EP0020196A1 - Antenne réseau hyperfréquence du type disque avec son dispositif d'alimentation, et application aux radars d'écartométrie - Google Patents

Antenne réseau hyperfréquence du type disque avec son dispositif d'alimentation, et application aux radars d'écartométrie Download PDF

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EP0020196A1
EP0020196A1 EP80400537A EP80400537A EP0020196A1 EP 0020196 A1 EP0020196 A1 EP 0020196A1 EP 80400537 A EP80400537 A EP 80400537A EP 80400537 A EP80400537 A EP 80400537A EP 0020196 A1 EP0020196 A1 EP 0020196A1
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circular
section
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01Q21/20—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart the units being spaced along or adjacent to a curvilinear path

Definitions

  • the present invention relates to disc type microwave network antennas, more particularly associated with radars performing deviation measurements.
  • the disk type network antenna is known.
  • such an antenna comprises a cylindrical cavity of large diameter and small thickness.
  • One of the faces of this cavity is connected in its center to a circular section guide, the other face is provided with elementary antennas, distributed in concentric circles, and electromagnetically coupled with the interior of the cavity.
  • the circular guide is then supplied by an electromagnetic wave according to the TM OI mode which generates in the cavity a circular radial wave.
  • the circular guide is connected to a tee delivering upon reception on at least two separate channels the sum signals Z and difference ⁇ necessary for the development of the deviation signal ⁇ . On transmission, the sum channel of this tee receives the electromagnetic wave transmitted to the disk-type array antenna.
  • This type of embodiment has several drawbacks due to the use of the TM O1 mode; indeed a wide frequency band and a high level of power are difficult to obtain because of the obligation to excite the antenna according to the TM O1 mode. This is generally obtained via the difference channel of a magic tee connected to the sum channel of the antenna tee, this difference channel being difficult to adapt and having a low power handling.
  • the device according to the invention aims to remedy these drawbacks by feeding the circular guide connected to the antenna by an electromagnetic wave according to the TEll mode which can then come directly from the microwave oscillator.
  • I (r) translates the attenuation of the current as a function of the radial distance.
  • the same TE 11 mode in phase quadrature and in vertical polarization gives a second radial current whose amplitude law is given by the double circle diagram defined by the equation:
  • Figure la shows the section of a disk type array antenna. It comprises a cylindrical cavity 3, supplied by a circular guide 4. This cavity has on its periphery a suitable charge 5 which can for example be made of dielectric materials.
  • Directive probes 7 are connected on the one hand to suitable loads 6 and on the other hand to elementary antennas 1 by means of phase shifters 2. These elementary antennas 1 can be by way of nonlimiting example of the spiral type or propeller.
  • the antenna power supply according to the TEll mode makes it possible to keep the same arrangement of the prior art of the elementary antennas 1 which then are of the spiral or helix type and therefore do not have axial symmetry and are arranged on concentric circles of center O, O being the point of intersection of the axis of symmetry of the antenna with the radiating surface of the cylindrical cavity 3.
  • This arrangement makes it possible to obtain an equiphase radiation from the elementary antennas if it is carried out in conjunction with an orientation of these elementary antennas 1 made necessary by the use of the TE 11 mode, such that all the antennas located on the same circle are deduced from each other by a rotation about the axis of symmetry of the cylindrical cavity 3.
  • this radial orientation of the elementary antennas 1 introduces a phase correction of the form e -i ⁇ which added to the phase modification of the phase shifters 2 of the form e ikr leads to a law of illumination of the array antenna of the disk type of the form which is a circular symmetry equiphase law radiating a diagram of the same symmetry.
  • a significant advantage of the TEll mode power supply is the possibility of having a second arrangement of the elementary antennas, thus allowing a less restrictive choice of the type of the elementary antennas.
  • the elementary antennas 1 are then arranged in archimedean spirals, and have an axial symmetry such as for example two crossed dipoles. It is then clear that the law of illumination of the antenna remains unchanged because by being placed on archimedean spirals, the term of phase e i ⁇ disappears as well as the term e -i ⁇ due to the radial orientation of these antennas elementary 1.
  • Figure 2a shows one of them which is a Tee of the fork type whose structure and operation are known. It comprises two rectangular section guides 10 and 11 electromagnetically coupled together.
  • the rectangular section guide 10 is connected to a guide with circular section 4.
  • This guide with circular section is electromagnetically coupled to a guide with rectangular section 12 by means of a guide, with rectangular section, forming a ring 13.
  • this tee then receives when transmitting two waves on the guides 10 and 12.
  • An additional advantage therefore lies here in the fact that each guide 10 and 12 receives only half of the power transmitted.
  • the guide 11 gives the difference signal ⁇
  • the guide 12 the component of the sum signal ⁇ V corresponding to a vertical polarization
  • the guide 10 the component of the sum signal f H corresponding to a horizontal polarization.
  • FIG. 2b shows a new structure according to the invention of a Tee of the fork type. It comprises a rectangular section guide 10 connected to a circular section guide 4. A rectangular section guide 11 is electromagnetically coupled to the guide 10. The rectangular section guide 11 is such that the plane determined by one of its straight sections is fixed on a plane delimiting the guide 10 and comprising one of the short sides of its cross section, and that the long side of a straight section of the guide 11 is orthogonal to the plane delimiting the guide 10 and comprising the long side of the rectangular section.
  • a polarizer 20, for example consisting of an approximately diamond-shaped blade cut out of a dielectric material is fixed in the circular section guide 4 so that the plane of this polarizer 20 makes an angle of ⁇ / 4 relative to the plane delimiting the guide with rectangular section 10.
  • the guide 10, on reception, delivers the sum signal ⁇ while the perpendicular guide 11 delivers the difference signal ⁇ .
  • FIG. 2c shows a third example of a coupler, called a turnstile, which may be of interest in cases where the antenna diagrams must have good symmetry characteristics, the power supply also has these symmetry characteristics. It comprises, in addition to the circular section guide 4, four rectangular section guides 30, 31, 32 and 33 electromagnetically coupled with the circular section guide 4 so that the long side of the straight section of the guides 30, 31, 32 and 33 is parallel to the axis of the circular section guide 4. In addition, each of these rectangular section guides is deduced from the following by a rotation of ⁇ / 2 about the axis of the circular section guide 4.
  • the section guide circular 4 is connected at one end to a coaxial line 34, and a coupling means 35 provides the electromagnetic connection.
  • each of the four rectangular section guides 30, 31, 32 and 33 receives a wave according to the TE 11 mode of amplitude A 0 corresponding to a quarter of the total power that the antenna must receive. If A 1 , A 2 , A 3 and A 4 represent the waves applied respectively to the guides 30, 31, 32 and 33, then it can be shown that to obtain a wave with circular polarization, the following conditions must be fulfilled:
  • the components of the sum signal 2 are then obtained on the four waveguides 30, 31, 32 and 33 and the difference signal ⁇ on the coaxial line 34.
  • a disk type array antenna has thus been described providing a solution to the power problem of the prior art.
  • This antenna is preferably applied to radars performing deviation measurements.

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  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

Une antenne réseau du type disque est décrite avec son dispositif d'alimentation. L'antenne est alimentée avec une onde électromagnétique à polarisation circulaire selon le mode TE11 délivré par l'intermédiaire d'un moyen de couplage particulier. Application aux radars effectuant des mesures d'écartométrie.

Description

  • La présente invention concerne les antennes réseau hyperfréquence du type disque, plus particulièrement associées aux radars effectuant des mesures d'écartométrie.
  • L'antenne réseau du type disque est connue. Sous sa forme actuelle, une telle antenne comporte une cavité cylindrique de grand diamètre et faible épaisseur. Une des faces de cette cavité est reliée en son centre à un guide de section circulaire, l'autre face est munie d'antennes élémentaires, réparties selon des cercles concentriques, et couplées électromagnétiquement avec l'intérieur de la cavité. A l'émission le guide circulaire est alors alimenté par une onde électromagnétique selon le mode TMOI qui engendre dans la cavité une onde radiale circulaire.
  • Le guide circulaire est connecté à un Té délivrant à la réception sur au moins deux voies distinctes les signaux somme Z et différence Δ nécessaires à l'élaboration du signal d'écartométrie ε. A l'émission c'est la voie somme de ce Té qui reçoit l'onde électromagnétique transmise à l'antenne réseau du type disque.
  • Ce type de réalisation présente plusieurs inconvénients dus à l'utilisation du mode TMO1 ; en effet une large bande de fréquence et un haut niveau de- puissance sont difficiles à obtenir du fait de l'obligation d'exciter l'antenne selon le mode TMO1. Celui-ci s'obtient en général par l'intermédiaire de la voie différence d'un Té magique connectée à la voie somme du Té de l'antenne, cette voie différence étant difficile à adapter et ayant une faible tenue en puissance.
  • Le dispositif selon l'invention vise à remédier à ces inconvénients par l'alimentation du guide circulaire relié à l'antenne par une onde électromagnétique selon le mode TEll pouvant alors provenir directement de l'oscillateur hyperfréquence.
  • D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui suit, donnée à l'aide des figures qui représentent :
    • - les figures la et lb, la section et la vue de face d'une antenne réseau du type disque ;
    • - la figure 2a, un Té du type fourchette de l'art antérieur ;
    • - la figure 2b, un Té du type fourchette selon l'invention ;
    • - la figure 2c, un coupleur du type tourniquet.
  • Une onde électromagnétique selon le mode TE11 à polarisation horizontale, engendre dans la cavité cylindrique de l'antenne réseau du type disque en un point de coordonnées polaires (r,α), un champ à courant radial dont la loi d'amplitude est définie par un diagramme en double cercle d'équation :
    Figure imgb0001
    avec k = 2π/λ où λ est la longueur d'onde de l'onde électromagnétique utilisée.
  • I(r) traduit l'atténuation du courant en fonction de la distance radiale.
  • Le même mode TE11 en quadrature de phase et en polarisation verticale donne un second courant radial dont la loi d'amplitude est donnée par le diagramme en double cercle défini par l'équation :
    Figure imgb0002
    L'excitation de la cavité de l'antenne selon le mode fondamental TE11 en polarisation circulaire donne donc un courant dont la loi d'amplitude s'obtient en faisant la somme f = f1 + f2,
    Figure imgb0003
    c'est l'équation d'un champ tournant omnidirectionnel dont les surfaces d'ondes sont des spirales d'archi- mède d'équation polaire α- kr = u, u étant un nombre constant.
  • Ce champ radial est collecté par des sondes directives permettant de choisir la loi de dépendance radiale s(r), généralement gaussienne, alimentant des antennes élémentaires par l'intermédiaire de déphaseurs compensant le terme de déphasage radialf= - kr.
  • La figure la montre la section d'une antenne réseau du type disque. Elle comporte une cavité cylindrique 3, alimentée par un guide circulaire 4. Cette cavité possède sur sa périphérie une charge adaptée 5 pouvant être par exemple constituée de matériaux diélectriques. Des sondes directives 7 sont connectées d'une part à des charges adaptées 6 et d'autre part à des antennes élémentaires 1 par l'intermédiaire de déphaseurs 2. Ces antennes élémentaires 1 peuvent être à titre d'exemple non limitatif du type spirale ou hélice.
  • L'alimentation de l'antenne selon le mode TEll permet de conserver la même disposition de l'art antérieur des antennes élémentaires 1 qui alors sont du type spirale ou hélice et ne présentent donc pas de symétrie axiale et sont disposées sur des cercles concentriques de centre O, O étant le point d'intersection de l'axe de symétrie de l'antenne avec la surface rayonnante de la cavité cylindrique 3. Cette disposition permet d'obtenir un rayonnement équiphase des antennes élémentaires si elle est réalisée conjointement avec une orientation de ces antennes élémentaires 1 rendue nécessaire par l'utilisation du mode TE11, telle que toutes les antennes situées sur un même cercle se déduisent les unes des autres par une rotation autour de l'axe de symétrie de la cavité cylindrique 3. En effet, cette orientation radiale des antennes élémentaires 1 introduit une correction de phase de la forme e-iα qui ajoutée à la modification de phase des déphaseurs 2 de la forme e ikr conduit à une loi d'illumination de l'antenne réseau du type disque de la forme
    Figure imgb0004
    qui est une loi équiphase à symétrie circulaire rayonnant un diagramme de même symétrie.
  • Un avantage marquant de l'alimentation selon le mode TEll réside dans la possibilité d'avoir une seconde disposition des antennes élémentaires, permettant alors un choix moins restrictif du type des antennes élémentaires. Les antennes élémentaires 1 sont alors disposées suivant des spirales d'archimède, et présentent une symétrie axiale comme par exemple deux dipoles croisés. Il est alors clair que la loi d'illumination de l'antenne reste inchangée car en se plaçant sur des spirales d'archimède, le terme de phase eiα disparait ainsi que le terme e-iα dû à l'orientation radiale de ces antennes élémentaires 1.
  • Les propriétés inhérentes aux antennes réseau du type disque sont ainsi conservées en apportant une solution aux inconvénients de perte de puissance dus à l'utilisation du mode TMO1 par l'alimentation de l'antenne.
  • - Plusieurs types de capteurs peuvent être utilisés pour alimenter la cavité cylindrique 3 de l'antenne.
  • La figure 2a montre l'un d'eux qui est un Té du type fourchette dont la structure et le fonctionnement sont connus. Il comporte deux guides à section rectangulaire 10 et 11 couplés électromagnétiquement entre eux. Le guide à section rectangulaire 10 est connecté à un guide à section circulaire 4. Ce guide à section circulaire est couplé électromagnétiquement à un guide à section rectangulaire 12 par l'intermédiaire d'un guide, à section rectangulaire, formant un anneau 13. Selon l'invention, ce Té reçoit alors à l'émission deux ondes sur les guides 10 et 12. Un avantage supplémentaire réside donc ici dans le fait que chaque guide 10 et 12 ne reçoit que la moitié de la puissance émise. A la réception, le guide 11 donne le signal différence Δ , le guide 12 la composante du signal somme ΣV correspondant à une polarisation verticale, le guide 10 la composante du signal somme f H correspondant à une polarisation horizontale.
  • La figure 2b montre une structure nouvelle selon l'invention d'un Té du type fourchette. Il comporte un guide à section rectangulaire 10 connecté à un guide à section circulaire 4. Un guide 11 à section rectangulaire est couplé électromagnétiquement au guide 10. Le guide à section rectangulaire 11 est tel que le plan déterminé par une de ses sections droites est fixé sur un plan délimitant le guide 10 et comprenant un des petits côtés de sa section droite, et que le grand côté d'une section droite du guide 11 est orthogonal au plan délimitant le guide 10 et comprenant le grand côté de la section rectangulaire. Un polariseur 20, par exemple constitué d'une lame approximativement en forme de losange taillé dans un matériau diélectrique est fixé dans le guide à section circulaire 4 de façon que le plan de ce polariseur 20 fasse un angle de π/4 par rapport au plan délimitant le guide à section rectangulaire lO. Un avantage consiste alors, par la présence du polariseur 20, à créer une onde à polarisation circulaire dans l'antenne à-partir - d'une unique onde à polarisation fixe appliquée à l'émission sur le guide lO, ce qui simplifie d'autant la réalisation de ce Té du type fourchette.
  • Le guide lO, à la réception, délivre le signal somme Σ tandis que le guide 11 perpendiculaire délivre le signal différence Δ .
  • La figure 2c montre un troisième exemple de coupleur, appelé tourniquet, qui peut être intéressant dans les cas où les diagrammes d'antenne devant présenter de bonnes caractéristiques de symétrie, l'alimentation présente elle aussi ces caractéristiques de symétrie. Il comporte outre le guide à section circulaire 4, quatre guides à section rectangulaire 30, 31, 32 et 33 couplés électromagnétiquement avec le guide à section circulaire 4 de façon que le grand côté de la section droite des guides 30, 31, 32 et 33 soit parallèle à l'axe du guide à section circulaire 4. De plus, chacun de ces guides à section rectangulaire se déduit du suivant par une rotation de π /2 autour de l'axe du guide à section circulaire 4. Le guide à section circulaire 4 est relié par une extrémité à une ligne coaxiale 34, et un moyen de couplage 35 assure la liaison électromagnétique.
  • En émission, chacun des quatre guides à section rectangulaire 30, 31, 32 et 33 reçoit une onde selon le mode TE11 d'amplitude A0 correspondant au quart de la puissance totale que l'antenne doit recevoir. Si A1, A2, A3 et A4 représentent les ondes appliquées respectivement sur les guides 30, 31, 32 et 33, alors on peut montrer que pour obtenir une onde à polarisation circulaire, les conditions suivantes doivent être remplies :
    Figure imgb0005
    Figure imgb0006
    Figure imgb0007
  • A la réception, on obtient alors les composantes du signal somme 2 sur les quatre guides d'ondes 30, 31, 32 et 33 et le signal différence Δ sur la ligne coaxiale 34.
  • On a ainsi décrit une antenne réseau du type disque apportant une solution au problème de la puissance, de l'art antérieur. Cette antenne s'applique préférentiellement aux radars effectuant des mesures d'écartométrie.

Claims (9)

1. Antenne réseau hyperfréquence du type disque avec son dispositif d'alimentation, utilisée dans les radars effectuant des mesures d'écartométrie, caractérisée en ce qu'elle comporte d'une part un moyen de couplage connecté à la cavité cylindrique (3) de l'antenne réseau du type disque par l'intermédiaire d'un guide à section circulaire (4), ce moyen de couplage, lorsque l'antenne travaille en émission, étant tel qu'il reçoit deux ondes en quadrature de phase à polarisation rectiligne selon le mode TEll et délivre au guide à section circulaire (4) une onde à polarisation circulaire selon le même mode TE11, cette onde générant dans la cavité cylindrique (3) une onde à champ électromagnétique tournant tel que les points. équiphases forment des spirales d'archimède à partir du centre de la cavité cylindrique (3), d'autre part des sources rayonnantes élémentaires disposées sur la surface de cette antenne disque, l'excitation de chacune de ces antennes se faisant par l'intermédiaire de sonde d'excitation orthogonale au plan de la surface de l'antenne.
2. Antenne réseau hyperfréquence du type disque avec son dispositif d'alimentation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen de couplage est un Té du type fourchette comprenant deux entrées (10 et 12) correspondant à la réception aux signaux somme r et une entrée (11) correspondant à la réception au signal différence Δ de telle façon que, à l'émission les deux entrées (lO et 12) soient excitées dans le mode TE11 par des ondes polarisées rectilignes et engendrent dans le guide circulaire (4) une onde polarisée circulairement.
3. Antenne réseau hyperfréquence du type disque selon la revendication 2, caractérisée en ce que le moyen de couplage est un Té comprenant un guide à section rectangulaire (10) connecté à un guide à section circulaire (4), un polariseur (20) constitué d'une plaque d'un matériau diélectrique telle que le plan de cette plaque fasse un angle de π/4 par rapport aux côtés du guide à section rectangulaire (10), un second guide à section rectangulaire (11) de telle façon qu'une section droite de ce second guide (11) soit fixée sur un plan comprenant un des petits côtés du premier guide à section rectangulaire (10) et que le grand côté d'une section droite du second guide (11) soit orthogonal au plan comprenant le grand côté de la section rectangulaire du premier guide (10).
4. Antenne réseau hyperfréquence du type disque selon la revendication 3, caractérisée en ce que la lame diélectrique constituant le polariseur a la forme approximative d'un losange.
5. Antenne réseau hyperfréquence du type disque selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen de couplage comporte un guide circulaire (4) connecté à une extrémité à une ligne coaxiale (34) correspondant, à la réception, au signal différenceΔ et quatre guides à section rectangulaire (30, 31, 32 et 33) couplés électromagnétiquement au guide à section circulaire (4) de telle façon que le grand côté d'une section droite d'un des guides à section rectangulaire soit parallèle à l'axe du guide à section circulaire (4), et que chaque guide à section rectangulaire se déduise de son voisin par une rotation de 7r /2 par rapport à l'axe du guide à section circulaire (4), chacun de ces guides à section rectangulaire étant, à l ' émission, alimenté selon le mode TE11 de telle façon que les ondes correspondant à deux guides successifs soient déphasées de π/2 et que les amplitudes des ondes appliquées à chacun des quatre guides à section rectangulaire (30, 31, 32 et 33) soient égales.
6. Antenne réseau hyperfréquence du type disque avec son alimentation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte des antennes élémentaires (1) du type spirale ou hélice situées sur des cercles concentriques, les antennes élémentaires (1) d'un même cercle ayant une orientation telle qu'elles se déduisent les unes des autres par une rotation autour de l'axe de l'antenne réseau du type disque.
7. Antenne réseau hyperfréquence du type disque selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte des antennes élémentaires (1) présentant une symétrie axiale, ces antennes élémentaires (1) étant disposées selon des spirales d'archimède.
8. Antenne réseau hyperfréquence.du type disque avec son alimentation selon les revendications 6 et 7, caractérisée en ce que les antennes élémentaires (1) comportent des circuits déphaseurs (2) permettant d'obtenir à la sortie des antennes élémentaires (1) des ondes de phase convenable pour effectuer un balayage électronique.
9. Radar effectuant des mesures d'écartométrie, caractérisé en ce qu'il comporte une antenne hyperfréquence réseau du type disque avec son alimentation selon l'une quelconque des revendications précédentes.
EP80400537A 1979-05-08 1980-04-21 Antenne réseau hyperfréquence du type disque avec son dispositif d'alimentation, et application aux radars d'écartométrie Expired EP0020196B1 (fr)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
FR7911629A FR2456399A1 (fr) 1979-05-08 1979-05-08 Antenne reseau hyperfrequence du type disque avec son dispositif d'alimentation, et application aux radars d'ecartometrie
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EP0020196A1 true EP0020196A1 (fr) 1980-12-10
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EP80400537A Expired EP0020196B1 (fr) 1979-05-08 1980-04-21 Antenne réseau hyperfréquence du type disque avec son dispositif d'alimentation, et application aux radars d'écartométrie

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DE (1) DE3071638D1 (fr)
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