FR2540298A1 - Antenne a couverture quasi isotropique sur 4p steradians, pour balise d'engin recevant des ondes electromagnetiques polarisees circulairement - Google Patents

Abstract

L'invention se rapporte à une antenne à couverture quasi isotropique sur 4pi stéradians, pour balise d'engin recevant des ondes électromagnétiques polarisées circulairement. L'antenne est située sur une portion cylindrique P d'engin porteur. Elle comporte deux éléments rayonnants S1 et S2 émettant chacun en polarisation rectiligne, pratiquement dans tout l'espace et n'introduisant pas de perturbations aérodynamiques. Ces éléments rayonnants sont destinés à recevoir une onde électromagnétique polarisée circulairement et à réémettre, en direction de la station émettrice, une onde polarisée de façon rectiligne mais dont la direction peut être quelconque, par rapport à la référence de cette station émettrice, à cause du déplacement de l'engin porteur. De façon à diminuer le nombre de trous de champ dus à des interférences entre les deux ondes émises, ces sources S1 et S2 sont disposées sur la périphérie de l'engin de façon à émettre des ondes telles que leurs directions de polarisation soient orthogonales. (CF DESSIN DANS BOPI) L'invention s'applique aux antennes à couverture quasi isotropique sur 4pi stéradians pour balise d'engin.

Description

L'invention s'applique aux antennes à couverture quasiisotropique sur 4# stéradians, pour balise d'engin.

Les balises répondeuses montées à bord d'engins doivent être munies d'antennes capables d'émettre ou de recevoir suivant une couverture quasi-isotropique sur tout l'espace. Il est ainsi possible de communiquer avec l'engin porteur quelles que soient L'attitude de cet engin et sa position par rapport à la station au sol. En outre, et en particulier dans le cas d'engins destinés à se déplacer à grande vitesse, l'antenne doit dépasser le moins possible de l'enveloppe de cet engin afin de ne pas provoquer d'effets aérodynamiques perturbateurs.

Lorsqu'un radar de trajectographie effectue la poursuite d'un objectif cooperatif équipe de balises répondeuses, la poursuite est perturbée par les variations Importantes du niveau de champ électrique reçu en provenance de la balise. Lorsque le niveau reçu baisse bruta- lement dans un trou de champ, la précision de Localisation de l'objectif devient mauvaise et il peut arriver que la poursuite décroche, ce qui risque de compromettre des missions prioritaires telles que la télé- commande de l'engin.Ces variations de niveau de champ émis par ].a balise sont dués à plusieurs causes: insuffisance de la couverture angulaire des systemes d'antenne du répondeur, interaction entre les antennes et la structure de l'engin, interférences entre les sources qui constituen le système d'antennes du répondeur.

Si on se places dans le cas très frequent où l'antenne de la station au sol fonctionne en polarisation circulaire et ou l'antenne de bord fonctionne : polarisation linéaire, la solution la plus couramment choisie consiste a utiliser deux ou plusieurs sources rayonnantes, uni formément reparties su une section, généralement circulaire, de l'engin et alimentées par un diviseur de puissance. La polarisation lineaire utilisée n'est pas modifiée par une rotation de l'engin autour de son axe.Elle est proche de l'horizonrale la plupart du tempe mais peut tourner a la verticale lorsque l'axe da l'engin évolue vers ia verticale.

Pour obtenir une -ouverture quasi-isotropique, dars le cas de deux sources, chacune de ces sources doit couvrir une zone hémisphérique.

Cependant, sur une couromme dont l'axe joint les deux sources et en particulier dans l'axe de l'engin, vers l'avant et rais l'arrière, il apparaît des lobes -de réseau dus aux interférences entre deux ondes émises par des sources distantes de plusieurs longueurs d'onde Les trous de champ en résultant peuvent aiors perturber la poursuite. Ces trous de champ apparaissent lorsque les champs électriques issus de chacune des deux sources présentent des amplitudes voisines et des phases relatives AQ de l'ordre de h6 A (7k+l) Tr, avec k entier.

Les dipôles conventionnels habituellement utilisés ne sont pas satisfaisants car ils présentent un diagramme directif dans le plan E avec des "crevasses" à + 900 de la direction du maximum, s'intègrent mal à l'enveloppe de l'engin porteur et sont sensibles à la présence d'un plion métallique réflecteur. Ainsi, ont été développés plusieurs types d'antennes imprimées comportant un nombre relativement important d'éléments rayonnants émettant chacun sur cent quatre-vingts degrés dans le plan E mais se répartissant l'espace dans le plan H. Cependant, cette multiplicité de sources rayonnantes, en dehors de sa plus grande comple- xité de réalisation, peut présenter des problemes d'intégration, er.

particulier si plusieurs types d'antennes, affectées à des tâches différentes, doivent être intégrés sur une même tranche circulaire de engin porteur.

Cependant, il existe des éléments rayonnants tels les dipôles ou doublets plaques court-circuités qui sont facilement integrables et qui possèdent un diagramme de rayonnement tres large dans le plan E et relativement large dans le plan H.

Ainsi, la présente invention se propose de fournir une antenne à couverture quasi-isotropique pour balise d'engin à émission sur 4s stéradians, comportant deux éléments rayonnants identiques recevant et émettant tous deux en polarisation recsíligne et recevant, d'une station émettrice, une onde électromagnétique polarisée circulairement.

Cette antenne est telle que les trous de champ sont limités et qu'elle s'intègre a la structure de l'engin porteur sans créer de perturbations aérodynamiques.

Selon la présente invention, ces liements rayonnants sont disposés a la périphérie de l'engin porteur, intégrés a l'enveloppe de celui-ci et disposés de façon telle que les normales, vers l'extérieur, à ces éléments rayonnants soient de direction opposée et que les directions relatives de polarisation des ondes émises, ou reçues, par chacun d'eux soient telles que les zones de recouvrement des diagrammes soient minimisées.

Selon une autre caractéristique de cette invention, les diagrammes de rayonnement sont différents dans le pian E et dans le plan H et les directions relatives de polarisation sont orthogonales.

Dans une telle configuration, on obtient une onde à polarisation elliptique ou circulaire. Suivant la direction de la station au sol par rapport à un système d'axes porté par l'engin sur lequel sont plaquées les deux sources rayonnantes, cette polarisation elliptique peut être de sens adapté ou anti-adapté. Dans l'axe de chacun des éléments rayonnants, l'amplitude du champ émis par un élément rayonnant donné peut être considérée comme relativement grande par rapport au champ rayonné par l'élément rayonnant situé derrière l'engin porteur. Quelles que soient les phases relatives de ces deux ondes fournies, donnant une onde de polarisation elliptique adaptée ou anti-adaptée à l'onde circulaire émise par la station au sol, on pourra considérer que cette ellipticité est suffisamment prononcée pour que tout se passe comme si l'onde émise était polarisée rectilignement.Cette direction de polarisation est celle imposée par l'élément rayonnant le plus proche. Dans la direction opposée, les mêmes conditions seront imposées par l'autre élément rayonnant. L'onde reçue pourra alors être considérée comme polarisée rectilignement mais dans une direction orthogonale à la précédente.

Cependant, au fur et à mesure que l'on tourne autour de engin porteur, dans un plan perpendiculaire à sa trajectoire par exemple, le niveau réçu d'un premier élément rayonnant décroit et le niveau reçu du second croit. Il va donc exister une plage angulaire critique où les deux amplitudes rayonnées seront voisines et où l'onde composite sera donc à polarisation circulaire ou à faible taux d'ellipticité. Si les phases relatives des deux ondes émises sont telles que l'onde composite émise en direction de la station au sol est de polarisation circulaire inverse de la polarisation de cette station au sol, on obtiens, dans cette direction, un trou de champ. Il existera donc toute une zone de l'espace où sera réparti un certain nombre de trous de champ dont la densité dépendra de la distance entre les deux sources. Ces trous de champ apparaissent lorsque les champs électriques issus des deux sources ont des phases relatives AQ telles que Ass = (4k+l) 2 avec k entier.

Il résulte des ces constatations que, quelles que soient les directions relatives de polarisation des deux ondes émises, la région de l'espace où les amplitudes seront voisines devra être la plus réduite possible. Au niveau des diagrammes de rayonnement de chacune des sources, leur intersection devra donc être la plus abrupte possible sur la plus grande partie possible de l'espace.

Il sera donc nécessaire de concevoir un élément rayonnant émettant de façon isotrope par exemple sur une calotte sphérique et qui, au-delà, ait un diagramme de rayonnement possédant une atténuation, par degrés supplémentaires, la plus importante possible. On obtiendra ainsi un découplage pratiquement parfait.

Ce type de diagramme étant impossible à réaliser, du moins dans le cadre d'antennes de faible coût, la solution selon la présente inven tin permet de limiter la partie de l'espace la plus perturbée en utilisant au mieux la forme, dans l'espace, du diagramme de rayonnement de certains éléments rayonnants. Si, par exemple, l'élément considéré a un diagramme de rayonnement dans le plan E plus large que cent quatrevingts degrés et dans le plan H moins large que cent quatre-vingts degrés, il sera possible d'obtenir un recouvrement, entre les deux diagrammes, qui soit de largeur minimale en les disposant de façon qu'ils émettent en polarisation croisée.

L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints où - la figure 1 représente, montée sur une portion de missile,-une antenne
à deux éléments rayonnants selon la présente invention; - la figure 2 représente un doublet plaque court-circuité pouvant être
utilisé comme élément rayonnant; - la figure 3 représente le diagramme des courants équivalents à ce
doublet plaque; - la figure 4 représente le diagramme de rayonnement dans le plan E de
ce doublet plaque; - la figure 5 représente le diagramme de rayonnement dans le plan H de ee
doublet plaque; - la figure 6 représente le diagramme de rayonnement théorique pour
deux éléments rayonnants ayant même direction de polarisation;; - la figure 7 représentet le diagramme de rayonnement pour deux éléments
rayonnants dont les directions de polarisation sont orthogonales; - la figure 8 représente un schéma montrant la position relative des
deux éléments rayonnants et la différence de marche des deux ondes
émises dans une direction donnée;; - la figure 9 représente en coordonnées cartésiennes le diagramme de
rayonnement mesuré pour deux directions de polarisation de même sens
et - la figure 10 représente en coordonnées cartésiennes le diagramme de
rayonnement mesuré pour deus directions de polarisation orthogonales
Sur la figure 1, est représentée une portion cylindrique P d'un engin porteur, un missile par exemple, comportant une antenne à couverture quasi-isotropique selon la présente invention Cette antenne comporte deux éléments rayonnants S1 et S23 de forme rectangulaire sur la figure, qui fourissent un rayonnement électromagnétique polarisé, le premier, S1, dans le plan horizontal portant son axe X1 et l'axe x de 1 portion de cylindre P et le second, 52, dans le plan vertical portant son axe x2 et perpendiculaire a l'axe X de la portion de cylindre P. Ces éléments rayonnats, placés sur une structure métallique P, sont tels qu'ils rayonnent chacun pratiquement dans tout l'espace de façon uni tome
Dans le cas d'une antenne intégrés sur l'enveloppe d'un engin porteur destiné à évoluer à grande vitesse, les éléments rayonnante S1 et 82 doivent être tells qu'ils provoquent le moins possible d'effets @érodynamiques perturbateurs.Parmi les éléments rayonnance connus mettant uc onde Electromagnétiq us polarisée les doublets plaques court-circuités sont parmi les plus faciles à intégrer à une tells structure. Ces doublets plaques court-circuités sont décrits dans un article de "L'onde électrique", paru en 1980, volume 60, n 6-7, pages 54 à 58, et intitulè: "Couplage de sources patites par rapport à la longueur d'onde " par G. Dubost et A. Rabbaa. Le doublet plaque court-circuité utilisable dans l'antenne selon la présente invention est représenté sur la figure 2. Il comporte un circuit imprimé CI sur lequel sont gravées deux plaques DI, constituant un dipôla imprimé de largeur W. Ces plaques, chacune de longueur h, sont disposées dans le prolongement l'une de l'autre et sont séparées par un espace a.Leurs bords opposés sont électriquement reliés au plan réflecteur PR par das lignes de courtcircuit Lc servant aussi d'entretoise et permettant de maintenir les plaques de circuit imprimé à une distance H du plan réflecteur. Ce dipôle est alimenté par la ligne d'alimentation Là. Si les variables h et H vérifient la relation h+H=#/4 où # est la longueur d'onde émise, la dipôle est à la résonance. La largeur W permet d'adapter l'impédance de rayounement à l'impédance d'entrée du récepteur placé darrière l'antenne.

Sur la figure 3, est représenté l'ensemble des courants présents sur le dipôle en fonctionnement. Ce diagramme des courants comporte un courant principal Ip, parallèle au grand côté du dipôls imprimé représenté sur la figure 2, et deux courants de court-circuit Icc et I'cc, en opposition de phase, situés aux extrémités du dipôle, paralpèles aux lignes de court-circuit C et perpendiculaires au plan réflec eeur PR.

Ce type d'élément rayonnant présente, comme représenté sur les figures 4 et 5 qui correspondent à des mesures réelles, un diagramme de rayonnement large dans le plan E ainsi que dans le plan H. Ces mesures ont été effectuées avec un plan réflecteur PR de dimensions réduites.

Ces diagrammes sont ici représente' en coordonnées cartesiennes et donnent le gain du doublet: en fonction de 1 l'angle a au ss par rapport a la normale ; ce doublet. Le plan E est défini comme cet lut contient le champ électrique et la direction de propagation et le plan E est celui qui contient le champ magnétique ec la direction le propagation.

Ces diagrammes de rayonnement sont dans "crevasse" dans une zone hémi spherique contrairement à ce qui I ce produit avec un dipôle demi-onde conventionnel qui rayone un champ nul dans l'axe du dipôle.

On peut remarquer que les courants de court-circuit induisant à#90 de l'axe du dipôle et dans le plan E un champ électrique de fort niveau résultant de la combinaison en quadrature de phase des champs induits par les deux courants de court-circuit, écartés d'environ ut quart de longueur d'onde dans le cas de a figure 2. Si le plaïi du dipole est horizontal, le champ électrique résultant présente une pois- risation verticale, ce qui a son importance pour assurer une bonne couverture de l'espace.En revanche, les courants de court-circuit étant en opposition de phase, ils n'introduisent aucun champ électrique dans le plan perpendiculaire à l'axe du dipôle plan H) ; ceci explique pourquoi le diagramme de rayonnement d dipôle est plus large dans le e plan E (#130 à - 10 dB) que dans le plan H (# 90 à -10 dB). Ce dipôle est d'autre part faiblement couple avec 1' environnement.

Un tel dipôle satisfait à la condition énoucée précédemment er on cbtiendra, pour deux éléments rayonnants emettant en direction opposée, deux diagrammes de rayonnement à recouvrement minimum eu faisant tourner la direction de polyrisation de l'un de quatre-vingt- dix degrés par rapport à cella de l'autre.

Les doublets plaques court-circuités. tel celul décrit dans l'article cité ci--dessus ou dans l'article de "Electronics letters" du 26 novembre 1981, volume 17, n: 2A, pages 914-916 et intitulé "Short or open-circuited dipole parallel to perfect reflector plane and embedded in substrate and acting at resonance" de G.Dubost, sont des dipôles dont l'impédance de rayonnement varie de 100 Q 600 li et qui permettent donc d'obtenir une -adaptation d'impédance correcte, le récepteur qui suit et les éléments de liaison tels que câbles coaxiaux et lignes triplaques ayant généralement une impédance de 50 n. Ces dipôles court-circuités sont, pour des contraintes d'encombrement, réalisés de façon à avoir une épaisseur H la plus petite possible, la longueur h de chaque plaque étant alors approximativement égale à 4.Or, dans le cas de missiles, c'est-à-dire d'engins sensiblement cylindriques dont le diamètre n1 est pas très grand par rapport à la longueur d'onde émise, la largeur W du premier dipôle ainsi que la double longueur 2h du deuxieme interceptent, comme représenté sur la figure 1, un arc dont la flèche n'est pas négligeable. La grosseur relative des sources S1 et S2 par rapport à la partie P d'engin porteur a ici été surdimensionnée de façon à mieux faire apparaître cet arc. Cette dépression sur les parois de l'engin porteur peut provoquer certaines perturbations aérodynamiques.

Ainsi, pour pallier à ces inconvénients et étant donné la place suffisante, disponible dans le corps du missile, la présente invention fournit un doublet plaque court-circuité de dimensions spéciales qui permet de diminuer les perturbations aérodynamiques. Ces dimensions sont H = - h = - et W de l'ordre de 8 Cependant, un tel doublet ayant sont 8 une impédance de rayonnement de l'ordre de 10 000 Q, ce qui est une valeur trop élevée pour permettre une adaptation par transformateur quart d'onde, il est réalisé une adaptation d'impédance à l'aide d'un tronçon de ligne ou "stub" ST placé dans l'intervalle e et imprimé sur la face opposée à celle des plaques DI. Ce tronçon de ligne ST est elec- triquement relié à la ligne d'alimentation LA imprimée sur la même face.

Sur la figure 6, ont été représentés, dans un plan perpendiculaire à l'axe X de l'engin porteur C, les diagrammes de rayonnement El et E2 des éléments rayonnants S1 et S2, dans le cas où ces éléments rayonnants emettent des ondes ayant même direction de polarisation. Les diagrammes reportés ici en coordonnées polaires correspondent aux mesures reportées sur la figure 4 en coordonnées cartésiennes, les quelques "ondulations" résultant de réflexions parasites sur le plan réflecteur PR en ayant éte expurgées. On constate que l'on a ici une zone Z, Z' relativement large dans laquelle les amplitudes émises par les deux sources Si et S2 sont voisines.

Sur la figure 7, ont été représentes, dans un plan perpendiculaire X à l'axe X de l'engin porteur C, les -diagrammes de rayonnement El et E2 des éléments rayonnants S1 et S2 dans le cas où ces éléments rayonnants émettent des ondes ayant des directions de polarisation orthogonales. Le diagramme de rayonnement El est ici représenté dans les mêmes conditions que celui de la figure 6 alors que le diagramme de rayonnement E2 correspond au diagramme de rayonnement du dipôle dans le plan H tel que représenté sur la figure 5. On constate que l'on a ici u-:e zone Z, Z' plus étroite que dans le cas de la figure 6.

Sur les figures 9 et 10, sont représentés, à titre indicatif, les résultats des mesures obtenues dans des conditions réelles pour respectivement deux doublets plaques émettant des ondes de même direction de polarisation et pour deux doublets plaques émettant des ondes dont les directions de polarisation sont orthogonales. Les diagrammes de rayonnement composites mesurés ont été ici représentés en coordonnées cartésiennes dans les conditions de la figure 8, c'est- -dire dans un plan, portant les sources S1 et S2, perpendiculaire à l'axe X de l'engin porteur. L'angle e est ici l'angle, dans ce plan, entre la direction de propagation et l'axe joignant les deux sources.

Par rapport aux courbes données précédemment, on peut ici remarquer les nombreuses "ondulations" dues aux réflexions parasites sur les masses métalliques de l'engin porteur ou, dans le cas de la figure 10, au sens adapté ou anti-adapté de la polarisation. On peut constater que la densité de trous de champ (à -10 dB) est beaucoup moins importante dans le cas de deux doublets plaques à polarisations croisées.

Bien que la présente invention ait été décrite dans le cadre d'un exemple particulier de réalisation, il est clair qu'elle n'est paslimitée auxdits exemples et qu'elle est susceptible de modifications ou de variantes sans sortir de son domaine.

Claims (4)

REVENDICATIONS

1. Antenne à couverture quasi-isotropique, pour balise d'engin à émissio sur 4# stéradians, couportant deux éléments rayonnants recevant et émettant tous deux en polarisation rectiligne et recevant, d'une station émettrice, une onde électromagnétique polarisée circulairement, caractérisée en ce que ces élémete rayonnants (S1, S2) sont placés à la périphérie de l'engin porteur (C), intégrés à l'enveloppe de celui-ci et disposée de façon telle que les normales, vers l'extérieur, à ces éléments rayonnants, soient de direction opposés, et en ce que les directions de polarisation des ondes émises, ou reçues, par chacun d'eu@ sci@at telles que les zones de recouvrement des diagrammes de rayonnement soient minimisées.

2. Antenne à couverture quasi-isotropique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les diagrammes de rayonnement sont différents dans le plan E et dans le plan H et en ce que les directions relatives de polarisation sont orthogonales.

3. Antenne à couverture quasi-isotropique selon l'une des revendications 1 où 2, caractérisée en ce que les éléments rayonnants (S1, S2) sont des doublets plaquer (CI, DI) court-circuités intégrés à la surface de l'engin porteaux.

4. Antenne à couverture quasi-isotropique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la périphérie de l'engin porteur (P) est à symétrie cylindrique, en ce que les éléents rayonnants sont des doublets plaques (CI, DI) court-circuites de grande impédance, adaptée ensuite par "stub" (ST), permettant de conserver un ensemble ayant une bonne pénétration aérodynamique et en ce que les dimensions d'un élément sont sensiblement talles que:

où H est la distance du doublet plaque (CI, DI) au plan réflecteur (@@ et/où h est la demi-longueur de ce doublet plaque et @ sa largeur.