Brevet FR2346872A1 — publié le 19771028

La présente invention concerne les antennes à haute fréquence en général, et plus particulièrement, les antennes à faisceaux multiples. Comme il est connu dans cette technique, un réseau d'éléments d'antenne peut être alimenté par l'intermédiaire d'une lentille à haute fréquence à plaques parallèles de manière à former un ou plusieurs faisceaux d'énergie à haute fréquence. Dans un ensemble d'antenne connu du type précité, on forme une structure comprenant un réseau linéaire d'éléments d'antenne, des lignes de transmission, une lentille haute fréquence à plaques parallèles et une série d'orifices d'alimentation sur un substrat commun, en utilisant des techniques de circuits imprimés. Les orifices d'alimentation de la lentille à haute fréquence à plaques parallèles sont couplés avec le réseau d'éléments d'antenne par l'intermédiaire de trajets électriques forcés, ces trajets étant constitués par les lignes de transmission formées par le circuit imprimé. Dans une autre construction connue d'ensemble d'antenne, la lentille à haute fréquence à plaques parallèles et les orifices d'alimentation sont formés par des circuits imprimés sur un substrat diélectrique circulaire et les éléments d'antenne sont imprimés dans un second substrat diélectrique annulaire.Les orifices d'alimentation et les éléments d'antenne sont couplés par l'intermédiaire de trajets forcés constitués, par exemple, par des câbles coaxiaux. Dans ces deux types d'ensemble d'antenne, en ajustant convenablement les trajets forcés, il est possible d'obtenir un nombre désiré quelconque de faisceaux, chacun de ces faisceaux ayant le gain de la totalité de l'ouverture et chacun d'eux ayant un angle d'exploration différent. Bien que les ensembles d'antenne en réseau faisceaux multiples décrits ci-dessus se soient avérés utiles dans de nombreuses applications, il est généralement souhaitable de réduire leur coût et leur complexité. Suivant l'invention, une antenne à faisceaux multiples comprend une lentille à haute fréquence à plaques parallèles, sans contrainte imprimée, autour d'une première partie de la périphérie de laquelle sont disposés une série d'orifices d'alimentation et autour d'une seconde partie de la périphérie de laquelle est disposée une structure rayonnante évasée continue. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Au dessin annexé uniquement à titre d'exemple: la Fig.1 est une vue en perspective, avec arrachement partiel, d'une antenne faisceê multiples suivant l'invention; la Fig.2 est une vue en coupe transversale de l'antenne faisceaux multiples de la Fig. 1 suivant la ligne 2-2 de celle-ci, et la Fig.3 est un schéma représentant le, principe de fonc tionnement de l'antenne à faisceaux multiples représentée sur la Bit.1. On va tout d'abord se référer à la Fig.1, sur laquelle on voit en 10 une antenne à faisceaux multiples comprenant une lentille à haute fréquence à plaques parallèles du type à ruban 12, dans l'exemple représenté de forme circulaire, ayant un rayon R d'environ 171 mm et destinée à fonctionner dans la bande de fréquences de 2,7 à 7,0 GHz. Autour d'une partie de la péri phérie de cette lentille 12 est disposée une section d'adapta tion en ligne à ruban 14. Cette section d'adaptation 14 comprend plusieurs secteurs d'alimentation en lignes à ruban de forme triangulaire 161 à 16n permettant de coupler plusieurs connec teurs coaxiaux correspondants 181 à 18n' chacun avec un orifice d'une série correspondante d'orifices d'alimentation 201 à 20n disposés autour d'une partie de la lentille à haute fréquence 12.La lentille à haute fréquence 12 et la section d'adaptation 14 sont formées simultanément sur un substrat commun 22 par des techniques de circuits imprimés à ruban classiques. Autour de la partie restante de la périphérie de la lentille 12 est dis posée une section rayonnante 24 dont les détails seront décrits plus loin. On mentionnera simplement, pour l'instant, que cette section rayonnante 24 forme un cornet évasé de plan E pour l'an tenne à plusieurs faisceaux 10. On va tout d'abord examiner de façon plus détaillée la section d'adaptation 14 (en se référant également à la Fig.2). On remarquera que les conducteurs centraux respectifs 261 à 26n (seul le conducteur 26n étant représenté sur la Fig.2) des connecteurs coaxiaux 181 à 18n sont connectés électriquement au sommet des secteurs d'alimentation en ligne à ruban de forme triangulaire 161 à 16n, dans l'exemple considéré par soudage. les conducteurs extérieurs 281 à 28 (seul le conducteur 28n étant représenté sur la Fiv.2) de ces connecteurs coaxiaux 181 à 18n sont fixés mécaniquement, et connectés électriquement, à une feuille conductrice 30 (dans l'exemple considéré, une feuille de cuivre) par des vis 29. La feuille conductrice 30 est formée de façon continue sur toute l'étendue du côte inférieur de la plaquette diélectrique 22, en utilisant des techniques de circuits imprimés classiques. Cette feuille conductrice 30 sert de plan de masse à la section d'adaptation 14 et constitue en même temps l'une des plaques de la lentille à haute fréquence à plaques parallèles 12. La seconde plaque de la lentille à haute fréquence à plaques parallèles 12 est une autre feuille conductrice 32 (dans l'exemple considéré, une feuille de cuivre).Dans cet exemple, la distance entre le centre O de la lentille à haute fréquence 12 et le sommet de chacun des secteurs d'alimentation en ligne à ruban 161 à 16n est de 234 mm environ. En outre, la section d'adaptation 14 s'étend suivant un certain arc, dont la valeur dans le présent exemple est de 200 degrés. En examinant maintenant de façon plus détaillée la section rayonnante 24, on remarquera tout d'abord que celle-ci comprend deux éléments conducteurs curvilignes 36, 38 disposés symétriquement de part et d'autre du substrat diélectrique 22. les éléments conducteurs 36, 38 sont représentés sur la Fig.2 comme étant évasés en deux temps, de manière à assurer un degré déterminé d'adaptation d'impédance entre l'espace libre et la lentille à haute fréquence 12. Dans l'exemple représenté, les éléments conducteurs 36, 38 sont tout d'abord évasés d'un angle dans dan le présent exemple de 34,23 degrés, sur une longueur dans le présent exemple de 15,5 mm environ, puis ils sont évasés d'un angle 9(2' dans le présent exemple de 90 degrés, sur une longueur L2, d'environ 27 mm, de manière à atteindre au point le plus large de l'évasement une distance de séparation 13, de 66 mm environ. Les éléments conducteurs 36, 38 sont reliés électriquement et mécaniquement aux feuilles conductrices 30, 32 correspondantes formant les plaques parallèles de la lentille à haute fréquence 12. Plus précisément, une série de moyens de fixation 40, 42 sont uniformément espacés autour de la lentille à haute fréquence 12 le long d'un arc autour de la partie périphérique de celle-ci, adjacente à la section rayonnente 24. Des trous sont percés dans les bases 25, 27 des éléments conducteurs 36, 38 en alignement avec ces éléments de fixation 40, 42. Chacun des éléments de fixation 40, 42 reycit une vis correspondante, respectivement 44, 46.Les éléments de fixation percés et taraudés 40, 42 de chaque paire comportent des bases respectives 481, 482 reliées électriquement et mécaniquement, chacune à l'une des plaques parallèles de la lentille à haute fréquence 12, dans le présent exemple, au moyen d'ur. époxyde conducteur. Chacune des bases 481, 482 d'une paire donnée est reliée électriquement et mécaniquement à l'un des élé- ments de fixation 40, 42 de la paire correspondante, dans le présent-exemple au moyen d'un époxyde conducteur. Les vis 44, 46 sont serrées pour fixer mécaniquement les éléments conducteurs 36, 38 à la lentille à haute fréquence 12 et pour assurer en même temps une connexion électrique entre les bases 48î, 482 respectives des éléments de fixation 40, 42. En conséquence, chacune des plaques parallèles de la lentille 12 est électri quement connectée à l'un des éléments conducteurs 36, 38.Après assemblage, les éléments conducteurs 36, 38 forment un cornet évasé de plan E continu pour l'antenne 10 à faisceaux multiples, ce cornet s'étendant sans discontinuité le long d'un arc, dans le présent exemple de 160 degrés. En considérant l'antenne 10 à faisceaux multiples comme une antenne de réception (étant bien entendu que des principes de réciprocité s'appliquent lorsque l'antenne 10 est utilisée comme antenne d'émission), une portion d'un front d'onde XEN plan incident d'une onde électromagnétique polarisée linéairement, ayant un vecteur champ électrique perpendiculaire au plan du substrat diélectrique 22, est concentrée par le cornet évasé de plan E pour établir dans la lentille à haute fréquence à plaques parallèles 12 un mode TEfl. Une réfraction de l'énergie ondulatoire reçue, réfraction qui est due à la différence entre les constantes diélectriques respectives de l'espace libre et du diélectrique du substrat 22, provoque une focalisation de l'énergie ondulatoire à un ou plusieurs des orifices d'alimenté tation 201 à 20n en fonction de l'écart angulaire de l'onde par rapport à l'axe de visée 58 de l'antenne. L'énergie ondulatoire reçue est couplée, à partir dudit ou desdits orifices d'alimentation, avec des dispositifs convenables, tels que des émetteurs /récepteurs (non représentés), couplés avec des connecteurs coaxiaux correspondants parmi les connecteurs 181 à 18n par l'intermédiaire de câbles coaxiaux (non représentés) comme dans le cas d'une antenne en réseau à faisceaux multiples classique, telle que décrite, par exemple, dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 3 761 936. On va maintenant se référer à la Fig.3 pour mieux comprendre la manière dont l'antenne 10 à faisceaux multiples qui vient d'être décrite fonctionne. Dans l'exemple représenté sur cette figure, un orifice choisi A de la périphérie d'une lentille à haute fréquence, circulaire, de rayon R est alimenté en énergie à haute fréquence. Une première portion de cette énergie traverse tout d'abord la lentille en diagonale, (le long du chemin AOE) puis, à travers l'espace libre, parvient au point D sur le point d'onde W.Une autre portion de cette énergie d'alimentation traverse la lentille le long du chemin AB, dans le présent exemple sous un angle &alpha;i par rapport au chemin AOE puis, après avoir été réfractée sous un angle &alpha; r, elle parvient à travers l'espace libre au point C sur le front d'onde W. (On remarquera que l'angle r est compris entre le segment de droi- te FU et la normale à la tangente au bord extérieur de la lentille au point B, comme indiqué).Comme il est connu, pour que la lentille a haute fréquence forme un faisceau collimaté lorsque le point A est alimenté en énergie à haute fréquence, la longueur électrique comprise entre le point A et le point D doit être égale à la longueur électrique comprise entre le point A et le point C (ou égale à un multiple de 2f de cette dernière longueur) et en outre, les segments de droite ED et BC doivent être orthogonaux par rapport au front d'onde W.En appelant la constante diélectrique de la lentille et en considérant la constante diélectrique de l'espace libre comme étant de 1,0, il en résulte que pour former un faisceau collimaté, les conditions suivantes doivent être remplies a) Etant donné que, d'après la loi de Snell, on a K sin &alpha;i= sin &alpha;r et que, pour assurer la collimation il faut 2&alpha;i = &alpha;r, il est donc nécessaire que: : K 5 Sin 2&alpha;i (1) Sin &alpha;i b) Etant donné que AB = 2KR cos &alpha;i,BE = R(1-cos 2&alpha;i), et AE = 2KR, alors pour assurer la collimation, il faut 1-cos 2&alpha;i K = 1/2 (2) 1-cos &alpha;1 Pour une gamme de &alpha;1 comprise entre +60 et -60 , on peut obtenir une solution satisfaisante des deux équations (1) et (2) avec Es 1,92 (c'est-à-dire avec une constante diélectrique N 3,7). Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit; elle est suceptible de nombreuses variantes sans s'écarter pour autant de son cadre ou de son esprit. REVENDICATIONS 1.- Antenne à faisceaux multiples, caractérisée en ce qu'elle comprend une lentille à haute fréquence à plaques parallèles sans contrainte à circuit imprimé, autour d'une première partie de la périphérie de laquelle sont disposés une série d'orifices d'alimentation, et autour d'une seconde partie de la périphérie de laquelle est disposée une structure rayonnante évasée. 2.- Antenne suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ladite lentille à circuit imprimé comprend un substrat diélectrique et une feuille conductrice formée sur les côtés opposés de ce substrat, et en ce que la structure rayonnante évasée comprend une paire d'éléments conducteurs connectés chacun à l'une desdites feuilles conductrices. 3.- Antenne suivant la revendication 2, caractérisée en ce que la seconde partie de la lentille est circulaire. 4.- Antenne suivant la revendication 3, caractérisée en ce que la constante diélectrique du substrat diélectrique est de l'ordre de 3,7