Élément d'antenne pour ondes ultra-courtes La présente invention a pour objet un élément d'antenne pour ondes ultracourtes et concerne plus particulièrement le type d'antennes connu sous le nom d'antennes Cassegrain .
Ce type général d'antennes est caractérisé par l'uti lisation, avec une source primaire d'émission, de deux réflecteurs d'ondes électromagnétiques dirigés l'un vers l'autre. Le premier, appelé réflecteur auxiliaire, réflé chit le faisceau émis par la source primaire vers le se cond, appelé réflecteur principal, qui renvoie ce fais ceau dans la direction d'émission visée. Dans les réa lisations courantes, les plus simples, d'antennes de ce genre, la source primaire est placée devant le réflec teur auxiliaire, lui-même disposé en avant du réflec teur principal.
Donc, en général, le faisceau émergent est partiellement caché par le réflecteur auxsidiaire, et, de plus, il recouvre le faisceau primaire et l'interac tion qui en résulte peut produire des distorsions pro hibitives dans le diagramme de rayonnement de l'an tenne en augmentant le niveau ,des lobes secondaires.
Certaines solutions connues visant à remédier à ces inconvénients consistent en l'utilisation de réflecteurs polarisés constitués par des réseaux de fils ou de la mes métalliques parallèles maintenus ou non par un sup port en diélectrique.
Ces réflecteurs sont réfléchissants pour une onde à polarisation rectiligne dont le champ électrique est parallèle aux fils, et transparents pour une onde à polarisation rectilique dont le champ électrique est perpendiculaire aux fils. On s'arrange donc pour que le réflecteur auxiliaire soit réfléchissant pour l'onde émi se par la source.
De plus on réalise, par exemple, le réflecteur principal de façon qu'en réfléchissant l'onde qu'il reçoit il fasse tourner son plan de polarisation de 900. Le réflecteur auxiliaire est alors transparent pour cette onde réfléchie et les défauts des premiers systè mes dus à la zone d'ombre sont ainsi supprimés. Mais les antennes ainsi constituées présentent l'inconvénient d'être fragiles et, par suite, difficilement utilisables dans certaines conditions de maniement,
de soumission à des chocs importants et de transport qui peuvent se ren contrer dans la pratique.
Le but de la présente invention est de réaliser une antenne pour ondes ultracourtes du type Casse- grain, palliant les inconvénients susmentionnés.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'élément d'antenne objet de l'in vention et des diagrammes explicatifs.
La fig. 1 est un coupe d'une antenne comprenant cette forme d'exécution.
La fig. 2. est un premier diagramme explicatif.
La fig. 3 est une coupe, à plus grande échelle, d'un organe représenté à la fig. 1.
La fig. 4. est une coupe à plus grande échelle, cor respondant à la fig. 3.
La fig. 5 est un second diagramme explicatif.
La fig. 6 est une vue d'ensemble d'une antenne blindée comprenant cette forme d'exécution.
La fig. 1 montre une vue en coupe d'une antenne du type Cassegrain. Cette coupe est effectuée dans un plan de symétrie de l'antenne. L'antenne com porte une source primaire 1, un réflecteur auxiliaire 2 à structure discontinue et un réflecteur principal 3. L'axe XX' est axe de symétrie pour la source 1 et le réflecteur 2 est axe de révolution pour l'ensemble de l'antenne.
La source 1 émet une onde électromagnéti- que de longueur d'onde donnée, polarisée rectiligne- ment, par exemple horizontalement. Le plan de la fi gure est alors vertical. La source 1 peut être considé rée, en première approximation, comme une source ponctuelle; elle émet donc une onde sphérique.
La forme géométrique du réflecteur 2 est choisie suivant la fonction qu'il est destiné à remplir. A titre d'exem ple, le réflecteur 2 a ici une forme parabolique. La source 1 est alors placée au foyer de ce paraboloïde.
Le réflecteur parabolique 2 est constitué de façon à être totalement réfléchissant pour l'onde sphérique à polarisation horizontale émise par la source 1. Cette onde est donc transformée, après la réflexion sur le réflecteur 2, en une onde plane dont les plans équi- phases sont perpendiculaires à l'axe XX' et au plan de la fig. 1. Cette onde plane polarisée horizontalement atteint le réflecteur principal 3.
Comme il est souhai té, généralement, que l'antenne émette une onde plane, le réflecteur 3 est plan puisque l'onde incidente est plane. Au cas où le réflecteur 2 ainsi que l'asso ciation de la source 1 et du réflecteur 2 auraient une configuration différente de celle-ci, il pourrait être pré férable de donner au réflecteur 3 une forme adaptée à cette configuration de façon que l'onde qu'il réflé chit soit plane.
Cependant la disposition choisie ici pré sente des avantages au point de vue du balayage du faisceau, ainsi qu'il sera vu ci-après. Le réflecteur 3 est donc constitué par un plan métallique 4, perpendi culaire au plan de la figure dans l'exemple choisi, et faisant un angle,
& avec la normale N à l'axe XX' con tenue dans le plan de figure. La direction de l'onde plane réfléchie par le réflecteur 3 fait donc un angle de 2 & par rapport à l'axe XX'. Le réflecteur 3 com porte en outre un dispositif faisant tourner le plan de polarisation de l'onde incidente de 900.
Ce dispositif est constitué ici par une série de fils métalliques 5 parallèles, inclinés à 450 du plan horizontal. La fig. 2 montre la rotation angulaire subie par le champ élec trique après réflexion sur le réflecteur 3. Cette figure est tracée dans le plan des fils 5 du réflecteur 3.
Le champ électrique E du rayon incident arrivant en I est horizontal, donc contenu dans le plan de la figure. On suppose que ce rayon incident est normal au plan du réflecteur 3, les résultats obtenus restant valables tant que l'angle d'incidence, égal à a, reste faible, ce qui est toujours réalisé. Le champ électrique incident E peut être décomposé en deux composantes perpen diculaires de même amplitude El parallèle aux fils 5 et E2 perpendiculaire aux fils 5.
La distance entre deux fils voisins est telle que le champ E2 est transmis par les fils tandis que le champ El est réfléchi suivant le champ E'l. Or les fils 5 sont disposés à une dis tance du plan 4 égale à un nombre impair de quarts de longueur d'onde. Par suite, la composante E2 trans mise par les fils 5 est, après réflexion sur le plan 4, retardée de 1801, par rapport à la composante E'1 ré- fléchie directement par les fils 5.
Donc, le champ résul tant<B>E</B> obtenu à la sortie du réflecteur 3, fait un angle de 900 avec le champ électrique incident E, c'est-à- dire que l'onde réfléchie par le réflecteur 3 est pola risée verticalement, le champ électrique<B>E</B> étant dans le plan vertical de la fig. 1, perpendiculaire à la direc tion de propagation.
Le réflecteur 2 présente la pro priété de transmettre les ondes polarisées verticalement. Donc le faisceau réfléchi par le réflecteur 3 est trans mis pratiquement sans perturbation à travers le réflec teur 2 et il constitue le faisceau rayonné par l'anten ne.
Le réflecteur 2, dont les propriétés ont été exposées précédemment, est réalisé de la façon suivante: il est constitué par une plaque métallique 6, dont la forme est, dans l'exemple choisi ici, parabolique. Cette plaque 6 est percée de trous régulièrement répartis, tous iden tiques et parallèles, dans lesquels sont disposés des élé ments diélectriques 7. Ces trous sont, par exemple, cylindriques pour faciliter la réalisation. Chaque trou du réflecteur 2 constitue ainsi un guide d'onde circu laire rempli de diélectrique.
Les caractéristques de ce guide d'onde sont déterminées pour qu'à la fréquence d'utilisation seul le mode fondamental TEll puisse s'y propager. Tous les éléments du réflecteur 2 sont adap tés pour que le système soit totalement transparent pour une direction de polarisation privilégiée, dans le cas présent la polarisation verticale. Par contre le ré flecteur 2 est totalement réfléchissant pour la polarisa tion orthogonale à cette direction privilégiée. Tous les éléments 7 ont même longueur.
Le système se com- porte donc, pour l'onde réfléchie par le réflecteur 3, comme une lame à faces parallèles en optique. L'onde plane issue de l'antenne garde la même direction de propagation que l'onde issue du réflecteur 3 mais elle a subi par rapport à celle-ci une translation transver sale due à la longueur des éléments 7.
La fig. 3 montre un élément diélectrique 7 con tenu dans un trou de la plaque 6. Cet élément est for mé par une tige cylindrique @comportant une extrémité 8 et une extrémité 9. L'élément 7 comporte près de l'extrémité 8 une lame métallique mince 10, appelée lame court-circuit, orientée de manière à réfléchir l'on de issue de la source 1 et à laisser passer l'onde provenant du réflecteur 3. Par conséquent cette lame est parallèle au plan de polarisation de l'onde issue de la source 1, c'est-à-dire horizontale dans l'exemple choisi.
L'onde issue de la source 1 est ainsi totalement réfléchie vers le réflecteur principal. En observant le phénomène d'un point de vue macroscopique, tout se passe comme si l'onde était réfléchie par un réflecteur auxiliaire complètement métallique dont la surface se rait légèrement écartée de celle de la plaque 6. L'onde renvoyée par le réflecteur principal est reçue par cha que antenne formée par les extrémités 8 des éléments 7.
Ces antennes du type diélectrique sont dimen sionnées de manière que leur diagramme de rayon nement, dans le plan de figure par exemple, soit très plat dans le secteur correspondant aux angles d'inciden- de maximum des ondes pouvant se présenter. Les réflexions parasites des ondes renvoyées par le réflec teur principal 3 sur ces antennes sont ainsi réduites au minimum. L'onde reçue par chacune de ces an tennes élémentaires est ensuite transmise par le guide circulaire formé par le trou à parois métalliques, rem pli de diélectrique.
Le champ électrique dans un tel guide est alors, dans le plan de figure 1, perpendicu laire à l'axe horizontal XX', donc perpendiculaire au plan de la lame court-circuit 10. Cette lame ne pertur be donc pas la transmission de l'onde à travers chaque guide élémentaire et le réflecteur auxiliaire 2 est trans parent pour l'onde réfléchie par le réflecteur princi pal 3.
Enfin, pour réaliser une polarisation circulaire de l'onde à la sortie de l'antenne, un polariseur quart d'onde 11 est adjoint à l'extrémité 9 de chaque élé ment diélectrique 7. Ce polariseur 11 agit sur les deux composantes perpendiculaires du champ électri que, écartées chacune de 451, par rapport à ce champ, de façon à retarder l'une de 90o par rapport à l'autre, et à transformer ainsi la polarisation rectiligne en pola risation circulaire.
Ceci peut être réalisé, par exemple, par modification de la section du guide élémentaire sur une partie de sa longueur, sachant que dans un guide elliptique les vitesses de phase sont différentes pour deux directions :de polarisation parallèles aux deux axes de l'ellipse. La section elliptique du guide réalisé aura alors pour axes des droites écartées de 45,1 par rapport au champ électrique transmis dans l'élé ment /. De façon plus simple, le polariseur quart d'onde 11 peut être réalisé en coupant le cylindre de diélectrique suivant deux plans parallèles symétriques par rapport à l'axe de ce cylindre et inclinés à 450 de cet axe. La figure 4 montre une coupe de l'élément 7 au niveau du polariseur 11.
Les composantes per pendiculaires El et E2 du champ électrique E sont transmises par la portion de guide dont la section est ainsi modifiée, avec des vitesses de phase différen tes. La dimension longitudinale des coupures effectuées est déterminée de façon qu'à la sortie du polariseur les composantes El et E2 soient déphasées de 900 l'une par rapport à l'autre et redonnent un champ élec trique polarisé circulairement. Des zones de transition 13 (fig. 3) sont prévues pour passer progressivement de la section circulaire à la section selon la fig. 4 dans chaque guide élémentaire et pour réduire ainsi les ré flexions dues à a discontinuité créée dans ce guide.
Toutefois malgré ces précautions il est possible qu'une onde incidente transmise dans un élément 7 subisse des réflexions paraees au niveau du polariseur 11 et aux extrémités de cet élément 7. Ces réflexions peuvent fai re apparaître une composante parasite de champ élec trique perpendiculaire au champ électrique incident, c'est-à-dire parallèle à la lame 10. Cette composante est alors réfléchie par la lame 10 et donne au niveau du polariseur 11 un champ e (fig. 4) perpendiculaire au champ principal E.
Par suite, à la sortie du polari seur 11, ce champ e est polarisé circulairement en sens inverse du champ principal E et le champ résul tant obtenu à la sortie de l'antenne est alors polarisé elliptiquement. Pour obvier à ce défaut on dispose à la suite de la lame 10 un élément 12, constitué par exemple par une lame de substance absorbante parallè le à la lame 10, absorbant les champs électriques para sites perpendiculaires au champ principal. De tels élé ments sont appelés absorbeurs de polarisation croisée. Ils permettent donc au système de donner une polari sation circulaire la plus exacte possible à l'onde émise.
L'onde de sortie de l'antenne est rayonnée en fait par chaque antenne élémentaire constituée par l'ex trémité 9 d'un élément diélectrique 7. Toutes ces antennes élémentaires, disséminées sur le réflecteur auxiliaire forment un réseau qui, en première approxi mation, peut être assimilé à un réseau plan. Pour éviter l'apparition de lobes secondaires principaux dans la fonction caractéristique de ce réseau, le pas de ce réseau, c'est-à-dire la distance entre deux éléments diélectriques 7 voisins, est choisi de l'ordre de la moi tié de la longueur d'onde d'utilisation.
La figure 5 donne le diagramme de rayonnement d'une antenne telle que celle décrite, fonctionnant dans la bande des 3 cm, dans laquelle le réflecteur auxiliaire 2 est constitué par une plaque d'acier d'épaisseur supé rieure à 3 cm percée de trous de 7 mm de diamètre, la distance entre les trous étant de l'ordre de 16 mm et le diamètre de l'antenne de l'ordre de 50 cm. L'angle cp représente l'angle fait par la direction du rayonnement par rapport à l'horizontale XX'. La lar geur à 3db du lobe principal est d'environ 40.
Il faut noter que la loi d'éclairement du réseau constitué par les éléments diélectriques 7 permet d'abaisser le niveau des lobes secondaires (les premiers lobes secondaires sont ici à -20db du lobe principal). En effet, la source primaire 1 n'ayant pas un rayonnement omnidirection nel, l'illumination du réflecteur principal est plus faible sur les bords extrêmes qu'au centre et par suite le diagramme de rayonnement du réseau est amélioré par rapport à celui d'un réseau uniformément éclairé.
On a vu précédemment que le réflecteur plan 3, qui réfléchit l'onde émise dans une direction donnée, fait sur la figure 1 un angle & avec la normale N à l'axe XX', la direction d'émission faisant alors l'angle 2 -a avec l'axe XX'. En fait, pour de nombreuses appli cations pratiques, le réflecteur 3 est rendu mobile de façon à créer un balayage du faisceau de l'antenne.
Le réflecteur 3 peut tourner, par exemple, autour de la droite N, l'angle & variant entre deux valeurs extrê mes données de part et d'autre de O. Le faisceau émis est ainsi balayé dans le plan de la fig. 1 de part et d'autre de l'axe XX'. Le balayage du faisceau peut également se faire, autour de l'axe X'X, dans le plan horizontal perpendiculaire au plan de la fig. 1.
On fait pour cela tourner le réflecteur 2 autour de sa trace dans le plan de la fig. 1. La combinaison des deux mouvements permet de balayer le faisceau de haut en bas et de gauche à droite. Ce balayage est facilité par la forme simple du réflecteur 3 et de plus il n'entraîne pratiquement aucune déformation de l'onde émise, puisque la rotation du réflecteur plan 3 n'entraîne qu'un changement de direction de l'onde plane réflé- chie par rapport à l'onde incidente.
Les angles de déviation obtenus peuvent être assez importants.
Il est évident que l'antenne qui vient d'être décrite fonctionne de la même manière à la réception qu'à l'émission, bien que la fonction des divers éléments n'ait été exposée ici qu'au point de vue de l'émission.
Le dispositif ainsi constitué se comporte comme un filtre passe-haut, étant donné que chaque guide élé mentaire percé dans le réflecteur auxiliaire ne trans met pas les ondes de fréquence inférieure à la fré quence de coupure correspondant à son dimensionne- ment. Ceci peut présenter des avantages pour protéger une antenne de réception contre une émission voisine sur une longueur d'onde plus grande.
Le réflecteur 2 décrit ci-dessus peut être très robus te puisqu'il peut être réalisé en un matériau métallique de grande solidllté, comme, par exemple, l'acier et que son épaisseur n'est nullement limitée. Les éléments dié lectriques peuvent également être très solides. Pour cela on peut les constituer, par exemple en alumine, ce diélectrique présentant, en plus, l'avantage d'avoir une constante diélectrique assez élevée, ce qui conduit à un diamètre des trous relativement petit.
Il apparaît donc que le réflecteur auxiliaire ainsi réalisé présente une très grande robustesse. Il peut résister à des chocs importants. Il est de plus étanche aux fluides, sa struc ture étant parfaitement compacte. On peut par consé quent envisager de l'utiliser comme blindage de l'an tenne. Il constitue alors à la fois le réflecteur auxiliaire de l'antenne du type Cassegrain et, en tout ou partie, le radome de cette antenne.
La figure 6 montre une antenne du type Cassegrain pour laquelle le réflecteur auxiliaire joue le rôle de radome. Ce réflecteur 2 formé par une portion de paraboloïde recouvre l'ensemble de la source primaire 1 et du réflecteur principal 3. Les ensembles d'émis sion et de réception 14 associés à l'antenne sont con- tenus à l'intérieur d'une enceinte isolante 15 sur laquelle repose le réflecteur 2.
Il peut être prévu de réaliser un tel ensemble pour abriter les appareils ain si que les opérateurs contre certains dangers militaires. Par exemple, en prévoyant une enceinte 15 en béton et en réalisant un réflecteur 2 d'épaisseur suffisante en plomb, tout ce qui se trouve à l'intérieur de l'encein te pourra être protégé contre certaines radiations ato miques.
L'élément d'antenne décrit peut être agencé de façon à entourer complètement l'antenne afin d'assurer à celle-ci une protection complète, l'élément étant réa lisé en plomb, par exemple.