EP0131512B1

EP0131512B1 - Antenne à couverture quasi torique à deux réflecteurs

Info

Publication number: EP0131512B1
Application number: EP84401409A
Authority: EP
Inventors: Serge Drabowitch; Claude Aubry
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1983-07-08
Filing date: 1984-07-03
Publication date: 1990-09-05
Anticipated expiration: 2004-07-03
Also published as: US4740791A; FR2548836A1; EP0131512A1; FR2548836B1; DE3483122D1

Description

La présente invention a pour objet une antenne à couverture quasi torique à deux réflecteurs, pour l'émission et/ou la réception d'une onde hyperfréquence.
De nombreuses applications radar exigent une antenne susceptible de fournir des faisceaux tournants. Il est connu d'obtenir de tels faisceaux tournants à l'aide d'antennes tournantes; celles-ci présentent de nombreux inconvénients bien connus, notamment le manque de souplesse, qui ont conduit à développer des antennes statiques où le mouvement du faisceau est réalisé électroniquement.
Différentes réalisations d'antennes statiques sont connues, parmi lesquelles une structure constituée d'un ensemble d'antennes en forme de dalles, disposées selon un tronc de pyramide; la couverture obtenue est demi-sphérique et le fonctionnement en est satisfaisant; son inconvénient toutefois est d'avoir un prix de revient élevé. On connaît également une antenne dite antenne dôme, qui est constituée par un réseau d'éléments rayonnants permettant un balayage du faisceau selon un cône d'angle limité, de l'ordre de 90°, recouvert par un dôme hémisphérique, qui comporte des éléments déphasant les rayonnements le traversant, de sorte que l'angle de balayage du faisceau à l'extérieur du dôme soit égal à 180°. Cette structure a notamment pour avantage de diminuer le nombre d'éléments actifs nécessaires par rapport à la solution précédente, mais elle présente un certain nombre d'inconvénients parmi lesquels la complexité de fabrication du dôme qui doit inclure des déphaseurs, le volume de l'antenne résultante et les pertes se produisant par réflexion sur la paroi du dôme.
On connaît par ailleurs, du document US-A- 3 551 676, un système aéroporté pour la détection optique d'avions, fonctionnant en réception; ce système comporte un ensemble de deux réflecteurs dont les concavités se font face, focalisant le rayonnement lumineux issus des avions à détecter sur un récepteur optique ponctuel. On connaît également, du document FR-A-1.392.013, une antenne microonde comportant une source en forme de cornet et deux réflecteurs; le réflecteur disposé devant le cornet est formé de deux arcs d'ellipse et présente un sommet dans l'axe de l'antenne; ces différents éléments sont disposés de sorte que le centre de phase du cornet soit l'un des foyers de l'ellipse et que l'autre foyer de l'ellipse soit celui du deuxième réflecteur, formé d'un arc de parabole. On connaît encore, du document FR-A-1.571.407, une antenne multifaisceau comportant une pluralité de cornets illuminant un réflecteur unique.
La présente invention a pour objet une antenne statique permettant d'éviter ces inconvénients en utilisant un système à double réflexion, les réflecteurs étant passifs et de révolution, ce qui est relativement simple donc peu onéreux à fabriquer.
Plus précisément, l'invention a pour objet une antenne telle que définie par la revendication 1.
D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, illustrée par les dessins annexés où:

la figure 1 représente un mode de réalisation de l'antenne selon l'invention;
la figure 2 représente un mode de réalisation d'un réseau rayonnant utilisé dans l'antenne selon l'invention;
la figure 3a représente une variante de réalisation de ce réseau, et la figure 3b, un diagramme de rayonnement s'y rapportant; ,
la figure 4, représente le diagramme de couverture de l'antenne selon l'invention.

Sur ces différentes figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments.
Sur la figure 1, on a donc représenté un mode de réalisation de l'antenne selon l'invention. Afin de simplifier l'exposé, on décrit le fonctionnement de l'antenne dans le cas de l'émission, étant entendu qu'une telle antenne est adaptée aussi bien à l'émission qu'à la réception.
Cette antenne comporte des moyens 1 pour émettre un rayon nement hyperfréquence, constitués par exemple par un réseau d'éléments rayonnants sensiblement plan et parallèle à un plan XOY, par exemple horizontal, de révolution autour d'un axe OZ normal à XOY. Il reçoit l'énergie à émettre de moyens 5, par exemple placés sous le réseau 1, sur un plan 6 supportant l'antenne, par exemple également sensiblement parallèle à XOY, et transmettant au réseau 1 l'énergie hyperfréquence et les commandes nécessaires par des moyens 51. Le réseau 1 peut être constitué par exemple par une pluralité de sources, alimentées par une matrice de circuits de formation d'un ou plusieurs faisceaux, représentée sur la figure 1 comme partie des moyens 5. Le réseau 1 peut également utiliser des déphaseurs comme illustré ci-dessous, ces divers dispositifs constituant des moyens de commande de la loi d'illumination du réseau en phase et éventuellement en amplitude.
L'énergie rayonnée par le réseau 1 est réfléchie par un réflecteur 2, de révolution autour de l'axe OZ, en forme de calotte sensiblement elliptique ou parabolique par exemple, dont la concavité est tournée vers le réseau 1.
Les rayonnements réfléchis par le réflecteur 2 sont réfléchis une seconde fois par un réflecteur 3 qui est, lui, en forme d'anneau entourant le réseau 1, cet anneau ayant une méridienne dont la concavité est tournée vers le réflecteur 2; le réflecteur 3 est également de révolution autour de l'axe OZ; il s'étend de préférence jusqu'au plan 6 supportant l'antenne.
L'antenne comporte encore un radome 4, dont la présence n'est pas indispensable à son fonctionnement mais qui permet, outre les fonctions classiques d'un radome, de supporter le réflecteur 2. Ce radome 4 est sensiblement de révolution autour de l'axe OZ comme le réflecteur 2; il peut être cylindrique ou conique; il s'appuie de préférence d'une part sur la circonférence 20 du réflecteur 2 et d'autre part sur la circonférence extérieure 30 du réflecteur 3.
La figure 2 représente un mode de réalisation du réseau 1 de la figure 1.
Sur cette figure, on distingue une plaquette 12 en forme de disque d'axe OZ, comportant des éléments rayonnants 11 et 14 respectivement sur ses deux faces, par exemple du type dipôle.
Chacun des éléments 11 est relié à un élément 14 par l'intermédiaire d'un circuit déphaseur 13. Le réseau 1 ainsi constitué est éclairé par une source ou un système de sources primaires hyperfréquences 10 d'axe OZ.
Ainsi qu'il est connu, le rayonnement émis par le système 10 est capté par les éléments 11; après le déphasage induit par les circuits 13, le rayonnement est réémis par les éléments rayonnants 14. Les angles d'émission de l'énergie par l'ensemble des éléments rayonnants 14 sont déterminés par la valeur des déphasages conférés par chacun des circuits 13 et par les caractéristiques du système 10.
La figure 3a représente une vue partielle d'une variante de réalisation du réseau (1) utilisé dans l'antenne selon l'invention, dans lequel les éléments rayonnants 14 de la figure 2 sont du type unipôle.
Sur la figure 3a, on a donc représenté une fraction de la plaquette 12 vue en coupe dans laquelle sont insérés des éléments rayonnants du type unipôle, repérés 15, qui sont des solides de révolution par exemple comme représenté sur la figure de forme conique, ce qui permet une plus grande largeur de bande.
Afin de diminuer le couplage entre les unipôles 15, on dispose dans une variante de réalisation des rainures 16 circulairement autour de chaque unipôle 15, ces rainures constituant des pièges pour l'onde hyperfréquence; la profondeur des rainures 16 est de l'ordre du quart de la longueur d'onde(À) émise. Comme représenté sur les figures, les rainures 16 peuvent être des cercles tangents.
Selon une réalisation préférée, les unipôles 15 sont disposés en quinconces.
A titre d'exemple, la hauteur des unipôles est de l'ordre de À/4, l'angle au sommet du cône formé par un unipôle peut être de l'ordre de 20° et le diamètre des cercles formés par les rainures, de l'ordre de À/2.
Sur la figure 3b, on a représenté en coordonnées polaires la section méridienne du diagramme de couverture (enveloppe des diagrammes de rayonnement possibles) obtenu avec un réseau 1 constitué d'unipôles tel qu'illustré sur la figure 3a.
Il apparaît que la couverture d'un tel réseau est de forme quasi torique, c'est-à-dire dont la directrice est une courbe fermée non circulaire, avec un zéro selon l'axe OZ et un zéro dans le plan XOY. L'angle d'ouverture maximal est par exemple compris entre 45° et 60°.
En se reportant à la figure 1 on voit qu'un tel diagramme est particulièrement adapté à l'antenne selon l'invention, dans laquelle il est souhaitable d'éviter tout rayonnement dans un angle a_m pour que ne se produise pas de réflexion parasite et multiple entre le réseau 1 et le réflecteur 2.
La géométrie adoptée pour les réflecteurs 2 et 3 est fonction, à partir des caractéristiques du réseau 1, de la loi de couverture en site souhaitée pour l'ensemble de l'antenne, par exemple une loi cosécantée. Une telle loi est représentée à titre d'exemple sur la figure 4.
Sur cette figure, on a reporté le support 6 de l'antenne, son réseau 1 et ses deux réflecteurs 2 et 3. On a représenté en outre par une courbe 7 la loi de couverture de l'antenne, qui est quasi torique et limitée sensiblement, d'une part, par un plan parallèle à XOY et, d'autre part, par un cône d'axe OZ et d'angle au sommet y. Il apparaît que la couverture de l'antenne selon l'invention n'est pas hémisphérique; toutefois, cet inconvénient est considéré comme 'négligeable, du fait que les seules cibles qui ne peuvent être atteintes par une telle antenne sont celles qui sont voisines de OZ, c'est-à-dire généralement voisine du zénith, c'est-à-dire encore des cibles proches.
Deux méthodes de calcul de réflecteurs sont possibles. La première méthode consiste à considérer le diagramme de chaque source en présence de réflecteurs, à écrire les expressions reliant les densités énergétiques au niveau du réseau 1, du premier puis du deuxième réflecteurs, puis à intégrer les expressions obtenues. Une autre méthode consiste à décomposer les illuminations du réseau et par suite les diagrammes résultants, en l'absence et en présence des réflecteurs, sur une base de fonctions orthogonales à symétrie circulaire. Le calcul montre qu'il existe une multiplicité de solutions possibles pour les équations des méridiennes des réflecteurs 2 et 3, le diagramme de couverture souhaité de l'antenne étant préalablement fixé; un diagramme de rayonnement particulier est alors obtenu par le choix de la loi de pondération du réseau en phase et éventuellement en amplitude; cela constitue bien entendu un avantage. Le choix définitif du couple de méridiennes se fait de préférence en utilisant la technique dite de conformation connue dans les systèmes de type Cassegrain et qui consiste, après avoir calculé les deux réflecteurs, à modifier par approximations successives la méridienne de l'un d'eux pour se rapprocher du diagramme de rayonnement recherché, puis modifier corrélativement le second réflecteur.
En se reportant à la figure 1, l'élément 4 peut être un radome continu ou un simple support, continu ou non, métallique ou diélectrique du réflecteur 2. Il peut en outre porter un filtre de polarisation, formé de fils conducteurs parallèles à la direction de polarisation à éliminer. Il peut également porter un polariseur permettant de rayonner par exemple une onde à polarisation circulaire: dans ce cas, il porte des fils conducteurs orientés à 45° par rapport à la polarisation incidente. Il peut encore constituer un écran mobile: il porte alors par exemple des fils conducteurs parallèles entre eux, par exemple parallèles à la direction OZ, portant en série chacun des diodes, rendues conductrices à volonté; dans cet exemple, il est possible de réaliser un écran mobile: la partie écran est alors constituée d'un ensemble de fils dont les diodes sont conductrices, réfléchissant ainsi l'énergie dont la polarisation est parallèle à eux.
On a décrit ci-dessus une antenne utilisant des focalisateurs passifs, qui permettent de moduler le gain du réseau et par là-même de limiter le nombre d'éléments actifs nécessaires, pour un gain donné, par rapport aux antennes à rayonnement direct. De plus, cette antenne utilise le phénomème de réflexion, évitant ainsi les pertes aux interfaces rencontrées dans les systèmes à transmission. En outre, elle utilise deux réflecteurs, ce qui d'une part confère une plus grande souplesse dans le choix et la mise au point des réflecteurs et d'autre part limite l'encombrement de l'antenne. Par ailleurs, les réflecteurs sont passifs et de révolution, ce qui est de fabrication relativement simple et peu onéreuse. Enfin, cette antenne est adaptée au rayonnement de toute polarisation: polarisation constante dans tout le diagramme et parallèle à OZ si le réseau est constitué d'unipôles, dans le plan XOY si le réseau est constitué de boucles de courant parallèles à XOY, et circulaire si le réseau est constitué par exemple d'hélices ou de toute autre source de polarisation circulaire.
L'antenne décrite ci-dessus est donc susceptible d'émettre et de recevoir un faisceau directif balayant électroniquement la zone de couverture de l'antenne. Elle est également susceptible de fonctionner en régime multifaisceau. Dans le cas d'une antenne multifaisceau utilisée uniquement à l'émission, les moyens 1 peuvent être quelconques et par exemple constitués par une source omnidirectionnelle, à la réserve près faite ci-dessus sur l'angle a_m (figure 1). Lorsque l'antenne multifaisceau est utilisée en réception, les moyens 1 doivent être constitués par un réseau, associés à une matrice de formation de faisceaux (analogique ou numérique) connectée à un ensemble de récepteurs; ainsi qu'il est connu, lorsque la matrice de formation de faisceaux est numérique, elle doit être placée en amont des récepteurs. Sur le schéma de la figure 1, la matrice de formation de faisceaux comme les récepteurs sont inclus dans les moyens 5.
La description faite ci-dessus l'a été à titre d'exemple non limitatif; cest ainsi par exemple que l'axe OZ peut être vertical, mais que ce n'est nullement nécessaire. C'est ainsi également que le réseau 1 a été décrit plan, mais qu'il peut être légèrement concave, sa concavité étant tournée vers le réflecteur 2, afin de faciliter la focalisation de l'énergie qu'il rayonne sur ce réflecteur. Enfin, l'utilisation du réseau d'unipôles tel que décrit figure 3 n'est pas limitée à une antenne telle que décrite figure 1, mais s'étend à tout type d'antenne utilisant un réseau.

Claims

1. Antenne statique à couverture quasi torique, assurant l'émission et/ou la réception d'un faisceau hyperfréquence, l'antenne admettant sensiblement un axe de révolution (OZ) et comportant: une source d'énergie hyperfréquence susceptible d'émettre ou recevoir le faisceau hyperfréquence, la source étant centrée sur l'axe de révolution; un premier réflecteur (2) concave, centré sur l'axe de révolution; un deuxième réflecteur (3), en forme d'anneau, centré sur l'axe de révolution, s'étendant de l'autre côté de la source (1) par rapport au premier réflecteur (2), dont la méridienne a une concavité tournée en chacun de ses points vers le premier réflecteur (2); la source et les deux réflecteurs étant agencés de façon que la plus grande partie de l'énergie émise ou reçue par la source soit réfléchie par les deux réflecteurs; l'antenne étant caractérisée par le fait que le faisceau est un faisceau directif à balayage électronique; que la source d'énergie hyperfréquence est constituée par un réseau d'éléments rayonnants, chacun des éléments rayonnants étant associé à des moyens correspondants de déphasage de l'onde hyperfréquence qui le traverse, le réseau étant susceptible d'émettre ou recevoir le faisceau dans une direction commandable électroniquement par commande des moyens de déphasage, le réseau étant placé perpendiculairement à l'axe de révolution; que le premier réflecteur (2) est en forme de calotte dont la concavité est, en chacun de ses points, tournée vers le réseau (1), et que le contour du réseau est inscrit dans le contour intérieur de l'anneau (3).

2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comporte de plus des moyens de support (4) du premier réflecteur (2), supportant celui-ci sur sa périphérie (20).

3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens de support (4) forment en outre radôme.

4. Antenne selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que les moyens de support (4) forment en outre polariseur ou filtre de polarisation.

5. Antenne selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que les moyens de support (4) forment en outre écran mobile.

6. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le premier réflecteur (2) est en forme de calotte sensiblement elliptique ou parabolique.

7. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le réseau (1) comporte une pluralité d'éléments rayonnants du type unipôle (15).

8. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le réseau (1) comporte des moyens de commande de sa loi d'illumination.

9. Antenne selon l'une des revendications précédentes, du type multifaisceaux, assurant la réception d'une onde hyperfréquence, caractérisée par le fait que le réseau (1) est associé à une matrice de formation de faisceaux connectée à un ensemble de récepteurs.