EP0551780B1 - Antenne à réseau réflecteur à contrÔle de phase - Google Patents

Antenne à réseau réflecteur à contrÔle de phase Download PDF

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EP0551780B1
EP0551780B1 EP19920403522 EP92403522A EP0551780B1 EP 0551780 B1 EP0551780 B1 EP 0551780B1 EP 19920403522 EP19920403522 EP 19920403522 EP 92403522 A EP92403522 A EP 92403522A EP 0551780 B1 EP0551780 B1 EP 0551780B1
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short
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radiating elements
reflector
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Serge Drabowitch
Jean-Claude Resneau
Jacques Legendre
Fabrice Clerc
Joseph Roger
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Thales SA
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Thomson CSF SA
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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
    • H01Q3/44—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the electric or magnetic characteristics of reflecting, refracting, or diffracting devices associated with the radiating element
    • H01Q3/46—Active lenses or reflecting arrays

Definitions

  • the invention is in the field of array type antennas with electronic scanning with a large number of elementary sources.
  • This type of antenna applied to a radar provides the necessary beam agility when the volume to be monitored is large and it is necessary to have a very short information renewal time.
  • the array antennas with electronic scanning consist of a network assembly of elementary sources having between them adjustable phase shifts or delay times and a microwave distribution which can be achieved in various ways as reported by MI Skolnik in chapter 11 paragraph 7 of his book entitled “Radar Hand-book” published by Mc Graw-Hill editions.
  • the present invention relates more particularly to an array antenna in which the so-called optical microwave distribution is ensured using a primary source illuminating the array of elementary sources which forms a phase control reflector.
  • Each elementary source then comprises an elementary antenna loaded by an adjustable phase shifter placed along a short-circuited line so as to be able to receive a microwave wave and re-emit it after reflection with a certain phase shift.
  • the advantage of this type of antenna lies in the simplicity of the microwave energy distribution and in the fact that the rear of the reflector array is left free, which facilitates access to the phase shifters for their power supply and their control.
  • the object of the present invention is to produce an antenna with a phase control reflective array, with a large number of elementary sources, operating in the centimeter band having a significantly reduced cost price.
  • an antenna comprising a reflective phase control array, one reflecting face of which is supported by an armature, is illuminated by a primary microwave source and which comprises on this reflecting face a large number of elementary sources each formed by a radiating element charged by a controllable phase shifter placed on a short-circuited line.
  • the elementary sources are arranged in groups on insulating plates of elongated shape. These plates, the edge facing the frame, line the reflecting face of the reflecting network. They each carry, on at least one face, a conductive printed circuit forming a pattern made up of several radiating elements directed laterally opposite the armature and placed side by side each at the head of a line with a short-circuited slot.
  • At the end at least one short-circuit diode per slit line placed astride the latter, isolated conductive tracks carrying the bias voltages of the short-circuit diodes and a circuit for controlling the bias of the short-circuit diodes with outputs connected to said diodes via conductive tracks.
  • the radiating elements of the elementary sources carried by the insulating plates are not aligned in the same plane but arranged with different shrinkage values relative to each other so as to reduce by diffusion the image effect due to parasitic reflection at the surface of the radiating elements, these different shrinkage values being compensated, for the useful signal, either by adjusting the values of the controlled phase shifts or by adjusting the lengths of the short-circuited slit lines charging the radiating elements.
  • This misalignment of the radiating elements can be obtained by giving the frame supporting the insulating plates the shape of a curved, concave or convex surface, or by printing the radiating elements on each insulating plate at different distances from the edge opposite to the frame.
  • the pattern of the printed circuit on each insulating plate comprises a conductive wire which is placed at around a quarter of a wavelength in front of the radiating elements and which improves the adaptation of the radiating elements by reducing the parasitic reflection on their surface.
  • the antenna comprises on the reflective face of the reflector, between the insulating plates, a material absorbing microwave waves. This material reduces the diffuse and improves the performance of the antenna in monopulse operation by absorbing the cross-polarized radiation from the primary source.
  • FIG. 1 shows the appearance of a reflective network of an antenna according to the invention seen from its reflecting face turned towards a primary microwave source.
  • This comprises a reflective face lined with balusters 1 fixed on a frame 2, assembled in rows and columns, and oriented parallel to the direction of polarization of the primary microwave source assumed here to be vertical.
  • FIG. 2 shows the profile aspect of this reflective network with its armature 2 supporting the balusters 1 and fixing arms 3 supporting a primary microwave source 4 illuminating its reflecting face.
  • Each column 1 consists of an insulating plate of elongated shape, which is fixed by the edge on the frame 2 and which carries several elementary sources. As shown in FIGS. 3 and 4, these insulating plates carry, on one of their faces, a conductive printed circuit 5 which draws a pattern formed by several dipoles 7 oriented towards the edge opposite the armature 2 and placed side by side each.
  • Each dipole 7 collects the microwave wave received on the reflecting face of the reflector and then re-emits it after it has traversed the slit line 8 to which it is connected, and after it has been reflected on the first short circuit encountered, either at the diode 9 if it is conductive, or at the end of the slit line 8 if the diode 9 is blocked.
  • the presence of the diode 9 allows a choice between two possible phase shifts for the re-emitted microwave wave corresponding to the two different lengths of possible path in the slotted line 8. Obviously it is possible to widen this choice to more than two possible phase shifts by adding other short circuit diodes along the slit line 8.
  • the dipoles 7 line the reflective surface of the reflector. They are arranged parallel to the vertical direction of the polarization of the primary microwave source 4, at a distance from one another within the same wafer and between wafers less than half the microwave wavelength to avoid the appearance of network lobes.
  • a microwave absorbing material is placed between the pads to absorb cross-polarized radiation from the primary source, reduce the diffuse and improve performance in monopulse operation.
  • the dipoles 7 can all be aligned on the same plane which is that of the reflective surface of the reflector. They are then, as shown in Figure 3, all aligned within the same plate parallel to the edge facing the frame 2 and placed at the head of slot lines 8 of the same length, the plates themselves being fixed by the edge on a flat frame 2.
  • the dipoles 7 can also be arranged with different shrinkage values relative to a reference plane to reduce by diffusion the image effect due to parasitic reflection on the surface of the dipoles 7.
  • Figure 4 gives an example of a plate 1 which is intended to be fixed by the edge on a flat frame 2 and which comprises dipoles 7 placed side by side which are not aligned but arranged with three distinct shrinkage values. These dipoles 7 are connected to slotted lines which are shorter the greater their shrinkage, in order to compensate for the additional path traveled in the air by the useful signal.
  • FIG. 5 illustrates a detail of another plate at the level of a dipole 20 charged by a slotted line 21 short-circuited at the end and equipped with two diodes 22, 23 allowing to have three possible locations of short-circuit and therefore three possible phase states per elementary source.
  • Each diode 22, 23 placed on one side of the slit line 21 is connected on the one hand to the underlying conductive pattern which is grounded and on the other hand to a conductive jumper 24, 25 which spans the line slot 21 and part of the conductive pattern to be connected to a track 22, 23 isolated from the conductive pattern leading to the outputs of a polarization control circuit not shown.
  • Each conductive jumper 24, 25 is, on the side of the slit line 21 opposite the diodes 22, 23 grounded from the microwave point of view by a decoupling capacitor 28, 29.
  • a conductive wire 30 which runs along the side of the plate opposite the armature, in front of the dipoles, at a distance of about a quarter of a wavelength and which serves to improve the adaptation of the dipoles in microwave playing the role of a directing element.
  • the number of elementary sources per plate can be different as well as the type of radiating elements which can be for example Vivaldi antennas obtained by flaring the mouths of the slotted lines.
  • the number of short-circuit diodes per elementary source can also vary depending on the number of phase states desired. Generally, n diodes allow n + 1 phase states.
  • the position of the primary microwave source may be different. It can for example be set to "offset" to reduce the shadow effect or even be of the Cassegrain type.
  • the operating microwave band is the centimeter band in the broad sense, that is to say it includes the bands L, S, C, X, KU, KA.
  • the polarization control lines of the short-circuit diodes may possibly be produced by multiface printing instead of being arranged in the same plane as the conductive pattern of the dipoles and slotted lines.
  • the slotted lines instead of being straight, as shown, can be curved so as to be partially parallel to the dipoles and to reduce the width of the plates.
  • the reflector network which has just been described can have many elementary sources, 10,000 for example, and have good performance while remaining of a limited cost because of its design from a large number of standard plates and advanced integration at the level of each of these plates.

Landscapes

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

Description

  • L'invention est du domaine des antennes de type réseau à balayage électronique avec un grand nombre de sources élémentaires.
  • Ce genre d'antennes appliqué à un radar apporte l'agilité de faisceau indispensable lorsque le volume à surveiller est grand et qu'il est nécessaire d'avoir un temps de renouvellement de l'information très court.
  • Les antennes réseau à balayage électronique sont constituées d'un assemblage en réseau de sources élémentaires présentant entre elles des déphasages ou des temps de retard réglables et d'une distribution hyperfréquence qui peut être réalisée de diverses manières comme le rapporte M.I. Skolnik au chapitre 11 paragraphe 7 de son livre intitulé "Radar Hand-book" paru aux éditions Mc Graw-Hill.
  • La présente invention concerne plus particulièrement une antenne réseau dans laquelle la distribution hyperfréquence dite optique est assurée à l'aide d'une source primaire illuminant le réseau de sources élémentaires qui forme un réflecteur à contrôle de phase. Chaque source élémentaire comporte alors une antenne élémentaire chargée par un déphaseur ajustable placé le long d'une ligne en court-circuit de manière à pouvoir recevoir une onde hyperfréquence et la réémettre après réflexion avec un certain déphasage. L'intérêt de ce genre d'antennes réside dans la simplicité de la distribution d'énergie hyperfréquence et dans le fait que l'arrière du réseau réflecteur est laissé libre ce qui facilite l'accès aux déphaseurs pour leur alimentation et leur commande.
  • Comme le montre le brevet américain US-A-3,274,601, les antennes réseau à balayage électronique connues de ce genre ont un aspect monumental et coûteux avec des sources élémentaires constituées par des extrémités ouvertes de guides d'ondes rectangulaires massifs servant de lignes court-circuitées de longueurs variables ajustées grâce à des diodes de court-circuit.
  • On connaît bien d'autres sortes d'antennes réseau à balayage électronique avec des sources élémentaires moins encombrantes, notamment celles décrites dans la demande de brevet européen EP-A-0 186 455 où les sources élémentaires sont des dipôles regroupés en sous-ensembles sur la tranche de plaquettes renfermant des répartiteurs de signal d'excitation en lignes triplaques. L'inconvénient de ces antennes est qu'elles nécessitent, en amont des plaquettes des répartiteurs, un circuit formateur de faisceau avec des modulateurs d'amplitude et de phase qui augmente notablement leur coût et leur encombrement.
  • La présente invention a pour but la réalisation d'une antenne à réseau réflecteur à contrôle de phase, à grand nombre de sources élémentaires, fonctionnant dans la bande centimétrique ayant un prix de revient notablement réduit.
  • Elle a pour objet une antenne comportant un réseau réflecteur à contrôle de phase dont une face réfléchissante, supportée par une armature, est illuminée par une source primaire hyperfréquence et qui comporte sur cette face réfléchissante un grand nombre de sources élémentaires formées chacune d'un élément rayonnant chargé par un déphaseur commandable placé sur une ligne court-circuitée. Dans le réflecteur de cette antenne, les sources élémentaires sont disposées à plusieurs sur des plaquettes isolantes de forme allongée. Ces plaquettes, la tranche tournée vers l'armature, tapissent la face réfléchissante du réseau réflecteur. Elles portent chacune, sur au moins une face, un circuit imprimé conducteur formant un motif constitué de plusieurs éléments rayonnants dirigés latéralement à l'opposé de l'armature et placés côte à côte chacun à la tête d'une ligne à fente court-circuitée en bout, au moins une diode de court-circuit par ligne à fente placée à cheval sur cette dernière, des pistes conductrices isolées acheminant les tensions de polarisation des diodes de court-circuit et un circuit de commande des polarisations des diodes de court-circuit avec des sorties reliées auxdites diodes par l'intermédiaire des pistes conductrices.
  • Avantageusement, les éléments rayonnants des sources élémentaires portées par les plaquettes isolantes ne sont pas alignés dans un même plan mais disposés avec différentes valeurs de retrait les uns par rapport aux autres de façon à réduire par diffusion l'effet image du à une réflexion parasite à la surface des éléments rayonnant, ces différentes valeurs de retrait étant compensées, pour le signal utile, soit par des ajustement des valeurs des déphasages commandés soit par des ajustements des longueurs des lignes à fente court-circuitées chargeant les éléments rayonnants. Ce désalignement des éléments rayonnants peut être obtenu en donnant à l'armature supportant les plaquettes isolantes la forme d'une surface courbe, concave ou convexe, ou en imprimant les éléments rayonnants sur chaque plaquette isolante à des distances différentes du bord opposé à l'armature.
  • Avantageusement, le motif du circuit imprimé sur chaque plaquette isolante comporte un fil conducteur qui est placé à environ un quart de longueur d'onde devant les éléments rayonnants et qui améliore l'adaptation des éléments rayonnants en diminuant la réflexion parasite à leur surface.
  • Avantageusement, l'antenne comporte sur la face réfléchissante du réflecteur, entre les plaquettes isolantes, un matériau absorbant les ondes hyperfréquences. Ce matériau réduit le diffus et améliore les performances de l'antenne en fonctionnement monopulse en absorbant le rayonnement en polarisation croisée de la source primaire.
  • D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple. Cette description sera faite ci-après en regard du dessin dans lequel :
    • une figure 1 représente une vue générale de face du réseau réflecteur selon l'invention,
    • une figure 2 représente une vue générale, selon le profil vertical, du réseau réflecteur de la figure 1 et de la source primaire qui l'illumine,
    • une figure 3 représente une vue, côté circuit imprimé, d'une plaquette isolante de montage des sources élémentaires du réseau réflecteur vu aux figures précédentes,
    • une figure 4 représente une vue, côté circuit imprimé, d'une variante de la plaquette isolante vue à la figure précédente et
    • une figure 5 illustre un détail d'une plaquette isolante analogue à celles représentées aux figures 3 et 4.
  • La figure 1 montre l'aspect d'un réseau réflecteur d'une antenne selon l'invention vu depuis sa face réfléchissante tournée vers une source primaire hyperfréquence. Celui-ci comporte une face réfléchissante tapissée de colonnettes 1 fixées sur une armature 2, assemblées en rangées et colonnes, et orientées parallèlement à la direction de polarisation de la source primaire hyperfréquence supposée ici être verticale.
  • La figure 2 montre l'aspect de profil de ce réseau réflecteur avec son armature 2 supportant les colonnettes 1 et des bras de fixation 3 soutenant une source primaire hyperfréquence 4 illuminant sa face réfléchissante.
  • Chaque colonnette 1 est constituée d'une plaquette isolante de forme allongée, qui est fixée par la tranche sur l'armature 2 et qui porte plusieurs sources élémentaires. Comme représenté sur les figures 3 et 4, ces plaquettes isolantes portent, sur une de leur face, un circuit imprimé conducteur 5 qui dessine un motif formé de plusieurs dipôles 7 orientés vers le bord opposé à l'armature 2 et placés côte à côte chacun à la tête d'une ligne à fente 8 court-circuitée en bout, des diodes 9, une par ligne à fente 8, placées à cheval sur ces dernières à proximité de leur extrémité court-circuitée, des pistes conductrices isolées 10 acheminant la tension de polarisation des diodes 9, et un circuit 11 de commande des polarisations des diodes 9 avec des sorties reliées aux diodes 9 par les pistes conductrices 10 et des entrées de commande non représentées accessibles depuis le bord de la plaquette 1 tourné vers l'armature 2.
  • Chaque dipôle 7 collecte l'onde hyperfréquence reçue sur la face réfléchissante du réflecteur puis la réémet après qu'elle ait parcouru la ligne à fente 8 à laquelle il est raccordé, et qu'elle se soit réfléchi sur le premier court-circuit rencontré, soit au niveau de la diode 9 si celle ci est conductrice, soit au niveau de l'extrémité de la ligne à fente 8 si la diode 9 est bloquée. La présence de la diode 9 autorise un choix entre deux déphasages possibles pour l'onde hyperfréquence réémise correspondant aux deux longueurs différentes de parcours possibles dans la ligne à fente 8. Bien évidemment il est possible d'élargir ce choix à plus de deux déphasages possibles en ajoutant d'autres diodes de court-circuit le long de la ligne à fente 8.
  • Les dipôles 7 tapissent la surface réfléchissante du réflecteur. Ils sont disposés parallèlement à la direction verticale de la polarisation de la source primaire hyperfréquence 4, à une distance les uns des autres au sein d'une même plaquette et entre plaquettes inférieure à la moitié de la longueur d'onde hyperfréquence pour éviter l'apparition de lobes de réseau. Un matériau absorbant les ondes hyperfréquences est placé entre les plaquettes pour absorber le rayonnement en polarisation croisée de la source primaire, réduire le diffus et améliorer les performances en fonctionnement monopulse.
  • Les dipôles 7 peuvent être tous alignés sur un même plan qui est celui de la surface réfléchissante du réflecteur. Ils sont alors, comme représenté à la figure 3, tous alignés au sein d'une même plaquette parallèlement au bord tourné vers l'armature 2 et placés à la tête de lignes à fente 8 de même longueur, les plaquettes étant elles-mêmes fixées par la tranche sur une armature 2 plane.
  • Les dipôles 7 peuvent également être disposés avec différentes valeurs de retrait par rapport à un plan de référence pour réduire par diffusion l'effet image du à une réflexion parasite à la surface des dipôles 7.
  • La figure 4 donne un exemple de plaquette 1 qui est destinée à être fixée par la tranche sur une armature plane 2 et qui comporte des dipôles 7 placés côte à côte qui ne sont pas alignés mais disposés avec trois valeurs de retrait distinctes. Ces dipôles 7 sont connectés à des lignes à fente d'autant plus courtes que leur retrait est grand, cela afin de compenser le trajet supplémentaire parcouru dans l'air par le signal utile.
  • Il est également possible pour réduire par diffusion l'effet image d'adopter une armature 2 à surface courbe concave ou convexe et de tenir compte, dans la commande des déphaseurs des sources élémentaires, des différences de longueur de trajet qui en résulte pour le signal utile.
  • La figure 5 illustre un détail d'une autre plaquette au niveau d'un dipôle 20 chargé par une ligne à fente 21 court-circuitée en extrémité et équipée de deux diodes 22, 23 permettant d'avoir trois emplacements possibles de court-circuit et donc trois états de phase possibles par source élémentaire. Chaque diode 22, 23 placée d'un côté de la ligne à fente 21 est raccordée d'une part au motif conducteur sous-jacent qui est mis à la masse et d'autre part à un pontage conducteur 24, 25 qui enjambe la ligne à fente 21 et une partie du motif conducteur pour être raccordé à une piste 22, 23 isolée du motif conducteur menant aux sorties d'un circuit de commande de polarisation non représenté. Chaque pontage conducteur 24, 25 est, du côté de la ligne à fente 21 opposé aux diodes 22, 23 mis à la masse du point de vue des hyperfréquences par un condensateur de découplage 28, 29.
  • On distingue en outre un fil conducteur 30 qui court le long du côté de la plaquette opposé à l'armature, en avant des dipôles, à une distance d'environ un quart de longueur d'onde et qui sert à améliorer l'adaptation des dipôles en hyperfréquence en jouant le rôle d'un élément directeur.
  • Diverses variantes peuvent être envisagées. C'est ainsi que le nombre de sources élémentaires par plaquette peut être différent de même que le type des éléments rayonnants qui peuvent être par exemple des antennes Vivaldi obtenues en évasant les embouchures des lignes à fente.
  • Le nombre de diodes de court-circuit par source élémentaire peut également varier en fonction du nombre d'états de phase voulu. D'une manière générale, n diodes autorisent n + 1 états de phase.
  • La position de la source primaire hyperfréquence peut être différente. Elle peut par exemple être mise en " offset" pour atténuer l'effet d'ombre ou encore être du type Cassegrain.
  • La bande hyperfréquence de fonctionnement est la bande centimétrique au sens large c'est-à-dire qu'elle inclue les bandes L, S, C, X, KU, KA.
  • Les lignes de commande de polarisation des diodes de court-circuit peuvent éventuellement être réalisées par impression multiface au lieu d'être disposées dans le même plan que le motif conducteur des dipôles et lignes à fente.
  • Les lignes à fente, au lieu d'être rectilignes, comme représenté, peuvent être courbées de manière à être partiellement parallèles aux dipôles et à réduire la largeur des plaquettes.
  • Le réseau réflecteur qui vient d'être décrit peut comporter beaucoup de sources élémentaires, 10.000 par exemple, et avoir de bonnes performances tout en restant d'un coût restreint en raison de sa conception à partir d'un grand nombre de plaquettes standard et de l'intégration poussée au niveau de chacune de ces plaquettes.

Claims (10)

  1. Antenne à réseau réflecteur à contrôle de phase dont une face réfléchissante supportée par une armature (2) est illuminée par une source primaire hyperfréquence (4) et qui comporte sur cette face un grand nombre de sources élémentaires formées chacune d'un élément rayonnant chargé par un déphaseur commandable placé le long d'une ligne court-circuitée, caractérisée en ce que les sources élémentaires sont disposées à plusieurs sur des plaquettes isolantes (1) de forme allongée qui, mises sur la tranche, tapissent la face réfléchissante du réseau réflecteur et qui portent chacune, sur au moins une face, un circuit imprimé conducteur formant un motif constitué de plusieurs éléments rayonnants (7) dirigés latéralement à l'opposé de l'armature (2) et placés côte-à-côte chacun à la tête d'une ligne à fente (8) court-circuitée en bout, au moins une diode de court-circuit (9) par ligne à fente (8) placée à cheval sur cette dernière, des pistes conductrices isolées (10) acheminant les tensions de polarisation des diodes de court-circuit (9) et un circuit (11) de commande des polarisations des diodes de court-circuit (9) avec des sorties reliées aux diodes de court-circuit (9) par l'intermédiaire des pistes conductrices (10).
  2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments rayonnants (7) des sources élémentaires portés par les plaquettes isolantes ne sont pas alignés dans un même plan mais disposés avec différentes valeurs de retrait les uns par rapport aux autres de manière à réduire par diffusion l'effet image dû à une réflexion parasite à la surface des éléments rayonnants (7).
  3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'armature (2) supportant les plaquettes isolantes de la face réfléchissante du réflecteur a une surface courbe.
  4. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'armature (2) supportant les plaquettes isolantes de la face réfléchissante du réflecteur a une surface courbe concave à concavité tournée vers la source primaire.
  5. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'armature (2) supportant les plaquettes isolantes de la face réfléchissante du réflecteur a une surface courbe convexe à convexité tournée vers la source primaire.
  6. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que les éléments rayonnants (7) imprimés sur chaque plaquette isolante le sont à des distances différentes du bord opposé à l'armature.
  7. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le motif du circuit imprimé sur chaque plaquette isolante (1) comporte un fil conducteur (30) placé à environ un quart de longueur d'onde devant les éléments rayonnants (20).
  8. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte, sur la face réfléchissante du réflecteur, entre les plaquettes isolantes, un matériau absorbant les ondes hyperfréquences.
  9. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments rayonnants sont des dipôles (7).
  10. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments rayonnants sont des antennes de type Vivaldi constituées par les embouchures évasées des lignes à fente (7).
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FR9116376 1991-12-31

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EP0551780A1 EP0551780A1 (fr) 1993-07-21
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