Brevet FR2582157A1 — publié le 19861121

ANTENNE A PAS DE BALAYAGE REDUIT DANS UN LARGE SECTEUR ANGULAIRE Dans de nombreuses installations radio-électriques, il est nécessaire de disposer, aussi bien en émission qu'en réception, d'antennes ayant un faisceau directif pouvant balayer un large secteur. D'une manière connue, ce résultat peut être obtenu au moyen d'installations mécaniques rotatives qui sont en général lourdes et peu commodes d'utilisation. Pour des fréquences élevées, on a également proposé d'utiliser des antennes directives orientées dans des directions différentes et commutables les unes à la suite des autres. Dans de telles installations, il est difficile de réduire le pas de balayage. En effet, une limitation est introduite par l'ouverture relativement importante du faisceau directif de chacune des antennes utilisées. L'antenne proposée par la présente invention possède des directivités qui peuvent être très différentes dans deux plans orthogonaux et dont le faisceau directif peut balayer, avec un pas réduit, l'un de ces plans sans modification des caractéristiques de rayonnement. Selon la caractéristique principale de l'invention, des sources rayonnantes plates à rayonnement directionnel sont disposées le long de plusieurs génératrices, à la périphérie d'une lentille diélectrique cylindrique de section inhomogène dont l'indice de réfraction varie radialement, les surfaces d'indice de réfraction constant étant des cylindres coaxiaux. Plus précisément, l'indice de réfraction n de la lentille diélectrique, de diamètre 2a, varie radialement, en fonction du rayon r, suivant la loi de telle sorte que l'indice de réfraction soit égal à 1 à la périphérie et à au centre de la lentille. Suivant un premier mode de réalisation, la lentille diélectrique est constituée d'un manchon cylindrique homogène dans lequel sont réalisés des sillons dont la largeur, faible par rapport à la longueur d'onde du rayonnement, décroît, depuis la périphérie, en direction du centre, une partie centrale restant pleine. Suivant un deuxième mode de réalisation, la lentille diélectrique est constituée, à partir d'un noyau central plein, de couches successives percées de trous, dont le diamètre et la distance relative restent faibles par rapport à la longueur d'onde, de manière à être évidées de façon croissante en allant du centre vers la périphérie. De préférence, le long d'une même génératrice de la lentille diélectrique, sont disposées plusieurs sources rayonnantes plates, identiques les unes aux autres, reliées entre elles au moyen d'un distributeur et constituant un réseau linéaire. Chaque source rayonnante plate utilisée epeut avantageusement être un doublet replié symétrique alimenté par une ligne coaxiale et excité au milieu d'une coupure à l'aide d'une ligne triplaque, ou un demi-doublet court-circuité alimenté directement par une ligne coaxiale. A l'émission, le balayage du faisceau directif d'une telle antenne se fera par commutation entre les différents réseaux, un seul de ceux-ci étant utilisé. Par contre, à la réception, l'utilisation des signaux reçus sur deux réseaux permettra d'effectuer une interférométrie précise à partir des diagrammes de directivité somme et différence. En se référant aux figures schématiques ci-jointes, on va décrire des exemples de réalisation de l'invention donnés à titre non limitatif. La figure 1 représente une première réalisation de la lentille cylindrique diélectrique. La figure 2 représente une deuxième réalisation de la lentille cylindrique diélectrique. Les figures 3a et 3b représentent une source rayonnante pouvant être utilisée pour la mise en oeuvre de l'invention. Les figures 4a et 4b représentent une autre source rayonnante pouvant être utilisée pour la mise en oeuvre de l'invention. La figure 5 représente un ensemble constitué par des sources rayonnantes et une lentille cylindrique diélectrique. La figure 1 représente une réalisation d'une lentille cylindrique 1. Cette dernière est constituée d'un manchon cylindrique de polytetrafluoréthylène (P.T.F.E.) homogène usiné longitudinalement à l'aide de fraises d'épaisseurs variables pour créer des sillons 2 identiques et répartis régulièrement, dont la largeur, faible devant la longueur d'onde lo, , décroît au fur et à mesure que l'on s'enfonce depuis la périphérie vers le centre. Pour des raisons mécaniques, une partie centrale cylindrique 3 reste non usinée. Le profil de chaque sillon est tel que la loi imposée pour l'indice de réfraction est sensiblement vérifiée pour les deux polarisations de chaque réseau plat polarisations parallèle ou perpendiculaire à l'axe du cylindre.Pour la commodité d'usinage, le profil n'est pas continu et sa largeur varie par bonds successifs en raison des épaisseurs normalisées des fraises disponibles. On peut imaginer un profil continu dans le cas où la lentille est moulée. La figure 2 représente une autre réalisation d'une lentille à indice de réfraction variable radialement. Elle est constituée par plusieurs feuilles d'isolant 4 enroulées les unes sur les autres, pour finalement constituer la lentille cylindrique 1. Chaque feuille 4 est évidée par exemple à l'aide de trous 5 circulaires réalisés par emboutissage. L'évidement est d'autant plus important que la feuille se trouve disposée vers la périphérie. Les diamètres des trous 5 et leurs espacements, rapportés à la longueur d'onde d'espace libre, restent faibles et sont déterminés pour obtenir finalement une loi de l'indice de réfraction effectif de lentille conforme à la loi imposée. D'une manière avantageuse, les structures rayonnantes sont des réseaux linéaires identiques de sources rayonnantes plates disposés le long des génératrices de la lentille parallèlement à son axe et à la périphérie. Chaque réseau possède un diagramme de directivité formé dans le plan méridien correspondant de la lentille qui dépend, de façon classique, de la manière avec laquelle les courants sont distribués dans l'ensemble des sources plates dudit réseau. Le balayage du faisceau dans le plan perpendiculaire à l'axe de la lentille est obtenu en alimentant successivement les différents réseaux. De plus, les signaux reçus sur deux réseaux adjacents ou non permettent d'effectuer une interférométrie précise à partir des diagrammes de directivité somme et différence. L'ouverture à 3 dB exprimée en radians du faisceau formé dans le plan perpendiculaire à l'axe de la lentille et dû à l'un des réseaux est égale sensiblement à l'expression pour un niveau de lobes secondaires inférieur à - 18 dB où AOest la longueur d'onde du vide. Si d est la distance entre deux réseaux quelconques, la distance angulaire les séparant est donnée en radians par &alpha;0 = d a (2) De (1) et (2) on déduit En particulier, si comme cela est possible avec des sources rayonnantes plates, on peut suffisamment rapprocher les réseaux, par exemple à d = 0,25 lof , on déduit Le pas de balayage, alors égal à la demi ouverture du faisceau, est réduit, ce qui présente un avantage par rapport aux systèmes classiques à balayage pour lesquels le pas est en général au moins égal à l'ouverture à 3 dB du faisceau. En fait, le rapprochement des sources rayonnantes limite leur largeur, donc leur bande passante. Plus le pas de balayage est faible et plus la bande passante est étroite. Le secteur angulaire de balayage pour lequel les caractéristiques de rayonnement restent constantes est, compte tenu des diagrammes de directivité des sources plates, au moins égal à 90 degrés. Les figures 3a et 3b illustrent une source rayonnante 6 de type connu pouvant etre utilisée pour la mise en oeuvre de l'invention. Cette source est constituée d'un doublet replié symétrique, alimenté par une ligne coaxiale 7 et excité au milieu d'une coupure 8 à I'aide-dune ligne triplaque 9. Sa bande passante est maximale lorsqu'elle fonctionne a' la troisième rêsonnance, pour laquelle le centre de phase peut etre localisé pratiquement a' la périphérie de la lentille. Cette source rayonnante peut avantageusement être réalisée a' l'aide de deux circuits imprimé juxtaposés. Les figures 4a et 4b illustrent une autre source rayonnante 10 de type connu, constituée d'un doublet courtcircuité, fonctionnant à la résonnance quart d'onde, alimenté par une ligne coaxiale 11. La figure 5 représente, selon une vue en bout, une antenne conforme à l'invention, comportant, d'une part, une lentille cylindrique 1, de même nature que celle représentée à la figure 1, et d'autre part, à la périphérie de ladite lentille des sources rayonnantes 6 ou 10. Une disposition identique pourrait être réalisée avec une lentille cylindrique telle que celle représentée à la figure 2. On va maintenant donner un exemple numérique de réalisation, avec l'indication des performances obtenues. Une antenne conforme à l'invention a été testée à une fréquence voisine de 10 GHz, elle comprend une lentille fraisée longitudinalement telle que celle de la figure 1 et une source rayonnante plate du type doublet replié telle que celle des figures 3a et 3b. Cette source a été appliquée de deux façons différentes à la surface du diélectrique, son axe xx' étant parallèle ou perpendiculaire à l'axe de révolution de la lentille. Le manchon cylindrique de PTFE d'un diamètre 2 a = 86 mm et d'une longueur égale à 100 mm porte 60 sillons longitudinaux réalisés à l'aide de 8 fraises d'épaisseurs comprises entre 0,5 et 4 mm. Le profil de chaque sillon est défini par sa largeur e et sa profondeur z comptée à partir de la périphérie données sur le tableau cidessous e(mm) e(mm) 0,5 I 1 | 1,5 2 1 2,5 1 3 I 3,5 I 4 4 I ------- i ----- I ----- I ----- I ----- I ----- I ----- I - I ----- I I z(mm) 119,5 1 14 1 9,7 7 1 5 1 2,51 1,151 0,51 La partie centrale cylindrique non usinée a donc un diamètre égal à 47 mm. Pour faciliter l'usinage des sillons le manchon initial est percé sur toute sa longueur et serré entre deux flasques métalliques appliquées sur les deux sections droites et vissées sur une tige métallique axiale au manchon. Après usinage, le trou cylindrique axial est comblé par une tige en PTFE de même diamètre. La source rayonnante (voir figures 3a et 3b) a les dimensions suivantes 2 h = 11,4 mm , W'=8 mm , H = 3,2 mm et fonctionne entre 8,5 et 10,5 GHz, bande de fréquences pour laquelle le rapport d'ondes stationnaires de son impédance d'entrée, normalisée à 50 ohms, reste inférieur à 2 lorsqu'elle est appliquée à la périphérie de la lentille. Le tableau suivant donne, pour plusieurs fréquences, l'ouverture à 3 dB du faisceau formé dans le plan E (axe x'x de la source perpendiculaire à l'axe de révolution de la lentille), et dans le plan H (axe x'x parallèle à l'axe de la lentille) ainsi que le niveau du premier lobe secondaire. I f(GHz) 8,5 I 9 I 9,5 9 10 I 10,5 1 #3dB(plan "E") I I I I I I I (degrés) 1 18 19 18 18 18 17 I I I I I I I Ilobesecondaire I I I l I I (plan "E") dB 16 I 15,5 14 I 15,5 I 15,5 16 #3dB(plan"H") 20 18 17 16,5 16 lobe secondaire I I I I I I (plan "H") dB 1 14,5 1 15 14 15 14,5 1 La faible différence entre les résultats obtenus pour les plans "E" et "H" indique une bonne isotropie du diélectrique. L'ouverture théorique à 3 dB (1) donne ici dans le plan "E" avec #0 = 30 mm et 2 a = 86 mm 83dB = 20,90 et correspond à un niveau de lobes secondaires égal à -18 dB. REVENDICATIONS 1. Antenne à pas de balayage réduit dans un large secteur angulaire du genre mettant en oeuvre plusieurs sources rayonnantes plates à rayonnement directionnel, caractérisé en ce que, des sources rayonnantes (6-10) identiques sont disposées le long de plusieurs génératrices, à la périphérie d'une lentille diélectrique cylindrique (1) de section inhomogène dont l'indice de réfraction varie radialement, les surfaces d'indice de réfraction constant étant des cylindres coaxiaux. 2. Antenne à pas de balayage réduit selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'indice de réfraction n de la lentille diélectrique de diamétre 2a varie radialement, en fonction du rayon r, suivant la loi de telle sorte que l'indice de réfraction est égal à 1 à la périphérie et à au centre de la lentille. 3. Antenne à pas de balayage réduit selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la lentille diélectrique (1) est constituée d'un manchon cylindrique homogène dans lequel sont réalisés des sillons (2) dont la largeur, faible par rapport à la longueur d'onde du rayonnement, décroit, depuis la périphérie, en direction du centre, une partie centrale restant pleine. 4. Antenne à pas de balayage réduit selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la lentille diélectrique (1) est constituée, à partir d'un noyau central plein de couches successives (4) percées de trous (5), dont le diamètre et la distance relative restent faibles par rapport à la longueur d'onde, de manière à être évidées de façon croissante en allant du centre vers la périphérie. 5. Antenne à pas de balayage réduit selon l'une des revendications î à 4, caractérisée en ce que, le long d'une même génératrice de la lentille diélectrique (1) sont disposées plusieurs sources rayonnantes plates (6-10) identiques les unes aux autres, reliées entre elles au moyen d'un distributeur et constituant un réseau linéaire. 6. Antenne à pas de balayage réduit selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que, chaque source rayonnante plate (6) à rayonnement directionnel est un doublet replié symétrique, alimenté par une ligne coaxiale et excité au milieu d'une coupure à l'aide d'une ligne triplaque. 7. Antenne à pas de balayage réduit selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, chaque source rayonnante plate (10) à rayondement directionnel est un demidoublet court-circuité alimenté directement par une ligne coaxiale. 8. Antenne à pas de balayage réduit selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que, lorsqu'elle est utilisée en émission, seules les sources rayonnantes (6-10) disposées le long d'une même génératrice de la lentille sont utilisées simultanément, une commutation avec les sources rayonnantes (6-10) adjacentes disposées le long d'une autre géneratrice assurant le balayage du faisceau directif émis. 9. Antenne à pas de balayage réduit selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, lorsqu'elle est utilisée en réception, les signaux reçus par les sources rayonnantes (6-10) disposés le long de deux génératrices permettent d'effectuer une interférométrie à partir des diagrammes de directivité somme et différence.