Antenne Vivaldi alimentée par transition guide-ligne à fente

Nous nous sommes donc orientés vers une alimentation plus simple qui utilise directement la similitude des modes de propagation au sein du guide et de l'antenne Vivaldi, à savoir TE10 pour le guide et quasi-TE pour la ligne à fente. Le couplage s'effectue comme précédemment par le biais d'une antenne insérée dans le guide (figure 1.21.a). Contrairement à l'antenne précédente, une seule pièce supporte l'antenne Vivaldi et l'antenne de couplage. Le substrat est alors pincé en sandwich dans le guide (figure 1.21.b). Cette contrainte impose l'utilisation d'un substrat souple. Nous choisissons le Duroid de permittivité 2,2 et d'épaisseur 127µm. Outre sa souplesse, ce substrat est beaucoup moins onéreux que l'alumine, de plus, l'antenne peut être réalisée au LEAT. De plus, la longueur de la ligne à fente intermédiaire doit être prise en compte. En effet, une partie de l'énergie transmise à l'extrémité de l'antenne Vivaldi se réfléchit sur le plan métallique (xOy figure 1.21.c) que constitue l'extrémité du guide d'ondes coupé. L'interférence créée peut être constructrice ou destructrice selon la distance parcourue.

Les paramètres d'optimisation de l'antenne sont:

- la largeur et la longueur de l'antenne de couplage, - la longueur et l'ouverture de l'antenne Vivaldi, - la longueur de la ligne à fente intermédiaire (l_f), - la longueur d'insertion du substrat dans le guide.

Les dimensions retenues sont données en figure 1.21.a.

Figure 1.21: comparaison entre simulations et mesures

Notons enfin que, comparés aux résultats de la transition guide-linge microruban, les pertes sont plus élevées à cause du rayonnement de la ligne à fente. Cela pourrait être amélioré en diminuant la largeur de la ligne. L'efficacité simulée de la transition atteint plus de 75%

(équation 2.5).

efficacité= S₁₁²S²₂₁

1−S₁₁² S₂₁²  (1.6)

La figure 1.23 est une photo de l'antenne. Le guide d'onde qui l'alimente est réalisé au laboratoire. Il est constitué de deux demi-guides vissés à intervalles réguliers. Le métal est aminci à l'extrémité du guide à l'endroit du pincement de l'antenne. La figure 1.23 représente la comparaison de la mesure du coefficient de réflexion de l'antenne 1.22 avec un guide d'onde coupé standard et celui réalisé au LEAT.

Figure 1.22: photo de l'antenne Figure 1.23: coefficient de réflexion

Nous remarquons l'amélioration apportée par l'antenne Vivaldi en comparaison du guide

90 92 94 96 98 100

Fréquence (GHz) -35

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0

S11 (dB)

guide d'ondes coupé standard guide d'ondes réalisé au LEAT antenne Vivaldi

20mm

53mm 5,9mm

1,27mm

2,54mm

5mm 5mm

^{5 mm} 0,9 mm

1,2 0,7

0,12 mm

2,71 mm 7,8 mm

substrat (c) vue de côté (a)

vue de face (b) x z

y z x

y

x z y

E l_f

d'ondes coupé. Nous attribuons les oscillations de la courbe, absentes en simulations, à la fabrication du guide d'ondes car les positions des minima et maxima correspondent exactement à celles observées sur le S11 du guide réalisé au LEAT en l'absence de l'antenne Vivaldi. Il est possible que les vis de serrage des deux parties du guide créent des discontinuités de manière périodique responsables de ces oscillations.

Les diagrammes de rayonnement dans les plans E et H sont représentés à 94 GHz en figures 1.24.a et 1.24.b.

(a) - plan E (b) - plan H

Figure 1.24: Diagramme de rayonnement à 94 GHz

Les mesures sont effectuées au laboratoire. Nous remarquons une bonne concordance entre simulation et mesures en dehors de la polarisation croisée dans le plan H. Nous retenons deux causes principales:

- la sensibilité de mesure de la chambre anéchoide, - la configuration de mesure du plan H.

En effet, compte tenu du faible gain de l'antenne, de la fréquence de mesure et de la distance entre antennes (4,6m), nous atteignons des valeurs de la puissance reçue de l'ordre de la sensibilité de la chambre. Cette hypothèse est confortée par la similitude avec la valeur de la polarisation croisée dans le plan E qui oscillent également entre -20 et -30 dB par rapport à la polarisation principale sachant que les courbes sont normalisées par rapport à un même niveau autour de -70 dBm.

D'autre part, la mesure du plan H est obtenue en effectuant une rotation autour de l'axe Ox (figure 1.21). Ce dernier est particulièrement sensible au fléchissement de l'antenne par rapport au plan yOz occasionné par la souplesse du substrat. Cela se traduit par la remontée de la polarisation croisée dans le plan H. Dans le plan E, obtenu par rotation autour de l'axe Oy, ce fléchissement se traduit par un léger décalage du maximum de rayonnement comme nous l'observons sur la figure 1.24.a. La polarisation croisée n'est pas affectée car sa composante reste dans le plan xOz.

Des mesures complémentaires dans la bande de fréquence comprise entre 90 et 98 GHz, montrent une bonne stabilité des diagrammes malgré une variation du gain de 2 dB comme indiqué dans le tableau 1.5.

Fréquence (GHz) 90 92 94 96 98

Gain simulé (dB) 9,1 10,5 11 10,4 9,7

Gain mesuré (dB) 5,2 8,1 8,3 8 6

Ecart relatif (%) 59,26 42,46 46,3 45,06 57,34

Tableau 1.5: Gains simulés et mesurés de 90 à 98 GHz

-50 -40 -30 -20 -10 0

-90 -60 -30 0 30 60 90

angle (degrés)

diagramme normalisé (dB)

co-mesurée croisée-mesurée co-simulée croisée-simulée

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0

-90 -60 -30 0 30 60 90

angle (degrés)

diagramme normalisé (dB)

co-mesure croisée-mesure co-simulée croisée-simulée

La valeur maximale de 11 dB est atteinte à 94 GHz et correspond à la valeur optimisée de lf. Son influence, étudiée en simulation, est reportée en figure 1.25. La dépendance du gain vis à vis de l'interférence avec le plan xOy explique la variation non linéaire du gain en fonction de lf.

(a) plan E (b) plan H

Figure 1.25: influence de la longueur de la ligne intermédiaire (l_f) à 94 GHz - simulations

Cette antenne, bien que bon marché, stable en réflexion et en diagramme sur une large bande de fréquences, possède un inconvénient majeur pour son insertion au sein du radar d'hélicoptère: sa fragilité liée à l'utilisation d'un substrat souple qui met en défaut sa robustesse aux vibrations. D'autre part, le masquage est relativement important.