FR2914112A1 - Guide d'onde multi-faisceaux a fentes rayonnantes - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un guide d'onde de section rectangulaire comportant des fentes rayonnantes sur au moins l'une de ses faces.Il comporte au moins une cloison intérieure pouvant être réfléchissante ou transparente aux ondes électromagnétiques à la fréquence de travail du guide d'onde de sorte que le guide peut rayonner dans deux directions distinctes.Application : antennes

Description

Guide d'onde multi-faisceaux à fentes rayonnantes La présente invention

concerne un guide d'onde de section rectangulaire comportant des fentes rayonnantes sur au moins l'une de ses faces. Elle s'applique par exemple dans le domaine des antennes.

De nombreuses antennes balayent un faisceau d'ondes, c'est-à-dire émettent une onde dans une direction qui varie dans le temps. Par exemple, une antenne de radar doppler de navigation balaye le sol sous l'aéronef auquel elle est implantée avec plusieurs faisceaux dans une bande de fréquence étroite, ceci afin de détecter des objets au sol. Une antenne de radar SAR, selon l'acronyme anglo-saxon de Synthetic Aperture Radar , balaye également le sol sous l'aéronef auquel elle est implantée, mais avec un seul faisceau dans une bande de fréquence plus large, ceci afin d'établir la cartographie d'une zone. Plusieurs technologies permettent d'obtenir un balayage de faisceau avec une antenne fixe. Par exemple, un cornet d'éclairage à plusieurs guides d'ondes peut être disposé en face d'une parabole réflectrice. Le cornet et la parabole sont fixes, la direction de réflexion des ondes par la parabole ne dépendant que du guide qui émet. Si le cornet comporte 4 guides, alors l'antenne peut émettre un faisceau dans 4 directions distinctes données. Autre exemple, dans une antenne à balayage électronique un faisceau est défléchi par un réseau de déphaseurs. Le dispositif émetteur de l'onde et le réseau sont fixes, l'angle de déflexion dépendant du décalage relatif entre les déphaseurs. L'antenne peut balayer son faisceau dans une plage continue de directions. Notamment dans certaines antennes de radars doppler de navigation, un guide d'onde à fentes rayonnantes alimentées en mode dit progressif est utilisé. Un exemple détaillé d'une telle architecture sera explicité par la suite. A une fréquence donnée, le générateur et la charge d'un guide d'onde rectangulaire comportant des fentes sont permutés, ceci afin d'obtenir deux faisceaux inclinés suivant deux directions symétriques par rapport au guide d'onde. L'un des problèmes techniques auquel la présente invention se propose de répondre concerne la qualité de faisceau fournie par une telle architecture d'antenne. En effet, la distorsion de l'éclairement des fentes du guide résultant de la commutation du générateur et de la charge conduit à des lobes très élevés dans le diagramme de rayonnement de l'antenne. C'est pourquoi la géométrie des fentes est calculée de façon à obtenir un diagramme de rayonnement satisfaisant mais médiocre dans chacune des deux configurations générateur/charge, c'est-à-dire dans chacune des deux directions.

L'invention a notamment pour but de pallier les inconvénients précités, en fournissant notamment un guide d'onde à fentes rayonnant dans plusieurs directions sans dégradation majeure du diagramme d'antenne. A cet effet, l'invention a pour objet un guide d'onde de section rectangulaire comportant des fentes rayonnantes sur au moins l'une de ses faces. Il comporte au moins une cloison intérieure pouvant être réfléchissante ou transparente aux ondes électromagnétiques à la fréquence de travail, de sorte qu'il peut rayonner dans deux directions distinctes. Les fentes rayonnantes peuvent être disposées sur l'une des faces du guide d'onde rectangulaire, une cloison intérieure pouvant être disposée parallèlement à cette face. Dans un autre mode de réalisation, une cloison intérieure peut être disposée parallèlement à chacune des deux faces adjacentes à cette face de sorte que toutes les fentes débouchent entre les deux cloisons. Avantageusement, la cloison intérieure peut être une surface sélective en fréquence, pouvant être commandée par des diodes, des transistors ou des commutateurs micro-électromécaniques. La cloison intérieure peut également être une bande interdite électronique accordable. Dans un autre mode de réalisation, la cloison intérieure peut être formée par une couche d'un matériau diélectrique agile, comme un matériau ferro-électrique ou un cristal liquide accordable.

L'invention a encore pour principaux avantages qu'elle permet d'éviter de mettre en oeuvre un dispositif électromécanique complexe et coûteux pour commuter la source et la charge. L'invention permet également d'éviter de mettre en oeuvre un dispositif pour faire varier la fréquence. Un guide d'onde selon l'invention est donc sensiblement plus fiable.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : - la figure 1, une illustration par un synoptique du principe de fonctionnement d'une ligne de propagation hyperfréquence ~o alimentant des éléments rayonnants ; la figure 2, une illustration par une vue de profil d'un guide d'onde à fentes fonctionnant en mode progressif selon l'art antérieur ; la figure 3, une illustration par des vues en perspective de deux exemples de surfaces sélectives en fréquence commandables ; 15 - la figure 4, une illustration d'un premier exemple de réalisation d'un guide d'onde à fentes selon l'invention ; la figure 5, une illustration d'un deuxième exemple de réalisation d'un guide d'onde à fentes selon l'invention ; - la figure 6, une illustration d'un troisième exemple de réalisation 20 d'un guide d'onde à fentes selon l'invention.

La figure 1 illustre par un synoptique le principe de fonctionnement d'une ligne de propagation hyperfréquence. Une ligne 1 est chargée de façon 25 adaptée à son impédance caractéristique, grâce à un générateur 2 disposé à l'une de ses extrémités et grâce à une charge 3 disposée à son autre extrémité. Des éléments rayonnants formant des sources rayonnantes 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 et 11 sont connectés sur la ligne 1. Les éléments sont équidistants, séparés par une distance DA le long de la ligne. Les sources 30 formées sont également équidistantes, séparées spatialement d'une distance dA. Le plus fréquemment, dA = DA. Le rayonnement de chacune des sources s'additionne en phase pour former un faisceau dans une direction O. L'angle de pointage 0 dépend de la distance dA entre sources et de la variation de phase entre sources, cette dernière variant elle-même en fonction de la fréquence et de la longueur guidée dans la ligne de propagation. L'angle de pointage 0 est donné par l'égalité suivante : sin(9) _ /1 • (DA- - M) (1) dA 2G 5 Dans l'égalité (1), est la longueur d'onde dans l'air correspondant à la fréquence de travail. XG est la longueur d'onde guidée dans la ligne d'alimentation à cette même fréquence de travail, Xc dépendant de X. M est un entier, La distance DA est choisie différente de Xc/2 ou de l'un 10 de ses multiples, afin d'éviter la sommation cohérente des désadaptations des éléments rayonnants. L'égalité (1) illustre bien la variation de l'angle de pointage 0 avec la fréquence X, dans des proportions de l'ordre de un degré par pour-cent de fréquence. C'est pourquoi la ligne de propagation ainsi réalisée fonctionne dans un mode dit progressif . Le mode progressif est 15 fréquemment mis en oeuvre avec les guides d'onde à fentes, comme illustré par la figure 2.

La figure 2 illustre par une vue de profil un guide d'onde à fentes 20 fonctionnant en mode progressif selon l'art antérieur. Un guide d'onde 20 en matériau métallique formant un tube de section rectangulaire est chargé grâce à un générateur 21 et une charge 22. Des fentes équidistantes 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30 et 31 sont percées tout le long du guide 20 sur l'une de ses faces. A la fréquence de travail X, le guide d'onde à fentes ainsi réalisé 25 rayonne selon l'angle de pointage 0 donné par l'égalité (1). Ceci s'explique notamment par le phénomène de dispersivité. En effet, dans le guide 20 rempli d'air, la longueur d'onde guidée Xc dans le mode principal n'est pas proportionnelle à la longueur d'onde en propagation dans l'air X. La longueur d'onde guidée XG est donnée par l'égalité suivante : 30 2G 2 (2) 2a1 Dans l'égalité (2), a est la longueur du grand côté du rectangle formé par la section du guide 20 ou encore la largeur du guide 20. La largeur a du guide 20 n'est pas visible sur la vue de profil de la figure 2, où seule une longueur b qui est la longueur du petit côté du rectangle formé par la section du guide 20 est visible. Bien-sûr, on a a<b. L'égalité (2) s'applique à divers types de guides à fentes, comme les guides à fentes inclinées ouvertes sur le petit coté ou les guides à fentes longitudinales ouvertes sur le grand coté. En effet, diverses conceptions sont possibles selon le rayonnement désiré. En première approche, l'onde électromagnétique en provenance du générateur 21 se propage dans le guide 20 vers la première fente rayonnante 23. Une fraction de cette onde est prélevée par la fente 23 et est rayonnée. Le reliquat de l'onde se propage vers la fente suivante 24 le long du guide 20. Le processus se poursuit jusqu'à la dernière fente 31, mais où le reliquat non rayonné est envoyé sur la charge 22. Chaque fente sur le guide 20 rayonne de l'énergie. Pour la ligne que constitue le guide 20, chaque fente est équivalente à un élément résistif modélisable comme une admittance ou une impédance. Par exemple, pour une fente longitudinale sur le grand coté d'un guide rectangulaire rempli d'air, une valeur approchée de la conductance équivalente à la résonance est donnée par l'égalité (3) de Stevenson : Gres =2.09.( )•(ay)• Dans l'égalité (3), x est le décalage axial de la fente. Donc plus le décalage axial x de la fente augmente, plus la fente prélève de l'énergie de l'onde incidente pour la rayonner. Une autre égalité similaire à l'égalité (3) donne la résistance équivalente à la résonance d'une fente inclinée sur le petit coté d'un guide rectangulaire. Elle montre que plus l'angle de la fente augmente, plus la fente prélève de l'énergie de l'onde incidente pour la rayonner. II apparaît donc clairement que le guide 20 présente un aspect non symétrique vis-à-vis du sens d'alimentation. Notamment, commuter le générateur 21 et la charge 22 n'est pas sans effet sur le rayonnement du guide. Ainsi, considérons que le guide 20 est alimenté sous 10 watts en mode progressif et qu'il est conçu pour rayonner uniformément 1 watt sur sin 2 (T~) (3) a G cos2(5 chacune des 9 fentes le constituant et pour dissiper 1 watt dans la charge terminale 22. Du générateur 21 source d'énergie vers la charge 22, les 9 fentes 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30 et 31 sont conçues pour prélever et rayonner une fraction de la puissance résiduelle qu'elles reçoivent, la fraction devant toujours correspondre à 1 watt. De la fente 23 à la fente 31, la fraction est égale respectivement à 1/1o, 1/9, 1/8, 1/7, 1/6, 1/5, 1/4, 1 /3 et 1/2. Ainsi, la dernière fente 31 est la plus inclinée ou la plus décalée afin de prélever la moitié de la puissance incidente et la rayonner, le reliquat étant envoyé vers la charge 22.

Le principe appliqué par de nombreux guides d'ondes à fentes actuels comme le guide 20 pour pointer le faisceau dans des directions opposées consiste à commuter le générateur et la charge grâce à un dispositif électromécanique complexe. Un tel dispositif n'est pas représenté sur la figure 2. En commutant le générateur et la charge, la loi de phase est inversée et un faisceau est émis dans une direction symétrique. Mais le rayonnement est fortement perturbé. Dans le cas du guide 20 à 9 fentes rayonnant chacune 1 watt, si le générateur 21 et la charge 22 sont inversés, alors les fentes ne rayonnent plus 1 watt chacune. La première fente 31 à partir du générateur 21, qui était précédemment la dernière, rayonne la moitié de la puissance, soit 5W. Les autres fentes de la fente 30 à la fente 23 rayonnent respectivement 1.67 watts, 0.83 watt, 0.50 watt, 0.33 watt, 0.24 watt, 0.18 watt, 0.14 watt et 0.11 watt. Le reliquat de 1 watt est envoyé vers la charge 22. Le rayonnement n'est donc plus du tout uniforme comme c'était le cas avant commutation. C'est un inconvénient majeur des guides à fentes à commutation selon l'art antérieur. Dans la pratique, les fentes des guides d'ondes actuels sont conçues au niveau du décalage axial et de l'inclinaison des fentes pour rayonner en mode progressif de manière acceptable quelle que soit la configuration générateur/charge. Mais dans tous les cas, leur rayonnement n'est pas optimum. La présente invention se propose notamment de permettre à un guide d'onde à fentes de rayonner dans au moins deux directions pouvant être de signes opposés sans perturbation majeure du rayonnement.

D'après l'égalité (1), la modification de la longueur d'onde guidée 35 XG est un moyen qui permet de faire varier l'angle de pointage O. D'après l'égalité (2), la modification de la largeur a du guide d'onde est un moyen de faire varier la longueur d'onde guidée 2.G. Donc la modification de la largeur a du guide d'onde est un moyen de faire varier l'angle de pointage B. Si cela était possible, cela pourrait permettre de faire varier la position du faisceau pour une même fréquence X, sans avoir à intervertir le générateur et la charge. Le tableau 1 suivant donne des exemples de largeur a du guide rempli d'air permettant d'obtenir 4 directions de pointage, dans le cas où la longueur d'ondes correspond à une fréquence de 13.7 gigahertz et la distance entre les sources dA vaut 19 millimètres.

Largeur a 11.25 mm 12.28 mm 15.27 mm 27.57 mm Angle e -20 -7 7 20 Tableau 1 Mais il paraît bien difficile de faire varier une caractéristique intrinsèque du guide comme sa largeur a. Une technique pourrait consister à modifier réellement la largeur a du guide d'onde grâce à un volet métallique à positionnement comrnandé mécaniquement, le volet formant une paroi du guide. Mais un tel dispositif électromécanique, se substituant simplement à celui permettant de commuter le générateur et le charge, poserait en plus de gros problèmes de conception car il engendrerait des rayonnements parasites importants. De plus, il représenterait un risque important en terme de la fiabilité. La présente invention se propose plutôt d'utiliser une structure commandable de type surface sélective en fréquence, plus connue sous l'acronyme anglo-saxon de FSS pour Frequency Selective Surface , ou une structure commandable du type bande passante électronique, plus connue sous l'acronyme anglo-saxon de EBG pour Electromagnetic Band Gap . Ces deux types de structures sont à géométrie ajustable dynamiquement grâce à des éléments commandés électroniquement.

La figure 3 illustre deux exemples de surfaces sélectives en fréquence commandables. Une surface sélective en fréquence peut se présenter essentiellement sous deux formes. Certaines surfaces sélectives en fréquence comportent des éléments conducteurs gravés sur une surface diélectrique, la géométrie de ces éléments étant définie de façon à résonner à une certaine fréquence. La surface sélective en fréquence devient réflective à cette fréquence de résonance. D'autres surfaces sélectives en fréquence comportent des ouvertures dans une surface conductrice, la géométrie de ces ouvertures étant définie de façon à résonner à une certaine fréquence. La surface sélective en fréquence devient transparente à cette fréquence de résonance. Une surface sélective en fréquence peut comporter plusieurs couches séparées par du diélectrique pour améliorer la bande de fonctionnement. Les éléments géométriques utilisés peuvent être par exemple des dipôles, des tripôles, des croix, des anneaux, des patchs ou des ouvertures circulaires ou rectangulaires. Par exemple, une plaque 40 en matériau diélectrique comporte des dipôles métalliques disposés verticalement et uniformément sur toute sa surface, et dont les brins sont reliés par des diodes. Les diodes sont les éléments de commande de la surface sélective en fréquence. Mais tous éléments commandables électriquement peuvent convenir, comme des transistors ou des commutateurs micro-électromécaniques. A une fréquence de résonance des dipôles, la plaque 40 est réfléchissante pour un champ électrique E vertical incident sur elle quand les diodes sont passantes, elle est transparente quand les diodes sont bloquées. En d'autres termes, la plaque 40 est réfléchissante quand les diodes sont toutes fermées, et transparente quand les diodes sont toutes ouvertes. Autre exemple, une plaque 41 en matériau diélectrique comporte des fils métalliques verticaux régulièrement interrompus par des éléments commandés. Les fils peuvent être remplacés par des bandes métalliques. Quand tous les éléments sont passants, les fils sont continus et la plaque 41 réfléchit le champ électrique incident E. Quand tous les éléments sont bloqués, les fils sont discontinus et, si la dimension des segments métalliques ne correspond pas à une fréquence de résonance, la surface est transparente.

La figure 4 illustre un exemple de réalisation d'un guide d'onde à fentes selon l'invention. Un guide d'onde 50 en matériau métallique formant un tube de section rectangulaire comporte cinq fentes rayonnantes 51, 52, 53, 54 et 55 sur une face correspondant à un petit coté du rectangle formé par la section du guide d'onde 50. Par exemple, une surface sélective en fréquence commandable 56, d'un type de celles illustrées à la figure 3, est disposée dans le guide d'onde 50 parallèlement à la face comportant les fentes 51, 52, 53, 54 et 55, plus proche de la face opposée. D'un point de vue structurel, elle forme en permanence une double paroi pour le guide 50. De même, à la fréquence de travail du guide et à l'état passant, elle forme une paroi du guide 50 d'un point de vue électromagnétique. A l'état passant, elle est réfléchissante d'un point de vue électromagnétique. Par contre, à l'état bloqué, elle ne forme plus une paroi du guide d'un point de vue électromagnétique. A la fréquence de travail du guide et à l'état bloqué, elle est transparente d'un point de vue électromagnétique. Ainsi, lorsque la surface sélective en fréquence commandable 56 commute de l'état passant à l'état bloqué par utilisation simultanée de tous ses éléments commandables, le guide 50 passe respectivement de la largeur a' à la largeur a d'un point de vue électromagnétique. De cette façon, le guide 50 pointe dynamiquement un faisceau 57 dans deux directions distinctes, définies par des angles de pointage 0 et 0'.

La figure 5 illustre un autre exemple de réalisation d'un guide d'onde à fentes selon l'invention par une vue en perspective et par une vue de dessus. Un guide d'onde 60 en matériau métallique formant un tube de section rectangulaire comporte quatre fentes rayonnantes 61, 62, 63 et 64 sur une face correspondant à un grand coté du rectangle formé par la section du guide d'onde 60. Une surface sélective en fréquence commandable 65 et une surface sélective en fréquence commandable 66 sont par exemple disposées dans le guide d'onde 60 parallèlement aux faces correspondant aux petits cotés du rectangle formé par la section du guide d'onde 60. Elles sont disposées en regard l'une de l'autre. Avantageusement, toutes les fentes 61, 62, 63 et 64 débouchent entre la surface sélective en fréquence commandable 65 et la surface sélective en fréquence commandable 66, ces surfaces n'obstruant même partiellement aucune des fentes 61, 62, 63 ou 64. Lorsque les surfaces sélectives en fréquence commandables 65 et 66 commutent simultanément de l'état passant à l'état bloqué par utilisation simultanée de tous leurs éléments commandables, le guide 60 passe respectivement de la largeur a' à la largeur a d'un point de vue électromagnétique à la fréquence de travail. Une extension immédiate de la présente invention est de remplacer les structures à deux états du type tout ou rien que sont les surfaces sélectives en fréquence commandables décrites précédemment, par des structures du type bande interdite électronique accordable, couramment appelées BIE accordable ou EBG accordable d'après l'acronyme anglo-saxon signifiant Electromagnetic Band Gap , qui peuvent permettre de balayer le faisceau dans une plage continue.

La figure 6 illustre encore un autre exemple de réalisation d'un guide d'onde à fentes selon l'invention. Un guide d'onde 70 en matériau métallique formant un tube de section rectangulaire comporte quatre fentes rayonnantes 71, 72, 73 et 74 sur une face correspondant à un grand coté du rectangle formé par la section du guide d'onde 70. Elles sont disposées de façon analogue à la façon avec laquelle les fentes 61, 62, 63 et 64 sont disposées sur le guide 60 de la figure 5. Par exemple, une partie du volume interne du guide 70 est remplie d'un matériau diélectrique agile, cette partie formant par exemple un tube plein de section carrée de côté b. Un matériau diélectrique agile est un matériau dont la permittivité diélectrique relative e est commandable en faisant varier la tension qui lui est appliquée. Par exemple, le matériau diélectrique agile peut être un matériau ferro-électrique. Mais un cristal liquide accordable peut également convenir. A une première tension Ui appliquée de par et d'autre du tube plein formé par le matériau diélectrique agile peut correspondre une permittivité et A une seconde tension U2 appliquée de par et d'autre du tube plein formé par le matériau diélectrique agile peut correspondre une permittivité C2. Le changement de permittivité de la valeur Cl à la valeur c2 permet de modifier la valeur de la longueur d'onde guidée Xc selon l'égalité (4) suivante : 2 X2\2 s 2G (4) 2a; Et d'après l'égalité (1), l'angle de pointage o est également modifié puisqu'il dépend de 2c. Ainsi, le faisceau peut être pointé dans deux directions distinctes 01 et 02.

L'invention décrite précédemment permet de reconfigurer le rayonnement d'une antenne utilisant un guide d'onde rectangulaire à fentes rayonnantes, sans inverser la position du générateur et de la charge. Elle se propose de modifier la longueur d'onde guidée pour le mode de propagation utile, en modifiant la largeur du guide ou en modifiant la permittivité dans le guide d'onde. Plusieurs directions de faisceaux peuvent ainsi être obtenues à une fréquence de travail donnée. Les directions peuvent être d'un même coté de l'axe du guide d'onde, d'un coté et de l'autre, voire symétriques par rapport à l'axe du guide. En n'inversant pas le générateur et la charge et en utilisant toujours le guide d'onde dans son sens optimum, les diagrammes de rayonnement sont de bonne qualité dans chacune des directions. Par ailleurs, plusieurs plages d'angle de pointage du faisceau peuvent également être obtenues dans une bande de fréquence donnée.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Guide d'onde (50) de section rectangulaire comportant des fentes rayonnantes (51, 52, 53, 54, 55) sur au moins l'une de ses faces, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une cloison intérieure (56) pouvant être réfléchissante ou transparente aux ondes électromagnétiques à la fréquence de travail du guide d'onde (50) de sorte que le guide peut rayonner dans deux directions distinctes (0, 0').

2. Guide d'onde selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fentes rayonnantes (51, 52, 53, 54, 55) sont disposées sur l'une des faces du guide d'onde rectangulaire (50), une cloison intérieure (56) étant disposée parallèlement à cette face.

3. Guide d'onde selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fentes rayonnantes (61, 62, 63, 64) sont disposées sur l'une des faces du guide d'onde rectangulaire (60), une cloison intérieure (65, 66) étant disposée parallèlement à chacune des deux faces adjacentes à cette face de sorte que toutes les fentes débouchent entre les deux cloisons.

4. Guide d'onde selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cloison 20 intérieure (56, 65, 66) est une surface sélective en fréquence.

5. Guide d'onde selon la revendication 4, caractérisé en ce que la surface sélective en fréquence est commandée par des diodes. 25

6. Guide d'onde selon la revendication 4, caractérisé en ce que la surface sélective en fréquence est commandée par des transistors.

7. Guide d'onde selon la revendication 4, caractérisé en ce que la surface sélective en fréquence est commandée par des commutateurs microélectromécaniques.

8. Guide d'onde selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cloison intérieure (56, 65, 66) est une bande interdite électronique accordable.

9. Guide d'onde selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cloison intérieure est formée par une couche d'un matériau diélectrique agile.

10. Guide d'onde selon la revendication 9, caractérisé en ce que le matériau 5 est un matériau ferro-électrique.

11. Guide d'onde selon la revendication 9, caractérisé en ce que le matériau est un cristal liquide accordable.