EP0161127B1 - Antenne plate à balayage mécanique rapide - Google Patents

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EP0161127B1
EP0161127B1 EP19850400517 EP85400517A EP0161127B1 EP 0161127 B1 EP0161127 B1 EP 0161127B1 EP 19850400517 EP19850400517 EP 19850400517 EP 85400517 A EP85400517 A EP 85400517A EP 0161127 B1 EP0161127 B1 EP 0161127B1
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EP
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mirror
guide
plane
antenna according
plates
Prior art date
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EP19850400517
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German (de)
English (en)
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EP0161127A1 (fr
Inventor
Joseph Roger
Jean-Louis Pourailly
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Thales SA
Original Assignee
Thomson CSF SA
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/12—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system using mechanical relative movement between primary active elements and secondary devices of antennas or antenna systems
    • H01Q3/16—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system using mechanical relative movement between primary active elements and secondary devices of antennas or antenna systems for varying relative position of primary active element and a reflecting device
    • H01Q3/20—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system using mechanical relative movement between primary active elements and secondary devices of antennas or antenna systems for varying relative position of primary active element and a reflecting device wherein the primary active element is fixed and the reflecting device is movable

Definitions

  • the invention relates to a flat antenna with rapid mechanical scanning and in particular a flat antenna with scanning in one plane by frequency and, in the other plane, by rapid mechanical scanning.
  • This antenna has the advantage of not presenting any moving part visible to an observer.
  • an antenna In the case where it is desired to monitor a determined portion of territory, an antenna is used, the scanning angles of which are in azimuth and in elevation. This type of antenna can be used in particular in radars called “anti-mortar radar” making it possible to observe part of a battlefield.
  • Such antennas use electronic scanning systems in the two planes and are therefore of high cost. These systems indeed require an electronic phase shifter at the input of each radiating element. They also require a power distribution device between the phase shifters. Furthermore, the phase shifters must be subject to precise adjustment, which is always difficult to achieve.
  • a mechanical scanning antenna is described, described in document FR 1 269 316 in which the antenna array receives the wave to be transmitted by a directional coupler.
  • the device has the disadvantages of having a low scanning angle and of being difficult to implement.
  • the invention provides an inexpensive flat radar antenna, not using a diode or ferrite phase shifter, therefore having no losses like electronic phase shifters.
  • This radar antenna includes a source of emission 1.
  • This source of emission could be a monopulse emission horn.
  • the emission source 1 emits a divergent beam 10 in a direction parallel to the axis Ox. This beam is received by a collimator device 2 of the collimator lens type which emits a collimated beam 11. Two flat plates 3 and 4 of conductive material, parallel to the xOy plane, allow the beams 10 and 11 to be guided.
  • the network 8 consists of the juxtaposition of dispersing radiating lines parallel to Oy and whose direction of radiation depends on the frequency emitted.
  • the network 8 consists of slot guides, such as the guide 80, arranged in a plane xOy and comprising emission slots 81.
  • This type of guide is well known in the art.
  • the grating 8 emits a beam radiating in a direction carried by a cone with an axis Oy and whose angle at the top varies with frequency.
  • the mirror 6 is movable around an axis 9. It can rotate as indicated by the arrows F1 and F2, around this axis.
  • the height h of this plate is less than the distance d separating the two plates 3 and 4 so that there is no friction between the mirror 6 and the plates 3 and 4.
  • the direction of polarization E of the plane wave 11 is parallel to the axis Oy, that is to say transverse and parallel to the guide plates 3 and 4. Under these conditions, the play existing between the mirror 6 and plates 3 and 4 do not give rise to energy losses.
  • the residual gap constitutes in guided space at "breaking", taking into account the wavelength of the energy propagating between the plates 3 and 4, therefore preventing propagation beyond the mirror 6.
  • the beam transmitted to the dispersive network 8 is substantially equiphase.
  • the direction of the emitted beam is at the intersection of the cone of axis Oy previously described and a cone of axis Ox of angle at the top depending on the position of the mirror 6.
  • the angle of the inclination of the mirror 6 and rt / 4 radians corresponds to an angle at the top of rr / 2 radians, therefore a degenerate cone confused with the plane yOz.
  • the variations of the angle at the top of the first cone described allow a first type of scanning which will be used as elevation scanning
  • the variations of the angle at the top of the second cone described (scanning mechanical by tilting the mirror 6) allow a second type of sweep then used as sweep in deposit.
  • the antenna thus allows a site sweeping thanks to the frequency agility of the system and the field sweeping is due to the oscillation of the mirror 6 between the plates 3 and 4.
  • the hinge axis 9 has been placed as close as possible to the dispersive network 8 so that the transverse sliding of the reflected plane wave is as low as possible.
  • This arrangement makes it possible to limit the increase in the length of the network to around 10% for the chosen deflections. It is quite obvious that the axis could be located in a different place from that chosen, one would then obtain a lower output.
  • the frequency of oscillation of the mirror 6 and therefore of the scanning in the field will, for example, be between 2 and 3 Hz, and may reach 10 Hz by making a very light mobile assembly, of the resonant mechanical type, for the mirror 6.
  • the antenna thus produced is therefore extremely flat. Seen from the outside, although there is a mechanical sweep between the plates 3 and 4, the assembly is fixed which guarantees its discretion.
  • the emission source 1 and the collimator device 2 can be mounted between two plates 12 and 13 attached, in the antenna operating position, to the plates 3 and 4 guiding the beam 11 in the oscillation zone of the mirror 6.
  • a hinge pin 20 connects the plate 12 to the plate 3. It is therefore possible to fold the assembly of plates 12, 13, emission source 1 and collimator device 2, below the guide plate 3, which will facilitate handling and transport of the antenna.
  • the network 8 of guides 80 is arranged in such a way that the inlet openings of each guide have their long side perpendicular to the planes of the plates 3 and 4 and therefore their short side parallel to these planes.
  • the adaptation to the input of the network can be done without complicated intermediary, the polarization of the incident wave then being perpendicular to the longitudinal direction of the guides to within ⁇ 20 ° for example and also perpendicular to the long sides of these same guides.
  • transition line 14 between the guide plates 3 and 4, and the dispersive plane network 8 are provided coupling means called transition line 14.
  • This transition line makes it possible to retransmit to the dispersive network 8 all the energy reflected by the mirror 6.
  • the entry face of the dispersive array 8 may have dimensions different from those of the reflected beam.
  • the transition line is produced in the form of an equiphase distributor 14, as shown in FIG. 7.
  • This equiphase distributor ensures that the distance traveled between the exit from the guide planes 3 and 4, and the entry of the network 8 is the same at all points of the beam. This is shown in Figure 7 by more or less wavy connections depending on the route adopted. This equiphase distributor thus ensures conservation of the phases as imposed by the reflection on the mirror 6.
  • the guided space 5, comprised between the guide plates 3 and 4 is provided with a dielectric material as shown in FIGS. 8 to 10.
  • the plates 3 and 4 are provided with dielectric plates 15 and 16. Between the plates 15 and 16 is left an empty space 17 of thickness f intended to receive the mirror 6.
  • the thickness of the mirror 6 therefore has a thickness e less than thickness f to allow oscillation around axis 9.
  • the overall dielectric constant of the plate 15, 16 and space 17 assembly is greater than unity.
  • the width b of the mirror 6 is at least equal to the wavelength guided in the dielectric medium so that there is a cut and the wave does not propagate beyond the mirror 6.
  • the advantage of the variant thus described lies in the fact that the dimensions of the antenna can be reduced.
  • the amplitude of oscillation of the mirror 6 can be reduced, which is important from the mechanical point of view.

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Description

  • L'invention concerne une antenne plate à balayage mécanique rapide et notamment une antenne plate à balayage dans un plan par la fréquence et, dans l'autre plan, par balayage mécanique rapide. Cette antenne présente l'avantage de ne présenter aucune pièce mobile visible pour un observateur.
  • Dans le cas où l'on désire surveiller une portion de territoire déterminée, on utilise une antenne dont on connaît les angles de balayage en azimut et en site. Ce type d'antenne peut être utilisé notamment dans les radars appelés "radar anti- mortier" permettant d'observer une partie d'un champ de bataille.
  • De telle antennes utilisent des systèmes de balayages électroniques dans les deux plans et sont de ce fait d'un coût élevé. Ces systèmes nécessitent en effet un déphaseur électronique à l'entrée de chaque élément rayonnant. Ils nécessitent également un dispositif de répartition d'alimentation entre les déphaseurs. Par ailleurs, les déphaseurs doivent faire l'objet d'un réglage précis, toujours délicat à réaliser.
  • On connaît néanmoins une antenne à balayage mécanique décrite dans le document FR 1 269 316 dans lequel le réseau d'antenne reçoit l'onde à émettre par un coupleur directif. Cependant de dispositif présente les inconvénients d'avoir un angle de balayage faible et d'être difficile à mettre en oeuvre.
  • L'invention fournit une antenne radar plate peu coûteuse, n'utilisant pas de déphaseur à diodes ou à ferrites, ne présentant donc pas de pertes comme les déphaseurs électroniques.
  • L'invention concerne donc une antenne plate à balayage mécanique comprenant une source d'émission émettant un faisceau divergent sur un dispositif collimateur lequel transmet un faisceau collimaté de direction de polarisation linéaire déterminée, à un réseau d'émission constitué de réseaux linéaires dispersifs, dont la direction de rayonnement dépend de la fréquence émise, comportant en outre:
    • -deux moyens de guidage (3, 4) plans et parallèles disposés de part et d'autre du faisceau collimaté, parallèles à la direction de polarisation linéaire du faisceau, et délimitant un milieu de guidage du faisceau; et
    • -un dispositif de réflexion orientable disposé entre les deux moyens de guidage plans, le dispositif de réflexion étant un miroir plan dont le plan de réflexion est perpendiculaire aux plans des moyens de guidage, caractérisée en ce que la hauteur du miroir est inférieure à la distance séparant les deux plaques de guidage de telle façon qu'il n'y ait pas de frottement entre le miroir et les plaques de guidage; et par
    • -des moyens de transition situés entre le miroir et le réseau d'émission et comprenant des lignes hyperfréquences de longueurs électriques égales évitant toute perte d'énergie et assurant la conservation des phases entre le miroir et le réseau d'émission.
    • -la figure 1, représente une vue isométrique d'une antenne utilisée par l'invention,
    • -les figures 2 à 5 représentent des vues explicatives de l'antenne de la figure 1,
    • -la figure 6 représente une variante de réalisation de l'antenne selon la figure 1,
    • -la figure 7 représente une antenne selon l'invention,
    • -les figures 8 à 10 représentent une autre variante de réalisation de l'antenne radar selon l'invention.
  • En se reportant à la figure 1, on va décrire la constitution de l'antenne radar en replaçant chaque élément constitutif dans un trièdre trirectangle Oxyz.
  • Cette antenne radar comporte une source d'émission 1. Cette source d'émission pourra être un cornet d'émission monopulse.
  • La source d'émission 1 émet un faisceau divergent 10 selon une direction parallèle à l'axe Ox. Ce faisceau est reçu par un dispositif collimateur 2 du type lentille collimatrice qui émet un faisceau 11 collimaté. Deux plaques planes 3 et 4 en matériau conducteur, parallèles au plan xOy, permettent de guider les faisceaux 10 et 11.
  • Entre les plaques 3 et 4 est disposée une plaque réflectrice ou miroir 6 permettant de réfléchir, par sa face 7, le faisceau 11, dans une direction sensiblement perpendiculaire à la direction du faisceau 11, aux entrées d'un réseau dispersif plan 8. Le réseau 8 est constitué par la juxtaposition de lignes rayonnantes dispersives parallèles à Oy et dont la direction de rayonnement dépend de la fréquence émise.
  • Selon un mode de réalisation, le réseau 8 est constitué de guides à fentes, tel que le guide 80, disposés selon un plan xOy et comportant des fentes d'émission 81. Ce type de guide est bien connu dans la technique. Le réseau 8 émet un faisceau rayonnant dans une direction portée par un cône d'axe Oy et dont l'angle au sommet varie avec la fréquence.
  • Le miroir 6 est mobile autour d'un axe 9. Elle peut tourner comme indiqué par les flèches F1 et F2, autour de cet axe. La hauteur h de cette plaque est inférieure à la distance d séparant les deux plaques 3 et 4 de telle façon qu'il n'y ait pas frottement entre le miroir 6 et les plaques 3 et 4.
  • Par ailleurs, la direction de polarisation E de l'onde plane 11 est parallèle à l'axe Oy c'est-à-dire transverse et parallèle aux plaques de guidage 3 et 4. Dans ces conditions, le jeu existant entre le miroir 6 et les plaques 3 et 4 ne donne pas lieu à des pertes d'énergie. L'interstice résiduel constitue en espace guidé à "la coupure", compte-tenu de la longueur d'onde de l'énergie se propageant entre les plaques 3 et 4, donc interdisant la propagation au-delà du miroir 6.
  • Lorsque le miroir 6 est incliné de rr/4 radians par rapport à la direction du faisceau 11, comme cela est représenté sur les figures 2 et 4, le faisceau transmis au réseau dispersif 8 est sensiblement équiphase. La direction du faisceau émis est à l'intersection du cône d'axe Oy précédemment décrit et d'un cône d'axe Ox d'angle au sommet dépendant de la position du miroir 6. L'angle de l'inclinaison du miroir 6 et rt/4 radians correspond à un angle au sommet de rr/2 radians, donc un cône dégénéré confondu avec le plan yOz.
  • Lorsqu'on donne au miroir 6, une position différente de rt/4 radians par rapport à la direction du faisceau 11, comme cela est représenté sur les figures 3 ou 5, on établit un gradient de phase le long de la face d'entrée du réseau dispersif 8 et on introduit un déphasage entre les différentes ondes fournis aux différentes lignes rayonnantes du réseau dispersif 8. En donnant un mouvement d'oscillation à la plaque réflectrice 6, l'angle au sommet du cône, précédemment décrit, varie.
  • Dans ces conditions, les variations de l'angle au sommet du premier cône décrit (variations de fréquences) permettent un premier type de balayage qui sera utilisé comme balayage en site, et les variations de l'angle au sommet du deuxième cône décrit (balayage mécanique par inclinaison du miroir 6) permettent un deuxième type de balayage utilisé alors comme balayage en gisement.
  • L'antenne permet ainsi un balayage en site grâce à l'agilité en fréquences du système et le balayage en gisement est dû à l'oscillation du miroir 6 entre les plaques 3 et 4.
  • A titre d'exemple, on peut envisager une zone de balayage en site de l'ordre de 15 degrés en utilisant une bande de fréquences située autour de 9000 MHz. En ce qui concerne le balayage en gisement, une rotation de ±25 degrés du miroir 6, par exemple, permet d'obtenir un balayage de ±50 degrés, ce qui convient parfaitement.
  • Il est à noter que selon les figures 1 à 5, l'axe d'articulation 9 a été placé le plus près possible du réseau dispersif 8 pour que le glissement transversal de l'onde plane réfléchi soit le plus faible possible. Cette disposition permet de limiter l'accroissement de la longueur du réseau à 10% environ pour les déflexions choisies. Il est bien évident que l'axe pourrait être situé en un endroit différent de celui choisi, on obtiendrait alors un rendement inférieur.
  • La fréquence d'oscillation du miroir 6 et donc du balayage en gisement sera à titre d'exemple situé entre 2 et 3 Hz, et pourra atteindre 10 Hz en réalisant un équipage mobile très léger, du type mécanique résonnant, pour le miroir 6.
  • L'antenne ainsi réalisée est donc extrêmement plate. Vue de l'extérieur, bien qu'il y ait un balayage mécanique entre les plaques 3 et 4, l'ensemble est fixe ce qui garantit sa discrétion.
  • Selon une variante de réalisation telle que représentée par la figure 6, la source d'émission 1 et le dispositif collimateur 2 peuvent être montés entre deux plaques 12 et 13 accolées, en position de fonctionnement de l'antenne, aux plaques 3 et 4 guidant le faisceau 11 dans la zone d'oscillation du miroir 6. Un axe d'articulation 20 relie la plaque 12 à la plaque 3. Il est donc possible de replier l'ensemble plaques 12, 13, source d'émission 1 et dispositif collimateur 2, en dessous de la plaque de guidage 3, ce qui faclilitera la manutention et le transport de l'antenne.
  • Il est à noter que le réseau 8 de guides 80 est disposé de telle façon que les ouvertures d'entrée de chaque guide aient leur grand côté perpendiculaire aux plans des plaques 3 et 4 et donc leur petit côté parallèle à ces plans. Dans ces conditions, l'adaptation à l'entrée du réseau peut se faire sans intermédiaire compliqué, la polarisation de l'onde incidente étant alors perpendiculaire à la direction longitudinale des guides à ±20° près par exemple et également perpendiculaire aux grands côtés de ces mêmes guides.
  • Selon l'invention, entre les plaques de guidage 3 et 4, et le réseau plan dispersif 8 sont prévus des moyens de couplage appelés ligne de transition 14. Cette ligne de transition permet de retransmettre au réseau dispersif 8 toute l'énergie réfléchie par le miroir 6. Pour des raisons detechnolo- gie, la face d'entrée du réseau dispersif 8 peut avoir des dimensions différentes de celles du faisceau réfléchi. Il peut également y avoir des discontinuités entre des lignes rayonnantes du réseau 8. Dans ces conditions la ligne de transition est réalisée sous forme d'un répartiteur équiphase 14, comme représenté sur la figure 7. Ce répartiteur équiphase assure que la distance parcourue entre la sortie des plans de guidage 3 et 4, et l'entrée du réseau 8 est la même en tout point du faisceau. Ce qui est représenté sur la figure 7 par des liaisons plus ou moins ondulées selon le parcours adopté. Ce répartiteur equi- phase assure ainsi une conservation des phases tel qu'imposé par la réflexion sur le miroir 6.
  • Selon une variante de l'invention l'espace guidé 5, compris entre les plaques de guidage 3 et 4, est muni d'un matériau diélectrique comme cela est représenté sur les figures 8 à 10.
  • Par exemple, les plaques 3 et 4 sont munies de plaques de diélectrique 15 et 16. Entre les plaques 15 et 16 est laissé un espace vide 17 d'épaisseur f destiné à recevoir le miroir 6. L'épaisseur du miroir 6 a donc une épaisseur e inférieure à l'épaisseur f pour permettre une oscillation autour de l'axe 9.
  • La constante diélectrique globale de l'ensemble plaques 15, 16 et espace 17 est supérieure à l'unité.
  • La largeur b du miroir 6 est au moins égale à la longueur d'onde guidée dans le milieu diélectrique de telle façon qu'il y ait coupure et que l'onde ne se propage pas au-delà du miroir 6.
  • L'avantage de la variante ainsi décrite réside dans le fait qu'on peut diminuer les dimensions de l'antenne. De plus à angle de balayage gisement équivalent, on peut diminuer l'amplitude d'oscillation du miroir 6 ce qui est important du point de vue mécanique.

Claims (10)

1. Antenne plate à balayage mécanique comprenant une source d'émission (1) émettant un faisceau divergent (10) sur un dispositif collimateur (2) lequel transmet un faisceau collimaté (11) de direction de polarisatiion (E) linéaire déterminée, à un réseau d'émission (8) constitué de réseaux linéaires dispersifs (80), dont la direction de rayonnement dépend de la fréquence émise, et comportant en outre:
-deux moyens de guidage (3, 4) plans et parallèles disposés de part et d'autre du faisceau collimaté (11) parallèles à la direction de polarisation (E) linéaire du faisceau, et délimitant un milieu de guidage (5) du faisceau; et
-un dispositif de réflexion (6) orientable disposé entre les deux moyens de guidage plans (3 et 4), le dispositif de réflexion étant un miroir plan (6) dont le plan de réflexion (7) est perpendiculaire aux plans des moyens de guidage (3, 4);
caractérisée en ce que la hauteur (h) du miroir est inférieure à la distance (d) séparant les deux plaques de guidage (3, 4) de telle façon qu'il n'y ait pas de frottement entre le miroir (6) et les plaques de guidage (3, 4); et par
-des moyens de transition (14; Fig. 7) situés entre le miroir (6) et les réseau d'émission (8) et comprenant des lignes hyperfréquences (14) de longueurs électriques égales et assurant la conservation des phases entre le miroir (6) et le réseau d'émission (8).
2. Antenne selon l'une des revendication 1, caractérisée en ce que le miroir (6) est articulé selon un axe d'articulation (9) perpendiculaire aux deux plaques de guidage (3, 4).
3. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'axe d'articulation (9) de miroir (6) est situé au bord du faisceau collimaté (11) le plus proche du réseau d'émission (8).
4. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le milieu de guidage (5) est constitué d'un matériau dont la constante diélectrique globale est supérieure à l'unité.
5. Antenne selon l'une des revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif de réflexion comporte une lame conductrice (6) orientable dont la dimension (b) transversale et parallèle aux plans des moyens de guidage (3, 4) est au moins égale à la longueur d'onde guidée dans le milieu diélectrique composite.
6. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que le milieu de guidage (5) comporte une lame d'air plane (17) parallèle aux moyens de guidage dans laquelle est placé la lame conductrice (6), et de dimensions telles qu'elle permet la rotation de la lame conductrice.
7. Antenne selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'espace plan (17) a les mêmes dimensions selon le plan parallèle aux moyens de guidage, que la lame conductrice (6).
8. Antenne selon l'une des revendication 7, selon laquelle l'épaisseur de la lame conductrice (6) est telle que l'épaisseur du diélectrique située de part et d'autre de la lame conductrice ne permet pas la propagation de l'énergie de part et d'autre de la lame.
9. Antenne selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte une première et une deuxième plaque de guidage (12 et 13), encadrant la source d'émission (1) et le dispositif collimateur (2) et permettant de guider les faisceaux émis (10 et 11); une troisième et une quatrième plaque de guidage (3 et 4), disposées respectivement dans le prolongement des première et deuxième plaques de guidage, encadrant le miroir (6) et guidant le faisceau (11); un axe d'articulation reliant lesdites première et troisième plaques (12 et 3) et permettant de replier l'ensemble constitué par les première et deuxième plaques (12 et 13) ainsi que la source (1) et le dispositif collimateur (2), sur la troisième plaque 3.
10. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif de réflexion (6) possède une position moyenne dans laquelle il réfléchit le faisceau collimaté (11) dans une direction sensiblement perpendiculaire à sa direction d'incidence et qu'il pivote de part et d'autre de cette position moyenne.
EP19850400517 1984-03-23 1985-03-18 Antenne plate à balayage mécanique rapide Expired - Lifetime EP0161127B1 (fr)

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FR8404552A FR2561824B1 (fr) 1984-03-23 1984-03-23 Antenne plate a balayage mecanique rapide
FR8404552 1984-03-23

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EP0161127A1 EP0161127A1 (fr) 1985-11-13
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DE (1) DE3579618D1 (fr)
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EP0161127A1 (fr) 1985-11-13
FR2561824A1 (fr) 1985-09-27
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