FR2527014A1 - Antenne a microbandes a alimentation gamma - Google Patents

Abstract

A.ANTENNE A MICROBANDES A ALIMENTATION GAMMA POUR SYSTEME DE NAVIGATION DOPPLER COMPRENANT DES MOYENS D'ALIMENTATION DE VISEE EN AVANT 14 DISPOSES PARALLELEMENT A DES MOYENS D'ALIMENTATION DE VISEE EN ARRIERE 12. UNE PLURALITE D'ENSEMBLES RAYONNANTS ESPACES PARALLELES SONT RELIES TRANSVERSALEMENT ENTRE CES MOYENS. B.CHAQUE ENSEMBLE COMPREND DES ELEMENTS RAYONNANTS 20 DE DIMENSIONS PRESELECTIONNEES PRESENTANT DES COEFFICIENTS DE RAYONNEMENT ET DES COEFFICIENTS DE COUPLAGE AUX MOYENS D'ALIMENTATION TELS QU'UNE FONCTION D'AMPLITUDE DE L'ANTENNE LE LONG DE L'AXE DE PROPAGATION ET D'UN RETRANCHEMENT D'UNE FONCTION D'AMPLITUDE D'UN LONG ENSEMBLE INCLINE. L'EXCITATION SEQUENTIELLE DES QUATRE ORIFICES D'ENTREE AUX EXTREMITES DES MOYENS D'ALIMENTATION SE TRADUIT PAR LA GENERATION SEQUENTIELLE DE QUATRE FAISCEAUX. LES SIGNAUX RETOURNANT A L'ANTENNE, ARRIVANT SUR LES QUATRE ORIFICES D'ENTREE, PEUVENT ETRE ECHANTILLONNES ET CONSERVES POUR L'ETABLISSEMENT DE LA MOYENNE. CELA PERMET D'OBTENIR DES CORRECTIONS AU-DESSUS DE L'EAU. C.APPLICATION : SYSTEME DE NAVIGATION DOPPLER.

Description

2527014 t La présente invention concerne de manière générale les antennes

à micro-ondes et a trait notamment à une antenne à

micro-ondes perfectionnée utilisable dans les systèmes de naviga-

tion Doppler.

Un problème associé aux antennes de navigation Doppler est celui appelé décalage sur l'eau En raison des caractéristiques différentes de l'énergie réfléchie par la terre et par l'eau, dans un système Doppler typique, il se produit un décalage lors d'un vol au-dessus de l'eau qui peut se traduire par une erreur de vitesse importante Une façon de résoudre ce problème consiste

à faire alterner chacun des faisceaux Doppler entre deux posi-

tions, écartées de quelques degrés Bien que cette solution apporte un remède, elle nécessite du matériel supplémentaire et

un temps supplémentaire.

Une autre solution est celle décrite dans le brevet améri-

cain no 2 983 920 au nom de R H Rearwin et cédé au cessionnaire de la présente invention Ce brevet décrit un ensemble planaire

d'antennes à micro-ondes qui sont inclinées à 45 degrés pour per-

mettre d'obtenir une forme de faisceau qui est exempt dans une grande mesure de ce décalage au-dessus de l'eau Toutefois, la mise en oeuvre de ce procédé n'est pas très pratique Le brevet

américain N O 4 180 818 décrit la mise en oeuvre d'ensembles in-

clinés de visée en avant et en arrière pour obtenir une compensa-

tion de fréquence Toutefois, la mise en oeuvre d'ensembles in-

clinés entraîne d'autres problèmes De manière générale, une ou-

verture d'antenne est limitée à une zone rectangulaire Lorsque l'ouverture d'une antenne inclinée est adaptée à une telle zone rectangulaire, des portions importantes de la zone rectangulaire ne comprennent aucun élément rayonnant De ce fait, la surface effective et le gain de l'antenne sont moins importants que si

toute la zone rectangulaire avait été utilisée.

Dans une demande de brevet no 167 285 cédé au cessionnaire de la présente demande, on décrit un perfectionnement apporté à cette technique antérieure L'antenne décrite dans ce brevet permet de résoudre les problèmes précités de l'art antérieur grâce à la réalisation d'une ouverture d'antenne inclinée qui génère un diagramme de rayonnement très proche de celui d'une antenne à ouverture inclinée Bien que cette antenne permette de réaliser les objectifs d'une réduction des décalages audessus de l'eau et d'une compensation de fréquence tout en utilisant la totalité de la zone de montage rectangulaire, la compensation de fréquence/température est réalisée pour les faisceaux individuels d'une sortie d'antenne à plusieurs faisceaux En outre, la

technique de compensation d'un seul faisceau de la demande préci-

tée présente des limitations au niveau du premier lobe laté-

ra et au niveau des lobes latéraux à grand angle par suite du

mode de génération de diagramme de rayonnement mis en oeuvre.

La présente invention apporte un perfectionnememnt de l'an-

tenne décrite dans la demande précitée L'invention a pour objet une antenne à microbandes à alimentation gamma qui met en oeuvre une technique de compensation de fréquence/température de quatre faisceaux dans la direction gamma Cela veut dire que la totalité des quatre faisceaux est compensée en fréquence/température

plutôt que les faisceaux individuels comme dans la demande préci-

tée L'avantage qu'apporte la technique de la présente invention est que l'on obtient une meilleure réalisation de faisceaux parce

que l'antenne n'a pas besoin de lignes à microbandes supplémen-

taires pour alimenter chaque ensemble rayonnant gamma En outre, la présente invention ne présente pas de limitation au niveau du premier lobe latéral et au niveau des lobes latéraux à grand angle qui, comme on l'a déjà signalé, sont des inconvénients de

la technique de compensation d'un seul faisceau.

La présente invention permet par conséquent d'obtenir un

gain d'antenne d'environ 3,5 décibels plus élevés pour une an-

tenne à alimentation gamma et on obtient des lobes latéraux plus

performants que pour une antenne à faisceau unique.

Tandis que la demande précitée préconise la division de l'antenne en deux moitiés sigma, la présente invention assure une correction au-dessus de l'eau par division de l'antenne en deux

moitiés gamma et en surcompensant la première moitié.

Une forme d'exécution de la présente invention est décrite ci-après à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure la est un schéma d'un diagramme de rayonnement d'antenne typique; la figure lb représente les fonctions de dispersion en arrière; la figure lc est un autre schéma représentant l'effet du décalage terre-eau; la figure 2 est un schéma représentant quatre faisceaux inclinés rayonnés par deux ouvertures d'antenne; la figure 3 a est un schéma de système de coordonnées d'une antenne rectangulaire classique; la figure 3 b est un schéma de système de coordonnées d'axes inclinés

la figure 3 c est un schéma d'une antenne à ouverture in-

clinée de 45 degrés; la figure 4 est une représentation schématique d'une ouverture inclinée tronquée;

la figure 5 est une représentation schématique de l'an-

tenne sur laquelle sont indiqués les orifices et les faisceaux respectifs

la figure 6 est une représentation schématique de l'inter-

connexion entre des ensembles rayonnants et un moyen

d'alimentation respectif par l'intermédiaire d'un trans-

formateur;

la figure 7 est une représentation schématique des chan-

gements de faisceaux, par rapport à la normale de l'an-

tenne de l'invention afin d'assurer une compensation en fréquence; la figure 8 est une impression obtenue par ordinateur d'une distribution de l'axe X incliné conformément à la présente invention;

la figure 9 est une impression par ordinateur de la dis-

tribution de l'axe Y incliné, conformément à la présente invention;

la figure 10 est une impression par ordinateur et coeffi-

cient de couplage et de rayonnement de la présente inven-

tion la figure 11 représente le diagramme du champ lointain du plan gamma principal la figure 12 représente le diagramme du champ lointain du plan sigma principal; la figure 13 représente une section de la structure de l'antenne de l'invention; et

la figure 14 illustre la totalité de la structure rayon-

nante. Quelle que soit la technique utilisée pour suivre l'écho Doppler, tous les radars Doppler seront sujets à un décalage air-eau à moins que sa conception soit spécialement étudiée pour éliminer ce décalage Pour examiner le mécanisme du décalage air-eau, considérons un système simple à un seul faisceau o y O (l'angle entre le vecteur de vitesse et lé centre du faisceau rayonné) et O (l'angle d'incidence du faisceau sur la surface de

dispersion) se trouvent dans le même plan et sont complémentai-

res, comme le montre la figure la La largeur du faisceau de l'antenne est désignée A-y Au-dessus de la terre, la dispersion en arrière uniforme (figure lb) a pour résultat un spectre dont

le centre est une fonction de yo et dont la largeur est une fonc-

tion de Ay (figure lc) Or, lorsqu'on vole au-dessus de l'eau, la dispersion en arrière est non uniforme, comme le montre la figure lb, les grands angles p (petits angles y) présentant un plus faible coefficient de dispersion Du fait que les plus petits angles y sont associés aux fréquences plus élevées du spectre Doppler, ces dernières sont affaiblies par rapport aux fréquences moins élevées, déplaçant de ce fait la crête du spectre vers une fréquence plus basse Le décalage terre-eau se situe de manière

générale entre 1 'a et 3 y en fonction des paramètres de l'anten-

ne.

La situation à trois dimensions s'avère plus compliquée.

Considérons un avion se déplaçant le long de l'axe X sur la figu-

re 2 L'axe Y est horizontal et orthogonal par rapport à l'axe X

tandis que l'axe Z est vertical Les ensembles d'antennes rectan-

gulaires génèrent quatre faisceaux faisant un certain angle avec ces axes L'axe de n'importe lequel de ces faisceaux (par exemple le faisceau 2) forme un angle y, par rapport à l'axe X, un angle C Or par rapport à l'axe Y et un angle 90 par rapport à l'axe Z. Une antenne rectangulaire classique représentée sur la figure 3 a,

a une fonction d'amplitude A que l'on peut décrire comme un pro-

duit de deux fonctions séparées sur l'axe X et l'axe Y Ainsi A(X, Y) = f(x) g(y) Le diagramme de rayonnement d'une antenne rectangulaire classique est considéré par exemple d'être "séparable" en y et a Ce type de diagramme de rayonnement pourrait éliminer dans une

grande mesure le décalage air-eau.

La figure 3 b représente un système de coordonnées à axes

inclinés permettant d'obtenir un diagramme de rayonnement sépara-

ble en x et y L'axe Y' est une projection de l'axe du faisceau sur le plan X-Y L'axe Y' forme un angle K avec l'axe Y. La figure 3 c représente une antenne à ouverture inclinée

d'un angle de K = 450 La fonction de l'amplitude de cette an-

tenne est un produit de deux fonctions séparées sur l'axe X et

sur l'axe Y'.

A(x, y') = f'(x) g'(y')

Le diagramme de rayonnement de l'antenne à ouverture incli-

née peut être séparé en y et g o i est l'angle entre l'axe Y' et l'axe du faisceau Près du centre du faisceau, le diagramme de rayonnement peut également être séparé (en approximation serrée)

en y et À, étant de ce fait essentiellement indépendant du déca-

lage air-eau Toutefois, la figure 3 c montre également que l'antenne à ouverture inclinée laisse inutilisées les parties importantes de la zone de montage rectangulaire Ainsi, le gain d'une antenne à ouverture inclinée estplus faible que si toute la zone rectangulaire contenait des éléments rayonnants En outre,

l'insuffisance des longueurs des ensembles rayonnants de l'anten-

ne à ensembles inclinés limite le nombre d'éléments rayonnants que pourrait comprendre chaque ensemble, ce qui se traduit par

une perte d'insertion inacceptablement faible.

Toutefois, comme le montre la figure 4, il est possible de générer une ouverture inclinée, et la tronquer pour obtenir une ouverture rectangulaire qui maintient la séparabilité désirée En outre, il est possible de modifier l'angle d'inclinaison-à tel point que l'on obtient une surcompensation qui contrebalance les

effets du retranchement de l'ouverture initiale Ces considéra-

tions constituent la base de la présente invention.

En s'appuyant sur cette conception, on obtient une ouverture

tronquée pour une moitié de l'antenne et les conductances rayon-

nantes sont repliées de sorte que le système d'alimentation est réciproque On reproduit cette ouverture modifiée pour réaliser

la seconde moitié de l'antenne.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, il est nécessaire de tourner les alimentations et l'ensemble rayonnant de 900 afin d'obtenir un système d'alimentation simplifié pouvant être utilisé tout en maintenant une compensation de fréquence et

une correction de la polarisation au-dessus de l'eau.

Afin d'obtenir une correction au-dessus de l'eau, il faut

maintenir la relation entre l'orifice d'alimentation et la dis-

tribution inclinée La figure 5 illustre ce point.

Sur cette figure, on constate que l'énergie pénétrant dans l'antenne par n'importe quel orifice génère un faisceau incliné de sorte que les paires alternées présentent la même inclinaison,

c'est-à-dire la paire 1, 2 et la paire 3, 4.

De par la nature de l'antenne, chaque alimentation voit les deux distributions inclinées Par exemple, l'alimentation de

gauche, alimentée par l'orifice 1, génère une distribution incli-

née sur sa première moitié et une inclinaison opposée sur sa se-

conde moitié A la limite, si chaque moitié de l'alimentation rayonnait une puissance égale, il n'y aurait pas de correction au-dessus de l'eau En faisant varier l'angle d'inclinaison pour surcompenser la première moitié de l'alimentation et en agissant sur l'amplitude pour qu'une puissance importante soit rayonnée par la deuxième moitié, il est possible d'optimiser l'antenne pour obtenir un gain maximal et un décalage minimal au-dessus de l'eau.

Les antennes à microbandes connues mettent en oeuvre un sys-

tème de compensation de fréquence à faisceau composé, selon le-

quel chaque faisceau est constitué -de deux faisceaux qui se dé-

placent dans des sens opposés pour un décalage de fréquence

donné Cette approche tout en assurant une compensation de fré-

quence excellente, nécessite un système d'alimentation et des ensembles d'éléments extrêmement complexes Pour l'antenne de la présente invention, on fait appel à une compensation simplifiée d'une paire de faisceaux Les effets de la température sont des variations physiques qui affectent la structure rayonnante de la

même manière que des variations de fréquence et sont, par consé-

quent, compensés de la manière que la fréquence.

Comme on l'a déjà signalé, les faisceaux "gamma" sont pro-

duits par les alimentations disposées parallèlement à l'axe lon-

gitudinal de l'antenne Une alimentation vise l'avant tandis que l'autre vise l'arrière Un orifice d'alimentation est alimenté à

un moment donné et génère un seul faisceau.

Chaque alimentation, qu'elle vise l'avant ou l'arrière, peut être représentée dans un circuit équivalent comme une série de coupleurs de puissance alimentant chaque ensemble rayonnant (figure 6) espacés d'une distance "d" A ceux du métier, on effectue des calculs pour déterminer la longueur du parcours électrique nécessaire pour générer soit le faisceau visant l'avant, soit le faisceau visant l'arrière, au niveau de l'angle de visée désiré On y parvient matériellement en disposant une

ligne d'alimentation sinusoïdale 12 (figure 6) dans l'espace pré-

déterminé. L'angle de visée est défini par cos O = e + ú g m d o À représente la longueur d'ondes en espace libre, c représente la constante diélectrique effective du substrat à microbandes,

m est un nombre entier.

Dans ce cas, m = 1 constitue le faisceau de premier ordre.

Un changement de fréquence se traduit par un déplacement, rapporté à la normale de l'antenne, dans des sens opposés des faisceaux de visée en avant et en arrière Le système d'antenne établissant la moyenne des informations Doppler se rapportant à gamma des quatre faisceaux, la compensation de fréquence est obtenue lorsque les paires de faisceaux se déplacent selon des

directions opposées pour un changement de fréquence donné.

La compensation de fréquence effective est illustrée par la figure 7 qui indique que, à mesure que la fréquence augmente, par exemple, les faisceaux 1 et 3 s'éloignent en gamma de la normale tandis que les faisceaux 2 et 4 se rapprochent de la normale Si le faisceau se déplaçait également avec la fréquence, l'antenne

serait intégralement compensée Toutefois, la vitesse de change-

ment avec la fréquence de l'ensemble visant l'arrière

est légèrement différente de celle de l'ensemble visant l'avant.

Cette différence est inférieure à 0,00025 degré pour chaque M Hz

de variation de la fréquence de fonctionnement, ce qui est négli-

geable. La figure 8 représente une distribution d'amplitude de l'axe X incliné, telle qu'elle serait imprimée par une imprimante d'ordinateur pour une antenne typique, conformément à la présente invention qui se base sur des largeurs de faisceaux et des angles

de visée cherchés typiques La distribution illustrée a été éta-

blie pour un axe incliné, laquelle pourrait être convertie à

l'aide d'un programme d'ordinateur pour obtenir l'ouverture rec-

tangulaire recherchée Toutefois, cette mise en oeuvre de l'ordi-

nateur ne fait pas partie de la présente invention.

La figure 9 représente également une impression obtenue par

ordinateur montrant la distribution de l'amplitude de l'axe X in-

cliné. La structure d'antenne conforme à la présente invention est

représentée sur la figure 14 o l'alimentation de visée en arriè-

re 12 est représentée comme étant parallèle à l'alimentation de

visée en avant 14 Selon un mode de réalisation préféré de l'in-

vention, 36 ensembles sont reliés entre les alimentations 12 et

14 Les ensembles sont répartis de manière typique à des inter-

valles de 9,525 mm le long de l'alimentation La figure 13 repré-

sente la partie en haut et à droite de l'antenne et représente la

structure avec plus de détail Ainsi, une portion conductrice ma-

térialisée par un transformateur 16, est raccordée par une extré-

mité à une alimentation voisine ( 14) et par l'extrémité opposée à un élément rayonnant voisin Les éléments rayonnants de chaque antenne ont été indiqués par le numéro de référence 20 Chaque ensemble comprend 26 éléments, répartis de manière typique à des intervalles de 11,226 mm Ces intervalles ont été choisis pour

minimiser la génération de faisceaux de second ordre Les élé-

ments rayonnants sont séparés entre eux par une liaison de phase d'ensembles 18 Un dispositif d'entrée 30 constitue un point d'introduction d'énergie dans la ligne d'alimentation 14 tandis qu'un baton d'adaptation conducteur 32 s'étend sur une faible

distance à partir de ce dispositif 30.

La figure 14 représente la totalité de la structure rayon-

nante comprenant des dispositifs d'entrée supplémentaires 26, 22 et 36 ainsi que des batons d'adaptation correspondants 28, 24 et 34. Le transformateur 16 sert de transformateur d'impédance et présente des niveaux d'impédance présélectionnés au niveau des prises des divers ensembles Il est nécessaire d'assurer à chaque

ensemble une valeur de couplage déterminée pour obtenir un dia-

gramme de rayonnement déterminé Les critères permettant de dé-

terminer l'impédance nécessaire font partie d'une technique connue.

Lorsque l'oririfice est en fonctionnement, de l'énergie in-

troduite par un dispositif d'entrée particulier (orifice) permet la propagation d'énergie le long d'une ligne d'alimentation correspondante et chaque ensemble prélève une portion de cette

énergie qui se propage le long de cet ensemble Le fait d'alimen-

ter chaque dispositif d'entrée (orifice) en énergie se traduit par la génération d'un faisceau correspondant La commutation d'énergie est assurée par un interrupteur à micro-ondes classique

(non représenté).

Lors du retour d'un signal réfléchi, un système de stockage (non représenté) relié à l'antenne de la figure 14 met en mémoire le cosinus effectif relatif à la direction gamma pour chaque faisceau, individuellement Après quoi, la moyenne des données fournies par les quatre faisceaux est établie par des moyens 2527014 l 1 O

connus La mise à jour de la génération de faisceaux et de l'éta-

blissement de la moyenne sera assurée de manière continue par

le système.

La figure 10 représente sous forme imprimée par ordinateur les coefficients de couplage et d'alimentation de l'ouverture

entière d'une antenne typique Ces informations, prises-en consi-

dération avec des informations d'un substrat particulier, permet-

tront à un homme du métier d'établir une configuration définitive de l'antenne à microbandes Sur la figure 10, les diverses prises d'énergie des ensembles correspondants sont numérotées 1 à 36 tandis que la coordonnée Y de chaque ligne d'alimentation est indiquée en pouces Les coefficients de couplage et de rayonnement

sont donnés pour chaque élément de chaque ensemble.

Les diagrammes d'ordinateur des coupes des plans principaux

sont représentés sur les figures 11 et 12, la figure 11 illus-

trant le diagramme du champ lointain du plan gamma principal tandis que la figure 12 illustre le diagramme du champ lointain du plan sigma principal Les deux diagrammes des figures 11 et 12

sont basés sur les coefficients de couplage et de rayonnement dé-

finis par la figure 10.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté sans pour autant

sortir du cadre de lrinvention.

Claims (4)

REVENDICATIONS

1 Antenne è microbandes à alimentation gamma pour système de navigation Doppler comprenant: des moyens d'alimentation de visée en avant comprenant des première et seconde extrémités des moyens d'alimentation de visée en arrière parallèles aux moyens d'alimentation de visée en avant; une pluralité d'ensembles rayonnants parallèles reliés transversalement entre les moyens d'alimentation;

et des moyens reliés aux extrémités des moyens d'alimenta-

tion pour réaliser quatre orifices d'entrée de l'antenne, carac-

térisée en ce que chaque ensemble comprend: a) des premiers moyens de transformation d'impédance ( 16) reliés par une première extrémité aux moyens d'alimentation de visée en avant ( 14);

b) des éléments rayonnants reliés en série ( 20) de dimen-

sions présélectionnées, reliés par une première extrémité à une seconde extrémité des moyens de transformation ( 16); c) des seconds moyens de transformation ( 16) reliés par une première extrémité aux moyens d'alimentation de visée en arrière ( 12) et par une seconde extrémité à la seconde extrémité des éléments rayonnants reliés en série ( 20); et d) des moyens de liaison ( 18) raccordés entre les éléments

rayonnants ( 20) pour établir une phase d'ensemble présélection-

née.

2 La structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments rayonnants ( 20) présentent des coefficients de rayonnement correspondants et en ce que les liaisons entre les éléments rayonnants et les moyens d'alimentation sont ajustés pour que la fonction d'amplitude de l'antenne le long de l'axe de propagation est un retranchement d'une fonction d'amplitude d'un long ensemble incliné pour assurer une compensation au-dessus de l'eau.

3 Structure selon la revendication 2, caractérisée en ce

que chaque orifice d'entrée comprend un dispositif d'entrée con-

ducteur ( 22 26, 30, 34) et un baton d'adaptation ( 24, 28, 32,

36) relié à celui-ci.

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4 La structure selon la revendication 3, caractérisée en ce que les moyens d'alimentation de visée en avant ( 14) présentent

une forme sensiblement sinusoïdale et en ce que les moyens d'ali-

mentation de visée en arrière ( 12) présentent une forme analogue mais d'une dimension inférieure à celle des moyens d'alimentation

de visée en avant.

Structure selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque orifice d'entrée comprend un dispositif d'entrée conducteur ( 22, 26, 30, 34) et un baton d'adpatation ( 24, 28, 32, 36) relié à celui-ci et en ce que les moyens d'alimentation de visée en avant ( 14) présentent une forme sensiblement sinusoïdale et en ce que les moyens d'alimentation de visée en arrière ( 12) présentent une forme analogue mais d'une dimension inférieure à celle des moyens d'alimentation de visée en avant, l'excitation

au niveau de chaque orifice produisant un faisceau correspondant.