Brevet FR2538959A1 — publié le 19840706

LENTILLE HYPERFREQUENCE Bl-BANl!E, SON PROCEDE DE FABRICATION ET ANTENNE RADAR BI-BANDE DE POURSUITE La presente invention concerne une lentille dite bi-bande ctest-à-dire fonctionnant simultanément dans deux bandes de fréquences distinctes. Elle a également pour objet son procédé de fabrication ainsi qu'une antenne bi-bande pour radar de poursuite. Une telle lentille peut être utilisée de manière particulièrement intéressante dans les antennes radar bi-bande de poursuite de cibles en général et de missiles en particulier. En effet, pour poursuivre de telles cibles, il est nécessaire que l'antenne fonctionne dans deux bandes de fréquences distinctes, une bande basse pour la détection de la cible à site élevé et une bande haute pour la détection à site bas et la poursuite de cette cible, bande haute qui est rendue nécessaire par le fait que la cible est susceptible de se trouver au niveau de l'horizon. Une particularité de certains missiles étant précisément de raser l'horizon, le faisceau du diagramme de rayonnement en bande de fréquences hautes émis par l'antenne doit être suffisamment fin et directif pour ne pas toucher le sol et s'y réfléchir.En effet, en cas de réflexion du faisceau sur le sol, apparaît le phénomène connu sous le nom de pompage de l'antenne, c'Sest-à-dire que l'antenne radar poursuit à la fois la cible et son image par rapport au sol. Pour éviter ainsi de prendre en considé ratio l'image de la cible, I'antenne doit avoir un faisceau d'ouverture étroiteS ce qui est obtenu en travaillant à des fréquences élevées. Actuellement, il existe des lentilles bi-bande réalisées en matériau diélectrique, tel que du quartz, du polyéthylène, ou du polypropylène entre autres. Elles sont apériodiques, fonctionnant à n'importe quelle fréquence, et leur indice de réfraction est indépendant de la fréquence mais ont pour inconvénient majeur d'êtrerelativement lourdes lorsque leurs dimensions sont grandes. Par exemple, une lentille circulaire en polyéthylène de diamètre voisin d'un mètre, pèse environ 80 kilos.On considère qu'une lentille est grande au sens des hyperfréquences quand son diamètre extérieur est supérieur à 300 fois la longueur d'onde en bande W, ou supérieur à 30 fois la longueur d'onde en bande X. Une antenne radar utilisant une telle lentille nécessite une toureile et un moteur d'entraînement importants pour conserver une valeur admissible au temps de réponse de la poursuite des cibles. Il existe d'autre part des lentilles ne présentant pas cet inconvénient précité, à savoir un poids élevé ; ce sont les lentilles métalliques réalisées - à partir d'un réseau de lames métalliques parallèles. Mais ces antennes ne fonctionnent que dans une seule bande de fréquences. Cela présente un inconvénient notamment lors de la poursuite de missiles. Le but de l'invention est de pallier ces deux inconvénients, poids élevé et fonctionnement dans une seule bande de fréquences. Pour cela, elle a pour objet une lentille hyperfréquence bi-bande susceptible d'être éclairée par deux sources rayonnant des ondes électromagnétiques sphériques dans deux bandes de fréquence différentes et selon deux polarisations rectilignes croisées, qui comprend deux réseaux imbriqués, chaque réseau correspondant à une des deux bandes de fréquences et étant constitué de lames métalliques parallèles à un plan passant par l'axe focal de la lentille et séparées par une distance constante, les lames du second réseau étant orthogonales à celles du premier. Ainsi, une telle lentille métallique présente les deux avantages suivants : être légère, environ quatre fois moins lourde qu'une lentille en diélectrique, et fonctionner dans deux bandes de fréquences distinctes, par exemple X et kA, de fréquences centrales respectives 9 et 35GHz, ou X et W de fréquences centrales respectives 9 et 94GHz. L'invention vise également un procédé de fabrication de la lentille et une utilisation de la lentille dans une antenne pour radar de poursuite. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, illustrée par les figures suivantes, données uniquement à titre d'exemple non limitatif: - la figure 1 : une vue en perspective d'une lentille selon l'invention; - les figures 2 et 3 : deux vues en coupe, selon un plan passant par l'axe focal, de la lentille selon l'invention, éclairee par deux sources séparées; - la figure 4 : une vue en coupe, selon un plan passant par l'axe focal de la lentille selon l'invention, éclairée par deux sources distinctes. En se reportant à la figure 1, une lentille conforme à l inven- tion fonctionne simultanérnent dans deux bandes de fréquences différentes. Pour chaque bande de fréquences, elle est éclairée par une source d'ondes électromagnétiques sphériques, dont le centre de phase est placé au foyer de la lentille correspondant à la bande de fréquences considérée, de sorte qu'apparaissent, en sortie de la lentille I, des ondes planes. Pour un fonctionnement simultané dans deux bandes de fréquences distinctes, les centres de phase des deux sources éclairant la lentille selon deux polarisations croisées doivent avoir leurs centres de phase confondus avec les foyers correspondant respectivement aux deux bandes de fréquences. La lentille I comprend deux réseaux 2 et 3 imbriqués, chacun étant constitué respectivement de lames métalliques 4 et 5 parallèves à un plan passant par l'axe focal A de la lentille et séparées par des distances respectives dl et d2 constantes autrement appelées pas des réseaux. Chaque réseau 2 ou 3 correspond à une bande de fréquences de fonctionnement de la lentille 1 et, étant donné les polarisations croisées des ondes émises dans les deux bandes de fréquences, les lames 5 du second réseau 3 sont orthogonales à celles du premier réseau. Bien entendu, les lames d'un réseau donné correspondant à une des deux bandes de fréquences sont parallèles à la direction de la polarisation des ondes émises dans cette bande de fréquences.De tels réseaux 2 et 3 s'appellent réseaux à lames guidées du fait que les ondes se propagent entre les lames comme dans des guides d'ondes. Pour chaque réseau de lames, l'indice de réfraction est défini Dar li 1 formule suivante (El): étant la longueur - d'onde dans le diélectrique qui se trouve entre les les lames (pour l'air: X c- avec f = fréquence et c = vitesse de la lumière) et d étant la distance entre les lames. On constate que cet indice de réfraction est défini par la distance d, pour une fréquence donnée et est inférieur à 1. Pour qu un seul mode guidé se propage entre les lames, le mode TE10 en l'occurence, excluant la propagation de modes supérieurs, il est nécessaire que la distance entre les lames de chacun des deux réseaux soit inférieure à la moitié de la longueur d'onde A, pour chaque bande de fréquences correspondante. La formule (E1) montre qu'il est possible pour chaque fréquence de jouer sur l'indice n donc sur la distance focale de la lentille par l'intermédiaire de la valeur choisie d1 ou d2 correspondant à la fréquence considérée. Ses foyers respectifs peuvent alors être différents ou confondus. La- forme de la lentille 1 est définie par celle des deux réseaux 2 et 3 de lames la constituant. On sait que pour un réseau de lames métalliques parallèles, le rayon de courbure de la face éclairée par les sources est donné par la formule suivante (E2), qui est l'équation d'une méridienne en coordonnées polaires: (1-n)f0 r = I-cos# (E2) avec f distance focale de la lentille et &commat;O = anglecourantformépar o l'axe focal A et une droite passant par le point focal F et un point du réseau. Cette équation est valable pour une lentille dont la face non éclairée par les sources est plane. On notera cependant que la courbure de cette face de la lentille peut être quelconque, l'équation (E2) étant alors rrrodiIiée. Comme cela a été dit auparavant, les centres de phase des deux sources éclairant la lentille doivent être confondus avec les foyers respectifs correspondant aux deux bandes. Pour cela, plusieurs cas se présentent selon l'écart entre les fréquences centrales des deux bandes de fréquences de fonctionnement. Dans le premier cas représenté sur la figure 2, les distances focales de la lentille sont égales pour les deux bandes de fréquences de fonctionnement et les deux sources 8 et 9 sont séparées, leurs axes de propagation Ao et A1 etant distincts. Cette figure 2 montre une vue en coupe selon un plan passant par l'axe focal A de la lentille 1 selon l'invention, éclairée par les deux sources séparées 8 et 9. La première source 8 est placée de sorte que son axe A de o propagation soit confondu avec l'axe focal A de la lentille 1 et que son centre de phase F1 soit confondu avec le foyer de la lentille. Ainsi les ondes sphériques que rayonne cette source 8 sont transformées en ondes planes, après passage à travers la lentille 1, en sortie de laquelle le plan d'ondes est équiphase. La seconde source 9 n'a pas son axe de propagation A1 confondu avec l'axe focal A, mais par exemple orthogonal à ce dernier. Pour que la lentille 1 soit éclairée simultanément par ces deux sources 8 et 9 d'ondes sphériques un filtre spatial de polari sation 10 est placé à l'intersection des deux axes de propagation A o eut A Dans le cas particulier de la figure 2, ce filtre est placé à 450 des deux axes A et A 1. o Ainsi les ondes émises par la source 8 traversent ce filtre 10 pour éclairer la lentille 1 et les ondes émises par la source 9 subissent une réflexion de 90" sur ce filtre pour éclairer à leur tour la lentille 1. Ce filtre spatial de polarisation permet de réunir en un seul faisceau d'ondes électromagnétiques au moins deux faisceaux de fréquences différentes issus de deux sources séparées. Ce filtre spatial 10, qui sépare les ondes électromagnétiques d'angle d'incidence moyen déterminé et situées dans des bandes de fréquences différentes, peut être à diélectrique multicouche ou un simple réseau semi-transparent à fils parallèles si les deux sources émettent des ondes à'polarisations rectilignes orthogonales. Dans ce dernier cas, les fils sont parallèles au plan de polarisation de l'onde à réfléchir, plan de polarisation défini par le vecteur champ électrique et la direction de propagation des ondes. Pour-que les ondes sphériques émises par la seconde source 9 soient transformées en ondes planes par la lentille 1, le centre de phase F2 de cette source doit être confondu avec le foyer de la lentille pour la bande de fréquences correspondante. La source 9 est donc placée à une distance de l'axe focal telle que l'image du centre de phase F2 de cette source 9 par rapport au filtre 10 comcide avec le centre de phase F1 de la première source 8. Ainsi cette distance entre le centre de phase F2 et le filtre 10 est égale à la distance D1 entre ce même filtre et le centre de phase F1 de la source 8. Grâce à cette disposition des deux sources 8 et 9, les foyers correspondant aux deux bandes de fréquences de fonctionnement de la lentille sont confondus. Du fait que les deux sources 8 et 9 ont leurs centres de phase confondus, la distance focale f est la meme pour les deux réseaux o et l) aussi, de sorte que le rayon de courbure n'est plus fonction que de l'indice de réfraction n. Pour des raisons de facilité de réali station, dans un mode de réalisation préférée, on choisit le même rayon de courbure pour les deux réseaux et pour cela on choisit les distances d1 et d2 entre les lames des réseaux pour que Pindice n soit le même pour les deux réseaux, n étant donné par l'équation (E1) précédente.Cette solution présente le gros avantage d'offrir un profil ellipsoidal à la lentille facile à usiner et d'obtenir un decouplage très bon entre les deux ondes, inférieur à -40dB environ, quelque soit les deux bandes de fréquences. Pour des raisons particulières, dues par exemple à l archi- tecture d'ensemble (figure 3) ou à l'utilisation de sources primaires imbriquées (figure 4) à polarisations orthogonales, il peut être intéressant d'utiliser des distances focales différentes pour les deux bandes de fréquences. C'est le cas sur la figure 3, où les deux sources 9 et 11, éclairant la lentille I par l'intermédiaire d'un filtre spatial 12 identique à celui décrit précédemment, ont leurs centres de phase respectifs F3 et F4 placés de telle sorte que les distances focales sont différentes. L'image du centre de phase F4 de la source 11, par rapport au filtre 12, est située en un point F5 de l'axe focal A , distinct du centre de phase F3 de la source 9.Pour la bande de fréquences de fonctionnement de la source 9, le foyer de la lentille 1 est confondu avec le centre de phase F3 de cette source, alors que pour la bande de fréquences de fonctionnement de la source 11, le foyer de la lentille est placé au point F5 de l'axe A. Ainsi, les distances focales dans les deux bandes étant différentes, on peut choisir les distances d1 et d2 entre les lames des réseaux pour que les rayons de courbure des deux réseaux imbriqués de lames métalliques parallèles constituant la lentille 1 soient différents, l'un étant représenté en pointillés sur la figure. Le profil de la lentille n'est plus de révolution et sa facilité de réalisation dépend de la technologie employée comme on le verra par la suite. Un troisième mode de réalisation peut être également envisagé, comme le montre la figure 4 où les deux sources 6- et 7, éclairant la lentille 1 selon l'invention, sont imbriquées. La source 7 étant imbriquée dans la source 6, son centre de phase F7 se trouve nécessairement distinct de celui F6 de la source 6, entraînant une différence entre les distances focales de la lentille selon les deux bandes. Là encore, il est possible obtenir des distances focales différentes, soit en jouant sur les indices nl et n2 correspondant aux deux bandes de fréquences: par l'intermédiaire des distances dl et d2 entre les lames des réseaux, soit en jouant sur les rayons de courbure rl et r2 d'après la formule (E2).Dans ce dernier cas, le profil de la lentille présente deux rayons de courbure différents. En ce qui concerne les technologies de fabrication d'une lentille selon I'invention, telle qu'elle vient dextre décrite, il existe au moins deux possibilités. La première utilise un procédé classique d'électroérosion d'un bloc de métal pour réaliser les deux réseaux imbriqués de lames formant de petits guides d'ondes les lames ayant quelques dizièmes de mm d'épaisseur.Dans un exemple particulier de réalisation, non limitatif, les dimensions ont pour ordre de grandeur: - le diamètre de la lentille:1 mètre - son épaisseur au centre: 15 mm - son épaisseur sur la périphérie 70 mm - son poids:18 kg La seconde possibilité utilise un procédé de fabrication de réseaux de lames parallèles, à partir de plaquettes de matériau diélectrique, métallisées sur une de leurs faces. Leur épaisseur prédéterminée est égale au pas du réseau correspondant à une des deux bandes de fonctionnement de la lentille. Ces plaquettes sont empilées et collées parallèlement les unes aux autres pour former un bloc compact que l'on usine pour lui donner le rayon de courbure r, correspondant à cette bande de fréquences.Ensuite, ce bloc est découpé, perpendiculairement à la direction des lames du premier réseau, en tranches parallèles d'épaisseur égale au pas du second réseau que l'on veut réaliser. On insère des plaquettes de clinquant, c'est-à-dire de cuivre de faible épaisseur par exemple, entre les tranches de diélectrique, plaquettes usinées de sorte que le second réseau ainsi obtenu ait le rayon de courbure voulu. Ce procédé est décrit dans la demande de brevet en France, enregistrée sous le nurnéro 79-05501 au nom de la Demanderesse et publiée sous le n" 2 450 508. Le diélectrique peut être du verre époxy ou du verre Téflon (Marque déposée) et les lames sont en cuivre. Par rapport à la solution précédente, on constate une augmentation du poids de la lentille d'environ dix pour cent mais la fragilité ainsi que le coût de la fabrication sont moindres. Comme cela a été dit initialement, une utilisation particulièrement intéressante d'une lentille selon l'invention consiste à réaliser une antenne fonctionnant dans deux bandes de fréquences distinctes, notamment pour radar de poursuite à site bas en bande haute (X-KA), Selon une autre utilisation, une telle lentille peut servir dans une antenne bi-bande pour faisceau hertzien (4 et 6 GHz). REVENDICATIONS 1. Lentille hyperfréquence bi-bande susceptible d'être éclairée par deux sources rayonnant respectivement des ondes électromagnétiques sphériques dans deux bandes de fréquence distinctes et selon deux polarisations rectilignes croisees, caractérisée par le fait qu'elle comprend deux réseaux imbriqués (2 et 3), chaque réseau correspondant à une des deux bandes de fréquences et étant constitué de lames métalliques (4 et 5) parallèles à un plan passant par l'axe focal (A ) de la lentille (I) et séparées par une distance constante, les lames (5) du second réseau (3) étant orthogonales à celles (4) du premier (2). 2. Lentille selon la revendication l, caractérisée par le fait que les distances respectives (dl et d2) entre les lames (4 et 5) des deux réseaux 12 et 3) sont telles que les rayons de courbure de la face de chacun des deux réseaux éclairée par les sources (8 et 9), sont identiques. 3. Lentille selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les distances respectives ldl et d2) entre les lames (4 et 5) des deux réseaux (2 et 3) sont telles que les rayons de courbure des deux réseaux sont différents. 4. Procédé de fabrication d'une lentille selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les lames (4 et 5) des deux réseaux sont découpées dans un bloc métallique par électroérosion. 5. Procédé de fabrication dune lentille selon l'une des reven- dications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'un des deux réseaux (2 et 3) est réalisé à partir des plaquettes diélectriquesg métallisées sur une de leurs faces, d'épaisseur pré-déterminée égale au pas de ce réseau et collées parallèlement les unes aux autres et en ce que le second réseau est réalisé à partir de plaquettes de métal parallèles séparées par une distance égale au pas de ce réseau, insérées perpendiculairement à la direction de lames du premier réseau entre les plaquettes diélectriques. 6. Antenne bi-bande pour radar de poursuite comportant une lentille selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, deux sources (8 et 9) rayonnant des ondes électromagnétiques sphériques dans deux bandes de fréquences différentes et selon deux polarisations rectilignes croisées, l'axe de propagation (Ao) de l'une d'elles étant confondu avec l'axe focal (A ) de la lentille (1) et distinct de l'axe (A1) de l'autre source et un filtre spatial de polarisation (10) placé entre les sources (8 et 9) et la lentille (1) à environ 450 de leurs axes (Ao et AA1), caractérisée par le fait que les distances focales de la lentille (1) correspondant aux deux bandes de fréquences de fonctionnement sont égales. 7. Antenne selon le préambule de la revendication 6, caractérisée par le fait que Ies distances focales de la lentille (1) correspondant aux deux bandes de fréquences de fonctionnement sont différentes. 8. Antenne pour radar de poursuite comportant deux sources (6 et 7) imbriquées dont les centres de phase (F6 et F7) sont distincts rayonnant des ondes électromagnétiques sphériques dans deux bandes de fréquences différentes et selon deux polarisations rectilignes croisées, et une lentille selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisée par le fait que les distances focales de la lentille (1) sont différentes.