Brevet FR2119053A1 — publié le 19720804

4637ù , 2119053 La présente invention concerne les systèmes d'antennes et plus particulièrement les réseaux cylindriques à balayage électronique, les plus utilisés dans la gamme des hyperfréquences. On a déjà utilisé des réseaux d'antennes cylindriques auxquels on demande une symétrie propre et la faculté d'avoir une rotation du diagramme ou un balayage sur 360°. Les antennes cylindriques sont également connues pour la facilité relative avec laquelle le balayage électronique sans inertie peut être appliqué. Un exemple d'un système de réseau d'antennes cylindrique connu est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3 ^7^ Wrô. Ce système concerne essentiellement le développement d'un diagramme de rayonnement d'azimut tournant en formant des lobes destiné à être utilisé dans un type particulier de système de navigation dans l'air. Dans d'autres applications, un faisceau en pinceau ou bien un faisceau en éventail vertical peut devoir être développé par le réseau et exploré rapidement en azimut sur l'angle de 360° complet. Dans ces applications, les conditions d'utilisation impliquent fréquemment une largeur de faisceau d'azimut étroite (environ 1° ou 2°) avec un ordre faible de lobes latéraux (au-dessous de -18 db) qui ne varie pas de manière appréciable quand le faisceau est balayé. La couverture sur une gamme d'angles d'élévation est également fréquemment requise avec peu ou pas de variation des caractéristiques azimutaies. Les systèmes de réseau d'antennes cylindriques considérés habituellement pour les systèmes à balayage tombent dans deux catégories principales. La première est un simple "anneau séparable" avec des alimentations en colonne, où chaque anneau (ou colonne) présente la même excitation que les autres anneaux excités (ou colonnes). L'autre catégorie comporte des montages d'alimentation d'éléments indépendants complexes, " ou chaque élément dans' le réseau est commandé indépendamment en amplitude et en phase. Ces deux catégories peuvent être obtenues sans qu'il soit nécessaire d'insérer des pertes de circuit dans le "sens'idéal. Avec le système à alimentation en colonne et à anneaux séparables simples, l'excitation de l'anneau horizontal, en amplitude et en phase, est ëngendrée indépendamment de l'excitation de la colonne verticale. Dans l'alimentation en anneau horizontal, des prévisions pour le réglage pas à pas et/ou le balayage du faisceau de 360° en azimut, peuvent être faites sous la forme d'une alimentation en matrice. Une telle alimentation en matrice offre la possibilité de commuter l'excitation autour de l'ouverture,une colonne à la fois, en maintenant ainsi la forme du diagramme. Une alimentation en anneau simple pour un nombre arbitraire d'éléments dans une colonne vient de cette tentative relativement simple. L'alimentation en colonne est constituée par des éléments passifs pour engendrer le faisEau en éventail vertical requis. L'inconvénient propre à ce système vient de ce que le faisceau en éventail vertical ne maintient pas constant cette caractéristique azimuta^e pour tous les angles d'élé 71 4637 ii 2 21 19053 vation, c'est-à-dire que le faisceau n'est pas focalisé uniformément sur sa couverture angulaire complète d'élévation. Cet effet est provoqué en "déconcentrant" les erreurs de phase introduites par la géométrie du cylindre et constitue une propriété fondamentale d'un réseau d'antennes cylindrique. Une illustration de cet effet connu 5 est représentée sur le dessin ci-joint. Le système de réseau d'antennes cylindrique "indépendant" plus complexe mentionné ci-dessus, comporte une alimentation d'éléments indépendante et équivaut à une tentative de "force brute", en ce sens que chaque élément rayonnant est commandé indépendamment en amplitude et en phase. Une telle tentative élimine complètement le 10 problème de la déconcentration associée avec la technique "séparable" plus simple et, en conséquence, elle peut être considérée comme la tentative théoriquement idéale. La mise en oeuvre d'une telle technique représente, toutefois,un très grand travail, nécessite un équipement extrêmement important et est, en conséquence, très onéreuse. Dans la mise en oeuvre d'un système d'alimentation d'éléments "indépendant", 15 des moyens de programmation doivent être prévus de telle sorte que l'excitation peut varier dans un "diagramme" inhabituel en amplitude et en phase. De plus cette excitation doit être commutée autour du cylindre pour engendrer un balayage de 360°. Une matrice de commutation, équivalente à la matrice dans la technique appelée "séparable", est nécessaire pour chacun des anneaux d'éléments dans le réseau. Ainsi, 20 pour un réseau cylindrique présentant vingt éléments dans une colonne, vingt matrices de commutation séparées sont utilisées pour balayer le faisceau. On conçoit qu'un tel système soit beaucoup trop onéreux pour être considéré comme pratique, sauf dans les situations sophistiquées et spécialement demandées où le prix de revient n'est pas un problème primordial. 25 La manière selon laquelle la présente invention remédie aux inconvénients des tentatives connues mentionnées ci-dessus pour le problème du développement d'un réseau cylindrique sera pleinement comprise à l'aide de la description qui suit. Certains composants ou sous-ensembles de la combinaison nouvelle,selon la présente invention,sont connus en eux-mêmes et ceux-ci sont décrits avec citation de 30 références descriptives appropriées pour les éléments ou sous ensembles connus. Après les inconvénients mentionnés ci-dessus des systèmes connus, on peut dire que l'objet de la présente invention est de proposer un réseau d'antennes cylindrique simplifié à faisceaux multiples qui fonctionne beaucoup mieux que le montage "séparable" et assure les performances susceptibles d'être obtenues avec la techni-35 que appelée "indépendante" tout en ne nécessitant qu'un faible accroissement de complexité sur la tentative "séparable" relativement simple. Les concepts de balayage et d'alimentation du réseau d'antennes cylindrique à faisceaux multiples mentionné dans la présente invention conduisent à une approximation de l'excitation idéale offerte par la technique "indépendante" utilisant Uo un réseau pour commander les éléments rayonnants, qui est juste légèrement'plus COPY 71 4637o 3 2119053 complexe que celui nécessaire pour la technique "séparable" simple. La possibilité d'obtenir ce résultat sans aucune perte dans le circuit est maintenue. La présente invention est soumise aux variations de ces concepts. Dans l'exemple de réalisation le plus compliqué de la présente invention, chaque commande de colonne est constituée par une matrice complète formant le faisceau avec N bornes de faisceaux d'entrée et N connexions d'éléments rayonnants de sortie Chaque borne forme un faisceau en éventail horizontal pour un angle d'élévation différent. En combinant les faisceaux en éventail engendrés pour la même élévation par chaque colonne au moyen d'une alimentation d'anneaux azimutale, on obtient un faisceau en pinceau pour l'angle d'élévation considéré. De plus, il ya une borne de matrice séparée formant le faisceau représentant chaque angle de faisceau d'élévation discret. Chaque faisceau en pinceau engendré ainsi est naturellement focalisé (concentré) pour son angle d'élévation particulier. De plus, chaque faisceau en pinceau peut, dans un système de ce type, être présenté ou engendré indépendamment mais en même temps, afin de former une fusion de faisceaux pour engendrer un diagramme de faisceaux en éventail orienté verticalement,en préservant encore le concept de bornes séparées, applicable à chaque faisceau séparé ou bien à chaque zone ou niveau angulaire d'élévation dans le faisceau en éventail composé. Les colonnes individuelles des éléments rayonnants agissant comme réseau linéaire coopèrent avec des colonnes adjacentes sur l'ouverture du réseau cylindrique pour combiner les faisceaux avec l'amplitude requise en phase afin de former le faisceau en éventail vertical souhaité. Une matrice de balayage et d'alimentation d'azimut applicable à chaque niveau (zone) correspondant des bornes de matrice formant le faisceau, engendre un balayage d'azimut à l'aide de moyens décrits plus en détail dans la présente spécification. Un aspect très important de la présente invention réside dans sa faculté d'adaptation à la simplification en groupant ensemble les bornes des matrices formant le faisceau, en formant des portions d'élévation par zones du faisceau en éventail à l'aide de moins d'alimentations en anneau et de matrices de balayage d'azimut. Comme première simplification, on considère les bornes supérieures et inférieures de la matrice formant le faisceau (qui peut être une matrice de Butler ou bien ce qui est appelé la matri^p formant le faisceau à longueur de trajet égale utilisant des coupleurs directionnels à lignes croisées) qui sont utilisées pour former les lobes la-, téraux d'élévation du faisceau en éventail d'élévation. Ces bornes de lobes latéraux peuvent utiliser la même alimentation en anneau (matrice de balayage et d'alimentation d'azimut) comme borne adjacente qui forme une partie de la configuration requise du faisceau en éventail. Les lobes latéraux sont, dans ce cas, 1 en azimut, ce qui tend à supprimer leur niveau. Cette simplification réduit le nombre de bornes verticales totales ainsi que le nombre d'alimentations en anneau et de matrices de balayage d'azimut comprises avec elles. Par exemple, pour un réseau cy- 71 46375 u 2119053 lindrique comportant vingt éléments dans une colonne, seulement six bornes totales, alimentations en anneaux et matrices d'exploration sont nécessaires pour délivrer un faisceau en éventail de forme appropriée sur un angle d'élévation d'environ 3*»°. Dans l'exemple mentionné ci-dessus, chacun des six faisceaux délivrant l'élévation et le faisceau en éventail conformé total est concentré en azimut en utilisant des alimentations en anneaux séparées engendrant un foyer idéal environ tous les 5,7°. En observant que, pour la plupart des réseaux cylindriques, la valeur de déconcentration sur une gamme de 5»7° est légère, on conçoit que le nombre de bornes du faisceau et d'alimentations en anneaux peut être encore réduit. Si on utilise seulement trois bornes de faisceau et trois alimenations en anneaux chacune avec deux faisceaux adjacents, les angles de focalisation parfaits sont décalés d'environ Le réseau d'antennes cylindrique simplifié résultant à faisceaux multiples olïrs un perfectionnement très substantiel sur le montage de commande de réseau de technique "séparable" mentionné précédemment. 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 représente une illustration d'un contour à puissance égale pour uis réseau d'antennes cylindrique connu utilisant un montage d'alimentations de colonnes et d'anneaux "séparables" destiné à montrer le problème propre de la déconcentration. La figure 2 illustre schématiquement le principe et les connexions d'un Systems selon la présente invention. La figure 3 est une vue d'extrémité typique d'un faisceau en éventail composé de trois faisceaux en pinceau selon la présente invention. La figure U représente de manière plus détaillée les connexions d'un réseau formant le faisceau dans le dispositif de la figure 2. En se référant maintenant à la figure 1, un diagramme qui s'explique par lui-même est présenté et illustre l'effet de déconcentration (élargissement du faisceau.' rencontré dans ce qui est appelé la technique "séparable" connue qui est appliquée & un réseau cylindrique. Les lignes de contour de puissance égale sont représentées comme si elles étaient vues radialement dans un réseau d'antennes cylindrique typique à faisceaux conformés. Dans l'exemple de la figure 1, le réseau est focalisé er. azimut pour un angle d'élévation moyen *, toutefois, une déconcentration effective s:ef- • fectue quand l'angle d'élévation quitte l'angle considéré vers chaque côté de cet angle d'élévation choisi arbitrairement. La valeur réelle de la déconcentration dépend naturellement du rayon du cylindre, de la largeur du secteur considéré et de la longueur d'onde de fonctionnement. Néanmoins, l'effet de déconcentration illustré est pertinent pour une situation et une conbinaison typiques des paramètres physiques En se référant maintenant à la figure 2, un diagramme structural et fonctionnel d'un exemple de réalisation préféré de la présente invention est représenté. Plu- BAD ORIGINAL 71 4637b 5 2119053 sieurs montages d'alimentation de colonnes de réseaux identiques, tel 10, sont répartis autour de l'ouverture du réseau. Chacune de ces colonnes comporte une pluralité d'éléments rayonnants illustrée, tels que des dipoles, par exemple 30. On doit comprendre que la représentation d'un type est donnée à titre d'exemple seulement, d 5 d'autres exemples d'éléments rayonnants,telles que des fentes de divers types, sont fréquemment utilisés dans cette technique et sont complètement inclus dans le principe de la présente invention. L'élément 10 représenté sur la figure 2,constitué par des éléments rayonnants et un réseau formant le faisceau d'élévation, est représenté plus en détail sur la figure U. Il suffit de dire en ce point de la description que 10 chacune des trois bornes de combinaison 16, 17 et 18 correspond à des alimentations appropriées dans 10 pour engendrer les faisceaux correspondants 15a, 15b et 15c. Chacune des trois bornes 16, 17, et 18 est alimentée à partir d'une matrice de balayage et d'alimentation d'azimut séparée, 11, 12 et 13- Ainsi ces trois matrice 11, 12 et 13 de balayage et d'alimenation d'azimut comportent chacune plusieurs bor-15 nés 19, 20, 21, 22, 23, 2b, et 25. Sur la matrice 11 par exemple, les bornes 19» 20 21, 22 et 23 représentent seulement une partie du nombre total de bornes de sortie du dispositif 11, le nombre total de bornes correspondant au nombre réel de réseaux et de blocs d'éléments rayonnants 10 répartis autour du réseau cylindrique total. Dans le cas considéré, les trois bornes d'entrée 16, 17 et 18 du dispositif 10 sont 20 alimentées de manière classique à partir de 21, 2k et 25»respectivement, pour celles correspondant à 11, 12 et 13. On voit à partir de ce qui précède que les trois zones de l'alimentation dans le plan d'élévation ont ainsi été établies, celles-ci correspondant directement aux trois faisceaux illustrés d'une manière générale par 15. Afin d'atteindre la borne 3^ du système d'antennes commun, l'élément restant 25 est constitué par le réseau de répartition d'élévation 1^. Ce dispositif est simplement un circuit de combinaison ou bien un réseau de dérivation. Ces dispositifs sont connus et utilisés par exemple pour l'alimentation des sous-réseaux à partir d'une ligne commune. Un tel dispositif utilisé dans les guides d'ondes est illustré sur la figure 1*9 à la page 11-61 du "Manuel de Radar" de MERRILL I. SK0LNIK (1970) de 3q MAC GR0W HILL. Les trois bornes 31, 32, et 33 du dispositif 1U sont connectées aux bornes communes des dispositifs 11, 12 et ^respectivement. On voit que 33 est relié à 26, c'est-à-dire la borne d'entrée de 13, et que 31 et 32 sont connectés de la même meulière à 11 et 12. En ce qui concerne les détails des circuits de chacun des dispositifs 11, 12 35 et 13, un sous-système approprié pour ce but est décrit dans un article intitulé : "Un réseau cylindrique balayé électroniquement basé sur une technique de commutation et de mise en phase "de Richard J.GIANNINI. Ce article a été publié dans le programme de la Conférence Internationale de 1969 du groupe IEEE sur les Antennes et la Propagation (catalogue IEEEn° 69 C-53-AP). Bien que le dispositif décrit soit desti— UO né au fonctionnement par mono-imprasion selon lequel la borne commune comporte des COP^ 71 46375 « 2119053 lignes d'addition et de différence, il est facilement adaptable au circuit des dispositifs 11, 12 et 13. Au point de vue fonctionnement,chacun des dispositifs 11, 12 et 13 peutêtre approprié pour délivrer une excitation de colonne synchrone tournante, programmée. Si on suppose, par exemple, que la colonne 10 reçoit l'excitation d'azi-5 mut maximale (dans trois zones d'élévation) à, n'importe quel instant, les colonnes adjacentes sont excitées à des niveaux inférieurs et en phases appropriées pour focaliser le faisceau sur chacun des trois faisceaux. La figure 3 s'explique d'elle-même étant donné qu'elle concerne les faisceaux représentés d'une manière générale sur la figure 2. La nature d'un faisceau d'élé-10 vation en éventail synthétisé selon la présente invention est mieux comprise à partir de la figure 3. En se référant de nouveau aux figures 2 et U, le nombre réel d'éléments rayon- . nants dans une colonne est naturellement une question de réalisation et n'est pas fondamental vis-à-vis de la présente invention. 15 Sur la figure il est représenté une matrice 10a formant le faisceau. Ce 1 un dispositif peut être/quelconque de plusieurs circuits hyperfréquences capables d'engendrer la fonction. Fondamentalement, c'est le dispositif à bornes multiples qui positionne un faisceau à partir d'un réseau linéaire associé (colonnes d'éléments rayonnants) pour un angle discret différent selon la borne qui est excitée. Dans le 20 "Manuel de Radar" mentionné ci-dessus, deux dispositifs dont chacun est capable d'engendrer l'élément de la structure de la figure U, sont représentés sur la figure 57 (page 11-66). L'un représente ce qui est appelé la-matrice formant le faisceau de longueur de trajet égale et l'autre représente ce qui est appelé la matrice de Butler Les deux sont bien connus dans cette technique. 25 Les bornes du faisceau d'une matrice de ce genre formant le faisceau sont com binées en trois zones selon la théorie de l'invention décrite ci-dessus. Sur la figure U,trois circuits de dérivation (combinaison) 27, 28 et 29 sont utilisés. Ceux-ci sont équivalents en structure au dispositif 14 et fonctionnent de manière analogue. Le groupement des bornes de 10a sur la figure U est naturellement fourni à titre 30 d'illustration comme le sont le nombre d'éléments de réseaux et le nombre réel de zones correspondant aux bornes 16, 17 et 18. Il est bien évident que les possibilités d'agrandir ou de réduire la structure de la présente invention et également les modifications et variantes ne sortent pas du cadre de la présente invention. A titre d'exemple de variante qui peut être ré-35 lisée par l'homme de l'art, les signaux voyageant entre les bornes 16, 17 et 18 et les éléments rayonnants 30 peuvent être obtenus par un dispositif de combinaison qui combine les circuits 27 >-28 et 29 avec la matrice 10a afin de réduire le nombre total de composants et le prix de revient. Sien que les principes de la présente invention aient été'décrits ci-aessus en relation le r,nrticulier de réalisation, on com-nrendra clairement que ladite description est faite seulement à titre d'exemple et ne limite pas la portée de l'invention. BAD original copv 71 4637b T 2119053 REVENDICATIONS 1. Système de réseau d'antennes cylindrique qui comporte une pluralité de colonnes d'éléments rayonnants répartis circonférentiellement et une matrice formant le faisceau présentant une pluralité de bornes commandant chacune des colonnes pour for- 5 mer ion diagramme composé d'une combinaison de faisceaux individuels en pinceau pour des angles discrets dans la direction de l'axe du réseau cylindrique, système caractérisé en ce qu'il comporte : - une pluralité de matrices de balayage et d'alimentations destinées à alimenter les matrices formant le faisceau en séquence dans un plan perpendiculaire à l'axe pour 10 engendrer le balayage dans le plan perpendiculaire ; - une pluralité de circuits de combinaison pour assembler les alimentations des bornes des matrices formant le faisceau en groupes adjacents ayant chacun un nombre de bornes prédéterminé indépendant, chaque circuit de combinaison comportant une borne d'alimentation commune ; 15 - des moyens pour alimenter les matrices formant le faisceau par l'intermédiaire des bornes d'alimentation communes des circuits de combinaison, afin de réduire le nombre des matrices de balayage et d'alimentation. 2. Système de réseau d'antennes cylindrique à faisceaux multiples,caractérisé en ce qu'il comporte : 20 - vme pluralité d'éléments rayonnants expacés en rangées et colonnes autour du réseau cylindrique, les colonnes s*étendant dans la même direction que l'axe du réseau cylindrique ; - une pluralité de réseaux formant le faisceau, un pour chacune des colonnes des éléments rayonnants, chacun des réseaux formant le faisceau présentant une sortie dis- 25 crête connectée à chacun des éléments rayonnants dans une colonne correspondante, chacun des réseaux formant le faisceau présentant également une pluralité de bornes d'entrée correspondant chacune à un angle de faisceau discret dans un plan axial contenant l'axe cylindrique et la colonne correspondante ; - des moyens destinés à engendrer des alimentations de zones de colonnes indépendan-30 tes comprenant : - une pluralité de réseaux de combinaison présentant chacun une entrée et une pluralité de sortie, les sorties étant interconnectées avec une pluralité déterminée de bornes d'entrée adjacentes d'un réseau correspondant formant le fais- • ceau ; 35 - des moyens de balayage comprenant une pluralité de réseaux d'alimentation dans le plan perpendiculaire, chacun des réseaux d'alimentation perpendiculaire présentant une borne d'entrée et une pluralité de bornes de sortie correspondant chacune à un angle de faisceau discret mesuré dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe du réseau cylindrique, chacune des bornes de sortie étant re-H0 . liée à l'entrée de l'un des premiers réseaux de combinaison correspondant à une ços* 71 4637b 8 2119053 zone de colonne discrète, afin d'engendrer un diagramme de rayonnement prédéterminé dans un plan orthogonal ; - des moyens comprenant un réseau de répartition pour connecter les bornes d'entrée du réseau d'alimentation perpendiculaire à une borne commune à fréquence radio du système d'antennes. 3» Système de réseau d'antennes selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'axe du réseau cylindrique est orienté sensiblement verticalement, à la suite de quoi les angles du faisceau dans un plan axial sont des angles d'élévation, et en ce que le plan d'azimut est le plan sensiblement perpendiculaire à l'axe. k. Système de réseau d'antennes selon la revendication 3, caractérisé en ce que le nombre de réseaux de combinaison et le nombre de réseaux d'alimentation dans le plan perpendiculaire et,en conséquence,le nombre de zones d'alimentation de colonnes indépendantes,sont tous égaux. 5- Système de réseau d'antennes selon la revendication U, caractérisé en ce que la pluralité de réseaux d'alimentation dans le plan perpendiculaire est faible par rapport au nombre de bornes des matrices formant le faisceau. 6. Système de réseau d'antennes selon la revendication 5, caractérisé en ce que le nombre de bornes d'entrée des matrices formant le faisceau combiné est sensiblement égal dans chacun des réseaux de combinaison. 7- Système de réseau d'antennes selon la revendication 5» caractérisé en ce que les matrices formant le faisceau sont des matrices de Butler présentant chacune une nombre de bornes d'entrée égal au nombre d'éléments rayonnants dans la colonne correspondante. 8. Système de réseau d'antennes selon la revendication 5» caractérisé en ce que les matrices formant le faisceau sont alimentées en série, les matrices formant je faisceau de longueur de trajet égale ayant un nombre prédéterminé de bornes et étant en conséquence capables de délivrer un nombre correspondant de positions de faisceaux d'élévation discrets, les bornes étant inférieures au nombre d'éléments rayonnants dans la colonne correspondante. r