Brevet FR2027540A1 — publié le 19701002

L'invention concernerles antennes à réseau, destinées à émettre et/ou recevoir un rayonnement, et qui utilisent plusieurs ~ éléments rayonnants situés dans des positions fixes les uns par rapport aux autres. Le terme "éléments rayonnants" est utilisé ici pour désigner les éléments d'un réseau destinés à émettre et/ou recevoir un rayonnement possédant des fréquences souhaitées, telles que les fréquences utilisées pour-les radars, les radars ultrasoniques et pour d'autres applications. La fréquence de fonctionnement ou les phases relatives au niveau des éléments rayonnants peuvent être modifiées pour contrôler la forme et la directivité du faisceau. tii réseau linéaire d'antennes, c'est-à-dire disposées suivant une ligne droite, permet de modifier la directivité dans un seul plan et un réseau plan d'antennes, qui peut etre formé en empilant des réseaux linéaires, permet de modifier la directivité suivant deux plans. Les éléments du réseau peuvent être constitués par exemple par des dipoles, des cornets à micro-ondes ou par d'autres éléments rayonnants appropriés convenant aux hautes fréquences, tels que ceux qui sont utilisés pour les radars ou par des transducteurs piezoélectriques tels que ceux qui sont utilisés pour les sonars. Dins un réseau d'antennes à alimentation série les éléments rayonnants sont couplés électriquement avec une ligne d'alimentation (par exemple un guide d'ondes), en des points appropriés situés le long de cette ligne. Dans un réseau à alimentation série médiane, les deux moitiés d'un réseau à alimentation série sont réunies pour transmettre des signaux vers ou à partir du réseau, au centre de chaque rangée (ou colonne) d'éléments rayonnants. Le dispositif de couplage utilisés pour un réseau à alimentation série médiane est fréquemment constitué par une jonction hybride munie, par rapport aux deux moitiés du réseau, d'un accès pour le signal de somme et d'un accès pour le signal de différence. Lorsque le réseau possède un fonctionnement monopulsé, le signal impulsionnel émis par le radar ou le sonar est habituellement appliqué sur l'accès du signal de somme, après quoi il est rayonné par les deux moitiés du réseau, de façon additive, pour fournir un seul faisceau principal d'énergie rayonnée. D'autre part, les impulsions d'écho reçues sont envoyées sur le récepteur à la fois vers les accès des signaux de somme et de différence et représentent les secteurs de somme et de différence des signaux d'écho reçus par les deux moitiés du réseau.Le diagramme de rayonnement du signal de différence du réseau comporte deux lobes de phase opposée qui définissent un zéro très précis sur la ligne de pointage optique afin d'obtenir une résolution et une précision très importantes pour suivre ou déterminer la position d'une cible. La distribution d'amplitude fournie par un seul circuit d'alimentation série médiane est identique que ce soit pour le mode additif ou pour le mode différentiel et il en résulte que les lobes latéraux les moins importants du diagramme simultané sont limités à environ -20 db par rapport au sommet du diagramme de somme. De plus, la suppression des lobes latéraux du diagramme pour un des modes de fonctionnement ne peut être réalisée qu'en augmentant les niveaux des lobes latéraux dans l'autre mode du diagramme. I1 est donc nécessaire et souhaitable de renforcer l'indépendance des modes de fonctionnement additif et différentiel d'améliorer la directivité du faisceau et la sensibilité angulaire du diagramme monopulsé, lors de la suppression des lobes latéraux indésirables et d'améliorer la capacité de fonctionnement dans une bande de fréquences- plus importante. La présente invention se propose de réaliser une antenne possédant un réseau dtéléments à alimentation série médiane, cette antenne étant réalisée de façon que l'indépendance des modes d'excitation additif et différentiel soit plus importante et que la bande de fréquences de fonctionnement soit plus large que celles que lton a pu obtenir jusqu'ici. Dans la forme de réalisation préférée, le dispositif suivant la présente invention se présente sous lå forme d'un montage dans lequel deux jonctions hybrides sont respectivement reliées à deux lignes d'alimentation série en tandem, aux centres de celles-ci, de façon à interconnecter les deux moitiés de chacune de ces lignes d'alimentation série. Chacune de ces lignes d'alimentation série est reliée, en différents points espacés, à plusieurs lignes d'alimentation individuelles en dérivation destinées à être connectées aux éléments rayonnants. Deux coupleurs de signaux sont respectivement branchés de façon à coupler les signaux au niveau des accès des signaux de somme et de différence des deux coupleurs directionnels. Le montage suivant la présente invention, appelé circuit d'alimentation en tandem ou en cascade, utilise les deux lignes d'alimentation série à la fois pour le mode de fonctionnement additif et pour le mode différentiel, ce qui renforce l'indépendance des modes de fonctionnement et permet d'obtenir d'autres avantages décrits ci-après. Un inverseur de phase est inséré entre 11 accès des signaux de différence de l'une des jonctions hybrides et le coupleur de signaux associé pour obtenir le fonctionnement différentiel souhaité. Des déphaseurs de compensation sont branchés sur les lignes d'alimentation individuelles entre les points d'interconnexion des lignes d'alimentation série. Suivant une autre caractéristique de la présente invention, les lignes d'alimentation série sont inclinées l'une par rapport à l'autre de façon à compenser les différences de retard dans les deux réseaux de lignes d'alimentation. Cela évite de devoir compenser les déphaseurs. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'une forme de réalisation particulière donnée à titre d'exemple et représentée au dessin annexé dans lequel La figure 1 est une représentation schématique d'une forme de réalisation préférée de la présente invention. La figure 2 est un schéma électrique d'une seconde forme de réalisation préférée de la présente invention. La figure 3 est un graphique représentant les courbes d'excitation pour les modes additif et différentiel et les déphasages de compensation le long de chaque moitié des réseaux représentés dans les figures 1 et 2. Les figures 4 et 5 représentant les relations de phase existant dans les coupleurs de guides d'ondes croisés utilisés dans les montages des figures 1 et 2. La figure 1 est une forme de réalisation de la présente invention comportant une antenne à réseau linéaire utilisant des déphaseurs variables commandés pour former et oriénter le faisceau d'émission et de réception. L'antenne comporte plusieurs éléments rayonnants 12 (désignés individuellement par Rl, R2 ... RN) disposés sous forme de réseau linéaire et de façon symétrique par rapport au centre du réseau. Plusieurs lignes individuelles d'alimentation 13 sont respectivement branchées de façon à transmettre des signaux vers et à partir des éléments rayonnants 12 par l'intermédiaire des déphaseurs 14 (aussi désignés individuellement par P1, P2, ... PN) dont les phases sont contrôlées par des signaux provenant d'une source de signaux de commande d'orientation (non représentée) d'une façon bien connue. Une ligne d'alimentation série 16 ou ligne A et une ligne d'alimentation série 17 ou ligne B sont branchées en tandem par rapport aux lignes individuelles d'alimentation 13. La ligne A ou 16 est raccordée en son centre par une jonction hybride 18 et la ligne B ou 17 est raccordée en son centre par une jonction hybride 19. Les lignes individuelles d'alimentation 13 sont couplées avec la ligne A ou 16 par l'intermédiaire de coupleurs à guides d'ondes croisés 21 et sont aussi couplées avec la ligne B ou 17 par l'intermédiaire de coupleurs de guide d'ondes croisés 22 en différents points de leur longueur, comme représenté. Des déphaseurs de compensation 23- sont respectivement branchés sur les lignes individuelles d'alimentation -13 entre les différents coupleurs de guides d'ondes croisés 21 et 22. Chacune des lignes A et B ou 16 et 17 est, en effet, une ligne d'alimentation série, la ligne A ou 16 comportant à ses extrémités des termineurs TA, la ligne B ou 17 comportant à ses extrémités des termineurs TB, et les lignes individuelles d'alimentation 13 comportant à leurs extrémités des termineurs TC destinés à réaliser une adaptation d'impédance. On peut trouver d'autres détails sur un montage à alimentation série dans le brevet américain nO 3 258 774, sur une forme de réalisation préférée des déphaseurs 14 dans le brevet américain nO 3 290 622, et sur une forme de réalisation préférée des coupleurs de guides d'ondes croisés 21 et 22 dans les brevets américains nO 3 230 483 et 3 377 571 La jonction hybride 18 peut être d'un type classique à quatre accès possédant deux accès ou bornes 26 à 3db respectivement reliés aux deux moitiés de la ligne A ou 16 et possédant aussi un accès 27 du signal de somme et un accès 28 du signal de différence. De même, la jonction hybride 19 possède deux accès 31 à 3db respectivement reliés aux deux moitiés de la ligne B ou 17 ainsi qu'un accès 32 du signal de somme et un accès 33 du signal de différence. Un coupleur de signaux-36 pouvant être par exemple du type à trous multiples dans la paroi longitudinale, possède deux accès de signaux respectivement reliés aux accès 27 et 32 des signaux de somme des jonctions hybrides 18 et 19, un autre accès relié à la borne 37 de signaux de somme, le dernier accès étant relié a une charge-TX adaptatrice d'impédance. De même, un autre coupleur de signaux 38, dont la valeur de couplage peut être en général égale ou différente de celle du coupleur 36, possèdent deux accès respectivement reliés aux accès 28 et 33 des signaux de différence des jonctions hybri des 18 et 19, un inverseur de phase 39 étant interposé dans la liaison avec l'accès 33 du signal de différence de la jonction hybride 19. Un autre accès du coupleur de signaux 38 est relié à la borne 41 de signaux de différence et l'autre accès est relié à un termineur TY adaptateur d'impédance. On va maintenant décrire le fonctionnement du circuit de la figure 1 pour un radar ou un sonar de recherche monopulsé dans lequel les impulsions émises sont appliquées sur la borne 37 de signaux de somme et les impulsions d'écho reçues apparais sent à la fois sur la borne 37 de signaux de somme et sur la borne 41 de signaux de différence. Les impulsions de la porteuse modu lée émettrice sont appliquées sur la borne 37 et le coupleur de signaux 36 envoie cette énergie impulsionnelle (pas nécessairement en quantités égales) sur les accès 27 et 32 des signaux de somme des jonctions hybrides 18 et 19. Les accès 26 de la jonction hybri de 18 distribuent l'énergie impulsionnelle de façon égale aux deux moitiés de la ligne A ou 16, à partir d'où cette énergie impulsionnelle est distribuée suivant des quantités prédéterminées aux éléments rayonnants 12, par l'intermédiaire des déphaseurs 14, au moyen des coupleurs 21 à guides d'ondes croisés. De même les accès 31 de la jonction hybride 19 appliquent l'énergie impulsionnelle émise de façon égale sur les deux moitiés de la ligne B ou 17 et les coupleurs à guides d'ondes croisés 22 envoient le signal, suivant différentes quantités predéterminées, aux lignes indivi duelles d'alimentation i3 où ces signaux se combinent avec les signaux de la ligne A au niveau des coupleurs à guides d'ondes croisés 21 d'une manière qui va être décrite. L'énergie en excès aux extrémités des lignes A et B est absorbée par les termineurs de dissipation TA et TB. A la réception d'une impulsion d'écho par les éléments rayonnants 12, le signal reçu est envoyé, par l'intermédiaire des déphaseurs 14, vers les lignes individuelles d'alimentation 13 à partir desquelles une partie de l'impulsion reçue est envoyée vers la ligne A par les coupleurs à guides d'ondes croisés 21, et une autre partie de cette impulsion est envoyée vers la ligne B par les coupleurs à guides d'ondes croisés 22. Le signal d'entrée sur la ligne A est envoyé vers les accès 26 de la jonction hybride 18 et le signal d'entrée sur la ligne B est envoyé vers les accès 31 de la jonction hybride 19. Les signaux d'entrée provenant des accès 27 et 32 des signaux de somme des jonctions hybrides sont transmis à la borne 37 de signaux de somme, par l'intermédiaire du coupleur de signaux 36, et les signaux provenant des accès 28 et 33 des signaux de différence sont transmis à la borne 41 de signaux de différence par l'intermédiaire du coupleur de signaux 38, l'inverseur de phase 39 étant interposé, comme représenté, sur une des connexions aux accès des signaux de différence afin d'obtenir une phase convenable pour le signal de différence dans le coupleur de signaux 38. Avant de décrire les caractéristiques physiques particulibres des coupleurs à guides d'ondes croisés 21 et 22 par rapport aux autres composants du circuit, il est utile pour la compréhension d'expliquer pourquoi 11 est souhaitable que les caractéristiques du réseau soient différentes pour les signaux de somme et les signaux de différence, ce qui explique pourquoi il est souhaitable que les modes d'excitation additif et différer tiel soient complètement indépendants. Pour le mode de fonctionnement additif les facteurs principaux sont une amplitude maximale pour le faisceau principal unique ainsi qu'un rayonnement très faible des lobes latéraux. Comme il est très bien connu, ceci est facilement réalisé à l'aide d'une répartition d'amplitu le long de chaque moitié du réseau, se rapprochant d'une fonction d'excitation du type fonction de Taylor identique à la courbe de distribution 51 de signaux représentée dans la figure 3. Cependant, dans le mode de fonctionnement différentiel le facteur principal est constitué par une très grande sensibilité angulaire du faisceau ainsi que par un faible rayonnement des lobes latéraux Pour réaliser ceci, la répartition d'amplitude pour une rangée d'éléments radiants doit présenter un maximum au voisinage du centre de chaque moitié du réseau, comme représenté par la courbe 52 du signal différentiel de la figure 3. Dans la figure 3 l'axe horizontal 53 représente la distance D le long de chaque moitié du réseau à partir du centre C vers l'extrémité E, l'axe vertical 54 représente l'amplitude Am des signaux des éléments rayonnants pour les courbes 51 et 52, et la phase Ph pour la courbe 77 qui sera décrite ci-après. Ces caractéristiques indépendantes pour les modes de fonctionnement additif et différentiel sont obtenues à l'aide du réseau en tandem suivant la présente invention. Les figures 4 et 5 permettent de comprendre la base de la théorie du fonctionnement d'un circuit d'alimentation série en tandem et de programmer un calculateur pour obtenir les valeurs optimales de couplage des coupleurs à guides d'ondes croisés 21 et 22. Dans la figure 4, le signal d'entrée Vi est appliqué sur la branche ou accès d'entrée 61 d'un coupleur à guides d'ondes croisés 62 (qui peut être utilisé à la place des coupleurs 21 ou 22 dans la figure 1) et une partie Vc de ce signal est envoyée vers l'accès 63 disposé- transversalement par rapport à l'accès 61, comme indiqué par la flèche 64, et la tension émise Vt apparaît sur l'accès 66. Des ondes de sens inverses sont envoyées vers le termineur 67 au niveau de l'accès 68, comme indiqué par la flèche 69. Dans le diagramme de la figure 5, la tension d'entrée Vi est représentée par le vecteur de phase 71, la tension émise Vt est représentée par le vecteur de phase 72, formant un angle 6 par rapport au vecteur de phase Vi, et la tension couplée Vc est représentée par le vecteur de phase 73 qui forme un angle de 900 avec le vecteur de phase 72. Les ondes couplées et émises peuvent être exprimées par les équa tisons -j Vc = j Vi sin (6) > et Vt = Vi cos (or) Q Ces relations supposent une directivité parfaite des coupleurs et satisfait à la conservation de l'énergie puisque On considérera un coupleur z guides d'ondes croisés de 10 db. Avec une valeur de puissance d'entrée égale à une unité, les tensions normalisées apparaissant aux accès de la tension couplée et de la tension émise seront Vc = j 0,316 # -j.18,4 et Vt = 0,948 # -j-18,4 En se référant maintenant à la figure 4, si une tension normalisée V = -J.0,333 est introduite au niveau de l'accès 68 qui est l'accès normalement relié au termineur dans le coupleur à guides d'ondes croisés, sa contribution au niveau de l'accès 63 sera Vo - -j 0,316 t -j18,4 d'amplitude égale et de phase opposée par rapport à la tension envoyée vers l'accès 63 à partir de l'accès 61.- Par superposition l'onde résultante au niveau de l'accès 63 est maintenant nulle. D'autre part, l'onde résultante ag niveau de la branche ou de l'accès principal 66 est augmentée jusqu'à la valeur -j.18,4 -j.18,4 Vm - 0,948e; + 0,105 -j.18,4 soit Vm = 1,053 e Cette valeur satisfait à la conservation de l'énergie puisque (1,0)2 + (0i333)2 - (1,053)2 Si, contrairement à ce que l'on a vu ci-dessus, l'onde de tension introduite dans l'accès normalement relié au termineur du coupleur avait une phase opposée, l'onde résultante couplée dans la branche 63 et l'onde résultante émise dans la branche 66 auraient respectivement des amplitudes égales à 0,632 et 0,843. Cette combinaison de valeurs satisfait encore au critère de la conservation d'énergie. I1 est évident que l'amplitude résultante des tensions additives, en phase et déphasées, peut être déterminée par un contrôle approprié des contributions des deux ondes. Les valeurs de déphasage des déphaseurs fixes 23 sont choisies de façon à compenser les déphasages produits par les actions relatives des coupleurs à guides d'ondes croisés 21 et 22 et par la différence de longueur du trajet des signaux dans les lignes individuelles d'alimentation 13. En se basant sur les facteurs précédemment mentionnés les solutions peuvent être obtenues à l'aide d'un calculateur numérique. Les valeurs nomi nales des coupleurs à guides-d'ondes croisés, des déphaseurs fixes et de la répartition de puissance entre les lignes A et B peuvent être calculées de façon à obtenir les deux caractéristiques d'excitation indépendantes souhaitables pour les modes de fonctionnement additif et différentiel, comme représenté par les courbes 51 et 52 dans la figure 3. D'après les valeurs obtenues à l'aide d'un calculateur comme décrit ci-dessus, on a trouvé que les valeurs imposées aux déphaseurs fixes 23 peuvent varier d'une façon sensiblement linéaire, comme représenté par la courbe 76 en pointillé dans la figure 3, cette courbe présentant une inversion de phase brutale de 1800 au point 77 le long de chaque moitié du réseau, en un point légèrement décalé vers l'extérieur par rapport au point d'intersection 55 des courbes de distribution 51 et 52 pour les modes de fonctionnement additif et différentieleDans la forme de réalisation représentée, cette discontinuité de phase apparaît au voisinage du point milieu de chaque moitié du réseau et, par conséquent, en ce point le déphaseur fixe 23, aussi bien que les déphaseurs suivants disposés vers l'extérieur par rapport à celui-ci, devront présenter ce déphasage de 1800 comme indiqué par la courbe 78 de la figure 3. Dans la forme de réalisation de la figure 2, les éléments identiques à ceux de la figure 1 seront désignés par la même référence. La forme de réalisation de la figure 2 est identique à celle de la figure 1 mis à part que l'on a supprimé les différents déphaseurs fixes 23 sur les lignes individuelles 13 et que chaque moitié de la ligne B est inclinée par rapport à la ligne A et est plus courte que celle-ci. La valeur de l'inclinaison de la ligne B vers la ligne A est proportionnelle à l'approximation linéaire de la courbe de correction d'erreur de phase 76 de la figure 3, ce qui corrige les différences de phases relatives provenant de la longueur de ligne 13 existant entre les coupleurs à guides croisés 21 et 22 ainsi que les déphasages directionnels des coupleurs directionnels 21 et 22 de chaque ligne individuelle d'alimentation 13. L'inclinaison de la ligne B, proportionnelle à l'inclinaison de la courbe de correction de phase 76, élimine la- nécessité d'utiliser des déphaseurs fixes 23 distincts comme dans le dispositif de la figure 1. Dans la figure 2, la ligne B ou 17 se termine, pour chaque moitié du réseau, en un point situé juste avant l'apparition de l'inversion de phase 77 représentée dans la figure 3 étant donné l'impos sibilité physique d'obtenir une inclinaison suffisante ou d'autres moyens de correction de phase au point de discontinuité 77. La ligne tronquée B représentée dans la figure 2 contient un nombre suffisant de points de contribution différents vers les coupleurs 21 et la ligne A pour atteindre les buts de la présente invention. En alimentant en tandem les lignes individuelles couplées aux éléments rayonnants et en interconnectant les lignes A et B en leur centre à la fois pour les modes de fonctionnement additif et différentiel, la présente invention permet d'obtenir une indépendance plus grande des modes de fonctionnement additif et différentiel de façon à obtenir des caractéristiques souhaitéta, comme décrit en se référant à la figure 3, ce qui atteint les objectifs souhaités. Bien que l'on ait décrit des formes de réalisation particulières de la présente invention, il est évident pour ceux qui sont familiers avec cette technique que l'on peut y apporter différentes modifications et obtenir d'autres formes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention. R E V E N-D I C A T I O N S 1. - Antenne à réseau du type à alimentation médiane comportant plusieurs lignes d'alimentation individuelles alimentées en série et couplées avec des éléments rayonnants, caractérisée par le fait qu'elle comporte deux lignes d'alimentation en tandem, chacune de ces lignes étant couplée, en différents points de leur longueur, aux lignes individuelles d'alimentation et alimentant celles-ci en série, deux jonctions hybrides possédant chacune des accès pour les signaux de somme et de différence qui sont respectivement couplés aux lignes d'alimentation en tandem en leur centre, un premier coupleur de signaux envoyant les signaux de somme des deux jonctions hybrides à une borne de signaux de somme, un second coupleur de signaux envoyant les signaux de différence des deux jonctions hybrides à une borne de signaux de différence. 2. - Antenne suivant la revendication 1, caractérisée par le fait qu'un dispositif imposant un déphasage de 1800 est interposé entre le second coup leur de signaux et la borne de signaux de différence. 3. - Antenne suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que plusieurs déphaseurs sont respectivement insérés sur les lignes individuelles d'alimentation entre les points de couplage de ces lignes avec les lignes d'alimentation en tandem. 4. - Antenne suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que les deux lignes d'alimentation en tandem sont inclinées l'une par rapport à l'autre.