Brevet FR2134146A1 — publié le 19721208

La présente invention concerne une antenne à balayage électronique avec compensation de gain et d'ouverture de lobe. XI est connu d'effectuer un balayage électronique du lobe ou une commutation du lobe d'un réseau d'antennes en faisant varier 5 le déphasage entre les courants d'alimentation d'antennes ou de radiateurs primaires identiques formant un réseau. XI est également connu que l'angle utile de balayage est limité par l'augmentation d'ouverture que subit le lobe au cours du balayage. On connaît par la demande de brevet français No. 71/01.105 du 10 14 Janvier 1971 au nom de la présente demanderesse des antennes en f orme de splière de Luneberg dont au moins le noyau sphérique central est en matériau ferrimagnétique et qui possèdent des moyens de faire varier la perméabilité dudit noyau. Il en résulte une variation de l'angle d'ouverture du lobe rayonné par l'antenne. 15 On connaît également par la demande de brevet No. 70/28.150 du 30 Juillet 1970 au nom de la présente demanderesse une structure d * antenne à ouverture variable à commande purement électronique constituée par un cierge muni d'un revêtement au moins partiel de matériau ferrimagnétique associé à des bobinages. 20 L'objet de l'invention est de compenser, au cours du balayage électronique, la variation d'ouverture du lobe dans les réseaux d'antennes utilisant des antennes élémentaires à ouverture variable. Conformément à l'invention, le réseau d'antennes à balayage électronique à compensation de l'ouverture en fonction du balayage 25 est un réseau d'au moins deux antennes élémentaires de l'un des types mentionnés ci-dessus comprenant des moyens de faire varier le déphasage entre les courants à micro-ondes alimentant les antennes du réseau et des moyens de faire varier corrélativement le champ magnétique appliqué aux éléments ferrimagnétiques des antennes 30 élémentaires de façon que l'ouverture du lobe reste invariante au cours du balayage. L'invariance de l'ouverture du lobe est le plus souvent le but recherché. Mais il doit être entendu que l'on peut régler la corrélation entre le déphasage faisant varier l'angle de balayage 35 et le champ magnétique faisant varier l'angle d'ouverture de façon à obtenir une relation prédéterminée entre ces deux angles. Dans une réalisation préférée de l'invention, le déphasage est obtenu au moyen de déphaseurs variables, par exemple à ferrite auxquels on applique un courant réglable, et l'angle d'ouverture ^0 désiré est obtenu au moyen d'un courant réglable envoyé dans des 71 14313 2 2134146 ' bobines entourant les éléments en matériau ferrimagnétique des antennes élémentaires. L'invariance de l'ouverture ou la loi "angle de balayage - angle d'ouverture" recherchée s'obtient donc en réglart des courants par rapport à des déphasages, ce qui revient souvent à 5 régler des courants par rapport à d'autres courants. Une réalisation particulière de l'invention va être maintenant décrite en détails à titre d'illustration non limitative en relation avec les dessins annexés dans lesquels : - les Figs. 1a et 1b représentent un réseau d'antennes primaires 10 de l'art antérieur destiné à montrer la variation de l'angle d'ouverture au cours du balayage ; - la Fig. 2 montre le lobe à balayage obtenu avec l'antenne des Figs. 1a et 1b ; - la Fig. 3 représente une sphère de Luneberg à noyau ferrimagnéti-15 que conforme à la demande de brevet No. 71/01.105 de la demanderesse citée ci-dessus. - la Fig. 4 représente une antenne à compensation d'ouverture de lobe et de gain conforme à l'invention ; - la Fig. 5 représente la variation de l'angle de balayage c - la Fig. 6 représente la variation de l'ouverture de lobe © en fonction du courant de commande des sphères de Luneberg ferrima-gnétiques pour deux valeurs différentes de l'angle de balayage ; - la Fig. 7 représente la variation du courant de commande d'ouver-25 ture des lobes individuels des radiateurs en fonction de l'angle de balayage pour obtenir une ouverture constante du lobe résultant ; et - la Fig. 8 représente un réseau d'antennes conforme à l'invention. Les Figs. 1a et 1b représentent un réseau d'antennes primaires 30 à trois dimensions de l'art antérieur composé de 2k antennes formant un rideau avant et vin rideau arrière. Le rideau avant est alimenté comme indiqué sur la Fig. 1a. L'alimentation du rideau arrière est semblable mais les courants sont partout déphasés de 90®. Il est connu, voir par exemple "Principles of Radar" Me Graw-35 Hill Book Company, Inc. 19^6, page 9-60, que l'intensité du champ résultant en un point d'une direction faisant l'angleJ3 avec l'axe Ox et l'angle 6^ = (60 Im/r) FJJ3) F2'l/2y?) F3'l/2(90) Gr/J'l/1*( kQ où Im est l'amplitude du courant d'alimentation des anteniies pri 71 14313 3 2134146 maires, et G ^,n (ex ) - sj-n N (p~n cosQQTE p sin (p-n cos Ô N ,n AT 5 P (o où N est le nombre total de radiateurs dans un alignement du réseau, n est la distance entre antennes adjacentes exprimée en longueur d'onde et p le déphasage entre antennes adjacentes exprimée en fractions de cycle. Dans la formule donnant P dé-10 signe plus piécLaanent le déphasage entre le demi-réseau de gauche et le demi-réseau de droite. On peut obtenir un balayage de lobe en faisant varier xj et ln Fig. 2 montre la position du lobe principal pour p prenant successivement les valeurs : 15 20 p = 0,1/6, 1/3, 1/2, 2/3, 5/6, 1. On voit qu'on peut obtenir un balayage de ± 20° en faisant varier p de 0 à ± 1/2. Hais pour les positions extrêmes + 20®, le lobe secondaire est devenu aussi grand que le lobe principal et si on se limite à i 14°, l'angle d'ouverture à 3dB est passé de 22° au centre à 3°" sur les bords. L'invention a pour but de conserver cet anfrle constant au cours du balayage. lin se référant à la Fig. 3 > le numéro de référence 1 désigne une sphère de Luneberg composée d'un noyau spliérique 2 ferrimagné-25 tique et d'une couche en forme de sphère creuse 3 en polythène chargé de bioxyde de titane. La permittivité de la sphère 2 est de £ - 14,9 et la permittivité de la couche sphérique 3 est de .= 4,0. Un guide d'onde 4 terminé par une bride 5 dont la face avant est profilée en forme de surface sphérique est appliqué à 30 ln surfce' de la sphère 1. Le guide d'onde 4 est vu sur la Fig. 3 par son petit côté ; le champ électrique à micro-ondes est dans le plan de la Fig. 3 et le champ magnétique à micro-ondes est perpendiculaire au plan de la Fig. 3. Il est bien évident que tout autre mode d'excitation de la lentille peut être utilisé. 35 Un enroulement 6 entoure la sphère 2 et est noyé entre celle- ci et la couche sphérique 3. L'antenne a été plus complètement décrite dans la demande de brevet français précitée à laquelle on se reportera. En se référant maintenant à la Fig. 4, 10 et 11 désignent deux 40 antennes en forme de sphère de Luneberg dont le noyau est constitué 71 14313 4 2134146 par du grenat fer-yttrium répondant à la formule 5Pe 0 , 3Y 0 . ^ J J Le diamètre du noyau est de 14 mm et celui de la splière de 22mm ; la distance entre les centres des sphères est de 30 mm. Les sphères sont alimentées par un signal à 9 GHz produit par le fîcmérateur 19 5 par l'intermédiaire du guide d'onde 12, bifurqué en deux parties 13 et 14 pour alimenter respectivement les antennes 10 et 11. On voit que le diamètre des sphères de Luneberg à noyau en matériau ferrimagnétique est ici légèrement inférieur à la longueur d'onde de l'onde rayounée. Sur les guides d'onde 13 et 14 sont interposés 10 deux déphaseurs à ferrite 15 et 16 recevant par les lignes 17 et 18 des courants de commande de déphasage 1^ et Ig. Les enroulements des antennes 10 et 11 sont alimentés en série par un courant de commande d'angle d'ouverture I. Le réglage des courants 1^ , 1^, I se fait selon des courbes relevées empiriquement pour que l'angle 15 d'ouverture ne varie pas au cours du balayage. La Fig. 5 représente pour l'antenne de la Fig. 4 la variation de l'angle de rotation du lobe o ' g 2/p troduit par les déphaseurs 15 et 16 (il s'agit des loges G^ ' ' transverses à la direction joignant les centres des antennes). Cette 20 loi de variation dépend de la distance entre antennes. Pour des raisons d'ordre mécanique la valeur optimale n'a pas été utilisée ici. La Fig. 6 représente la variation de l'ouverture du lobe 0 en fonction du courant traversant les bobines des sphères de Luneberg 25 à ferrite dans le' cas où le nombre des spires de chaque bobine est de 10. La courbe inférieure correspond à =100°). Soit à maintenir tine ouverture 0 de 28° au cours du balayage 30 électronique. On voit que le courant I parcourant les bobinages des noyaux des lentilles de Luneberg est de 2A (point M). Pour maintenir cette ouverture au cours du balayage, c'est-à-dire lorsque ip augmente suivant la courbe de la Fig. 5» le courant dans les lentilles doit être réduit suivant une loi définie expérimentalement 35 à partir des différentes courbes 0 en fonction de I pour les valeurs successives de 0( . On voit que pour la valeur maximale de l'angle de balayage ( L'angle 4 à 71 14313 5 2134146 d'un courant de commande de déphasage(l^ + 1^) (Fig. 7)• On voit donc qu'à chaque valeur de o La Fig. 8 représente le rideau avant d'une antenne conforme à l'invention dérivée de l'antenne à réseau de radiateurs primaires de la Fig. 1. Le rideau arrière est absolument semblable au rideau 10 avant mais est alimenté par une onde en quadrature de phase avec celle alimentant le rideau avant. Dans le réseau de la Fig. 8, tous les radiateurs primaires sont des antennes de Luneberg à ferrite du type de la Fig. 3. XI y en a douze pour le rideau avant et douze pour le rideau arrière. 15 Verticalement et horizontalement l'espacement entre antennes n'est pas le même que dans le cas idéal de la Fig. 1 car les antennes utilisées ayant un diamètre supérieur à la demi-longueur d'onde ne peuvent avoir tin rapprochement inférieur à la longueur d'onde. Cet inconvénient ne se présente pas lorsque les antennes 20 élémentaires sont du type décrit dans la demande de brevet No. 70/28.150 précitée. Toutes les antennes 21, 22, 25» 26, 29, 30 de la moitié de gauche du rideau avant sont excitées sensiblement en phase. Toutes les antennes 23, 24, 27, 28, 31, 32 de la moitié de droite du rideau avant sont excitées sensiblement en phase mais 25 avec un déphasage de p (en fraction de cycle) sur les antennes de la moitié de gauche. Ce déphasage est produit par les déphaseurs 15 et 16 situés respectivement sur deux guides d'ondes 13 et 14 reliés à la source de signal 19 pa*" un guide d'onde commun 12. Le guide d'onde 13 est bifurqué en deux guides d'onde 7 et 7' et le 30 guide d'onde 14 est bifurqué en deux guides d'onde 8 et 8'. Des affaiblisseurs 33-36 sont insérés sur les guides d'onde 7-8, 7*-8'. Le balayage est obtenu en faisant varier le déphasage existant entre la moitié gauche et la moitié droite du rideau avant et du rideau arrière au moyen des déphaseurs 15 et 16 et des déphaseurs 35 homologues du rideau arrière non représenté. Le réglage des ouvertures des lobes des radiateurs individuels du réseau de radiateurs est obtenu en alimentant les bobines des sphères de Luneberg à noyau ferrimagnétique. Pour cette alimentation on a disposé les sphères à noyau ferrimagnétique en série trois par trois. kO La variation du courant de commande de perméabilité des no 71 14313 6 2134146 yaux «n ferrite des antennes et la variation concomitante du courant de commande du déphasage est assurée par le circuit de commande 37. De la description des Figs. k et 8, l'homme de l'art pourra 5 déduire comment réaliser, au moyen de sphères de Luneberg à noyau ferrimagnétique ou de cierges à revêtement ferrimagnétique comme radiateurs primaires, des réseaux d'antennes à balayage de toute structure désirée. Bien entendu, l'alimentation en hyperfréquence des antennes qui, dans les exemples, est faite par guides d'onde, 10 peut être faite par d'autres lignes de transmission : coaxiale, microbande,... 71 14313 7 2134146 REVENDICATIONS 1 - Réseau d ' aritexmes à balayage électronique comprenant plusieurs antennes disposées en réseau dont chacune est alimentée par une même source de signal avec un déphasage prédéterminé entre 5 antennes adjacentes du réseau et des moyens de faire varier ledit déphasage pour obtenir un lobe résultant de direction variable avec le déphasage, caractérisé on ce que chaque antenne est une antenne à ouverture variable à commande électronique par variation du champ magnétique établi dans une partie de l'antenne réalisée 10 en un matériau à perméabilité variable, et que le réseau comprend des moyens de réglage du courant de commande de la perméabilité en fonction du déphasage en vue du contrôle de l'ouverture du lobe rayonné par le réseau d'antennes. 2 - Réseau d'anteimes à balayage électronique conforme à la 15 revendication 1 dans lequel chaque antenne est une sphère de Luneberg comportant au moins un noyau sphérique central en matériau f errimagnétique et une couciie concentrique diélectrique et est associée à un bobinage commandant la perméabilité du matériau ferri-magnétique. 20 3 - Réseau d'antennes à balayage électronique conforme à la revendication 2 dans lequel les sphères de Luneberg à noyau ferrimagnétique sont alimentées par des guides d'onde et où les moyens de faire varier le déphasage entre antennes adjacentes du réseau sont des déphaseurs à noyau ferrimagnétique insérés dans les guides 25 d'onde. h - Réseau d'antennes à balayage électronique conforme à la revendication 2 dans lequel les sphères de Luneberg à noyau ferri-magnétique sont alimentées par des lignes coaxiales. 5 - Réseau d'antennes à balayage électronique conforme à la 30 revendication 2 dans lequel les sphères de Luneberg à noyau-ferri- magnétique sont alimentées par des lignes à microbande. 6 - Réseau d'antennes à balayage électronique selon la revendication 1 dans lequel chaque antenne est constituée par un cierge muni d'un revêtement au moins partiel de matériau magnétique asso- 35 cié à des bobinages.