FR2657729A1 - ANTENNA IN WAVE WAVEGUIDES, IN PARTICULAR FOR SPATIAL RADARS. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une antenne bipolarisée en guides d'ondes à fentes, notamment pour radars spaciaux, comprenant des guides d'ondes rectangulaires disposés parallèlement le long d'une paroi commune (10), deux guides voisins (11, 15) étant séparés entre eux par une même paroi (22, 23), la dernière paroi (12, 17) de chaque guide, située à l'opposé de la paroi commune (10), étant munie de fentes rayonnante (13, 16); cette antenne comprenant alternativement des guides d'onde d'un premier type (11) rayonnant une première polarisation et des guides d'onde d'un second type (15) rayonnant une seconde polarisation. Application notamment au domaine des radars ou télécommunications spatiales.The invention relates to a bipolarized antenna in slit waveguides, in particular for space radars, comprising rectangular waveguides arranged in parallel along a common wall (10), two neighboring guides (11, 15) being separated. between them by the same wall (22, 23), the last wall (12, 17) of each guide, located opposite the common wall (10), being provided with radiating slots (13, 16); this antenna alternately comprising waveguides of a first type (11) radiating a first polarization and waveguides of a second type (15) radiating a second polarization. Application in particular to the field of radars or space telecommunications.
Description
1 -1 -
Antenne en guides d'ondes à fentes, notamment pour radars spatiaux. Antenna in slotted waveguides, especially for space radar.
La présente invention concerne une antenne bipolarisée en guides The present invention relates to a bipolarized antenna in guides
d'ondes à fentes, notamment pour radars spatiaux. slotted waves, especially for space radar.
Un satellite radar d'observation fonctionnant sur le principe de la visée latérale et de la synthèse d'ouverture (SAR ou "Synthetic Aperture Radar") nécessite une antenne de très grandes dimensions (voisine de 2 m x 8 m en bande X), avec agilité électronique en élévation, émettant et recevant successivement en deux polarisations An observation radar satellite operating on the principle of lateral aiming and Synthetic Aperture Radar (SAR) requires an antenna of very large dimensions (close to 2 m × 8 m in X-band), with electronic agility in elevation, emitting and receiving successively in two polarizations
linéaires orthogonales.linear orthogonal.
Pour de tels satellites les antennes, ayant déjà été réalisées ou en cours de développement, utilisent deux types d'éléments rayonnants: des guides à fentes résonnant en bande C fonctionnant en une seule polarisation V ("pseudo-verticale" perpendiculaire à la normale à l'antenne): Il en est ainsi pour les antennes du satellite ER 51 de l'Agence Spatiale Européenne comme décrit dans l'article "The Planar array antennas for the European Remote Sensing Satellite ER Si" de Robert For such satellites the antennas, having already been made or being developed, use two types of radiating elements: C-band resonant slot guides operating in a single polarization V ("pseudo-vertical" perpendicular to the normal to the antenna): This is the case for the European Space Agency's ER 51 satellite antennas as described in the article "The Planar array antennas for the European Remote Sensing Satellite ER Si" by Robert
Peterson et Per Ingvarson paru dans les "Proceedings of IGARSS 1988 ". Peterson and Per Ingvarson appeared in the "Proceedings of IGARSS 1988".
Mais le faisceau de ces antennes est fixe, sans balayage électronique. But the beam of these antennas is fixed, without electronic scanning.
des "patches", c'est-à-dire des pavés conducteurs gravés sur un matériau du type nid d'abeille, résonnant en bande L en une seule polarisation H (horizontale perpendiculaire à la normale à l'antenne): Il en est ainsi pour les antennes des satellites américains Seasat, SIRA et B comme décrit dans l'article "Seasat and SIR-A microstrip antennas"l' de L R Murphy paru dans les "Proceedings of Wakshop on Printed Antennas Technology"l las Cruces 1979 Mais le faisceau d'une telle antenne est fixe. Le satellite appelé "SIRC" (Shuttle Imaging Radar NI C) qui doit voler en 1991 ou 1992 comprendra des antennes superposées verticalement, réutilisant les principes précédents, comme décrit dans l'article "Heading for space: C band phased array" paru dans "Microwaves and RF" "patches", that is to say, conductive blocks engraved on a material of the honeycomb type, resonant in L-band in a single polarization H (horizontal perpendicular to the normal to the antenna): It is thus for the antennas of the American satellites Seasat, SIRA and B as described in the article "Seasat and SIR-A microstrip antennas" l 'LR Murphy appeared in the "Proceedings of Wakshop on Printed Antennas Technology" l las Cruces 1979 But the beam of such an antenna is fixed. The satellite called "SIRC" (Shuttle Imaging Radar NI C) which will fly in 1991 or 1992 will include vertically superimposed antennas, reusing the previous principles, as described in the article "Heading for space: C band phased array" published in " Microwaves and RF "
d'avril 1986.from April 1986.
des antennes à "patches" carrés en bandes L et C, fonctionnant cette fois alternativement en polarisation H et V, et comportant des square "patch" antennas in L and C bands, this time operating alternately in H and V polarization, and comprising
modules actifs assurant un balayage électronique en élévation. active modules providing electronic scanning in elevation.
des antennes en guides à fentes en bande X, à une seule antennas in slotted guides in X-band, to a single
polarisation V et à faisceau fixe.V polarization and fixed beam.
-2- L'antenne de l'invention correspond à la demande de satellites d'observation notamment des ressources terrestres (végétation, hydrologie, océanographie) qui puissent observer en bande X (entre 9,5 et 9,8 G Hz) dans les deux polarisations H et V. Les dimensions de surface rayonnante nécessaire (hauteur 2 à 3 m x longueur 7 à 10 m) ne permettent pas la superposition sur un satellite The antenna of the invention corresponds to the demand for observation satellites in particular terrestrial resources (vegetation, hydrology, oceanography) which can observe in the X band (between 9.5 and 9.8 GHz) in the two polarizations H and V. The necessary radiant surface dimensions (height 2 to 3 mx length 7 to 10 m) do not allow the superposition on a satellite
de deux antennes différentes, une par polarisation. two different antennas, one by polarization.
Les "patches" bipolarisés sont peu performants en bande X si l'on se limite à un nombre de modules électroniques inférieur à 500, pour des raisons de masse et de coût En effet, le large balayage électronique en élévation imposant une commande de phase par ligne horizontale d'éléments rayonnants, ces lignes doivent avoir une longueur de 2 à 4 m (une par panneau repliable d'antenne), et les pertes ohmiques seraient Bipolarized "patches" are not very efficient in X-band if one limits oneself to a number of electronic modules lower than 500, for reasons of mass and cost Indeed, the large electronic scanning in elevation imposing a control of phase by horizontal line of radiating elements, these lines must have a length of 2 to 4 m (one per collapsible antenna panel), and the ohmic losses would be
trop fortes en technologie imprimée. too strong in printed technology.
Les guides à fentes sont les éléments rayonnants assurant les pertes les plus faibles en bande X sur une grande longueur; mais chaque Slotted guides are the radiating elements providing the smallest X-band losses over a large length; but each
type de guide ne rayonne qu'une polarisation. type of guide radiates only one polarization.
L'invention a pour objet de palier ces différents inconvénients. The object of the invention is to overcome these various disadvantages.
Elle propose à cet effet une antenne en guides d'ondes à fentes, notamment pour radars spatiaux comprenant des guides d'onde rectangulaires disposés parallèlement le long d'une paroi commune, deux guides voisins étant séparés entre eux par une même paroi, la dernière paroi de chaque guide, située à l'opposé de la paroi commune, étant muni de fentes rayonnantes, caractérisée en ce qu'elle comprend alternativement des guides d'ondes d'un premier type rayonnant une première polarisation et des guides d'ondes d'un second type rayonnant It proposes for this purpose an antenna slotted waveguides, especially for space radar comprising rectangular waveguides arranged parallel along a common wall, two neighboring guides being separated from each other by the same wall, the last wall of each guide, located opposite the common wall, being provided with radiating slots, characterized in that it alternately comprises waveguides of a first type radiating a first polarization and waveguides d a second radiating type
une seconde polarisation.a second polarization.
L'invention permet d'intercaler des guides rayonnant en polarisation horizontale ou verticale dans un "pas du réseau" suffisamment faible, par exemple inférieur ou égal à 0,7 À 0, À étant la longueur d'onde centrale dans le vide; ce qui permet un large balayage du faisceau d'antenne sans apparition de lobes parasites dans The invention makes it possible to insert radiating guides in horizontal or vertical polarization in a sufficiently small "pitch of the grating", for example less than or equal to 0.7 to 0, where A is the central wavelength in the vacuum; which allows a wide sweep of the antenna beam without appearance of parasitic lobes in
d'autres directions.other directions.
Dans une réalisation avantageuse les guides du premier type, qui rayonnent en polarisation horizontale, sont munis de fentes légèrement inclinées par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe de symétrie des - 3- guides, alternativement orientées dans un sens puis dans l'autre symétriquement au plan perpendiculaire à l'axe de symétrie de ce guide, tout en étant proéminents par rapport aux guides du second type Les guides d'ondes du second type, qui rayonnent en polarisation verticale, sont des guides à nervure munis de fentes parallèles aux axes de symétrie des guides; les fentes de chaque guide du second type étant décalés par rapport à l'axe de symétrie de la face rayonnante In an advantageous embodiment, the guides of the first type, which radiate in horizontal polarization, are provided with slits slightly inclined with respect to a plane perpendicular to the axis of symmetry of the guides, alternately oriented in one direction and then in the other. symmetrically to the plane perpendicular to the axis of symmetry of this guide, while being prominent with respect to the guides of the second type The waveguides of the second type, which radiate in vertical polarization, are rib guides provided with slots parallel to axes of symmetry of the guides; the slots of each guide of the second type being offset with respect to the axis of symmetry of the radiating face
alternativement d'un côté et de l'autre de cet axe. alternately on one side and the other of this axis.
Avantageusement une telle antenne est de masse modérée et ne subit Advantageously, such an antenna is of moderate mass and does not undergo
que de faibles pertes.only small losses.
De plus la même disposition peut être adoptée pour n'importe quelle bande de fréquences située entre 2 et 40 G Hz, à condition In addition, the same arrangement can be adopted for any frequency band between 2 and 40 GHz, provided that
d'adapter les dimensions à la longueur d'onde centrale. to adapt the dimensions to the central wavelength.
Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront The features and advantages of the invention will emerge
d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non moreover from the description that follows, as an example not
limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles la figure 1 illustre le principe de l'antenne selon l'invention; la figure 2 illustre schématiquement une première réalisation de l'antenne selon l'invention; la figure 3 illustre le fonctionnement de l'antenne selon l'invention; la figure 4 illustre schématiquement une seconde réalisation de limiting, with reference to the accompanying figures in which Figure 1 illustrates the principle of the antenna according to the invention; FIG. 2 schematically illustrates a first embodiment of the antenna according to the invention; FIG. 3 illustrates the operation of the antenna according to the invention; FIG. 4 schematically illustrates a second embodiment of FIG.
l'antenne selon l'invention.the antenna according to the invention.
L'antenne de l'invention, telle que représentée sur la figure 1, comprend alternativement le long d'un plan de masse vertical 10: des guides standard 11 bande X, comportant sur leur petit côté 12 des fentes 13 légèrement inclinées d'un angle i par rapport à la verticale; La composition des champs E et E' rayonnés par deux fentes 13 consécutives, séparées d'une demi-longueur d'onde guidée, permet de rayonner ( et de recevoir) une polarisation horizontale (H) en limitant dans tout l'espace le niveau de polarisation croisée V à -20 d B du niveau H dans la direction de visée; des guides 15 "ridgés" (ou "à nervure") dont les fentes horizontales 16 sur le grand côté 17 rayonnent (et reçoivent) la polarisation V; le "ridge" ou nervure 18 intérieure permettant de 4 diviser par un facteur supérieur à deux la hauteur intérieure de ces The antenna of the invention, as shown in FIG. 1, comprises alternately along a vertical mass plane 10: standard guides 11 X-band, having on their short side 12 slits 13 slightly inclined a angle i with respect to the vertical; The composition of the fields E and E 'radiated by two consecutive slots 13, separated by a guided half-wavelength, makes it possible to radiate (and receive) a horizontal polarization (H) by limiting the level cross polarization V at -20 d B of the H level in the aiming direction; 15 "ridged" (or "ribbed") guides whose horizontal slots 16 on the long side 17 radiate (and receive) the polarization V; the "ridge" or inner rib 18 for dividing by a factor greater than two the internal height of these
guides, pour la même bande de fréquences de fonctionnement. guides, for the same operating frequency band.
De manière avantageuse les fentes 16 des seconds guides 15 sont alternativement disposées au dessus et en dessous d'un axe de symétrie de la face rayonnante 17. Ces différents guides 11 et 15 sont disposés côte à côte de telle Advantageously, the slots 16 of the second guides 15 are alternately arranged above and below an axis of symmetry of the radiating face 17. These different guides 11 and 15 are arranged side by side of
façon qu'ils aient des parois communes 22 et 23. so that they have common walls 22 and 23.
Dans les guides 11 du premier type, qui rayonnent en polarisation horizontale, on a: pour une fente de la première série de fentes inclinées de l'angle i par rapport à la verticale: E = Eh + Ev pour une fente voisine de la seconde série de fentes inclinées de l'angle -i = + Ev' = Eh Ev et donc E + E' = 2 Eh Dans les guides 15 du second type qui rayonnent en polarisation verticale E = E' Dans une réalisation particulière de l'invention on a considéré Largeur des premiers guides 11: Ll 10,2 mm Longueur des premiers guides 11: L 2 ^> 22,9 mm Largeur des seconds guides 15: L 3 Go 10,8 mm Longueur des seconds guides 15: L 4 C 5,6 mm Largeur de la nervure 18 L 5 ' 4,2 mm Longueur de la nervure 18 L 6 3,6 mm Longueur des fentes 16 réalisées sur les seconds guides 15 L 7 Cz o 15,5 mm Espacement entre ces fentes 16: L 8 l g/2 es 30,8 mm Espacement entre les fentes 13 réalisées sur les premiers guides 11 L 9 À g/2 C 21,2 mm Epaisseurs des guides 11 et 15: e ' 0,4 mm Il est ainsi possible de loger le jeu des deux types de guides 11 et 15 dans le pas vertical du réseau dv = 21,75 mm et de répéter le même In the guides 11 of the first type, which radiate in horizontal polarization, we have: for a slot of the first series of slits inclined by the angle i with respect to the vertical: E = Eh + Ev for a slot close to the second series of inclined slots of the angle -i = + Ev '= Eh Ev and therefore E + E' = 2 Eh In the guides 15 of the second type which radiate in vertical polarization E = E 'In a particular embodiment of the invention Width of the first guides 11: Ll 10.2 mm Length of the first guides 11: L 2 ^> 22.9 mm Width of the second guides 15: L 3 GB 10.8 mm Length of the second guides 15: L 4 C 5.6 mm Width of the rib 18 L 5 '4.2 mm Length of the rib 18 L 6 3.6 mm Length of the slits 16 made on the second guides 15 L 7 Cz o 15.5 mm Spacing between these slots 16 : L 8 lg / 2 s 30.8 mm Spacing between the slots 13 made on the first guides 11 L 9 À g / 2 C 21.2 mm Thicknesses of the guides 11 and 15: e '0.4 mm It is thus possible to house the play of the two types of guides 11 and 15 in the vertical pitch of the network dv = 21.75 mm and to repeat the same
motif 88 fois sur la hauteur d'une antenne de 1,94 mètres. pattern 88 times over the height of an antenna of 1.94 meters.
Ces guides sont donc suffisamment compacts pour permettre un These guides are therefore compact enough to allow a
balayage électronique.electronic scanning.
Pour assurer la rigidité de l'antenne, les guides 11 et 15, dans -5- une première réalisation telle que représentée sur la figure 2, peuvent être réalisés par assemblage de profilés d'alliage d'aluminium 20 et To ensure rigidity of the antenna, the guides 11 and 15, in a first embodiment as shown in FIG. 2, may be made by assembling aluminum alloy profiles 20 and
21; l'assemblage peut se faire alors par soudure automatisée. 21; the assembly can then be done by automated welding.
Le calcul des conductances des fentes des guides du second type 15 tient compte de la présence des parois des guides Il du premier type, The calculation of the conductances of the slots of the guides of the second type takes into account the presence of the walls of the guides II of the first type,
qui modifie les conditions d'adaptation. which modifies the conditions of adaptation.
Pour une bande passante du signal radar ne dépassant pas 100 M Hz, des guides de longueur 50 à 70 cm (soit 16 à 33 fentes chacun) peuvent For a bandwidth of the radar signal not exceeding 100 M Hz, guides of length 50 to 70 cm (ie 16 to 33 slots each) can
être réalisés en maintenant un TOS inférieur à 2 à l'entrée. be made by maintaining a TOS of less than 2 at the entrance.
La figure 3 représente une coupe dans le plan d'élévation passant par le centre de l'antenne 22 et perpendiculaire à la trajectoire 23 du FIG. 3 represents a section in the plane of elevation passing through the center of antenna 22 and perpendicular to trajectory 23 of FIG.
satellite 24 (par exemple sur une orbite de 700 à 800 kilomètres). satellite 24 (for example in an orbit of 700 to 800 kilometers).
L'antenne 22 est pointée vers B, proche du bord lointain A de la couverture (OB étant la normale de l'antenne 22), pour tirer parti de l'élargissement naturel du faisceau (proportionnel à 1/cos, si ' est le dépointage depuis la normale) lorsque l'on vise au plus près du nadir N (la direction NC indiquant la direction vers le centre de la terre) ceci permet de se rapprocher d'une fauchée 25 au sol constante, par exemple de 20 kilomètres (interceptée au sol par le lobe de l'antenne 22 coupé à -1 d B); la zone hachurée 26 représentant la z 8 ne de balayage de l'antenne; les angles d M et < M' étant les angles de dépointage The antenna 22 is pointed towards B, close to the far edge A of the cover (OB being the normal of the antenna 22), to take advantage of the natural enlargement of the beam (proportional to 1 / cos, if 'is the misalignment from the normal) when one is closer to the nadir N (the direction NC indicating the direction towards the center of the earth) this makes it possible to approach a constant ground swath 25, for example of 20 kilometers ( intercepted on the ground by the lobe of the antenna 22 cut to -1 d B); the hatched area 26 representing the scan z of the antenna; the angles d M and <M 'being the angles of misalignment
maximum de chaque côté de la normale. maximum on each side of the normal.
Des guides standard pour la polarisation verticale auraient entraîné un pas de répétition d beaucoup trop fort; au-delà de d = 22,6 mm apparaissent, lors du balayage électronique en élévation représenté sur cette figure 3, des "lobes de réseau" qui provoquent une forte perte de gain et des échos ambigus pour le radar Pour 21,75 < d < 22,6 serait apparu un phénomène "d'aveuglement" de l'antenne pour le Standard guides for vertical polarization would have resulted in a repetition step of much too much; above d = 22.6 mm appear, during the electronic scanning in elevation shown in this figure 3, "lattice lobes" which cause a strong loss of gain and ambiguous echoes for the radar for 21.75 <d <22.6 would have appeared a phenomenon of "blindness" of the antenna for the
dépointage maximal ( SM = 2102 depuis la normale). maximum misalignment (SM = 2102 from normal).
Dans une seconde réalisation possible, les guides d'onde peuvent être réalisés en fibre de carbone Cette technologie permet de diminuer la masse de 30 %, à épaisseur de cloison égale De plus les dilatations In a second possible embodiment, the waveguides can be made of carbon fiber. This technology makes it possible to reduce the mass by 30%, with equal wall thickness.
sont moindres.are smaller.
On adapte alors le profil, comme représenté sur la figure 4, pour utiliser: d'une part des plaques 30 et 31 de préimprégnés fibre de carbone -6- + résine, obtenus par superposition de couches croisées, d'autre part des profilés de section rectangulaires 32 et 33 obtenus par drapage de ce même type de préimprégné autour d'un mandrin métallique qui est ensuite dissous après durcissement du composite résine/fibre de carbone. Les plaques 30 et 31 et les profilés rectangulaire 32 et 33 sont The profile is then adapted, as shown in FIG. 4, to use: on the one hand plates 30 and 31 of carbon fiber prepreg + resin, obtained by superposition of crossed layers, on the other hand rectangular section 32 and 33 obtained by draping this same type of prepreg around a metal mandrel which is then dissolved after curing the composite resin / carbon fiber. The plates 30 and 31 and the rectangular profiles 32 and 33 are
ensuite assemblés par collage.then assembled by gluing.
Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et que l'on pourra remplacer ses éléments constitutifs par des éléments équivalents sans, It is understood that the present invention has been described and shown only as a preferred example and that its constituent elements can be replaced by equivalent elements without,
pour autant, sortir du cadre de l'invention. however, depart from the scope of the invention.
Ainsi l'antenne de l'invention a été détaillée au niveau des Thus the antenna of the invention has been detailed at the level of
dimensions pour une application bande X (fréquence centrale 9,65 G Hz). dimensions for X-band application (center frequency 9.65 GHz).
Elle peut être utilisée dans d'autres bandes de fréquence comprises entre 2 et 40 G Hz, notamment les bandes voisines C et Ku, en multipliant It can be used in other frequency bands between 2 and 40 GHz, especially the neighboring bands C and Ku, by multiplying
toutes les dimensions par le rapport des longueurs d'onde. all dimensions by the ratio of wavelengths.
Ainsi l'antenne de l'invention peut également être utilisée dans le domaine des radars sol ou aéroportés, ou dans celui des transmissions Thus the antenna of the invention can also be used in the field of ground or airborne radars, or in that of transmissions
hertziennes, aériennes ou spatiales. terrestrial, aerial or space.
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Claims (11)
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- 1991-01-28 CA CA 2035111 patent/CA2035111A1/en not_active Abandoned
Patent Citations (3)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2657729B1 (en) | 1992-06-12 |
| CA2035111A1 (en) | 1991-07-30 |
| JPH04213202A (en) | 1992-08-04 |
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