Brevet FR2094110A1 — publié le 19720204

i La présente invention concerne les antennes guides d'ondes. Dans les avions, et en particulier dans les avions de transport supersoniques, il est souhaitable d'avoir une antenne qui ne dépasse pas du fuselage ou de toute autre partie de l'avion sur lequel elle est montée. 5 Des antennes à faisceau orientable, du type à réseau de phase, d'un groupe de guides d'ondes de propagation à extrémités ouvertes sont connues, les guides d'ondes du réseau étant montés parallèlement les uns aux autres et rayonnant à travers des ouvertures ménagées dans un plan de terre affleurant le revêtement extérieur du fuselage de l'avion. Toutefois, un guide d'onde de propagation doit 10 avoir une largeur supérieure à la moitié de la longueur d'onde de fonctionnement c'est-à-dire^ à AQ/2, tandis que l'intervalle entre les lignes centrales de deux guides d'ondes adjacents doit être égal environ à 0,57 AQ> pour obtenir une t capacité d'exploration de faisceau utilisable pratiquement de - 60°. Ceci présente un problème très sérieux dans l'organisation géométrique des 15 éléments rayonnants, en relation avec lesquels apparaît également le problème de l'organisation de l'appareillage d'alimentation dans l'avion, où l'espace disponible et le poids admissible peuvent être limités. Selon l'invention il est proposé une antenne guide d'ondes caractérisée en ce qu'elle comporte î 20 - un ou plusieurs éléments rayonnants comprenant chacun une longueur de guide d'ondes à extrémités ouvertes, ayant une fréquence de coupure supérieure à la fréquence de fonctionnement de 1'antenne^ à la suite de quoi seulement les ondes évanescentes peuvent exister dans la longueur du guide d'ondes à la fréquence de fonctionnement et ladite longueur présente une impédance caractéristique imagi-25 naire ; - des moyens pour terminer la longueur ou bien chacune des sections de la pluralité des sections successives de la longueur sur une réactance qui, à la fréquence de fonctionnement.,est la conjuguée de l'impédance caractéristique imaginaire de ladite longueur de guide d'ondes. 50 En utilisant des éléments rayonnants de guide d'ondes fonctionnant dans le mode évanescent, appelé ci-après "guide d'ondes évanescenton obtient une réduction significative à la fois en espace et en poids. Pour une fréquence de fonctionnement donnée,les dimensions de largeur et de hauteur du guide d'ondes évanescent sont inférieures aux dimensions du guide 55 d'ondes de propagation, et comme les éléments rayonnants du guide d'ondes évanescent ont, de manière inhérente, une largeur de bande facilement contrôlée (celle-ci étant déterminée par la longueur du guide d'ondes), la nécessité d'avoir des filtres de réjection d'harmoniques dans le circuit d'alimentation est éliminée. Le mécanisme à l'aide duquel on obtient un transfert d'énergie complet à 40 travers le guide d'ondes évanescent est pleinement décrit dans "Filtres à bande 71 20658 2094110 3 passante de guide d'ondes utilisant des modes évanescents" de G.F.CRAVEN, Lettres Electroniques, volume 2, n° 7» juillet 1966 pages25 et 26,et dans le brevet Français n° 1 526 605, déposé le 9 juin 1967 par la demanderesse. Toutefois, le mécanisme peut être décrit succinctement par le paragraphe suivant. Comme cela est bien connu, un guide d'ondes à mode dominant cesse de propager des ondes progressives au-dessous de sa fréquence de coupure, et le mode est appelé "évanescent". Un guide d'ondes dans lequel le mode dominant est évanescent présente une impédance caractéristique (jZo) imaginaire positive (inductive) pour un mode H incident et une constante de propagation réelle, et en conséquence, se comporte essentiellement comme une réactance pure. Si une section courte (de longueur l) de ce guide est terminée sur un obstacle qui présente une réactance conjuguée (capacitive) à une fréquence inférieure à la fréquence de coupure, la puissance incidence à cette fréquence est complètement transmise à travers la section. L'obstacle capacitif peut prendre la forme d'une vis, d'un diaphragme, ou bien d'une tranche mince de diélectrique. Dans les deux exemples de réalisation décrits ci-après, c'est-à-dire une antenne à faisceau orientable et une à faisceau fixe, respectivement, une vis est utilisée comme obstacle dans le guide à mode simple de l'antenne à faisceau fixe, étant donné que le mode polarisé orthogonal ement n'est pas résonnant et que son effet est inclus dans les impédances équivalentes globales de l'obstacle. Quand une polarisation circulaire est nécessaire, les modes orthogonaux H1Q et HQ1 sont dégénérés et, pour cette raison, une vis ou bien un diaphragme engendre un degré élevé de polarisation croisée. Eh conséquence, des tranches de diélectrique sont utilisées comme obstacle capacitif dans l'antenne à faisceau orientable considérée ici. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée ci-dessous. ' Bien entendu la description et le dessin ne sont donnés qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. La figure 1 est taie vue de l'extrémité rayonnante d'une antenne à faisceau fixe, à deux éléments, et d'un plan de terre. La figure 2 est une vue latérale montrant les détails de l'un des éléments de guide d'ondes évanescent de l'antenne de la figure 1. Les figures 2A, 2B et 2C illustrent, respectivement, le taux d'ondes sta-tionnaires en fonction de la fréquence, les diagramnes polaires dans les plans H et E pour l'antenne à faisceau fixe à deux éléments. La figure 3 représente, d'une manière synoptique,un exemple de réalisation d'une antenne à réseau de phase à faisceau orientable, d'un plan de terre et des circuits d'alimentation associés. La figure 4 est une vue de l'extrémité rayonnante du réseau de la figure 3. 71 20658 2094110 .3 La figure 5 est une vue latérale représentant des détails de l'un des éléments de guide d'ondes évanescent du réseau de la figure 3. L'antenne à faisceau fixe, représentée sur les figures 1 et 2, est réalisée pour fonctionner sur une bande allant de 5 à 5*25 GHz et comprend deux guides 5 d'ondes évanescents 1, chacun de longueur £ , dont les extrémités ouvertes se terminent sur des ouvertures ménagées dans un plan de terre conducteur 2. Chaque guide d'ondes présente une alimentation co-axiale 3 provenant d'une sou ce hy-perfréquence (non représentée). Au milieu de la longueur X de chaque guide d'ondes 1, est placée une vis capacitive 4 s'étendant dans ce guide d'ondes à 10 partir de sa grande paroi. Chaque guide d'ondes présente une longueur £de 25mm, une largeur b de 19mm, et un intervalle entre les lignes centrales s de A^2. Chaque vis capacitive 4 est réglée pour donner la condition d'adaptation conjuguée requise pour le transfert d'énergie à travers le guide d'ondes correspondant à la fréquence de fonc-15 tiornement. A l'extrémité ouverte de chacun des guides d'ondes évanescents 1, se trouve une tranche mince de diélectrique 5> affleurant le plan de terre 2. Cette tranche permet d'assurer une continuation physique du plan de terre, quand l'antenne est montée dans un avion ,1e plan de terre affleurant le revêtement extérieur du fuse-20 lage de l'avion ; cette tranche permet également de prendre en considération l'effet de jonction à l'ouverture. Le rapport mesuré d'ondes stationnaires d'entrée de l'antenne, est représenté sur la figure 2A, et on peut observer qu'il est minimal pour la fréquence centrale et croît approximativement de 1,9 sur les bords de la bande. Les figures 2C 25 et 2B illustrent, respectivement, les diagrammes polaires mesurés dans les plans E et H ce qui démontre que seulement le mode existe dans l'ouverture. Les largeurs de faisceau de puissance moitié, dans les plans E et H sont, respectivement, de 60° et 84°. L'antenne présente une perte d'insertion d'environ 0,2 dB et un gain mesuré de 8,7 dB. 30 Le diagramne polaire est dérivé de la manière habituelle, en fonction du champ électrique dans l'ouverture du guide d'ondes, ce qui engendre les équations suivantes pour 0 et 0, pour les composants du champ : Ee # AI (©, 0) cos 0 E0 t -AI (©, 0) sin 0 cos © 35 dans lesquelles : k 2 0 -jkr A _ . A - • J l 2TT k r o i (e, 0) = jf ea (x>y)+ ÔWdx dy dans lesquelles E^ (x,y) représente le champ transversal dans l'ouverture du 71 20658 2094110 guide d'ondes, polarisée le long de l'axe de x correspondant à 0 = 0 et 6 = 90°. w = k sin © cos 0 o u = k sin © sin 0 o dans lesquelles kQ représente le numéro de l'onde d'espace libre. L'intensité du rayonnement est : \E© | 2 + \E0 i 2 " |l 1 2 C1 ~ sin 2 © sin~2 0) Pour line antenne constituée par une simple ouverture soumise à K a^/jT , et b et fonctionnant dans le mode Hq^, on a trouvé que I (Q,0f varie légèrement sur la moitié complète de l'espace © 2 2 tivement proportionnel à (1 - sin © sin 0). Le diagramme dans le plan E (0 = 0) est presque complètement uniforme pour toute valeur de ©, tandis que dans le plan H (0 =7f /2) l'intensité de rayonnement diminue au moins aussi rapidement que cos ©. Avec le double réseau de guide d'ondes et les guides d'ondes séparés de Àq/2 pour la fréquence centrale, et excités avec une phase et une amplitude égales, I ( 9,0) se réduit au facteur de réseau suivant : cos ( 1C/2 sin © cos 0). L'antenne à faisceau orientable représentée sur les figures 3» 4, et 5» est réalisée pour fonctionner à une fréquence de 1,6 GHz, et comprend un réseau 3 X 5 M guides d'ondes évanescents 10, dont les extrémités ouvertes se terminent sur des ouvertures ménagées dans un plan de terre conducteur 11. Une source hyperfréquence (non représentée) alimente un diviseur de puissance 12 qui divise de manière égale la puissance envoyée au réseau par l'intermédiaire desdéphaseurs 15, réglables individuellement. Chaque guide d'ondes évanescent présente des alimentations co-axiales orthogonales l4 et 15 pour engendrer les modes H^q et HQ1 avec une amplitude égale et en quadrature de phase. Chaque guide d'ondes évanescent présente une hauteur égale à sa largeur égale à 50mm. La longueur totale de chaque guide d'ondes est de 10cm et cette longueur est constituée par trois sections de longueur ^'^2 respectivement, ces longueurs étant approximativement égales, mais non nécessairement identiques. Chaque longueur est terminée par une tranche mince de diélectrique 16 (^r = 9) pour engender la condition d'adaptation conjuguée requise. Le diélectrique aux extrémités ouvertes des guides d'ondes évanescents sert à assurer la continuation physique du plan de terre quand l'antenne est montée dans un avion, le plan de terre affleurant le revêtement extérieur du fuselage de l'avion, et sert également à prendre en considération l'effet de jonction à l'ouverture. La longueur totale des éléments rayonnants du guide d'ondes évanescent est régie par le rapport d'ondes stationnaires requises au bord de la bande, la largeur de la bande passante, et la réjection dans la bande d'arrêt. La longueur de 10cm peut être réduite de manière significative en réduisant le nombre de sections 71 20658 5 2094110 pour une exigence de filtres moins pointus. L'orientation du faisceau est obtenue d'une manière connue par la commande appropriée des déphaseurs 13. L'ouverture rayonnante relativement faible, résultant de l'utilisation de 5 guides d'ondes évanescents réduit le couplage entre les éléments en facilitant ainsi la réalisation du réseau et en permettant une bonne adaptation et un bon équilibrage sur une gamme plus large d'angles d'exploration de faisceau. Les guides d'ondes évanescents peuvent également avoir une fréquence suffisamment sélective pour éviter le besoin de filtresà la sortie des amplificateurs de 10 puissance dans les montages d'alimentation précédents. Il est possible de rendre les modes d'ordre supérieur résonnants pour avoir les caractéristiques de rayonnement souhaitées et,ainsi,il n'y a pas de problème dans la suppression des modes non souhaités, comme dans un guide d'ondes de pro pagation classique. 15 II est bon que, dans son sens le plus large, l'invention concerne une antenne guide d'ondes dans laquelle le ou les éléments rayonnants sont des guides d'ondes fonctionnant dans le mode évanescent. Bien que les principes de la présente invention aient été décrits ci-dessus en relation avec un exemple particulier de réalisation on comprendra claiirement 20 que ladite description est faite seulement à titre d'exemple et ne limite pas la portée de l'invention. 71 20658 6 2094110 REVBHDICATIONS 1. Antenne guide d'ondes caractérisée en ce que le ou les éléments rayonnants sont des guides d'ondes fonctionnant dans le mode évanescent. 2. Antenne guide d'ondes caractérisée en ce qu'elle comporte : 5 - un ou plusieurs éléments rayonnants, comprenant chacun une longueur de guide d'ondes à extrémités ouvertes ayant une fréquence de coupure supérieure à la fréquence de fonctionnement de l'antenne, à la suite de quoi seulement les ondes évanescentes peuvent exister dans la longueur du guide d'ondes à la fréquence de fonctionnement, et ladite longueur présente une impédance caractéristique imagi-10 naire ; - des moyens pour terminer la longueur ou bien chacune des sections d'une pluralité de sections successives de ladite longueur, sur une réactance qui, à la fréquence de fonctionnement?est la conjuguée de l'impédance caractéristique imaginaire de ladite longueur de guide d'ondes. 15 3. Antenne guide d'ondes selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que le guide d'ondes évanescent ou bien chaque guide d'ondes évanescent, se termine en extrémité ouverte sur une ouverture ménagée dans un plan de terre conducteur. 4. Antenne guide d'ondes selon la revendication J>, caractérisée en ce qu'une 20 tranche de diélectrique est prévue à l'ouverture ou bien à chacune des ouvertures affleurant le plan de terre. 5. Antenne guide d'ondes selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens pour terminer comportent une vis capacitive. 6. Antenne guide d'ondes selon la revendication 2, caractérisée en que les 25 moyens pour terminer comportent une tranche de diélectrique. 7. Antenne guide d'ondes selon la revendication 5» caractérisé en ce qu'elle comporte, en outre, des moyens pour engendrer un mode simple dans le guide d'ondes évanescent. 8. Antenne guide d'ondes selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle 50 comporte, en outre, des moyens pour engendrer des modes orthogonaux égaux en quadrature de phase dans le guide d'ondes évanescent. 9. Antenne guide d'ondes selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comporte : - un réseau de guides d'ondes évanescents ; 35 - un diviseur de puissance pour diviser,de manière égale„la puissance envoyée au réseau par l'intermédiaire de déphaseurs réglables, individuels.