FR2665580A1

FR2665580A1 - Agencement de reseaux d'antennes.

Info

Publication number: FR2665580A1
Application number: FR9105382A
Authority: FR
Inventors: Krishna Praba
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1990-05-14
Filing date: 1991-05-02
Publication date: 1992-02-07
Anticipated expiration: 2011-05-02
Also published as: GB9108810D0; FR2665580B1; GB2245766A; US5258771A; GB2245766B

Abstract

Il s'agit de réseaux d'antennes hélicoïdales (12, 14) qui sont souhaités pour fonctionner à des fréquences séparées telles que 1,5 et 2,5 GHz. Afin de diminuer le couplage mutuel entre les éléments d'antenne (16a, 16b, 16c, 16d) du réseau de fréquence inférieure, ceux-ci sont séparés de plus de lambda. Des lobes de diffraction se produisent dû à l'écartement. Les longueurs des hélices de fréquence inférieure sont ajustées pour déplacer les vides dans leurs diagrammes de rayonnement en conformité avec les crêtes non voulues du diagramme du réseau, supprimant de ce fait les lobes de diffraction. Afin de diminuer la surface totale des réseaux combinés, les antennes (18a, 18b, 18c, 18d) de fréquence supérieure du second réseau (14) sont imbriquées avec les éléments du premier réseau (12). A la fréquence supérieure, les éléments d'antenne du second réseau sont encore plus séparés, exprimé en longueur d'onde, que les éléments du premier réseau, de sorte que le couplage mutuel des antennes du second réseau est encore plus réduit que dans le premier réseau. Le nombre de tours d'hélice du second réseau est ajusté pour amener les vides des diagrammes de rayonnement individuels en coïncidence avec les lobes de diffraction non voulus.

Description

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présentent des propriétés similaires à la fois dans les modes Emission et réception Par exemple, les diagrammes d'antenne pour l'émission et la réception sont identiques e présentent le m Ime gain A des fins de commodité dexpilication, celles-ci sont souvent rédigées en fonction soit de l'émission soit de la réception de signaux, avec l'autre fonctionnement facile à comprendre Ainsi, le terme "répartition du champ d'ouverture" se rencontre soit dans un mode de fonctionnement en émission, soit dans un mode de

fonctionnement en réception.

Les systèmes modernes font de plus en plus usage de réseaux d'antennes pour des applications à grand gain Le réseau d'antennes comporte un réseau d'antennes ou éléments habituellement identiques, dont chacun individuellement a souvent un gain plus faible que le gain du réseau Les antennes sont disposées ensemble et alimentées avec une répartition d'amplitude et de phase qui établit le diagramme de rayonnement en champ lointain Du fait que la phase et la puissance appliquée à chaque élément du réseau :20 ppeuvent tre individuellement commandées, la direction du rayonnement peut tre commandée par la commande d'amplitude et de phase Un avantage intéressant de l'antenne du réseau est l'aptitude à balayer électroniquement le rayonnement ou

les rayonnements sans déplacer la masse d'un réflecteur.

En général, le diagramme de rayonnement en champ lointain d'une antenne du réseau est le produit du diagramme de rayonnement d'un élément des éléments identiques L multiplié par le diagramme de rayonnement d'un réseau correspondant des sources isotropes La conception des antennes du réseau peuvent tre difficiles, du fait qu'un réseau de sources isotropes dans lequel l'espacement du r 6 seau est d'une longueur d'onde ( 2) ou plus comporte une pluralité de lobes de diffraction avec une grandeur égale au mode principal Habituellement, de tels lobes de ;diffraction ne sont pas souhaités, du fait que lorsque multiplié par le diagramme de rayonnement de l'élément d'antenne individuel, il forme des lobes latéraux qui autorisent le brouillage dans un contexte de radar, ou L perturbe la détection par la détection simultanée dans différentes directions De plus, de tels lobes de diffraction représentent la directivité dans des directions non voulues qui peuvent diminuer le gain dans la direction souhaitée Si les antennes sont placées proches l'une de l'autre afin d'éliminer la possibilité de lobes de 1 O diffraction, des effets de couplage mutuel entre les él éments deantenne perturbent les diagrammes de rayonnement des éléments individuels d'une manière qui est difficile a prévoir Ainsi, la conception d'antennes du réseau est seulement partiellement convenable par des procédés

:15 analytiques.

Lorsque les antennes du réseau sont prévues pour utilisation à des fréquences multiples, et que des lobes de diffraction ne sont pas souhaités, il est habituellement nécessaire d'espacer les éléments d'antenne à moins de à la fréquence de fonctionnement souhaitée la plus haute, qui résultera en un écartement qui est m Lme plus rapproché que celui requis pour une séparation de A à une fréquence plus basse Par suites lorsque le fonctionnement à des fréquences multiples est souhaité, des effets de couplage mutuel entre les éléments d'antenne peu Yent -tre plus importants que lorsqu'un fonctionnement & une seule fréquence est envisagé Ainsi, le fonctionnement à des fréquences multiples est souvent accompli par deux ou plus réseaux d'antennes complètemenit séparés La dimension des 3 O deux ou plus réseaux d'antennes séparés pour obtenir un grand gain peut résulter en une structure difficilement utilisable. Un agencement de réseaux d'antennes amélioré est

souhaité -

3.5 Un agencement de réseaux d'antennes prévu pour fonctionner à des fréquences disparates relativement inférieures et supérieures comporte une pluralité de premières antennes hélicoïdales identiques en mode axial prévues pour fonctionner à la fréquence inférieure Chacune = des premières antennes lorsqu'excitée à la fréquence inférieure, produit un rayonnement principal directif le long d'un axe, et produit également plusieurs lobes latéraux angulairement séparés 1 'un de l 'autre et du rayonnement principal par des vides de la directivité Un premier agencement de réseaux dispose ensemble les premières antennes afin de former un premier réseau Dans le premier réseau, les axes de chacune des premières antennes sont alignés dans une direction qui est transversale au premier réseau, avec un écartement choisi :1.5 entre les premières antennes L'écartement entre les premières antennes est choisi pour etre supérieur à ou égal à une longueur deonde pour réduire de ce fait le couplage mutuel entre les premières antennes L'écartement choisi des premières antennes produit un diagramme de directivité de réseau comportant des lobes multiples de directivité du

type lobes de diffraction, dont seulement un est souhaité.

L'écartement est choisi en liaison avec les premières antennes de sorte qu'au moins certains des lobes latéraux de directivité tombent dans les vides des diagrammes des antennes hélicoïdales Une autre pluralité de secondes antennes pratiquement identiques hélicoïdales en mode axial

est prévue pour fonctionnement à la fréquence supérieure.

Chaicune des secondes antennes lorsqu'excitée à la fréquence supérieure produit un rayonnement principal directif 3 Z O suivant un axe et des lobes latéraux multiples qui sont séparés l'un de l'autre et du rayonnement principal par des vides de la directivité Un second agencement de réseaux dispose ensemble les secondes antennes pour former un second réseau, avec les axes de chacune des secondes antennes dirigés dans une direction transversale au second ue Td np "TA^Ti B JTP B Fp mwweie Tp l I a T J Sni TT G T+ eq nems&a J np ueld el eua Wa AI Zmd Saj e V saielni Tpuad J Id qa V s B qleped Sueld sap sue=p ass Id c aneijui amuanb ja ap sauumaue sap Bun Tp e 3 uas<d el u B T 6 T+ el ap Iini Lgdns a Duanbgj ap seuuaque s Bp aunp uawauuo Aei amp samwe 6 àeip sml q Uaquasejdai et 1 T 4 B Won I alqw Bsua S Be Yt sq 4 a et b+ s B 8 T Jed s Bm 1 ds sadoo 4 si T sauuaque aienb ap j Tequ Ti neasej unrîp i-d Tnu Tid ueld np 9;TA^Tim T Fp 2 p awe Jeie Tp al Ba A- sn I T I F>T el -4 U Wa AT 4 Mdd S'i 4 (s B 411 Bd snld) ajnaijdns T amuanbi + ap sa U Ue 4 ue sep aun Tp auesgicd el Ua qa a T Ins e T T-5 i el ap (apueif snld el) aini Tjg+UT B Iu Bnbgj B p sauua 4 ue Sep Bunp 4 q U Bmuuo Ae J p awwe p B Te 4 TUB Jui Bsida BJ 7 '6 T 4 am B Wo D Blq T SU Sauaf s-aez 5 T '4 S 2 -amuanbgjj amàne mort e quaauuoimuoi inod oz n A^Id san T Iqp nease 5 pu OI Bs urn m BA^ e Inbi Slui T a 2 muanbqj 4 Bun 41 u Bw UUO Ti 4 Uo+ inod n A^Jd Besa Ttleq P neas 9 J un Yp anb Tj;WDOST no B Ai T 4-adsi Jd U 2 Bn A^ un -sa T '5 T el SUBS j Tne II suep uos sauu B 1 ue s Bp Uonas sel qa a Ien Im J Tz q T U Oi Tl e S Telod ap su Bs Un suep 4 uos sauuaque smayiw Alit d sa T UOT U 4 ^UTl 1 2 p ja BT Iln Di Ted uo Tqe STI Je ap Bpo O u Fn sue -SBUUB Ue Sep U Oa 2 S Sep BWW Ep J 5 Fp al suep SBPTA Sml s Uep quaq Boq neas Bj puozes np e 4 ^AT 4 MBJTP ap S Bp T^ Sap SU Tlelj M S Uio W nenb aj Dos ap Si B STSTDOL 4 uos sauueue sepu 2 a Bs s Bl - xnee Jg 4 e T saqo D sep 4 a e 4 TA^ 2 BJ Tp ap SB Td Tiln Tw saqoi s Bp queq J O odwo neasgi Bp q 41 ^T j B Tp ap amm Wejà 2 ge Tp un 4 Tn PO Jd J t jnb TI Ba qsa neamsd J p Ua 2 as nip sauuaque a Bj U 4 umwa 4 e Dg 'aini T Jdn a S Buinbe+ es Bp 2 l Tei np neasip Ja T Wa Jd np sauua Bue 1 U umml B 4 ua quew e T ap Tn IB na Ti 3 dns 4 sa apuop S Jinan uol ua neasej puos Bs np sauu Bz Iue B Jiu B qu Baw BJ Aeml - nease 5 S Ja T Waid BT A^Ae niqt iwi zbs Ts 2 ne Sj puoma S a T TS Us Ti sauuaque saj TWB Jd s Bp s Bn Ib 4 UOD suu B 43 ue, Xnap aid UB a 9 N 4 TS qsa sauuaque sap Uo Das s Bp aun 1 eq 3 nes Bi J

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principal d'un réseau de quatre antennes isotropes séparées de 1,89 X. La fig 6 illustre des tracés calculés des diagrammes de rayonnement d'une hélice unique seule et d'un réseau de quatre de telles hélices séparées de i,28 B. La fig 7 illustre les tracés calculés des diagrammes de rayonnement d'une hélice unique seule et d'un réseau de quatre de telles h 4 lices séparées de 1,89, et La fig 8 est le tracé de la directivité par rapport à t O l'éEcartement des éléments en longueur d'onde pour certains

réseaux comportant les réseaux d'antennes hélicoïdales.

La fig I est une vue en perspective ou isométrique de deux réseaux d'antennes imbriqués Sur la fig 1, l'agencement des réseaux d'antennes imbriqués 10 comporte un premier réseau désigné généralement par la référence numérique 12 et un second réseau déEsigné généralement par la référence numérique 14 Le réseau 12, ainsi qu'illustré k la fig I, comporte quatre antennes hélicoïdales en mode axial relativemernt grandes 16 a, 16 b, 16 c et 16 d Le réseau 14 comporte quatre antennes hélicoïdales relativement plus petites 18 a, 18 b, 8 c et 18 d Toutes les antennes hélicoïdales 16 sont identiques et toutes les antennes 18 sont identiques Les antennes 16 sont prévues et sont optimisées pour fonctionner à une fréquence relativement plus basse tandis que les antennes 18 sont prévues et optimisées pour fonctionner à une fréquence relativemerit plus haute Les antennes des réseaux 12 et 14 sont montées sur et sont maintenues en place par une plaque 20 Ainsi que décrit ci-dessous, la plaque 20 est conductrice afin dd'agir* mutuellement avec les antennes pour former une structure directive Le réseau illustré à la fig I peut Stre seulement une partie d'un réseau plus grand (non

illustré), ainsi que bien connu dans la technique.

Une première source de signal 22 est également illustrée à la fig 1, laquelle applique un signal à une

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i 3 8, une ligne point-trait 710 représente la directivité d'ouverture théorique d'un réseau 4 X 8 planaire éclairé uniformément comportant 32 éléments isotropes Ainsi qu'illustré à la fig 8, le gain directif d'un tel réseau s'étale d'environ 28,5 d B 32 d B à mesure que l'écartement des éléments augmente d'environ 1,35 à 2 2 Le gain directif n'est pas le meme que le gain d'ouverture, dû en

partie aux lobes de diffraction d'un tel réseau.

Sur la fig 8, la ligne pleine 712, ia ligne en e O pointillé 714 et la ligne en tiret 716 repr Esentent le gain d'antenne directif d'un réseau correspondant d'hélices à 8, et 13 tours, respectivement Ainsi, la ligne en pointillé 714 représente le ain d'arntenne directif d'un réseau 4 X 8 d'hélices tel que celui décrit en liaison avec la fig i avec 10 tours, sans imbrications des hélices du réseau avec l'autre réseau, pour des écartements d'élément à élément s'talant de I -2 2,6 Ainsi qu'illustré à la fig 8, le tracé 712 <hélices à huit tours) présente un gain d'antenne directif de cr Fte à un écartement d'environ 2 A Le tracé d'une ligne en tiret 716 représente le gain

d'un rseau 4 X 8 d Ehélices à 15 tours.

D'autres modes de réalisation de l'invention seront apparents aux spécialistes de la technique Par exemple, la plaque de montage 20 de la fig i ne nécessite pas d'ftre conductrice si les antennes ne dépendent pas de la présence d'un plan de masse comme cela serait le cas par exemple si les antennes étaient des hélices bifilaires alimentées depuis les extrémités du sommet Les éléments d'antenne illustrés & la fig I comportant les numéros de support

3.0 diélectrique peuvent à la place avoir des conducteurs auto-

supportants afin de diminuer les pertes diélectriques, le coût, le poids ou pour d'autres raisons Ainsi que décrit, les antennes de chaque réseau sont alimentées avec des sianaux égaux d'amplitude et de phase, afin de produire de ce fait un faisceau pendant un rayonnement transversal, et le balayage peut ftre accompli en ajustant les amplitudes et les phases relatives des signaux appliqués aux antennes individue 1 les Bien que deux réseaux imbriqués ont été décrits, trois ou plus réseaux de fréquences différentes peuvent ftre imbriqués d'une manière similaire Bien que les réseaux imbriqués jusqu'ici décrits sont coextensifs, c est-à-dire ont des dimensions globales pratiquement égalese un réseau peut ftre plus petit que l'autre réseau

avec lequel il est imbriqué.

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équidistante de celles-ci.

3 Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune desdites premières antennes ( 16 a, 16 bb 16 c< 16 d) dudit premier réseau ( 12) est alimentée avec la m me phase. 4 Agencement selon la revendication 1 I caractérisé en ce que chacune desdites secondes antennes ( 18 a, 18 b, 18 c, I O 18-d) dudit second réseau ( 14) est alimentée avec la mnme phase. Aqencement selon la revendication le caractérisé en ce nue les hélices desdites antennes hélicoïdales deun desdits premier et second réseaux sont enroulées afin de i 5 créer une pnolarisation circulaire à droite, et les hélices desdites antennes hélicoïdales de leautre desdits premier et second réseaux sont enroulées afin de créer une polarisation circulaire à gauche pour réduire de ce fait le couplage mutuel entre lesdites première et seconde

antennes.

6 Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier réseau est un réseau parmi un réseau

en ligne et un réseau planaire.

7 Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce Que ledit agencement comprend de plus un plan de masse parallble au plan dudit réseau et caractérisé en ce que

lesdites antennes hélicoïdales sont monofilaires.

8 Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites première et seconde antennes hélicoïdales en mode axial comportent chacune un enroulement hélicoïdal à diamètre constant et un enroulement d'extrémité

comportant un enroulement hélicoïdal conique.

9 = Agencement selon la revendication 8, caractérisé en ce que chacune desdites première et seconde antennes hélicoïdales comporte une longueur axiale dépassant six

fois son diamétre.

Agencement selon la revendication 8, caractérisé en ce que Ladite fréquence inférieure est au voisinage de 1,5 G Hz et ladite fréquence supérieure est au voisinmage de 2 G Hz, et caractérisé en ce que le nombre total de tours d enroulement sur chacune desdi tes premi re et seconde antennes est de dix, dont deux tours sont inclus sur ledit

enroulement hélicoïdal conique de chaque antenne.

11 Agencement selon la revendication 10, caractérisé sen ce que chacune desdites premières antennes a un angle de pas d'enroulement d'environ 14 et chacune desdites secondes antennes a un angle de pas d'enroulement d'environ