Chapitre 1. Antennes millimétriques pour radars embarqués
6. Réalisations
6.3. Réflecteur replié
6.3.1. Principe de fonctionnement
Le principe de fonctionnement d'une telle antenne se rapproche de celui des antennes repliées classiques telles que les réflecteur Cassegrain, Grégorien qui sont d'ores et déjà commercialisés en bande W [93]... Ces systèmes, initialement conçus pour réduire la distance focale, sont constitués d'un réflecteur principal, d'une source primaire et d'un sous réflecteur.
Ce dernier possède un encombrement latéral (f1) qui correspond à la moitié de la distance focale du réflecteur principal (f2=2f1). Ainsi, en plaçant la source primaire dans le plan du réflecteur principal, l'onde issue de celle-ci parcourt f2 grâce à la réflexion et à la focalisation sur le réflecteur secondaire appelé sous-réflecteur. Généralement, les sous-réflecteurs sont de forme hyperboloïde (Grégorien) ou elliptique (Cassegrain). La taille du sous–réflecteur est d'autant plus petite que la source primaire est directive. Les réflecteurs Cassegrain offrent des avantages en termes d'illumination, de pertes par débordement, de gain global et d'encombrement. Cependant, l'effet du masquage augmente ainsi que la complexité mécanique qui va de paire avec le coût de fabrication. C'est pourquoi, son utilisation est limitée à des applications exigeant un gain très élevé.
Le réflecteur plan replié, permet de s'affranchir de la contrainte de masquage grâce au remplacement du réflecteur secondaire par une grille polarisante et à la conception d'un réflecteur principal à changement de polarisation. Ce principe est également utilisé en transmission optique, par exemple pour isoler deux polarisations. Il semblerait que de telles antennes aient tout d'abord connu une application militaire, par exemple pour équiper les chars d'assaut russes. Depuis une dizaine d'années, elles sont développées en technologie des circuits imprimés en bande millimétrique avec des architectures plus ou moins complexes [52, 93], essentiellement pour les applications liées au radar automobiles à 77 GHz. La figure 1. 42 représente le principe de fonctionnement d'une telle antenne accompagnée d'une photographie de celle-ci.
(a) principe de fonctionnement
(b) Antenne réalisée au MWT [95]
reflectarray à base de patchs rectangulaires
Figure 1.42 : Réflecteur replié
6.3.1.1. Réflecteur principal
Notre travail a consisté à modifier le réflecteur principal selon deux critères:
- garder un réflecteur principal en zones de correction de Fresnel afin de minimiser le nombre d'éléments différents utilisés,
- trouver une forme de patch qui permette d'étendre la couverture de phase à 360°.
Nous utilisons les éléments décrits au paragraphe 4 (4.4).
Deux zones déphasées de 180° s'obtiennent par simple rotation de 90° de l'élément, comme illustré en figure 1.43. Le nombre de cellules à optimiser est divisé par un facteur 2. Ainsi, un réflecteur à 8 zones de Fresnel comporte seulement 4 patchs différents. Cet avantage compense l'effort à fournir pour l'obtention de la condition de phase nécessaire à la rotation du champ incident.
Figure 1.43: Obtention de deux zones déphasées de 180°
Lorsque le champ incident est à 45° de l'axe Ox et que la patch est orienté comme indiqué en figure 1.43.a, la phase réfléchie de sa composante verticale vaut ϕ0 alors que celle de sa composante horizontale est de ϕ0+180°. Le champ global réfléchi a tourné de 90° et possède une phase ϕ0. Si nous tournons la structure de 90° dans ce même repère, l'inversion de phase intervient sur la composante verticale, il en résulte un champ tourné qui réfléchit une phase de (ϕ0 +180°), comme indiqué en figure 1.43.b.
La figure 1.44 explicite la construction d'un réflecteur de Fresnel à deux zones. Le cercle rouge indique la limite de la zone de correction à 0°, les patchs qui coupent cette ligne sont
Grille semi-réfléchissante
Réflecteur principal à changement de polarisation Source primaire air
Point focal (image de la source primaire)
E E
D
f1
ux
uy
Ei Er0 Er//
Er┴
Ei//
Ei┴
Ei┴
Ei//
ux
uy
Ei
(a) – configuration initiale : ϕR0 (b) – rotation du patch de 90° : ϕR0+180°
Er//
Er┴ Er0180°
affectés à la zone recouvrant la majeure partie de leurs surfaces. Le dessin de la structure est simplifié par rapport au réflecteur précédent car toutes les cellules possèdent une taille identique en (λ/2).
Figure 1.44: Obtention de deux zones déphasées de 180°
Le tableau 1.12 résume l'ensemble des valeurs de patchs utilisés pour le réflecteur principal de huit zones.
Dimensions (mm) Patch 1 Patch 2 Patch 3 Patch 4
Dimensions (mm) r_ex=0,65 r_in=0,5, h=0,4
r=0,35
r_ex=0,6 r_in=0,45
h=0,25
r_ex=0,55 r_in=0,325
h=0,25
r_ex=0,55 r_in=0,3
h=0,45 Tableau 1.12: Dimensions des patchs
Le patch numéro 2 est choisi comme référence (zone de Fresnel de 0°). Le tableau 1.12 résume l'ensemble des valeurs de la phase réfléchie par les deux polarisations ainsi que la disposition des patchs au sein du réflecteur pour un champ d'excitation à 45°. Nous appelons Ex et Ey les champs électriques selon les axes définis en figure 1.43. Du fait de la rotation du patch, Ex correspond à E┴ dans le cas 1.43.a et à E// dans le cas de la figure 1.43.b et inversement pour Ey.
Zone théorique patch Disposition Phase Ey (°) Zone réelle
% d'erreur
Phase Ex (°) Différence de phase
Δ(E//-E┴)
0° patch2
-27°
0°
0%
155° -182°
45° patch3 25°
52°
15%
201° -176°
90° patch4 60°
87°
3%
239° -179°
Zone 0°
Zone 180°
Ligne d'intersection
Ei
Ei
Ei
Zone théorique patch Disposition Phase Ey (°) Zone réelle
% d'erreur
Phase Ex (°) Différence de phase
Δ(E//-E┴)
135° patch1
122°
159°
17%
-67° 189°
180° patch2
155°
182°
1%
-27° 182°
225° patch3
201°
228°
1,4%
25° 176°
270° patch4 239°
266°
1,4%
60° 179°
315° patch1
-67°
-40°=320°
1,5%
122° -189°
Tableau 1.13: Phases réfléchies par les patchs et disposition au sein du réseau
Substrat Duroid εr = 2,2; h = 0,387µm
6.3.1.2. Grille semi-réfléchissante
La grille semi-réfléchissante est constituée d'une alternance de motifs de largeur b constituée de lignes métallisées de largeur a et non métallisées, comme indiqué en figure 1.46.a. Le champ électrique parallèle à ces lignes est réfléchi alors que celui perpendiculaire est transmis. Ce fonctionnement est optimisé en fonction des valeurs de a et b. Nous effectuons l'étude à l'aide du module de simulation de structures périodiques infinies de HFSS.
Ei
Ei
Ei
Ei
Ei
Fig. 1.45 : Grille réfléchissante
a= 0,5mm; b= 0,2mm; substrat Duroid, h = 1,143mm (λ/2)
Il est important de choisir la hauteur du substrat proche de la demi-longueur d'onde guidée afin d'assurer le bon fonctionnement de la grille. Une structure alternative indépendante de cette contrainte en réseau périodique de fentes aurait pu être utilisée, mais sa conception et sa fabrication sont plus délicates à 94 GHz.