FR2991512A1 - Antenne reseau a balayage electronique total - Google Patents
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Abstract
Une antenne réseau à balayage électronique total (10) comportant une surface rayonnante (12), une pluralité d'éléments rayonnants (14) disposés sur la surface rayonnante (12), et des modules déphaseurs (16) propres à exciter les éléments rayonnants (14) pour former un faisceau d'émission de l'antenne réseau à balayage électronique total (10). Des éléments rayonnants (14) sont associés par paire(s) (26), à chaque paire (26) d'éléments rayonnants (14) étant associé un unique module déphaseur (16) respectif raccordé aux deux éléments rayonnants (14) de ladite paire (26).
Description
Antenne réseau à balayage électronique total La présente invention concerne les antennes à balayage électronique total. Plus particulièrement, l'invention concerne une antenne réseau à balayage électronique total comprenant une surface rayonnante, une pluralité d'éléments rayonnants disposés sur la surface rayonnante et des modules déphaseurs propres à exciter les éléments rayonnants pour former un faisceau d'émission de l'antenne réseau à balayage électronique total. Ces antennes, dont le faisceau d'émission est repéré en coordonnées sphériques par deux angles relativement à la surface rayonnante et à sa normale, sont propres à modifier ces deux angles au seul moyen du signal d'excitation fourni par les modules déphaseurs aux éléments rayonnants, par opposition à des antennes à balayage mécanique ou mixte, qui réalisent la modifications de l'un au moins de ces deux angles par mise en mouvement de leurs organes. Ceci se traduit par un encombrement substantiellement diminué pour les antennes à balayage électronique total du fait de l'absence du débattement mécanique des organes qui les composent. De manière connue, pour le bon fonctionnement et la bonne directivité de leur faisceau d'émission, chaque élément rayonnant de ces antennes est excité par un module déphaseur qui lui est dédié, ce qui en pratique se traduit par un coût très élevé de telles antennes du fait du nombre de modules déphaseurs qu'elles comprennent. Afin de résoudre ce problème, une solution connue de l'homme du métier est de disposer les éléments rayonnants en maillage triangulaire sur l'antenne. Cette disposition permet de réduire d'environ 15% le nombre d'éléments rayonnants par rapport à un maillage rectangulaire, et donc d'autant le nombre de modules déphaseurs.
Toutefois, cette solution n'est pas satisfaisante dans la mesure où cet agencement des éléments rayonnants se traduit par une complexification d'un système de distribution radiofréquence que comprend le système. L'un des objets de l'invention est donc de proposer un système antennaire à balayage électronique total dont le coût est réduit et qui ne se traduit pas par une complexification du système de distribution radiofréquence dudit système. A cet effet, l'invention concerne une antenne réseau à balayage électronique total du type précité, caractérisé en ce que des éléments rayonnants sont associés par paire(s), à chaque paire d'éléments rayonnants étant associé un unique module déphaseur respectif raccordé aux deux éléments rayonnants de ladite paire.
Selon d'autres modes de réalisation, l'invention comporte une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes, prise(s) isolément ou selon toute(s) combinaison(s) techniquement possible(s) - les éléments rayonnants sont agencés selon une matrice comportant une pluralité de lignes parallèles à une première direction et une pluralité de colonnes parallèles à une deuxième direction, chaque élément rayonnant appartenant simultanément à une ligne et à une colonne, les colonnes étant régulièrement espacées les unes des autres d'un premier pas selon la première direction et les lignes étant régulièrement espacées d'un deuxième pas selon la deuxième direction, et chaque paire présente un centre de phase correspondant au centre du segment défini par les deux éléments rayonnants de ladite paire ; - chaque paire est constituée de deux éléments rayonnants consécutifs d'une même colonne ; - au moins deux éléments rayonnants d'une même ligne sont compris dans des paires respectives dont les centres de phase respectifs sont alignés selon la deuxième direction; - au moins deux éléments rayonnants d'une même ligne sont compris dans des paires respectives dont les centres de phases respectifs sont décalés selon la deuxième direction ; - deux éléments rayonnants consécutifs d'une même ligne sont compris dans des paires respectives dont les centres de phases respectifs sont décalés l'un de l'autre d'un deuxième pas selon la deuxième direction ; et - les première et deuxième directions sont perpendiculaires. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va 25 suivre, faite uniquement à titre d'exemple et de façon non limitative, et en référence aux Figures annexées, sur lesquelles : - la Figure 1 est une représentation schématique d'une antenne réseau selon l'invention ; - la Figure 2 est une représentation schématique d'une surface rayonnante de 30 l'antenne réseau à balayage électronique total de la Figure 1 ; - la Figure 3 est une représentation schématique du rayonnement d'une antenne réseau de l'état de la technique dans l'espace des cosinus directeurs ; - la Figure 4 est une série de diagrammes de rayonnement d'une antenne réseau de l'état de la technique pour plusieurs directions d'émission ; 35 - la Figure 5 est une représentation schématique du rayonnement de l'antenne réseau de la Figure 1 dans l'espace des cosinus directeurs ; et - la Figure 6 est une série de diagrammes de rayonnement d'une antenne réseau selon l'invention pour plusieurs directions d'émission ; En référence à la Figure 1, l'antenne réseau à balayage électronique total 10 selon l'invention, ci-après « antenne » 10, est une antenne réseau à balayage électronique total propre à émettre un faisceau à une longueur d'onde de travail A et comprend une surface rayonnante 12 ainsi qu'une pluralité d'éléments rayonnants 14 agencés sur la surface rayonnante 12. En référence à la Figure 2, l'antenne 10 comprend également une pluralité de modules déphaseurs 16 propres à exciter les éléments rayonnants 14 de sorte que les rayonnements élémentaires des éléments rayonnants 14 s'additionnent pour former le faisceau du système 10. La surface rayonnante 12 présente une surface sensiblement plane. Dans l'exemple de la Figure 1 qui est repérée par un repère orthonormé (O, z , ÿ , z ), la surface rayonnante 12 est sensiblement comprise dans le plan (O, z , ÿ ), et présente une forme générale discoïdale. En variante, la surface rayonnante 12 présente une forme générale rectangulaire, ou encore elliptique. Le faisceau d'émission de l'antenne 10 est émis selon une direction T-T'. La direction d'émission T-T' orientée par un vecteur k est repérée en coordonnées sphériques classiques par un angle N entre le vecteur . et la projection de la direction T-T' dans le plan (O, z , ÿ ), et un angle 6 entre le vecteur z et la direction d'émission T-T'. En coordonnées dites « radar », la direction d'émission T-T' est repérée par un angle dit circulaire C entre le vecteur z et la projection de la direction d'émission T-T' dans le plan (O, . , i ), et un angle dit d'élévation E entre le plan (O, z , z ) et la direction d'émission T-T'. Dans tout ce qui suit, par antenne réseau à balayage électronique total, on entend que l'antenne 10 est propre à faire varier les angles E, C (et donc les angles 6, ) repérant sa direction d'émission T-T' via la seule commande de ses éléments rayonnants par les modules déphaseurs, et notamment de la phase des signaux d'excitation fournis aux éléments rayonnants, par opposition à une antenne réseau à balayage mécanique ou à balayage mixte dans lequel la variation d'au moins l'un des angles circulaire ou d'élévation E, C est réalisée par mise en mouvement mécanique des organes du système.
L'antenne 10 est propre à modifier la direction d'émission T-T', et ce notamment jusqu'à un angle emax relativement à la normale à la surface rayonnante 12. En référence à la Figure 2, l'agencement des éléments rayonnants 14 va maintenant être décrit.
Les éléments rayonnants 14 sont agencés sur la surface rayonnante 12 selon une matrice comportant une pluralité de lignes 20 parallèles à une première direction D1, et une pluralité de colonnes 22 parallèles à une deuxième direction D2, un élément rayonnant 14 appartenant simultanément à une ligne 20 et à une colonne 22. Les colonnes 22 sont régulièrement espacées les unes des autres d'un premier pas dx selon la première direction D1, et les lignes 20 sont régulièrement espacées les unes des autres d'un deuxième pas dy selon la deuxième direction D2. Les éléments rayonnants 14 définissent ainsi un maillage 24 dont les mailles sont chacune de taille dx en largeur et dy en hauteur et dans lequel tout élément rayonnant 14 peut se déduire d'un autre par une translation de vecteur colinéaire à la première direction D1 et de longueur dx ou par une translation de vecteur colinéaire à la deuxième direction D2 et de longueur dy. Dans l'exemple de la Figure 1 et 2, les deux directions D1 et D2 sont perpendiculaires, D1 correspondant à l'horizontale et D2 à la verticale, les éléments rayonnants 14 définissant un maillage rectangulaire.
De manière connue, afin de minimiser, dans l'espace de rayonnement de l'antenne, l'apparition de lobes de périodicité indésirables, les premier et deuxième pas dx et dy sont choisis inférieurs à A/ (1+cos emax)- Dans l'exemple de la Figure 2, le deuxième pas dy est égal à 0,54 A et le premier pas est égal à 0,6 A.
Selon l'invention, au moins deux éléments rayonnants 14 sont regroupés en paires 26 comprenant chacune deux éléments rayonnants 14, à chaque paire 26 étant associé un unique module déphaseur 16 raccordé aux deux éléments rayonnants 14 de ladite paire 26. En d'autres termes, il existe N entier supérieur ou égal à 2 tel que l'antenne 10 comprend 2N éléments rayonnants 14 associés en N paires 26 et N modules déphaseurs 16 respectivement associés à une et une seule des N paires 26 d'éléments rayonnants 14. Chaque module déphaseur 16 est associé à une unique paire d'éléments rayonnants 14 et alimente uniquement ces deux éléments 14 avec le même signal d'excitation.
Chaque paire 26 est constituée de deux éléments rayonnants 14 consécutifs d'une même colonne 22, c'est-à-dire de deux éléments rayonnants 14 adjacents d'une même colonne 22 distants l'un de l'autre d'un deuxième pas dy. Chaque paire 26 présente un centre de phase 28 (représenté par une croix sur la Figure 2), correspondant géométriquement au centre du segment défini par les deux éléments rayonnants 14 de la paire 26. De manière connue, le centre de phase 28 d'une paire 26 correspond à la position de la source virtuelle du rayonnement combiné des deux éléments rayonnants 14 de la paire 26 en question.
Au sein d'une même colonne 22, les centres de phases 28 des paires 26 de cette colonne 22 sont régulièrement espacés les uns des autres de deux deuxièmes pas dy selon la deuxième direction D2. Cet agencement des éléments rayonnants par paires permet de diminuer le nombre de modules déphaseurs 16 que le système 10 comprend.
Toujours selon l'invention, deux éléments rayonnants 14 consécutifs d'une même ligne, c'est-à-dire deux éléments rayonnants 14 adjacents d'une même ligne 20 distants l'un de l'autre d'un premier pas dx, sont compris dans des paires 26 respectives dont les centres de phases 28 respectifs sont décalés d'un deuxième pas dy selon la deuxième direction D2.
Comme illustré sur la Figure 2, l'association des éléments rayonnants 14 en paires 26 ainsi construites se traduit par le fait que les centres de phases 28 des différentes paires 26 définissent un maillage 30 de nature géométrique différente de celle du maillage 24 des éléments rayonnants 14. Dans l'exemple de la Figure 2, les centres de phases 28 définissent ainsi un maillage triangulaire alors que les éléments rayonnants 14 définissent un maillage rectangulaire. En d'autres termes, selon l'invention, les paires 26 sont associées à un unique module déphaseur 16 et ont des centres de phases 28 se déduisant les uns des autres par une translation de vecteur colinéaire à la première direction D1 et de norme égale au premier pas dx suivie ou précédée d'une translation de vecteur colinéaire à la deuxième direction D2 et de norme égale au deuxième pas dy, par opposition aux éléments rayonnants 14 qui se déduisent les uns des autres par une unique translation de vecteur colinéaire à la première direction D1 et de norme égale au premier pas dx ou par une unique translation de vecteur colinéaire à la deuxième direction D2 et de norme égale au deuxième pas dy.
Cette association des différents éléments rayonnants 14 en paires dont les centres de phases 28 sont ainsi disposés ainsi que l'association de chacune des paires 26 obtenues à un unique module déphaseur 16 permet de diminuer le nombre de modules déphaseurs 16 requis pour le bon fonctionnement de l'antenne 10 tout en ne nécessitant pas d'agencer les éléments rayonnants 14 selon un maillage complexifié impliquant à son tour une complexification du système de distribution radiofréquence du système 10, tel que l'impose un maillage triangulaire des éléments rayonnants. En outre, cette association en paires 16 telles que les centres de phase 28 des paires 26 auxquelles appartiennent deux éléments rayonnants 14 consécutifs d'une ligne 20 sont décalés selon la deuxième direction D2 résout le problème de l'apparition de lobes de périodicité, ces derniers réduisant considérablement les performances en rayonnement de l'antenne 10, comme on va le voir. Les Figures 3 et 4 illustrent respectivement la répartition des lobes de périodicité et les diagrammes de rayonnement tracés dans l'espace des cosinus directeurs pour trois directions d'émission différentes et ce pour une antenne réseau à balayage électronique total dont la surface rayonnante 12 et les éléments rayonnants 14 sont agencés de la même façon que ceux illustrés sur les Figures 1 et 2, mais dans lequel pour tous ces éléments 14, tous les éléments rayonnants 14 d'une même ligne 20 appartiennent à des paires 26 dont les centres de phase 28 sont alignés selon la deuxième direction D2 (et définissent un maillage rectangulaire). Le rond central représenté sur la Figure 3 correspond à l'espace physique de l'espace des cosinus directeurs, et est défini comme l'ensemble des points de cet espace vérifiant ,iU2+V2 <_ 1, avec U égal à sin 6 * cos d) et V égal à sin 9 * sin cD. Seuls les lobes contenus dans cet espace physique sont effectivement émis par le système 10. En outre, la Figure 4a illustre plus précisément le diagramme de rayonnement pour un système antennaire tel que décrit ci-dessus dans une direction T-T' dont les angles 6 et C sont nuls, les angles E et C étant également nuls. La Figure 4b illustre un diagramme de rayonnement pour ce système avec et égal à 90°, 8 égal à 15°, avec E égal à 15° et C égal à 0°. La Figure 4c illustre un diagramme de rayonnement pour cette antenne pour une direction d'émission T-T' pour laquelle des lobes de périodicité 32 indésirables supplémentaires commencent à apparaître, ce qui correspond pour ce système à d) égal à 19°, 6 égal à 48°, avec E égal à 15°et C égal à 45°. En référence aux Figures 3 et 4, on constate qu'à la verticale du lobe principal 30 se trouve un lobe de périodicité 32 qui est présent dans l'espace visible même lorsque le dépointage du faisceau de l'antenne est nul, et demeure présent lorsque la direction d'émission T-T' est modifiée, notamment en élévation C.
Ceci réduit considérablement les performances en rayonnement de l'antenne considérée, car le lobe de périodicité 32 augmente le niveau d'écho parasite dans l'espace de rayonnement de l'antenne, ce qui se traduit notamment par des détections erronées lorsque l'antenne est utilisée dans le domaine radar. En référence aux Figures 5 et 6 qui illustrent des vues similaires à celles des Figures 3 et 4 pour l'antenne réseau à balayage électronique total 10 selon l'invention illustré sur les Figures 1 et 2, on constate sur la Figure 5 et sur les Figures 6a et 6b que le lobe de périodicité 32 précédemment à la verticale du lobe principal 30 a disparu de la verticale du lobe principal 30. Il a également disparu lorsque l'angle d'élévation C de la direction d'émission est modifié. Un lobe de périodicité 32 n'apparaît en Figure 6c que pour une direction d'émission T-T' d'angle 6 égal à 34°et 1 égal à 27°, avec C égal à 30° et E égal à 15°. Ceci signifie que la disposition des éléments rayonnants 14 en paires 16 selon l'invention résout le problème de l'apparition de lobes de périodicité 32 responsables d'une réduction considérable des performances en rayonnement de l'antenne 10 dans le plan d'émission défini par C égal 0°, et diminue co nsidérablement l'apparition de ces lobes lorsque l'angle d'élévation C est modifié. En d'autres termes, l'agencement des éléments rayonnants 14 en paires 26 dont les centres de phase 28 sont décalés selon la deuxième direction D2 d'une colonne 22 à l'autre permet de diminuer substantiellement le nombre de modules déphaseurs 16 de l'antenne 10 tout en permettant de disposer de performances de rayonnement sensiblement similaires aux antennes à balayage électronique total de l'état de la technique dans lesquelles à chaque élément rayonnant 14 est dédié un module déphaseur. La répartition des éléments rayonnants en paires 26 dont les centres de phase 28 sont décalés selon la deuxième direction D2 d'une colonne 22 à l'autre est alors réalisée sur la plus grande surface possible de la surface rayonnante 12 de façon à minimiser le nombre de modules déphaseurs 16 que comprend l'antenne 10 tout en n'affectant pas les performances radioélectriques de l'antenne 10. Préférentiellement, lorsque cela est possible, tous les éléments rayonnants 14 de l'antenne 10 sont associés en paires 26 à chacune desquelles est associé un unique module déphaseur 16. Ceci permet de minimiser le coût de l'antenne 10. A noter qu'en fonction de la géométrie de la surface rayonnante 12, il se peut que le regroupement des éléments rayonnants 14 en paires 16 soit rendu difficile à la périphérie de la surface rayonnante 12, particulièrement si celle-ci n'est pas rectangulaire, par exemple si les éléments rayonnants de certaines des colonnes 22 n'ont pas d'élément rayonnant 14 voisin n'appartenant à aucune paire 26.
Dans ce cas de figure, les éléments rayonnants 14 isolés sont alors respectivement raccordés à un module déphaseur 16 qui leur est dédié, c'est-à-dire qui n'est raccordé à aucun autre élément rayonnant 14. En pratique, dans la mesure où la disposition des éléments rayonnants 14 est anticipée lors de la conception de l'antenne, on évite de disposer sur la surface rayonnante 12 des éléments rayonnants dont on sait qu'ils ne pourront être inclus dans une paire 16.10
Claims (7)
- REVENDICATIONS1.- Antenne réseau à balayage électronique total (10) comportant, - une surface rayonnante (12), - une pluralité d'éléments rayonnants (14) disposés sur la surface rayonnante (12), et - des modules déphaseurs (16) propres à exciter les éléments rayonnants (14) pour former un faisceau d'émission de l'antenne réseau à balayage électronique total (10), caractérisé en ce que des éléments rayonnants (14) sont associés par paire(s) (26), à chaque paire (26) d'éléments rayonnants (14) étant associé un unique module déphaseur (16) respectif raccordé aux deux éléments rayonnants (14) de ladite paire (26).
- 2.-Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments rayonnants (14) sont agencés selon une matrice comportant une pluralité de lignes (20) parallèles à une première direction (D1) et une pluralité de colonnes (22) parallèles à une deuxième direction (D2), chaque élément rayonnant (14) appartenant simultanément à une ligne (20) et à une colonne (22), les colonnes (22) étant régulièrement espacées les unes des autres d'un premier pas (dx) selon la première direction (D1) et les lignes (20) étant régulièrement espacées d'un deuxième pas (dy) selon la deuxième direction (D2), et en ce que chaque paire (26) présente un centre de phase (28) correspondant au centre du segment défini par les deux éléments rayonnants (14) de ladite paire (26).
- 3.- Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque paire (26) est constituée de deux éléments rayonnants (24) consécutifs d'une même colonne (22).
- 4.- Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'au moins deux éléments rayonnants (24) d'une même ligne (20) sont compris dans des paires (26) respectives dont les centres de phase (28) respectifs sont alignés selon la deuxième direction (D2).
- 5.- Antenne selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce qu'au moins deux éléments rayonnants (14) d'une même ligne (20) sont compris dans des paires (26) respectives dont les centres de phases (28) respectifs sont décalés selon la deuxième direction (D2).
- 6.- Antenne selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que deux éléments rayonnants (14) consécutifs d'une même ligne (20) sont compris dans des paires (26) respectives dont les centres de phases (28) respectifs sont décalés l'un de l'autre d'un deuxième pas (dy) selon la deuxième direction (D2).
- 7.- Antenne selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que les première et deuxième directions (D1, D2) sont perpendiculaires.
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