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EP4572015A1 - Improved array antenna of the type comprising a plurality of planar radiating elements fed in series - Google Patents

Improved array antenna of the type comprising a plurality of planar radiating elements fed in series Download PDF

Info

Publication number
EP4572015A1
EP4572015A1 EP24219003.1A EP24219003A EP4572015A1 EP 4572015 A1 EP4572015 A1 EP 4572015A1 EP 24219003 A EP24219003 A EP 24219003A EP 4572015 A1 EP4572015 A1 EP 4572015A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
planar radiating
horizontal
array antenna
radiating element
radiating elements
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24219003.1A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Anthony Ghiotto
Stefan VARAULT
Yoan VEYRAC
Valentin LOURENCO MARTINS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Thales SA
Universite de Bordeaux
Institut Polytechnique de Bordeaux
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Thales SA
Universite de Bordeaux
Institut Polytechnique de Bordeaux
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Thales SA, Universite de Bordeaux, Institut Polytechnique de Bordeaux filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP4572015A1 publication Critical patent/EP4572015A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0075—Stripline fed arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/065—Patch antenna array
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/08—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart the units being spaced along or adjacent to a rectilinear path
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/24—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction

Definitions

  • the present invention relates to network antennas of the type comprising a plurality of planar radiating elements (or “patch” antennas) fed in series - SFPA (“Series-Fed Patch Antenna”).
  • FIG. 1 represents an antenna according to the state of the art.
  • the antenna 101 results from the vertical series connection of a plurality of planar radiating elements 102 i , of length L i and width W i , making it possible to generate a vertically polarized wave, that is to say parallel to the axis V along which the different planar radiating elements of the antenna are arranged.
  • This antenna geometry is directly based on the TM10 resonance mode of each planar radiating element.
  • the electric field between the ground plane and the metal plane constituting respectively the lower face and the upper face of the planar radiating element is antisymmetrical with respect to the horizontal axis H, which is the axis orthogonal to the vertical axis V.
  • this electric field is homogeneous, that is to say it is either positive or negative, and substantially constant.
  • the electric potential varies and changes sign at the horizontal axis H.
  • Such a potential structure makes it possible to generate a wave whose electric field E is oriented along the vertical axis V, i.e. a vertically polarized wave.
  • a micro-strip feed line 105 i which electrically connects the center of the horizontal edge, for example upper, of a radiating element 102 i and the center of the lower horizontal edge of the neighboring radiating element 102 i+1 .
  • this single line has a length equal to ⁇ g / 2 (with ⁇ g the wavelength guided in the line) in order to invert the electric field between the two ends of the line, that is to say the field on the upper horizontal edge, with respect to the field on the lower horizontal edge, and thus make the two radiating elements thus connected resonate in phase.
  • the feed is carried out by a single excitation point P V located on the V axis, but away from the H axis.
  • the length Li of each element is approximately the same from one element to another, and is close to ⁇ g / 2 (the electric field of the lower and upper edges of the same element being in phase opposition). Strictly speaking, since each element does not have the same neighborhood, different couplings are established, which shifts the resonant frequency. This shift can be overcome by adjusting the length Li of each element.
  • the aim of the present invention is therefore to propose a horizontally polarized SFPA antenna.
  • the invention relates to an array antenna of the type comprising a plurality of planar radiating elements fed in series, the planar radiating elements being arranged along a so-called vertical axis, a so-called horizontal axis, orthogonal to the vertical axis, intersects the latter at a central point, characterized in that, for operation in horizontal polarization, two successive planar radiating elements along the vertical axis are electrically connected to each other by a pair of differential lines, each line of the pair of differential lines having a length equal to an integer multiple of the wavelength guided in said line, one end of a line of the pair of differential lines being connected to a horizontal edge of a planar radiating element and the other end of said line being connected to the horizontal edge opposite the other planar radiating element, the guided wavelength corresponding to the resonance frequency of the array antenna, a single planar radiating element of the plurality of planar radiating elements being provided with at least one horizontal excitation point, for operation in horizontal polarization, the horizontal excitation point being off the
  • FIG. 2 represents an embodiment of an antenna according to the invention.
  • Antenna 1 results from the series connection along a vertical axis V of a plurality of N planar radiating elements 2 i (or elementary patch antennas) for operation in horizontal polarization.
  • N is an integer greater than or equal to two.
  • An element is indexed by an integer i between 1 and N.
  • the antenna 1 comprises, for example, five elements: a second lower element 2 1 , a first lower element 2 2 , a central element 2 3 , a first upper element 2 4 and a second upper element 2s.
  • the different planar radiating elements 2 i are arranged along the vertical axis V.
  • the axis orthogonal to the vertical axis V is the horizontal axis H. It crosses the vertical axis V at the origin point O.
  • Antenna 1 is symmetrical about the vertical axis V.
  • Antenna 1 is symmetrical about the horizontal axis H.
  • Center O is therefore a center of symmetry of antenna 1.
  • the center of the central element 2 3 coincides with the origin point O.
  • Each element 2 i has a width W i along the H axis and a length L i along the V axis.
  • the elements have a substantially identical width.
  • the length L i decreases as one moves away from the center O of the antenna 1.
  • Two successive planar radiating elements 2 i and 2 i+1 along the V axis are electrically connected to each other by a pair of differential feed lines, for example microstrip lines, 3 i and 4 i .
  • the upper horizontal edge of element 2 i and the lower horizontal edge of the neighboring element 2 i+1 , located immediately above element 2 i are connected, on the one hand, by a line 3 i to the left of the vertical axis V and, on the other hand, by a line 4 i , to the right of the vertical axis V.
  • the array antenna is excited by a suitable electrical signal, which is applied to the metal plane of one of the elements, preferably the central element 2 3 , at an excitation point P H .
  • the point P H is located on the horizontal axis H, but off the vertical axis V, preferably close to an edge, for example the left vertical edge, of the central element 2 3 in order to ensure good linear polarization.
  • the electric field in the planar radiating element 2 3 is schematically represented in the Figure 2 by "+" and "-". This electric field is for example negative on the left and positive on the right of the V axis over a half period of the excitation signal and vice versa over the following half period.
  • the electric field is distributed symmetrically with respect to the H axis, but antisymmetrically with respect to the V axis.
  • the excitation of the radiating element according to the TM01 mode makes it possible to generate a horizontally polarized wave, that is to say one whose electric field E is oriented along the horizontal axis H.
  • the two lines 3 i and 4 i have a length equal to the guided wavelength ⁇ g (or to an integer multiple of the guided wavelength ⁇ g ) in such a way to introduce a 360° phase shift between the electric field at one end of the lines and the electric field at the other end of the lines, 3 i and 4 i .
  • the wavelength ⁇ g is determined at the resonance frequency F 0 of the array antenna 1.
  • the radiating elements are excited in phase according to the TM01 mode.
  • the adaptation of the performance of the antenna 1 is carried out in the same way as for the antenna 101 according to the state of the art.
  • Adjusting the widths W i allows the resonance frequency to be fixed and adjusting the length L i allows the antenna aperture to be made more or less wide by fixing the gain of each radiating element and thus creating a weighting to minimize the secondary lobes.
  • Antenna 1 has a parameter S having the form shown in the Figure 3 .
  • the antenna 1 can be more or less narrow band around the resonance frequency Fo, depending on the thickness and permittivity of the substrate, the values of the lengths Li chosen as well as the location of the feed point P H.
  • the radiation patterns, Cv for antenna 101 and C H for antenna 1 are very close, both in elevation (plane containing the V axis and the normal to the plane of the radiating elements) ( Figure 4A ) and in azimuth (plane containing the H axis and the normal to the plane of the radiating elements) ( Figure 4B ). This result is the one sought and is perfectly consistent since the topologies are ultimately very close.
  • a very important piece of data when doing polarimetry is the cross-polarization, that is, the energy radiated in the polarization orthogonal to the desired one.
  • the topology of antenna 1 makes it possible to achieve cross-polarization values of the order of -25 dB, without special adjustments.
  • the interconnection lines between planar radiating elements may form one or more meanders.
  • the spacing between the elements may be reduced, while maintaining the constraint on the length of the lines.
  • this makes it possible to give the array antenna according to the invention a physical footprint identical to that of the antenna of the Figure 1 .
  • microstrip lines can be replaced by coplanar lines or even by striplines.
  • the power supply is carried out by a single excitation point P H .
  • the power supply can be achieved by two vias, arranged along the H axis, symmetrically with respect to the center O of the element to be excited, and powered in phase opposition (differential assembly).
  • the power supply can also be achieved by coupling through one or more slots made in a ground plane of the radiating element, directly above the excitation point on the metal plane forming the upper surface of the radiating element.
  • the antenna forms a 1xN matrix.
  • network antennas forming a matrix of M lines and N columns operating in horizontal polarization, by combining coupling by a single line in the horizontal direction and by a pair of differential lines in the vertical direction.
  • the network antenna 201 forms a 3x3 matrix resulting from the association along the H axis of three column network antennas identical to each other and to the antenna of the Figure 2 This association is made by connecting the central element of each column array antenna by a simple half-wavelength guided link.
  • the antenna 301 forms a 3x3 matrix resulting from the association along the V axis of three line network antennas identical to each other and to the antenna of the Figure 1 (by means of a 90° rotation). This association is made by connecting the central element of each line array antenna by a pair of differential lines of a guided wavelength.
  • the positioning of the excitation point P H makes it possible to propagate the TM01 mode from the central element to the peripheral elements of the network antenna.
  • FIG. 7 represents a second embodiment of the antenna according to the invention which can operate in horizontal polarization and/or in vertical polarization.
  • the 401 antenna combines the horizontally polarized SFPA topology and the vertically polarized SFPA topology, thus enabling dual-polarization operation.
  • each radiating element 402 i is of substantially square shape so that it can be excited according to the TM10 mode and the TM01 mode.
  • the central element 402 3 is provided with two power supply points, respectively a point P H to excite the horizontal polarization and a point Pv to excite the vertical polarization.
  • the desired polarization can then be chosen by suitably supplying each of the ports.
  • one or the other of the tracks is no longer straight, but curvilinear (curved, angled, meandering, etc.)
  • the fields of application of the invention are radars, jammers, radios and data links, as well as multifunction systems using electronically scanned array antennas.
  • the present invention finds an application for radars with a large number of unit antennas, where it may be advantageous to couple the radiating elements directly to each other by feed lines, and to have to excite the network antenna by only one element. This makes it possible to reduce the number of transmission and reception modules for generating the electrical signal in transmission, or acquiring the electrical signal in reception.
  • the present invention is also compatible with conventional bandwidth expansion techniques, such as stacked patch antennas, as shown in the reference AA Serra, P. Nepa, G. Manara, G. Tribellini and S. Cioci, "A Wide-Band Dual-Polarized Stacked Patch Antenna,” in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 6, pp. 141-143, 2007, doi: 10.1109/LAWP.2007.893101 .

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

Cette antenne réseau (1), qui comporte une pluralité d'éléments rayonnants (2i) alimentés en série et disposés selon un axe vertical (V), fonctionne en polarisation horizontale, en connectant deux éléments rayonnants (2i, 2i+1) successifs selon l'axe vertical par une paire de lignes différentielles (3i, 4i), chaque ligne présentant une longueur (d) égale à la longueur d'onde guidée dans ladite ligne, une extrémité d'une ligne étant connectée à un bord horizontal d'un élément rayonnant et l'autre extrémité de ladite ligne étant connectée au bord horizontal en vis-à-vis de l'autre élément rayonnant, un unique élément rayonnant étant muni d'au moins un point d'excitation horizontale (PH), positionné hors de l'axe vertical (V), de préférence à proximité d'un bord vertical de l'unique élément rayonnant.

Figure imgaf001
This network antenna (1), which comprises a plurality of radiating elements (2i) supplied in series and arranged along a vertical axis (V), operates in horizontal polarization, by connecting two successive radiating elements (2i, 2i+1) along the vertical axis by a pair of differential lines (3i, 4i), each line having a length (d) equal to the wavelength guided in said line, one end of a line being connected to a horizontal edge of a radiating element and the other end of said line being connected to the horizontal edge opposite the other radiating element, a single radiating element being provided with at least one horizontal excitation point (P H ), positioned outside the vertical axis (V), preferably close to a vertical edge of the single radiating element.
Figure imgaf001

Description

La présente invention est relative aux antennes réseau du type comportant une pluralité d'éléments rayonnants planaires (ou antennes « patchs ») alimentés en série - SFPA (« Series-Fed Patch Antenna »).The present invention relates to network antennas of the type comprising a plurality of planar radiating elements (or “patch” antennas) fed in series - SFPA (“Series-Fed Patch Antenna”).

La figure 1 représente une antenne selon l'état de la technique.There Figure 1 represents an antenna according to the state of the art.

L'antenne 101 résulte de la mise en série verticale d'une pluralité d'éléments rayonnants planaires 102i, de longueur Li et de largeur Wi, permettant de générer une onde polarisée verticalement, c'est-à-dire parallèlement à l'axe V le long duquel sont disposés les différents éléments rayonnants planaires de l'antenne.The antenna 101 results from the vertical series connection of a plurality of planar radiating elements 102 i , of length L i and width W i , making it possible to generate a vertically polarized wave, that is to say parallel to the axis V along which the different planar radiating elements of the antenna are arranged.

Cette géométrie d'antenne s'appuie directement sur le mode de résonnance TM10 de chaque élément rayonnant planaire.This antenna geometry is directly based on the TM10 resonance mode of each planar radiating element.

Dans ce mode de résonnance, comme illustré sur l'élément central 1023, le champ électrique entre le plan de masse et le plan métallique constitutifs respectivement de la face inférieure et de la face supérieure de l'élément rayonnant planaire est antisymétrique par rapport l'axe horizontal H, qui est l'axe orthogonal à l'axe vertical V. Sur les bords horizontaux, supérieur et inférieur, ce champ électrique est homogène, c'est-à-dire qu'il est soit positif, soit négatif, et sensiblement constant. A l'inverse, sur les bords gauche et droit, le potentiel électrique varie et change de signe au niveau de l'axe horizontal H.In this resonance mode, as illustrated on the central element 102 3 , the electric field between the ground plane and the metal plane constituting respectively the lower face and the upper face of the planar radiating element is antisymmetrical with respect to the horizontal axis H, which is the axis orthogonal to the vertical axis V. On the horizontal, upper and lower edges, this electric field is homogeneous, that is to say it is either positive or negative, and substantially constant. Conversely, on the left and right edges, the electric potential varies and changes sign at the horizontal axis H.

Une telle structure de potentiel permet de générer une onde dont le champ électrique E est orienté selon l'axe vertical V, c'est-à-dire une onde polarisée verticalement.Such a potential structure makes it possible to generate a wave whose electric field E is oriented along the vertical axis V, i.e. a vertically polarized wave.

Dans ces conditions, pour propager le mode de résonnance TM10 d'un élément à son voisin, est utilisée une ligne d'alimentation micro-ruban 105i, qui connecte électriquement le centre du bord horizontal, par exemple supérieur, d'un élément rayonnant 102i et le centre du bord horizontal inférieur de l'élément rayonnant voisin 102i+1. De plus, cette ligne simple présente une longueur égale à λg/2 (avec λg la longueur d'onde guidé dans la ligne) afin d'inverser le champ électrique entre les deux extrémités de la ligne, c'est-à-dire le champ sur le bord horizontal supérieur, par rapport au champ sur le bord horizontal inférieur, et ainsi faire résonner en phase les deux éléments rayonnants ainsi connectés.Under these conditions, to propagate the TM10 resonance mode from one element to its neighbor, a micro-strip feed line 105 i is used, which electrically connects the center of the horizontal edge, for example upper, of a radiating element 102 i and the center of the lower horizontal edge of the neighboring radiating element 102 i+1 . In addition, this single line has a length equal to λg / 2 (with λg the wavelength guided in the line) in order to invert the electric field between the two ends of the line, that is to say the field on the upper horizontal edge, with respect to the field on the lower horizontal edge, and thus make the two radiating elements thus connected resonate in phase.

Dans l'antenne réseau 101, l'alimentation est réalisée par un unique point d'excitation PV situé sur l'axe V, mais à l'écart de l'axe H.In the array antenna 101, the feed is carried out by a single excitation point P V located on the V axis, but away from the H axis.

Pour que l'antenne entière résonne à la fréquence voulue, il faut également que tous les éléments rayonnants résonnent à une même fréquence. En conséquence, la longueur Li de chaque élément est sensiblement identique d'un élément à l'autre, et est proche de λg/2 (le champ électrique des bords inférieur et supérieur d'un même élément étant en opposition de phase). En toute rigueur, comme chaque élément n'a pas le même voisinage, des couplages différents s'établissent, ce qui décale la fréquence de résonance. On peut palier a ce décalage en ajustant la longueur Li de chaque élément.For the entire antenna to resonate at the desired frequency, all the radiating elements must also resonate at the same frequency. Consequently, the length Li of each element is approximately the same from one element to another, and is close to λg / 2 (the electric field of the lower and upper edges of the same element being in phase opposition). Strictly speaking, since each element does not have the same neighborhood, different couplings are established, which shifts the resonant frequency. This shift can be overcome by adjusting the length Li of each element.

Dans des applications de radar polarimétrique, comme les radars à ouverture synthétique - SAR (« Synthetic-aperture radar »), des antennes avec des polarisations orthogonales sont requises.In polarimetric radar applications, such as synthetic-aperture radar (SAR), antennas with orthogonal polarizations are required.

Dans le cas d'une polarisation linéaire V/H, pour garantir la symétrie des diagrammes de rayonnement, ainsi qu'une bonne intégrabilité, il est nécessaire que les antennes fonctionnant en polarisation horizontale et celles fonctionnant en polarisation verticale aient la même empreinte physique.In the case of linear V/H polarization, to ensure the symmetry of the radiation patterns, as well as good integrability, it is necessary that the antennas operating in horizontal polarization and those operating in vertical polarization have the same physical footprint.

Cependant, à l'heure actuelle, il n'existe aucune antenne du type SFPA fonctionnant selon une polarisation orientée dans l'axe orthogonal à l'axe du réseau d'éléments rayonnants planaires, c'est-à-dire en polarisation horizontale lorsque les éléments rayonnants sont alignés verticalement.However, at present, there is no SFPA type antenna operating with polarization oriented in the axis orthogonal to the axis of the planar radiating element array, i.e. in horizontal polarization when the radiating elements are aligned vertically.

Le but de la présente invention est par conséquent de proposer une antenne SFPA en polarisation horizontale.The aim of the present invention is therefore to propose a horizontally polarized SFPA antenna.

A cet effet, l'invention a pour objet une antenne réseau du type comportant une pluralité d'éléments rayonnants planaires alimentés en série, les éléments rayonnants planaires étant disposés selon un axe dit vertical, un axe dit horizontal, orthogonal à l'axe vertical, croise ce dernier en un point central, caractérisée en ce que, pour un fonctionnement en polarisation horizontale, deux éléments rayonnants planaires successifs selon l'axe vertical sont connectés électriquement l'un à l'autre par une paire de lignes différentielles , chaque ligne de la paire de lignes différentielles présentant une longueur égale à un multiple entier de la longueur d'onde guidée dans ladite ligne, une extrémité d'une ligne de la paire de lignes différentielles étant connectée à un bord horizontal d'un élément rayonnant planaire et l'autre extrémité de ladite ligne étant connectée au bord horizontal en vis-à-vis de l'autre élément rayonnant planaire, la longueur d'onde guidée correspondant à la fréquence de résonnance de l'antenne réseau, un unique élément rayonnant planaire de la pluralité d'éléments rayonnants planaires étant muni d'au moins un point d'excitation horizontale, pour un fonctionnement en polarisation horizontale, le point d'excitation horizontale étant hors de l'axe vertical, de préférence à proximité d'un bord vertical dudit unique élément rayonnant planaire.To this end, the invention relates to an array antenna of the type comprising a plurality of planar radiating elements fed in series, the planar radiating elements being arranged along a so-called vertical axis, a so-called horizontal axis, orthogonal to the vertical axis, intersects the latter at a central point, characterized in that, for operation in horizontal polarization, two successive planar radiating elements along the vertical axis are electrically connected to each other by a pair of differential lines, each line of the pair of differential lines having a length equal to an integer multiple of the wavelength guided in said line, one end of a line of the pair of differential lines being connected to a horizontal edge of a planar radiating element and the other end of said line being connected to the horizontal edge opposite the other planar radiating element, the guided wavelength corresponding to the resonance frequency of the array antenna, a single planar radiating element of the plurality of planar radiating elements being provided with at least one horizontal excitation point, for operation in horizontal polarization, the horizontal excitation point being off the vertical axis, preferably close to a vertical edge of said single planar radiating element.

Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, l'antenne comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :

  • les différents éléments rayonnants planaires sont de forme rectangulaire et présentent une dimension selon l'axe horizontal sensiblement égale et, de préférence, une dimension selon l'axe vertical qui diminue en fonction d'une distance de l'élément rayonnant planaire au point central.
  • l'antenne réseau est symétrique par rapport à l'axe vertical et symétrique par rapport à l'axe horizontal.
  • l'unique élément rayonnant planaire de la pluralité d'éléments rayonnants planaires est muni de deux points d'excitation horizontale, pour une excitation en différentielle de l'antenne réseau.
  • pour un fonctionnement en polarisation verticale, simultanément ou alternativement à un fonctionnement en polarisation horizontale, deux éléments rayonnants planaires successifs selon l'axe vertical sont en outre connectés électriquement l'un à l'autre par une ligne unique, la ligne unique présentant une longueur égale à une demie longueur d'onde guidée dans ladite ligne unique, une extrémité de la ligne unique étant connectée à un bord horizontal d'un élément rayonnant planaire et l'autre extrémité de la ligne unique étant connectée au bord horizontal en vis-à-vis de l'autre élément rayonnant planaire, et un unique élément rayonnant planaire de la pluralité d'éléments rayonnants planaires est muni d'au moins un point d'excitation verticale, pour un fonctionnement en polarisation verticale, le point d'excitation verticale étant hors de l'axe horizontal, de préférence à proximité d'un bord horizontal de l'élément rayonnant planaire.
  • l'unique élément rayonnant planaire de la pluralité d'éléments rayonnants planaires est muni de deux points d'excitation verticale, pour une excitation en différentielle de l'antenne réseau.
  • une ligne est une ligne microruban ou une ligne coplanaire ou une ligne triplaque.
  • chaque élément rayonnant planaire est une antenne patch.
  • l'antenne réseau comporte M groupes d'éléments rayonnants planaires, chaque groupe comportant une pluralité de N éléments rayonnants planaires disposés selon l'axe vertical, les différents éléments d'un groupe étant disposés selon l'axe vertical et les différents groupes étant disposés selon l'axe horizontal, deux éléments rayonnant successifs selon l'axe vertical d'un groupe étant couplés par une paire de lignes différentielles d'une longueur d'onde guidée, et un unique élément rayonnant d'un groupe étant couplé à un unique élément rayonnant d'un autre groupe par une ligne unique d'une demie longueur d'onde guidée selon la direction horizontale.
  • l'antenne comporte M groupes d'éléments rayonnants planaires, chaque groupe comportant une pluralité de N éléments rayonnants planaires disposés selon l'axe vertical, les différents éléments d'un groupe étant disposés selon l'axe vertical et les différents groupes étant disposés selon l'axe horizontal, deux éléments rayonnant successifs selon l'axe vertical d'un unique groupe étant couplés par une paire de lignes différentielles d'une longueur d'onde guidée, et chaque élément rayonnant d'un groupe étant couplé à un élément rayonnant voisin d'un autre groupe par une ligne unique d'une demie longueur d'onde guidée selon la direction horizontale.
According to other advantageous aspects of the invention, the antenna comprises one or more of the following characteristics, taken individually or in all technically possible combinations:
  • the different planar radiating elements are rectangular in shape and have a dimension along the horizontal axis which is substantially equal and, preferably, a dimension along the vertical axis which decreases as a function of a distance from the planar radiating element to the central point.
  • The array antenna is symmetrical about the vertical axis and symmetrical about the horizontal axis.
  • the single planar radiating element of the plurality of planar radiating elements is provided with two horizontal excitation points, for differential excitation of the array antenna.
  • for operation in vertical polarization, simultaneously or alternatively to operation in horizontal polarization, two successive planar radiating elements along the vertical axis are further electrically connected to each other by a single line, the single line having a length equal to half a wavelength guided in said single line, one end of the single line being connected to a horizontal edge of a planar radiating element and the other end of the single line being connected to the horizontal edge opposite the other planar radiating element, and a single planar radiating element of the plurality of planar radiating elements is provided with at least one vertical excitation point, for operation in vertical polarization, the vertical excitation point being off the horizontal axis, preferably close to a horizontal edge of the planar radiating element.
  • the single planar radiating element of the plurality of planar radiating elements is provided with two vertical excitation points, for differential excitation of the array antenna.
  • a line is a microstrip line or a coplanar line or a stripline line.
  • Each planar radiating element is a patch antenna.
  • the network antenna comprises M groups of planar radiating elements, each group comprising a plurality of N planar radiating elements arranged along the vertical axis, the different elements of a group being arranged along the vertical axis and the different groups being arranged along the horizontal axis, two successive radiating elements along the vertical axis of a group being coupled by a pair of differential lines of a guided wavelength, and a single radiating element of a group being coupled to a single radiating element of another group by a single line of half a wavelength guided along the horizontal direction.
  • the antenna comprises M groups of planar radiating elements, each group comprising a plurality of N planar radiating elements arranged along the vertical axis, the different elements of a group being arranged along the vertical axis and the different groups being arranged along the horizontal axis, two successive radiating elements along the vertical axis of a single group being coupled by a pair of differential lines of a guided wavelength, and each radiating element of a group being coupled to a neighboring radiating element of another group by a single line of half a wavelength guided along the horizontal direction.

L'invention apparaîtra plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins dans lesquels :

  • [Fig. 1] la figure 1 est un mode de réalisation d'une antenne réseau selon l'état de la technique résultant de la mise en série verticale d'une pluralité d'éléments rayonnants planaires fonctionnant en polarisation verticale ;
  • [Fig. 2] la figure 2 est un mode de réalisation d'une antenne réseau selon l'invention résultant de la mise en série verticale d'une pluralité d'éléments rayonnants planaires fonctionnant en polarisation horizontale ;
  • [Fig. 3] la figure 3 est un graphe du gain en fonction de la fréquence pour l'antenne de la figure 2 ;
  • [Fig. 4] la figure 4 représente les diagrammes de rayonnement, en coupe en azimut et en coupe en élévation, des antennes des figures 1 et 2 respectivement ;
  • [Fig. 5] la figure 5 est une première variante de réalisation de l'antenne de la figure 2 ;
  • [Fig. 6] la figure 6 est une seconde variante de réalisation de l'antenne de la figure 2 ; et,
  • [Fig. 7] la figure 7 est un second mode de réalisation de l'antenne selon l'invention pour obtenir une double polarisation horizontale et verticale.
The invention will appear more clearly on reading the description which follows, given solely by way of non-limiting example, and made with reference to the drawings in which:
  • [ Fig. 1 ] there Figure 1 is an embodiment of an array antenna according to the state of the art resulting from the vertical series connection of a plurality of planar radiating elements operating in vertical polarization;
  • [ Fig. 2 ] there Figure 2 is an embodiment of an array antenna according to the invention resulting from the vertical series connection of a plurality of planar radiating elements operating in horizontal polarization;
  • [ Fig. 3 ] there Figure 3 is a graph of gain versus frequency for the antenna of the Figure 2 ;
  • [ Fig. 4 ] there Figure 4 represents the radiation diagrams, in azimuth section and in elevation section, of the antennas of the figures 1 And 2 respectively;
  • [ Fig. 5 ] there Figure 5 is a first variant of the antenna of the Figure 2 ;
  • [ Fig. 6 ] there Figure 6 is a second variant of the antenna of the Figure 2 ; And,
  • [ Fig. 7 ] there Figure 7 is a second embodiment of the antenna according to the invention to obtain dual horizontal and vertical polarization.

La figure 2 représente un mode de réalisation d'une antenne selon l'invention.There Figure 2 represents an embodiment of an antenna according to the invention.

L'antenne 1 résulte de la mise en série selon un axe vertical V d'une pluralité de N éléments rayonnants planaires 2i (ou antennes élémentaires patchs) pour un fonctionnement en polarisation horizontale. N est un entier supérieur ou égale à deux. Un élément est indexé par un entier i entre 1 et N.Antenna 1 results from the series connection along a vertical axis V of a plurality of N planar radiating elements 2 i (or elementary patch antennas) for operation in horizontal polarization. N is an integer greater than or equal to two. An element is indexed by an integer i between 1 and N.

L'antenne 1 comporte par exemple cinq éléments : un second élément inférieur 21, un premier élément inférieur 22, un élément central 23, un premier élément supérieur 24 et un second élément supérieur 2s.The antenna 1 comprises, for example, five elements: a second lower element 2 1 , a first lower element 2 2 , a central element 2 3 , a first upper element 2 4 and a second upper element 2s.

Les différents éléments rayonnants planaires 2i sont disposés selon l'axe vertical V. L'axe orthogonal à l'axe vertical V est l'axe horizontal H. Il croise l'axe vertical V au point origine O.The different planar radiating elements 2 i are arranged along the vertical axis V. The axis orthogonal to the vertical axis V is the horizontal axis H. It crosses the vertical axis V at the origin point O.

L'antenne 1 est symétrique par rapport à l'axe vertical V.Antenna 1 is symmetrical about the vertical axis V.

L'antenne 1 est symétrique par rapport à l'axe horizontal H.Antenna 1 is symmetrical about the horizontal axis H.

Le centre O est donc un centre de symétrie de l'antenne 1.Center O is therefore a center of symmetry of antenna 1.

Dans le mode de réalisation de la figure 2 où l'antenne réseau comporte un nombre impair d'éléments, le centre de l'élément central 23 coïncide avec le point origine O.In the embodiment of the Figure 2 where the array antenna has an odd number of elements, the center of the central element 2 3 coincides with the origin point O.

Chaque élément 2i présente une largeur Wi selon l'axe H et une longueur Li selon l'axe V.Each element 2 i has a width W i along the H axis and a length L i along the V axis.

Dans le mode de réalisation de la figure 2, les éléments ont une largeur sensiblement identique. La longueur Li diminue lorsque l'on s'écarte du centre O de l'antenne 1.In the embodiment of the Figure 2 , the elements have a substantially identical width. The length L i decreases as one moves away from the center O of the antenna 1.

Deux éléments rayonnants planaires 2i et 2i+1 successifs selon l'axe V sont connectés électriquement l'un à l'autre par une paire de lignes d'alimentation différentielles, par exemple des lignes microrubans, 3i et 4i.Two successive planar radiating elements 2 i and 2 i+1 along the V axis are electrically connected to each other by a pair of differential feed lines, for example microstrip lines, 3 i and 4 i .

Plus précisément, le bord horizontal supérieur de l'élément 2i et le bord horizontal inférieur de l'élément voisin 2i+1, situé immédiatement au-dessus de l'élément 2i, sont connectés, d'une part, par une ligne 3i à gauche de l'axe vertical V et, d'autre part, par une ligne 4i, à droite de l'axe vertical V.More precisely, the upper horizontal edge of element 2 i and the lower horizontal edge of the neighboring element 2 i+1 , located immediately above element 2 i , are connected, on the one hand, by a line 3 i to the left of the vertical axis V and, on the other hand, by a line 4 i , to the right of the vertical axis V.

De cette manière, un couplage différentiel est établi entre deux éléments rayonnants planaires successifs de l'antenne réseau.In this way, a differential coupling is established between two successive planar radiating elements of the array antenna.

L'antenne réseau est excitée par un signal électrique adapté, qui est appliqué au plan métallique d'un des éléments, de préférence l'élément central 23, en un point d'excitation PH.The array antenna is excited by a suitable electrical signal, which is applied to the metal plane of one of the elements, preferably the central element 2 3 , at an excitation point P H .

Le point PH est situé sur l'axe horizontal H, mais hors de l'axe vertical V, de préférence à proximité d'un bord, par exemple le bord vertical gauche, de l'élément central 23 afin de garantir une bonne polarisation linéaire.The point P H is located on the horizontal axis H, but off the vertical axis V, preferably close to an edge, for example the left vertical edge, of the central element 2 3 in order to ensure good linear polarization.

L'application du signal électrique d'excitation au point PH permet de faire résonner l'élément 23 selon le mode TM01.Applying the electrical excitation signal to point P H makes element 2 3 resonate according to the TM01 mode.

Le champ électrique dans l'élément rayonnant planaire 23 est représenté schématiquement sur la figure 2 par des « + » et des « - ». Ce champ électrique est par exemple négatif à gauche et positif à droite de l'axe V sur une demi période du signal d'excitation et inversement sur la demi période suivante. Le champ électrique est réparti symétrique par rapport à l'axe H, mais antisymétrique par rapport à l'axe V.The electric field in the planar radiating element 2 3 is schematically represented in the Figure 2 by "+" and "-". This electric field is for example negative on the left and positive on the right of the V axis over a half period of the excitation signal and vice versa over the following half period. The electric field is distributed symmetrically with respect to the H axis, but antisymmetrically with respect to the V axis.

Ainsi, l'excitation de l'élément rayonnant selon le mode TM01 permet de générer une onde polarisée horizontalement, c'est-à-dire dont le champ électrique E est orienté selon l'axe horizontal H.Thus, the excitation of the radiating element according to the TM01 mode makes it possible to generate a horizontally polarized wave, that is to say one whose electric field E is oriented along the horizontal axis H.

Pour associer électriquement deux éléments rayonnants planaires voisins, 2i et 2i+1, et les faire résonner en phase, les deux lignes 3i et 4i présentent une longueur d' égale à la longueur d'onde guidée λg (ou à un multiple entier de la longueur d'onde guidée λg) de manière à introduire un déphasage de 360° entre le champ électrique à une extrémité des lignes et le champ électrique à l'autre extrémité des lignes, 3i et 4i.To electrically associate two neighboring planar radiating elements, 2 i and 2 i+1 , and make them resonate in phase, the two lines 3 i and 4 i have a length equal to the guided wavelength λg (or to an integer multiple of the guided wavelength λg ) in such a way to introduce a 360° phase shift between the electric field at one end of the lines and the electric field at the other end of the lines, 3 i and 4 i .

La longueur d'onde λg est déterminée à la fréquence de résonnance F0 de l'antenne réseau 1.The wavelength λg is determined at the resonance frequency F 0 of the array antenna 1.

De la sorte, la même répartition du champ électrique est obtenue dans chacun des éléments 2i.In this way, the same distribution of the electric field is obtained in each of the elements 2 i .

Dit autrement, les éléments rayonnants sont excités en phase selon le mode TM01.In other words, the radiating elements are excited in phase according to the TM01 mode.

L'adaptation des performances de l'antenne 1 s'effectue de la même manière que pour l'antenne 101 selon l'état de la technique.The adaptation of the performance of the antenna 1 is carried out in the same way as for the antenna 101 according to the state of the art.

L'ajustement des largeurs Wi permet de fixer la fréquence de résonnance et l'ajustement de la longueur Li permet de rendre l'ouverture de l'antenne plus ou moins large en fixant le gain de chaque élément rayonnant et en créant ainsi une pondération pour minimiser les lobes secondaires.Adjusting the widths W i allows the resonance frequency to be fixed and adjusting the length L i allows the antenna aperture to be made more or less wide by fixing the gain of each radiating element and thus creating a weighting to minimize the secondary lobes.

L'antenne 1 présente un paramètre S ayant la forme représentée sur la figure 3. L'antenne 1 peut être plus ou moins bande étroite autour de la fréquence de résonance Fo, selon l'épaisseur et la permittivité du substrat, les valeurs des longueurs Li choisies ainsi que l'emplacement du point PH d'alimentation.Antenna 1 has a parameter S having the form shown in the Figure 3 . The antenna 1 can be more or less narrow band around the resonance frequency Fo, depending on the thickness and permittivity of the substrate, the values of the lengths Li chosen as well as the location of the feed point P H.

La figure 4 permet de comparer les diagrammes de rayonnement des antennes 1 et 101 à une même fréquence de résonance F0 égale à 24 GHz.There Figure 4 allows to compare the radiation patterns of antennas 1 and 101 at the same resonance frequency F 0 equal to 24 GHz.

Les diagrammes de rayonnement, Cv pour l'antenne 101 et CH pour l'antenne 1, sont très proches, à la fois en élévation (plan contenant l'axe V et la normale au plan des éléments rayonnants) (figure 4A) et en azimut (plan contenant l'axe H et la normale au plan des éléments rayonnants) (Figure 4B). Ce résultat est celui recherché et est parfaitement cohérent puisque les topologies sont finalement très proches.The radiation patterns, Cv for antenna 101 and C H for antenna 1, are very close, both in elevation (plane containing the V axis and the normal to the plane of the radiating elements) ( Figure 4A ) and in azimuth (plane containing the H axis and the normal to the plane of the radiating elements) ( Figure 4B ). This result is the one sought and is perfectly consistent since the topologies are ultimately very close.

Une donnée très importante lorsqu'on fait de la polarimétrie est la polarisation croisée, c'est-à-dire l'énergie rayonnée dans la polarisation orthogonale à celle souhaitée. Plus cette valeur est faible, plus l'antenne est performante pour une application de polarimétrie. La topologie de l'antennes 1 permet d'atteindre des valeurs de polarisation croisée de l'ordre de -25 dB, sans ajustements particuliers.A very important piece of data when doing polarimetry is the cross-polarization, that is, the energy radiated in the polarization orthogonal to the desired one. The lower this value, the more efficient the antenna is for a polarimetry application. The topology of antenna 1 makes it possible to achieve cross-polarization values of the order of -25 dB, without special adjustments.

En variante, au lieu d'être rectilignes, les lignes d'interconnexion entre éléments rayonnants planaires peuvent former un ou plusieurs méandres. En repliant ainsi les lignes, l'espacement entre les éléments peut être réduit, tout en conservant la contrainte sur la longueur d' des lignes. En particulier, cela permet de conférer à l'antenne réseau selon l'invention une empreinte physique identique à celle de l'antenne de la figure 1.Alternatively, instead of being straight, the interconnection lines between planar radiating elements may form one or more meanders. By folding the lines in this way, the spacing between the elements may be reduced, while maintaining the constraint on the length of the lines. In particular, this makes it possible to give the array antenna according to the invention a physical footprint identical to that of the antenna of the Figure 1 .

En variante, les lignes microrubans (« mirostrips » en anglais) peuvent être remplacées par des lignes coplanaires ou encore par des lignes triplaques (« stripline » en anglais).Alternatively, microstrip lines can be replaced by coplanar lines or even by striplines.

Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, l'alimentation est réalisée par un unique point d'excitation PH.In the embodiment shown in the Figure 2 , the power supply is carried out by a single excitation point P H .

Plus généralement, il est possible de réaliser cette alimentation en considérant tous types connus d'alimentation pour les antennes patchs. Notamment, on peut réaliser l'alimentation par deux vias, disposés le long de l'axe H, symétriquement par rapport au centre O de l'élément à exciter, et alimentés en opposition de phase (montage en différentiel). On peut aussi réaliser l'alimentation par couplage à travers une ou plusieurs fentes ménagées dans un plan de masse de l'élément rayonnant, à l'aplomb du point d'excitation sur le plan métallique formant la surface supérieure de l'élément rayonnant.More generally, it is possible to achieve this power supply by considering all known types of power supply for patch antennas. In particular, the power supply can be achieved by two vias, arranged along the H axis, symmetrically with respect to the center O of the element to be excited, and powered in phase opposition (differential assembly). The power supply can also be achieved by coupling through one or more slots made in a ground plane of the radiating element, directly above the excitation point on the metal plane forming the upper surface of the radiating element.

L'avantage d'utiliser deux points d'excitation pour le fonctionnement en polarisation horizontale et/ou deux points d'excitation pour le fonctionnement en polarisation verticale peut permettre assez facilement de gagner 3 dB de puissance rayonnée en émission, tout en améliorant la qualité de l'isolation avec la polarisation croisée et la symétrie du diagramme.The advantage of using two excitation points for horizontal polarization operation and/or two excitation points for vertical polarization operation can quite easily allow a gain of 3 dB of radiated power in transmission, while improving the quality of the isolation with cross-polarization and the symmetry of the diagram.

Dans le mode de réalisation de la figure 2, l'antenne forme une matrice 1xN.In the embodiment of the Figure 2 , the antenna forms a 1xN matrix.

Comme illustré sur les figures 5 et 6, il est possible de réaliser des antennes réseau formant une matrice de M lignes et N colonnes fonctionnant en polarisation horizontale, en combinant un couplage par une ligne simple dans la direction horizontale et par une paire de lignes différentielles dans la direction verticale.As illustrated on the figures 5 And 6 , it is possible to produce network antennas forming a matrix of M lines and N columns operating in horizontal polarization, by combining coupling by a single line in the horizontal direction and by a pair of differential lines in the vertical direction.

Par exemple, dans la première variante de la figure 5, l'antenne réseau 201 forme une matrice 3x3 résultant de l'association selon l'axe H de trois antennes réseau colonnes identiques entre elles et à l'antenne de la figure 2. Cette association est faite en connectant l'élément central de chaque antenne réseau colonne par une liaison simple d'une demi-longueur d'onde guidé.For example, in the first variant of the Figure 5 , the network antenna 201 forms a 3x3 matrix resulting from the association along the H axis of three column network antennas identical to each other and to the antenna of the Figure 2 This association is made by connecting the central element of each column array antenna by a simple half-wavelength guided link.

Par exemple, dans la seconde variante de la figure 6, l'antenne 301 forme une matrice 3x3 résultant de l'association selon l'axe V de trois antennes réseau lignes identiques entre elles et à l'antenne de la figure 1 (moyennant une rotation de 90°). Cette association est faite en connectant l'élément central de chaque antenne réseau ligne par une paire de lignes différentielles d'une longueur d'onde guidé.For example, in the second variant of the Figure 6 , the antenna 301 forms a 3x3 matrix resulting from the association along the V axis of three line network antennas identical to each other and to the antenna of the Figure 1 (by means of a 90° rotation). This association is made by connecting the central element of each line array antenna by a pair of differential lines of a guided wavelength.

Dans ces deux variantes, le positionnement du point d'excitation PH permet de propager le mode TM01 de l'élément central vers les éléments périphériques de l'antenne réseau.In these two variants, the positioning of the excitation point P H makes it possible to propagate the TM01 mode from the central element to the peripheral elements of the network antenna.

La figure 7 représente un second mode de réalisation de l'antenne selon l'invention pouvant fonctionner en polarisation horizontale et/ou en polarisation verticale.There Figure 7 represents a second embodiment of the antenna according to the invention which can operate in horizontal polarization and/or in vertical polarization.

L'antenne 401 combine la topologie SFPA en polarisation horizontale et la topologie SFPA en polarisation verticale, permettant ainsi un fonctionnement en double polarisation.The 401 antenna combines the horizontally polarized SFPA topology and the vertically polarized SFPA topology, thus enabling dual-polarization operation.

Pour cela, chaque élément rayonnant 402i est de forme sensiblement carré pour pouvoir être excité selon le mode TM10 et le mode TM01.For this, each radiating element 402 i is of substantially square shape so that it can be excited according to the TM10 mode and the TM01 mode.

L'élément central 4023 est muni de deux points d'alimentation, respectivement un point PH pour exciter la polarisation horizontale et un point Pv pour exciter la polarisation verticale. On peut ensuite choisir la polarisation que l'on désire en alimentant convenablement chacun des ports.The central element 402 3 is provided with two power supply points, respectively a point P H to excite the horizontal polarization and a point Pv to excite the vertical polarization. The desired polarization can then be chosen by suitably supplying each of the ports.

Conformément à ce qui a été expliqué précédemment, deux éléments rayonnants voisins sont connecté par trois lignes :

  • Une ligne simple 415i de longueur λg/2 pour la polarisation selon l'axe V ;
  • Deux lignes différentielles, 413i et 414i de longueur λg pour la polarisation selon l'axe H.
As explained previously, two neighboring radiating elements are connected by three lines:
  • A simple 415 i line of length λg /2 for polarization along the V axis;
  • Two differential lines, 413 i and 414 i of length λg for polarization along the H axis.

Les lignes devant connecter deux éléments rayonnants étant de longueur différente, l'une ou l'autre des pistes n'est plus rectiligne, mais curviligne (courbe, coudée, en méandres, etc.)Since the lines that are to connect two radiating elements are of different lengths, one or the other of the tracks is no longer straight, but curvilinear (curved, angled, meandering, etc.)

Pour minimiser les problèmes de couplage du signal de la polarisation horizontale par mode commun sur la polarisation verticale, on peut jouer sur l'écartement et l'impédance des lignes différentielles.To minimize the problems of coupling the signal from horizontal polarization by common mode to vertical polarization, one can play on the spacing and impedance of the differential lines.

De plus, en excitant les deux ports simultanément avec un déphasage choisi, on peut avoir une agilité en polarisation pour générer des polarisations circulaires ou inclinées par rapport aux axes H et V.Additionally, by exciting both ports simultaneously with a chosen phase shift, one can have polarization agility to generate circular or tilted polarizations relative to the H and V axes.

Il est également possible d'avoir la configuration verticale V et la configuration horizontale H qui fonctionnent dans deux bandes de fréquences différentes. Il suffit pour cela de jouer sur les dimensions verticales et horizontales des éléments antennaires unitaires.It is also possible to have the vertical V configuration and the horizontal H configuration that operate in two different frequency bands. This is achieved by varying the vertical and horizontal dimensions of the individual antenna elements.

Les domaines d'applications de l'invention sont les radars, les brouilleurs, les radios et les liaisons de données, ainsi que les systèmes multifonctions utilisant des antennes réseaux à balayage électronique.The fields of application of the invention are radars, jammers, radios and data links, as well as multifunction systems using electronically scanned array antennas.

Tout particulièrement, la présente invention trouve une application pour les radars à forte quantités d'antennes unitaires, où il peut être intéressant de coupler les éléments rayonnants directement les uns aux autres par des lignes d'alimentation, et n'avoir à exciter l'antenne réseau que par un seul élément. Cela permet de réduire le nombre de module d'émission réception pour la génération du signal électrique en émission, ou l'acquisition du signal électrique en réception.In particular, the present invention finds an application for radars with a large number of unit antennas, where it may be advantageous to couple the radiating elements directly to each other by feed lines, and to have to excite the network antenna by only one element. This makes it possible to reduce the number of transmission and reception modules for generating the electrical signal in transmission, or acquiring the electrical signal in reception.

La présente invention est également compatible avec les techniques classiques d'élargissement de la bande passante, telles que les antennes patches empilées, comme présentés dans la référence A. A. Serra, P. Nepa, G. Manara, G. Tribellini and S. Cioci, "A Wide-Band Dual-Polarized Stacked Patch Antenna," in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 6, pp. 141-143, 2007, doi: 10.1109/LAWP.2007.893101 .The present invention is also compatible with conventional bandwidth expansion techniques, such as stacked patch antennas, as shown in the reference AA Serra, P. Nepa, G. Manara, G. Tribellini and S. Cioci, "A Wide-Band Dual-Polarized Stacked Patch Antenna," in IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 6, pp. 141-143, 2007, doi: 10.1109/LAWP.2007.893101 .

Claims (10)

Antenne réseau (1) du type comportant une pluralité d'éléments rayonnants planaires (2i) alimentés en série, les éléments rayonnants planaires étant disposés selon un axe dit vertical (V), un axe dit horizontal (H), orthogonal à l'axe vertical, croise ce dernier en un point central (O), caractérisée en ce que, pour un fonctionnement en polarisation horizontale, deux éléments rayonnants planaires (2i, 2i+1) successifs selon l'axe vertical (V) sont connectés électriquement l'un à l'autre par une paire de lignes différentielles (3i, 4i), chaque ligne de la paire de lignes différentielles présentant une longueur (d) égale à un multiple entier de la longueur d'onde guidée dans ladite ligne, une extrémité d'une ligne de la paire de lignes différentielles étant connectée à un bord horizontal d'un élément rayonnant planaire et l'autre extrémité de ladite ligne étant connectée au bord horizontal en vis-à-vis de l'autre élément rayonnant planaire, la longueur d'onde guidée correspondant à la fréquence de résonnance (F0) de l'antenne réseau, un unique élément rayonnant planaire de la pluralité d'éléments rayonnants planaires (2i) étant muni d'au moins un point d'excitation horizontale (PH), pour un fonctionnement en polarisation horizontale, le point d'excitation horizontale étant hors de l'axe vertical (V), de préférence à proximité d'un bord vertical dudit unique élément rayonnant planaire.Array antenna (1) of the type comprising a plurality of planar radiating elements (2 i ) supplied in series, the planar radiating elements being arranged along a so-called vertical axis (V), a so-called horizontal axis (H), orthogonal to the vertical axis, crosses the latter at a central point (O), characterized in that , for operation in horizontal polarization, two successive planar radiating elements (2 i , 2 i+1 ) along the vertical axis (V) are electrically connected to each other by a pair of differential lines (3 i , 4 i ), each line of the pair of differential lines having a length (d) equal to an integer multiple of the wavelength guided in said line, one end of a line of the pair of differential lines being connected to a horizontal edge of a planar radiating element and the other end of said line being connected to the horizontal edge opposite the other planar radiating element, the guided wavelength corresponding to the resonance frequency (F 0 ) of the array antenna, a single planar radiating element of the plurality of planar radiating elements (2 i ) being provided with at least one horizontal excitation point (P H ), for operation in horizontal polarization, the horizontal excitation point being outside the vertical axis (V), preferably close to a vertical edge of said single planar radiating element. Antenne réseau selon la revendication 1, dans laquelle les différents éléments rayonnants planaires (2i) sont de forme rectangulaire et présentent une dimension (Wi) selon l'axe horizontal (H) sensiblement égale et, de préférence, une dimension (Li) selon l'axe vertical (V) qui diminue en fonction d'une distance de l'élément rayonnant planaire (2i) au point central.Array antenna according to claim 1, in which the different planar radiating elements (2 i ) are rectangular in shape and have a dimension (W i ) along the horizontal axis (H) which is substantially equal and, preferably, a dimension (L i ) along the vertical axis (V) which decreases as a function of a distance from the planar radiating element (2 i ) to the central point. Antenne réseau selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'antenne réseau (1) est symétrique par rapport à l'axe vertical (V) et symétrique par rapport à l'axe horizontal (H).An array antenna according to any preceding claim, wherein the array antenna (1) is symmetrical about the vertical axis (V) and symmetrical about the horizontal axis (H). Antenne réseau selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'unique élément rayonnant planaire de la pluralité d'éléments rayonnants planaires (2i) est muni de deux points d'excitation horizontale, pour une excitation en différentielle de l'antenne réseau.An array antenna according to any preceding claim, wherein the single planar radiating element of the plurality of planar radiating elements (2 i ) is provided with two horizontal excitation points, for differential excitation of the array antenna. Antenne réseau (401) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle, pour un fonctionnement en polarisation verticale, simultanément ou alternativement à un fonctionnement en polarisation horizontale, deux éléments rayonnants planaires (402i, 402i+1) successifs selon l'axe vertical (V) sont en outre connectés électriquement l'un à l'autre par une ligne unique (405i), la ligne unique présentant une longueur égale à une demie longueur d'onde guidée dans ladite ligne unique, une extrémité de la ligne unique étant connectée à un bord horizontal d'un élément rayonnant planaire et l'autre extrémité de la ligne unique étant connectée au bord horizontal en vis-à-vis de l'autre élément rayonnant planaire, et un unique élément rayonnant planaire de la pluralité d'éléments rayonnants planaires est muni d'au moins un point d'excitation verticale (Pv), pour un fonctionnement en polarisation verticale, le point d'excitation verticale étant hors de l'axe horizontal (H), de préférence à proximité d'un bord horizontal de l'élément rayonnant planaire.An array antenna (401) according to any preceding claim, wherein, for vertically polarized operation, simultaneously or alternatively to operation in horizontal polarization, two successive planar radiating elements (402 i , 402 i+1 ) along the vertical axis (V) are further electrically connected to each other by a single line (405 i ), the single line having a length equal to half a wavelength guided in said single line, one end of the single line being connected to a horizontal edge of a planar radiating element and the other end of the single line being connected to the horizontal edge opposite the other planar radiating element, and a single planar radiating element of the plurality of planar radiating elements is provided with at least one vertical excitation point (P v ), for operation in vertical polarization, the vertical excitation point being outside the horizontal axis (H), preferably close to a horizontal edge of the planar radiating element. Antenne réseau selon la revendication 5, dans laquelle l'unique élément rayonnant planaire de la pluralité d'éléments rayonnants planaires (2i) est muni de deux points d'excitation verticale, pour une excitation en différentielle de l'antenne réseau.An array antenna according to claim 5, wherein the single planar radiating element of the plurality of planar radiating elements (2 i ) is provided with two vertical excitation points, for differential excitation of the array antenna. Antenne réseau selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle une ligne est une ligne microruban ou une ligne coplanaire ou une ligne triplaque.An array antenna according to any preceding claim, wherein one line is a microstrip line or a coplanar line or a stripline. Antenne réseau selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle chaque élément rayonnant planaire est une antenne patch.An array antenna according to any preceding claim, wherein each planar radiating element is a patch antenna. Antenne réseau selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'antenne réseau comporte M groupes d'éléments rayonnants planaires, chaque groupe comportant une pluralité de N éléments rayonnants planaires disposés selon l'axe vertical (V), les différents éléments d'un groupe étant disposés selon l'axe vertical (V) et les différents groupes étant disposés selon l'axe horizontal (H), deux éléments rayonnant successifs selon l'axe vertical d'un groupe étant couplés par une paire de lignes différentielles d'une longueur d'onde guidée, et un unique élément rayonnant d'un groupe étant couplé à un unique élément rayonnant d'un autre groupe par une ligne unique d'une demie longueur d'onde guidée selon la direction horizontale.An array antenna according to any one of the preceding claims, wherein the array antenna comprises M groups of planar radiating elements, each group comprising a plurality of N planar radiating elements arranged along the vertical axis (V), the different elements of a group being arranged along the vertical axis (V) and the different groups being arranged along the horizontal axis (H), two successive radiating elements along the vertical axis of a group being coupled by a pair of differential lines of a guided wavelength, and a single radiating element of a group being coupled to a single radiating element of another group by a single line of half a wavelength guided along the horizontal direction. Antenne réseau selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle l'antenne comporte M groupes d'éléments rayonnants planaires, chaque groupe comportant une pluralité de N éléments rayonnants planaires disposés selon l'axe vertical, les différents éléments d'un groupe étant disposés selon l'axe vertical (V) et les différents groupes étant disposés selon l'axe horizontal, deux éléments rayonnant successifs selon l'axe vertical d'un unique groupe étant couplés par une paire de lignes différentielles d'une longueur d'onde guidée, et chaque élément rayonnant d'un groupe étant couplé à un élément rayonnant voisin d'un autre groupe par une ligne unique d'une demie longueur d'onde guidée selon la direction horizontale.Array antenna according to any one of claims 1 to 9, in which the antenna comprises M groups of planar radiating elements, each group comprising a plurality of N planar radiating elements arranged along the vertical axis, the different elements of a group being arranged along the vertical axis (V) and the different groups being arranged along the horizontal axis, two successive radiating elements along the vertical axis of a single group being coupled by a pair of differential lines of a guided wavelength, and each radiating element of a group being coupled to a neighboring radiating element of another group by a single line of half a wavelength guided in the horizontal direction.
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Citations (1)

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CN110165372B (en) * 2019-05-31 2021-01-12 大连海事大学 X-waveband marine radar microstrip antenna array

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