Brevet FR2445042A1 — publié le 19800718

L'invention est relative aux antennes plaquées pour ltémis- sion ou la réception d'ondes électromagnétiques millimétriques, du genre comportant au moins un élément d'antenne en forme de bande et plaqué sur un substrat, fait dtun matériau d'indice sensiblement dif férent de l'indice du matériau du substrat pour la longueur d'onde d'émission et/ou de réception et dimensionné et couplé par l'une de ses extrémités à un appareil d'émission et/ou de réception de telle sorte que lténergie qui le parcourt soit essentiellement constituée par des ondes de surface et que le rayonnement soit émis et/ou reçu par la zone d'extrémité opposée à l'extrémité de couplage.De telles antennes sont légères et font corps avec la structure (dôme, ogive, etc...) qui les supporte et forme le substrat; ailes peuvent être encastrées dans ledit substrat de telle sorte qu'elles affleurent sa surface. Elles n'engendrent donc ni contraintes mécaniques, ni vibrations, ni perturbations aérodynamiques. Leur utilisation à bord d'avions ou de missiles est par conséquent avantageuse. Leur bonne di rectivité permet d'en mettre plusieurs en oeuvre dans les techniques de guidage du genre dit "monopulseB.. On cherche évidemment dans de telles antennes à obtenir une directivité maximale, c'est-à-dire un lobe principal d'émission et/ ou de réception aussi fin que possible. On cherche en outre en général à ce que l'axe du lobe principal coincide autant que possible avec l'axe longitudinal de l'engin. Une solution théoriquement évidente consiste à conférer à l'élément une longueur aussi grande que possible, jusqu'à 20 ou 30 longueurs d'onde. Dans la pratique, cette solution est inopérante. Toute discontinuité d'indice sur le parcours de l'onde de surface provoque l'émission et/ou l'absorption de rayonnement. Les erreurs d'usinage engendrent des variations d'indice et l'élément rayonne ou absorbe entre ses extrémités. Ces phénomènes sont très sensibles pour les ondes millimétriques.Pour une fréquence de 70 GHz, correspondant à une longueur d'onde d'environ 4,3 mm dans l'air, on constate que la quasi-totalité du rayonnement est rayonnée ou absorbes sur un parcours de 2 ou 3 longueurs d'onde dans llélément d'antenne. Une autre solution consiste à assigner à ltélément une modulation périodique d'indice, par exemple en ménageant à sa surface, perpendiculairement à sa longueur, des stries ou cannelures parallèles. Cette solution ntapparait pas plus efficace que la précédente pour les ondes millimétriques, en raison là aussi des erreurs d'usinage. L'invention est fondée sur la constatation que, à l'émission, une fraction plus ou moins importante de I 'énergie des ondes de surface n'est pas rayonnée par l'élément d'antenne et se propage dans le substrat. Celui-ci est le siège de courants induits et rayonne à son tour. De manière analogue, à la réception, le substrat absorbe en partie le rayonnement qui le frappe et est le siège d'ondes de surface qui induisent dans ltélément des courants qui perturbent le fonctionnement. L'invention permet, tant à émission qu'à la réception, de tirer parti des ondes de surface parcourant le substrat pour améliorer la directivité et le rendement de l'antenne. L'antenne de l'invention est essentiellement caractérisée en ce qu'elle comporte, outre l'élément déjà considéré, couplé à l'appareil d'émission et/ou de réception (et que l'on appellera pour cette raison élément principal"), au moins un élément supplémentaire, dit "élément auxiliaire", non couplé à l'appareil d'émission et/ou de réception, mais plaqué lui aussi sur le substrat, à une distance déterminée de ltélément principal et selon une orientation déterminée par rapport à celui-ci.Lorsque ledit élément auxiliaire est placé devant l'extrémité rayonnante de l'élément principal, il contribue à accroître le rendement de l'antenne par rayonnement et/ou absorption d'ondes et à améliorer la directivité; on le dénommera "élément directeur" par analogie avec les aériens du genre YOGI. Lorsque ledit élément auxiliaire longe l'élément principal, il renvoie vers celuici une fraction des ondes de surface parcourant le substrat; on le dénommera élément réflecteur. On verra que l'on a avantage à utiliser plusieurs éléments auxiliaires. L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation d'un ensemble d'antennes plaquées conforme à ladite invention, description qui se réfère aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique en élévation de l'avant d'une maquette de missile équipée dudit ensemble d'antennes, - la figure 2 est une section transversale schématique prise selon le plan 2 - 2 de la figure 1, à la même échelle que celle-ci, - la figure 3 est une section longitudinale partielle, prise dans le plan 3 - 3 de la figure 2, à plus grande échelle que les vues précédentes. On considère simultanément les figures 1, 2 et 3. Le corps de la maquette représentée est métallique, par exemple en alliage. d'aluminium. Il comporte un tronçon de virole cylindrique 1' se prolongeant vers l'avant par une pointe conique 12. Il oorte 4 antennes 20 conformes à l'invention, disposées en quadrature, paralîlement aux génératrices du tronçon et de la pointe, et connectées à un appareil d'émission et/ou de réception (logé dans la maquette et non représenté) de façon à pouvoir fonctionner en mode monoplse dans lequel, à l'émission, les 4 antennes sont couplées en phase et, à la réception, couplées en quadrature de phase.Leurs lobes principaux, dont l'un est représenté par son axe A à la partie supérieure de la figure 1, doivent s'interpénétrer sur l'axe prolongeant celui du missile de façon telle que l'écho d'un obstacle situé devant le mis- sile corresponde à un minimum du signal de réception lorsque cet obstacle est placé dans l'axe (loi d'écartométrie). il existe divers lobes secondaires. On a représenté par 51 l'axe du lobe secondaire le plus important parmi ceux qui divergent de l'axe du missile et par 52 l'axe du lobe secondaire le plus important parmi ceux qui conver gent vers ledit axe du missile. Chaque antenne comporte, conformément à l'art antérieur, un élément principal 21. Dans l'exemple décrit ici, cet élément 21 est constitué par une lame ou bande en PWE (polytétra-fluoro-éthylène), matériau connu sous le nom commercial de TEFLON. il est encastré dans la virole 11 de façon que sa surface externe affleure celle de ladite virole. Chaque élément principal 21 est couplé à l'émetteur-récepteur par son extrémité arrière au moyen d'un guide d'onde 22 disposé dans un plan axial de la virole, traversant celle-ci et incliné selon un angle très aigu (par exemple 12D) par rapport audit élément 21 dans la direction de celui-ci. La lame de PTFE pénètre dans le guide 22, à la manière connue, par un biseau 23 destiné à éliminer le ROS ( rapport d'ondes stationnaires). En raison de ce mode de couplage, le champ électrique est normal au plan de masse et d'antenne, c'est-à- dire au plan tangent à la génératrice médiane de l'élément 21. Pour parfaire l'adaptation de celui-ci, l'extrémité de couplage est coiffée par un petit réflecteur non représenté. Conformément à l'invention, chaque antenne 20 comporte en outre des éléments auxiliaires réflecteurs 24 et des éléments auxiliaires directeurs 25, tous constitués de bandes ou de plaquettes de PTFE encastrées dans la virole 11 ou la pointe 12 et disposées à des distances déterminées de l'élément principal 21. Les directeurs 25 sont des plaquettes disposées en succession en avant de l'élément 21 (sur la pointe 12 dans l'exemple décrit ici) et alignées selon la meme génératrice. Les distances qui les séparent les uns des autres sont à déterminer expérimentalement, de mee que la distance qui sépare de l'élément principal 21 le directeur 25 le plus proche. Elle peut atteindre plusieurs dizaines de 1 (1 : longueu: d'onde dans le matériau de l'antenne). Si la fréquence de fonctionnement est de 70 6Hz, cette longueur d'onde 1 est d'environ 3 mm dans le PTFE (indice 1,4). Il existe en outre pour chaque antenne 20 deux réflecteurs 24 constitués par des bandes de PTFE longeant de part et d'autre l'élé- ment principal 21, à une distance de quelques 1. Les performances d'une antenne plaquée, et notamment d'une antenne conforme à l'invention, dépendent non seulement de la longueu: d'onde utilisée, des dimensions et de la forme des éléments ainsi que des matériaux de l'antenne et du substrat, mais aussi de nombreux autres facteurs et notamment de la forme et des dimensions du substrat et de l'emplacement de l'antenne sur celui-ci. L'encastrement des éléments influe en outre sur la forme et la direction des lobes. Il est pratiquement impossible de définir par le calcul des relations générales et de déterminer à l'avance avec une précision suffisante les dimensions et la disposition des éléments en fonction des performances recherchées. La mise au point doit être faite expérimentalement. On donne ci-après les résultats d'essais de réception réalisé avec une antenne conforme à l'invention dont les divers éléments étaient encastrés à la surface d'un secteur de virole cylindrique en alliage d'aluminium simulant un corps cylindrique de missile d'un rayon d'environ 100 mm. Ledit secteur était disposé sur un support pivotant muni d'un indicateur de gisement, en face d'un cornet émetteur délivrant une onde de 70 6Hz modulée en amplitude à 1 kHz. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec une antenne ayant les caractéristiques suivantes - élément principal en PTFE : longueur 35 mm (environ 12 1), épaisseur 2 mm, constitué par une bande rectangulaire de largeur 5 mm et de longueur 12 mm se prolongeant vers l'avant par un triangle à sommet arrondi d'une longueur de 23 mm; - 4 éléments directeurs constitués par des plaquettes de PTFE, largeur 5 mm, épaisseur 2 mm; les distances qui les séparent et qui séparent de l'élément principal le plus proche d'entre eux sont inégales, mais sont comprises entre 8 et 20 1; - 2 éléments réflecteurs constitués par des bandes de PTFE, lar geur 3 mm, longueur 20 mm, longeant de part et d'autre l'élé- m ment principal; leur entraxe avec celui-ci est de 10 mm, soit d'environ 3 1. On constate que, en prenant comme référence une antenne constituée par le seul élément principal, - l'adjonction des 4 directeurs (sans les réflecteurs) confère un supplément de gain de 5 à 6 dE; les lobes secondaires les plus proches (fig. 1, axes 51 et 52) du lobe principal (axe A) sont très affaiblis, et notamment le lobe "intérieur" 52; - l'adjonction des 2 réflecteurs (sans les directeurs) confère un supplément de gain d'environ 2 dB et un affaiblissement sensible du lobe "intérieur" 52; - les effets des 4 directeurs et des 2 réflecteurs s'additionnent; - 5 ou 6 directeurs ne donnent pas des résultats sensiblement meilleurs que 4 directeurs; par contre, l'effet de 2 directeurs ou même diun seul directeur, est déjà sensible; c'est d'ailleurs le premier directeur (à savoir le plus proche de l'élément principal) dont la contribution est la plus forte; l'effet d'un seul réflecteur est lui aussi déjà sensible. L'invention s'applique queis que soient les matériaux du substrat et des éléments d'antennes. il faut évidemment que la différence des indices de ces deux matériaux soit aussi importante que possible. Dans l'exemple décrit, le substrat était métallique et les éléments en matériau diélectrique (PTFE). Mais on peut fort bien utiliser, lorsque le matériau du substrat est diélectrique (par exemple une céramique), des éléments d'antennes métalliques (par exemple en aluminium, en tantale, etc...). REVENDICATIONS 1. Antenne pour l'émission et/ou la réception d'ondes électromagnétiques millimétriques, du genre comportant un premier élément d'antenne en forme de bande plaque sur un substrat et couplé par l'une de ses extrémités à un appareil d'émission et/ou de réception d'ondes millimétriques, ledit élément étant fait d'un matériau d'indice sensiblement différent de l'indice du matériau du substrat pour la longueur d'onde d'émission et/ou de réception et étant dimensionné et couplé pour que l'énergie qui le parcourt soit essentiellement constituée par des ondes de surface et pour que le rayonnement soit émis et/ou reçu par la zone d'extrémité opposée à l'extrémité de couplage, ladite antenne étant caractérisée en ce que, ledit élément d'antenne étant dit "élément principal", elle comporte en outre au moins un élément d'antenne supplémentaire, dit "élément auxiliaire", non couplé à l'appareil d'émission et/ou de réception et plaqué sur le substrat à distance déterminée de l'élément principal et selon une orientation déterminée par rapport à celui-ci. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que au moins un élément auxiliaire, dit "directeur", est disposé devant l'extrémité rayonnante de l'élément principal. 3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que la distance qui sépare ledit élément directeur de l'élément principal est comprise entre huit et vingt 1, 1 étant la longueur d'onde dans le matériau qui constitue lesdits élements. 4. Antenne selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comporte une succession de deux ou quatre éléments directeurs distants les uns des autres et sensiblement alignés sur l'élément principal. 5. Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que la distance qui sépare deux éléments directe-urs successifs est comprise entre huit et vingt 1. 6. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'au moins un élément auxiliaire, dit "réflecteur", est constitué par une bande longeant à distance l'un des côté de l'élément principal. 7. Antenne selon la revendication 6, caractérisée en ce qu' elle comporte au moins un autre réflecteur, longeant à distance l' autre côté de l'élément principal. 8. Antenne selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisée en ce que l'entraxe d'un élément réflecteur et de l'élément principal est d'environ trois 1. 9. Antenne selon l'une quelconque des revendications I a 8, caractéri sée en ce que, le matériau du substrat étant métallique, le matériau des élé- ments est un diélectrique. 10. Antenne selon la revendication 9, caractérisée en ce que le matériau des éléments est le PTFE. 11. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que, le matériau du substrat etant un diélectrique, le matériau des éléments est métallique.