Brevet FR2077969A1 — publié le 19711105

La présente invention concerne des perfectionnements aux aériens du type antenne réseau et s'applique, plus particulièrement, à stabiliser ou corriger en direction le diagramme de rayonnement d'une telle antenne lorsque l'aérien est soumis à des variations d'inclinaison par rapport à la verticale, lentes et d'amplitude limite Un cas de clé genre se-présent'e, notamment, pour des systèmes de détection électromagnétique installés à bord de navires et pour lesquels l'aérien ,soîidaire par son bâti de la mâture, est soumis aux mouvements de roulis et de tangage. Le dépointage provoqué par ces mouvements sur la direction du diagramme de rayonnement est annulé par action sur des déphaseurs associés auxéléments rayonnants du réseau. Suivant un procédé connu, un calculateur élabore à partir des informations de position de l'aérien, des signaux correctifs appliqués aux déphaseurs, ceux-ci étant généralement du type digital. Une autre méthode connue consiste à utiliser des déphaseurs à courts-circuits mobiles dont le positionnement est commandé par des asservissements alimentés à partir d'un calculateur. Ces différents procédés exigent l'utilisation d'un calculateur et corrélativement dlun système précis de repérage en position de l'aérien par rapport à des axes fixes de référence. Les déphaseurs digitaux ne permettent qu'une stabilisation par saut d'amplitude déterminée puisqu'ils n'autorisent qu'un nombre limité de valeurs de déphasages. Les déphaseurs à pistons impliquent des ensembles d'asservissement complexes comportant amplificateurs, moteurs, commandes mécaniques, pistons de court-circuit etc... Un dispositif stabilisateur conforme à la présente invention permet de rémédier aux inconvénients cités et en particulier, n' exi- ge pas d'utiliser un calculateur et les dispositifs connexes de repérage associés. Un dispositif stabilisateur elon ?l'-llventioa réalise une commande des déphasages en exploitant des variations de niveau entre colonnes de liquides, provoquées par les mouvements d'inclinaison. Suivant une caractéristique de la présente invention, les moyens de stabilisation de la direction du diagramme de rayonnement par rapport au plan horizontal (ou de correction de la direction du diagramme dans le cas d'un aérien à balayage électronique ou mécanique en site), comportent, un système de tubes communicantsà au moins deux branches taxes parallèles à l'axe vertical de l'aérien, contenant un liquide dont les surfaces de niveau sont'(ou sont rendues) réfléchissantes et équivalentès à un court circuit pour les ondes transmises dans les aites b-rancEes au moyen d'un dispositif hybride prévu en sortie de chaque branché et connes té à un élément du réseau. D'autres caractéristiques de la présente invention apparaitront dans là description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, à l'aide des figuresannexées qui représentent - la figure 1, un schéma simplifié d'un ensemble déphaseur conforme à l'invention. - la figure 2, un schéma d'un ensemble déphaseur réciproque conforme à l'invention. - la figure 3, un schéma de principe de fonctionnement d'un ensemble déphaseur selon l'invention appliqué à un réseau vertical à trois éléments rayonnantis. - la figure 4, un schéma d'un exemple d'application à un réseau plan tournant installe sur un navire. - la figure 5, un schéma d'une réalisation conforme à l'invention appliquée à un réseau vertical à 7 éléments - la figure 6, un schéma de détail d'une variante de réalisation comportant un tube à 4 branches. - la figure 7, un schéma de détail relatif à un exemple de réalisation de court-circuit flottant - la figure 8, une variante de réalisation d'un ensemble déphaseur selon l'invention utilisant une commande mécanique d'un piston agissant sur les niveaux du liquide dans chaque branche. Un dispositif déphaseur conforme à l'invention est représenté sur le schéma figure t relatif à un exemple simplifié; sa genéralisation et l'application à une antenne réseau sera décrite par la suite. Le dispositif déphaseur comporte un tube en U contenant une certaine quantité d'un liquide 5 et dont les branches I et 2 sont associées respectivement avec un dispositif hybride 3 et 4 à leur extrémité ouverte. Les branches 1 et 2 ont leurs axes situés dans un plan vertical et les mouvements imposés au système se traduisent par desmouvements de rotation dans ceplan. Ces mouvements influent sur la hauteur des colonnes du liquide dans chaque branche, celles-ci étant en communication par une branche 6 située à la partie inférieure. Dans une position initiale de référence, ou de repos, les branches t et 2 sont verticales et l'axe Z1 de l'en- semble confondu avec la verticale Z.Les hauteurs de liquide dans chaque branche sont alors égales, les niveaux s'établissant suivant la position repèrée X sur la figure. Pour une inclinaison d'angle e autour de la verticale Z, considérée dans le plan de figure, comme représenté, les hauteurs des colonnes différent d'une quantité totale 2hd mesurée selon l'axe Z1, ou d'une quan tité + # d en la considérant en valeur et en signe par rapport à la direction X de référence. Si l'on désigne par 2L la distance entre-axes des branches I et 2, A d a pour valeur Luge. Conformément à l'invention, les surfaces de niveau 51 et 52 sont, ou sont rendues, réfléchissantes pour des ondes électromagnétiques du domaine microondes et la combinaison du tube en U avec les dispositifs hybrides permet de réaliser deux déphaseurs hyperfréquences introduisant respectivement des déphasages de meme valeur et de signe inverse liés à l'angle e d'inclinaison. L'onde hyperfréquence transmise au moyen d'un dispositif hybride subit, en présence dune inclinaison e une variation de trajet de valeur moyenne 2E d considérée suivant l'axe de la branche associée. Il en résulte une rotation de phase d'amplitude ç égale à 2 kgt d, kg étant le nombre d'ondes associé à la ligne hyperfréquence (kg = 2# , Àg longueur d'onde de propagation dans la ligne).En remplaçant Ad par sa valeur en fonction de l'angle e, cette expression devient 191 = 2kg 1 tg 0. Les variations 2nd de trajet étant de signe inverse pour les branches 1 et 2, les déphasages le sont également, les ondes sortie des dispositifs hybrides 3 et 4 étant l'une déphasée de - w et l'autre de + 9. Lorsque l?inclinaison e au lieu de se produire vers la gauche de l'axe Z comme indiqué, se manifeste vers la droite de cet axe, les signes des variations de niveau sont inversés ainsi que ceux des déphasages. Chacun des dispositifs hybrides comporte une voie d'entrée, une voie de sortie et une voie de raccordement à la branche correspondante dú tube en U. Une onde hyperfréquence 9 appliquée à la voie d'entrée 7 par exemple est transmise dans la branche 1 réfléchie par ia surface 51 puis, transmise vers la voie de sortie 8. Cette onde subit une rotation de phase liée à la variation + 2 d d du trajet aller-retour de longueur 2 (L1 + Ad) parcouru usais la branche correspondante, 2L étant la longueur du trajet pour une inclinaison e nulle. La longueur L1 peut être ajustée par dosage de la quantité de liquide de sorte que chaque déphaseur constitué par un dispositif hybride et la branche associée introduit un dephasage nul lorsque l'inclinaison e est nulle. Pour des applications à des systèmes radars, le dispositif hybride doit être réciproque de façon que les conditions de phase et par suite de diagramme d'antenne soient les mêmes à l'émission et à la réception. Si, par exemple, la voie 8 est connectée à une antenne et la voie 7 à l'ensemble émetteur-récepteur, une onde reçue en 8 doit suivre le même trajet hyperfréquence que celui parcouru à l'émission ctest-à-dire, ressortir en 7 après réflexion dans la branche 1 correspondante du tube. Un exemple de réalisation de ce type est représenté sur la figure 2, où chaque dispositif hybride comporte quatre voies. Une onde hyperfréquence A appliquée à la voie 20 est divisée en deux par la jonction 21.Les ondes A1 et A2 suivent des trajets distincts de même longueur avant de reformer à la jonction 24 l'onde de sortie Ae i. Chacune d'elles subit durant ce trajet une réflexion dans une voie distincte, 22 pour A1 et- 23 pour A2' Par souci de clarté, la séparation des voies 22 et 23 est indiquée perpendiculaire au plan de figure; cette séparation peut être produite parallèlement à ce plan et dans ces conditions les niveaux moyens des liquides n'accusent pas de différence. il n'est pas exclu, non plus, d'utiliser deux tubes en U identiques dont les branches respectives sont disposées l'une derrière l'autre. Si inversement l'onde hyperfréquence est appliquée à la voie 25, on obtient de manière similaire une onde Ae en sortie de la voie 20. il a été considéré que l'angle e 'inclinaison introauit par variation du niveau du liquide, le déphasage indiqué e -j9 > dans l'expression de tonde de sortie. il est entendu que d'autres dispositifs hybrides réciproques de type connu peuvent être utilisés pour des applications du genre considéré.Le second dispositif déphaseur produit une rotation de phase inverse, l'onde en sortie a pour expression Ae + L'ensemble décrit à l'aide de la figure 1 ou 2 permet de constituer deux dispositifs déphaseurs variant de manière inverse en fonction de l'inclinaison Q. Conformément à l'invention, les déphasages obtenus sont utilisés pour stabiliser le diagramme de rayonnement d'une antenne du type réseau, par rapport au plan horizontal. Dans les applications les plus fréquentes, le réseau est régulier et uniforme c'est-à-dire que les antennes élémentaires le composant sont régulièrement distribuée-s et que la variation de phase d'un élément au suivant est constante. La distribution est faite selon une ligne pour un réseau linéaire, ou plusieurs lignes dans le cas d'un réseau plan. Le principe de fonctionnement de la stabilisation est décrit à l'aide de l'exemple simple représenté sur la figure 3.Le réseau linéaire E1 E2E3 est vertical et prouuit un diagramme directionnel d'axe H horizontal. Sn appliquant les variations de phases indiquée, + 9 pour les éléments d'extrémité on obtient un incrément 9 de variation entre E3 et E2 et,/E2 et E1, ex e E1, ce qui produit une rotation e1 de l'axe de rayonnement. L'angle e1 est lié à 9 > par la relation 9 > = 2X D sin e1 où, D est la distance entre éléments successifs et A la longueur d'onde dans l'air.En considérant que les déphasages + w sont produits pour une inclinaison e par l'ensemble déphaseur décrit précédemment, la stabili sation du diagramme est obtenue si # e = - 01, soit, en réalisant la condition (2#) D sin e = 2 ( Ag ) Ltge. qui impose pour des va leurs angulaires faibles 2L r D 2 ou sensiblement 2L = D. Si, par par exemple, D = A , ladistance entre-axes des branches 1 et 2 est sensiblement égale à une longueur d'onde. il y a lieu de remarquer que la correction de phase fournie varie en tge et que la variation de phase réelle varie en sine.L'erreur introduite reste donc faible; à titre d'exemple, si la précision relative de phase est imposée inférieure à 5% , l'angle e d'inclinaison peut varier dans la plage + 20 environ et l'erreur de pointage maximale pour la valeurs limites de e reste inférieure à 10. Un exemple d'application est illustré sur la figure 4. L'aérien d'un système radar de veille comporte un réseau vertical plan 40 constitué de trois réseaux linéaires horizontaux 41, 42, 43. L'ensemble déphaseur est situé dans le plan vertical de rotation perpendiculaire au plan du réseau 40 et tourne avec l'aérien. Selon l'inclinaison + e de l'axe de rotation par rapport à la verticale, due, par exemple, au roulis et au tangage subis par le batiment supportant ce radar, les corrections de phase + 9 et + + correspon- dantes sont appliquées respectivement sur les réseaux extremes 41 et 43 et entrassent la stabilisation automatique du diagramme de rayonnement par rapport an plan horizontal. La figure 5 concerne une application généralisée à un réseau vertical comportant plus de trois éléments. Le nombre de ces éléments ou antennes élementaires a été réduit à 7 par souci de simplification mais il peut être plus élevé. De même, on peut considérer que chaque élément symbolise un réseau linéaire horizontal perpendiculaire au plan de la figure, l'ensemble aérien formant un réseau plan. Le montage comporte une succession de trois ensembles déphaseurs conformes à l'invention, connectés en cascade, le premier 53 produisant les déphasages + 9 destinés aux éléments 57-58, le second permettant d'élaborer des déphasages + 29 pour les antennes 59-60 et le troisième les déphasages + 3 9 pour les antennes terminales 61-62.A cet effet, les entrées d'un ensemble déphaseur d'ordre p sont alimentées respectivement par les sorties de l'ensemble déphaseur d'ordre p - 1 au moyen de coupleurs ou jonctions non figurés. Un groupement de n ensembles déphaseurs est utilisé pour un réseau comportant 2n ou 2n + 1 éléments rayonnants. Ces n ensembles sont situés dans un même plan vertical comportant l'axe de rayonnement du lobe. Une variante de réalisation, conforme à la présente invention consiste en un ensemble déphaseur où le tube à deux branches est remplacé par un tube à 2n branches verticales. Leur disposition est déterminée pour obtenir une succession de déphasages correspondants. Une répartition régulière des branches, symétriquement, de part et d'autre de l'axe Z1, permet d'obtenir les différentes valeurs de déphasage + 9 9 > + 2 9 > ... + n ç nécessaires pour un réseau uniforme. En particulier, une réalisation à 6 branches convient au cas d'application du réseau de la figure 5, où elle remplacerait les trois ensembles déphaseurs connectés en cascade. A titre indicatif, la figure 6 représente un cas simple d'un tube à quatre branches. Les branches terminales 13 et 14 sont à une distance 2L de l'axe Z1, double de la distance L des premières branches 11 et 12 audit axe. En conséquFnce, les variations de niveau ont les valeurs + # ddans la première paire de branches 11-12 et + 2 A d dans la seconde paire de branches 13-14. L'association à des dispositifs hybrides permet d'élaborer les déphasages + 9 > et + 2 . Une troisième paire de branches serait disposée à une distance 3L de l'axe Z1 et ainsi de suite* il est nécessaire de réaliser la condition de réponse simultanée dans les différentes branches, compte tenu de l'inertie du liquide et des caractéristiques de vitesse et d'-amplitude des sollicitations entraSnant l'inclinaison O. A cet effet les sections des tubes pourront être de différentes valeurs notamment pour les tubulures de raccordement des différentes branches0 Leur détermination sera faite en fonction des lois régissant l'écoulement des fluides. De manière préféree, le liquide utilisé dans les tubes est du mercure autorisant une réalisation simple de courtscircuits mobiles fonctionnant en tTerffeqenat avec despuissances pouvant être élevées. Un autre mode de réalisation est représenté sur la figure 7 où l'on considère que le liquide 5 est un mauvais conducteur électrique, de l'huile par exemple. Une rondelle 71 en matériau isolant est posée sur la surface de niveau. Sa densité est inférieure à celle du liquide et sa section légèrement inférieure à celle du tube pour lui permettre de flotter et de suivre sans frottement les variations de niveau du liquide Une faible quantité de mercure 72 est versée au-dessus de la rondelle 71. Compte tenu des propriétés de capillarité au mercure et du jeu faible réalisé entre la rondelle 71 et le tube, l'ensemble 71-72 reste au-dessus du liquide 5 et la surface de niveau du mercure constitue un court-circuit pour les microondes. D'autres types de courts-circuits flottants peuvent être réalisés en utilisant, selon des techniques connues, des montages à effet capacitif ou à piège. La section des branches du tube a une forme adaptée à celle des lignes de propagation des ondes utilisées, par exemple, une forme rectangulaire pour un raccordement à un guide rectangulaire ou bien, une forme circulaire pouvant être raccordée à un guide de même type ou à la gaine extérieure d'un coaxial. Les parois des branches doivent etre conductrices au moins, sur la hauteur d'exploitation envisagée soit L1 + ss d max. Un dispositif stabilisateur conforme à l'invention est utilisé avec une grande efficacité lorsque les variations de e sont lentes et ne comportent pas d'oscillations0 En pratique, le système répond efficacement et avec précision à des sollicitations produisant une inclinaison maximale de + 250 et de périodicité de l'ordre d'une dizaine de ezon*31e- o iai permet notamment son exoloitation pour des aériens radars à balayage panoramique lent installés à bord de navires. L'effet des oscillations est amorti par un bon dimensionnement du conduit de communication entre les bras. Dans le cas où du mercure est utilisé, il est en outre possible de résorber l'agitation superficielle, due à des secousses ou à des vibrations par exemple, en disposant sur les surfaces de niveau des billes d'acier de diamètre déterminé. Une variante de réalisation de la présente invention peut etre envisagée de manière à accrottre la rapidité de réponse du dispositif stabilisateur. Cette variante utilise -en combinaison une commande mécanique de pistons mobiles selon les techniques antérieures connues, lesdits pistons étant réalisés par des niveaux de liquide suivant l'invention. La figure 8 représente un schéma correspondant à ce type de variante de réalisation. Un axe 81 actionne le déplacement d'un piston 82 dans le tube inférieur de commutication 87. Le piston 82 sépare la masse liquide en deux parties.Un ensemble de commande 83 groupe un calculateur et un système de repérage de position, de manière à élaborer automatiquement a valeur de déplacement de l'axe 8t en fonction de l'inclinaison e instantanée. Un dispositif fixe 84 assure l'étanchéité du tube côté axe mécanique et permet le guidage et coulissement de celui-ci. Les déplacements du piston 82 prqduisent des variations inverses de niveaux dans les branches 85-86 ; le positionnement de référence du piston pour une inclinaison e nulle est réglé pour obtenir une variation relative de phase nulle à la sortie des dispositifs hybrides non figurés. La section du tube de communication 87 peut être prise supérieure à celle des branches 85-86 comme représenté, ce qui permet, en diminuant l'amplitude de déplacement du piston 83, 'accroître la rapidité de réponse du dispositif stabilisateur.La variante décrite peut, en particulier, être associée à un aérien disposé dans la mature à une hauteur élevée au-dessus du riveau de la mer, l'aérien étant soumis de ce fait à des mouvements d'amplitude et dlaccéléra- tions trop importantes pour permettre l'utilisation d'un dispositif stabilisateur simple, lorsque celui-ci est placé à proximité. Les réalisations décrites à l'aide ddes figures 1 à 7 présentent comparativement aux systèmes connus une grande simplification d'exécution, une diminution de coft et une fiabilité améliorée. L'invention a été plus particulièrement décrive pour des applications à des systèmes utilisant des ondes hyperfréquences. Cette considération ne doit pas être envisagée comme limitative, les ondes électromagnétiques considérées peuvent notamment appartenir à un domaine spectral proche du domaine microondes. A titre d'exemple, l'aérien considéré utilisant un dispositif déphaseur suivant l'invention peut rayonner des ondes de fréquence de l'ordre de 500 MHz correspondant à 60cl de longueur d'onde. Il doit également être considéré que le réseau linéaire peut être à nombre pair d'éléments rayonnants ; l'élément central d'ordre 0 pris comme référence des déphasages est alors imaginaire, corres Fondant au centre géométrique du réseau, et les déphasages correc- tifs apportés sont de valeur # # pour les duex éléments les pas ?roches puis de i 39 pour les deux éléments suivants considérés de part et d'autre dudit centre et ainsi de suite. T.a distribution symétrique des déphasages par rapport au centre est alors t 9), + 3#@ #5#, + #3#, , ... , 59 (2n- 1)# pour un réseau linéaire vertical à 2n éléments. -La description qui précède a été onrée à titre d'exemple non limitatif et il est entendu que toute variante de ovalisation conforme aux caractéristiques exposée: est comprise dans l'invention. REVENDICATIONS 1. Aérien du type antenne réseau dont 3'axe vertical peut être ZOUB.liS à des variations d'inclinaison (e) de vitesse et d'amplitude déterminées par rapport à la verticale (Z) et comp'ortant,:des moyens de stabilisation, ou de correction, de la direction du diagramme de rayonnement annulant les effets desdtes variations, caractérisé par un système de tubes communicants à au moins deux branches (1, 2) d'axes parallèles à l'axe vertical (Z1) de l'aérien, contenant un liquide dont les surfaces de niveau (51-52) sont (ou sont rendues) réfléchissantes et équivalentes à un court-circuit pour les ondes transmises dans lesdites branches au moyen d'un dispositif hybride (3-4) prévu en sortie de chaque branche et connecté à un élément de réseau. 2. Aérien selon-I- revendication 1, comportant un réseau linéaire vertical uniforme à "2; t1" éléments rayonnants (ou- un réseau plan à "2n+I" réseaux linaires horizontaux) et caractérisé en c que, les moyens utilisés comprennent n ensembles déphaseurs identiques en série, groupant chacun un tube en U associé à deux dispo'sitls hybrides, les liaisons des dispositifs hybrides d'un ensemble déphaseur d'ordre p allant d'une part, respectivement aux éléments rayonnants d'ordre pet - p considéré par rapport à l'élément-ra-yonnant central d'ordre 0, et étant reliées d'autre part, respectivement, aux dispositifs hybrides d'ordre (p +'1). 3. Aérien selon la revendication 1, comportant au moins un réseau linéaire vertical uniforme à "2n+1" éléments rayonnants et caractérisé en-ce que les moyens utilisés comprennent, un système de tubes communicants à 2n branches parallèles réparties également et régulièrement de part et d'autre de l'axe central de symétrie, à un pas L déterminé l'unie de la suivante,les deux premières branches étant à une distance L dudit axe, lesdites branches étant respectivement associées à 2n dispositifs hybrides connectés eux-mêmes respectivement aux éléments rayonnants situés de part et d'autre de l'élément central du réseau. 4. Aérien selon la revendication 1 comportant un réseau linéaire vertical uniforme à "2n" éléments rayonnants (ou un réseau plan à "2n" réseaux linéaires horizontaux) et caractérisé en ce que, les moyens utilisés comprennent n ensembles déphaseurs en série groupant chacun un tube en U associé à deux dispositifs hybrides, les liaisons des dispositifs hybrides d'un ensemble déphaseur d'ordre p allant d'une part, respectivement aux éléments rayonnants d'ordre p et - p considéré par rapport au centre géométrique du réseau pris comme élément fictif d'ordre 0, et étant reliées d'aut-re part, res pectivenent aux disposit-fs hybrides d'ordre (p + 1 > , les ensembles déphaseur d' ordre p différent de 1 étant identiques et produisant des déphasages de valez double de ces produits par 11 ensemble déphaseur d'ordre 1. 5. Aérien selon la revendication 1 comportant om réseau linéaire vertical uniforme à "2n" éléments rayonnants (ou un réseau plan à "2n" réseaux linéaires horizontaux) et caractérisé en ce que, les moyens utilisés comprennent, un système de tubes communicants à 2n branches parallèles espacées régulièrement à un pab L l'une de l'autre et associées respectivement à 2n dispositifs hybrides connectés eux-mêmes respectivement aux éléments du réseau. 6. Aérien selon la revendication 1, 2, 3, 4 ou 5 caractérisé en ce que le liquide est du mercure. 7. Aérien selon la revendication 1, 2, 3, 4 ou 5 caractérisé en ce que le liquide est surmonté dans chaque branche d'un dispositif flottant, coulissant sans frottement et constituant un plan de court-circuit pour les microondes. 8. Aérien selon la revendication 1, 2 ou 4, caractérisé en ce que, la masse liquide du tube en U est séparée en deux parties par un piston (82) situé dans la branche inférieure (87) de communication, ledit piston tant actionné par un axe mécanique (81) dont les déplacements sont commandés en fonction de l'inclinaison par un ensemble de commande (83), un dispositif (84) assurant l'étanchéité du tube et le guidage de l'axe mécanique. 6, 7 9. Aérien selon la revendication 1, 2, 3, 4, 5,/ou 8, caractérisé en ce que les dispost:f hybrides sont du type réciproque.