Brevet FR2538624A1 — publié le 19840629

SOURCE RAYONNANTE A CAVITE OUVERTE ET A POLARISATION COMMANDEE ET ANTENNE RESEAU COMPORTANT DE TELLES SOURCES La présente invention concerne les sources rayonnantes à cavité ouverte excitées par deux éléments orthogonaux Ces sources fonctionnent de préférence dans le domaine des hyperfréquences et peuvent être utilisées seules comme source primaire pour éclairer le ou les réflecteurs d'une antenne classique ou bien encore pour constituer chacune des sources élémentaires d'une antenne réseau. L'invention concerne plus particulièrement de telles sources utilisées en polarisation commandée ou encore en polarisation circulaire fixe. Il est connu de réaliser de telles sources à polarisation circulaire en plaçant, en avant de la cavité ouverte comprenant deux dipôles disposés en croix, un ou deux disques métalliques, centrés sur l'axe longitudinal de la source, qui jouent alors, comme dans une antenne Yagi, le rôle de brins directeurs Ces disques ont pour inconvénient de réduire la bande de fréquences utiles. Il est encore connu de réaliser de telles sources à polarisation circulaire ou variable en plaçant, dans une cavité ouverte de forme carrée, deux lignes à fente évasées identiques disposées en croix selon les diagonales de cette cavité Dans de telles sources l'intersection des lignes se situe à la fois au droit des fentes et dans l'axe de propagation Ces lignes à fente identiques, excitées par des lignes à ruban, ont de ce fait leurs points d'excitation situés non seulement dans le même plan mais encore prati- quement au même point Il résulte de la proximité des deux points d'excitation un couplage indésirable entre les deux éléments rayonnants qui dégrade les caractéristiques du rayonnement de la source En particulier il est impossible d'obtenir la polarisation rectiligne correspondant à l'exci- tation d'une seule ligne à fente si l'autre ligne est partiellement excitée en raison de ce couplage mutuel non désiré. Pour pallier ces inconvénients de l'art connu l'invention propose l'utilisation, dans une cavité ouverte, de deux éléments orthogonaux de types différents Les éléments sont réalisés pour que les points d'excitation se situent en deux points éloignés l'un de l'autre éliminant de ce fait le couplage mutuel perturbateur entre les lignes Par ailleurs une coiffe en matériau diélectrique, d'épaisseur non uniforme, est appliquée sur la partie ouverte de la cavité pour améliorer les qualités de la polarisation circulaire sans pour autant affecter la qualité des polarisations rectilignes. L'invention a donc pour objet une source rayonnante d'axe de propa- gation prédéterminé comportant une cavité de forme parallélépipédique ouverte sur une face, ladite face étant de section carrée et située dans un plan perpendiculaire à l'axe de propagation un premier élément rayonnant et un second élément rayonnant constitué chacun d'une lame en matériau diélectrique comportant sur une face une région métallisée de contour ayant un axe de symétrie et sur l'autre face une métallisation en forme de ruban disposée perpendiculairement audit axe de symétrie et interceptant ledit axe en un point prédéterminé les deux éléments rayonnants étant disposés dans la cavité selon les diagonales de la section carrée, les plans contenant les lames étant orthogonaux entre eux et lesdits axes de symétrie associés à chacune des lames étant confondus avec l'axe de propagation caractérisé en ce que les contours desdites régions métallisées sont différents de manière à ce que les points prédéterminés situés sur l'axe de propagation soient éloignés l'un de l'autre pour éliminer le couplage entre les éléments rayonnants. L'invention a encore pour objet une antenne réseau comportant de telles sources. La figure 1 illustre une vue d'ensemble d'une source réalisée selon un mode préféré de l'invention. Les figures 2 et 3 montrent les deux faces d'un des éléments rayon- nants de la figure 1. Les figures 4 et 5 montrent les deux faces de l'autre élément rayon- nant. La figure 6 présente le plan réflecteur associé à l'élément rayonnant des figures 2 et 3. La figure 7 représente l'assemblage des éléments décrits d'après les figures 2 à 6. La figure 8 est une vue de la cavité -destinée à recevoir l'assemblage de la figure 7. La figure 9 illustre un type de coiffe selon l'invention. La figure 10 illustre la disposition des sources rayonnantes selon l'invention dans le cas d'une antenne réseau. La figure 1 illustre une vue d'ensemble d'une source 2 réalisée selon un mode préféré de l'invention Elle comprend une cavité parallélépipédique 1 en matériau conducteur ayant une face ouverte 3 de section carrée sur laquelle est fixée une coiffe en matériau isolant 5 L'arraché permet d'apercevoir à l'intérieur -les deux éléments rayonnants 7 et 9 disposés en croix selon les diagonales de l'ouverture 3 de section carrée Entre la face ouverte 3 qui constitue l'ouverture de la cavité et la face fermée Il qui constitue le fond se situe un plan conducteur intermédiaire 13 parallèle à ces deux faces Ce plan 13 comporte selon une diagonale une découpe qui constitue l'ouverture d'une seconde cavité 15 à l'intérieur de laquelle sont partiellement introduits les éléments rayonnants 7 et 9 Cette cavité 15 comprend par ailleurs deux parois conductrices parallèles au plan de l'élément 7 et s'étendant du niveau 13 au niveau Il Il en résulte que la partie inférieure de la cavité 1 située entre les niveaux 13 et 11 se trouve divisée en trois compartiments distincts électriquement indé- pendants 17, 15 et 19 Les compartiments 17 et 19 sont utilisés pour placer les organes de commande de polarisation, les câbles d'alimentation et introduire le fluide de refroidissement Une telle cavité 1 émet ou reçoit par l'ouverture 3 dans une direction perpendiculaire au plan de cette ouverture. L'axe longitudinal 21 représente la direction de propagation D'autres détails apparaîtront lors de la description des figures suivantes. Les figures 2 et 3 montrent les deux faces de l'élément rayonnant 9 de la figure 1 Cet élément 9 est constitué d'une lame en matériau isolant 23, par exemple un alliage verre-résine-époxy, comportant sur chaque face des régions métallisées Un tel élément 9 peut être obtenu par sérigraphie à partir d'un substrat isolant métallisé double-face La figure 2 montre, représentée hachurée, la région métallisée 25 réalisée sur l'une des faces. Cette région métallisée 25 de longueur a, de largeur c et de contour 26 possède un axe de symétrie 27 Elle présente, en particulier, une région partiellement non métallisée 29, située sur l'axe de symétrie 27 appelée généralement fente Comme le suggère sa forme un tel élément 9 est dit du type en Té La figure 3 montre l'autre face de l'élément 9 sur laquelle est placée une ligne à ruban représentée par la métallisation 31 Cette ligne à ruban coupe perpendiculairement l'axe de symétrie 27 et passe au dessus de la fente 29 en un point prédéterminé P 1 Ce point P 1 l dit point d'excitation de l'élément 9, situé dans la partie supérieure de l'élément en Té 9 est l'un des aspects importants de l'invention Un câble coaxial 33 alimente la ligne à ruban, la gaine du câble étant reliée à la métallisation 25 et l'âme à l'extrémité du ruban 310 Une découpe 35 réalisée dans le pied 37 de l'élé- ment en Té 9 permet l'association mécanique avec l'élément 7 dans des plans orthogonaux. Les 'figures 4 et 5 montrent les deux faces de l'élément rayonnant 7 de la figure 1 Les matériaux et la technologie sont les mêmes que pour l'élément 9. La figure 4 montre une région métallisée 39 ayant un axe de symé- trie 41 mais dont le contour 40 est très différent du contour corres- pondant 26 de l'élément 9 C'est dans cette différence de contours (forme et surface des régions métallisées) que réside un autre aspect essentiel de l'invention Un tel élément rayonnant 7 dans le contour 40 correspond à celui de la figure 4 est connu de l'homme de métier sous le nom de "ligne Vivaldi". la figure 5 montre l'autre face de l'élément 7 sur laquelle est disposée une ligne à ruban 45 Cette ligne 45 coupe perpendiculairement l'axe de symé- trie 41 et passe au dessus de la fente 43 en un point prédéterminé P 2. Ce point d'excitation P 2 situé dans la partie inférieure de l'élément 7 est, de par la distance qui le sépare du point Pl l'objet essentiel de l'invention Une découpe 44 permet l'assemblage avec l'élément 9. Les particularités spécifiques à l'invention vont maintenant être décrites de façon plus détaillée Il est tout d'abord utile de rappeler les principaux phénomènes physiques mis en jeu. Dans de nombreuses applications il est intéressant de modifier, dans le temps, la polarisation des ondes électromagnétiques émises par une antenne ou encore de pouvoir placer une antenne réceptrice dans un état de sensibilité maximale à des ondes de polarité donnée A titre d'exemple, pour une transmission optimale, il existe un meilleur choix de polarisation qui est fonction des conditions atmosphériques Par ailleurs, dans le cas des radars l'écho reçu dépend, pour une polarisation donnée, de la forme de la cible; la cible étant indéterminée au départ, il y a lieu d'ajuster à tout instant la polarisation pour une détection optimale De telles conditions d'exploitation impliquent la réalisation de sources rayonnantes à polarisation commandée. Il est possible de généraliser en disant que la polarisation est toujours de forme elliptique, les polarisations rectilignes étant des cas limites dans lesquels l'un ou l'autre des deux axes de l'ellipse est nul, la polarisation circulaire correspondant au cas o ces deux axes sont égaux. Des dipôles rayonnants tels que les éléments 7 ou 9 émettent, lorsqu'ils sont excités séparément, une onde électromagnétique de polarisation recti- ligne Les éléments 7 et 9 étant orthogonaux les vecteurs représentatifs du champ électrique sont en quadrature; si les deux éléments 7 et 9 sont excités simultanément par deux signaux de même fréquence, de même amplitude mais présentant entre eux un déphasage de /2 le vecteur résultant décrit un cercle et la polarisation est circulaire En agissant sur les amplitudes respectives des signaux appliqués aux éléments il est possible d'obtenir tous les taux d'ellipticité y compris les deux polarisations recti- lignes dont l'une peut être verticale et l'autre horizontale pour une position appropriée de la cavité. Un bon couplage énergétique entre un élément rayonnant et sa source d'une part et l'absence d'ondes stationnaires (réflexions) d'autre part impli- quent que l'impédance aux points d'entrée de l'élément rayonnant soit égale à l'impédance caractéristique du câble (coaxial) qui l'alimente L'impédance aux points d'entrée, à savoir entre l'extrémité du ruban 31, ( 45) et la métallisation 25, ( 39) dépend, entre autres, du contour de la région métal- lisée 25 ( 39), de la position du point Pl (P 2) du ruban 31 ( 45) sur la fen- te 29 ( 43), du rayon de courbure de ce ruban 31 ( 45) (ici infini) en ce point Pl (P 2), de la longueur du ruban La ligne à ruban 31 ( 45) assure par ailleurs la liaison entre un câble du type asymétrique (coaxial) et un o élément 9 ( 7) du type symétrique jouant ainsi le rôle de balun. Ce rappel de notions connues de l'homme de métier va permettre de mieux comprendre l'invention notamment de mettre en évidence les carac- téristiques essentielles Dans l'art antérieur, les deux éléments rayonnants sont de même type, généralement des lignes Vivaldi (fig 4 et 5) Les points P 1 et P 2 sont alors très proches l'un de l'autre ce qui entraîne un couplage électromagnétique entre ces deux éléments rayonnants Il n'est pas possible d'émettre une onde de polarisation purement rectiligne en excitant un seul élément car l'autre élément se trouve, du fait de ce couplage, partiellement excité. Il découle des considérations précédentes que cet inconvénient pour- rait être supprimé si la distance entre les points Pl et P 2 pouvait être augmentée sans modifier la valeur de l'impédance d'entrée des éléments rayonnants qui est subordonnée à l'existence de sources et de câbles d'impédances normalisées C'est un premier aspect essentiel de l'invention de parvenir à ce résultat en utilisant des éléments rayonnants ayant des régions métallisées de configurations différentes. La figure 6 présente le plan réflecteur 53 associé à l'élément rayon- nant 9 représenté par les figures 2 et 3 Pour des raisons de clarté cet élément 53 n'apparaît pas sur la figure 1; il couvre l'ouverture de la cavité 15 au niveau du plan 13 (fig l) Il est constitué d'une lame en matériau diélectrique 47 qui peut être de même nature que celui -des éléments 7 et 9; cette lame comporte, sur une face seulement, un nombre de bandes métallisées 49 parallèles au plan de l'élément 9 La lame com- porte une découpe 51 en forme de croix dans laquelle peuvent se placer les éléments 7 et 9. La figure 7 illustre la façon dont sont assemblés les élé- ments 7, 9 et 53 Par interpénétration des découpes 35 et 44 les élé- ments 9 et 7 se trouvent vérouillés mécaniquement en position ortho- gonale; l'ensemble ainsi constitué est ensuite introduit dans la découpe 51 du réflecteur 53 Des petits éléments de surface métallisés isolés et judicieusement disposés (non représentés sur les figures) permettent à l'aide de quelques points de soudure à l'étain d'assurer la rigidité de l'ensemble 55 ainsi obtenu. La figure 8 est une vue de la cavité 1 destinée à recevoir l'ensemble 55 de la figure 7 La partie inférieure de la cavité comprend deux compar- timents fermés 17 et 19 à l'intérieur desquels sont placés les organes d'ali- mentation -et de commande La partie inférieure de l'ensemble 55 (fig 7) vient se placer dans la cavité 15, l'élément réflecteur 53 venant se placer sur l'ouverture de cette cavité 15 Une rainure 57 permet de fixer la coiffe 5 (fig 1) sur la cavité 1. L'élément 53 (fig 7) qui n'est pas "vu" par l'élément rayonnant 7 sert de plan réflecteur à l'élément 9 L'élément 7 utilise pour sa part le fond de la cavité 15 comme plan réflecteur Enfin le plan réflecteur 53 est situé entre les points d'excitation P 1 et P 2 (fig 2 à 5) et contribue à réduire davantage encore le couplage entre ces derniers. La figure 9 illustre un type de coiffe selon l'invention Elle est réalisée à partir d'un matériau diélectrique à faibles pertes par exemple du polypro- pylène moulé à basse pression Des coiffes sont connues en particulier par la demande de brevet français NI 79 02767 intitulée: "Source rayonnante à cavité ouverte excitée par un dipôle" publiée sous le N O 2 448 230 et sont utilisées pour améliorer la directivité du rayonnement; elles sont en général tronconiques et d'épaisseur décroissante de la base vers l'extrémité Un premier aspect essentiel de l'invention est de proposer une cavité permet- tant d'obtenir une polarisation rectiligne de l'onde électromagnétique de bonne qualité Un second aspect important de l'invention est de pouvoir obtenir une onde électromagnétique de polarisation circulaire de bonne qualité par des moyens qui ne remettent pas en cause la qualité de la polarisation rectiligne préalablement obtenue Ces moyens sont constitués par une coiffe 5 dont l'épaisseur est, dans tout plan de coupe perpendiculaire à l'axe de propagation, minimale selon les directions passant par l'axe 21 parallèles aux diagonales du carré constituant l'ouverture de la cavité et maximale selon les directions parallèles aux médianes dudit carré A cette fin le volume intérieur de la coiffe a la forme d'une pyramide tronquée à section carrée et la forme extérieure est celle d'un tronc de cane La figure 9 présente en fantôme deux plans de coupe quelconques perpendi- culaires à l'axe de propagation; ces coupes, présentées en hachuré, mettent en évidence les épaisseurs minimales Em selon les diagonales et les épais- seurs maximales EM selon les médianes. Le tableau 1 présenté en annexe à la fin de la présente description précise les dimensions physiques à donner aux éléments pour des conditions typiques de fonctionnement. La figure 10 illustre la disposition des sources rayonnantes selon l'invention dans le cas d'une antenne réseau Cette antenne 61 comporte des sources rayonnantes 2 réalisées selon l'invention et disposées pour couvrir un plan octogonal 63 Les cavités appartenant aux colonnes de rang pair ne sont pas alignées avec les cavités appartenant aux colonnes de rang impair, cette disposition présentant des avantages sur le plan des performances La forme octogonale du plan 63 est dictée par la nécessité d'associer des cavités de forme carrée, sur un plan idéalement circulaire, avec un bon facteur de remplissage L'ensemble des cavités 2 avec leurs coiffes 5 est recouvert d'un radome octogonal (non représenté sur la figure) à des fins de protection. Dans le cas d'une antenne à balayage électronique les éléments de déphasage peuvent être placés dans chaque source avec les organes de commutation de polarisation Les sources peuvent être regroupées en sousréseaux dont le nombre et la forme dépend de la géométrie de l'antenne L'exemple illustré par la figure 10 n'est pas limitatif D'autres formes d'antenne sont possibles. Les sources peuvent constituer une antenne de surface convexe ou concave, voire même de surface cylindrique permettant une surveillance azimutale de 360 La source rayonnante à cavité ouverte et à polarisation commandée objet de l'invention n'est pas non plus limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit D'autres variantes de dispositifs selon l'invention peuvent être réalisées de façon suivante: le plan 13 (fig 1) ainsi que la cavité 15 peuvent ne pas exciter, un nouveau double fond étant à créer en dessous du plan Il pour placer les éléments de commutation, le plan réflecteur 53 (fig 7) peut être agrandi et, à la limite, occuper toute la surface disponible, le choix des configurations des régions métallisées peut être dif- férent, l'épaisseur de la coiffe peut varier selon une loi différente, d'autres rapports dimensionnels peuvent être retenus pour satisfaire des spécifications de fonctionnement différent. TABLEAU I DIMENSIONS PHYSIQUES DES ELEMENTS POUR DES CONDITIONS TYPIQUES DE FONCTIONNEMENT X longueur d'onde de fonctionnement i = 0,26 X b = X/4 c = X/4 d = 1,4 X j = 0,7 X k= X 1 = X m= 1,5 X n = 0,7 X p = 0,42 À e = 0,75 1 f= À g = 0, 2 À h= 0,3 X REVENDJCATIONS 1 Source rayonnante ( 2) d'axe de propagation prédéterminé ( 21) com- portant une cavité ( 1) de forme parallélépipédique ouverte sur une face ( 3), ladite face étant de section carrée et située dans un plan perpendiculaire à l'axe de propagation ( 21) un premier élément rayonnant ( 7) et un second élément rayonnant ( 9) constitué chacun d'une lame en matériau diélectrique comportant sur une face une région métallisée ( 25, 39) de contour ( 26, 40) ayant un axe de symétrie ( 27, 41) et sur l'autre face une métal- lisation ( 31, 45) en forme de ruban disposée perpendiculairement audit axe de symétrie ( 27, 41) et interceptant ledit axe en un point prédé- terminé (P 1, P 2) les deux éléments rayonnants ( 7, 9) étant disposés dans la cavité ( 1) selon les diagonales de la section carrée, les plans contenant les lames étant orthogonaux entre eux et lesdits axes de symétrie ( 27, 41) associés à chacune des lames ( 7, 9) étant confondus avec l'axe de propa- gation ( 21) caractérisé en ce que les contours-( 26, 40) desdites régions métallisées ( 25, 39) sont différents de manière à ce que les points prédé- terminés (P 1, P 2) situés sur l'axe de propagation ( 21) soient éloignés l'un de l'autre pour éliminer le couplage entre les éléments rayonnants ( 7, 9). 2 Source rayonnante selon la revendication 1 caractérisée en ce que le contour ( 40) de la région métallisée ( 39) du premier élément rayonnant ( 7) est celui d'une ligne à fente du type "Vivaldi" l'axe de la fente et l'axe de symétrie ( 41) étant confondus. 3 Source rayonnante selon la revendication 1 caractérisée en ce que le contour ( 26) de la région métallisée ( 25) du second élément rayonnant ( 9) est celui d'une ligne à fente du type "en Té", l'axe de la fente et l'axe de symétrie ( 27) étant confondus. 4 Source rayonnante selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que le matériau diélectrique des éléments rayon- nants ( 7, 9) est du verre-résine époxy. Source rayonnante selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 comprenant en outre une coiffe creuse ( 5) en matériau diélectrique dont la base ouverte est fixée sur l'ouverture ( 3) de la cavité ( 1) et dont l'axe longitudinal se confond avec l'axe de propagation ( 21) caractérisé en ce que ladite coiffe ( 5) est faite d'une paroi d'épaisseur variable dans tout plan de coupe perpendiculaire à cet axe ( 21) de propagation. 6 Source rayonnante selon la revendication 5 caractérisée en ce que la coiffe ( 5) est de forme tronconique à l'extérieur, que le volume intérieur à la forme d'une pyramide tronquée de section carrée dont la base est adaptée à l'ouverture de la cavité ( 1) et en ce que l'épaisseur de la paroi décroît de la base vers le sommet. 7 Source rayonnante selon les revendications 5 ou 6 caractérisé en ce que le matériau diélectrique constituant la coiffe est du polypropylène moulé à basse pression. 8 Antenne réseau caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un ensemble de sources rayonnantes à cavité ouvertes réalisées selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, lesdites cavités étant disposées sur un plan ( 63) de forme octogonale.