FR2749707A1

FR2749707A1 - Wide angular sweep antenna for microwave frequencies

Info

Publication number: FR2749707A1
Application number: FR8610182A
Authority: FR
Inventors: Claude Chekroun
Original assignee: Thomson CSF Radant
Current assignee: Thomson CSF Radant
Priority date: 1986-07-11
Filing date: 1986-07-11
Publication date: 1997-12-12

Abstract

The antenna (10) is mounted on a platform (11,12) which is angled (a) away from the horizontal plane so the antenna's main axis (XX) is centred away from the vertical. The antenna can traverse an angle on each side of the axis. The platform base (12) can rotate around the antenna's vertical axis (YY). The angle of rotation (b) is equal to (90-a) degrees. The antenna includes a conductor plane, with a light positioned at each reception channel. A dephaser is positioned in front of each light.

Description

ANTENNE A BALAYAGE ELECTRONIQUE A GRAND
ANGLE DE BALAYAGE
La présente invention a pour objet une antenne à balayage électronique assurant un balayage sur un tres grand angle, la couverture ainsi étant obtenue étant de préférence hémisphérique.ELECTRONIC SCAN ANTENNA WITH LARGE
SCAN ANGLE
The present invention relates to an electronic scanning antenna providing a scan over a very wide angle, the cover thus obtained being preferably hemispherical.

Ainsi qu'il est connu, une antenne à balayage électronique est une antenne statique permettant l'émission(ou la réception) d'un faisceau d'énergie hyperfréquence qui balaie l'espace sous commande électronique, selon un ou deux plans. Toutefois, la valeur de l'angle de balayage qutil est possible d'obtenir ainsi est limitée. Plus précisément, la demande de brevet français n084-11O66 décrit par exemple un dispositif à balayage électronique comportant une source hyperfréquence intégrée à une lentille active. Ce dispositif comporte principalement
- un empilement de canaux superposés, séparés les uns des autres par des plans conducteurs sensiblement perpendiculaires au champ électrique E du faisceau traité
- un illuminateur placé dans chaque canal, fournissant un faisceau d'énergie rayonnée
- des moyens de déphasage, disposés dans chaque canal devant l'illuminateur, réalisés par exemple selon la technique des fils à diode. As is known, an electronic scanning antenna is a static antenna for transmitting (or receiving) a beam of microwave energy that sweeps electronically controlled space in one or two planes. However, the value of the scanning angle that can be obtained in this way is limited. More specifically, French Patent Application No. 84-11066 describes, for example, an electronic scanning device comprising a microwave source integrated into an active lens. This device mainly comprises
a stack of superimposed channels separated from each other by conductive planes substantially perpendicular to the electric field E of the treated beam
- an illuminator placed in each channel, providing a beam of radiated energy
phase-shifting means arranged in each channel in front of the illuminator, made for example according to the technique of diode wires.

Un tel dispositif permet un balayage électronique selon un plan parallèle au champ électrique E, avec un relativement grand angle (on peut atteindre 600). Such a device allows an electronic scanning along a plane parallel to the electric field E, with a relatively large angle (one can reach 600).

Toutefois, dans certaines appllcations, cet angle peut s'avérer insuffisant et il peut être nécessaire de balayer tout l'espace situé devant l'antenne, c est-à-dire de disposer d'une couverture hemisphérique. However, in some applications, this angle may be insufficient and it may be necessary to scan all the space in front of the antenna, that is to say to have a hemispherical cover.

Lorsqu'on souhaite obtenir d'une telle couverture, une solution connue est d'utiliser une antenne classique, émettant un faisceau fixe (par rapport à l'antenne), dont le balayage est obtenu par rotations mécaniques. Les inconvénients d'une telle antenne par rapport à une antenne à balayage électronique sont bien connus : poids, encombrement, fiabilité moins bonne, temps de réponse plus long.. When it is desired to obtain such coverage, a known solution is to use a conventional antenna, emitting a fixed beam (with respect to the antenna), whose scanning is obtained by mechanical rotations. The disadvantages of such an antenna with respect to an electronic scanning antenna are well known: weight, bulk, less reliable, longer response time.

La présente invention a pour objet une antenne à balayage électronique ne présentant pas les limitations précédentes. A cet effet, on utilise
- un dispositif à balayage électronique selon un plan, le balayage se faisant selon un angle + a, ce dispositif étant parexemple une antenne à balayage électronique du type étant mentionné plus haut
- des moyens de rotation du dispositif à balayge autour d'un axe passant sensiblement par son centre
- des moyens de support de ce dispositif à balayage tels que l'axe de ce dernier fasse avec l'axe de rotation un angle au moins égal à 90 -a . The present invention relates to an electronic scanning antenna not having the above limitations. For this purpose, we use
an electronic scanning device according to a plane, the scanning taking place at an angle + a, this device being for example an electronic scanning antenna of the type mentioned above;
means for rotating the scanning device around an axis passing substantially through its center
- Support means of this scanning device such that the axis of the latter makes with the axis of rotation an angle at least equal to 90 -a.

De la sorte est assurée une couverture hemisphérique. In this way, a hemispheric cover is assured.

D'autres objets, particularités et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins annexés, qui représentent
- la figure 1, un dispositif de balayage électronique selon la demande de brevet précitée, susceptible d'être utilisé dans l'antenne suivant l'invention
- la figure 2, un schéma explicatif
- la figure 3, un premier mode de réalisation de l'antenne selon l'invention
- la figure 4, a et b, un deuxième mode de réalisation de l'antenne selon l'invention.Other objects, features and results of the invention will emerge from the following description, given by way of non-limiting example and illustrated by the appended drawings, which represent
- Figure 1, an electronic scanning device according to the aforementioned patent application, may be used in the antenna according to the invention
- Figure 2, an explanatory diagram
FIG. 3, a first embodiment of the antenna according to the invention
- Figure 4, a and b, a second embodiment of the antenna according to the invention.

Sur ces différentes figures, une même référence se rapporte aux mêmes éléments. In these different figures, the same reference refers to the same elements.

La figure 1 représente donc un dispositif à balayage électronique susceptible d'être utilisé dans l'antenne selon l'invention et tel que décrit dans la demande de brevet précitée. Ce dispositif sera décrit à titre d'exemple en fonctionnement à l'émission, étant entendu qu'il assure également la réception. FIG. 1 therefore represents an electronic scanning device that can be used in the antenna according to the invention and as described in the aforementioned patent application. This device will be described by way of example in operation on transmission, it being understood that it also provides reception.

Le dispositif de la figure 1 est constitué par un empilement de canaux superposés C1, C2, C3 ... Les canaux C sont séparés les uns des autres par des plans conducteurs PO,
P1, P2, P3..., métalliques par exemple. Leur largeur, prise entre deux plans P, est de l'ordre de la demi-longueur d'onde de l'énergie rayonnée par le dispositif. Les canaux sont fermés à l'une de leurs extrémités, constituant la face arrière du dispositif par un plan conducteur Pic. Chacun des canaux
cc comporte successivement un illuminateur I, (respectivement I1,
I 13 pour les canaux C1, CL, C3, . . . ) rayonnant une énergie
1 > 2 > 3 > hyperfréquence, et un ensemble de barrettes B permettant de déphaser cette énergie. L'illuminateur I est placé à une distance égale au quart de la longueur d'onde précédente, devant le plan P
cc
Dans le mode de réalisation décrit sur la figure 1, chacun des illuminateurs I est constitué par une ligne (respectivement S1, S2, 53 > . . pour les canaux C1, C2, C3, de type serpent, c'est-à-dire un circuit imprimé métallique de forme ondulée, déposé sur une barrette support en matériau diélectrique dont la largeur est sensiblement celle du canal dans lequel il s'insère. La ligne serpent S est alimentée de toute façon connue (non représentée) soit par l'une de ses extrémités, soit en son, milieu, comme décrit par exemple dans la demande de brevet 84-11066. Un tel illuminateur permet de rayonner une onde électromagnétique dont le champ électrique E est parallèle à son plan et perpendiculaire aux plaques P, comme représenté sur la figure. The device of FIG. 1 is constituted by a stack of superimposed channels C1, C2, C3. The channels C are separated from each other by conductive planes PO,
P1, P2, P3 ..., metallic for example. Their width, taken between two planes P, is of the order of the half-wavelength of the energy radiated by the device. The channels are closed at one of their ends, constituting the rear face of the device by a conductive plane Pic. Each of the channels
cc successively comprises an illuminator I, (respectively I1,
I 13 for the channels C1, CL, C3,. . . ) radiating an energy
1>2>3> microwave, and a set of bars B to phase this energy. Illuminator I is placed at a distance equal to a quarter of the previous wavelength, in front of plane P
cc
In the embodiment described in FIG. 1, each of the illuminators I consists of a line (respectively S1, S2, 53) for the channels C1, C2, C3, of the snake type, that is to say a metal printed circuit of corrugated shape, deposited on a support bar of dielectric material whose width is substantially that of the channel in which it is inserted.The snake line S is supplied in any known manner (not shown) either by one its ends, in its middle, as described for example in the patent application 84-11066. Such an illuminator can radiate an electromagnetic wave whose electric field E is parallel to its plane and perpendicular to the plates P, as shown on the face.

Chacune des barrettes B est constituée, dans l'exemple de la figure 1, par un support en matériau diélectrique, de largeur sensiblement égale à celle du canal. Sur chacune des métalliques F, portant une diode D et orientés barrettes B sont imprimés par exemple des tronçons de fils perpendiculairement aux plaques P, ctest-à-dire parallèlement au champ électrique
E. Les tronçons de fils F sont reliés entre eux par des pistes conductrices PB, sensiblement perpendiculaires aux tronçons F et disposées au voisinage des bords des barrettes B. La connexion des diodes D, des fils F et des pistes P B est faite de façon qu'on passe d'un tronçon de fil au suivant en empruntant une piste d'un bord puis de l'autre, les diodes étant prises dans le sens passant.Each of the bars B is constituted, in the example of Figure 1, by a support of dielectric material, of width substantially equal to that of the channel. On each of the metals F, carrying a diode D and oriented bars B are printed for example sections of wires perpendicular to the plates P, that is to say parallel to the electric field
E. The son sections F are interconnected by conductive tracks PB, substantially perpendicular to the sections F and arranged in the vicinity of the edges of the bars B. The connection of the diodes D, the son F and the tracks PB is made in such a way that we go from one section of wire to the next by taking a track from one edge to the other, the diodes being taken in the forward direction.

A titre d'exemple, chacun des canaux comporte neuf ensembles de deux barrettes conjuguées. Les sept premiers ensembles, tous identiques, permettent d'obtenir des déphasages de 00 ou 450 selon que les diodes sont conductrices ou non. Les deux derniers ensembles de barrettes permettent d'obtenir des déphasages de 00 ou 22,50 et de 00 ou 11,250, respectivement. Il est ainsi possible, en selectionnant l'état passant ou non passant des diodes et le nombre de barrettes commandées dans ces états, d'obtenir des déphasages variant entre 00 et 3600 par incrément de 11,250 respectivement. Une telle technique de déphasage appliquée au balayage électronique est également connue de la demande de brevet français nO 2 469 808. For example, each of the channels has nine sets of two conjugate bars. The first seven sets, all identical, allow to obtain phase shifts of 00 or 450 depending on whether the diodes are conductive or not. The last two sets of bars make it possible to obtain phase shifts of 00 or 22.50 and 00 or 11.250, respectively. It is thus possible, by selecting the on or off state of the diodes and the number of bars controlled in these states, to obtain phase shifts varying between 00 and 3600 in increments of 11.250 respectively. Such a phase shift technique applied to electronic scanning is also known from French Patent Application No. 2,469,808.

La figure 2 est un schéma illustrant la couverture du dispositif de la figure 1. FIG. 2 is a diagram illustrating the cover of the device of FIG. 1.

Sur la figure .2, on a schématisé l'ensemble du dispositif de la figure 1 par un bloc 10, dont on a représenté les canaux
C, les illiminateurs I et, perpendiculairement à ceux-ci, le champ électrique E de l'énergie hyperfréquence émise.In FIG. 2, the entire device of FIG. 1 is schematized by a block 10, the channels of which have been represented.
C, the illiminators I and, perpendicular to them, the electric field E of the microwave energy emitted.

Cette antenne émet donc un faisceau susceptible de balayer un angle total égal à 2a, si a est l'angle maximum de balayage par rapport à l'axe XX du dispositif (axe radio-électrique de l'antenne que constitue le dispositif 10). Ainsi qu'il a été mentionné plus haut, l'angle a peut atteindre 600. This antenna thus emits a beam capable of scanning a total angle equal to 2a, if a is the maximum scanning angle with respect to the axis XX of the device (the radio-electric axis of the antenna constituted by the device 10). As mentioned above, the angle can be up to 600.

Un mouvement de rotation autour de cet axe XX, symbolisé par une flèche 21 sur la figure 2, permet de balayer un espace conique d'angle au sommet égal à 2a. A rotational movement about this axis XX, symbolized by an arrow 21 in FIG. 2, makes it possible to scan a conical space with an apex angle equal to 2a.

Ainsi qu'il apparaît sur cette figure, un dispositif tel que 10 ne permet donc pas d'avoir une couverture hemisphérique. As it appears in this figure, a device such as 10 does not allow to have a hemispherical cover.

La figure 3 représente un premier mode de réalisation de antenne selon l'invention, dans lequel celle-ci est située dans la pointe avant d'un avion, vu schématiquement en coupe longitudinale. FIG. 3 represents a first embodiment of the antenna according to the invention, in which it is located in the front tip of an aircraft, seen schematically in longitudinal section.

Sur ce schéma, on a représenté la trace (partielle) du nez d'un avion A, d'axe longitudinal YY, par exemple sensiblement conique. In this diagram, there is shown the (partial) trace of the nose of an aircraft A, longitudinal axis YY, for example substantially conical.

On a disposé dans le nez de l'avion A un support 13, fixe par rapport à l'avion et sensiblement perpendiculaire à l'axe
YY, qui a pour fonction de supporter l'ensemble de l'antenne selon l'invention.There is arranged in the nose of the aircraft A a support 13 fixed with respect to the aircraft and substantially perpendicular to the axis
YY, whose function is to support the entire antenna according to the invention.

Celle ci comporte le dispositif 10 telle que décrit plus haut, d'axe XX et de couverture a de part et d'autre de cet axe XX. Cette antenne est disposée sur le support 13 par l'intermédiaire de moyens de support et de positionnement, 11 tels que l'axe XX du dispositif 10 fasse un angle b avec un axe sensiblement confondu avec l'axe longitudinal YY de avion
A, b étant égal à 9O0-a au minimum, comme indiqué plus haut.This comprises the device 10 as described above, axis XX and coverage a side of this axis XX. This antenna is disposed on the support 13 by means of support and positioning means, 11 such that the axis XX of the device 10 makes an angle b with an axis substantially coincident with the longitudinal axis YY plane
A, b being at least 9O0-a, as indicated above.

En outre, le dispositif selon l'invention comporte des moyens 12 assurant une rotation du dispositif 10 autour de l'axe YY, comme indiqué par une flèche 14. On a représenté à titre d'exemple par un trait pointillé 15 une des positions que peut occuper le dispositif 10 lors de cette rotation. In addition, the device according to the invention comprises means 12 ensuring a rotation of the device 10 around the axis YY, as indicated by an arrow 14. There is shown by way of example by a dotted line 15 one of the positions that may occupy the device 10 during this rotation.

Il apparaît ainsi que la couverture du dispositif selon l'invention est bien hémisphérique : l'angle de balayage est de 2 (a + b) c'est-à-dire au minimum de 900 de part et d'autre de l'axe YY dans le plan de la figure 3, le tout tournant autour de l'axe YY. It thus appears that the cover of the device according to the invention is indeed hemispherical: the scanning angle is 2 (a + b), that is to say at least 900 on either side of the axis. YY in the plane of Figure 3, all around the YY axis.

Une telle couverture permet donc la surveillance radar de tout le demi-espace avant de l'avion A, ou encore des télécommunications avec tout émetteur/récepteur situé dans ce demi-espace. Such coverage therefore allows the radar surveillance of the entire half-space before the aircraft A, or telecommunications with any transmitter / receiver located in this half-space.

Les figures 4, a et b, représentent un autre mode de réalisation de l'antenne selon l'invention, vu schématiquement respectivement en coupe et de dessus. Figures 4, a and b, show another embodiment of the antenna according to the invention, seen schematically respectively in section and from above.

Dans ce mode de réalisation, l'antenne selon l'invention est située sur le dessus de la carlingue de l'avion A, à des fins de surveillance radar de l'espace supérieur ou de télécommunication avec satellite par exemple. In this embodiment, the antenna according to the invention is located on the top of the cabin of the aircraft A, for radar surveillance purposes of the upper space or telecommunications with satellite for example.

Sur cette figure, on retrouve sous la référence 10 l'antenne précédente, d'axe XX. Elle est montée comme précédemment (figure 3) sur un support, ici référencé 16, tel que l'axe XX fasse un angle b avec l'axe YY. In this figure, there is under reference 10 the previous antenna, axis XX. It is mounted as before (FIG. 3) on a support, here referenced 16, such that the axis XX makes an angle b with the axis YY.

Le support 16 est monté sur un support 18, fixe par rapport à l'avion A, par l'intermédiaire de moyens de rotation par exemple mécaniques, tels que plateau tournant 17 et motoréducteur de commande 19. Ces moyens assurent la rotation du dispositif 10 autour de l'axe YY. The support 16 is mounted on a support 18 fixed with respect to the aircraft A, by means of rotation means, for example mechanical, such as turntable 17 and control geared motor 19. These means ensure the rotation of the device 10 around the YY axis.

Sur le schéma vu de dessus de la figure 4b, on retrouve l'antenne 10 et la trace du radôme R. On a représenté à titre d'exemple la commande 19 du plateau 17. On a enfin représenté en 20 les nervures de la carlingue de l'avion A, sur lesquelles peut être monté le support 18. In the diagram seen from above of Figure 4b, there is the antenna 10 and the trace of the radome R. There is shown by way of example the control 19 of the plate 17. It is finally shown in 20 the ribs of the cabin of the aircraft A, on which the support 18 can be mounted.

Comme précédemment, la couverture obtenue est de 900 de part et d'autre de l'axe YY. Si l'axe YY est sensiblement normal au plan de l'avion, il apparaît qu'une telle antenne permet la surveillance radar de tout le demi-espace supérieur de l'avion A, ou encore des télécommunications avec tout émetteur/récepteur situé dans ce demi-espace. As previously, the coverage obtained is 900 on either side of the YY axis. If the YY axis is substantially normal to the plane of the aircraft, it appears that such an antenna allows radar surveillance of the entire upper half-space of the aircraft A, or telecommunications with any transmitter / receiver located in this half-space.

La présente invention permet donc de conserver les avantages d'une antenne à balayage électronique, tout en s'affranchissant de ses limitations quant à la couverture. The present invention thus makes it possible to retain the advantages of an electronic scanning antenna, while avoiding its limitations as to the coverage.

Plus précisément, le système de rotation mécanique utilisé dans la présente invention est plus simple , plus léger, moins encombrant que les systèmes de rotations utilisés habituellement pour les antennes aéroportées à couverture hémisphérique. En outre, > l'encombrement moindre de cette solution par rapport aux solutions connues permet d'augmenter les dimensions de l'antenne et, par suite, le gain et la portée. Enfin, il est possible de moduler l'affectation du temps à l'espace surveillé en fonction des besoins : en effet, la technique du balayage électronique rend aisé le fait, par exemple, d'accorder plus de temps à la partie centrale de la zone de surveillance, donc avoir plus de précision et plus de portée, à des fins de détection lointaine, de conduite de tir, etc... More specifically, the mechanical rotation system used in the present invention is simpler, lighter, less cumbersome than the rotation systems usually used for hemispherical airborne antennae. In addition, the smaller overall size of this solution compared to known solutions makes it possible to increase the dimensions of the antenna and, consequently, the gain and the range. Finally, it is possible to modulate the allocation of time to the space monitored according to the needs: indeed, the technique of electronic scanning makes it easy, for example, to give more time to the central part of the surveillance zone, so have more precision and more scope, for purposes of remote detection, fire control, etc ...

Claims

1. Scanning Antenna with a Wide Scan Angle, characterized by the fact that it comprises

a device (10) with electronic scanning in one plane, the scanning taking place at a given angle + a on both sides of the radioelectric axis (XX) of the device

means (12, 17, 19) for rotating the device (10) about an axis (YY) passing substantially through its center

- Means (11, 16) for supporting the device (10) such that the axis (XX) of the latter makes with the axis of rotation (YY) an angle (b) at least equal to 900-a.

2. Antenna according to claim 1, characterized in that the device is substantially plane, the scanning is in a plane normal to the previous one, and that the axis (XX) of the device is substantially normal to the plane thereof .

Antenna according to one of the preceding claims, characterized in that the electronic scanning device (10) comprises

a plurality of superimposed channels (C), separated by conductive planes (P)

illuminating means (I), placed in each of the channels, ensuring the emission of a microwave energy

means (B) of phase shift of this energy placed in each of the channels in front of the illuminating means.

4. Antenna according to claims 2 and 3, characterized in that the device emits an energy whose electric field (E) is substantially parallel to the plane of the device and normal to the planes (P) for separation of the channels.

5. Antenna according to one of the preceding claims, characterized in that it is placed in the nose of an aircraft (A) and that the axis of rotation (YY) is substantially coincident with the longitudinal axis of 1 plane.

6. Antenna according to one of claims 1 to 4, characterized in that it is placed at the level of the cabin of an aircraft, so that its axis of rotation (YY) is substantially normal to the plane of the plane.