FR2560448A1 - Element rayonnant des ondes electromagnetiques et son application a une antenne a balayage electronique - Google Patents

Abstract

LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN ELEMENT RAYONNANT FORME PAR DEUX POLES ORTHOGONAUX REALISES CHACUN A PARTIR DE DEUX LIGNES COAXIALES 1 ET 2; 3 ET 4 ASSOCIEES A DEUX BRINS RAYONNANTS 5 ET 6; 7 ET 8, UNE DES DEUX LIGNES COAXIALES 1; 3 DE CHAQUE COUPLE ETANT ALIMENTEE PAR UNE DE SES EXTREMITES 17; 18 DE SON CONDUCTEUR CENTRAL 13; 15 DONT L'AUTRE EXTREMITE 19; 20 EST RELIEE ELECTRIQUEMENT AU CONDUCTEUR CENTRAL 14; 16 DE L'AUTRE LIGNE COAXIALE QUI EST OUVERTE 2; 4 DE FACON A CE QUE LES CENTRES DE PHASE 0 DES DEUX DIPOLES SOIENT CONFONDUS. APPLICATION A UNE ANTENNE A BALAYAGE ELECTRONIQUE.

Description

ELEMENT RAYONNANT DES ONDES ELECTROMAGNETIQUES

ET SON APPLICATION A UNE ANTENNE A BALAYAGE

ELECTRONIQUE

La présente invention concerne un élément rayonnant des ondes électromagnétiques, particulièrement intéressant par le fait qu'il peut rayonner avec une polarisation commutable. L'invention concerne également son application à la réalisation d'une antenne réseau, linéaire ou bidimensionnelle, du type antenne à balayage

électronique notamment.

On connaît déjà des antennes réseaux à balayage électronique

qui rayonnent des ondes électromagnétiques en polarisation recti-

ligne ou circulaire fixe. Or, il peut être intéressant de modifier en un temps tres court la polarisation émise - en quelques dizaines de

Ès par exemple - notamment en présence de clutters ou de brouil-

leurs. Le taux d'élimination de ces éléments parasites sera d'autant plus important que l'on pourra aisément agir sur la polarisation, c'est-à-dire sur l'orientation du plan de polarisation dans le cas d'une polarisation rectiligne ou sur les caractéristiques de l'ellipse de

polarisation dans le cas d'une polarisation circulaire.

La présente invention permet de résoudre le problème techni-

quIe posé par la commutation de polarisation d'un élément rayonnants notamment en vue de la réalisation d'une antenne à balayage électronique. Pour cela, l'invention a pour objet un élément rayonnant conçu de telle sorte que la polarisation de l'onde électromagnétique qu'il émet est commutable. Un tel élément peut rayonner une onde

suivant une polarisation comrmutable, qui peut être rectiligne sui-

vant une direction donnée ou suivant une autre direction rectiligne orthogonale à la précédente, ou bien encore circulaire droite ou

gauche avec, pour chacun des sens de rotation, plusieurs configu-

rations possibles de l'ellipse de polarisation.

A cet effet, l'invention a pour objet un élément rayonnant comportant deux couples de lignes coaxiales adjacentes deux à deux, associées chacune à un brin conducteur en contact électrique avec le conducteur extérieur de chaque ligne, chaque couple comprenant deux lignes disposées symétriquement par rapport à un axe de symétrie passant par les brins conducteurs des deux lignes de l'autre couple, les deux axes de symétrie étant orthogonaux de sorte que les quatre brins forment deux dip8les orthogonaux et en ce qu'une des deux lignes coaxiales de chaque couple est alimentée par une des extrémités de son conducteur central et dont l'autre extrémité est reliée électriquement au conducteur central de l'autre ligne coaxiale ouverte, par une ligne de liaison électrique, de façon à ce que les

centres de phase des deux dipôles soient confondus.

L'invention vise également l'application de l'élément rayonnant selon l'invention à la réalisation d'une antenne réseau et notamment

d'une antenne réseau à balayage électronique.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparat-

tront dans la description qui suit, illustrée par les figures qui

représentent des modes de réalisation non limitatifs donnés à titre

d'exemple:

- les figures 1 et 2: deux vues en perspective et en coupe transversale d'un élément rayonnant selon l'invention, suivant un mode de réalisation; - la figure 3: une vue en perspective d'un éléement rayonnant selon l'invention, suivant un autre mode de réalisation; - les figures 4 et 5: deux vues, en coupe et arrière, d'un élément rayonnant associé à des moyens d'alimentation; - la figure 6: une vue avant d'une antenne réseau linéaire selon l'invention; - la figure 7: une vue avant d'une antenne réseau bi-dimensionnelle

selon l'invention.

Les éléments portant les mêmes références dans les diffé- rentes figures remplissent les mêmes fonctions en vue des mêmes résultats.

Suivant le mode de réalisation représenté sur les figu-

res 1 et 2, l'élément rayonnant 100 objet de l'invention comporte deux couples de lignes coaxiales (1 et 2; 3 et 4) associées chacune à un brin conducteur 5 à 8 respectivement. Les conducteurs extérieurs des lignes coaxiales I à 4 sont référencés respectivement 9 à 12 et leurs conducteurs centraux respectivement par 13 à 17. Chaque couple de lignes coaxiales (1 et 2; 3 et 4) comprend deux lignes

disposées symétriquement par rapport à un axe de symétrie, respec-

tivement A1 et A2, passant par les brins conducteurs (7 et 8; 5 et 6) des deux lignes (3 et 4; 1 et 2) de l'autre couple, ces deux axes A1 et A2 étant orthogonaux. Ainsi, les quatre brins conducteurs 5 à 8 constituent les brins rayonnants de deux dip8les croisés. L'excitation des brins se fait par les conducteurs centraux des lignes coaxiales de la façon suivante: pour chaque couple de lignes coaxiales (1 et 2; 3 et 4) une des lignes 1 et 3 est alimentée par une des

extrémités 17 et 18 respectivement de son conducteur cen-

tral 13 et 15 dont l'autre extrémité est reliée électriquement au conducteur central 14 et 16 de l'autre ligne coaxiale 2 et 4, qui est

une ligne ouverte, par une ligne de liaison électrique 21 et 22.

Le centre de phase de chacun des deux dipôles ainsi constitués

par deux lignes coaxiales (1 et 2; 3 et 4) et par deux brins rayon-

nants (5 et 6; 7 et 8) se trouve situé au niveau de la ligne de CI liaison 21 et 22, à égale distance des conducteurs centraux (13 et 14; 15 et 16) des deux lignes. Les centres de phase de ces deux dip81es sont donc confondus au point O. Dans l'exemple de réalisation non limitatif représenté en perspective sur la figure 1 et en coupe transversale dans la figure 2, chaque couple de lignes coaxiales (1 et 2; 3 et 4) associées à un dipôle est constitué par deux cylindres de matériau conducteur, du métal par exemple, qui forment les conducteurs extérieurs des lignes. Ces derniers présentant chacun deux fentes 23; 24, pour la ligne coaxiale 3 par exemple, diamétralement opposées par rapport à l'axe de symétrie 41 du dip8le formé par les deux brins conducteurs 7 et 8. Les fentes, de longueur L donnée, permettent l'excitation des brins rayonnants. Pour chaque couple de lignes coaxiales, une des lignes comporte un conducteur central de longueur Lo égale à la longueur totale de la ligne et l'autre ligne qui est une ligne ouverte comporte un conducteur central de longueur 1 inférieure à L. Pour éviter des phénomènes de court-circuit entre les deux lignes de liaison qui se croisent, celles-ci doivent être isolées électriquement, non seulement l'une de l'autre, mais encore des conducteurs extérieurs 9 à 12 des lignes coaxiales. Les lignes de liaison sont constituées chacune par exemple par une barrette de matériau diélectrique, photogravée sur une seule face, elles sont

disposées perpendiculairement l'une à l'autre, les deux faces diélec-

triques en regard pour éviter les court-circuits électriques. Pour assurer la liaison électrique entre les conducteurs centraux des deux lignes coaxiales de chaque couple, les lignes de liaison présentent

chacune deux trous conducteurs 25 à leurs extrémités.

On peut constater sur les figures 1 et 2 la présence d'une

rondelle 60 de diélectrique destinée à assurer le centrage du conduc-

teur central de chaque ligne coaxiale.

Sur la figure 3, comme sur la figure 1, l'élément rayonnant 100

est fixé sur un plan conducteur 26 jouant le rôle de plan réflecteur.

Des brins métalliques 27 placés à l'avant des brins rayonnants 5 à 8

sont maintenus en place, parallèlement à chacun d'eux, par l'inter-

médiaire d'un support diélectrique 28 de faible constante diélec-

trique, dans le but de servir d'éléments directeurs. Ces éléments

directeurs permettent d'obtenir, pour chacun des dipôles, des dia-

grammes de rayonnement voisins dans les plans site et gisement (par l'augmentation de la directivité dans le plan normal à l'axe des dipôles). La figure 3 représente le mode de réalisation préférentiel

de l'élément rayonnant selon l'invention.

A cet élément rayonnant 100 objet de l'invention tel qu'il vient d'être décrit, on doit associer des moyens d'alimentation représentés figures 4 et 5,qui permettent à cet élément de rayonner selon

plusieurs polarisations possibles. Les moyens d'alimentation compor-

tent deux répartiteurs d'énergie 29 et 30 réalisés à partir de deux lignes de transmission hyperfréquence du type triplaque-air, suivant l'objet de la demande de brevet français publiée sous le No. 2 496 996. Dans l'application d'un tel élément à la réalisation

d'une antenne réseau, qui sera décrite ultérieurement, les répar-

titeurs sont suivis chacun d'un dephaseur à diodes 31 et 32 de N bits !, ra-ésur la figure 5 permettant d'obtenir une direction et une forme déterminée du faisceau de l'antenne comportant un tel

-"ement rayonnant et de polariser l'onde émise suivant une caracté-

rifstlqu définie, Un dispositif de sortie 51 assure la liaison entre

chaque répartiteur et le déphaseur associé. Chacun de ces dépha-

seurs 31 et 32 est d'autre part relié à des moyens de distribution 52 de puissance. Des moyens 53 de commande, d'alimentation et de test

sont adjoints à ces déphaseurs.

Comme le montre plus précisément la figure 4, chacune des lignes de transmission est constituée par deux plaques conductrices

parallèles 33 et 34 séparées l'une de l'autre par de l'air et élec-

triquement au même potentiel et par un ruban conducteur central 35 placé parallèlement et entre les deux plaques 33 et 34, à égale distance de celles-ci. Pour alimenter un élément rayonnant selon l'invention, il est nécessaire d'utiliser deux répartiteurs identiques qui sont superposés. Pour cela, un de leurs plans de masse est constitué par une plaque conductrice commune 34. Le ruban conducteur central 35 de chaque répartiteur est relié par une première extrémité à un déphaseur à diodes 31 et par une autre extrémité, au conducteur central 13 et 15 d'une des deux lignes coaxiales 1 et 3 de chaque couple qui, associé aux brins conducteurs 5 et 6, forment l'élément rayonnant, par l'intermédiaire d'un piège quart d'onde classique 38 et d'une transition 39 ligne coaxiale ligne triplaque également connue. Ce piège est réalisé par l'extrémité ouverte du conducteur central des lignes coaxiales 1 et

3, qui ramène un court-circuit à X/4 de cette extrémité. La pré-

1 sence de diélectrique 50 autour du conducteur central permet de

réduire les dimensions mécaniques.

Le fonctionnement d'un élément rayonnant selon l'invention est alors le suivant. Considérons un couple de lignes coaxiales 1 et 2 associé à des brins conducteurs 5 et 6 formant un dip8le. Une partie

de l'Pénergie provenant du déphaseur 31 et circulant dans le répar-

titeur 29 puis dans une première ligne coaxiale I dont le conducteur central 13 est relié au conducteur central 35 du répartiteur, excite les fentes de cette ligne coaxiale tandis qu'une autre partie de cette énergie, qui est transmise par la ligne de liaison 21 reliant les deux lignes coaxiales 1 et 2, excite les fentes de la deuxième ligne coaxiale ouverte 2. L'ensemble des courants créés par les quatre fentes alimente les brins conducteurs 5 et 6 du dip8le rayonnant. Les deux dip8les formant l'élémemnt rayonnant sont alimentés chacun de la même façon de manière à ce que leurs deux centres de phase soient confondus. Sans cette superposition de leurs deux centres -Je phase, il ne peut y avoir rayonnement selon une polarisation circulaire dans une grande plage angulaire. L'adaptation et le découplage des deux dipôles de l'élément rayonnant sont obtenus par action sur les longueurs I des conducteurs centraux des deux lignes ouvertes. Pour modifier la polarisation de l'onde émise, on agit sur l'état des diodes de l'un des déphaseurs 31 et 32. Si les deux déphaseurs sont dans le même état, l'onde rayonnée par l'élément rayonnant sera en polarisation linéaire verticale par exemple; s'il diffère de n, la polarisation sera linéaire horizontale et s'il diffère de Â/2 la

polarisation sera circulaire droite ou gauche, etc...

Comme cela a été dit dans l'introduction de la demande, l'invention vise également l'application de l'élément rayonnant à la

réalisation d'une antenne réseau qu'elle soit linéaire ou bidimen-

sionnelle, comme le montrent les figures 6 et 7.

Dans le cas d'une antenne réseau linéaire, représentée en perspective figure 6, elle est composée d'éléments rayonnants 40 selon l'invention, alignés à l'une des extrémités d'un ensemble de deux répartiteurs d'énergie identiques 29 et 30 accolés l'un à l'autre comme précédemment. Pour un réseau linéaire donné, tous les éléments rayonnants 40 ont leurs dip81es inclinés selon deux mêmes directions orthogonales D1 et D2 et tous les dip8les de même inclinaison respectivement 41 et 42 sont alimentés par un même répartiteur 29 et 30 respectivement relié à un déphaseur à diodes à N bits 31 et 32 respectivement, à son autre extrémité. Dans ce cas

de réseau linéaire, le ruban conducteur central 35 de chaque répar-

titeur (seul celui du répartiteur 29 a été représenté en pointillés), dont une première extrémité est reliée au déphaseur 31 est relié à son autre extrémité à des diviseurs en anneau 46 suivis de diviseurs

à branches 47 réalisant des étages successifs de division de puis-

sance afin de diviser la puissance d'entrée du répartiteur pour

alimenter en puissance chacun des éléments rayonnants 40.

Dans le cas d'une antenne réseau bidimensionnelle, à balayage électronique par exemple, représentée en perspective figure 7,elle est constituée par une pluralité de réseaux linéaires 45 tels qu'ils viennent d'être décrits, tous identiques et superposés. La distance d séparant deux réseaux linéaires 45 tient compte des données opéra- tionnelles, notamment pour éviter l'apparition d'un lobe de réseau, et de l'encombrement des éléments rayonnants 40 les uns par rapport aux autres. Pour l'ensemble des éléments rayonnants de

l'antenne, tous les dip8les sont inclinés selon seulement deux direc-

tions orthogonales, D1 et D2.

Pour un réseau linéaire comme pour une antenne à balayage électronique, la polarisation de l'onde émise par l'antenne est fonction de l'état des diodes des deux déphaseurs liés à chaque réseau linéaire; quant aux caractéristiques particulières de pointage

et de largeur du faisceau, elles dépendent de l'état des déphaseurs.

Le déphasage existant entre les états des deux déphaseurs de chaque réseau linéaire doit être le même pour tous les réseaux linéaires composant une antenne à balayage électronique. Le nombre possible de polarisation de l'onde émise par l'antenne est lié au nombre de bits des déphaseurs - pour des déphaseurs à quatre bits, il y a trente

configurations possibles.

Ainsi viennent d'être décrits à la fois un élément rayonnant à

polarisation commutable pouvant être utilisé comme source pri-

maire et une antenne réseau à balayage électronique également à

polarisation commutable constituée de multiples éléments rayon-

nants selon l'invention.

Un des avantages d'une antenne ainsi réalisée vient de son coût relativemrent faible dans la mesure o: - les deux répartiteurs alimentant chaque réseau linéaire d'éléments rayonnants sont identiques; - les éléments rayonnants peuvent être fabriqués en série, par mise au point d'un procédé industriel;

- le conducteur central des lignes coaxiales est démontable.

Un autre avantage vient de la bonne conservation des carac-

téristiques de polarisation sur une partie du faisceau rayonné par l'antenne, grâce à la superposition des centres de phase des deux

dipôles composant chaque élément rayonnant.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Elément rayonnant caractérisé en ce qu'il comporte deux couples de lignes coaxiales (1 et 2; 3 et 4) adjacentes deux à deux, associées chacune à un brin conducteur (5 et 6; 7 et 8) en contact électrique avec le conducteur extérieur (9 et 10; 11 et 12) de chaque ligne, chaque couple comprenant deux lignes (1 et 2; 3 et 4) disposées symétriquement par rapport à un axe de symétrie (A1; A2) passant par les brins conducteurs (7 et 8; 5 et 6) des deux lignes (3 et 4; 1 et 2) de l'autre couple, les deux axes de symétrie ( A1; 2) étant orthogonaux de sorte que les quatre brins (5 à 8) forment deux dip8les orthogonaux et en ce qu'une des deux lignes coaxiales (1; 3) de chaque couple est alimentée par une des extrémités (17; 18) de son conducteur central (13; 15) dont l'autre extrémité (19; 20) est reliée électriquement au conducteur central (14; 16) de l'autre ligne coaxiale ouverte (2; 4), par une ligne de liaison électrique (21; 22), de façon à ce que les centres de phase (0) des

deux dipôles soient confondus.

2. Elément rayonnant selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque couple de lignes coaxiales (1 et 2; 3 et 4) associées à un dip8le est constitué par deux cylindres de matériau conducteur, formant les conducteurs extérieurs des lignes (9 et 10; 11 et 12), présentant chacun deux fentes (23; 24) diamétralement opposées

par rapport à l'axe de l'autre dip8le de Pélément rayonnant, de lon-

gueur L donnée, et en ce que le conducteur central (14; 16) de la ligne coaxiale ouverte (2; 4) a une longueur I inférieure à L.

3. Elément rayonnant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux lignes de liaison (21; 22) sont isolées électriquement d'une part l'une de l'autre et d'autre part des conducteurs extérieurs

(9 à 12) des lignes coaxiales.

4. Elément rayonnant selon la revendication 3t caractérisé en ce que les deux lignes de liaison (21; 22) sont constituées chacune par une barrette de matériau diélectrique, photogravée sur une seule face, les deux lignes étant disposées perpendiculairement l'une à l'autre, les deux faces diélectriques en regard, et en ce qu'elles présentent à chaque extrémité des trous (25) permettant la liaison électrique avec les conducteurs centraux (13 à 16) des lignes coaxiales.

5. Elément rayonnant selon l'une des revendications 1 à 4,

caractérisé en ce qu'il est associé à des moyens d'alimentation constituées par deux répartiteurs d'énergie (29; 30) identiques et

superposés, réalisés à partir de deux lignes de transmission hyper-

fréquence du type triplaque-air, suivis chacun d'un déphaseur à

diodes (31; 32) de N bits.

6. Elément rayonnant selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux répartiteurs d'énergie (29; 30) sont constitués chacun par deux plaques conductrices parallèles (33 et 34), séparées par de l'air et électriquement au même potentiel, et par un ruban central conducteur (35) placé parallèlement entre les deux plaques (33 et 34), les deux répartiteurs (29; 30) présentant une plaque commune (34) et ayant leur conducteur central (35) relié par une première extrémité (36) à un déphaseur (31) et par une deuxième extrémité (37) opposée à la première, au conducteur central d'une

des deux lignes coaxiales (1; 3) de chaque couple.

7. Antenne réseau linéaire, caractérisée en ce qu'elle est 2 5 constituée par une pluralité d'éléments rayonnants (40) selon l'une

des revendications 1 à 6, ces éléments étant alignés à l'une des

extrémités d'un ensemble de deux répartiteurs d'énergie identiques (29; 30) superposés, connectés chacun à un déphaseur (31; 32) à son

autre extrémité.

-g0 3. Antenne réseau a balayage électronique, caractérisée en ce

qu'elle est constituée par une pluralité de réseaux linéaires d'élé-

ments rayonnants selon la revendication 7.