Brevet FR2581257A1 — publié le 19861031

ANTENNE A BALAYAGE CONIQUE ET UTILISATION D'UNE TELLE ANTENNE DANS UN RADAR DE POURSUITE La présente invention concerne une antenne à balayage co- nique et l'utilisation d'une telle antenne dans un radar de poursuite. Dans un radar de poursuite, on cherche à obtenir à tout instant la direction et la distance d'un objectif tout en se maintenant pointé automatiquement sur lui. Un radar de poursuite doit donc disposer de signaux permet- tant d'élaborer des tensions d'erreur en site et en gisement, des- tinées à commander des servo-mécanismes qui maintiennent l'anten- ne pointée dans la direction de la cible. De tels signaux peuvent être par exemple fournis par une antenne permettant le balayage conique du faisceau rayonné. Une telle antenne est encore appelée "antenne à scanning". On cherche de plus à travailler à des fréquences très élevées dans la bande des ondes millimétriques, avec un faisceau tournant à grande vitesse, de l'ordre de plusieurs milliers de tours par minute. Une telle vitesse de rotation ne peut être atteinte qu'en l'absence de joint tournant ou d'autres organes tels que moteur, mécanique d'entraînement, raidisseurs supports de la source, qui placés sous le rayonnement de l'antenne en perturberaient le fonctionnement. Les antennes à balayage conique se ramènent à quatre prin- cipaux types: - le premier type d'antenne utilise comme illustré par la figure 2 un mouvement de fouet de la source S autour d'une rotule R placée au sommet d'un paraboloTde 11, légèrement en arrière du réflecteur. La source S rayonne vers le paraboloîde 11. Les moments d'inertie du guide d'alimentation 12 et de la source S doivent être identiques dans tous les plans sinon la source décrit une ellipse pour les grandes vitesse de rotation. Ce mou- vement de fouet autour d'une rotule nécessite un joint tournant pour transmettre l'énergie entre la partie fixe et la partie mobile. - le deuxième type utilise de façon connue une optique de Cassegrain dans laquelle le miroir est entraîné par un moteur situé à l'arrière, ce qui provoque un effet d'ombre important. Ceci peut être rendu acceptable pour des paraboloïdes de grand diamètre mais ne l'est pas pour des petits réflecteurs tels que nous l'envisageons pour Pinvention. Dans ce cas on peut aussi entraîner le miroir par un manchon tournant placé autour du guide d'alimentation, ce qui permet de placer le moteur à l'arrière du paraboloYde. Il s'ensuit une augmentation des dimensions de la source qui dégrade un peu plus lIes performances de l'antenne. - le troisième type utilise une source tournante à polarisation fixe, rayonnant directement vers le réflecteur. A cette source est associé un joint tournant hyperfréquence. Ce dispositif placé dans le rayonnement de l'antenne présente un effet d'ombre important. Pour l'éviter cette source tournante peut éclairer, non plus un réflecteur métallique, mais une lentille en diélectrique fonctionnant en trans- mission. La structure symétrique du diélectrique sert à focaliser le faisceau en provenance de la source. Le balayage est obtenu en faisant tourner la source en dépointé sur elle-même. - le quatrième type, enfin, est appelé "tri-scanner". Il utilise le fait que trois obstacles, situés à 120 sur un guide circulaire excité en mode TEll et rayonnant en phase, ont un centre de phase qui tourne trois fois plus vite que la rotation mécanique de rensemble et ceci sur un cerdcle de rayon moitié du ercle sur lequel se trouvent les centres de phase de chacun des obstacles. Ces obstacles sont généralement des fentes longitudinales taillées dans la paroi du guide. Ce type de source convient particulièrement dans le cas d'une * antenne Cassegrain. L'inconvénient d'une antenne utilisant une telle source réside dans la réalisation des trois obstacles aux fréquences élevées. Toutes les antennes utilisant les solutions précédentes corn- portent un joint tournant hyperfréquence pour assurer la liaison entre les parties fixes et les parties mobiles. Certaines de ces solutions comportent des supports afin d'assurer la tenue mécanique du système, ou bien des moteurs pour entraîner la source. Mais de tels éléments supports ou moteurs, placés dans le rayonnement de l'antenne, en dégradent les performances. Le principe du balayage conique et les principales antennes dites "à scanning" mentionnées ci-dessus sont décrits dans le chapitre 13 du livre de M. LEO THOUREL "Les antennes", pages 393 à 409. La présente invention permet de remédier aux inconvénients précités et a pour objet une antenne à balayage conique ne comportant pas de joint tournant et présentant donc de faibles pertes. Un autre objet de la présente invention est une antenne ne présentant pas d'éléments supports ou moteurs de la source. Un autre objet de la présente invention est une antenne à balayage conique de petites dimensions et de faible poids pouvant tourner à très grande vitesse. Un autre objet de la présente invention est une antenne dont la source primaire est de petites dimensions, qui présente donc peut de pertes par effet d'ombre et des lobes secondaires peu perturbés. Selon l'invention l'antenne à balayage conique comportant un réflecteur principal parabolique et une source primaire à rayon- nement arrière, ou rear-feed, alimentée par un guide d'onde circu- laire, la source et le guide d'onde ayant un même axe dépointé par rapport à l'axe du réflecteur parabolique, est caractérisée par le fait que le balayage conique est produit par le mouvement de rotation du réflecteur parabolique autour de l'axe de la source et du guide d'onde, la source et le guide d'onde restant fixes et solidaires du support d'antenne. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaî- tront à la lecture de la description détaillée faite ci-après avec référence aux figures ci-annexées qui représentent: - Fig. 1, le diagramme type d'une antenne à balayage conique; - Fig. 2, la vue en coupe d'une antenne à balayage conique de l'art antérieur; - Fig. 3, la vue en coupe d'une antenne à balayage conique - selon l'invention; - Figs. 4A et 4B, la vue en coupe de deux modes de réalisation de la source primaire utilisée dans l'antenne de la figure 3; et - Fig. 5, la vue en coupe d'un autre mode de réalisation préférentiel de la source primaire utilisée dans l'antenne de la figure 3. La figure 1 représente l'allure type des diagrammes relevés avec une antenne à balayage conique. Les diagrammes de rayonnement sont affectés par le dépoin- tage du faisceau. Des aberrations modifient la forme des diagram- mes et diminuent le gain de l'antenne. Dans la figure 1, des lobes dits de coma (c) et (c') apparaissent. Il est indispensable que ces lobes restent à l'intérieur de l'enveloppe des positions extrêmes du lobe principal. Si les lobes de coma étaient les lobes (cl) et (c'l) figurés en pointillés, on pourrait obtenir avec une telle antenne de fausses directions de pointage e1 et e'1. La nécessité de diminuer les aberrations, dans le cas d'un paraboloïde de distance focale f et de diamètre D, conduit à choisir un grand rapport f/D. Il sera donc toujours avantageux d'utiliser des systèmes Cassegrain puisque dans ce cas tout se passe comme si l'on se servait d'un paraboloEde dont la focale est la focale du para- boloide équivalent. La figure 2 représente la vue en coupe longitudinale d'une antenne à scanning du premier type de l'art antérieur tel que décrit dans le préambule de la présente demande. Ainsi qu'on l'a déjà mentionné, la source S du type rear-feed rayonnant vers l'arrière est animée d'un mouvement de rotation en fouet autour d'une rotule R placée au sommet du paraboloTde 11 fixe par rapport au guide d'alimentation 12. La rotule R est construite pour que le mouvement décrit par la source soit un cercle d'axe Z'Z. En réalité aux grandes vitesses la source décrit une ellipse. Des différentes positions du diagramme ne se recoupent donc pas sur Z'Z au cours du balayage. Il faut donc rendre les moments d'inertie égaux dans les deux plans E et H. Cet inconvénient s'ajoute à ceux mentionnés plus haut. La figure 3 représente la vue en coupe longitudinale d'une antenne à balayage conique selon l'invention. Elle comporte de façon classique un réflecteur parabolique 1 et une source 2. La source 2 est conçue de façon à rayonner vers le paraboloîde. Une telle source est désignée par le vocable anglo- saxon "Rear-FeecP'. La source 2 est alimentée par l'intermédiaire d'un guide d'onde circulaire 3 o se propage un mode TE 11. Ce guide d'onde circulaire 3 est fixé en son autre extrémité à un support fixe 4 à l'aide d'une bride 5. La source 2 est donc fixe et centrée par rapport à la mécanique 4 support de l'antenne. Le réflecteur parabolique 1 est placé de façon telle que la source 2 se trouve décalée par rapport au foyer F de la parabole I: L'axe Y' Y de la parabole I forme un angle Ai e par rapport à l'axe X' X du guide circulaire 3 portant la source 2. Selon un mode de réalisation préférentiel non limitatif la structure extérieure 10 du réflecteur parabolique I se prolonge vers l'arrière dans une direction opposée à la source 2, pour former autour du guide d'onde circulaire 3, le rotor 6 cd'un moteur d'entraî- nement (non représenté) dont le stator 7 est fixé au support 4. Le rotor 6 et le stator 7 sont concentriques avec le guide circulaire 3 et de même axe X' X. Les frottements produits lors du mouvement de rotation du rotor 6 à l'intérieur du stator 7 sont éliminés par exemple par des roulements à billes 8 disposés entre les deux pièces 6 et 7 du moteur. Un tel mode de réalisation permet un gain de place et de poids. De plus les erreurs de pointage dues à l'empilement de pièces mécaniques sont réduites. Mais tout autre mode- de réalisation dans lequel le réflecteur parabolique est dépointé par rapport à la source fixe et tourne autour d'elle ne sort pas du cadre de la présente invention. D'après ce qui précède, il est évident que le balayage conique du faisceau de l'antenne est produit par le mouvement de rotation du réflecteur parabolique 1, entrainé par le rotor 6 dont il est solidaire, autour de la source rearfeed 2 par rapport à laquelle il est dépointé de t. La source 2 de l'antenne selon l'invention représentée par la figure 3 doit être du type rear-feed afin de rayonner vers le réflecteur parabolique 1 mais son mode de réalisation peut varier selon la largeur de bande désirée. Elle peut être du type conventionnel tel que représentée de façon non limitative par les figures 4A et 4B ou réalisée de façon préférentielle comme dans la figure 5. Les figures 4A et 4B représentent la vue en coupe longitu- dinale de deux modes de réalisation non-limitatifs de la source rear- f eed 2 utilisée dans l'antenne de la figure 3. Ces deux exemples dantenne rear-feed sont connus. La source de la figure 4A est sélective. Le plan de coupe est le plan E du guide circulaire 3. L'énergie délivrée par le guide circulaire 3 se divise en deux dans la cavité terminale 20 et le rayonnement a lieu vers l'arrière - par les deux fentes 21 et 22 fermées par des feuilles de diélectrique. L'adaptation est réalisée par l'écrou 23 placé en face du guide 3 de l'autre côté de la cavité 20. La capacité en puissance de ce système est limité à 50 kW sur 3,2cm. La source de la figure 4B est large bande et permet de transmettre des puissances élevées pouvant atteindre 250 kW. La coupe longitudinale de la source 2 est également réalisée dans le plan E du guide circulaire 3. La source, alimentée par le guide circulaire 3, est constituée par un guide rectangulaire 31 se repliant vers l'arrière après que la puissance incidente ait été divisée par deux en 30. Ltenue en puissance en altitude est assurée par des pièces en téflon 32 et 33 fermant les embouchures du guide 31 et partici- pant au rayonnement de la source. L'adaptation de l'ensemble dépend de la distance entre l'ex- 258 1257 trémité du guide central circulaire 3 et la paroi du guide rectan- gulaire 31 qui lui fait face. Ce réglage est réalisé expérimenta- lement par une pièce métallique 34. La figure 5 représente une vue en coupe longitudinale d'un autre mode de réalisation de la source primaire utilisée dans l'antenne selon l'invention illustrée par la figure 3. Elle est ali- mentée par le guide circulaire 3 o se propage le mode TEl 1. A son extrémité, le guide circulaire 3 contient un manchon diélectrique cylindrique 41 qui remplit tout le volume du guide 3. Ce manchon 41 se prolonge à l'extérieur du guide 3 par une pièce en matériau diélectrique 42 de forme tronconique de hauteur égale à \ environ, As étant la longueur d'onde dans le guide 3, et portant appliqué sur sa base la plus large un disque réflecteur métallique plat 40. Le diamètre du disque 40 est approximativement 1,5 X,> étant la longueur d'onde dans le guide 3 contenant le diélectrique. L'adaptation est réalisée par un transformateur quart-d'onde 43 fixé sur le manchon cylindrique 41 en amont par rapport à la pièce tronconique 42. La constante diélectrique du matériau composant le manchon 41 et la pièce tronconique 42 est de préférence voisine de 2,5 de façon à obtenir une réfraction optimale des ondes sortant du guide circulaire 3. Le manchon cylindrique 41 permet de centrer le disque réflec- teur 40 sur l'axe X' X. La partie tronconique 42 réalise un support de transition entre le manchon cylindrique 41 et le disque 40. La source rear-feed ainsi réalisée est une source dont la bande de fréquences est large et supérieure à la bande de la source illustrée par la figure 4B. La source primaire de la figure 5 fonctionne de la façon suivante: Une onde propagée par le guide circulaire 3 subit une adap- tation par le transformateur 43, traverse le manchon cylindrique 41 est déviée par la pièce tronconique 42, atteint le réflecteur 40 qui le réfléchit vers le réflecteur principal I de la figure 3. 2S8 12S7 On a ainsi décrit une antenne à balayage conique, sélective ou large bande, dont la vitesse de rotation est élevée et peut atteindre plusieurs milliers de tours par minute. Une telle antenne à scanning est principalement utilisée dans un radar de poursuite travaillant dans la bande des ondes millirné- triques. -4o REVENDICATIONS 1. Antenne à balayage conique comportant un réflecteur principal parabolique (1) et une source primaire (2) à rayonnement arrière, ou rearfeed, alimentée par un guide d'onde circulaire (3), la source (2) et le guide d'onde (3) ayant un même axe (XX') dépointé par rapport à l'axe (YY') du réflecteur parabolique (1), caractérisée par le fait que le balayage conique est produit par le mouvement de rotation du réflecteur parabolique (1) autour de l'axe (XX') de la source (2) et du guide d'onde (3), la source (2) et le guide d'onde (3) restant fixes et solidaires du support d'antenne (4). 2. Antenne à balayage conique selon la revendication 1, caractérisée en ce que, le moteur d'entraînement du réflecteur parabolique (1) comportant un stator (7) solidaire du support d'antenne (4) et un rotor (6) animé à l'intérieur du stator (7) d'un mouvement de rotation autour de l'axe (X'X) du guide d'onde (3), le réflecteur parabolique (1) est solidaire du rotor (6). 3. Antenne à balayage conique selon la revendication 2, caractérisée en ce que des roulements à billes (8) sont disposés entre le rotor (6) et le stator (7). 4. Antenne à balayage conique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la source primaire rear- feed (2) comprend un disque réflecteur métallique (40) de faible épaisseur, de même axe (X'X) que le guide circulaire d'alimentation (3) et maintenu solidaire dudit guide circulaire (3) à une distance voisine de X de l'extrémité de celui-ci par une pièce en matériau diélectrique (41, 42), X étant la longueur d'onde guidée. 5. Antenne à balayage conique selon la revendication 4, caractérisée en ce que la pièce en matériau diélectrique (41, 42) se compose d'une partie cylindrique (41) disposée à l'intérieur du guide circulaire (3), de même diamètre que celui-ci et prolongée à l'extérieur par une pièce tronconique (42) de hauteur X, portant plaqué sur sa grande base le disque réflecteur métallique (40) dont le diamètre est voisin de 1,5 X. ___ ________,#________. 258 125? 6. Antenne à balayage conique selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'adaptation est réalisée par un transfor- mateur quart-d'onde placé sur la partie cylindrique (41), à l'intérieur du guide circulaire, de l'autre côté de la partie cylindrique (41) par rapport à la pièce tronconique (42). 7. Utilisation dans un radar de poursuite d'une antenne à balayage conique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.