Brevet FR2530872A1 — publié le 19840127

DESCRIPTION Antenne réseau à déphaseur pour radars à couverture spherique. La présente invention concerne des antennes de radars multifonctions et plus particulièrement des antennes capables d'assurer une directivité dans une direction choisie, sur 360 en azimut, et en élévation jusqu'au zéni Ceci est réalisé par l'arrangement particulier d'un réseau circulaire et d' une lentille déflectrice; l'un et l'autre étant équipé de dêpha Eeurs dont la valeur du déphasage est commandée par un ordinateur. Une particularité de l'invention est de ne nécessiter aucun mecanisme pour assurer l'exploration d'un'espace sphériqueo Le dispositifs r présenté IO par la figure I, en vue de face, comprend: une source primaire (I)9 une len- tille circulaire ( 2)9 un réseau principal ( 3) La lentille ( 2) inclue des éléments actifs ( 4) qui comprennent en a un élément radian, et, entre a et b un circuit déphaseur Le point b, au moyen d'un circuit de commutation, pré- sente soit un court-circuit qui réfléchit l'onde incidente de b vers a, soit I 5 un circuit ouvert vers fo En f est placé un élément radian Le réseau princi- pal ( 2) inclue sur toute sa périphérie des poutres verticales ( 6) qui reçoi- vent sur leurs longueurs des éléments actifs ( 5) qui comprennent en c et d des éléments radians et entre c et d un déphaseur do Les déphaseurs des élé- ments ( 4) et ( 5) et les points de court-circuit b sont commandés par un ordi- nateur qui a pour fonction d'orienter 'le faisceau dans la direction choisie. Le cheminement des ondes se fait, suivant la figure I, sur le trajet oab, a cde, et sur le trajet oabfgo La fonction principale de la lentille ( 2) est d'orienter le faisceau en azimut ( rotation de la droite ac et de la droite fg sur 360 ) et d' assurer la répartition de l'énergie sur la face interne du réseau principal ( 3) La fonction du réseau principal ( 3) est d'assurer le mouvement du fais- ceau en élévation (orientation de la droite de) et de réaliser les compen- sations de trajet, par le réglage approprié des déphaseurs, qui permettent d'obtenir une onde plane en eo L'art antérieur de la technique des antennes réseaux a fait ces derniè- res trente années l'objet de nombreuses études et publications, La descrip- tion générale de ce type d'antenne est donnée, par exemple par: J DARRICAU, Physique et Théorie du Radar, chapitre 5; Mo Io SKOLNIX, Introduction to Radar System, chapitre 7; MICROWAVE JOURNAL, Octobre I 98 I, A Review-of Array Radar. Dans l'art antérieur on trouve des antennes à couverture sphérique qui n'uti- lisent pas de mécanisme de rotation, notament les antennes radome o "dome antenna" dans lesquelles un réseau déphaseur disposé à plat voit son faisceau dévié par des déphaseurs fixes enrobés dans le radomeo Les performances de ces antennes, notament en ce qui concerne les lobes secondaires ne sont exellentes du fait que l'orientation en élévation est réalisée par des oo a Eurs Mixes à la d L hrence de 1 '1 T: ion ui elle utilise des dépta- s et la combinaison d'un réseiu prircifll et d'mne lentille si dévie le fisc-U a ia r'liexor N sous un angle colnsant dans tous les a L 'L Is Une antenne du type r-seau utili_ée en technique radar consiste ='ne- z.e 7 rent en -ne dalle: ne incl-ine d' n-iviron 20 sur l'axe vertical. ane l''ya'sseur de in c_= 7 e sont irsêr S des dr'haseurs inés avec 2 1 ents r ains, placs l'un en avant de la dalle en direction de l'es- pace, et, l'autre en arri-re en direction de la source primaire Les dé- phaseurs sont comandaés par mn ordinateur qui rè gle les déphaseurs de elle sorte que l'antenne génère une onde plane dans une direction choi- sic de 1 ' space Par rapport à l'axe,noriral au plan du réseau, le -als- ceau est Dévié d'un angle O a en azimut etêe en élévation &a peut atteindre + 600 et,4 en'est généralement pas choisie supérieur à _+ 30 , Ceci permet, compte tenu de l'inclinaison du réE -u, une exp loration en élévation du sol jusqu'à + 50 , dans un angle st Ide de 120 . L'introduction d'un angle O de déviation du faisceau réduit la largeur apparente de l'antenne dans un rapport cos O Il en résulte un élargisse- Sent du faisceau inverse Rnt proportionnel à cos e En ce qui concerne le gain,celui-ci est réduit, en pratique, dans un rapport double à celui provoqué par la variation de largeur apparente Ainsi par exemple, pour = 600 le gain est réduit de 6 Décibels tandis que le faisceau est deux fois plus large La réduction du gain a pour corrolaire la réduction des performances de détection L'élargissement du faisceau a pour corrolaire une moins bonne séparation des signaux parasites et une réduction dans un rapport de 2 à 8 de la précision des mesures angulaires, (J DARRICAU Tome 2,chapitre 4). Afin d'obtenir des déviations qui peuvent atteindre 60 , il est néces- saire de réaliser un espacement entre chacune des sources qui soit peu supérieur à 0,5 longueur d'onde En pratique, compte tenu des lacunes qui peuvent être introduite,de tels réseaux nt généralement un espace moyen entre source de 0,7 Dans cet intervalle il faut placer: un dé- phaseur, le circuit de commande associé et le passage des connexions Il résulte de cette compacité une grande difficulté a assurer une évacuation convenable des calories dissipées par les déphaseurs et les circuits de commande Le prix de telles antennes est élevé, ainsi uine antenne de I mètre carré à 1 = 3,2 cm comporte 2000 sources Pour assurer la détection sur 360 il faut généralement disposer 4 antennes avec 4 radai 5 associés oh bien monter l'antenne sur un mécanisme de rotation ce qui a pour in- convénients d'introduire des contraintes de renouvellement de l'informa- tion, cadence liée à la vitesse de rotation de l'antennrmes, et également la contrainte de fiabilité d'un mécanisme complexe L'antenne objet de l'in- vention ne présente pas ces inconvénients, car elle est caractérisée par: un arrangement, illustré par la figure 2 vue de dessus, de la lentille ( 2) et du réseau principal ( 3), la lentille ( 2) orientant le faisceau en azimut le faisceau issue du réseau principal ( 3) reste "normal" à la tangente au réseau permettant ainsi une réduction drastique du nombre d'éléments radians et de déphaseurs associés. la disposition des éléments radians et déphaseurs le long de poutres por- IO tant des flasques qui permettent de capter l'érergie sur toute la périphé- rie du réseau principal, ce qui a pour but d'accroître le gain des éléments radians et également de constituer des radiateurs qui facilitent les échanges thermiques l'espacement 5 à IO O fois supérieur, en azimut, à celui des dispositifs i 5 conventionnels c'est à dire compris entre 2 et 5 à, donnant ainsi des faci- lités de montage et permettant la circulation de l'air et le montage des lon- gerons ( 8 ' de la figure 2, longerons qui assurent la liaison mécanique entre les anneaux ( 7) de la figure I. le déplacement du faisceau en azimut est assuré par la lentille circulaire ( 2) et, de ce fait, aucun mécanisme de rotation n'est utiliséo En outre, le déplacement du faisceau réalisé au moyen d'électronique est instantané. les dispositfs conventionnels sont limités en élévation à des angles de b 70 " au delà desquels apparait une zone de non détection o cône, de si- lence La lentille ( 2), utilisée à la transmission; élimine le c&ne de silence. En se référant à la figure I, le réseau principal ( 3) reçoit sur sa périphérie une série de poutres verticales porteuses des éléments radians et des déphaseurs associés Le déplacement du faisceau en élévation est réa- lisé en commandant les valeurs des déphaseurs montés sur les poutres. L'espacement vertical des éléments radians est de l'ordre de, o peu supé- rieur à 0,5 \ o Ldéplacement du faisceau en azimut est réalisé par déplace- ment du faisceau à l'intérieur du réseau principal ( 3) Ce déplacement est réalisé en réalisé en commandant des déphaseurs montés sur la lentille dés flectrice ( 2) placée perpendiculairement et dans l'axe du réseau principal ( 3) Le dispositif d'antenne objet de l'invention réalise ainsi la séparation des fonctions de commande d'azimut et d'élévation L'espacement des éléments radians à la surface de la lentille ( 2) est de l'ordre de o peu différent de 0,5 âo Le faisceau issue du réseau principal ( 3) reste "normal", en azimut, à la tangente au réseau, de la sorte il devient possible d'espacer les élé- ments radians jusqu'à 5 Pour compenser la perte de gain provoquée par 1 ' 4 2530872 espacement des éléments radians il est nécessaire d'accroître le gain de ceux-ci Dans ce but des flasques constituent des volets réflecteurs montés de chaque coté et sur la longueur de la poutreo Le plan de polarisation de l'onde issue de la lentille ( 2) tourne avec la direction du faisceau Afin d'éviter une orientation des éléments radians internes du réseau principal, les éléments radians des c 8 tés internes de la lentille ( 2) et du réseau ( 3) sont à polarisation circulaireo Les éléments xadians des côtés extérieur sont indifférement à polarisation circulaire o rectiligne. IO O Des lobes secondaires et de rayonnements diffus bas sont obtenus en op- timisant la répartition d'énergie à la surface du réseau principal et en cr&ant des lacunes dans la partie du réseau qui ne contribue pas à l'obten- tion du faisceau dans une direction déterminée La répartition d'énergie à la surface du réseau est obtenue au moyen de la lentille dont le faisceau I 5 est rendu convergent par le réglage des déphaseurso Les lacunes sono crées au niveau des déphaseurs par l'insertion de commutateurs, commandés par 1 ' ordinateur, à diodes ou à ferrites qui dirigent l'énergie incidente sur des charges adaptées Les commutateurs sont commandés par le même ordinateur qui contr 6 le les déphaseurs. Une particularité de l'antenne objet de l'invention réside dans l'avan- tage que l'on peut tirer de l'espace accrue entre les éléments radians Cet espace rendu libre est utilisé pour disposer plus commodément les circuits et les connexions En outre le refroidissêment est facilité par des conduits plus large que ceux qu'autorise les dispositifs coventionnels A titre d'exem- ple non limitatif un conduit sur deux peut 9 tre utilisé pour placer les cir- cuits, les autres conduits pouvants être réservés à la structure mécanique de l'ensemble de l'antenne o du dispositif dans lequel celle-ci est montée. Si l'antenne est montée sur un avion, un hélicoptère, une fusée, son axe est confondu avec celui de l'engin volant Les longerons ( 8) de la figure 2 s'in- tègrent à la structure porteuse de l'appareil Une section de la carlingue pourra être remplacée par une antenne dont la face extérieure, constituée d' un radôme, sera exactement dans l'alignement des autres sections de la carlin- gue Cette section peut être indifférement une section intermédiaire o d'ex- trémité d'un engin volant La forme de cette section n'est pas nécessaire- ment circulaire, elle est intégrée à l'aérodynamique de la carlingue et peut revêtir différentes formes convexes, par exemple elliptique o conique La couverture obtenue, limitée dans certaine zone par les ailes et les moteurs, peut pour une section intermédiaire atteindre, perpendiculairement à l'axe de l'appareil, + 60 et, dans le cas d'une section d'extrémité atteindre 300 Dans le cas d'un montage sur navire, celui-ci peut être gité sans qu'il 5. en résulte de perte de détection puisque le faisceau peut être orienté vers le bas Il en est de même pour tous véhicules dont l'assiette est instable. L'espace annu Laire délimité par le pointillé ( 9) et la droite a',c', est disponible pour placer des jambes de forces entre lesquelles peuvent être montées des antennes auxiliaires, Io F Fo par exemple Le cône délimité par la droite c",a", et qui a pour sommet l'intersection de cette droite avec l'axe de l'antenne, reçoit la source primaire (I) et ses circuits asso- ciés, qui ne sont pas représenté sur la figure Io A la partie du cône situé en dessous de ceux-ci peuvent être montés d'autres équipements, par exemple I O l'émetteur, o bien des antennes auxiliaires (IO), sur la figure 3, destinées à des fonctions annexes: répondeurs, illuminateurs, liaisons Hertzienne A titre d'exemple non limitatif sont représentées sur la figure 3, deux anten- nes circulaires, quipar des commutations des sections qui les composent peuvent permettre d'obtenir, en utilisant une partie de la surface du réseau I 5 principal ( 3) deux faisceaux additionnels orientés en azimut par les antennes (I 0) et en élévation par le réseau principal. La détermination des paramètres est faite selon le processus propre à l'optique physique pour un dispositif à deux lentilles Lafigure 4 schémati- se le dispositif, en arrière du réseau principal circulaire ( 3)-sont disposés en 2 ' la lentille déflectrice, en IV la source primaire et en I" le point vi- tuel de la source primaireo Par une déviation de 45 des faisceaux du réseau principal et de la lentille déflectrice celle-ci vient occuper laposition ( 2) et la source primaire la position (I)o La détermination des paramètres propres au réseau principal et à la len- tille déflectrice est faite à partir des dispositfs conventionnels illustrés par la figure 5 En 5 a est représenté le dispositif par transmission et en b le dispositif par réflexion Nous trouvons en( 11) leréseau porteur de dé- phaseurs( 12 ouplés à des éléments radians( 13) en( 14)âasource primaire et en( 15) dans le réseau à la réflexion un point de court-circuit qui renvoie l'énergie vers le déphaseur. Si nous revenons à la figure 4, nous remarquons que l'espace entre le bord supérieur du réseau principal et le bord de la lentille déflectrice en( 2)est réduit par rapport à l'espace de la position 2 ' Ceci conduit à déterminer la répartition de l'énergie dans un plan oblique proche des réseaux Pour ce faire il est fait appel à l'optique physique et notament aux réseaux de FRAUNHOFE Ro En effet si nous considérons que l'onde incidente au réseau est plane, les ondelettes qui sortent des divers éléments radians ne se fondent pas immédiatement en leur enveloppe planeo Tout près du réseau elles restent distinctes (ondes paragéniques) Dans le cas du dispositif représenté par les figures l,2 et 4, les ondelettes ne sontque partiellement fondues en leur enve- ipe p-ane et la connaissance de la répartition de l'énergie incidente dans le plan obliuue du réseau principal est nécessaire à la détermination de 1 ' espacement des poutres verticales ( 6) de la figure I. A titre d'exenples non limitatifs sont decrits ci-dessous 2 exemples pra- tiques de l'antemne objet de l'invention, l'un en bande X ( 5 = 3,2 cm) et 1 ' autre en bande S f=I O cm). L'antenne bande X est destinée à des mobiles terrestres et à des navires, elle peut en fonctionnement atteindre des angles de gites de 30 Elle est aussi compacte que possible Il a été considéré que le gain en direction du i O zénit pouvait être inférieur de 6 d B au gain dans la direction de l'horizontal. l en résulte que le diamètre de la lentille est la moitié de la hauteur du réseau principal Il a été retenu 4 û éléments radians par mètre, soit -un es- pacement de 0,7 ? compatible de l'explorationt-= 45 sans apparition de lobes de périodicité Il a été estimé qu'une hauteur de l'ordre de I metre du réseau I 5 principal donnerait les valeurs requises de gain, largeur de faisceau et niveau des lobes secondaires La lentille déflectrice a un diamètre de 0,5 mètre et reçoit 380 déphaseurs/éléments radians Le réseau principal a un diamètre intérieur de 1,5 mètre et sur la périphérie sont montées 72 poutres, l'espace entre deux poutres est ainsi de 24 Le réseau principal comnporte 72 X 44 = 3 i 62 déphaseurs/éléments radianso L'ensemble des éléments radians est'à polarisa- tion circulaire Les comrutations des déphaseurs et des court-circuits de la lentille déflextrice sont à diodes Deux antennes auxiliaires sont montées identiquement à la figure 3 Ces antennes sont imprimées sur un support min- l ce et les sections qui les composent sont mises en service par des commuata- teurs à diodes Les antennes IFF sont disposées au dessus du réseau principal L'antenne bande S est destinée à des radars fixes de surveillance aérienne. Il n'a pas été jugé nécessaire d'assurer une couverture vers le zénit et l' angle d'élévation maximum utile a été limité à 30 La lentille déflectrice est utilisée uniquement à la réflexion Le système adopté est du type multi- faisceaux: un faisceau large est généré à l'émission et à la réception plu- sieurs récepteurs reçoivent l'énergie en retour d'échos par des faisceaux plus étroits La position des cibles est donnée par la comparaison d'amplitude en- tre chacun des faisceaux adjacents La source primaire comprend, en se réfé- rant à la figure 6, des éléments radians( 16)des commutateurs émission récep- tion( 17)des récepteurs( 18)des coupleurs 3 d B( 19) une ligne d'alimentation émission( 20)Dans cet exemple, I 6 voies de réception ont été choisies mais ce pourrait être par exemple 4,8,I 6 o 32 La longueur des guides d'ondes qui re- lient les éléments radians( 16)auxcoupleurs( 19)estajustée de façon a obtenir les relations de phases convenables qui permettent la réalisation du diagram- me désiré Dans l'exemple, autour d'un élément central, les éléments radians sont disposés sur 2 couronnes concentriques Ceci donne à la réception une distribution à l'intérieur d'un cercle alors que les dispositifs conentinn- nels sont généralement à faisceaux étagés Les éléments radians de la source primaire comprennent, une transition guide rectangulaire guide circulaire, dans le guide circulaire sontplacés successivement une lame déphaseur quart d'onde qui assure la transformation onde rectiligne/ onde circulaire et un batonnet diélectrique radiano Le guide circulaire est fermé par un radome qui recouvre le batonnet diélectrique Les ensembles déphaseurs/éléments ra- dians sont également montés en guides d'ondes circulaires Dans ces guides IO d'ondes sont montés des batonnets de ferrites qui, contr 8 lés par un soléno- lde règlent les déphasages Les guides circulaires de la lentille déflectrice sont terminés, face à la source primaire par un élément radianconst-itué par un batonnet diélectrique et à l'opposé par un plan de court-circuito Ceuxc du réseau principal comportent à chaque extrémité un élément radian à polarisa- I 5 tion circulaire similaire à ceux de la source primaire et de la lentille. L'espacement entre éléments radians, de la source primaire, de la lentille et en vertical du réseau principal est de I o La lentille déflextrice a un dia- mètre de 2,5 mètres et reçoit 490 déphaseurs/éléments radianso Le réseau prirn cipal a une hauteur de 8 mètres et sur la périphérie sont montées 82 poutres porteuses de 80 déphaseurs/éléments radians, l'espace entre poutre est de 5. Le réseau principal comporte 82 X 80 = 6560 déphaseurs/éléments radianso Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent 8 tre apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. L'emploi de cette antenne n'est pas limité aux seuls radars, elle peut être utilisée chaque fois qu'un faisceau doit pouvoir etre orienté à tout moment dans une direction choisie de l'espace. s 253 êa 12 REVENDICATIONS I / Dispositif d'anterze principalement destiné à des radars multifonctions de détection des cibles aériennes, sur 360 en azimut et jusqu'au zénit ain- si qu'a des élévations nggatives, utilisable notament sur navires engins vo- lants, véhicules terrestres, du type constitué d'un réseau principal à dépha- sage et d'une source primaire, caractérisé en ce que le réseau principal ( 3) à déphasage est disposé sur une surface convexe et est combiné avec une len- ti'le déflectrice ( 2) placée perpendiculairement à l'axe dudit réseau prin- cipal ( 3), permettant de disposer sur celui-ci un nombre réduit d'éléments radians La dite lentille ( 2) comportant des moyens permettant soit la trams- IO mission vers le zénit, soit la réflection vers le réseau principal ( 3) , une telle antenne ne nécessitant afnsi aucun mécanisme de rotation. 2 / Dispositif selon revendication I caractérisé en ce qu'il comporte des ensembles distincts de commande d'orientation du faisceau en azimut et en élé- vation: l'orientation en azimut est assurée au niveau de la lentille déflec- I 5 trice ( 2),l'orientation en élévation au niveau du réseau principal ( 3). 3 / Dispositif selon revendications I et 2 caractérisé en ce que l'espacement entre éléments radians disposés à la surface dudit réseau principal est com- pris entre 2 et 5 - 4 / Dispositif selon revendication I, caractérisé en ce que les moyens per- mettant soit la transmission vers le zénit, scit la réflection vers le réseau principal sont constitués de commutateurs à diodes ou à ferrites qui réalisent un court-circuit dans le mode à la réflection. / Dispositif selon revendication I caractérisé par l'insertion aux déplaseurs du réseau principal ( 3) et de la lentille( 2) de commutateurs à diodes ou à ferrites qui dirigent les signaux indésirables sur des charges adaptées. 6 / Dispositif selon revendications I et 3 caractérisé en ce que les éléments radians sont disposés le long de poutres portant des flasques qui permettent de capter l'énergie sur tout la surface du réseau principal. 7 / Dispositif d'antenne selon revendication I caractérisé en ce qu'il compor- te des longerons assurant une rigidité permettant l'insertion de l'antenne à la cellule d'un engin volant. 8 / Dispositif d'antenne selon revendication I caractérisé en ce qu'il com- porte des antennes auxiliaires (IO) disposées dans l'axe de la lentille à l'intérieur du réseau. 9 / Dispositif d'antenne selon revendication I utilisé en réception multifais- ceaux caractérisé en ce qu'il comporte une source primaire qui, à l'émission génère un seul faisceau et à la réception comporte 4,8,I 6 ou 32 voies de réception. IO/ Dispositif selon revendication I caractérisé en ce que le réseau principal est disposé sur une surface convexe circulaire.