EP2564466B1 - COMPACT RADIANT ELEMENT WITH RESONANT CAVITES - Google Patents

Description

Translated fromFrench

La présente invention concerne le domaine des éléments rayonnants, notamment pour les bandes de fréquences basses, plus particulièrement les bandes de fréquences se situant en dessous de la bande S, et employés dans des applications nécessitant de rayonner de la puissance, pouvant également être utilisés dans des antennes réseau. Elle s'applique notamment aux antennes utilisées dans des satellites de télécommunication.The present invention relates to the field of radiating elements, in particular for the low frequency bands, more particularly the frequency bands lying below the S band, and used in applications requiring the radiating of power, which can also be used in network antennas. It applies in particular to antennas used in telecommunication satellites.

Le terme "élément rayonnant" désigne une combinaison d'au moins un plan de masse rayonnant, de moyens d'excitation destinés à être alimentés en signaux, et d'une cavité résonante chargée, de rayonner de l'énergie représentative de ces signaux selon une longueur d'onde λ₀ choisie.The term "radiating element" denotes a combination of at least one radiating ground plane, excitation means intended to be supplied with signals, and a charged resonant cavity, of radiating energy representative of these signals according to a wavelength λ₀ chosen.

Les éléments rayonnants utilisés dans des antennes réseau doivent typiquement présenter l'une au moins des caractéristiques suivantes : une forte efficacité de surface et/ou un faible encombrement et une faible masse et/ou la capacité à être excité de manière compacte en simple ou bi-polarisation et/ou une bande passante compatible avec l'application visée.The radiating elements used in network antennas must typically have at least one of the following characteristics: a high surface efficiency and / or a small footprint and a low mass and / or the ability to be excited compactly in single or dual -polarization and / or a bandwidth compatible with the intended application.

La caractéristique de forte efficacité de surface est particulièrement importante dans des utilisations d'éléments rayonnants dans des antennes réseau, du fait qu'elle permet d'optimiser le gain et de réduire les niveaux des lobes secondaires et des lobes de réseau. Or, comme cela est explicité ci-après, cette caractéristique est difficilement compatible avec certaines des autres caractéristiques, et notamment celles de compacité et d'intégration, quelle que soit la bande de fréquence concernée.The feature of high surface efficiency is particularly important in uses of radiating elements in network antennas, because it optimizes the gain and reduces the levels of side lobes and lattice lobes. However, as explained below, this characteristic is hardly compatible with some of the other characteristics, and in particular those of compactness and integration, regardless of the frequency band concerned.

Le terme "antenne réseau" désigne aussi bien les antennes réseau actives à rayonnement direct que les antennes réseau focales, ces dernières ayant un ou plusieurs réflecteur(s) focalisant(s), avec un réseau de sources élémentaires placé dans la zone focale. Une telle géométrie d'antenne est communément désignée par le sigle FAFR correspondant à la terminologie anglaise "Focal Array Fed Reflector". Au sein d'une telle antenne, chaque faisceau ou "spot" est réalisé par le regroupement cohérent des signaux d'un sous-ensemble des sources élémentaires, avec des amplitudes et phases appropriées pour obtenir le diagramme d'antenne voulu, notamment la taille et la direction de visée du lobe principal de rayonnement.The term "network antenna" designates both active direct radiation network antennas and focal network antennas, the latter having one or more focusing reflectors, with an array of elementary sources placed in the focal zone. Such an antenna geometry is commonly referred to by the acronym FAFR corresponding to the English terminology "Focal Array Fed Reflector". Within such an antenna, each beam or "spot" is achieved by coherently grouping the signals of a subset of the elementary sources, with appropriate amplitudes and phases to obtain the desired antenna pattern, including the size and direction of aiming of the main lobe of radiation.

Dans les bandes de fréquences basses, comme par exemple la bande L ou S, les éléments rayonnants, quelles que soient les applications pour lesquelles ils sont destinés, visent à suppléer les cornets, trop encombrants. Les cornets les plus compacts sont de type cornet de Potter; ils ont une dimension longitudinale typiquement supérieure à 3λ₀, où λ₀ est la longueur d'onde dans le vide; par exemple, λ₀ est de l'ordre de 150 mm en bande S. Ces cornets de Potter sont limités en ouverture rayonnante, et donc en gain. De plus grandes dimensions nécessitent des longueurs plus importantes. Par conséquent, les cornets de Potter présentent un encombrement longitudinal significatif, ainsi qu'une masse importante.In the low frequency bands, such as the L or S band, the radiating elements, whatever the applications for which they are intended, are intended to supply the cones, too bulky. The most compact horns are of the Potter horn type; they have a longitudinal dimension typically greater than 3λ₀ , where λ₀ is the wavelength in vacuum; for example, λ₀ is of the order of 150 mm in S-band. These Potter's horns are limited in radiating aperture, and thus in gain. Larger dimensions require longer lengths. As a result, Potter's turbinates have significant longitudinal bulk, as well as a large mass.

Les sous-réseaux, par exemple planaires dans le cas d'applications spatiales, ne sont également pas satisfaisants, en terme de pertes et de compatibilité à des fonctionnements à forte puissance.Subnets, for example planar in the case of space applications, are also not satisfactory, in terms of losses and compatibility with high power operations.

Un premier type de sous-réseau planaire consiste en des éléments rayonnants de type pavé, encore désignés "patches" selon la terminologie anglaise, reliés par un répartiteur triplaque. Ce répartiteur est relativement complexe et permet difficilement de réaliser un sous-réseau permettant la bipolarisation, voire un fonctionnement bi-bande. Les pertes générées dans ce réseau peuvent être également significatives.A first type of planar subnetwork consists of radiating elements of cobblestone type, also called "patches" according to English terminology, connected by a triplate splitter. This splitter is relatively complex and makes it difficult to achieve a sub-network allowing bipolarization or even a dual-band operation. The losses generated in this network can also be significant.

Un second type de sous-réseau, notamment décrit dans la demande de brevet français publiée sous la référenceFR2767970, consiste en la combinaison d'un résonateur excitateur de type pavé et de pavés parasites qui constituent des éléments rayonnants connus sous le sigle ERDV, pour "Elément Rayonnant à Directivité Variable". Ce second type permet de s'affranchir du répartiteur, et donc de simplifier notablement sa définition, ainsi que de repolariser en circulaire les champs lorsque les pavés, ou "patches", sont chanfreinés et que la polarisation est circulaire. Mais, sa mise en oeuvre pour des ouvertures supérieures à 1,5 fois la longueur d'onde nominale de fonctionnement est complexe. Ce concept repose en outre sur une technologie de type micro-ruban qui peut être incompatible de fortes puissances.A second type of sub-network, in particular described in the French patent application published under the reference FR2767970 , consists of the combination of an exciter type resonator and cobblestones which constitute radiating elements known under the acronym ERDV, for "Radiant Element with Variable Directivity". This second type makes it possible to dispense with the splitter, and thus to significantly simplify its definition, as well as to repolarize in circular fields when the blocks, or "patches", are chamfered and the polarization is circular. But, its implementation for openings greater than 1.5 times the nominal operating wavelength is complex. This concept is also based on a micro-ribbon technology that can be incompatible with high power.

Une simplification aux sous-réseaux du second type a été proposée. Elle consiste à remplacer, d'une part, les pavés parasites par une grille métallique réalisant une interface semi-réfléchissante facilitant l'établissement du champ électromagnétique dans la cavité, et d'autre part, le pavé excitateur par un excitateur guidé, de manière à définir une cavité de type Pérot-Fabry, comme dans le cas d'un ERDV. L'élément rayonnant est alors entièrement métallique, compatible avec des applications requérant une forte puissance, beaucoup plus simple à définir qu'un élément ERDV classique, et permet d'atteindre des ouvertures rayonnantes plus importantes qu'un élément ERDV classique. Cependant, un tel élément rayonnant possède deux inconvénients : l'obtention d'ouvertures rayonnantes de dimensions importantes nécessite des grilles de fortes réflectivités, pour que le champ électromagnétique s'établisse dans la cavité de type Pérot-Fabry. L'utilisation de ces fortes réflectivités génère un retour important du signal vers le guide d'accès, et l'adaptation de l'élément rayonnant est très délicate et valide seulement sur une bande de fréquence très étroite. D'autre part, lorsqu'une forte efficacité de surface est requise, il est alors nécessaire, pour insérer l'élément rayonnant dans une antenne réseau, de contraindre l'expansion du champ électromagnétique dans la cavité, par l'intermédiaire de parois métalliques. Ces dernières induisent une distribution non uniforme du champ dans la cavité métallique. Certes, l'utilisation de grilles à pas variable permet d'améliorer la distribution du champ en provoquant une réflexion plus importante au centre qu'en périphérie, mais alors la structure complète devient très difficile à adapter.A simplification to the subnetworks of the second type has been proposed. It consists in replacing, on the one hand, the parasitic blocks by a metal grid realizing a semi-reflective interface facilitating the establishment of the electromagnetic field in the cavity, and on the other hand, the exciter pad by a guided exciter, so to define a Pérot-Fabry cavity, as in the case of an ERDV. The radiating element is then entirely metallic, compatible with applications requiring a high power, much simpler to define than a conventional ERDV element, and makes it possible to reach larger radiating openings than a conventional ERDV element. However, such a radiating element has two disadvantages: obtaining large radiating openings requires grids of high reflectivities, so that the electromagnetic field is established in the Perot-Fabry type cavity. The use of these strong reflectivities generates a significant return of the signal towards the access guide, and the adaptation of the radiating element is very delicate and valid only on a very narrow frequency band. On the other hand, when a high surface efficiency is required, it is then necessary, to insert the radiating element in a network antenna, to constrain the expansion of the electromagnetic field in the cavity, via metal walls. . These induce a non-uniform distribution of the field in the metal cavity. Admittedly, the use of variable pitch grids makes it possible to improve the distribution of the field by causing greater reflection at the center than at the periphery, but then the complete structure becomes very difficult to adapt.

Une solution est proposée dans la demande de brevet français publiée sous la référenceFR2901062. Un des modes de réalisation qui y est présenté, décrit ci-après en détails en référence à lafigure 2, comprend un empilement de deux cavités à air de type Pérot-Fabry, permettant une grande compacité, tout en conférant un fort rendement de surface ainsi qu'une compatibilité avec des signaux de forte puissance. L'empilement de deux cavités permet de relâcher le coefficient de surtension de la cavité excitatrice, et de réduire ainsi les retours dans l'accès, pour permettre une meilleure adaptation. Cependant une telle structure est propice à l'excitation de modes supérieurs, notamment générés par la discontinuité présente à l'interface des deux cavités empilées. Ces modes supérieurs nuisent au diagramme de rayonnement de l'antenne. La demande de brevetFR2901062 précitée propose de pallier ce problème par l'usage de parois latérales pour les cavités, au sein desquels sont réalisés des reliefs adéquats. Les reliefs peuvent par exemple être réalisés sous la forme de corrugations longitudinales. Néanmoins, de telles corrugations sont difficiles à réaliser, et sont relativement encombrantes. En outre, il peut s'avérer nécessaire en pratique de charger ces corrugations d'un diélectrique, ce qui rend leur réalisation plus complexe, et peut générer des problèmes dans un environnement spatial, ou dans lequel il est nécessaire de traiter des signaux de forte puissance.A solution is proposed in the French patent application published under the reference FR2901062 . One of the embodiments presented therein, described below in detail with reference to the figure 2 , includes a stack two air cavities type Perot-Fabry, allowing great compactness, while giving a high surface efficiency and compatibility with high power signals. The stack of two cavities makes it possible to release the coefficient of overvoltage of the exciter cavity, and thus to reduce the returns in the access, to allow a better adaptation. However such a structure is conducive to the excitation of higher modes, in particular generated by the discontinuity present at the interface of the two stacked cavities. These higher modes interfere with the antenna's radiation pattern. The patent application FR2901062 above proposes to overcome this problem by the use of side walls for the cavities, in which are made adequate reliefs. The reliefs may for example be made in the form of longitudinal corrugations. Nevertheless, such corrugations are difficult to achieve, and are relatively bulky. In addition, it may be necessary in practice to load these corrugations of a dielectric, which makes their realization more complex, and can generate problems in a space environment, or in which it is necessary to process strong signals. power.

Enfin, il est nécessaire d'associer à des éléments rayonnants d'antennes des dispositifs de polarisation. Par exemple, les éléments rayonnants doivent pouvoir être excités en simple polarisation et/ou en bipolarisation et/ou en polarisation circulaire. D'une manière typique, dans les antennes comprenant des éléments rayonnants de type cornet, la dimension du polariseur est du même ordre de grandeur que la dimension du cornet. Ainsi, l'encombrement des antennes est fortement impacté par l'adjonction de polariseurs.Finally, it is necessary to associate polarization devices with antennas. For example, the radiating elements must be able to be excited in single polarization and / or in bipolarization and / or in circular polarization. Typically, in antennas comprising horn type radiators, the size of the polarizer is of the same order of magnitude as the size of the horn. Thus, the size of the antennas is strongly impacted by the addition of polarizers.

Un but de la présente invention est de pallier au moins les inconvénients précités, en proposant un élément rayonnant à cavités résonantes à fort rendement de surface, dont la structure est particulièrement compacte, et confère un compromis optimal entre une forte efficacité de surface, un faible encombrement et une faible masse, ainsi que la capacité à être excité en simple polarisation ou en bipolarisation.An object of the present invention is to overcome at least the aforementioned drawbacks, by proposing a radiating element with resonant cavities with high surface efficiency, whose structure is particularly compact, and confers an optimal compromise between a high surface efficiency, a low congestion and low mass, as well as the ability to be excited in single polarization or bipolarization.

A cet effet, la présente invention a pour objet un élément rayonnant comprenant au moins deux cavités résonantes concentriques, formées par une cavité inférieure alimentée par des moyens d'excitation, et une cavité supérieure empilée sur la cavité inférieure, chacune desdites cavités résonantes étant délimitée en sa partie inférieure par un plan de masse, en sa partie latérale par une paroi latérale essentiellement cylindrique ou conique, au moins la cavité supérieure étant délimitée en sa partie supérieure par un premier capot essentiellement plan, l'élément rayonnant étant caractérisé en ce que des corrugations essentiellement de forme cylindrique et concentriques des cavités résonantes, sont formées sensiblement en dessous du premier plan de masse de la cavité résonante supérieure.For this purpose, the subject of the present invention is a radiating element comprising at least two concentric resonant cavities, formed by a lower cavity fed by excitation means, and an upper cavity stacked on the lower cavity, each of said resonant cavities being delimited. in its lower part by a ground plane, in its lateral part by a substantially cylindrical or conical side wall, at least the upper cavity being delimited at its upper part by a first substantially plane cover, the radiating element being characterized in that essentially cylindrical and concentric corrugations of the resonant cavities are formed substantially below the first ground plane of the upper resonant cavity.

Dans un mode de réalisation de l'invention, les parois latérales peuvent être de forme essentiellement cylindrique.In one embodiment of the invention, the sidewalls may be substantially cylindrical in shape.

Dans un mode de réalisation de l'invention, les parois latérales peuvent être de forme essentiellement conique.In one embodiment of the invention, the sidewalls may be substantially conical in shape.

Dans un mode de réalisation de l'invention, la cavité inférieure peut être également délimitée en sa partie supérieure, sensiblement au niveau de la partie inférieure de la cavité supérieure, par un second capot.In one embodiment of the invention, the lower cavity may also be delimited at its upper part, substantially at the level of the lower part of the upper cavity, by a second cap.

Dans un mode de réalisation de l'invention, les plans de masse, les capots, les parois latérales et les corrugations peuvent être essentiellement réalisées dans un matériau métallique.In one embodiment of the invention, the ground planes, the covers, the side walls and the corrugations may be essentially made of a metallic material.

Dans un mode de réalisation de l'invention, les capots peuvent être formés par une surface partiellement réfléchissante.In one embodiment of the invention, the covers may be formed by a partially reflecting surface.

Dans un mode de réalisation de l'invention, les capots peuvent être formés par une grille métallique.In one embodiment of the invention, the covers may be formed by a metal grid.

Dans un mode de réalisation de l'invention, les capots peuvent être formés par un matériau diélectrique.In one embodiment of the invention, the covers may be formed by a dielectric material.

Dans un mode de réalisation de l'invention, l'élément rayonnant peut être caractérisé en ce qu'un radome polarisant est réalisé en la partie supérieure de la cavité supérieure.In one embodiment of the invention, the radiating element may be characterized in that a polarizing radome is formed in the upper part of the upper cavity.

Dans un mode de réalisation de l'invention, le radome polarisant peut être formé par deux surfaces sélectives de fréquence polarisantes dites FSS polarisantes essentiellement planes, disposées parallèlement l'une de l'autre, et parallèlement et sensiblement au-dessus dudit premier capot.In one embodiment of the invention, the polarizing radome may be formed by two polarizing frequency selective surfaces called FSS. polarizers substantially planar, arranged parallel to each other, and parallel and substantially above said first hood.

Dans un mode de réalisation de l'invention, chaque FSS polarisante peut être formée par une plaque métallique comprenant une pluralité de fentes.In one embodiment of the invention, each polarizing FSS may be formed by a metal plate having a plurality of slots.

Dans un mode de réalisation de l'invention, chaque FSS polarisante peut être formée par une plaque métallique comprenant une pluralité de cellules fentes en croix.In one embodiment of the invention, each polarizing FSS may be formed by a metal plate comprising a plurality of cross-slot cells.

Dans un mode de réalisation de l'invention, chaque FSS polarisante peut être formée par une plaque métallique comprenant une pluralité de cellules fentes en croix disposées selon un motif périodique sur la surface de la plaque métallique.In one embodiment of the invention, each polarizing FSS may be formed by a metal plate comprising a plurality of cross-slotted cells arranged in a periodic pattern on the surface of the metal plate.

Dans un mode de réalisation de l'invention, les parois latérales et les corrugations peuvent être cylindriques à section circulaire.In one embodiment of the invention, the side walls and the corrugations may be cylindrical with circular section.

Dans un mode de réalisation de l'invention, lesdits moyens d'excitation peuvent comprendre au moins un guide d'alimentation concentrique des cavités résonantes et débouchant directement, ou via des moyens d'adaptation, dans la cavité inférieure.In one embodiment of the invention, said excitation means may comprise at least one concentric supply guide of the resonant cavities and opening directly, or via adaptation means, into the lower cavity.

Dans un mode de réalisation de l'invention, lesdits moyens d'excitation peuvent comprendre au moins une alimentation double formée par deux guides d'onde latéraux débouchant de manière symétrique par rapport à l'axe principal de la cavité inférieure, sensiblement au niveau de la paroi latérale de la cavité inférieure, les signaux convoyés par les moyens d'excitation étant accordés en phase de manière à ce que les modes supérieurs indésirables soient filtrés.In one embodiment of the invention, said excitation means may comprise at least one double feed formed by two lateral waveguides opening symmetrically with respect to the main axis of the lower cavity, substantially at the level of the side wall of the lower cavity, the signals conveyed by the excitation means being tuned in phase so that the unwanted upper modes are filtered.

Dans un mode de réalisation de l'invention, lesdits moyens d'excitation peuvent comprendre au moins un guide d'alimentation concentrique des cavités résonantes et débouchant directement, ou via des moyens d'adaptation, dans la cavité inférieure, et au moins une alimentation double formée par deux guides d'onde latéraux débouchant de manière symétrique par rapport à l'axe principal de la cavité inférieure, sensiblement au niveau de la paroi latérale de la cavité inférieure, les signaux convoyés par les moyens d'excitation étant accordés en phase de manière à ce que les modes supérieurs indésirables soient filtrés.In one embodiment of the invention, said excitation means may comprise at least one concentric supply guide of the resonant cavities and opening directly, or via adaptation means, into the lower cavity, and at least one power supply. double formed by two lateral waveguides opening symmetrically with respect to the main axis of the lower cavity, substantially at the sidewall of the lower cavity, the signals conveyed by the excitation means being tuned in phase so that the unwanted top modes are filtered.

Dans un mode de réalisation de l'invention, un radome polarisant peut être réalisé au-dessus de la cavité supérieure, le radome polarisant étant essentiellement de forme cylindrique et concentrique des cavités résonantes.In one embodiment of the invention, a polarizing radome can be made above the upper cavity, the polarizing radome being substantially cylindrical and concentric resonant cavities.

Dans un mode de réalisation de l'invention, le radome polarisant peut être essentiellement de forme cylindrique à section carrée.In one embodiment of the invention, the polarizing radome may be substantially cylindrical in shape with a square section.

La présente invention a également pour objet une antenne réseau caractérisée en ce qu'elle comprend un ou une pluralité d'éléments rayonnants tels que décrits ci-dessus.The present invention also relates to a network antenna characterized in that it comprises one or a plurality of radiating elements as described above.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description, donnée à titre d'exemple, faite en regard des dessins annexés qui représentent :

• lafigure 1, un élément rayonnant à cavité à air unique, de structure en elle-même connue de l'état de la technique ;
• lafigure 2, un élément rayonnant à empilement de deux cavités à air, de structure en elle-même connue de l'état de la technique ;
• lesfigures 3a et 3b, un élément rayonnant selon un exemple de réalisation de l'invention, respectivement en vue en coupe latérale et en vue de dessus ;
• lafigure 4, un élément rayonnant selon un autre exemple de réalisation de l'invention, dans une vue en coupe latérale ;
• lafigure 5, un élément rayonnant selon un autre exemple de réalisation de l'invention, dans une vue en coupe latérale ;
• lesfigures 6a et 6b, un élément rayonnant selon un autre exemple de réalisation de l'invention, respectivement dans une vue en coupe latérale, et dans une vue en perspective.

Other features and advantages of the invention will appear on reading the description, given by way of example, with reference to the appended drawings which represent:

• the figure 1 a radiating element with a single air cavity, of a structure that is itself known from the state of the art;
• the figure 2 a radiating element with a stack of two air cavities, with a structure of itself known from the state of the art;
• the Figures 3a and 3b , a radiating element according to an exemplary embodiment of the invention, respectively in lateral sectional view and in top view;
• the figure 4 , a radiating element according to another embodiment of the invention, in a side sectional view;
• the figure 5 , a radiating element according to another embodiment of the invention, in a side sectional view;
• the Figures 6a and 6b , a radiating element according to another embodiment of the invention, respectively in a side sectional view, and in a perspective view.

Lafigure 1 présente un élément rayonnant à cavité à air unique, de type Pérot-Fabry, selon un mode de réalisation en lui-même connu de l'état de la technique et décrit dans la demande de brevetFR2901062 précitée.The figure 1 presents a single air cavity radiator element, of the Perot-Fabry type, according to an embodiment itself known from the state of the art and described in the patent application FR2901062 supra.

Un élément rayonnant 10, présenté en vue en coupe latérale dans un plan XZ sur la figure, peut comprendre une cavité résonante à air 11 entièrement délimitée par un plan de masse 110 en sa partie inférieure situé dans un plan XY, des parois latérales 111 et un capot 112 en sa partie supérieure. L'élément rayonnant 10 comprend des moyens d'excitation 12, pouvant être alimentés en signaux radiofréquence. Les moyens d'excitation 12 peuvent notamment comprendre un accès d'alimentation, par exemple formée par un guide d'onde métallique 121 dont l'axe principal est parallèle à l'axe Z, dont une des extrémités débouche sensiblement au niveau du plan de masse 110.A radiatingelement 10, shown in side sectional view in an XZ plane in the figure, may comprise an airresonant cavity 11 entirely delimited by aground plane 110 at its bottom part situated in an XY plane,side walls 111 and acover 112 at its upper part. The radiatingelement 10 comprises excitation means 12, which can be supplied with radiofrequency signals. The excitation means 12 may in particular comprise a supply port, for example formed by ametal waveguide 121 whose main axis is parallel to the Z axis, one of whose ends opens substantially at the level of the plane ofMass 110.

La cavité résonante à air 11 présente une section transverse, c'est-à-dire parallèle au plan XY, par exemple de forme carrée, circulaire, hexagonale, ou encore de toute autre forme qui soit compatible de la mise en réseau de l'élément rayonnant 10.The airresonant cavity 11 has a transverse section, that is to say parallel to the XY plane, for example square, circular, hexagonal, or any other form that is compatible with the networking of the radiatingelement 10.

Dans l'exemple de réalisation illustré par lafigure 1, les parois latérales 111 peuvent être de type "hard surface", c'est-à-dire par exemple réalisées dans un matériau métallique, dans lequel sont formés des sillons longitudinaux disposés de part et d'autre de nervures longitudinales. Les sillons longitudinaux peuvent être remplis au moins partiellement d'un matériau diélectrique. Les sillons longitudinaux et les nervures peuvent définir une structuration longitudinale périodique. Ainsi que cela est évoqué précédemment, une telle structuration est difficile à réaliser en pratique, et présente un encombrement important. En outre la réalisation d'une telle structuration est complexifiée par la nécessité de charger d'un matériau diélectrique les sillons longitudinaux.In the exemplary embodiment illustrated by the figure 1 , theside walls 111 may be of the "hard surface" type, that is to say for example made of a metallic material, in which longitudinal grooves are formed on either side of longitudinal ribs. The longitudinal grooves can be filled at least partially with a dielectric material. Longitudinal furrows and ribs can define periodic longitudinal structuring. As mentioned above, such a structuring is difficult to achieve in practice, and has a large footprint. In addition, the realization of such structuring is complicated by the need to load a dielectric material longitudinal grooves.

Le capot 112 peut par exemple être réalisé dans un matériau diélectrique fin ou épais. Le matériau diélectrique peut par exemple comprendre une face dans laquelle est formée une grille métallique formant une surface semi-réfléchissante permettant d'augmenter l'excitation de la cavité résonante à air 11 par les signaux. Le matériau diélectrique peut également comprendre une face sur laquelle est formé un pavé métallique, dit "patch", ou un réseau de pavés métalliques, afin d'induire une résonance complémentaire à celle de la cavité résonante à air 11. Egalement, le capot 112 peut être réalisé dans un matériau métallique dans lequel est formée une grille métallique. La grille formée dans le capot 112 peut avantageusement présenter un pas variable dans au moins une direction choisie.Thecover 112 may for example be made of a thin or thick dielectric material. The dielectric material may for example comprise a face in which is formed a metal grid forming a semi-reflecting surface for increasing the excitation of the airresonant cavity 11 by the signals. The dielectric material may also comprise a face on which is formed a metal pad, said "patch", or a network of metal blocks, in order to induce a resonance complementary to that of the airresonant cavity 11. Also, thecover 112 can be made of a metallic material in which is formed a metal grid. The gate formed in thecover 112 may advantageously have a variable pitch in at least one selected direction.

Lafigure 2 présente un élément rayonnant à empilement de deux cavités à air de type Pérot-Fabry, selon un mode de réalisation en lui-même connue de l'état de la technique et décrit dans la demande de brevetFR2901062 précitée.The figure 2 has a stacking radiating element of two air cavities of the Perrot-Fabry type, according to an embodiment itself known from the state of the art and described in the patent application FR2901062 supra.

Un élément rayonnant 20 peut comporter deux cavités résonantes à air 21 et 22 concentriques mises en cascade ; une cavité supérieure 21 disposée au-dessus d'une cavité inférieure 22. Cette mise en cascade permet d'exciter par l'accès d'alimentation une cavité inférieure 22 de dimensions réduites, et ainsi de limiter l'excitation de modes supérieurs dans cette cavité inférieure 22, puis par couplage dans la cavité supérieure 21. Le rayonnement peut ainsi être mieux maîtrisé, notamment dans le cas d'éléments rayonnants 20 d'ouvertures larges. Elle permet également de réduire les réflectivités des capots 212 et 222, et donc de coupler plus efficacement l'élément rayonnant 20 à l'accès d'alimentation. Les pertes par réflexion dans le guide d'accès sont réduites, et ainsi l'adaptation de l'impédance d'entrée de l'élément rayonnant 20 est facilitée.A radiating element 20 may comprise two concentric airresonant cavities 21 and 22 cascaded; anupper cavity 21 disposed above alower cavity 22. This cascading is used to excite by the feed port alower cavity 22 of reduced dimensions, and thus to limit the excitation of higher modes in thislower cavity 22, then by coupling in theupper cavity 21. The radiation can be better controlled, especially in the case of radiating elements 20 wide openings. It also makes it possible to reduce the reflectivities of thecovers 212 and 222, and thus to more effectively couple the radiating element 20 to the supply access. The reflection losses in the access guide are reduced, and thus the adaptation of the input impedance of the radiating element 20 is facilitated.

La cavité supérieure 21 présente sensiblement la même structure que la cavité inférieure 22. D'une manière similaire à la structure à une cavité décrite précédemment en référence à lafigure 1, l'élément rayonnant 20 comprend des moyens d'excitation 12, ceux-ci étant aptes à alimenter la cavité inférieure 22. La section transverse de la cavité supérieure 21 est supérieure à celle de la cavité inférieure 22.Theupper cavity 21 has substantially the same structure as thelower cavity 22. In a manner similar to the cavity structure described above with reference to the figure 1 , the radiating element 20 comprises excitation means 12, these being able to feed thelower cavity 22. The transverse section of theupper cavity 21 is greater than that of thelower cavity 22.

La cavité supérieure 21 est délimitée dans le plan XY par une première paroi latérale 211, et couverte en sa partie supérieure par un premier capot 212. La première paroi latérale 211 peut être solidarisée à un premier plan de masse 210, par exemple formé sur la surface inférieure d'un premier substrat SBT. De la même manière, la cavité inférieure 22 est délimitée par une seconde paroi latérale 221 et couverte par un second capot 222. La seconde paroi latérale 221 peut être solidarisée à un second plan de masse 220, pouvant être formé sur la surface inférieure d'un second substrat SBT'. Le premier 212 et la première paroi latérale 211 peuvent être réalisés selon la configuration décrite précédemment en référence à lafigure 1. Le premier substrat SBT et le premier plan de masse 210 peuvent comporter une ouverture traversante apte à loger le second capot 222 de la cavité inférieure 22. Ainsi que cela est illustré par lafigure 2, les capots 212 et 222 peuvent chacun comporter une grille métallique 213, 223, plus généralement ceux-ci peuvent comporter des surfaces partiellement réfléchissantes.Theupper cavity 21 is delimited in the XY plane by afirst side wall 211, and covered at its upper part by afirst cover 212. Thefirst side wall 211 may be secured to afirst ground plane 210, for example formed on the lower surface of a first SBT substrate. In the same way, thelower cavity 22 is delimited by a secondlateral wall 221 and covered by asecond cover 222. The secondlateral wall 221 can be secured to a second ground plane 220, which can be formed on the lower surface of a second substrate SBT '. The first 212 and thefirst side wall 211 may be made according to the configuration described above with reference to the figure 1 . The first substrate SBT and thefirst ground plane 210 may include a through opening adapted to house thesecond cover 222 of thelower cavity 22. As illustrated by the figure 2 , thecovers 212 and 222 may each comprise ametal grid 213, 223, more generally they may comprise partially reflecting surfaces.

Les exemples de réalisation de la présente invention décrits en détail ci-après en référence aux figures suivantes, s'appliquent à une structure comprenant au moins deux cavités résonantes empilées, cependant ceux-ci peuvent également s'appliquer à des structures comprenant un empilement d'une pluralité de cavités résonantes à air. La présente invention propose de ne pas recourir aux parois latérales des cavités résonantes pour pallier les problèmes liés aux modes supérieurs électromagnétiques.The embodiments of the present invention described in detail hereinafter with reference to the following figures, apply to a structure comprising at least two stacked resonant cavities, however these can also be applied to structures comprising a stack of a plurality of air resonant cavities. The present invention proposes not to use the side walls of the resonant cavities to overcome the problems related to the upper electromagnetic modes.

Lesfigures 3a et 3b présentent un élément rayonnant selon un exemple de réalisation de l'invention, respectivement en vue en coupe latérale et en vue de dessus.The Figures 3a and 3b have a radiating element according to an exemplary embodiment of the invention, respectively in a sectional side view and a top view.

Dans l'exemple illustré par lafigure 3a, un élément rayonnant 30 présenté en coupe dans le plan XZ, peut comprendre une cavité supérieure 31 pouvant être concentrique d'une cavité inférieure 32, la cavité supérieure 31 étant empilée sur la cavité inférieure 32, d'une manière similaire à l'exemple décrit précédemment en référence à lafigure 2. Il est à noter que les cavités 31, 32 sont essentiellement cylindriques dans les modes de réalisation donnés à titres d'exemples et décrits par les figures. Des modes de réalisation alternatifs peuvent également comprendre des cavités 31, 32 de forme essentiellement conique. La cavité inférieure 32 peut être alimentée par des moyens d'excitation, par exemple un guide d'onde métallique 33, de forme cylindrique dans l'exemple illustré par la figure. La cavité supérieure 31 peut être délimitée en sa partie supérieure par un premier capot 312, en sa partie latérale par une première paroi latérale 311, et en sa partie inférieure par un premier plan de masse 310. De la même manière, la cavité inférieure 32 peut être délimitée en sa partie supérieure par un second capot 322, en sa partie latérale par une seconde paroi latérale 312, et en sa partie inférieure par un second plan de masse 320. Les plans de masse 310, 320 peuvent par exemple être réalisés dans un matériau métallique. Egalement, les parois latérales 311, 321 peuvent être réalisées dans un matériau métallique, et être exemptes de diélectriques et/ou de reliefs. Une ouverture peut être réalisée dans le premier plan de masse 310, de surface correspondant sensiblement à la surface de la cavité inférieure 32 dans le plan XY, ladite ouverture laissant place au second capot 322. Les capots 312, 322 peuvent être formés par des surfaces partiellement réfléchissantes, par exemple par des grilles 313, 323. Par exemple pour des applications nécessitant un rayonnement suivant une seule polarisation, les grilles 313, 323 peuvent être des grilles unidimensionnelles, telles que des réseaux de fils, les fils étant alignés avec la polarisation d'excitation. Dans des applications nécessitant un rayonnement en double polarisation, les grilles 313, 323 doivent avoir des caractéristiques de réflectivité identiques pour les deux polarisations d'excitation, ce sont donc des grilles bidimensionnelles, dont il n'est pas nécessaire que l'alignement corresponde à celui des polarisations d'excitation.In the example illustrated by the figure 3a , a radiatingelement 30 presented in section in the XZ plane, may comprise anupper cavity 31 concentric with alower cavity 32, theupper cavity 31 being stacked on thelower cavity 32, in a manner similar to the example described above with reference to the figure 2 . It is to highlight that thecavities 31, 32 are essentially cylindrical in the embodiments given by way of examples and described in the figures. Alternative embodiments may also includecavities 31, 32 of substantially conical shape. Thelower cavity 32 may be powered by excitation means, for example ametallic waveguide 33, of cylindrical shape in the example illustrated by the figure. Theupper cavity 31 may be delimited at its upper part by afirst cover 312, in its lateral part by afirst side wall 311, and in its lower part by afirst ground plane 310. In the same way, thelower cavity 32 may be delimited at its upper part by asecond cover 322, in its lateral part by asecond side wall 312, and in its lower part by asecond ground plane 320. The ground planes 310, 320 may for example be made in a metallic material. Also, theside walls 311, 321 may be made of a metallic material, and be free of dielectrics and / or reliefs. An opening may be made in thefirst ground plane 310, of surface substantially corresponding to the surface of thelower cavity 32 in the XY plane, said opening giving way to thesecond cover 322. Thecovers 312, 322 may be formed by surfaces partially reflective, for example bygrids 313, 323. For example for applications requiring radiation in a single polarization, thegrids 313, 323 may be one-dimensional grids, such as son networks, the son being aligned with the polarization excitation. In applications requiring double-polarization radiation, thegrids 313, 323 must have identical reflectivity characteristics for the two excitation polarizations, so they are two-dimensional grids, the alignment of which does not have to correspond to that of the excitation polarizations.

Le guide d'onde 33 peut par exemple déboucher à fleur du fond de la cavité inférieure 32, ou bien déboucher dans la cavité inférieure 32, en dépassant légèrement du fond de celle-ci. Egalement, il peut être envisagé de faire recours à des moyens d'adaptation, par exemple par iris.For example, thewaveguide 33 may emerge flush with the bottom of thelower cavity 32, or open into thelower cavity 32, slightly protruding from the bottom of the latter. Also, it may be envisaged to resort to means of adaptation, for example by iris.

Dans un mode de réalisation alternatif, non représenté sur les figures, il est également possible de former des moyens d'excitation par alimentations doubles par le côté, respectivement pour des applications requérant une simple polarisation ou une polarisation multiple. Egalement, une excitation en polarisation double peut être obtenue par une alimentation par le dessous telle que décrite ci-dessus, conjointement à une alimentation double par le côté. Les alimentations doubles débouchent à l'orthogonale de la surface latérale de la cavité inférieure 32, et à l'opposé l'une de l'autre par rapport à l'axe principal. Dans ces divers modes de réalisation, chaque alimentation double est associée à un unique accès par exemple au moyen d'un répartiteur adéquat, et toutes les alimentations sont excitées de manière cohérente, de sorte que les excitations des modes supérieurs indésirables soient filtrées. De telles structures permettent d'utiliser l'élément rayonnant pour des applications nécessitant une polarisation double.In an alternative embodiment, not shown in the figures, it is also possible to form excitation means by double feeds from the side, respectively for applications requiring a simple polarization or multiple polarization. Also, double polarization excitation can be achieved by a bottom feed as described above, together with a double feed from the side. The dual power supplies open orthogonal to the lateral surface of thelower cavity 32, and opposite each other with respect to the main axis. In these various embodiments, each dual power supply is associated with a single access, for example by means of a suitable splitter, and all the power supplies are excited in a coherent manner, so that the excitations of the unwanted higher modes are filtered. Such structures make it possible to use the radiating element for applications requiring double polarization.

Selon une particularité de la présente invention, des corrugations 300 peuvent être formées, sensiblement en dessous du premier plan de masse 310. Les corrugations 300 peuvent être réalisées dans un matériau métallique, et peuvent être de forme cylindrique, concentriques des cavités résonantes 31, 32. Dans l'exemple illustré par lesfigures 3a et 3b, deux corrugations 300 cylindriques sont représentées. Dans des modes de réalisation alternatifs, une corrugation cylindrique peut être envisagée. Egalement, plus de deux corrugations cylindriques peuvent être disposées sous la cavité résonante supérieure 31 ; il peut être avantageux dans un tel cas de recourir à une pluralité de corrugations 300 disposées de manière périodique, c'est-à-dire que l'écartement entre deux corrugations concentriques voisines demeure constant.According to a feature of the present invention,corrugations 300 may be formed, substantially below thefirst ground plane 310. Thecorrugations 300 may be made of a metallic material, and may be of cylindrical shape, concentric of theresonant cavities 31, 32 In the example illustrated by the Figures 3a and 3b twocylindrical corrugations 300 are shown. In alternative embodiments, cylindrical corrugation may be contemplated. Also, more than two cylindrical corrugations may be disposed under the upperresonant cavity 31; it may be advantageous in such a case to use a plurality ofcorrugations 300 disposed periodically, that is to say that the spacing between two adjacent concentric corrugations remains constant.

D'une manière générale, il est nécessaire de recourir à un plus grand nombre de corrugations 300, si la taille latérale de la cavité résonante supérieure 31 est plus grande. La position d'une corrugation 300 peut par exemple être caractérisée par sa distance r_C par rapport à l'axe principal de l'élément rayonnant 30. Le dimensionnement des corrugations 300 peut être caractérisé par leur hauteur I_C, leur épaisseur d_C. Dans le cas où plusieurs corrugations 300 concentriques disposées de manière périodique sont utilisées, l'écartement entre des corrugations voisines peut être caractérisé par la période a_C.In general, it is necessary to resort to a greater number ofcorrugations 300, if the lateral size of the upperresonant cavity 31 is larger. The position of acorrugation 300 may, for example, be characterized by its distance r_C with respect to the main axis of the radiatingelement 30. The dimensioning of thecorrugations 300 may be characterized by their height I_C , their thickness d_C. In the case where severalconcentric corrugations 300 arranged periodically are used, the spacing between adjacent corrugations can be characterized by the period a_C.

La hauteur I_C des corrugations 300 permet un contrôle de la bande de fréquence où le mode supérieur est supprimé. Il est par exemple avantageux de choisir la hauteur I_C de l'ordre du quart de la longueur d'onde nominale λ₀ de fonctionnement de l'élément rayonnant 30, cette valeur permettant une suppression du mode supérieur.The height I_C corrugations 300 allows control of the frequency band where the higher mode is deleted. It is for example advantageous to choose the height I_C of the order of a quarter of the nominal wavelength λ₀ operating mode of the radiatingelement 30, this value allowing a deletion of the upper mode.

La position des corrugations, c'est-à-dire la valeur r_C, permet d'optimiser la symétrie axiale du diagramme de rayonnement de l'élément rayonnant 30, c'est-à-dire la similarité, souhaitée, entre les diagrammes de rayonnement dans le plan E et dans le plan H de l'onde éléctromagnétique rayonnée. Il peut être avantageux de choisir la valeur r_C de l'ordre de la longueur d'onde nominale λ₀.The position of the corrugations, that is to say the value r_C , makes it possible to optimize the axial symmetry of the radiation pattern of the radiatingelement 30, that is to say the desired similarity between the diagrams of radiation in the plane E and in the plane H of the radiated electromagnetic wave. It may be advantageous to choose the value r_C of the order of the nominal wavelength λ₀ .

Dans un exemple typique, il est par exemple possible de réaliser un élément rayonnant 30 destiné à fonctionner dans une bande de fréquence s'étalant de 2,48 GHz à 2,5 GHz, dont la cavité supérieure 31 est de forme cylindrique à section circulaire, d'un diamètre de l'ordre de 2,5xλ₀, comportant une unique corrugation 300 cylindrique à section circulaire, disposée à 118 mm de l'axe principal de l'élément rayonnant 30, d'une hauteur de 31 mm et d'une largeur de 3.7 mm. Le diamètre de la cavité inférieure 32 peut par exemple être inférieur à la moitié du diamètre de la cavité supérieure 31. Dans cet exemple typique, il est de l'ordre de 1λ₀. Une telle configuration permet d'atteindre un diagramme de rayonnement parfaitement axisymétrique, c'est à dire dont la largeur du lobe est constante quelque soit le plan d'observation, et également caractérisé par un niveau de lobe secondaire ou SLL inférieur à -20 dB. En outre, il possède des performances telles qu'une variation de directivité comprise entre 16 dB et 16,2 dB, une variation de l'efficacité de surface comprise entre 60% et 63%, un coefficient de réflexion |S₁₁| inférieur à -25 dB. En comparaison, un élément rayonnant de structure similaire ne comportant pas de corrugation est caractérisé par un diagramme de rayonnement non axisymétrique, avec un pincement du lobe dans le plan E associé à une remontée des lobe secondaire ou SLL, typiquement entre -13 et -10 dB dans la bande de fonctionnement.In a typical example, it is possible, for example, to produce a radiating element intended to operate in a frequency band ranging from 2.48 GHz to 2.5 GHz, theupper cavity 31 of which is cylindrical in shape with a circular cross-section. , with a diameter of the order of 2.5xλ₀ , comprising asingle corrugation 300 cylindrical circular section, disposed 118 mm from the main axis of the radiatingelement 30, a height of 31 mm and a width of 3.7 mm. The diameter of thelower cavity 32 may for example be less than half the diameter of theupper cavity 31. In this typical example, it is of the order of 1λ₀ . Such a configuration makes it possible to achieve a perfectly axisymmetric radiation pattern, ie with a constant lobe width regardless of the observation plane, and also characterized by a secondary lobe or SLL level of less than -20 dB. . In addition, it has performances such that a directivity variation of between 16 dB and 16.2 dB, a variation of the surface efficiency of between 60% and 63%, a reflection coefficient | S₁₁ | less than -25 dB. In comparison, a radiating element of similar structure without any corrugation is characterized by a non-axisymmetric radiation pattern, with a pinching of the lobe in the plane E associated with a rise in the secondary lobe or SLL, typically between -13 and -10 dB in the operating band.

Ainsi que cela est illustré par lafigure 3b, les cavités 31, 32, ainsi que les corrugations 300 peuvent être cylindriques de section circulaire. D'autres modes de réalisations de l'invention, non représentés dans les figures, peuvent par exemple comporter des cavités 31, 32 et/ou des corrugations 300 cylindriques de section non circulaire, par exemple de section carrée, rectangulaire, hexagonale, etc.As illustrated by the figure 3b thecavities 31, 32 and thecorrugations 300 may be cylindrical with a circular section. Other embodiments of the invention, not shown in the figures, may for example comprisecavities 31, 32 and / or corrugations. 300 cylindrical non-circular section, for example square, rectangular, hexagonal, etc.

Les réflectivités des surfaces partiellement réfléchissantes 313, 323 formées par les capots 312, 322 des cavités 31, 32 peuvent être ajustées afin d'obtenir des bandes d'adaptation et de rayonnement concomitantes. La cavité inférieure 32 peut être choisie de dimension plus réduite que la cavité supérieure 31. Par exemple, les surfaces partiellement réfléchissantes 313, 323 peuvent être formées par des grilles, et la réflectivité de la grille associée à la cavité inférieure 32 peut être de faible valeur, dans le but d'obtenir une bonne adaptation. La réflectivité de la cavité supérieure 31 peut être de valeur plus élevée, dans le but d'étaler le champ sur l'ouverture de l'élément rayonnant, et d'atteindre de fortes directivités.The reflectivities of the partially reflectingsurfaces 313, 323 formed by thecovers 312, 322 of thecavities 31, 32 may be adjusted to obtain concomitant matching and radiating bands. Thelower cavity 32 may be chosen smaller in size than theupper cavity 31. For example, the partially reflectingsurfaces 313, 323 may be formed by grids, and the reflectivity of the grid associated with thelower cavity 32 may be small. value, in order to obtain a good adaptation. The reflectivity of theupper cavity 31 may be of higher value, in order to spread the field over the opening of the radiating element, and achieve high directivities.

Des valeurs peuvent être données ici à titre d'exemple non limitatif de réalisation de l'invention : il est par exemple possible de réaliser un élément rayonnant 30 bande Ku de simple polarisation linéaire, avec corrugation 300, destiné à opérer dans une bande de fréquence s'étalant de 11,8 à 13,2 GHz, dont l'ouverture est de l'ordre de 1,85xλ₀, dont l'épaisseur, c'est-à-dire l'épaisseur cumulée des deux cavités résonantes 31, 32, est de l'ordre de λ₀, dont les capots 312, 322 sont respectivement formés par des grilles semi-réfléchissantes respectivement de coefficients de réflectivités (en puissance) égaux à 20% et à 30%. Une telle configuration permet d'atteindre un diagramme de rayonnement axisymétrique et caractérisé par un niveau de lobe secondaire ou SLL inférieur à -18 dB. En outre, il possède des performances telles qu'une variation de directivité comprise entre 14,59 dB et 15,39 dB, une variation de l'efficacité de surface comprise entre 71,9% et 77,6%, ainsi qu'un coefficient de réflexion |S₁₁| inférieur à -15,5 dB. En comparaison, un élément rayonnant de structure similaire ne comportant pas de corrugation est principalement différent en ce que le diagramme de rayonnement est non axisymétrique, et se caractérise par un pincement du lobe dans le plan E associé à une remontée des lobe secondaire ou SLL, typiquement entre -13 et -10 dB dans la bande de fonctionnement.Values can be given here by way of non-limiting example of embodiment of the invention: it is for example possible to produce a linear polarization Ku band radiator element withcorrugation 300 intended to operate in a frequency band. ranging from 11.8 to 13.2 GHz, whose opening is of the order of 1.85xλ₀ , the thickness of which, that is to say the cumulative thickness of the tworesonant cavities 31, 32, is of the order of λ₀ , whose covers 312, 322 are respectively formed by semi-reflective gates respectively reflectivity coefficients (power) equal to 20% and 30%. Such a configuration makes it possible to achieve an axisymmetric radiation pattern characterized by a secondary lobe or SLL level of less than -18 dB. In addition, it has performances such that a directivity variation of between 14.59 dB and 15.39 dB, a variation of the surface efficiency of between 71.9% and 77.6%, as well as a reflection coefficient |S₁₁ | less than -15.5 dB. In comparison, a radiating element of similar structure without corrugation is mainly different in that the radiation pattern is non-axisymmetric, and is characterized by a pinching of the lobe in the plane E associated with a rise of the secondary lobe or SLL, typically between -13 and -10 dB in the operating band.

Lafigure 4 présente un élément rayonnant selon un autre exemple de réalisation de l'invention, dans une vue en coupe latérale. Dans l'exemple de réalisation illustré par lafigure 4, un élément rayonnant 30 peut être réalisé suivant une structure identique à la structure décrite ci-dessus en référence auxfigures 3a et 3b, mais dans laquelle la cavité inférieure 32 ne comprend pas de capot. Une telle structure d'élément rayonnant ne comporte qu'une seule grille 313, et partant est plus simple et moins coûteuse à réaliser. La suppression de la grille dans la cavité inférieure 32 est en effet possible car la seule brusque transition entre la cavité inférieure 32 et la cavité supérieure 31 génère un phénomène de réflexion, une cavité résonante inférieure étant alors définie sans qu'une grille métallique ne soit nécessaire. Une telle structure est par exemple appropriée pour des ouvertures de l'élément rayonnant allant de 1 à 3 λ₀, par exemple pour des applications en bandes S ou Ku, la configuration étant donnée précédemment à titre d'exemple correspondant à une application en bande Ku.The figure 4 presents a radiating element according to another embodiment of the invention, in a side sectional view. In the exemplary embodiment illustrated by the figure 4 , a radiatingelement 30 can be realized following a structure identical to the structure described above with reference to the Figures 3a and 3b but wherein thelower cavity 32 does not include a hood. Such a radiating element structure comprises only onegate 313, and hence is simpler and less expensive to produce. The removal of the grid in thelower cavity 32 is indeed possible because the only sudden transition between thelower cavity 32 and theupper cavity 31 generates a reflection phenomenon, a lower resonant cavity then being defined without a metal grid being necessary. Such a structure is for example suitable for apertures of the radiating element ranging from 1 to 3 λ₀ , for example for S-band or Ku-band applications, the configuration being given previously by way of example corresponding to a band application. Ku.

Ainsi que cela est évoqué précédemment, il est avantageusement possible de conférer à un élément rayonnant selon l'invention, une plus grande compacité, en s'affranchissant de l'encombrement additionnel imposé par un dispositif de polarisation ou polariseur. Lafigure 5 présente un exemple de réalisation avantageux, dans lequel un polariseur est intégré à la structure-même de l'élément rayonnant.As mentioned above, it is advantageously possible to confer on a radiating element according to the invention a greater compactness, by avoiding the additional bulk imposed by a polarization device or polarizer. The figure 5 presents an advantageous embodiment, in which a polarizer is integrated in the actual structure of the radiating element.

En référence à lafigure 5, un élément rayonnant 50 représenté dans une vue en coupe latérale dans un plan XZ, peut être réalisé selon une structure similaire aux structures de l'élément rayonnant 30 décrites précédemment en référence auxfigures 3a, 3b et 4. Dans l'exemple illustré par lafigure 5, une structure similaire à la structure illustrée par lafigure 4 est choisie. L'élément rayonnant 50 comprend ainsi notamment une cavité inférieure 32 alimentée par des moyens d'excitation formés par un guide d'onde 33. La cavité supérieure 31 est couverte par un capot formé par une grille 313 constituant une surface partiellement réfléchissante. Dans l'exemple illustré par la figure, une corrugation simple est réalisée sensiblement sous la cavité supérieure 31. Selon une particularité du mode de réalisation illustré par lafigure 5, un radome polarisant 51 peut être réalisé dans la partie supérieure de la cavité supérieure 31. Le radome polarisant 51 peut être formé par l'association d'au moins deux surfaces sélectives en fréquence polarisantes, désignée FSS polarisantes selon la terminologie anglaise "Frequency Selective Surface". Un radome polarisant est en lui-même connu de l'état de la technique, et permet d'induire une différence de phase entre les deux composantes du champ électrique E_x et E_y de l'onde électromagnétique. Lorsque cette différence de phase est ±90°, le radôme polarisant 51, excité en polarisation linéaire selon une direction oblique dans le plan XY, c'est-à-dire à +45° par ra pport à l'axe X, génère une polarisation circulaire droite, et excité en polarisation linéaire selon une direction de -45°, génère une polarisation circulai re gauche. Il est à observer que le radome polarisant 51 transforme un fonctionnement de type double polarisation linéaire en fonctionnement de type double polarisation circulaire.With reference to the figure 5 , a radiatingelement 50 shown in a side sectional view in an XZ plane, can be made in a structure similar to the structures of the radiatingelement 30 described above with reference to the Figures 3a, 3b and 4 . In the example illustrated by the figure 5 , a structure similar to the structure illustrated by the figure 4 is chosen. The radiatingelement 50 thus comprises in particular alower cavity 32 fed by excitation means formed by awaveguide 33. Theupper cavity 31 is covered by a cover formed by agrid 313 constituting a partially reflecting surface. In the example illustrated by the figure, a simple corrugation is performed substantially under theupper cavity 31. According to a feature of the embodiment illustrated by the figure 5 apolarizing radome 51 can be made in the upper part of theupper cavity 31. Thepolarizing radome 51 can be formed by the combination of at least two polarizing frequency selective surfaces, designated polarizing FSS according to the English terminology "Frequency Selective Surface". A polarizing radome is itself known from the state of the art, and makes it possible to induce a phase difference between the two components of the electric field E_x and E_y of the electromagnetic wave. When this phase difference is ± 90 °, thepolarizing radome 51, excited in linear polarization in an oblique direction in the XY plane, that is to say at + 45 ° by means of the X axis, generates a right circular polarization, and excited in linear polarization in a direction of -45 °, generates a left circular polarization. It should be observed that thepolarizing radome 51 transforms a linear dual-polarization type operation into circular double-polarization type operation.

Dans l'exemple non limitatif illustré par lafigure 5, le radome polarisant 51 peut être de type "double-FSS", et comprendre deux FSS polarisantes 511 et 512 disposées parallèlement l'une au-dessus de l'autre, et séparées d'une distance D_FSS. La FSS inférieure 512 est disposée parallèlement à la grille 313, à une distance D₃ de cette dernière. Une configuration de type double FSS permet l'obtention d'une bande passante plus large, et une transmission du signal sans perte, la transmission du signal n'induisant pas un retour vers la cavité supérieure 31. Il n'est pas possible d'obtenir avec un radôme polarisant simple couche une transmission sans pertes, et un déphasage de 90° selon les deux composantes E_x et E_y du signal incident.In the non-limiting example illustrated by the figure 5 thepolarizing radome 51 may be of the "double-FSS" type, and comprise twopolarizing FSSs 511 and 512 arranged parallel to one another above, and separated by a distance D_FSS . Thelower FSS 512 is arranged parallel to thegate 313 at a distance D₃ from the latter. A double FSS type configuration makes it possible to obtain a wider bandwidth, and a signal transmission without loss, the signal transmission not inducing a return to theupper cavity 31. It is not possible to with a single layer polarizing radome, obtain a lossless transmission, and a phase shift of 90 ° according to the two components E_x and E_y of the incident signal.

D'une manière typique, les deux FSS polarisantes 511 et 512 sont identiques et séparées d'une demi-longueur d'onde guidée, dans le but d'obtenir simultanément une transmission sans perte du signal incident, et un retard en quadrature de phase entre les deux composantes orthogonale du signal transmis. Le radôme polarisant 51 est positionné au dessus de l'élément rayonnant 50 conçu pour rayonner en double polarisation linéaire, à une distance typiquement de l'ordre d'un quart de longueur d'onde guidée. Ainsi, le radome polarisant 51 ne perturbe pas fondamentalement le fonctionnement de l'élément rayonnant 50. Une légère modification des dimensions des motifs de la FSS peuvent être ajustés dans le but d'affiner le rayonnement et l'adaptation de l'élément rayonnant 50.Typically, the twopolarizing FSSs 511 and 512 are identical and separated by a guided half-wavelength, in order to simultaneously obtain lossless transmission of the incident signal, and a phase quadrature delay. between the two orthogonal components of the transmitted signal. Thepolarizing radome 51 is positioned above the radiatingelement 50 designed to radiate in double linear polarization, at a distance typically of the order of a quarter of a guided wavelength. Thus, thepolarizing radome 51 does not fundamentally disturb the operation of the radiatingelement 50. A slight modification of the dimensions of the patterns of the FSS can be adjusted in order to refine the radiation and the adaptation of the radiatingelement 50 .

Les FSS polarisantes peuvent être de type inductif ou capacitif : les FSS polarisantes de type inductif étant essentiellement formées par des surfaces métalliques dans lesquelles des motifs définis par des fentes sont réalisés, les FSS polarisantes de type capacitif étant essentiellement formées par des surfaces sur lesquelles des motifs métalliques sont réalisés. L'usage de FSS de type inductif peut s'avérer avantageux, car il ne nécessite pas l'usage d'un substrat, les FSS pouvant être alors directement réalisées en un matériau métallique.The polarizing FSSs can be of the inductive or capacitive type: the polarizing FSS of the inductive type being essentially formed by metal surfaces in which slit-defined patterns are formed, the capacitive-type polarizing FSS being essentially formed by surfaces on which metallic patterns are made. The use of inductive type FSS can be advantageous because it does not require the use of a substrate, the FSS can then be directly made of a metallic material.

Chaque FSS polarisante 511, 512 peut par exemple être réalisée sous la forme d'une plaque métallique munie de fentes. Par exemple, pour des applications requérant une excitation en bipolarisation ou en polarisation circulaire, des cellules fentes en croix 520, désignées cellules "cross slots" selon la terminologie anglaise, peuvent être disposées sur la plaque métallique, par exemple suivant un motif périodique. Une cellule fente en croix 520 est représentée en vue de dessus sur lafigure 5. La cellule fente en croix 520 est notamment caractérisée par la longueur de son côté, ou période a, par la longueur et la largeur, respectivement a_y et d_y de la fente horizontale (c'est-à-dire selon l'axe X), ainsi que par la longueur et la largeur a_x et d_x de la fente verticale (selon l'axe Y). Il est possible d'obtenir une différence de phase entre les deux composantes de champ E_x et E_y en choisissant des fentes horizontales et verticales de tailles différentes. La réflectivité selon une polarisation donnée est ajustée en faisant varier la longueur de la fente perpendiculaire à cette polarisation. Sachant que la réflectivité de la fente est nulle à la résonance, et que avant sa résonance la fente présente un coefficient de réflexion de phase négative et après la résonance une phase positive, les fentes en croix ont des longueurs différentes selon chacune des deux polarisations de façon à créer un déphasage de 90° entre les deux polarisations, et ainsi générer une polarisation circulaire. Par exemple, les longueurs a_x et a_y des fentes peuvent être déterminées afin que l'une des fentes ait une action sur des fréquences inférieures à la fréquence de résonance, et l'autre fente pour des fréquences supérieures. De la sorte, il est possible d'obtenir pour le radome polarisant constitué de deux FSS séparés par exemple d'une distance D_FSS égale à λ₀/2 ou voisine de cette valeur, une différence de phase de 90° en transmission entre les composantes E_x et E_y. Par exemple, il est possible de fixer la longueur a_x de la fente verticale à une valeur inférieure à λ₀/2, et la longueur a_y de la fente horizontale à une valeur supérieure à λ₀/d2. Il est bien sûr réciproquement possible de fixer la longueur a_y de la fente horizontale à une valeur inférieure à λ₀/2, et la longueur a_x de la fente verticale à une valeur supérieure à λ₀/2. La période a doit être fixée à une valeur supérieure à a_x et à a_y. Les largeurs de fentes d_x et d_y sont ajustées en fonction de l'épaisseur de la plaque métallique. D'une manière typique, les largeurs des fentes d_x et d_y sont choisies bien inférieures à la longueur d'onde nominale λ₀. L'exemple de réalisation précité se fonde sur des cellules fentes en croix 520 agencées selon une maille carrée, mais il est également possible de recourir à des cellules agencées selon une maille différente, par exemple ronde, hexagonale, ...Eachpolarizing FSS 511, 512 may for example be made in the form of a metal plate provided with slots. For example, for applications requiring a bipolarization or circular polarization excitation,cross slot cells 520, designated "cross slots" cells according to the English terminology, may be arranged on the metal plate, for example in a periodic pattern. Across slot cell 520 is shown in plan view on the figure 5 . Thecross slot cell 520 is particularly characterized by the length of its side, or period a, by the length and the width respectively at_y and d_y of the horizontal slot (that is to say along the X axis ), as well as the length and width a_x and d_x of the vertical slot (along the Y axis). It is possible to obtain a phase difference between the two field components E_x and E_y by choosing horizontal and vertical slots of different sizes. The reflectivity according to a given polarization is adjusted by varying the length of the slot perpendicular to this polarization. Knowing that the reflectivity of the slot is zero at resonance, and that before its resonance the slot has a negative phase reflection coefficient and after the resonance a positive phase, the cross slots have different lengths according to each of the two polarizations of way to create a phase shift of 90 ° between the two polarizations, and thus generate a circular polarization. For example, the lengths at_x and_y slots can be determined so that one of the slots has an action on frequencies below the resonant frequency, and the other slots for higher frequencies. In this way, it is possible to obtain for the polarizing radome consisting of two separate FSS for example a distance D_FSS equal to λ_0/2 or close to this value, a phase difference of 90 ° in transmission between the components E_x and E_y . For example, it is possible to set the length a_x of the vertical slot to a value less than λ_0/2 , and the length_y of the horizontal slot to a value greater than λ₀ / d2. It is of course reciprocally possible to set the length a_y of the horizontal slot to a value less than λ_0/2 , and the length a_x of the vertical slot to a value greater than λ_0/2 . Period a must be set to a value greater than a_x and a_y . Slit widths d_x and d_y are adjusted according to the thickness of the metal plate. Typically, the widths of the slots d_x and d_y are chosen well below the nominal wavelength λ₀ . The aforementioned embodiment is based oncross-shaped slot cells 520 arranged in a square mesh, but it is also possible to use cells arranged in a different mesh, for example round, hexagonal, ...

Egalement, des motifs autres que des croix peuvent être utilisés, par exemple des fentes annulaires, ou des fentes de type Croix de Jérusalem, etc.Also, patterns other than crosses may be used, for example annular slots, or Jerusalem Cross type slits, etc.

Il est avantageusement possible de recourir à un radome polarisant qui ne soit pas directement intégré à la cavité supérieure, comme dans l'exemple de réalisation décrit ci-dessus en référence à lafigure 5. Lesfigures 6a et 6b présentent un élément rayonnant selon un autre exemple de réalisation de l'invention, respectivement dans une vue en coupe latérale, et dans une vue en perspective.It is advantageously possible to use a polarizing radome which is not directly integrated with the upper cavity, as in the embodiment described above with reference to FIG. figure 5 . The Figures 6a and 6b have a radiating element according to another embodiment of the invention, respectively in a side sectional view, and in a perspective view.

Dans l'exemple illustré par lesfigures 6a et 6b, un élément rayonnant 60 peut présenter une structure essentiellement similaire à la structure de l'élément rayonnant 50 décrit ci-dessus en référence à lafigure 5. Ainsi, l'élément rayonnant 60 comprend notamment une cavité supérieure 31, une cavité inférieure 32 alimentée par un guide d'onde 33. La cavité supérieure 31 est dans cet exemple couverte par un capot formé par une grille 313. Des corrugations 300 sont réalisées sensiblement en dessous de la cavité supérieure 31. Dans l'exemple illustré par lesfigures 6a et 6b, les parois latérales des cavités supérieure et inférieure 31, 32 sont de forme cylindrique, à section circulaire. Un radome polarisant 61 est réalisé au-dessus de la cavité supérieure 31. Dans cet exemple, le radome polarisant 61 est également de forme cylindrique, mais à section carrée. Ainsi que cela est illustré par lafigure 6b, le radome polarisant 61 est délimité en sa partie latérale par des parois latérales de forme sensiblement cylindrique, à section carrée. L'usage d'une section carrée permet ici de disposer un plus grand nombre de cellules fentes à croix 620 de forme carrée sur la surface de FSS polarisantes 611, 612 formées par deux plaques métalliques disposées parallèlement l'une de l'autre.In the example illustrated by the Figures 6a and 6b a radiatingelement 60 may have a structure substantially similar to the structure of the radiatingelement 50 described above with reference to the figure 5 . Thus, the radiatingelement 60 comprises in particular anupper cavity 31, alower cavity 32 fed by awaveguide 33. Theupper cavity 31 is in this example covered by a cover formed by agrid 313.Corrugations 300 are made substantially below theupper cavity 31. In the example illustrated by the Figures 6a and 6b , the side walls of the upper andlower cavities 31, 32 are cylindrical in shape, circular section. Apolarizing radome 61 is produced above theupper cavity 31. In this example, thepolarizing radome 61 is also of cylindrical shape, but with a square section. As illustrated by the figure 6b , thepolarizing radome 61 is delimited in its lateral part by side walls of substantially cylindrical shape, with a square section. The use of a square section allows here to have a larger number of squarecross-shaped slot cells 620 on the surface of polarizingFSSs 611, 612 formed by two metal plates arranged parallel to each other.

Dans un exemple typique, il est possible de réaliser un élément rayonnant destiné à fonctionner dans une bande de fréquence s'étalant de 2,48 GHz à 2,5 GHz, dont le radome polarisant 61 est de forme carrée dont le côté a une longueur de l'ordre de 2,7xλ₀. Une telle configuration permet d'atteindre la double polarisation circulaire, c'est-à-dire droite et gauche en excitant l'antenne par deux polarisations linéaires +45°à -45°. Dans les deux cas, les diagrammes de rayonnement sont parfaitement axisymétriques, c'est-à-dire que la largeur du lobe est constante quel que soit le plan d'observation, et également caractérisés par un niveau de lobe secondaire ou SLL inférieur à -25 dB. En outre, sur la bande de fréquences mentionnée plus haut, pour les deux polarisations, la directivité varie entre 16,5 dB et 16,7 dB, et l'efficacité de surface est comprise entre 63% et 66%. Le coefficient de réflexion |S₁₁| est inférieur à -20 dB et le rapport axial inférieur à 1 dB sur la bande d'intérêt.In a typical example, it is possible to produce a radiating element intended to operate in a frequency band ranging from 2.48 GHz to 2.5 GHz, thepolarizing radome 61 of which is square in shape, the side of which has a length of the order of 2.7xλ₀ . Such a configuration makes it possible to achieve circular double polarization, that is to say right and left, by exciting the antenna by two linear polarizations + 45 ° to -45 °. In both cases, the radiation patterns are perfectly axisymmetric, that is to say that the lobe width is constant regardless of the observation plane, and also characterized by a secondary lobe level or SLL less than - 25 dB. In addition, in the frequency band mentioned above, for both polarizations, the directivity varies between 16.5 dB and 16.7 dB, and the surface efficiency is between 63% and 66%. The reflection coefficient | S₁₁ | is less than -20 dB and the axial ratio is less than 1 dB on the band of interest.

Claims (20)

1. A radiating element (30) comprising at least two concentric resonant cavities (31, 32) formed by a lower cavity (32) fed by excitation means (12, 33) and an upper cavity (31) stacked on said lower cavity, each of said resonant cavities (31, 32) being delimited on its lower part by a ground plane (310, 320) and in its lateral part by a lateral wall (311, 321), with at least said upper cavity (31) being delimited in its upper part by a first substantially flat cap (313), said radiating element (30) beingcharacterised in that substantially cylindrical corrugations (300) concentric to said resonant cavities (31, 32) are formed substantially below the first ground plane (310) of said upper resonant cavity (31).
2. The radiating element (30) according to claim 1,characterised in that said lateral wall (311, 321) is substantially cylindrical.
3. The radiating element (30) according to claim 1,characterised in that said lateral wall (311, 321) is substantially conical.
4. The radiating element (30) according to any one of the preceding claims,characterised in that said lower cavity (32) is also delimited in its upper part, substantially on the lower part of said upper cavity, by a second cap (323).
5. The radiating element (30) according to any one of the preceding claims,characterised in that said ground planes (310, 320), said caps (313, 323), said lateral walls (311, 321) and said corrugations (300) are substantially produced from a metal material.
6. The radiating element (30) according to any one of the preceding claims,characterised in that said caps (313, 323) are formed by a partially reflective surface.
7. The radiating element (30) according to any one of the preceding claims,characterised in that said caps (313, 323) are formed by a metal grid.
8. The radiating element (30) according to any one of the preceding claims,characterised in that said caps (313, 323) are formed by a dielectric material.
9. The radiating element (30, 50) according to any one of the preceding claims,characterised in that a polarising radome (51) is produced in the upper part of said upper cavity (31).
10. The radiating element (30, 50) according to claim 9,characterised in that said polarising radome (51) is formed by two substantially flat polarising frequency-selective surfaces (511, 512), referred to as polarising FSS, disposed parallel to each other and parallel to and substantially above said first cap (313).
11. The radiating element (30, 50) according to claim 10,characterised in that each polarising FSS (511, 512) is formed by a metal plate comprising a plurality of slots.
12. The radiating element (30, 50) according to claim 10,characterised in that each polarising FSS (511, 512) is formed by a metal plate comprising a plurality of cross-shaped slot cells (520).
13. The radiating element (30, 50) according to claim 10,characterised in that each polarising FSS (511, 512) is formed by a metal plate comprising a plurality of cross-shaped slot cells (520) arranged in a regular pattern on the surface of said metal plate.
14. The radiating element (30, 50) according to any one of claims 1 to 2 or 4 to 13,characterised in that said lateral walls (311, 321) and said corrugations (300) are cylindrical with a circular cross-section.
15. The radiating element (30, 50) according to any one of the preceding claims,characterised in that said excitation means (12, 33) comprise at least one feed guide (33) concentric to said resonant cavities (31, 32) and opening out directly, or via adaptation means, into said lower cavity (32).
16. The radiating element (30, 50) according to any one of claims 1 to 14,characterised in that said excitation means (12, 33) comprise at least one dual feed formed by two lateral waveguides opening out symmetrically relative to the main axis of said lower cavity (32), substantially on said lateral wall (321) of said lower cavity (32), with the signals carried by said excitation means being in phase so that the unwanted upper modes are filtered.
17. The radiating element (30, 50) according to any one of claims 1 to 14,characterised in that said excitation means (12, 33) comprise at least one feed guide (33) concentric to said resonant cavities (31, 32) and opening out directly, or via adaptation means, in said lower cavity (32), and at least one dual feed formed by two lateral waveguides opening out symmetrically relative to the main axis of said lower cavity (32), substantially on said lateral wall (321) of said lower cavity (32), with the signals carried by said excitation means being in phase so that the unwanted upper modes are filtered.
18. The radiating element (30, 60) according to any one of claims 1 to 8,characterised in that a polarising radome (61) is produced above said upper cavity (31), said polarising radome (61) being substantially cylindrical and concentric to said resonant cavities (31, 32).
19. The radiating element (30, 60) according to claim 18,characterised in that said polarising radome (61) is substantially cylindrical with a square cross-section.
20. An array antenna,characterised in that it comprises one or more radiating elements (30, 50, 60) according to any one of the preceding claims.

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