embodiment particular of the phased array antenna, object of the invention.
  • the antenna shown in FIG. 4 comprises a set of elementary antennas 38 of the type that has been described with reference to FIGS. 1 and 2. These elementary antennas form a matrix network on a dielectric substrate 40 which, in the described example, is therefore common to all elementary antennas.
  • Each elementary antenna 38 may have its own heat sink (ground plane not shown) or, conversely, the heat sink may be common to all the elementary antennas.
  • the phased array antenna is provided with active components (not shown) which are connected to the microstrip lines (not shown) and to the coaxial lines (not shown) of the individual antennas by unrepresented connections), for transmission and / or the reception of electromagnetic waves.
  • the dielectric resonator antenna object of the invention comprises, according to a preferred embodiment, both a microstrip line-waveguide assembly and a coaxial probe-line assembly, this antenna could only comprise the microstrip line-waveguide assembly.
  • a dielectric resonator of cylindrical shape was used, but these examples could be adapted to a resonator of different shape, for example parallelepipedal or hemispherical or other.

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Abstract

Antenne à résonateur diélectrique, à dissipateur thermique intégré, et application aux antennes en réseau phasé. L'antenne comprend un substrat diélectrique (2), un élément conducteur (8), constituant à la fois un plan de masse et un dissipateur thermique sur le substrat, un résonateur diélectrique (12) sur l'élément, un trou (14) rempli d'un diélectrique solide (18), ce trou traversant l'élément et se trouvant en regard du résonateur, et une ligne à microruban (16) pour envoyer de l'énergie électromagnétique au résonateur et/ou en recevoir de lui par l'intermédiaire du trou.

Description

ANTENNE A RESONATEUR DIELECTRIQUE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne une antenne à résonateur diélectrique (en anglais, dielectric resonator antenna) , à dissipateur thermique intégré (en anglais, integrated heatsink) .
Elle s'applique notamment aux antennes en réseau phasé (en anglais, phased array antennas) .
En effet, les antennes à résonateur diélectrique sont bien adaptées pour constituer les antennes élémentaires d'une antenne à réseau phasé entièrement électronique. En particulier, pour une telle application, elles sont supérieures aux antennes à microruban (en anglais, microstrip antennas) .
L'invention s'applique plus particulièrement à un émetteur-récepteur monté sur une plateforme mobile, par exemple un aéronef, un train ou un navire, pour communiquer avec un satellite, par exemple un satellite géostationnaire .
É TAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Une antenne à résonateur diélectrique connue comprend un substrat diélectrique, une couche électriquement conductrice constituant un plan de masse (en anglais, ground plane) sur le substrat, un résonateur diélectrique sur la couche conductrice, et au moins un dispositif d'excitation. De plus, l'antenne est associée à un ou plusieurs composants électroniques actifs qui sont reliés au dispositif d'excitation.
L'antenne et les composants actifs peuvent constituer un émetteur et/ou un récepteur d'ondes électromagnétiques .
Dans le cas de l'émetteur, le dispositif d' excitation est prévu pour exciter le résonateur diélectrique par un signal fourni par les composants actifs ; et le résonateur diélectrique ainsi excité émet des ondes électromagnétiques.
Dans le cas du récepteur, le dispositif d' excitation est prévu pour fournir aux composants actifs un signal électrique qui est représentatif des ondes électromagnétiques reçues par le résonateur diélectrique ; et les composants actifs traitent ce signal .
Un dispositif d'excitation connu comprend une ligne à microruban (en anglais, microstrip line) qui est placée sous le résonateur diélectrique. Cette ligne à microruban peut être sous le substrat. Dans ce cas, une ouverture est prévue à travers le plan de masse, en regard de la ligne à microruban.
Lors du fonctionnement de l'émetteur et/ou du récepteur, la chaleur engendrée par les composants électroniques doit être évacuée. On peut alors envisager d'utiliser un plan de masse épais en tant que dissipateur thermique ; en effet, la chaleur est d'autant mieux évacuée que le plan de masse est plus épais. Mais alors, un premier problème se pose : la taille de l'ouverture (c'est-à-dire son diamètre dans le cas d'une ouverture circulaire) dépend des fréquences d'émission et de réception et, dans certains cas, peut être supérieure à la taille du résonateur diélectrique .
De plus, un deuxième problème se pose : le couplage entre la ligne à microruban et le résonateur diélectrique est une fonction décroissante de l'épaisseur du plan de masse. A ce sujet, on se reportera au document suivant :
K.W. Leung et al., Aperture-coupled dielectric resonator antenna with a thick ground plane, IEEE Trans . on antennas and propagation, vol. 46, n°8, 1998, pages 1242 et 1243.
Indépendamment des problèmes mentionnés plus haut, un troisième problème se pose : il peut être utile de disposer d'une antenne à résonateur diélectrique qui soit capable d' engendrer divers états de polarisation linéaire ; dans ce cas, on utilise une antenne à double polarisation, comportant deux ports (en anglais, ports) orthogonaux ; mais il faut alors trouver une technique d'excitation du résonateur diélectrique, qui conduise à une bonne isolation électrique entre les ports.
EXPOSÉ DE L' INVENTION La présente invention a pour but de résoudre le premier problème mentionné plus haut. Pour ce faire, elle utilise un plan de masse épais, apte à constituer un dissipateur thermique ; un guide d'onde est formé à travers ce plan de masse, sous le résonateur diélectrique ; et ce guide d'onde est rempli d'un matériau diélectrique solide.
Le choix du matériau diélectrique solide permet de maîtriser la taille du trou et de faire en sorte que cette dernière soit inférieure à la taille du résonateur diélectrique, pour des fréquences d'émission et/ou de réception choisies.
De préférence, le matériau diélectrique solide est pourvu d'un creux en chacune de ses extrémités. On résout ainsi le deuxième problème mentionné plus haut.
En effet, les deux creux favorisent respectivement le couplage entre la ligne à microruban et le guide d'onde et le couplage entre le guide d'onde et le résonateur diélectrique. Ainsi, le couplage entre la ligne à microruban et le résonateur diélectrique est-il favorisé par l'ensemble des deux creux.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le troisième problème mentionné plus haut est résolu en utilisant la technique d'alimentation ouverture-sonde (en anglais, aperture-probe feeding technique) ; dans ce cas, le résonateur diélectrique est excité non seulement par la ligne à microruban, par l'intermédiaire du guide d'onde, mais encore par une sonde conductrice qui est alimentée, de préférence, par une ligne coaxiale traversant le plan de masse épais. De façon précise, la présente invention a pour objet une antenne à résonateur diélectrique, comprenant :
un substrat diélectrique, ayant des première et deuxième faces opposées,
un élément électriquement conducteur, ayant des première et deuxième faces opposées, cet élément étant sur le substrat et constituant à la fois un plan de masse et un dissipateur thermique, la deuxième face de l'élément étant en regard de la première face du substrat,
un résonateur diélectrique sur la première face de l'élément,
un trou qui traverse l'élément de la première face à la deuxième face de celui-ci et qui se trouve en regard du résonateur, et
- une ligne à microruban sur la deuxième face du substrat, pour envoyer de l'énergie électromagnétique au résonateur et/ou en recevoir du résonateur par l'intermédiaire du trou qui constitue un guide d'onde,
caractérisée en ce que le trou est rempli d'un matériau diélectrique solide.
De préférence, ce matériau diélectrique solide est pourvu d'un premier creux situé au niveau de la première face de l'élément électriquement conducteur, pour le couplage de l'énergie électromagnétique entre le guide d'onde et le résonateur diélectrique, et d'un deuxième creux situé au niveau de la deuxième face de l'élément, pour le couplage de l'énergie électromagnétique entre le guide d'onde et la ligne à microruban.
Selon un mode de réalisation préféré de l'antenne, objet de l'invention, le deuxième creux a une forme allongée orthogonalement à la ligne à microruban .
Dans ce cas, le premier creux a de préférence une forme allongée parallèlement au deuxième creux .
De préférence, le trou et le résonateur diélectrique ont un axe géométrique commun qui rencontre les premier et deuxième creux.
De préférence également, le résonateur diélectrique est cylindrique.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, l'antenne comprend en outre une sonde électriquement conductrice qui est en contact avec le résonateur diélectrique et électriquement isolée de l'élément électriquement conducteur, et qui coopère avec la ligne à microruban pour que l'antenne constitue une antenne à double polarisation.
La sonde est de préférence en contact avec la périphérie du résonateur diélectrique.
De préférence, l'antenne comprend en outre une ligne coaxiale qui est électriquement reliée à la sonde, cette ligne coaxiale traversant l'élément électriquement conducteur de la première face à la deuxième face de celui-ci.
De préférence également, la ligne coaxiale s'étend parallèlement au trou. La présente invention concerne aussi une antenne en réseau phasé, comprenant un ensemble d' antennes à résonateur diélectrique conformes à l'antenne, objet de l'invention.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue en perspective schématique d'un mode de réalisation particulier de l'antenne à résonateur diélectrique, objet de 1 ' invention,
la figure 2 est une vue en coupe schématique de l'antenne représentée sur la figure 1, la figure 3 montre la répartition des champs électrique et magnétique pour le mode En dans le guide d'onde que comporte l'antenne de la figure 1, et
la figure 4 est une vue de dessus schématique et partielle d'un mode de réalisation particulier de l'antenne en réseau phasé, objet de 1 ' invention .
EXPOSÉ DÉ TAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Les figures 1 et 2 sont des vues schématiques d'un mode de réalisation particulier de l'antenne à résonateur diélectrique, objet de 1 ' invention .
L'antenne à résonateur diélectrique, qui est représentée sur ces figures, comprend un substrat diélectrique 2, ayant deux faces opposées, à savoir une face supérieure 4 et une face inférieure 6. On définit deux axes (géométriques) X et Y perpendiculaires l'un à l'autre sur la face supérieure 4, et un troisième axe Z qui passe par le point d' intersection des axes X et Y et qui est perpendiculaire à ces deux axes. La figure 2 est la vue en coupe de la figure 1 dans le plan YZ .
L'antenne des figures 1 et 2 comprend aussi un élément électriquement conducteur 8, par exemple métallique, qui constitue un plan de masse et qui est suffisamment épais pour constituer aussi un dissipateur thermique .
En effet, pour utiliser l'antenne, on est amené à l'intégrer à un émetteur et/ou un récepteur d'ondes électromagnétiques, comprenant un ou plusieurs composants électroniques actifs. Ces composants sont généralement des RFIC, c'est-à-dire des circuits intégrés radiofréquence (en anglais, radiofrequency integrated circuits) , tels que le RFIC 10 de la figure 2, qui se trouve sous la face inférieure 6 du substrat 2. En fonctionnement, les RFIC engendrent de la chaleur qui est évacuée en partie par le dissipateur thermique constitué par l'élément épais 8.
Sur la figure 2, on a représenté un RFIC directement fixé à la face inférieure du substrat portant le plan de masse, par souci de simplification. Mais les RFIC sont généralement fixés à la face inférieure d'un autre substrat dont la face supérieure est fixée à la face inférieure du substrat portant le plan de masse.
L'antenne des figures 1 et 2 comprend en outre un résonateur diélectrique 12 sur la face supérieure 8a de l'élément, ou bloc, métallique 8 (dont la face inférieure 8b se trouve sur la face supérieure 4 du substrat 2) . Ce résonateur est avantageusement fait d'un matériau diélectrique, tel que AIN par exemple, qui est apte à évacuer la chaleur engendrée par les composants actifs.
L'antenne des figures 1 et 2 comprend aussi un trou 14 qui traverse l'élément métallique 8, d'une face à l'autre de celui-ci, et qui se trouve en regard du résonateur 12, ainsi qu'une ligne à microruban 16 sur la face inférieure 6 du substrat 4, pour envoyer de l'énergie électromagnétique au résonateur et/ou en recevoir de celui-ci par l'intermédiaire du trou 14 qui constitue un guide d'onde 17.
II convient de noter que la largeur de la ligne à microruban 16 est d'autant plus petite que la permittivité diélectrique relative sr du substrat 4 est élevée .
Le trou 14 est rempli d'un matériau diélectrique solide 18 et ce matériau diélectrique solide est pourvu de deux creux 20 et 22 qui sont respectivement situés au niveau des faces supérieure et inférieure de l'élément métallique épais 8, comme on le voit sur les figures.
Le creux 20 favorise le couplage de l'énergie électromagnétique entre le guide d'onde et le résonateur diélectrique 12, et le creux 22 favorise le couplage de l'énergie électromagnétique entre le guide d'onde et la ligne à microruban 16.
On précise que le résonateur diélectrique 12 peut être fixé à l'élément 8 à l'aide d'une couche de colle appropriée, déposée sur la face supérieure de l'élément 8, autour du trou 14.
Comme on le voit sur les figures 1 et 2, le résonateur diélectrique 12 a la forme d'un cylindre dont l'axe (géométrique) est l'axe Z ; le trou 14 est cylindrique et son axe est aussi l'axe Z mais son rayon est inférieur au rayon du résonateur ; les creux 20 et 22 ont une forme allongée, sensiblement parallélépipédique, sont placés l'un au-dessus de l'autre, sont orientés suivant l'axe Y, orthogonalement aux axes X et Z ; et l'axe Z passe par le centre de chaque creux.
On voit aussi que la ligne à microruban 16 s'étend parallèlement l'axe X de sorte que le creux 22 est orthogonal à cette ligne. Une connexion (non représentée) est prévue entre une extrémité (port) de la ligne 16 et le composant 10, tandis que l'autre extrémité de la ligne 16 est libre et s'étend un peu au-delà du creux 22, comme on le voit sur la figure 1.
L'antenne des figures 1 et 2 comprend en outre une sonde électriquement conductrice 24. Cette sonde est par exemple constituée par une tige métallique de très faible diamètre. Cette tige est parallèle à l'axe Z et en contact avec la périphérie du résonateur diélectrique 12 et elle est électriquement isolée de l'élément métallique 8. La sonde 24 coopère avec la ligne à microruban 16 pour que l'antenne constitue une antenne à double polarisation.
L'antenne comprend aussi une ligne coaxiale 26 qui est électriquement reliée à la sonde conductrice 24. Cette ligne coaxiale traverse le substrat 2 et l'élément métallique 8 et s'étend parallèlement au trou 14 et donc à l'axe Z, comme on le voit. Cette ligne coaxiale sert à transmettre des signaux électromagnétiques à la sonde et/ou à en récupérer de celle-ci.
La ligne coaxiale 26 est formée dans un trou cylindrique 28 dont l'axe est parallèle à l'axe Z (et qui traverse le substrat 2 et l'élément métallique 8) . L'âme (conductrice) 30 de la ligne coaxiale 26 s'étend dans le trou 28 (parallèlement à l'axe Z) . Un matériau électriquement isolant 32 remplit le reste du trou 28, au moins dans la partie du trou 28 qui est située dans l'élément épais 8, afin d'isoler électriquement l'âme 30 de cet élément.
De plus, une extrémité de l'âme 30 est connectée à la sonde 24 (qui est parallèle à l'axe Z) . La position du trou 28, ou plus précisément la distance entre son axe et l'axe Z, est déterminée de façon que la sonde 24 puisse effectivement s'étendre contre la périphérie du résonateur 12, parallèlement à l'axe Z, comme on le voit.
Au-dessous du substrat, l'autre extrémité de l'âme 30 (deuxième port de l'antenne) est connectée aux composants actifs (les connexions ne sont pas représentées) . Il convient de noter que l'impédance caractéristique de la ligne coaxiale dépend du rapport entre le diamètre du trou 28 et le diamètre de l'âme 30.
Dans l'exemple décrit, le guide d'onde
(circulaire) 17 est destiné à fonctionner dans le mode TEii. Ce mode peut facilement coupler l'énergie électromagnétique au résonateur diélectrique 12. Mais la taille d'un guide d'onde circulaire creux est supérieure à la taille du résonateur diélectrique pour les ondes électromagnétiques considérées dans la présente invention, à savoir les ondes dont les longueurs d'ondes sont centimétriques ou plus courtes, en particulier les bandes Ku et Ka .
C'est pourquoi on réduit la fréquence de coupure (en anglais, cutoff frequency) du guide d'onde 17 en remplissant ce dernier du matériau diélectrique (solide) 18 qui est de préférence choisi de façon à avoir une permittivité diélectrique relative sr élevée ; et du fait du remplissage par le matériau diélectrique, le diamètre du guide d'onde est réduit.
La figure 3 est une vue en coupe de la répartition des champs électrique et magnétique dans le guide d'onde circulaire, pour le mode TEn. Les traits pleins 34 correspondent au champ électrique et les pointillés 36 au champ magnétique.
Une variation d'une demi-onde est excitée dans une coupe transversale du guide d'onde cylindrique 17. Il convient de noter que le mode de fonctionnement du résonateur diélectrique (HEMus) est adapté au mode du guide d'onde cylindrique. L'énergie électromagnétique est couplée par le petit creux 20 vers le résonateur diélectrique 12 et excite ce dernier dans le mode HEMug. De plus, la sonde 24 est en contact avec le résonateur et excite ce dernier dans le mode HEMus, dans une direction orthogonale à la direction d' excitation résultant du guide d'onde circulaire 17.
A titre purement indicatif et nullement limitatif, le résonateur diélectrique 12 est en nitrure d'aluminium (AIN) dont la permittivité diélectrique relative sr vaut 8 ; le substrat 4 est également en AIN et a une épaisseur de 100 μπι ; l'épaisseur du dissipateur thermique (élément métallique 8) vaut 5 mm ; et le matériau diélectrique 32 de la ligne coaxiale 26 est le Téflon (marque déposée) ; on utilise un matériau céramique en tant que matériau diélectrique à l'intérieur du trou cylindrique. Pour ce matériau, la permittivité relative sr est égale à 20. Cela permet de diminuer la fréquence de coupure de ce guide d'onde à environ 17 GHz.
Toutefois, dans l'exemple décrit, le diamètre optimal du guide d'onde circulaire (diamètre du trou 14) vaut 2,4 mm.
Des mesures effectuées sur l'antenne donnée en exemple ont conduit à des valeurs de l'ordre de -10 dB pour les pertes en retour (en anglais, return losses) , pour des fréquences allant de 19,7 GHz à 20,2 GHz. Et l'isolation entre les ports est supérieure à 50 dB . Un minimum local (en anglais, clip) à 17,25 GHz a été observé dans la courbe des pertes de retour et correspond à la résonance de cavité dans la structure du guide d'onde circulaire 17. De plus, les mesures ont montré que les motifs de rayonnement de l'antenne donnée en exemple étaient larges.
De plus, on a obtenu un rayonnement de lobe arrière (en anglais, back lobe radiation) très faible comparativement aux conceptions classiques ouverture- sonde .
Il convient de noter qu'une émission d'ondes à polarisation circulaire peut être obtenue avec l'antenne donnée en exemple, en excitant les deux ports de cette antenne au moyen de signaux ayant des valeurs de phases appropriées.
L'exemple de l'antenne, que l'on a donné en faisant référence aux figures 1 et 2, est adapté à l'émission et/ou à la réception d'ondes radiofréquence de la bande Ka, dont les fréquences vont de 18,3 GHz à
18,8 GHz et de 19,7 GHz à 20,2 GHz.
Cet exemple d' antenne présente des caractéristiques de grande largeur de faisceau, un gain modéré, une isolation élevée et un faible rayonnement vers l'arrière.
L'exemple donné pourrait bien entendu être adapté à l'émission et/ou à la réception d'ondes radiofréquence de la bande Ku, dont les fréquences vont de 10,7 GHz à 12,75 GHz pour la réception et de 14 GHz à 14,5 GHz pour l'émission, ou même à l'émission et/ou à la réception d'ondes appartenant à d'autres bandes de fréquences .
La figure 4 est une vue de dessus schématique et partielle d'un mode de réalisation particulier de l'antenne en réseau phasé, objet de 1 ' invention .
L'antenne représentée sur la figure 4 comprend un ensemble d'antennes élémentaires 38 du genre de celle qui a été décrite en faisant référence aux figures 1 et 2. Ces antennes élémentaires forment un réseau matriciel sur un substrat diélectrique 40 qui, dans l'exemple décrit, est donc commun à toutes les antennes élémentaires.
Chaque antenne élémentaire 38 peut avoir son propre dissipateur thermique (plan de masse non représenté) ou, au contraire, le dissipateur thermique peut être commun à toutes les antennes élémentaires.
L'antenne en réseau phasé est pourvue de composants actifs (non représentés) qui sont reliés aux lignes à microruban (non représentées) et aux lignes coaxiales (non représentées) des antennes indivuelles par des connexions non représentées), en vue de l'émission et/ou de la réception d'ondes électromagnétiques.
Bien que l'antenne à résonateur diélectrique, objet de l'invention, comprenne, selon un mode de réalisation préféré, à la fois un ensemble ligne à microruban-guide d'onde et un ensemble sonde- ligne coaxiale, cette antenne pourrait seulement comporter l'ensemble ligne à microruban-guide d'onde.
De plus, dans les exemples, on a utilisé un résonateur diélectrique de forme cylindrique, mais ces exemples pourraient être adaptés à un résonateur de forme différente, par exemple parallélépipédique ou hémisphérique ou autre.

Claims

REVENDICATIONS
1. Antenne à résonateur diélectrique, comprenant :
- un substrat diélectrique (2), ayant des première et deuxième faces opposées (4, 6),
- un élément électriquement conducteur (8), ayant des première et deuxième faces opposées (8a, 8b), cet élément étant sur le substrat (2) et constituant à la fois un plan de masse et un dissipateur thermique, la deuxième face (8b) de l'élément étant en regard de la première face (4) du substrat,
- un résonateur diélectrique (12) sur la première face (8a) de l'élément,
- un trou qui traverse l'élément de la première face à la deuxième face de celui-ci et qui se trouve en regard du résonateur, et
une ligne à microruban (16) sur la deuxième face (6) du substrat, pour envoyer de l'énergie électromagnétique au résonateur et/ou en recevoir du résonateur par l'intermédiaire du trou qui constitue un guide d'onde (17),
caractérisée en ce que le trou (14) est rempli d'un matériau diélectrique solide (18) .
2. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle le matériau diélectrique solide (18) est pourvu d'un premier creux (20) situé au niveau de la première face de l'élément électriquement conducteur (8), pour le couplage de l'énergie électromagnétique entre le guide d'onde (17) et le résonateur diélectrique (12), et d'un deuxième creux (22) situé au niveau de la deuxième face de l'élément, pour le couplage de l'énergie électromagnétique entre le guide d'onde et la ligne à microruban.
3. Antenne selon la revendication 2, dans laquelle le deuxième creux (22) a une forme allongée orthogonalement à la ligne à microruban (16) .
4. Antenne selon la revendication 3, dans laquelle le premier creux (20) a une forme allongée parallèlement au deuxième creux (22) .
5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans laquelle le trou (14) et le résonateur diélectrique (12) ont un axe géométrique commun (Z) qui rencontre les premier et deuxième creux (20, 22) .
6. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle le résonateur diélectrique (12) est cylindrique.
7. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant en outre une sonde électriquement conductrice (24) qui est en contact avec le résonateur diélectrique (12) et électriquement isolée de l'élément électriquement conducteur (8), et qui coopère avec la ligne à microruban (16) pour que l'antenne constitue une antenne à double polarisation.
8. Antenne selon la revendication 7, dans laquelle la sonde (24) est en contact avec la périphérie du résonateur diélectrique (12) .
9. Antenne selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, comprenant en outre une ligne coaxiale (26) qui est électriquement reliée à la sonde (24), cette ligne coaxiale traversant l'élément électriquement conducteur (8) de la première face (8a) à la deuxième face (8b) de celui-ci.
10. Antenne selon la revendication 9, dans laquelle la ligne coaxiale (26) s'étend parallèlement au trou ( 14 ) .
11. Antenne en réseau phasé, comprenant un ensemble d'antennes à résonateur diélectrique (38) conformes à l'antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104993239A (zh) * 2015-07-16 2015-10-21 清华大学 一种高隔离度低交叉极化的三极化介质谐振天线
CN107567129A (zh) * 2016-06-30 2018-01-09 恩智浦美国有限公司 具有介电谐振器天线阵列的固态微波加热设备及其操作和制造方法
CN110021816A (zh) * 2019-03-18 2019-07-16 北京微度芯创科技有限责任公司 宽频带双圆极化微带转波导馈源天线***
CN111710979A (zh) * 2020-06-23 2020-09-25 南京信息工程大学 Ka波段低剖面宽带高增益环形圆柱介质谐振器天线
CN111864366A (zh) * 2020-07-24 2020-10-30 上海炫雅科技有限公司 一种改进双极化微带天线交叉极化性能的天线结构

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6147647A (en) * 1998-09-09 2000-11-14 Qualcomm Incorporated Circularly polarized dielectric resonator antenna

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6147647A (en) * 1998-09-09 2000-11-14 Qualcomm Incorporated Circularly polarized dielectric resonator antenna

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
K.W. LEUNG ET AL.: "Aperture-coupled dielectric resonator antenna with a thick ground plane", IEEE TRANS. ON ANTENNAS AND PROPAGATION, vol. 46, no. 8, 1998, pages 1242,1243
LEUNG K W ET AL: "Aperture-Coupled Dielectric Resonator Antenna with a Thick Ground Plane", IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, US, vol. 46, no. 8, 1 August 1998 (1998-08-01), XP011003301, ISSN: 0018-926X *
LO H Y ET AL: "Square arrays of cylindrical dielectric resonator antennas", ANTENNAS AND PROPAGATION SOCIETY, 1999. IEEE INTERNATIONAL SYMPOSIUM 1 999 ORLANDO, FL, USA 11-16 JULY 1999, PISCATAWAY, NJ, USA,IEEE, US, vol. 4, 11 July 1999 (1999-07-11), pages 2816 - 2819, XP010347765, ISBN: 978-0-7803-5639-9, DOI: DOI:10.1109/APS.1999.789392 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104993239A (zh) * 2015-07-16 2015-10-21 清华大学 一种高隔离度低交叉极化的三极化介质谐振天线
CN107567129A (zh) * 2016-06-30 2018-01-09 恩智浦美国有限公司 具有介电谐振器天线阵列的固态微波加热设备及其操作和制造方法
CN107567129B (zh) * 2016-06-30 2021-09-03 恩智浦美国有限公司 具有介电谐振器天线阵列的固态微波加热设备及其操作和制造方法
CN110021816A (zh) * 2019-03-18 2019-07-16 北京微度芯创科技有限责任公司 宽频带双圆极化微带转波导馈源天线***
CN111710979A (zh) * 2020-06-23 2020-09-25 南京信息工程大学 Ka波段低剖面宽带高增益环形圆柱介质谐振器天线
CN111864366A (zh) * 2020-07-24 2020-10-30 上海炫雅科技有限公司 一种改进双极化微带天线交叉极化性能的天线结构
CN111864366B (zh) * 2020-07-24 2022-11-04 上海炫雅科技有限公司 一种改进双极化微带天线交叉极化性能的天线结构

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