FR3003700A1

FR3003700A1 - ANTENNA RADAR SIGNATURE REDUCTION DEVICE AND ASSOCIATED ANTENNA SYSTEM

Info

Publication number: FR3003700A1
Application number: FR1300635A
Authority: FR
Inventors: Roy Naneix Isabelle Le; Jean Paul Martinaud; Christian Renard
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2014-09-26
Anticipated expiration: 2033-03-19
Also published as: FR3003700B1; FR3003703A1; FR3003703B1

Abstract

La présente invention a pour objet un dispositif 1 de réduction de signature radar d'antenne comprenant un premier polariseur (12), une surface sélective en fréquence (13) et un second polariseur (14). L'invention a également pour objet un système antennaire à signature radar réduite associant le dispositif (1) de réduction de signature radar et une antenne (11).The present invention relates to an antenna radar signature reduction device 1 comprising a first polarizer (12), a frequency-selective surface (13) and a second polarizer (14). The invention also relates to a reduced radar signature antenna system associating the radar signature reduction device (1) and an antenna (11).

Description

DISPOSITIF DE REDUCTION DE SIGNATURE RADAR D'ANTENNE ET SYSTEME ANTENNAIRE ASSOCIE La présente invention concerne le domaine général des antennes. La présente invention concerne plus particulièrement un dispositif de réduction de signature radar d'antenne et un système antennaire associé. Dans le domaine des structures aéroportées, il est souvent nécessaire de réduire la surface apparente ou signature radar présentée par cette 10 structure à une onde électromagnétique incidente sur celle-ci. Des solutions consistant à absorber l'onde électromagnétique ou à masquer la structure existent. Le problème des antennes est plus complexe, puisqu'il s'agit de 15 réduire la signature de cette dernière tout en la laissant rayonner. Une première solution consiste à renvoyer le " flash » de Surface Equivalente Radar (ou SER) dans une direction autre que celle de l'onde éclairant l'antenne. Cette solution peut, par exemple, être obtenue par inclinaison du plan antennaire. 20 Ce type de solution peut être efficace dans le cas d'un radar éclairant face à la position théorique de l'antenne, qui doit par ailleurs compenser cette inclinaison du plan antennaire. Cependant cette solution redevient inefficace lorsque le radar illumine effectivement le plan antennaire, ou dans le cas de radars multistatiques. 25 Une deuxième solution consiste à utiliser un système permettant de commuter entre un état " signature réduite " et un état " rayonnement antenne » Cependant cette solution ne permet pas la simultanéité du rayonnement de l'antenne et de la réduction de la signature radar. 30 Une autre technique consiste à moduler les caractéristiques antennaires. Ce type de solutions nécessite la maîtrise de la modulation et de l'évolution des caractéristiques antennaires lors de cette modulation.The present invention relates to the general field of antennas. The present invention relates more particularly to an antenna radar signature reduction device and an associated antenna system. In the field of airborne structures, it is often necessary to reduce the apparent surface or radar signature presented by this structure to an electromagnetic wave incident thereon. Solutions consisting of absorbing the electromagnetic wave or masking the structure exist. The problem of antennas is more complex, since it involves reducing the signature of the latter while letting it radiate. A first solution is to return the "flash" of Equivalent Radar Surface (or SER) in a direction other than that of the wave illuminating the antenna This solution may, for example, be obtained by inclining the antenna plane. type of solution can be effective in the case of a radar illuminating the theoretical position of the antenna, which must also compensate for this inclination of the antennal plane.However this solution becomes ineffective when the radar effectively illuminates the antennal plane, or In the case of multistatic radars, a second solution consists in using a system that makes it possible to switch between a "reduced signature" state and a "antenna radiation" state However, this solution does not allow the simultaneous radiation of the antenna and the antenna. reduction of the radar signature. Another technique is to modulate antenna characteristics. This type of solution requires control of the modulation and evolution of antenna characteristics during this modulation.

Un but de l'invention est notamment de corriger les inconvénients précités en proposant un dispositif permettant de réduire la SER ou signature radar d'antenne.An object of the invention is in particular to correct the aforementioned drawbacks by proposing a device for reducing the SER or antenna radar signature.

A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de réduction de signature radar d'une antenne comprenant un premier polariseur, une surface sélective en fréquence et un second polariseur. Selon un autre mode de réalisation du dispositif, la surface sélective en fréquence possède une pluralité d'ouvertures, chaque ouverture étant dimensionnée de façon à ce que la surface sélective en fréquence forme un filtre passe bande ne laissant passer qu'une bande de fréquences utiles à l'antenne dont on souhaite réduire la signature radar. Selon un autre mode de réalisation, les polariseurs sont formés d'un empilement de couches de ligne à méandres inclinées de 45° par rapport à 15 la polarisation de l'onde, en polarisation linéaire, que l'on souhaite transmettre à travers ledit dispositif. Selon un autre mode de réalisation, la géométrie des méandres est définie de façon à réaliser la quadrature de phase entre les composantes ± 45° de l'onde incidente d'une part et à réaliser une structure large bande 20 d'autre part. Selon un autre mode de réalisation les polariseurs sont formés de deux plans contenant des fils conducteurs parallèles orientés à 45° par rapport à la polarisation de l'onde, en polarisation linéaire, que l'on souhaite transmettre à travers ledit dispositif. 25 Selon un autre mode de réalisation les polariseurs sont formés de lames métalliques parallèles positionnées à 45° par rapport à la polarisation de l'onde, en polarisation linéaire, que l'on souhaite transmettre à travers ledit dispositif. Selon un autre mode de réalisation les polariseurs sont formés d'un 30 empilement de couches diélectriques.To this end, the subject of the invention is a radar signature reduction device of an antenna comprising a first polarizer, a frequency-selective surface and a second polarizer. According to another embodiment of the device, the frequency-selective surface has a plurality of apertures, each aperture being dimensioned so that the frequency-selective surface forms a band-pass filter that passes only a useful frequency band. to the antenna which one wishes to reduce the radar signature. According to another embodiment, the polarizers are formed of a stack of meander line layers inclined at 45 ° with respect to the polarization of the wave, in linear polarization, which it is desired to transmit through said device . According to another embodiment, the geometry of the meanders is defined so as to achieve the phase quadrature between the ± 45 ° components of the incident wave on the one hand and to achieve a broadband structure 20 on the other hand. According to another embodiment, the polarizers are formed of two planes containing parallel conducting wires oriented at 45 ° with respect to the polarization of the wave, in linear polarization, that it is desired to transmit through said device. According to another embodiment, the polarizers are formed of parallel metal plates positioned at 45 ° with respect to the polarization of the wave, in linear polarization, which it is desired to transmit through said device. According to another embodiment, the polarizers are formed of a stack of dielectric layers.

L'invention a également pour objet un système antennaire à signature radar réduite comprenant une antenne et un dispositif de réduction de signature radar tel que décrit précédemment. Selon un autre mode de réalisation, l'antenne fonctionne suivant au 5 moins une polarisation linéaire. Selon un autre mode de réalisation, l'antenne fonctionne suivant une polarisation circulaire. Selon un autre mode de réalisation, l'antenne fonctionne suivant une polarisation elliptique. 10 D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après, donnée à titre illustratif et non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : 15 - La figure 1 représente un exemple de mode de réalisation d'un système antennaire selon l'invention ; - Les figures 2a à 2c représentent des exemples de réalisation de polariseurs utilisables dans l'invention ; 20 - La figure 3 représente des exemples d'utilisation de surface sélective en fréquence comme filtre fréquentiel. En référence à la figure 1 un exemple de mode de réalisation d'un système antennaire à signature radar réduite selon l'invention est présenté. 25 Le principe de l'invention consiste à placer devant une antenne 11 un dispositif 1 de réduction de signature radar. Ce dispositif 1 comprend un premier polariseur 12, une Surface Sélective en Fréquence 13 et un second polariseur 14. 30 Selon un mode de réalisation nullement limitatif l'antenne 11 peut être une antenne réseau à balayage électronique. D'autres types d'antennes peuvent être utilisés comme par exemple une antenne réflecteur. 3003 700 4 Les polarisateurs 12, 14 ont pour but de convertir une onde électromagnétique les traversant d'une polarisation linéaire en une onde électromagnétique en polarisation circulaire et vice et versa. Suivant un mode de réalisation préféré, les polariseurs 12, 14 sont des polariseurs à lignes à méandres. En référence à la figure 2a, ce type de polariseur est formé d'un empilement de couches 21 de ligne à méandres 20 inclinées de 45° par rapport à la polarisation de l'onde incidente ou de sortie, en polarisation linéaire que l'on souhaite transmettre à travers le dispositif 1 de réduction de signature radar selon l'invention. Ces différentes couches 21 peuvent être séparées par des couches de mousse 22. La géométrie des méandres 20 est définie de façon à réaliser la quadrature de phase entre les composantes (± 45° de l'onde incidente) d'une part et de façon à réaliser une structure large bande d'autre part. Ceci est obtenu en paramétrant les différentes caractéristiques géométriques des méandres 20 comme par exemple la période entre deux motifs, la période des lignes, la largeur des lignes suivant les différents axes, la largeur des motifs... Un avantage de ce type de polariseur est sa capacité à être large bande et donc de pouvoir agir sur les ondes électromagnétiques utiles pour l'antenne et sur les ondes incidentes non désirées sur une bande de 20 fréquence importante. Suivant un autre mode de réalisation, les polarisateurs 12, 14 sont des polariseurs à fils. Ce type de polariseur peut être formé de deux plans 24 contenant des fils conducteurs 25 parallèles orientés à 45° par rapport à la polarisation de l'onde incidente ou de sortie, en polarisation linéaire, que l'on 25 souhaite transmettre à travers le dispositif 1 de réduction de signature radar. L'onde plane incidente, en polarisation verticale ou horizontale, peut être considérée comme la somme: d'une onde de polarisation perpendiculaire aux fils 25 qui traverse directement les deux couches de fils 25 et d'une onde de polarisation parallèle aux fils qui elle subit un déphasage de 45° au 30 passage de chaque couche. L'espacement des deux plan est choisit de façon à annuler les réflexions. Cet espacement est égal au quart de la longueur d'onde du signal. Suivant un autre mode de réalisation, les polarisateurs 12, 14 sont des polariseurs à lames, formés de lames métalliques 27 parallèles entre elles et 35 orientées suivant un angle d'environ 45° par rapport à la polarisation de l'onde incidente ou de sortie, en polarisation linéaire, que l'on souhaite transmettre à travers le dispositif 1 de réduction de signature radar. L'onde incidente peut être décomposée en deux constituantes dont l'une est déphasée de 90° par rapport à la seconde, au travers du dispositif.The invention also relates to a reduced radar signature antenna system comprising an antenna and a radar signature reduction device as described above. In another embodiment, the antenna operates in at least one linear polarization. According to another embodiment, the antenna operates in a circular polarization. According to another embodiment, the antenna operates according to an elliptical polarization. Other features and advantages of the present invention will emerge more clearly on reading the following description, given by way of illustration and without limitation, and with reference to the appended drawings, in which: FIG. exemplary embodiment of an antenna system according to the invention; FIGS. 2a to 2c show exemplary embodiments of polarizers that can be used in the invention; Figure 3 shows examples of frequency selective surface use as a frequency filter. Referring to Figure 1 an exemplary embodiment of a reduced radar signature antennal system according to the invention is presented. The principle of the invention is to place in front of an antenna 11 a radar signature reduction device 1. This device 1 comprises a first polarizer 12, a Selective Frequency Surface 13 and a second polarizer 14. According to a non-limiting embodiment, the antenna 11 may be a scanning array antenna. Other types of antennas can be used, for example a reflector antenna. The polarizers 12, 14 are intended to convert an electromagnetic wave passing through them from a linear polarization to an electromagnetic wave in circular polarization and vice versa. In a preferred embodiment, the polarizers 12, 14 are meander line polarizers. With reference to FIG. 2a, this type of polarizer is formed of a stack of meander line layers 20 inclined by 45 ° with respect to the polarization of the incident or output wave, in linear polarization which is wishes to transmit through the radar signature reduction device 1 according to the invention. These different layers 21 may be separated by layers of foam 22. The geometry of the meanders 20 is defined so as to achieve the phase quadrature between the components (± 45 ° of the incident wave) on the one hand and so as to realize a broadband structure on the other hand. This is obtained by parameterizing the different geometrical characteristics of the meanders 20 such as, for example, the period between two patterns, the period of the lines, the width of the lines along the different axes, the width of the patterns, etc. An advantage of this type of polarizer is its capacity to be broadband and thus to be able to act on the electromagnetic waves useful for the antenna and on unwanted incident waves on a large frequency band. In another embodiment, the polarizers 12, 14 are wire polarisers. This type of polarizer may be formed of two planes 24 containing parallel conductor wires oriented at 45 ° with respect to the polarization of the incident or output wave, in linear polarization, which it is desired to transmit through the device. 1 radar signature reduction. The incident plane wave, in vertical or horizontal polarization, can be considered as the sum of: a wave of polarization perpendicular to the wires 25 which passes directly through the two layers of wires 25 and a wave of polarization parallel to the wires which it undergoes a phase shift of 45 ° at the passage of each layer. The spacing of the two planes is chosen so as to cancel the reflections. This spacing is equal to one quarter of the wavelength of the signal. According to another embodiment, the polarizers 12, 14 are polarisers with blades, formed of metal strips 27 parallel to each other and oriented at an angle of approximately 45 ° with respect to the polarization of the incident or output wave. , in linear polarization, that it is desired to transmit through the radar signature reduction device 1. The incident wave can be decomposed into two components, one of which is 90 ° out of phase with the second, through the device.

A titre illustratif, les figures 2a à 2d illustrent respectivement des exemples de réalisation de polariseur à méandres, de polariseur à fils, de polariseur à lames et de polariseur à couches diélectriques. Les Surfaces Sélective en Fréquence 13 (SSF ou FSS pour frequency Selective Surface selon la terminologie anglo saxonne) sont des surfaces constituées d'un arrangement périodique dans un plan d'éléments passifs électriquement conducteurs. Lorsque cet arrangement d'éléments est soumis à une onde plane incidente, celle-ci est en partie transmise et en partie réfléchie. Sous certaines conditions de résonnance, l'amplitude de l'onde transmise est nulle ou voisine de zéro, l'énergie étant réfléchie ou diffusée du côté de l'onde incidente. Une telle structure peut donc être utilisée comme filtre fréquentiel pour une onde électromagnétique incidente sur celle-ci. Il est ainsi possible de filtrer certaines fréquences choisies tout en laissant les autres. Il existe des surfaces sélectives en fréquence de type passe-bande, passe-bas, passe-haut, coupe-bande... A titre illustratif, la figure 3, présente différents types de SSF avec la courbe fréquentielle représentative de leur coefficient de transmission respectif. L'invention utilise une surface sélective en fréquence 13 de type passe bande. Cette surface 13 permet donc la transmission à travers sa structure d'une onde électromagnétique de fréquence située dans la bande utile de l'antenne et la réflexion de toute onde électromagnétique en dehors de cette bande de fréquence. La surface sélective en fréquence 13 peut être formée d'une ou plusieurs plaques métalliques en cascade percée d'ouvertures. De façon connue, la géométrie et les dimensions des ouvertures sont optimisées en fonction de la fréquence et de la polarisation de l'onde à transmettre. De façon avantageuse, la mise en cascade de plusieurs plaques métallique permet de réaliser un filtre plus sélectif.By way of illustration, FIGS. 2a to 2d respectively illustrate exemplary embodiments of meander polarizer, wire polarizer, leaf polarizer and dielectric layer polarizer. Selective Frequency Surfaces 13 (SSF or FSS for frequency Selective Surface according to the English terminology) are surfaces consisting of a periodic arrangement in a plane of electrically conductive passive elements. When this arrangement of elements is subjected to an incident plane wave, it is partly transmitted and partly reflected. Under certain resonance conditions, the amplitude of the transmitted wave is zero or close to zero, the energy being reflected or scattered on the side of the incident wave. Such a structure can therefore be used as a frequency filter for an electromagnetic wave incident on it. It is thus possible to filter certain selected frequencies while leaving the others. There are band-pass, low-pass, high-pass, band-pass, frequency selective surfaces. By way of illustration, FIG. 3 presents different types of SSF with the frequency curve representative of their transmission coefficient. respective. The invention uses a frequency selective surface 13 of the bandpass type. This surface 13 thus allows the transmission through its structure of an electromagnetic wave frequency located in the useful band of the antenna and the reflection of any electromagnetic wave outside this frequency band. The frequency selective surface 13 may be formed of one or more cascaded metal plates pierced with apertures. In known manner, the geometry and the dimensions of the openings are optimized according to the frequency and the polarization of the wave to be transmitted. Advantageously, the cascading of several metal plates makes it possible to produce a more selective filter.

Le fonctionnement du système antennaire selon l'invention va à présent être expliqué à travers le cas d'une onde électromagnétique rayonnée ou reçue par le dispositif antennaire en polarisation linéaire. On suppose que l'antenne 11 émet un signal en polarisation verticale dans la bande de fonctionnement du dispositif 1 de réduction de signature radar selon l'invention. Ce signal électromagnétique est transformé en polarisation circulaire par le premier polariseur 12 puis est transmis à travers la surface sélective en fréquence 13 et enfin est transformé en polarisation linéaire verticale en sortie du dispositif 1.The operation of the antennal system according to the invention will now be explained through the case of an electromagnetic wave radiated or received by the antenna device in linear polarization. It is assumed that the antenna 11 transmits a signal in vertical polarization in the operating band of the radar signature reduction device 1 according to the invention. This electromagnetic signal is converted into circular polarization by the first polarizer 12 and is transmitted through the frequency-selective surface 13 and finally converted into vertical linear polarization at the output of the device 1.

A la réception, un signal électromagnétique incident sur le dispositif 1 de réduction de signature radar en polarisation verticale et dans la bande de fonctionnement du dispositif 1 suivra la même transformation que précédemment. Le signal incident en polarisation verticale sera transmis à travers le dispositif 1 de réduction de signature radar dans cette même polarisation sur l'antenne 11. Une onde électromagnétique émise (ou reçue) en polarisation linéaire par une antenne 11 dont on veut réduire la signature radar, est donc conservée en traversant le dispositif 1. Ainsi un dispositif 1 de réduction de signature radar selon l'invention peut donc être positionné devant une antenne existante sans en modifier ses caractéristiques, aux pertes du dispositif 1 près. En dehors de la bande de fonctionnement du dispositif 1, une onde électromagnétique incidente, par exemple en polarisation verticale est transformée en polarisation circulaire par le deuxième polariseur 14 puis est réfléchie par la surface sélective en fréquence 13, avec inversion du sens de polarisation circulaire, pour enfin être transformée, par le deuxième polariseur 14, de nouveau en polarisation linéaire mais horizontale. Si cette onde incidente est émise par un dispositif de détection comme par exemple un radar, ce dernier ne reçoit pas l'onde rétrodiffusée par le dispositif 1 de réduction de signature radar ou la reçoit suivant une polarisation différente de celle attendue. Bien entendu cet exemple est nullement limitatif, le fonctionnement 35 reste le même avec une polarisation antennaire horizontale.At the reception, an electromagnetic signal incident on the device 1 for reduction of radar signature in vertical polarization and in the operating band of the device 1 will follow the same transformation as before. The incident signal in vertical polarization will be transmitted through the radar signature reduction device 1 in the same polarization on the antenna 11. An electromagnetic wave emitted (or received) in linear polarization by an antenna 11 whose radar signature is to be reduced , Thus, is maintained through the device 1. Thus a radar signature reduction device 1 according to the invention can be positioned in front of an existing antenna without modifying its characteristics, the losses of the device 1. Outside the operating band of the device 1, an incident electromagnetic wave, for example in vertical polarization, is converted into circular polarization by the second polarizer 14 and is then reflected by the frequency selective surface 13, with inversion of the circular polarization direction, to finally be transformed, by the second polarizer 14, again in linear but horizontal polarization. If this incident wave is emitted by a detection device such as for example a radar, the latter does not receive the wave backscattered by the radar signature reduction device 1 or receives it in a polarization different from that expected. Of course this example is in no way limiting, the operation 35 remains the same with a horizontal antennal polarization.

De même l'antenne 11 peut fonctionner selon une bipolarisation. Dans ce cas chacune des composantes de l'onde électromagnétique suivra les mêmes transformations. Suivant un autre mode de réalisation du système antennaire selon 5 l'invention, l'antenne 11 peut fonctionner suivant une polarisation circulaire ou elliptique. Dans ce cas, le sens de rotation de l'onde émise par l'antenne 11 sera conservé en sortie du dispositif de réduction de signature radar. Ainsi, de façon avantageuse, le dispositif 1 selon l'invention permet à 10 une antenne 11 de rayonner, en émission et/ou réception tout en réduisant, de façon simultanée, sa signature radar dans une large bande de fréquence. Le dispositif 1 de réduction de signature radar permet le rayonnement d'une antenne dans sa bande passante et suivant la polarisation désirées. En dehors de la bande passante du dispositif 1, toute onde incidente est 15 rétrodiffusée selon une polarisation orthogonale à celle présentée par cette onde incidente.Similarly, the antenna 11 can operate according to a bipolarization. In this case each of the components of the electromagnetic wave will follow the same transformations. According to another embodiment of the antenna system according to the invention, the antenna 11 can operate in a circular or elliptical polarization. In this case, the direction of rotation of the wave emitted by the antenna 11 will be kept at the output of the radar signature reduction device. Thus, advantageously, the device 1 according to the invention allows an antenna 11 to radiate, in transmission and / or reception while at the same time reducing its radar signature in a wide frequency band. The radar signature reduction device 1 allows the radiation of an antenna in its bandwidth and following the desired polarization. Outside the bandwidth of the device 1, any incident wave is backscattered according to a polarization orthogonal to that presented by this incident wave.

Claims

REVENDICATIONS1. An antenna radar signature reducing device (1) characterized in that it comprises a first polarizer (12), a Selective Frequency Surface (13) and a second polarizer (14).

2. Device (1) according to the preceding claim characterized in that the frequency selective surface (13) has a plurality of openings, each opening being dimensioned so that the Selective Surface Frequency (13) forms a filter band pass only allowing a band of frequencies useful to the antenna which we wish to reduce the radar signature.

3. Device (1) according to one of the preceding claims characterized in that the polarizers (12, 14) are formed of a stack of meander line layers inclined by 45 ° with respect to the polarization of the wave, in polarization linear, that it is desired to transmit through the device (1).

4. Device (1) according to the preceding claim characterized in that the geometry of the meanders is defined so as to achieve the phase quadrature between ± 45 ° components of the incident wave on the one hand, and to achieve a broad structure band on the other hand.

5. Device (1) according to one of claims 1 to 2 characterized in that the polarizers (12, 14) are formed of two planes containing parallel conductive son oriented at 45 ° with respect to the polarization of the wave, in polarization linear, that it is desired to transmit through the device (1).

6. Device (1) according to one of claims 1 to 2 characterized in that the polarizers (12, 14) are formed of parallel metal blades 30 positioned at 45 ° with respect to the polarization of the wave, in linear polarization, it is desired to transmit through the device (1).

7. Device (1) according to one of claims 1 to 2 characterized in that the polarizers (12, 14) are formed of a stack of dielectric layers.

8. Antenna system reduced radar signature characterized in that it comprises an antenna (11) and a device (1) for reducing radar signature according to one of the preceding claims.

9. System according to the preceding claim characterized in that the antenna (11) operates in at least one linear polarization.

10. System according to one of claims 8 or 9 characterized in that the antenna (11) operates in a circular polarization.

11. System according to one of claims 8 or 9 characterized in that the antenna (11) operates in an elliptical polarization.