WO2018091587A1 - Dispositif de depointage de faisceau par deplacement de rouleaux dielectriques effectifs - Google Patents

Dispositif de depointage de faisceau par deplacement de rouleaux dielectriques effectifs Download PDF

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WO2018091587A1
WO2018091587A1 PCT/EP2017/079450 EP2017079450W WO2018091587A1 WO 2018091587 A1 WO2018091587 A1 WO 2018091587A1 EP 2017079450 W EP2017079450 W EP 2017079450W WO 2018091587 A1 WO2018091587 A1 WO 2018091587A1
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WO
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dielectric
lenses
dielectric lenses
misalignment
axis
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Application number
PCT/EP2017/079450
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English (en)
Inventor
Jean-François Allaeys
Romain Czarny
Original Assignee
Thales
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/06—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/12—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system using mechanical relative movement between primary active elements and secondary devices of antennas or antenna systems
    • H01Q3/14—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system using mechanical relative movement between primary active elements and secondary devices of antennas or antenna systems for varying the relative position of primary active element and a refracting or diffracting device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/02—Refracting or diffracting devices, e.g. lens, prism
    • H01Q15/08—Refracting or diffracting devices, e.g. lens, prism formed of solid dielectric material

Definitions

  • the invention lies in the field of directional antennas, and relates in particular to a device for misalignment of an electromagnetic beam emitted by an active or passive antenna, and the associated misalignment method.
  • misalignment associated with an antenna, refers to the fact of orienting in a precise direction the electromagnetic beam emitted by this antenna.
  • the word “elevation angle” refers to the angle between the horizontal plane and the line from an antenna to a target point above the horizon. This angle is counted positively when the target point is above the indicated horizontal plane, negatively in the opposite case.
  • the word “azimuth angle” means the horizontal angle between a straight line from the antenna to the target point and a line from the antenna in a reference direction.
  • Changing the pointing direction of an antenna is of interest in many areas.
  • the domain of radars in order to scan a geographical area or to follow a moving target, but also satellite antennas, where a receiver will seek to direct the beam of its antenna towards a moving satellite, or conversely applications in which a mobile carrier will seek to position its antenna towards a fixed point, such as a geostationary satellite.
  • the modification of the pointing direction of antennas is also of interest in a context of territory coverage, when the addition or removal of an antenna requires a repositioning of all other network equipment.
  • Such a device has a number of disadvantages. Indeed, in order to move the beam of an antenna at both azimuth and elevation, it is necessary to use two mechanical axes.
  • Such a device is generally in the form of a turntable for azimuth orientation, and a device mounted on the rotational turntable of the antenna about an axis to ensure the elevation orientation. In doing so, there is a so-called "singular" point at the zenith: when the antenna reaches the zenith of its trajectory and has to move in a direction perpendicular to the elevation axis, the positioner must make a fast rotation 90 ° along the azimuth axis. This rotation causes a cutoff reception, and can cause rapid wear of the device.
  • phase shifters may have difficulty withstanding high transmission powers.
  • the orientation of the electromagnetic beam can also be done by misalignment, changing the direction of the beam after its emission.
  • a device for electronic misalignment of a beam is described in US Pat. No. 4,480,254 to Spencer et al. This device consists of passing the emitted electromagnetic beam through pairs of lenses whose permittivity, and therefore the phase delay, is controllable. The electrical harness can then be pointed in the desired direction.
  • Such a device is also expensive and complex to implement, the lenses being composed of precious metals, and each of the lenses to be powered independently.
  • US Patent 5,557,286 A overcomes precious metals by the use of ferrites.
  • the device is also complex to implement and can be limited in its operating range in frequency and / or temperature by the use of magnetically driven dielectrics.
  • a displacement of the lens causes a variation of the phase shift applied at the center of the transmitted beam, which can lead to errors when the signal is received if it is too fast, as well as a deformation of the radiation pattern which can be penalizing for with regard to the templates and emission standards to be respected.
  • depointing devices are known, such as those described in patent applications US 2010/0039338 A1, WO 2014/128015 A1 or US 2007/0285327 A1, for which two dielectric lenses of variable thickness arranged in the form of disks are positioned above the transmitting antenna, their centers aligned with the center of the beam.
  • the misalignment is done by mechanical rotation of the lenses along the axis of propagation of the incident beam.
  • the rotation of one of the disks relative to the other makes it possible to control the elevation of the beam while the rotation of the two disks makes it possible to control the azimuth.
  • the fact that the disks pivot about an axis centered on the beam makes it possible to keep the phase shift applied at the center of the beam unchanged.
  • This device however has a congestion problem since the emitted wavefront is not rounded.
  • the diameter of the discs being related to the size of the major axis of the antenna, the discs are then oversized, especially when the form factor of the antenna becomes large.
  • the antennal device is then subject to significant dimensioning constraints, particularly with regard to the height of the radome, to minimize its impact on the general aerodynamics of the aircraft.
  • the satellite antennas used may not be parabolic antennas, but several patch antennas arranged in line and forming a very elongated antenna, to maximize the antennal surface.
  • the use of two dielectric lenses of round shape is not suitable for this type of antenna because too bulky.
  • the pointing devices of such satellite antennas generally consist of an associated mechanical misalignment mechanism.
  • an electronic misalignment mechanism such as for example a turntable providing an azimuth scan coupled to an electronic misalignment axis allowing an elevation scan.
  • This device makes it possible not to implement a mechanical axis of rotation along the minor axis of the antenna, such a rotation requiring a large volume, and to ensure a displacement of the beam almost instantaneous, but has a singular point at the zenith .
  • Another commonly used device implements two mechanical misalignment axes (in elevation and azimuth) associated with an electronic misalignment axis perpendicular to the elevation axis, making it possible to avoid the presence of a singular point at the zenith.
  • Such devices combining mechanical and electronic are very expensive.
  • the object of the invention is therefore to propose a mechanical device allowing the misalignment of an electromagnetic beam along one or two axes which is both inexpensive, compatible with any type of transmitting antenna, and which presents a small footprint.
  • the invention is all the more advantageous in that it makes it possible to detach the beam from the antenna by scanning a plane defined by the initial position of the beam and the major axis of the antenna, by increasing the size of the device. total of an amount that does not depend on this dimension, which is of particular interest since the antenna has a high form factor.
  • the invention describes a device for detaching an electromagnetic beam comprising at least two superposed dielectric lenses.
  • the dielectric lenses have variable effective thicknesses, and at least one of the dielectric lenses is movable in at least one direction substantially orthogonal to a plane in which the electromagnetic beam is misaligned.
  • Each of the dielectric lenses comprises a reference point, the effective thickness of the dielectric lenses varying according to the product between the distance from this reference point in a first direction and distance from this reference point in a second direction perpendicular to the first direction.
  • the dielectric lenses may be described as having four dials defined from a reference point, the dials opposite from the reference point forming a pair of dials, the effective thickness of each of the dielectric lenses increasing as a function of the distance relative to said intersection point in one of the pairs of dials and decreasing as a function of the distance from said intersection point in the other pair of dials.
  • the increases and reductions in the effective thickness of the dielectric lenses are done periodically, the period being related to a wavelength of the electromagnetic beam.
  • the variation of the effective thickness of the dielectric lenses comprises a variation of the local thickness.
  • the variation of the effective thickness of the dielectric lenses comprises a variation of a refractive index.
  • the dielectric lenses of the depointing device according to the invention each have a reference point.
  • the device then has a position in which the reference points of the dielectric lenses are superimposed on the center of an antenna element emitting said electromagnetic beam, and in which the sum of the effective thicknesses of the dielectric lenses is constant over the entire surface crossed. by said electromagnetic beam.
  • the dielectric lenses of the depointing device according to the invention each have a reference point.
  • the device then has a position in which the reference points of the two dielectric lenses are superimposed on the center of an antenna element emitting said electromagnetic beam, and in which the effective thickness of the two dielectric lenses varies inversely from one another.
  • the depointing device comprises two dielectric lenses, the two dielectric lenses being movable and moving in opposite directions.
  • the dielectric lenses are flat. According to another embodiment, they are all or part of rollers.
  • the mobility along one axis of the dielectric lens or lenses is ensured by a translation of the dielectric lens or lenses.
  • the mobility along one axis of the one or more dielectric lenses is ensured by a rotation of the dielectric lens or lenses around an axis collinear with an axis of the antenna.
  • the depointing device further comprises a first corrective lens configured to modify the shape of a wavefront, said first lens being positioned on one side of the dielectric lenses, and a second corrective lens configured to change the shape of a wavefront opposite the first lens, and positioned on the other side of the dielectric lenses.
  • the misalignment device further comprises a mechanical pointing axis of the electromagnetic beam.
  • the invention also describes an antenna comprising at least one misalignment device as presented above.
  • the invention relates to a method of misalignment of an electromagnetic beam emitted by an antenna element.
  • the method comprises at least a first superposition step of the antennal element by at least two dielectric lenses of variable effective thickness, and a second step of moving at least one of the dielectric lenses in at least one direction substantially orthogonal to a plane in which the electromagnetic beam is misaligned.
  • FIGS. 1a and 1b respectively represent a misalignment device according to one embodiment of the invention, in which the configuration of the dielectric lenses does not cause misalignment of the electromagnetic beam, and a flat view of the component dielectric lenses.
  • FIG. 2 is a three-dimensional representation of a dielectric lens used to implement the invention according to the embodiment described in FIGS. 1a and 1b;
  • FIGS. 3a and 3b respectively represent a misalignment device according to the embodiment described in FIGS. 1a and 1b, in which the configuration of the dielectric lenses causes the misalignment of the electromagnetic beam, and a flat view of the dielectric lenses composing this device;
  • FIG. 4 represents a flat view of the dielectric lenses of a misalignment device according to another embodiment of the invention, in which only one of the dielectric lenses is mobile;
  • FIG. 5 shows a depointing device according to another embodiment of the invention, in which the dielectric lenses are implemented in the form of rollers;
  • FIGS. 6a and 6b show a sectional view of a misalignment device according to another embodiment of the invention wherein the dielectric lenses are implemented in the form of truncated rolls;
  • FIGS. 7a and 7b illustrate a depointing device according to another embodiment of the invention, in which there are lenses whose object is to modify the shape of the wavefront;
  • FIGS. 8a and 8b show two embodiments of an antenna comprising a depointing device according to one embodiment of the invention
  • FIG. 9 is a state diagram of a method of misalignment of an electromagnetic beam according to one embodiment of the invention.
  • the antenna also referred to as the antenna element, is represented as an antenna having a rectangular shape factor. This is positioned in an orthonormal coordinate system (xOy), the long side of the antenna along the x axis, the center O of the marker being positioned at the center of the antennal element.
  • xOy orthonormal coordinate system
  • the antenna is represented in a rectangular form, because this form factor poses particular problems of space when associated with a misalignment device according to the state of the art.
  • the invention is however not limited to rectangular antennas, and applies identically, regardless of the antenna aspect ratio, which includes the case of round, spherical and conical antennas, as well as the case antennal element composed of a plurality of radiating elements.
  • FIG. 1a shows an electromagnetic beam misalignment device according to one embodiment of the invention, in which the configuration of the device does not cause misalignment of the beam.
  • the antenna element Ai emits along the z axis a beam F inc which passes through the misalignment device.
  • the resulting beam F e is oriented identically to the initial beam F inc .
  • the device also comprises two superimposed dielectric lenses Du and D 2 , whose effective thickness varies proportionally to the product of their coordinates with respect to their respective centers Cn and C-
  • dielectric lenses are prisms whose faces are not necessarily flat, can be obtained by diffractive structures, by structuring the dielectric at a scale less than the wavelength of the electromagnetic beam.
  • the gray level of the dielectric lenses shown is a function of their effective thickness, the thickness increasing when the level darkens and vice versa.
  • phase shift applied to an electromagnetic wave passing through a lens is a function of the local thickness of the lens traversed, and of its refractive index: it is equal to ⁇ e, with ⁇ the wavelength of the signal (in
  • the object of the variation of the effective thickness of the dielectric lenses is to delay more or less a wavefront as a function of the geographical zone of dielectric crossed, so as to create controlled phase shifts on the wavefront emitted, and thus to direct the beam.
  • This variation in effective thickness can be obtained by varying the local thickness of the dielectric, that is to say its height along the z axis, in a dielectric whose density, or refractive index, is constant.
  • Another way to vary the effective thickness is to vary its density, that is to say the refractive index of the substrate. In this way, an electromagnetic wave passing through the dielectric will be more or less delayed depending on its position, which allows to orient the entire beam.
  • the patent application EP 2573872 A1 or the international patent application WO 01/697419 A2 have such a dielectric in which the effective thickness is modified by the variation of an effective index of refraction of the substrate, obtained by changing the density of locally used material (for example by changing the density of dielectric micropiliers per unit area, the pillars not being perceived by the wave as such because small in front of the length of wave, but the average local density of material influencing the phase).
  • Such a dielectric may advantageously be used to implement the misalignment device according to the invention, its local thickness, that is to say its height along the z axis, then can be constant over the entire lens.
  • the centers of the dielectric lenses are located at their intersection with a straight line orthogonal to the plane of the antenna element Ai and which passes through its center O. In the figure, this line corresponds to the axis z.
  • the dielectric lenses are larger than the dimensions of the antennal element in at least one dimension perpendicular to the desired direction of misalignment.
  • the portions of the dielectric lenses facing the antennal element, which are traversed by the electromagnetic beam, are indicated in the figure under the references Ru and R-
  • the effective thickness of the dielectric lenses follows a very precise law: it varies according to the product of the distance with respect to the centers C-n and C-I2 in one direction and the perpendicular direction, or as a function of the product of x by y.
  • the phase ⁇ of an electromagnetic wave crossing the dielectric at normal incidence varies according to its coordinates (x, y).
  • the effective thickness is to be considered modulo 2 ⁇ of the phase shift resulting from the crossing of the dielectric.
  • the dielectric may have an effective thickness which does not increase (or reduce) linearly over its entire surface, but according to a pattern reproduced periodically.
  • the effective dielectric thickness increases with the distance from the center.
  • this effective thickness decreases.
  • the effective thickness of the second dielectric lens varies in a manner complementary to that of the first, that is, when x and y are of the same sign, it decreases with distance from the center, and increases with x and y with different signs.
  • each of the dielectric lenses Another way to represent the structure of each of the dielectric lenses is to divide them into four dials. These four dials are for example defined by the x and y axes. They are grouped in pairs of opposite dials, that is to say dials having as common point only the point of intersection of the dials. For one of the dielectric lenses, the effective thickness increases as a function of the product of the distances along the x and y axes in one of the two pairs of dials, and decreases according to the same product in the other.
  • the effective thickness of the second dielectric lens varies inversely with that of the first lens: the pair of dials in which the effective thickness increases is opposite of that of the first lens in which the effective thickness decreases, and vice versa.
  • the electromagnetic beam emitted by the antenna element A-i is deflected a first time by the first dielectric lens, then a second time by the second dielectric lens. Since the two dielectric lenses are the mirror of each other, this deviation is done first in one direction then in the opposite direction, the two deflections then canceling out. This property is due to the fact that the total effective thickness traversed by an incident wave, sum of the effective thicknesses of the two dielectric lenses, is constant over the whole of the surface traversed by the beam. Thus, the phase shift applied to the electromagnetic beam is identical at all points, and the incident beam pointing direction emitted by the antenna element is not changed.
  • FIG. 1b is a plan view of the dielectric lenses composing a misalignment device according to the embodiment of the invention shown in FIG. 1a.
  • the first dielectric Du can be decomposed into four dials delimited by the x and y axes: Qn, Q1 2 , Q1 3 and Q14.
  • the effective thickness of the dielectric increases with the product of the distances from the center Ci i, while in the pair of opposite dials Q-
  • the effective thickness increases with the product distances in the opposite dials Q 22 and Q 24 , which are opposite Q-dials
  • the effective thickness decreases in the dials Q21 and C1 ⁇ 23, opposite the dials Qn and Q13 in which it increases.
  • E1 represents the total effective thickness of dielectric traversed by an incident beam emitted when the two dielectric lenses Du and D 2 have their centers Cn and C-
  • the structures of the two dielectric lenses being complementary, when they are in their initial position, the effective thickness traversed is constant both on the x-axis of the abscissa and on the y-axis of the ordinates. An incident beam F inc crossing the two dielectrics will not be depointed.
  • the thickness of the dielectric varies in mirror images of each other, the total E total effective thickness traversed by a wave at normal incidence to the point (x, y) can be expressed as:
  • otaie e t (x, y) e Dii (x, y) e + D12 ⁇ x, y)
  • FIG. 2a is a three-dimensional representation of a dielectric lens D used to implement the invention according to the embodiment described above. Its local thickness varies according to two dimensions according to the product of the coordinates with respect to its center, measured according to each dimension.
  • FIG. 2b is also a three-dimensional representation of a dielectric lens D used to implement the invention according to the embodiment described above. Its local thickness varies periodically, so that the phase shift brought to an electromagnetic wave passing through it is that referred to, modulo 2 ⁇ .
  • the repetition period of the pattern is therefore a function of the coefficient a and the wavelength of the electromagnetic beam.
  • the effective thickness of the dielectric lenses therefore increases (or decreases) progressively as a function of the product x * y, until the associated phase variation has swept the entire range [0; 2 ⁇ ], then abruptly returns to its initial value before re-increasing (or decreasing). In this way, the local thickness of the lens is maintained within a range, even when it is large.
  • This periodic variation in the thickness of the lens corresponding to a modulo 2 ⁇ phase shift of the wave passing through it, is described for example in US patent application 2010/0039338 A1 for one dimension. It must be adapted to the wavelength of the electromagnetic beam, and extended to two dimensions in order to implement the invention.
  • the periodic variation of the effective thickness of the dielectric may also correspond to a periodic variation of the refractive index of the lens.
  • Figure 3a illustrates the implementation of the misalignment of the electromagnetic beam in the embodiment of the invention shown in Figures 1a and 1b.
  • the beam F inc emitted by the antenna element A it is sufficient to move the dielectric lenses in opposite directions in translation along an axis perpendicular to the axis of desired misalignment.
  • detaching the beam F inc emitted in a given direction along the major axis x of the antenna, ie in the plane xOz requires the displacement of the two dielectrics in translation in opposite directions along the y axis. .
  • 2 dielectric opposite the antenna element A ; that is traversed by the incident beam F inc , has a phase gradient along the x-axis, which results in the misalignment of the beam F e having passed through the two dielectric lenses.
  • FIG. 3b is an exploded view of the two dielectric lenses Du and
  • the thicknesses of the dielectric lenses no longer compensate.
  • the total effective thickness then has a gradient along the x-axis, but remains constant along the y-axis.
  • the electromagnetic wave passing through this total effective thickness will therefore be out of phase along the x axis only, that is to say in the xOz plane.
  • the phase shift will be higher on the x negatives than on the x positives, thereby causing a misalignment of the transmitted beam towards the negative x.
  • the total E total effective thickness traversed by a wave at normal incidence to the point (x, y) when moving each of the dielectric lenses of a position can then be expressed as:
  • the variation of the effective thickness is therefore a function of the position according to x only. Being constant along y, the electromagnetic beam does not lie along the y-axis, that is, in the yOz plane. It will be noted in particular that the phase shift applied at the center of the beam, ie at the point O, does not vary from that applied when the device is in its initial position, as illustrated in Figures 1a and 1b. This property is advantageous, a variation of the phase shift applied to the center of the emitted beam generating an advance or a delay on the signal which can generate errors during the reception of the signal.
  • misalignment along the y-axis can be achieved by varying the position of the dielectric lenses along the x-axis.
  • the misalignment of the electric beam is therefore along an axis perpendicular to the axis of displacement of the dielectric lenses, this displacement being ensured mechanically by translation.
  • the misalignment velocity and its accuracy depend on the chosen coefficient, being the coefficient of proportionality between the product of the distances from the center and the thickness of the lenses.
  • the dielectric lenses can be obtained by decreasing locally the thickness of one or more lengths wave to go back to a thickness anywhere between a minimum value and a maximum value close allowing the phase shift generated by the crossing of the lens to scan the interval [0; 2 ⁇ ]. This variation of the effective thickness in steps makes it possible to obtain the desired phase shifts without the local thickness or the refractive index of the lenses reaching too restrictive values.
  • the embodiment of the invention presented above can be declined in several variants by the skilled person: •
  • the translation of the dielectric lenses is not necessarily limited to one dimension, but can be performed in two dimensions, which causes a deflection of the incident electromagnetic beam in the two orthogonal dimensions;
  • the number of dielectric lenses used may be greater than two;
  • the reference points, from which the effective thicknesses of the dielectric lenses vary and which make it possible to define the initial position in which the beam is not depointed, are in the examples the centers Cn and C-
  • the dielectric lenses are not necessarily square or rectangular, and may be of any shape and not necessarily identical as they come opposite the antennary element over their entire translation zone;
  • Displacement can be limited to a single lens.
  • FIG. 4 represents a flat view of the dielectric lenses of a misalignment device according to another embodiment of the invention, in which only one of the dielectric lenses (D 2 ) is translated, while the other ( Du) remains motionless.
  • the equivalent surface E 4 traversed by the beam has a gradient along the x-axis only, which causes it to be misaligned along this axis (in the plane ⁇ ). Since the crossing equivalent surface does not have a gradient along the y-axis, the beam is not misaligned on this axis (in the yOz plane). The phase shift applied at the center of the beam is always the same. The difference with the misalignment obtained by the displacement of the two dielectric lenses, with constant coefficient a, comes from the fact that the misalignment speed is halved but the accuracy is twice as high.
  • FIG. 5 represents another embodiment of a depointing device according to another embodiment of the invention.
  • the dielectric lenses D 5 and D 52 are no longer flat, but are in the form of rollers positioned around the antenna element A 5 .
  • the rollers form two nested cylinders.
  • the displacement of the rollers is then no longer ensured by translation of the dielectric lenses, but by rotation.
  • the dielectric lenses are rotated about an axis normal or nearly normal to the direction of propagation of the incident beam, and it is this rotation that causes the deflection of the electromagnetic beam.
  • the axis of rotation of the dielectric lens rollers may advantageously be chosen to be collinear with the largest dimension of the radiating surface. In order to avoid unwanted deflections near the edges of the antenna, it is preferable that the thickness of the dielectric lenses remains small compared to the diameter of the rolls.
  • this device is equivalent to that shown for planar dielectric lenses.
  • the total effective thickness traversed by a beam arriving at a normal incidence is the same at all points, the pointing direction of the beam is not changed.
  • the displacement of the dielectric lens portions facing the antennal element is comparable to a translation along the y-axis.
  • the total effective thickness of dielectric traversed by the electromagnetic beam then varies, and has a gradient along the x-axis causing a misalignment of the beam on this axis (in the xOz plane).
  • the use of dielectric lenses arranged in rolls makes it possible to further reduce the size of the device. In addition, it is easier to rotate two rollers on the same axis as to move two planes in translation.
  • the rollers are truncated in a plane parallel to the axis of the cylinder.
  • the device is then in the form of two roll portions superimposed on an antenna element, further reducing the size of the device.
  • the base of the rolls defined by the rollers before truncation is not necessarily in the form of a disc: by choosing cylinders whose base is elliptical and by truncating these cylinders, the radius of curvature of the truncated rollers can be adjusted, from so that it is more or less important in the area facing the electromagnetic beam.
  • Figures 6a and 6b show a sectional view of such a device implemented from two truncated rolls.
  • the dielectric lenses D 6 and D 62 arranged in the form of truncated rolls, are in their initial position: their thicknesses are compensated in every respect.
  • the incident beam F inc emitted by the antenna element A 6 passes through the two dielectric lenses, and the resulting beam F e is not deflected.
  • the dielectric lenses D 6 and D 62 are rotated relative to each other about their axis, collinear with x, and in opposite directions. In the part of the dielectrics facing the emitted electromagnetic beam, this rotation causes a displacement of the dielectric lenses facing the electromagnetic beam comparable to a translation along the y-axis.
  • the resultant beam E F through the dielectric thus undergoes a gradient along the x-axis, and is deflected along this axis (ie in the plane xOz).
  • Embodiments of the invention in which the dielectric lenses are in the form of rollers or truncated rollers are particularly suitable when their radius is large relative to the antennal element, the part of the dielectrics facing this antenna element being able to then be assimilated to a plane, and the displacement of dielectrics seen as a translation in this plane.
  • the wavefront emitted by the antenna element is cylindrical, as is the case for example for a line of patch antennas, or a line of slots for which all elements are in phase.
  • the radius of curvature of the rollers does not impact the dielectric thicknesses traversed. This is not the case when the wavefront is plane, as for example when the antennal element is a parabolic antenna or a patch antenna array distributed in two dimensions in which all the elements are in phase, and that the radius of curvature of the dielectric rolls is not large relative to the antenna element.
  • FIG. 7a illustrates such a case, in which the incident wavefront F inc emitted by the antenna A 7 is plane, while the two dielectric lenses D 7 and D 72 are of identical local thicknesses.
  • the incident wavefront F inc can be decomposed into a wave superposition electromagnetic fields that will intersect the dielectric lenses at different positions. Due to the radius of curvature of the rollers, the dielectric thickness traversed varies. In the example, the thickness ⁇ of dielectric traversed by a wave located at the top of the wavefront will be greater than the thickness ⁇ 2 of dielectric traversed by a wave located in the middle of the front, and which arrives on the dielectric with normal incidence.
  • the dielectric thickness traversed will therefore be maximum at the ends, and minimum in the middle.
  • the total effective thickness then has an undesired gradient which will cause an unwanted and uncontrolled local misalignment of the beam F e having passed through the two dielectric lenses, and potentially generate a loss of gain, a degradation of the shape of the radiation, and a pointing error.
  • an embodiment of the invention consists in adding a divergent corrective lens L-7- ⁇ between the antenna element and the first dielectric lens D 7 .
  • This corrective lens is intended to transform the plane incident wavefront into a cylindrical wavefront, and thus to compensate for the radius of curvature of the dielectric lenses D 7 and D 72 .
  • the dielectric thickness crossed is identical in every respect.
  • the invention also proposes to add a convergent corrective lens L 72 after the second dielectric lens D 72 , so as to transform the cylindrical wavefront into a wavefront F e plane.
  • the inverse mechanism for adding corrective lenses may also be considered in the opposite case, in the case where the antennal element emits a cylindrical wavefront, and where the dielectric lenses are translational planes.
  • the device for detaching an electromagnetic beam according to the invention can be used together with any type of antenna, whether it is active or passive, whether it emits a plane, cylindrical or spherical wavefront.
  • the displacement of the dielectric lenses is perpendicular or quasi-perpendicular when the lenses are arranged in the form of rollers, the plane swept by the beam, and not in this plane.
  • This allows the device to provide a device for mechanical misalignment of the beam whose inertia is low and which retains a finite size.
  • an additional elongation of the device requires the elongation of the rollers or dielectric planes of the same amount in the same direction.
  • the other size dimensions of the device do not vary, which is not the case when using known techniques of the state of the art in which the dielectric lenses are in the form of disks.
  • the device makes it possible to maintain a phase shift applied at the center of the constant beam during the displacement of the lenses.
  • the invention also relates to an antenna comprising a depointing device as described above.
  • Figures 8a, 8b and 8c describe three embodiments of such an antenna, but other embodiments may be easily developed by those skilled in the art.
  • the antenna element A 8 is rotated about the x-axis by mechanical means M. This rotation makes it possible to detach the beam in the yOz plane.
  • the antenna further comprises two rolls D 8 and D 82 of dielectric lenses rotating about the x 'axis, collinear with the x axis. These rollers have structures such as those described above, their effective thickness varying in mirror from each other both in length (along the x-axis) and in width (along their circumference). The displacement of one or both lenses makes it possible to adjust the total effective thickness traversed by the beam emitted by the antenna A 8 , and thus to adjust the misalignment of the beam in the xOz plane.
  • the antenna as described therefore has a small footprint. Indeed, the use of a mechanical axis to detach the beam along the x-axis would have a significant size that do not present the two nested dielectric rollers according to the invention.
  • the antenna associates a mechanical axis with a misalignment device as described by the invention to provide a possibility of misalignment in two dimensions to the antenna.
  • the device can not scan the yOz axis beyond an angle related to the coefficient a of the dielectric lenses, but does not have singular points in the scanned surface. Note that, for reasons of cost, the misalignment of the beam in the yOz plane is here achieved by a mechanical misalignment of the beam, but it could be obtained in an equivalent manner by an electronic misalignment.
  • the two superposed dielectric lenses D 83 and D 84 are positioned above the antenna element A 8 and are in the form of roll portions.
  • the assembly is positioned on a turntable P, the rotation of the plate being provided mechanically.
  • the rotation of one or both dielectric lenses according to the invention allows detaching the elevation of the emitted electromagnetic beam, while the rotation of the plate P to control the azimuth.
  • the antennal devices described above are provided by way of illustration, the person skilled in the art can easily define new antennal devices from the teachings given above. Embodiments do not limit the scope of the invention, which is defined by the claims.
  • the antenna element A 8 and the two superimposed dielectric lenses D 85 and D 86 are arranged in rotation around a mat M along the z axis.
  • This embodiment requires the use of only one rotary joint. In the rest position, the antenna points its electromagnetic beam in the horizontal plane.
  • the synchronous rotation of the antennal element and the dielectric rollers makes it possible to vary the pointing azimuth 801 of the antenna, while the rotation of one of the rollers, or both rollers in directions opposite, allows to vary the elevation 802 pointing antenna.
  • Such a device can advantageously be implemented on a mat or on a vehicle.
  • the misalignment device according to the invention thus integrates particularly well in a pointing device also comprising one or more mechanical positioners.
  • the misalignment according to the invention does not necessarily require the use of materials sensitive to wear, such as for example the rotary joints necessary to ensure a mechanical rotation about an axis.
  • materials sensitive to wear such as for example the rotary joints necessary to ensure a mechanical rotation about an axis.
  • the fact that the translation of the dielectric planes or the rotation of the dielectric rollers is in a direction perpendicular to the incident beam limits their bulk.
  • the choice of the coefficient a of variation of the effective thickness of the dielectrics makes it possible to regulate the switching speed of the antenna, as well as the size of the device and its precision.
  • the invention further relates to a method of misalignment of an electromagnetic beam, a state diagram of which is shown in FIG. 9. Said method comprises:
  • the superposition is done in such a way that the beam emitted by the antennal element is directed along the z axis, and the lenses arranged in the xOy plane.
  • a step 902 of moving at least one of the lenses in at least one direction substantially perpendicular to the desired misalignment axis of the electromagnetic beam is thus obtained by a translation of the dielectric lenses along the y axis.
  • this translation along the y-axis is implemented by rotating the dielectric lenses about an axis collinear with the x-axis.

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

L'invention porte sur un dispositif de dépointage d'un faisceau électromagnétique (Finc) comprenant au moins deux lentilles diélectriques (D11, D12) superposées, ledit dispositif étant caractérisé en ce que les lentilles diélectriques sont d'épaisseurs effectives variables, et en ce qu'au moins une des lentilles diélectriques est mobile selon au moins une direction (y) sensiblement orthogonale à un plan (xOz) dans lequel le faisceau électromagnétique est dépointé, ainsi que sur une antenne comprenant un tel dispositif. Elle porte également sur un procédé de dépointage d'un faisceau électromagnétique.

Description

DISPOSITIF DE DEPOINTAGE DE FAISCEAU PAR DEPLACEMENT DE ROULEAUX DIELECTRIQUES EFFECTIFS
L'invention se situe dans le domaine des antennes directives, et porte en particulier sur un dispositif permettant le dépointage d'un faisceau électromagnétique émis par une antenne active ou passive, et le procédé de dépointage associé.
Le terme « dépointage », associé à une antenne, désigne le fait de d'orienter dans une direction précise le faisceau électromagnétique émis par cette antenne.
Dans la suite, le mot « angle d'élévation » désigne l'angle entre le plan horizontal et la droite allant d'une antenne vers un point visé au-dessus de l'horizon. Cet angle est compté positivement quand le point visé est au- dessus du plan horizontal indiqué, négativement dans le cas contraire. Le mot « angle d'azimut » désigne l'angle horizontal entre une droite allant de l'antenne au point visé et une droite partant de l'antenne dans une direction de référence.
On parlera également du « facteur de forme » d'une antenne, défini comme étant le rapport entre sa longueur et sa largeur. Ainsi, une antenne ronde aura un facteur de forme de un, tandis qu'une antenne allongée aura un facteur de forme élevé.
La modification de la direction de pointage d'une antenne trouve son intérêt dans de nombreux domaines. On pourrait citer par exemple le domaine des radars, afin de balayer une zone géographique ou de suivre une cible en mouvement, mais également celui des antennes satellites, où un récepteur va chercher à diriger le faisceau de son antenne vers un satellite en mouvement, ou à l'inverse les applications dans lesquelles un porteur mobile va chercher à positionner son antenne en direction d'un point fixe, comme un satellite géostationnaire. La modification de la direction de pointage d'antennes trouve également son intérêt dans un contexte de couverture du territoire, lorsque l'ajout ou le retrait d'une antenne nécessite un repositionnement de l'ensemble des autres équipements du réseau.
Il existe de nombreuses techniques permettant d'orienter le faisceau d'une antenne. Parmi elles, la plus classique consiste à monter l'antenne sur des axes afin de la diriger mécaniquement.
Un tel dispositif présente cependant un certain nombre d'inconvénients. En effet, afin de déplacer le faisceau d'une antenne à la fois en azimut et en élévation, il est nécessaire d'avoir recours à deux axes mécaniques. Un tel dispositif se présente généralement sous la forme d'un plateau tournant permettant l'orientation en azimut, et d'un dispositif monté sur le plateau tournant de rotation de l'antenne autour d'un axe pour assurer l'orientation en élévation. Ce faisant, il existe un point dit « singulier » au zénith : lorsque l'antenne atteint le zénith de sa trajectoire et qu'elle doit se déplacer selon une direction perpendiculaire à l'axe d'élévation, le positionneur doit réaliser une rotation rapide de 90° selon l'axe d'azimut. Cette rotation entraine une coupure de la réception, et peut engendrer une usure rapide du dispositif. Ce problème est résolu par l'utilisation d'un dispositif à trois-axes, qui ne présente pas de point singulier, mais pour lequel la mécanique devient complexe et s'avère coûteuse. Ces positionneurs sont de plus encombrants, en particulier lorsque l'antenne présente un grand facteur de forme et que le faisceau de l'antenne doit balayer le plan formé par le faisceau dans sa position initiale et le grand axe de l'antenne. Ils requièrent de plus l'utilisation de joints tournants, coûteux et sujets à usure, et présentent une inertie importante qui nécessite l'emploi de moteurs puissants et limite la vitesse de déplacement de l'ensemble.
Il existe également des techniques d'orientation du faisceau d'une antenne dites par dépointage électronique, qui présentent l'avantage d'être précises et rapides. Le principe de dépointage électronique consiste à appliquer un déphasage présentant un gradient sur l'ensemble du front d'onde pour modifier la direction du faisceau émis. Ce sont par exemple les antennes dites « actives », composées d'éléments rayonnants généralement espacés d'une distance inférieure ou égale à λ/2, λ étant la longueur d'onde du signal. Chacun des éléments rayonnants est relié à un déphaseur, le faisceau électromagnétique étant dirigé en pilotant la phase de chacun des éléments rayonnants. Cependant, les contraintes sur la dimension et l'espacement des éléments rayonnants, leur nombre, et la nécessité de relier chacun de ces éléments à un déphaseur pilotable font que de tels dispositifs sont très vite complexes et donc coûteux. De plus, les déphaseurs peuvent avoir du mal à supporter des fortes puissances d'émission.
L'orientation du faisceau électromagnétique peut également se faire par dépointage, en modifiant la direction du faisceau après son émission. Un dispositif de dépointage électronique d'un faisceau est décrite dans le brevet US 4,480,254 de Spencer et al.. Ce dispositif consiste à faire transiter le faisceau électromagnétique émis à travers des paires de lentilles dont la permittivité, et donc le retard de phase, est pilotable. Le faisceau électrique peut alors être dépointé dans la direction voulue. Un tel dispositif est lui aussi coûteux et complexe à mettre en œuvre, les lentilles étant composées de métaux précieux, et chacune des lentilles devant être alimentée indépendamment. Le brevet US 5,557,286 A s'affranchit des métaux précieux par l'utilisation de ferrites. Cependant, le dispositif est également complexe à mettre en œuvre et peut être limité dans sa gamme de fonctionnement en fréquence et/ou en température de par l'utilisation de diélectriques pilotés magnétiquement.
Il est également connu des dispositifs de dépointage d'un faisceau électromagnétique par translation mécanique d'une lentille. Un tel dispositif est décrit dans l'article IEEE : E. Lima et al, « Circular Polarization Wide-Angle Beam Steering at Ka-Band by In-Plane Translation of a Plate Lens Antenna », IEEE Transactions on antennas and propagation, Vol.63, 12 Décembre 2015. Son défaut est qu'il s'applique à un front d'onde cylindrique ou sphérique (courbure du front d'onde non nulle selon au moins un axe), mais pas à un front d'onde plan. De plus, il est nécessaire d'assurer un éloignement important entre la source et la lentille, ce qui impacte l'encombrement du système antennaire. Enfin, un déplacement de la lentille entraine une variation du déphasage appliqué au centre du faisceau transmis, qui peut entraîner des erreurs lors de la réception du signal si elle est trop rapide, ainsi qu'une déformation du diagramme de rayonnement pouvant être pénalisante vis-à-vis des gabarits et normes d'émission à respecter.
Enfin, il est connu des dispositifs de dépointage comme ceux décrits dans les demandes de brevets US 2010/0039338 A1 , WO 2014/128015 A1 ou US 2007/0285327 A1 , pour lesquels deux lentilles diélectriques d'épaisseurs variables agencées sous forme de disques sont positionnées au dessus de l'antenne d'émission, leurs centres alignés avec le centre du faisceau. Le dépointage se fait par rotation mécanique des lentilles selon l'axe de propagation du faisceau incident. La rotation de l'un des disques par rapport à l'autre permet de piloter l'élévation du faisceau tandis que la rotation des deux disques permet de piloter l'azimut. Le fait que les disques pivotent autour d'un axe centré sur le faisceau permet de conserver inchangé le déphasage appliqué au centre du faisceau. Ce dispositif présente cependant un défaut d'encombrement dès lors que le front d'onde émis n'est pas de forme arrondie. Le diamètre des disques étant lié à la dimension du grand axe de l'antenne, les disques sont alors surdimensionnés, en particulier lorsque le facteur de forme de l'antenne devient grand.
Ce problème d'encombrement rend le dispositif incompatible de certaines utilisations soumises à des contraintes de taille, comme c'est le cas par exemple pour les antennes satellites embarquées sur des aéronefs. En effet, le dispositif antennaire est alors soumis à des contraintes de dimensionnement importantes, en particulier en ce qui concerne la hauteur du radome, afin de minimiser son impact sur l'aérodynamique générale de l'avion. De ce fait, les antennes satellites utilisées peuvent ne pas être des antennes paraboliques, mais plusieurs antennes patchs disposées en ligne et formant une antenne très allongée, pour maximiser la surface antennaire. L'utilisation de deux lentilles diélectriques de forme ronde n'est alors pas adaptée pour ce type d'antennes car trop encombrant.
De ce fait, les dispositifs de pointage de telles antennes satellites sont généralement constitués d'un mécanisme de dépointage mécanique associé à un mécanisme de dépointage électronique, comme par exemple un plateau tournant assurant un balayage en azimut couplé à un axe de dépointage électronique permettant un balayage en élévation. Ce dispositif permet de ne pas mettre en œuvre d'axe mécanique de rotation selon le petit axe de l'antenne, une telle rotation requérant un volume important, et d'assurer un déplacement du faisceau quasi instantané, mais présente un point singulier au zénith. Un autre dispositif couramment utilisé met en œuvre deux axes de dépointage mécaniques (en élévation et azimut) associés à un axe de dépointage électronique perpendiculaire à l'axe d'élévation, permettant d'éviter la présence d'un point singulier au zénith. Cependant, de tels dispositifs alliant mécanique et électronique sont très coûteux.
L'invention a donc pour objet de proposer un dispositif mécanique permettant le dépointage d'un faisceau électromagnétique selon un ou deux axes qui soit à la fois peu coûteux, compatible de n'importe quel type d'antenne d'émission, et qui présente un encombrement réduit. L'invention est d'autant plus avantageuse qu'elle permet de dépointer le faisceau de l'antenne en lui faisant balayer un plan défini par la position initiale du faisceau et le grand axe de l'antenne, en accroissant l'encombrement du dispositif total d'une quantité qui ne dépend pas cette dimension, ce qui est d'un intérêt particulier dès lors que l'antenne présente un facteur de forme élevé.
A cet effet, l'invention décrit un dispositif de dépointage d'un faisceau électromagnétique comprenant au moins deux lentilles diélectriques superposées. Dans le dispositif de dépointage selon l'invention, les lentilles diélectriques sont d'épaisseurs effectives variables, et au moins une des lentilles diélectriques étant mobile selon au moins une direction sensiblement orthogonale à un plan dans lequel le faisceau électromagnétique est dépointé.
Chacune des lentilles diélectriques comprend un point de référence, l'épaisseur effective des lentilles diélectriques variant en fonction du produit entre la distance par rapport à ce point de référence dans une première direction et la distance par rapport à ce point de référence dans une deuxième direction perpendiculaire à la première direction.
Les lentilles diélectriques peuvent être décrites comme comprenant quatre cadrans définis à partir d'un point de référence, les cadrans opposés par rapport au point de référence formant une paire de cadrans, l'épaisseur effective de chacune des lentilles diélectriques augmentant en fonction de la distance par rapport audit point d'intersection dans l'une des paires de cadrans et diminuant en fonction de la distance par rapport audit point d'intersection dans l'autre paire de cadrans.
Avantageusement, les augmentations et réductions de l'épaisseur effective des lentilles diélectriques se font de manière périodique, la période étant liée à une longueur d'onde du faisceau électromagnétique.
Selon un mode de réalisation d'un dispositif de dépointage selon l'invention, la variation de l'épaisseur effective des lentilles diélectriques comprend une variation de l'épaisseur locale.
Selon un autre mode de réalisation d'un dispositif de dépointage selon l'invention, la variation de l'épaisseur effective des lentilles diélectriques comprend une variation d'un indice de réfraction.
Selon un mode de réalisation, les lentilles diélectriques du dispositif de dépointage selon l'invention présentent chacune un point de référence. Le dispositif présente alors une position dans laquelle les points de référence des lentilles diélectriques sont superposés au centre d'un élément antennaire émettant ledit faisceau électromagnétique, et dans laquelle la somme des épaisseurs effectives des lentilles diélectriques est constante sur l'ensemble de la surface traversée par ledit faisceau électromagnétique.
Selon un mode de réalisation, les lentilles diélectriques du dispositif de dépointage selon l'invention présentent chacune un point de référence. Le dispositif présente alors une position dans laquelle les points de référence des deux lentilles diélectriques sont superposés au centre d'un élément antennaire émettant ledit faisceau électromagnétique, et dans laquelle l'épaisseur effective des deux lentilles diélectriques varie à l'inverse l'une de l'autre.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de dépointage selon l'invention comprend deux lentilles diélectriques, les deux lentilles diélectriques étant mobiles et se déplaçant dans des sens opposés.
Selon un mode de réalisation, les lentilles diélectriques sont planes. Selon un autre mode de réalisation, elles sont tout ou partie de rouleaux.
Selon un mode de réalisation du dispositif de dépointage selon l'invention, la mobilité selon un axe de la ou des lentilles diélectriques est assurée par une translation de la ou des lentilles diélectriques. Selon un autre mode de réalisation, la mobilité selon un axe de la ou des lentilles diélectriques est assurée par une rotation de la ou des lentilles diélectriques autour d'un axe colinéaire à un axe de l'antenne.
Avantageusement, le dispositif de dépointage selon un mode de réalisation de l'invention comprend en outre une première lentille correctrice configurée pour modifier la forme d'un front d'onde, ladite première lentille étant positionnée d'un côté des lentilles diélectriques, et une deuxième lentille correctrice configurée pour modifier la forme d'un front d'onde à l'inverse de la première lentille, et positionnée de l'autre côté des lentilles diélectriques.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif de dépointage comprend en outre un axe de pointage mécanique du faisceau électromagnétique.
L'invention décrit également une antenne comprenant au moins un dispositif de dépointage tel que présenté précédemment. Enfin, l'invention porte sur un procédé de dépointage d'un faisceau électromagnétique émis par un élément antennaire. Le procédé comprend au moins une première étape de superposition de l'élément antennaire par au moins deux lentilles diélectriques d'épaisseur effective variable, et une deuxième étape de déplacement d'au moins une des lentilles diélectriques dans au moins une direction sensiblement orthogonale à un plan dans lequel le faisceau électromagnétique est dépointé.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, donnée à titre non limitatif, et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :
• Les figures 1 a et 1 b représentent respectivement un dispositif de dépointage selon un mode de réalisation de l'invention, dans lequel la configuration des lentilles diélectriques n'entraine pas de dépointage du faisceau électromagnétique, et une vue à plat des lentilles diélectriques composant ce dispositif ;
• La figure 2 est une représentation en trois dimensions d'une lentille diélectrique utilisé pour mettre en œuvre l'invention selon le mode de réalisation décrit aux figures 1 a et 1 b ;
· Les figures 3a et 3b représentent respectivement un dispositif de dépointage selon le mode de réalisation décrit aux figures 1 a et 1 b, dans lequel la configuration des lentilles diélectriques entraine le dépointage du faisceau électromagnétique, et une vue à plat des lentilles diélectriques composant ce dispositif ;
· La figure 4 représente une vue à plat des lentilles diélectriques d'un dispositif de dépointage selon un autre mode de réalisation de l'invention, dans lequel seul l'une des lentilles diélectriques est mobile ;
• La figure 5 représente un dispositif de dépointage selon un autre mode de réalisation de l'invention, dans lequel les lentilles diélectriques sont mis en œuvre sous la forme de rouleaux ;
• Les figures 6a et 6b représentent une vue en coupe d'un dispositif de dépointage selon un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel les lentilles diélectriques sont mises en œuvre sous la forme de rouleaux tronqués ;
• Les figures 7a et 7b illustrent un dispositif de dépointage selon un autre mode de réalisation de l'invention, dans lequel figurent des lentilles dont l'objet est de modifier la forme du front d'onde ;
• Les figures 8a et 8b représentent deux modes de réalisation d'une antenne comprenant un dispositif de dépointage selon un mode de réalisation de l'invention ;
• La figure 9 est un diagramme d'état d'un procédé de dépointage d'un faisceau électromagnétique selon un mode de réalisation de l'invention.
Dans les figures qui sont présentées ci-dessous, l'antenne, aussi désignée sous le terme d'élément antennaire, est représentée sous la forme d'une antenne ayant un facteur de forme rectangulaire. Celle-ci est positionnée dans un repère orthonormé (xOy), le grand côté de l'antenne suivant l'axe des x, le centre O du repère étant positionné au centre de l'élément antennaire.
L'antenne est représentée sous une forme rectangulaire, car ce facteur de forme pose des problèmes d'encombrement particuliers lorsqu'associé à un dispositif de dépointage selon l'état de l'art. L'invention ne se limite néanmoins pas aux antennes rectangulaires, et s'applique de manière identique, quel que soit le facteur de forme de l'antenne, ce qui inclut le cas d'antennes rondes, sphériques et coniques, ainsi que le cas d'éléments antennaires composé d'une pluralité d'éléments rayonnants.
La figure 1 a représente un dispositif de dépointage d'un faisceau électromagnétique selon un mode de réalisation de l'invention, dans lequel la configuration du dispositif n'entraine pas de dépointage du faisceau. L'élément antennaire A-i émet selon l'axe des z un faisceau Finc qui traverse le dispositif de dépointage. Le faisceau résultant Fe est orienté de manière identique au faisceau initial Finc. Le dispositif comprend également deux lentilles diélectriques Du et D 2 superposées, dont l'épaisseur effective varie proportionnellement au produit de leurs coordonnées par rapport à leur centres respectifs C-n et C-|2 selon l'axe des x et selon l'axe des y. Ces lentilles diélectriques sont des prismes dont les faces ne sont pas nécessairement planes, pouvant être obtenues par des structures diffractives, par structuration du diélectrique à une échelle inférieure à la longueur d'onde du faisceau électromagnétique. Le niveau de gris des lentilles diélectriques représentées est fonction de leur épaisseur effective, l'épaisseur augmentant lorsque le niveau s'assombrit et inversement.
Le déphasage appliqué à une onde électromagnétique traversant une lentille est fonction de l'épaisseur locale de lentille traversée, et de son indice de réfraction : il est égal à ^ e, avec λ la longueur d'onde du signal (en
A
mètres), e l'épaisseur locale de diélectrique traversée (en mètres) et n l'indice de réfraction du diélectrique (en l'absence de lentille, dans le vide n=1 , dans l'air n~1 ). Remplacer l'air par un diélectrique d'indice n pour une même épaisseur e traversée induit un retard de phase ^ (n - l)e. On
A
entend par épaisseur effective d'une lentille de diélectrique l'épaisseur correspondant à un déphasage donné pour un indice de réfraction donné et constant. L'objet de la variation de l'épaisseur effective des lentilles diélectriques est de retarder plus ou moins un front d'onde en fonction de la zone géographique de diélectrique traversée, de manière à créer des décalages de phase contrôlés sur le front d'onde émis, et donc d'orienter le faisceau.
Cette variation d'épaisseur effective peut être obtenue en faisant varier l'épaisseur locale du diélectrique, c'est-à-dire sa hauteur selon l'axe des z, dans un diélectrique dont la densité, ou indice de réfraction, est constante.
Un autre moyen de faire varier l'épaisseur effective est de faire varier sa densité, c'est-à-dire l'indice de réfraction du substrat. De cette manière, une onde électromagnétique traversant le diélectrique sera plus ou moins retardée selon sa position, ce qui permet d'orienter l'ensemble du faisceau. La demande de brevet EP 2573872 A1 ou la demande de brevet internationale WO 01 /697419 A2 présentent un tel diélectrique dans lequel l'épaisseur effective est modifiée par la variation d'un indice effectif de réfraction du substrat, obtenu en changeant la densité de matériau localement utilisé (par exemple en changeant la densité de micropiliers diélectriques par unité de surface, les piliers n'étant pas perçus par l'onde en tant que tels car petits devant la longueur d'onde, mais la densité locale moyenne de matière influençant la phase). Un tel diélectrique peut avantageusement être utilisé pour mettre en œuvre le dispositif de dépointage selon l'invention, son épaisseur locale, c'est-à-dire sa hauteur selon l'axe des z, pouvant alors être constante sur l'ensemble de la lentille.
Il peut également être envisagé de combiner variation de l'indice de réfraction et variation de l'épaisseur locale.
Dans la figure 1 a, les centres des lentilles diélectriques sont situés à leur intersection avec une droite orthogonale au plan de l'élément antennaire A-i et qui passe par son centre O. Sur la figure, cette droite correspond à l'axe z. Les lentilles diélectriques sont de dimensions supérieures aux dimensions de l'élément antennaire selon au moins une dimension perpendiculaire à la direction de dépointage souhaitée. Les parties des lentilles diélectriques en regard de l'élément antennaire, qui sont traversées par le faisceau électromagnétique, sont indiquées sur la figure sous les références Ru et R-|2.
L'épaisseur effective des lentilles diélectriques suit une loi bien précise : elle varie en fonction du produit de la distance par rapport aux centres C-n et C-I2 selon une direction et la direction perpendiculaire, soit en fonction du produit de x par y. De cette manière, la phase φ d'une onde électromagnétique traversant le diélectrique en incidence normale varie en fonction ses coordonnées (x, y). L'épaisseur effective est à considérer modulo 2π du décalage de phase résultant de la traversée du diélectrique. Ainsi, le diélectrique peut avoir une épaisseur effective qui n'augmente (ou ne réduit) pas de manière linéaire sur l'ensemble de sa surface, mais selon un schéma reproduit périodiquement.
Pour l'une des lentilles diélectriques, lorsque x et y sont de même signe, l'épaisseur effective de diélectrique augmente avec la distance par rapport au centre. Lorsque x et y sont de signes différents, cette épaisseur effective diminue. L'épaisseur effective de la seconde lentille de diélectrique varie de manière complémentaire de celle du premier, c'est-à-dire que lorsque x et y sont de même signe, elle diminue avec la distance par rapport au centre, et qu'elle augmente lorsque x et y sont de signes différents.
Une autre manière de représenter la structure de chacune des lentilles diélectriques est de les diviser en quatre cadrans. Ces quatre cadrans sont par exemple définis par les axes x et y. Ils sont regroupés par paires de cadrans opposés, c'est-à-dire de cadrans n'ayant comme point commun que le point d'intersection des cadrans. Pour l'une des lentilles diélectriques, l'épaisseur effective augmente en fonction du produit des distances selon les axes x et y dans l'une des deux paires de cadrans, et diminue en fonction de ce même produit dans l'autre. Lorsque les centres des lentilles sont superposés au centre de l'antenne, l'épaisseur effective de la seconde lentille de diélectrique varie à l'inverse de celle de la première lentille : la paire de cadrans dans lesquels l'épaisseur effective augmente est en regard de celle de la première lentille dans laquelle l'épaisseur effective diminue, et inversement.
De par la structure de chacune des lentilles diélectriques, le faisceau électromagnétique émis par l'élément antennaire A-i est défléchi une première fois par la première lentille diélectrique, puis une deuxième fois par la deuxième lentille diélectrique. Les deux lentilles diélectriques étant le miroir l'un de l'autre, cette déviation se fait dans d'abord dans une direction puis dans la direction opposée, les deux déflexions venant alors s'annuler. Cette propriété est due à ce que l'épaisseur effective totale traversée par une onde incidente, somme des épaisseurs effectives des deux lentilles diélectriques, est constante sur l'ensemble de la surface traversée par le faisceau. Ainsi, le déphasage appliqué au faisceau électromagnétique est identique en tout point, et la direction de pointage de faisceau incident émis par l'élément antennaire n'est pas modifiée.
La figure 1 b est une vue à plat des lentilles diélectriques composant un dispositif de dépointage selon le mode de réalisation de l'invention représenté en figure 1 a. Le premier diélectrique Du peut être décomposé en quatre cadrans délimités par les axes x et y : Qn , Q12, Q13 et Q14. Dans la paire de cadrans opposés Qn et Q-|3, l'épaisseur effective du diélectrique augmente avec le produit des distances par rapport au centre Ci i , tandis que dans la paire de cadrans opposés Q-|2 et Qi4, celle-ci diminue de la même manière. Dans le deuxième diélectrique D 2, l'épaisseur effective augmente avec le produit des distances dans les cadrans opposés Q22 et Q24, qui sont en regard des cadrans Q-|2 et Qi4 dans laquelle l'épaisseur effective diminue. De même, l'épaisseur effective diminue dans les cadrans Q21 et C½3, en regard des cadrans Qn et Q13 dans lesquels elle augmente.
E1 représente l'épaisseur effective totale de diélectrique traversée par un faisceau incident émis lorsque les deux lentilles diélectriques Du et D 2 ont leurs centres C-n et C-|2 superposés au centre de l'élément antennaire, ce qui représente la position dite « initiale » du dispositif. Les structures des deux lentilles diélectriques étant complémentaires, lorsque ceux-ci sont dans leur position initiale, l'épaisseur effective traversée est constante à la fois sur l'axe x des abscisses et sur l'axe y des ordonnées. Un faisceau incident Finc traversant les deux diélectriques ne sera donc pas dépointé.
Plus précisément, l'épaisseur des diélectriques variant en miroir l'une de l'autre, l'épaisseur effective totale etotale traversée par une onde en incidence normale au point (x, y) peut être exprimée comme étant :
etotaie (x, y) = eDii(x, y) + eD12 {x, y)
= A + AeD11 (x, y) + A - AeD12 (x, y)
= 2A + a * x * y— a * x * y = 2A
en tout point (x, y), avec A l'épaisseur de diélectrique aux points de référence C-11 et C-12, e l'épaisseur effective de diélectrique, Ae la variation de cette épaisseur effective par rapport à A, et a le coefficient de variation de l'épaisseur effective des diélectriques, c'est à dire le coefficient de proportionnalité entre le produit des distances aux centres selon x et selon y et l'épaisseur du diélectrique, a * x * y étant à considérer à modulo 2π près du déphasage introduit. On constate que les épaisseurs effectives de diélectriques se compensent en tout point, l'épaisseur effective valant 2A et ne variant pas en fonction des coordonnées (x, y) de la position traversée par l'onde électromagnétique. Il n'y a donc pas de déflexion de faisceau introduit par le dispositif. A noter que l'épaisseur effective A de diélectrique a été considérée comme égale dans les deux lentilles, mais que le résultat est identique en prenant des épaisseurs de diélectriques différentes. La seule contrainte repose sur le coefficient a, qui doit être identique dans les deux diélectriques.
La figure 2a est une représentation en trois dimensions d'une lentille de diélectrique D utilisé pour mettre en œuvre l'invention selon le mode de réalisation décrit précédemment. Son épaisseur locale varie selon deux dimensions en fonction du produit des coordonnées par rapport à son centre, mesurées selon chacune des dimensions.
La figure 2b est également une représentation en trois dimensions d'une lentille de diélectrique D utilisée pour mettre en œuvre l'invention selon le mode de réalisation décrit précédemment. Son épaisseur locale varie périodiquement, de manière à ce que le déphasage apporté à une onde électromagnétique la traversant soit celle visée, modulo 2π. La période de répétition du motif est donc fonction du coefficient a et de la longueur d'onde du faisceau électromagnétique. L'épaisseur effective des lentilles diélectriques augmente donc (ou diminue) progressivement en fonction du produit x*y, jusqu'à ce que la variation de phase associée ait balayé l'ensemble de la plage [0 ; 2π], puis reprend brusquement sa valeur initiale avant de ré-augmenter (ou de re-diminuer). De cette manière, l'épaisseur locale de la lentille est maintenue dans une fourchette, même lorsque celle-ci est de taille importante. Cette variation périodique de l'épaisseur de la lentille, correspondant à un déphasage modulo 2π de l'onde la traversant, est décrite par exemple dans la demande de brevet US 2010/0039338 A1 pour une dimension. Elle doit être adaptée à la longueur d'onde du faisceau électromagnétique, et étendue à deux dimensions afin de mettre en œuvre l'invention. La variation périodique de l'épaisseur effective du diélectrique peut également correspondre à une variation périodique de l'indice de réfraction de la lentille.
La figure 3a illustre la mise en œuvre du dépointage du faisceau électromagnétique dans le mode de réalisation de l'invention présenté dans les figures 1 a et 1 b. Afin de réaliser le dépointage du faisceau Finc émis par l'élément antennaire A ; il suffit de déplacer les lentilles diélectriques dans des sens opposés en translation selon un axe perpendiculaire à l'axe de dépointage souhaité. Ainsi, dépointer le faisceau Finc émis dans une direction donnée selon le grand axe x de l'antenne, c'est à dire dans le plan xOz, requiert le déplacement des deux diélectriques en translation dans des sens opposés selon l'axe des y.
L'épaisseur effective des zones Ru et R-|2 de diélectrique en regard de l'élément antennaire A ; c'est à dire traversées par le faisceau incident Finc, présente un gradient de phase selon l'axe des x, ce qui entraine le dépointage du faisceau Fe ayant traversé les deux lentilles diélectriques.
La figure 3b est une vue éclatée des deux lentilles diélectriques Du et
D-12, sur lesquelles sont représentées les zones Ru et R-|2 en regard de l'élément antennaire, ainsi que l'épaisseur effective totale E3 de diélectrique traversée par le faisceau émis Finc, qui est la somme des épaisseurs effectives des deux lentilles diélectriques Du et D 2.
Dans cet exemple, les épaisseurs des lentilles diélectriques ne se compensent plus. L'épaisseur effective totale présente alors un gradient selon l'axe des x, mais reste constante selon l'axe des y. L'onde électromagnétique traversant cette épaisseur effective totale sera donc déphasée selon l'axe des x uniquement, c'est-à-dire dans le plan xOz. Dans l'exemple, le déphasage sera plus élevé sur les x négatifs que sur les x positifs, entraînant de ce fait un dépointage du faisceau émis en direction des x négatifs.
Pour illustrer ce dépointage, l'épaisseur effective totale etotale traversée par une onde en incidence normale au point (x, y) lorsque l'on déplace chacune des lentilles diélectriques d'une position, peut alors être exprimée comme étant :
^totale
= A + AeD11(x, y + 1) + A - AeD12 (x, y - 1)
= 2A + * x * y— a * x * y
= 2A + 2ax
La variation de l'épaisseur effective est donc fonction de la position selon x uniquement. Etant constante selon y, le faisceau électromagnétique ne dépointe pas selon l'axe des y, c'est-à-dire dans le plan yOz. On notera en particulier que le déphasage appliqué au centre du faisceau, c'est à dire au point O, ne varie pas par rapport à celui appliqué lorsque le dispositif est dans sa position initiale, tel qu'illustrée aux figures 1 a et 1 b. Cette propriété est avantageuse, une variation du déphasage appliqué au centre du faisceau émis engendrant une avance ou un retard sur le signal qui peut générer des erreurs lors de la réception du signal.
De manière identique, un dépointage selon l'axe des y peut être réalisé en faisant varier la position des lentilles diélectriques selon l'axe des x. De manière générale, le dépointage du faisceau électrique se fait donc selon un axe perpendiculaire à l'axe de déplacement des lentilles diélectriques, ce déplacement étant assuré mécaniquement par translation. La vitesse de dépointage et sa précision dépendent du coefficient choisi, étant le coefficient de proportionnalité entre le produit des distances par rapport au centre et l'épaisseur des lentilles. En choisissant petit, la précision en matière d'angle de dépointage sera importante mais la taille des lentilles diélectriques requises pour obtenir un déphasage donné sera importante et la vitesse de dépointage moins élevée, tandis qu'à l'inverse, en choisissant grand, les lentilles diélectriques requises pour l'obtention d'un déphasage donné sont de petite taille, la vitesse de dépointage importante, mais la précision moindre. Un compromis doit donc être fait en fonction des exigences de précision, de vitesse et d'encombrement. De manière à ce que l'épaisseur des lentilles diélectriques n'atteigne pas des dimensions trop importantes sur les bords lorsque l'élément antennaire est de taille importante, les lentilles diélectriques peuvent être obtenues en diminuant localement l'épaisseur d'une ou plusieurs longueurs d'onde pour revenir à une épaisseur partout comprise entre une valeur minimale et une valeur maximale proches permettant au déphasage engendré par la traversée de la lentille de balayer l'intervalle [0 ; 2π]. Cette variation de l'épaisseur effective par palier permet d'obtenir les déphasages souhaités sans que l'épaisseur locale ou l'indice de réfraction des lentilles n'atteigne des valeurs trop contraignantes.
Le mode de réalisation de l'invention présenté précédemment peut être décliné sous de multiples variantes par l'homme du métier : • La translation des lentilles diélectriques n'est pas nécessairement limitée à une dimension, mais peut être réalisée selon deux dimensions, ce qui entraine une déflexion du faisceau électromagnétique incident selon les deux dimensions orthogonales ;
• Le nombre de lentilles diélectriques utilisées peut être supérieur à deux ;
• Les points de référence, à partir desquels varient les épaisseurs effectives des lentilles diélectriques et qui permettent de définir la position initiale dans laquelle le faisceau n'est pas dépointé, sont dans les exemples les centres C-n et C-|2 des lentilles diélectriques, mais ces points de référence peuvent être choisis ailleurs qu'au centre ;
• Les lentilles diélectriques ne sont pas nécessairement carrées ou rectangulaires, et peuvent être de forme quelconque et non nécessairement identiques tant qu'elles viennent en regard de l'élément antennaire sur l'ensemble de leur zone de translation ;
• Le déplacement peut être limité à une seule lentille.
La figure 4 représente une vue à plat des lentilles diélectriques d'un dispositif de dépointage selon un autre mode de réalisation de l'invention, dans lequel seule l'une des lentilles diélectriques (D 2) est translatée, tandis que l'autre (Du) reste immobile.
Le résultat est le même que celui présenté lorsque les deux lentilles diélectriques se déplacent, c'est-à-dire, en reprenant les notations précédentes :
totale .x, ) = eD11 (x, y) + eD12 (x, y - 1)
= A + AeD11 (x, y) + A - AeD12 (x, y - 1)
= 2A + a * x * y— a * x * (y— 1)
= 2A— ax
En déplaçant une seule des lentilles diélectriques selon l'axe des y, la surface équivalente E4 traversée par le faisceau présente un gradient selon l'axe des x uniquement, ce qui entraine son dépointage selon cet axe (dans le plan χθζ). La surface équivalente traversée ne présentant pas de gradient selon l'axe des y, le faisceau n'est pas dépointé sur cet axe (dans le plan yOz). Le déphasage appliqué au centre du faisceau est toujours identique. La différence avec le dépointage obtenu par le déplacement des deux lentilles diélectriques, à coefficient a constant provient de ce que la vitesse de dépointage est divisée par deux mais la précision deux fois supérieure. Pour ne pas subir ces inconvénients, il est possible de doubler la valeur du coefficient a de variation de l'épaisseur des lentilles diélectriques. Cependant, une telle modification peut avoir des conséquences sur les lobes de réseau du diagramme du faisceau dépointé, et sur la largeur de la bande passante.
Ce mode de réalisation est néanmoins avantageux car il ouvre la porte à de nombreux modes d'implémentation, comme par exemple :
• Coller la couche de diélectrique la plus proche de l'élément antennaire directement sur celui-ci, et assurer la mobilité de la couche la plus éloignée, ou
• Coller la couche de diélectrique la plus éloignée sur un radome, et assurer la mobilité de la couche la plus proche, ou intégrer la lentille diélectrique au radome.
La figure 5 représente un autre mode de réalisation d'un dispositif de dépointage selon un autre mode de réalisation de l'invention.
Dans ce mode de réalisation, les lentilles diélectriques D5 et D52 ne sont plus planes, mais se présentent sous la forme de rouleaux positionnés autour de l'élément antennaire A5. Les rouleaux forment deux cylindres imbriqués. Le déplacement des rouleaux n'est alors plus assuré par translation des lentilles diélectriques, mais par rotation. Les lentilles diélectriques sont en rotation autour d'un axe normal ou quasi-normal à la direction de propagation du faisceau incident, et c'est cette rotation qui entraine la déflexion du faisceau électromagnétique. L'axe de rotation des rouleaux de lentilles diélectriques pourra avantageusement être choisi comme étant colinéaire à la plus grande dimension de la surface rayonnante. De manière à éviter les déflexions indésirables près des bords de l'antenne, il est préférable que l'épaisseur des lentilles diélectriques reste faible par rapport au diamètre des rouleaux.
Le fonctionnement de ce dispositif est équivalent à celui présenté pour des lentilles diélectriques planes. Lorsque les deux rouleaux de diélectriques sont en position initiale, l'épaisseur effective totale traversée par un faisceau arrivant selon une incidence normale est la même en tout point, la direction de pointage du faisceau n'est donc pas modifiée. En faisant tourner un ou plusieurs rouleaux autour de leur axe, le déplacement des parties de lentilles diélectriques en regard de l'élément antennaire est assimilable à une translation selon l'axe des y. L'épaisseur effective totale de diélectrique traversée par le faisceau électromagnétique varie alors, et présente un gradient selon l'axe des x entraînant un dépointage du faisceau sur cet axe (dans le plan xOz).
De la même manière, un déplacement en translation des lentilles diélectriques sous forme de rouleaux D5 et D52 permet de dépointer le faisceau électromagnétique dans le plan yOz.
Par rapport à l'utilisation de lentilles diélectriques planes, l'utilisation de lentilles diélectriques disposées en rouleaux permet d'encore réduire l'encombrement du dispositif. De plus, il est plus aisé de mettre en rotation deux rouleaux sur un même axe que de déplacer deux plans en translation.
Selon un autre mode de réalisation, les rouleaux sont tronqués selon un plan parallèle à l'axe du cylindre. Le dispositif se présente alors sous la forme de deux portions de rouleaux superposées à un élément antennaire, réduisant encore plus l'encombrement du dispositif. La base des cylindres définis par les rouleaux avant troncature ne se présente pas nécessairement sous la forme d'un disque : en choisissant des cylindres dont la base est elliptique et en tronquant ces cylindres, le rayon de courbure des rouleaux tronqués peut être ajusté, de manière à ce qu'il soit plus ou moins important dans la zone en regard du faisceau électromagnétique.
Les figures 6a et 6b représentent une vue en coupe d'un tel dispositif mis en œuvre à partir de deux rouleaux tronqués. Dans la figure 6a, les lentilles diélectriques D6 et D62, agencées sous forme de rouleaux tronqués, sont dans leur position initiale : leurs épaisseurs se compensent en tout point.
Le faisceau incident Finc émis par l'élément antennaire A6 traverse les deux lentilles diélectriques, et le faisceau résultant Fe n'est pas défléchi.
Dans la figure 6b, les lentilles diélectriques D6 et D62 sont mises en rotation l'une par rapport à l'autre autour de leur axe, colinéaire à x, et dans des sens opposés. Dans la partie des diélectriques en regard du faisceau électromagnétique émis, cette rotation entraine un déplacement des lentilles diélectriques en regard avec le faisceau électromagnétique comparable à une translation selon l'axe des y. Le faisceau résultant Fe traversant les diélectriques, subit donc un gradient selon l'axe des x, et est défléchi sur cet axe (donc dans le plan xOz).
Les modes de réalisation de l'invention dans lesquels les lentilles diélectriques se présentent sous forme de rouleaux ou de rouleaux tronqués sont particulièrement adaptés lorsque leur rayon est grand par rapport à l'élément antennaire, la partie des diélectriques en regard de cet élément antennaire pouvant alors être assimilée à un plan, et le déplacement des diélectriques vu comme une translation dans ce plan.
Ils sont également adaptés, quel que soit leur rayon, aux cas ou le front d'onde émis par l'élément antennaire est cylindrique, comme c'est le cas par exemple pour une ligne d'antennes patchs, ou une ligne de fentes pour lesquels tous les éléments sont en phase. Dans ce cas, le rayon de courbure des rouleaux n'impacte pas les épaisseurs de diélectrique traversées. Ce n'est pas le cas lorsque le front d'onde est plan, comme par exemple lorsque l'élément antennaire est une antenne parabolique ou un réseau d'antennes patch répartis selon deux dimensions dans lequel tous les éléments sont en phase, et que le rayon de courbure des rouleaux de diélectriques n'est pas grand par rapport à l'élément antennaire.
La figure 7a illustre un tel cas de figure, dans lequel le front d'onde incident Finc émis par l'antenne A7 est plan, tandis que les deux lentilles diélectriques D7 et D72 sont d'épaisseurs locales identiques. Le front d'onde incident Finc peut être décomposé en une superposition d'ondes électromagnétiques indépendantes qui vont intersecter les lentilles diélectriques à différentes positions. De par le rayon de courbure des rouleaux, l'épaisseur de diélectrique traversée varie. Dans l'exemple, l'épaisseur τι de diélectrique traversée par une onde située en haut du front d'onde sera supérieure à l'épaisseur τ2 de diélectrique traversée par une onde située au milieu du front, et qui arrive sur le diélectrique avec une incidence normale. Sur l'ensemble du front d'onde, l'épaisseur de diélectrique traversée sera donc maximale aux extrémités, et minimale au milieu. L'épaisseur effective totale présente alors un gradient non désiré qui va entraîner un dépointage local non souhaité et non maîtrisé du faisceau Fe ayant traversé les deux lentilles diélectriques, et engendrer potentiellement une perte de gain, une dégradation de l'allure du diagramme de rayonnement, et une erreur de pointage.
Pour lutter contre ce phénomène, un mode de réalisation de l'invention, représenté en figure 7b, consiste à ajouter une lentille correctrice divergente L-7-ι entre l'élément antennaire et la première lentille diélectrique D7 . Cette lentille correctrice a pour objet de transformer le front d'onde incident plan en un front d'onde cylindrique, et donc de compenser le rayon de courbure des lentilles diélectriques D7 et D72. De cette manière, l'épaisseur de diélectrique traversée est identique en tout point. L'invention propose également d'ajouter une lentille correctrice convergente L72 après la deuxième lentille diélectrique D72, de manière à transformer le front d'onde cylindrique en un front d'onde Fe plan.
De cette manière, il est possible d'appliquer l'invention à un élément antennaire émettant un front d'onde plan tout en limitant le rayon de courbure des rouleaux de diélectrique.
Le mécanisme inverse d'ajout de lentilles correctrices peut également être envisagé à l'inverse, pour le cas où l'élément antennaire émet un front d'onde cylindrique, et où les lentilles diélectriques sont des plans en translation.
Le dispositif de dépointage d'un faisceau électromagnétique selon l'invention peut être utilisé conjointement à n'importe quel type d'antenne, qu'elle soit active ou passive, qu'elle émette un front d'onde plan, cylindrique ou sphérique.
Il repose sur l'utilisation d'au moins deux lentilles superposées de diélectrique dont l'épaisseur effective varie selon deux dimensions, et ayant une structure en miroir l'une de l'autre. L'utilisation de deux lentilles ou plus permet de maîtriser le dépointage de l'antenne, de manière à ce qu'il se fasse selon un ou plusieurs axes bien précis. En utilisant une seule lentille diélectrique, le dépointage n'aurait pas pu être contenu sur un axe, et le dispositif aurait difficilement pu être associé à un autre moyen mécanique de dépointage.
Dans le dispositif selon l'invention, le déplacement des lentilles diélectriques se fait de manière perpendiculaire, ou quasi-perpendiculaire lorsque les lentilles sont agencées sous forme de rouleaux, au plan balayé par le faisceau, et non pas dans ce plan. Cela permet notamment au dispositif de proposer un dispositif de dépointage mécanique du faisceau dont l'inertie est faible et qui conserve une taille finie. Dans le cas d'une antenne allongée, un allongement supplémentaire du dispositif ne requiert l'allongement des rouleaux ou des plans de diélectriques que de la même quantité dans la même direction. Les autres dimensions d'encombrement du dispositif ne varient pas, ce qui n'est pas le cas lorsque l'on utilise les techniques connues de l'état de l'art dans lesquelles les lentilles diélectriques se présentent sous la forme de disques. De plus, le dispositif permet de conserver un déphasage appliqué au centre du faisceau constant lors du déplacement des lentilles.
L'invention porte également sur une antenne comprenant un dispositif de dépointage tel que décrit précédemment. Les figures 8a, 8b et 8c décrivent trois modes de réalisation d'une telle antenne, mais d'autres modes de réalisation peuvent être facilement mis au point par l'homme du métier.
Dans le mode de réalisation décrit en figure 8a, l'élément antennaire A8 est entraîné en rotation autour de l'axe x par un moyen mécanique M. Cette rotation permet de dépointer le faisceau dans le plan yOz. L'antenne comprend de plus deux rouleaux D8 et D82 de lentilles diélectriques en rotation autour de l'axe x', colinéaire à l'axe x. Ces rouleaux ont des structures telles que celles décrites précédemment, leur épaisseur effective variant en miroir l'une de l'autre à la fois en longueur (selon l'axe des x) et en largeur (le long de leur circonférence). Le déplacement d'un ou des deux lentilles permet d'ajuster l'épaisseur effective totale traversée par le faisceau émis par l'antenne A8, et ainsi d'ajuster le dépointage du faisceau dans le plan xOz.
L'antenne telle que décrite présente donc un encombrement réduit. En effet, l'utilisation d'un axe mécanique pour dépointer le faisceau selon l'axe des x aurait présenté un encombrement important que ne présentent pas les deux rouleaux de diélectriques imbriqués selon l'invention. L'antenne associe un axe mécanique avec un dispositif de dépointage tel que décrit par l'invention pour offrir une possibilité de dépointage selon deux dimensions à l'antenne. Le dispositif ne peut balayer l'axe des yOz au-delà d'un angle lié au coefficient a des lentilles diélectriques, mais ne présente pas de points singuliers dans la surface balayée. A noter que, pour des raisons de coût, le dépointage du faisceau dans le plan yOz est ici réalisé grâce à un dépointage mécanique du faisceau, mais qu'il pourrait être obtenu de manière équivalente par un dépointage électronique.
Dans un autre mode de réalisation, décrit en figure 8b, les deux lentilles diélectriques superposées D83 et D84 sont positionnées au dessus de l'élément antennaire A8 et se présentent sous la forme de portions de rouleaux. L'ensemble est positionné sur un plateau tournant P, la rotation du plateau étant assurée de manière mécanique.
La rotation d'un ou des deux lentilles diélectriques selon l'invention permet de dépointer l'élévation du faisceau électromagnétique émis, tandis que la rotation du plateau P permet d'en contrôler l'azimut.
Les dispositifs antennaires décrits ci-dessus sont proposés à titre d'illustration, l'homme du métier pouvant aisément définir de nouveaux dispositifs antennaires à partir des enseignements donnés précédemment. Les modes de réalisation ne limitent pas la portée de l'invention, qui est définie par les revendications. Dans un autre mode de réalisation, décrit en figure 8c, l'élément antennaire A8 et les deux lentilles de diélectriques superposées D85 et D86 sont disposés en rotation autour d'un mat M selon l'axe z.
Ce mode de réalisation ne nécessite l'utilisation que d'un seul joint tournant. En position de repos, l'antenne pointe son faisceau électromagnétique dans le plan horizontal. La mise en rotation synchrone de l'élément antennaire et des rouleaux de diélectriques permet de faire varier l'azimut 801 de pointage de l'antenne, tandis que la mise en rotation de l'un des rouleaux, ou des deux rouleaux dans des sens opposés, permet de faire varier l'élévation 802 de pointage de l'antenne.
Un tel dispositif peut avantageusement être mis en œuvre sur un mat ou sur un véhicule.
Le dispositif de dépointage selon l'invention s'intègre donc particulièrement bien dans un dispositif de pointage comprenant également un ou plusieurs positionneurs mécaniques. Le dépointage selon l'invention ne nécessite pas nécessairement l'utilisation de matériaux sensibles à l'usure, comme par exemples les joints tournants nécessaires pour assurer une rotation mécanique autour d'un axe. Le fait que la translation des plans de diélectriques ou la rotation des rouleaux de diélectriques se fasse selon une direction perpendiculaire au faisceau incident permet de limiter leur encombrement. Le choix du coefficient a de variation de l'épaisseur effective des diélectriques permet de régler la vitesse de commutation de l'antenne, ainsi que l'encombrement du dispositif et sa précision.
L'invention porte en outre sur un procédé de dépointage d'un faisceau électromagnétique, dont un diagramme d'état est représenté en figure 9. Ledit procédé comprend :
• une étape 901 de superposition d'un élément antennaire par au moins deux lentilles diélectriques, les lentilles ayant une épaisseur effective variant tel que décrit précédemment. La superposition se fait de manière à ce que le faisceau émis par l'élément antennaire soit dirigé selon l'axe des z, et les lentilles disposées dans le plan xOy.
une étape 902 de déplacement d'au moins une des lentilles, dans au moins une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe de dépointage souhaité du faisceau électromagnétique. Un dépointage du faisceau dans le plan xOz est donc obtenu par une translation des lentilles diélectriques selon l'axe des y. Lorsque les lentilles sont agencées sous forme de rouleaux ou de portions de rouleaux, cette translation selon l'axe des y est mise en œuvre par rotation des lentilles diélectriques autour d'un axe colinéaire à l'axe x.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif de dépointage d'un faisceau électromagnétique (Finc) comprenant au moins deux lentilles diélectriques (Du , D 2) superposées, ledit dispositif étant caractérisé en ce que les lentilles diélectriques sont d'épaisseurs effectives variables, et en ce qu'au moins une des lentilles diélectriques est mobile selon au moins une direction (y) sensiblement orthogonale à un plan (xOz) dans lequel le faisceau électromagnétique est dépointé.
2. Dispositif de dépointage selon la revendication 1 , dans lequel chacune des lentilles diélectriques comprend un point de référence (Cn , C-|2), l'épaisseur effective des lentilles diélectriques variant en fonction du produit entre la distance par rapport à ce point de référence dans une première direction (x) et la distance par rapport à ce point de référence dans une deuxième direction (y) perpendiculaire à la première direction.
3. Dispositif de dépointage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chacune des lentilles diélectriques comprend quatre cadrans (On , Q-I2, Qi3, QH) définis à partir d'un point de référence, les cadrans opposés par rapport audit point de référence formant une paire de cadrans, l'épaisseur effective de chacune des lentilles diélectriques augmentant en fonction de la distance par rapport audit point d'intersection dans l'une des paires de cadrans (Qn , Q13) et diminuant en fonction de la distance par rapport audit point d'intersection dans l'autre paire de cadrans (Q-|2, QH).
4. Dispositif de pointage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites augmentations et réductions de l'épaisseur effective des lentilles diélectriques se font de manière périodique, la période étant liée à une longueur d'onde du faisceau électromagnétique.
5. Dispositif de dépointage selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la variation de l'épaisseur effective des lentilles diélectriques comprend une variation d'une épaisseur locale.
6. Dispositif de dépointage selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la variation de l'épaisseur effective des lentilles diélectriques comprend une variation d'un indice de réfraction.
7. Dispositif de dépointage selon l'une des revendications précédentes dans lequel les lentilles diélectriques présentent chacune un point de référence (C-n , C-|2), le dispositif présentant une position dans laquelle les points de référence des lentilles diélectriques sont superposés au centre (O) d'un élément antennaire (A-i) émettant ledit faisceau électromagnétique (Finc), et dans laquelle la somme des épaisseurs effectives des lentilles diélectriques est constante sur l'ensemble de la surface (Ru , R-|2) traversée par ledit faisceau électromagnétique.
8. Dispositif de dépointage selon l'une des revendications précédentes comprenant deux lentilles diélectriques présentant chacune un point de référence (C-n , C-|2), le dispositif présentant une position dans laquelle les points de référence des deux lentilles diélectriques sont superposés au centre (O) d'un élément antennaire (A-i) émettant ledit faisceau électromagnétique (Finc), et dans laquelle l'épaisseur effective des deux lentilles diélectriques varie à l'inverse l'une de l'autre.
9. Dispositif de dépointage selon l'une des revendications précédentes comprenant deux lentilles diélectriques, dans lequel les deux lentilles diélectriques sont mobiles et se déplacent dans des sens opposés.
10. Dispositif de dépointage selon l'une des revendications précédentes dans lequel les lentilles diélectriques sont planes (Du , D 2).
1 1 . Dispositif de dépointage selon l'une des revendications précédentes dans lequel les lentilles diélectriques sont tout ou partie de rouleaux (D5 , D52).
12. Dispositif de dépointage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la mobilité selon un axe de la ou des lentilles diélectriques est assurée par une translation de la ou des lentilles diélectriques.
13. Dispositif de dépointage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la mobilité selon un axe de la ou des lentilles diélectriques est assurée par une rotation de la ou des lentilles diélectriques autour d'un axe (χ') colinéaire à un axe (x) de l'antenne.
14. Dispositif de dépointage selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre une première lentille correctrice (L7 ) configurée pour modifier la forme d'un front d'onde, ladite première lentille étant positionnée d'un côté des lentilles diélectriques, et une deuxième lentille correctrice (L72) configurée pour modifier la forme d'un front d'onde à l'inverse de la première lentille, et positionnée de l'autre côté des lentilles diélectriques.
15. Dispositif de dépointage selon l'une des revendications précédentes, ledit dispositif comprenant en outre un axe de pointage mécanique (M) du faisceau électromagnétique (Finc).
1 6. Antenne caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un dispositif de dépointage selon l'une des revendications précédentes.
17. Procédé de dépointage d'un faisceau électromagnétique (Finc) émis par un élément antennaire (A-i), caractérisé en ce qu'il comprend : • une première étape (901 ) de superposition de l'élément antennaire par au moins deux lentilles diélectriques (Du , D 2) d'épaisseur effective variable, et
• une deuxième étape (902) de déplacement d'au moins une des lentilles diélectriques dans au moins une direction (y) sensiblement orthogonale à un plan (xOz) dans lequel le faisceau électromagnétique est dépointé.
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