Brevet FR2576716A1 — publié le 19860801

La présente invention concerne les antennes-et notamment les antennes prévues pour fonctionner en émission et en réception avec des ondes électromagnétiques du type utilisé dans les radars. Une application de telles antennes consiste dans la détection de signaux radar parvenant au lieu où se trouve l'antenne, en provenance d'une source inconnue et avec une fréquence inconnue. Une caractéristique importante des dispositifs d'antenne employés pour ce type de détection est donc de posséder une bande passante de fréquence large, par exemple de l'ordre de l'octave. Les ondes électromagnétiques captées par l'antenne sont converties en signaux électriques correspondants, dont la fréquence et le type peuvent etre analysés. Lorsque ces antennes sont également destinées a émettre des signaux radar, notamment en réponse aux signaux détectés, il importe qu'elles permettent en outre de rayonner des puissances relativement élevées. On connaît des antennes conçues a cet effet, qui comprennent un aérien composé d'un tube guide d'onde de forme évasée dont les parois internes présentent des couples de nervures longitudinales en regard. La forme du tube est sélectionnée pour conférer à cette antenne une bonne sensibilité dans une gamme de fréquences large. La présence des nervures permet d'augmenter la longueur d'onde de coupure de ces antennes par rapport a sa valeur en l'absence de telles nervures internes, cette longueur d'onde de coupure déterminant, dans des conditions de fonctionnement de l'antenne déterminées, une fréquence limite inférieure en deçà de laquelle les signaux parvenant à l'antenne ne sont plus captés. Le dispositif d'antenne connu présente l'inconvénient, pour le type d'application envisagé, d'une trop grande directivité, c'est-à-dire qu'il n'est sensible qu'aux signaux reçus dans un angle solide relativement faible. Lorsque l'origine des signaux captés n'est pas connue, cette contrainte entraîne l'obligation de faire tourner l'aérien ou de disposer plusieurs aériens suivant des lignes de visée différentes, de façon à couvrir un angle solide suffisant pour capter tous les signaux dont la détection est requise pour l'application envisagée. L'invention vise une antenne de & retinn de signaux électromagnétiques de fréquence et de direction inconnues qui pallie cet inconvénient. Un dispositif d'aérien pour signaux de type radar conforme à l'invention comprend un dispositif rayonnant et un guide d'onde tubulaire pour la propagation d'énergie électrique en mode transversal entre une liaison électrique à la partie postérieure de ce guide d'onde et le dispositif rayonnant à sa partie antérieure, ce guide d'onde comprenant au moins un couple de nervures longitudinales en regard saillantes sur la face interne du guide d'onde. I1 est caractérisé en ce que le dispositif rayonnant est constitué par des prolongements des nervures au-delà de l'extrémité antérieure dudit guide d'onde tubulaire, dont les bords en regard s'écartent l'un de l'autre au fur et à mesure qu'on s'éloigne dudit guide d'onde. La fonction d'un dispositif de rayonnement dans un aérien est de libérer, dans les meilleures conditions possibles, l'énergie d'onde dite progressive en provenance du guide d'onde dans lequel elle est confinée. Pour réaliser cet objectif, le dispositif de rayonnement réalise une adaptation progressive des conditions de propagation de l'onde dans l'antenne, et notamment de sa vitesse de phase, aux conditions de sa propagation dans le milieu extérieur à l'antenne, ou vice versa dans le cas où l'antenne fonctionne en réception. Cette adaptation est généralement obtenue en faisant varier l'espacement de conducteurs en regard à la surface desquels se propage l'énergie à rayonner, de façon à réaliser la variation appropriée de vitesse de phase. Lorsqu'on désire pouvoir obtenir une telle adaptation avec un rendement d'antenne convenable tant en émission qu'en réception pour une large bande de fréquences rayonnée, on est en général conduit à prévoir une augmentation progressive du volume à l'intérieur duquel s'effectue la propagation qui se traduit par un accroissement des dimensions transversales du dispositif rayonnant de l'antenne. Or, la directivité d'un aérien, telle qu'elle est définie par son gain, est une fonction directe de la dimension transversale de son dispositif de rayonnement. On a constaté que la disposition selon ltlnvEEnEtGn permettait d'effectuer l'adaptation nécessaire à l'obtention d'un bon rendement d'antenne dans une gamme de fréquences large, sans nécessiter un accroissement de dimension transversale du dispositif de rayonnement par rapport aux dimensions du tube guide d'onde, ce qui permet d'assurer l'émission et la réception, par cette antenne, de signaux dans un angle solide relativement ouvert. Cet objectif peut être avantageusement atteint en utilisant un guide d'onde tubulaire à génératrices parallèles à son axe et, de préférence, en prévoyant que les prolongements des nervures, qui constituent le dispositif rayonnant aient des surfaces externes sensiblement parallèles à ces génératrices. On allie ainsi les avantages d'une grande ouverture de l'antenne aux signaux reçus ou émis et d'un encombrement transversal réduit. Selon un mode de réalisation, les prolongements des nervures constituant le dispositif d'antenne forment des dois dont la hauteur, dans une direction radiale par rapport à l'axe du tube, diminue au fur et à mesure qu'on s'éloigne de l'extrémité antérieure de ce tube. La forme des bords internes de ces doigts peut être choisie, par exemple en adoptant un profil exponentiel, pour obtenir une structure apériodique, c'est-à-dire procurant un bon rendement dans une bande de fréquences large. En outre, ces doigts, qui peuvent être réalisés sous forme de tiges métalliques dont les extrémités sont libres dans le milieu de propagation des signaux à émettre ou à re cevoir, tel que l'air, possèdent de bonnes caractéristiques de dissipation calorifique qui leur permettent de fonctionner, notamment en émission, à des puissances relativement élevées. Cette faculté est notamment requise lorsque ces antennes sont appliquées à des dispositifs de brouillage dans lesquels elles permettent, en réception, de capter des signaux radar de provenance et de fréquence inconnues etF après traitement et analyse, d'émettre en retour des signaux de fréquence correspondante, destinés à effectuer un brouillage a titre de contre mesure en réponse aux signaux radar captés. La disposition de nervures et de leurs prolongements qui vient d'être définie permet également d'appliquer des dispositifs d'aériens selon l'invention à la réception de signaux de polarisation inconnue et à l'émission de signaux de polarisation multiple ou complexe en prévoyant plusieurs couples de nervures adaptés chacun à un rayonnement de polarisation déterminée. Les explications et la description qui vont suivre sont données en référence aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est une vue en élévation d'un aérien conforme à l'invention; la figure 2 est une vue de gauche de l'aérien de la figure 1; la figure 3 est une vue en coupe par un plan longitudinal de l'aérien de la figure 1; la figure 4 est une vue en coupe par un plan transversal selon les flèches 4-4 de la figure 3; la figure 5 est une vue semblable à celle de la figure 4 d'une autre forme de réalisation de l'aérien; la figure 6 est une vue agrandie d'une partie de la figure 4; la figure 7 est une vue en coupe selon le plan VII-VII de la figure 3. Un aérien conforme'à l'invention (figure 1) comprend un tube cylindrique de section circulaire 10, constitué en un métal tel qu'un laiton ou un alliage léger. A sa partie postérieure, ce tube est fermé par une plaque circulaire 12, du même métal et de diamètre supérieur à celui du tube 10. Cette plaque 12 est en contact électrique avec l'extrémité postérieure 14 du tube sur tout son pourtour. L'extrémité avant 15 du tube 10 est ouverte, ménageant une embouchure circulaire 16. A lintérieur du tube 10 d'axe 18 sont montées quatre nervures longitudinales formant deux paires 20 et 21 d'une part, 22 et 23 d'autre part. Les nervures 20 et 21, 22 et 23 de chaque paire respective sont diamétralement opposées et disposées parallèlement à des plans diamétraux orthogonaux du tube 10. Comme le représente plus particulièrement la figure 6, chaque nervure telle que 20 comprend une face dorsale ZX de profil transversal légèrement incurvé pour épouser la paroi intérieure du tube 10 contre laquelle elle est montée et maintenue en position par des organes de fixation tels que des vis 28 traversant la paroi du tube 10 et venant se loger dans un trou taraudé 29 de la nervure 20. La face dorsale 26 de la nervure 20 est en contact avec la paroi interne du tube 10 sur toute sa longueur. A son extrémité arrière 27, elle est en contact électrique avec, et par exemple soudée à, la plaque 12. Chacune des nervures 20 est délimitée latéralement par deux parois ou flancs plans 31 et 32, parallèles au plan diamétral 30 de symétrie de la nervure 20.A l'intérieur du tube 10, le bord interne de la nervure 20 opposé à la face dorsale 26 a une forme biseautée constituée par deux faces 33 et 34 formant un dièdre dont l'arête 35 est située dans le plan 30, les arêtes 35 de chacune des nervures 20 à 23 étant- disposées à faible distance les unes des autres autour de l'axe 18 du tube 10 (figures 6 et 4). Les nervures 20 à 23 sont constituées dans le même métal que le tube 10 et la plaque 12 avec lesquels elles sont en contact électrique. A leur partie antérieure, ces nervures 20 à 23 débouchent à 1'extérieur du tube 10 en avant de son extrémité antérieure 15, pour former des prolongements en forme de doigts dont les faces dorsales 36 ont un profil longitudinal rectiligne en prolongement des faces dorsales 26, les flancs de ces doigts prolongeant les flancs 31 et 32. Chacun de ces doigts possède une face interne 38 dont le profil longitudinal est courbe (figures 1 et 3) et s'étend dans le prolongement de l'arête 35 de la nervure respective pour se rapprocher, au fur et à mesure qu'on s'éloigne de l'embouchure 16 du tube 15 vers l'avant, de la face dorsale 36 en définissant ainsi, pour chaque doigt de prolongement des nervures. 20 à 23, une pointe ou un bec 40. En section transversale, le profil de la face interne 38 évolue, lorsqu'on s'éloigne de l'embouchure 16 vers l'avant, du profil anguleux représente à la figure 6 vers un profil sensiblement plan, comme le représente la figure 7. La hauteur de chacun des doigts de-pEalsngemene des nervures 20 à 23 diminue lorsqu'on passe de l'embouchure 16 à la pointe respective 40 selon une fonction exponentielle de la distance comptée le long de l'axe 18. On a représenté sur la figure 8 le profil d'une face interne 38 en portant en abscisses les distances comptées suivant l'axe 18, et en ordonnées la distance du point respectif du profil à cet axe 18 (distances x et y). Ce profil est défini par la relation y - AePX où A et p sont des facteurs constants positifs. Deux liaisons coaxiales 46 et 48 traversent la plaque d'extrémité postérieure 12, destinées chacune à la desserte en émission ou en réception d'une paire de nervures 20,21; 22,23, respective. Le coaxial 46, après traversée de la plaque 12, pénètre à l'arrière de la nervure 20. Sa gaine 49 est connectée électriquement à cette nervure. A l'intérieur de la nervure, le coaxial 46 change de direction pour prendre une orientation perpendiculaire à l'axe 18, comme visible sur la figure 3. L'âme 50 du coaxial 46 sort de la nervure par la face interne de celle-ci, perpendiculairement à l'axe 18, et est raccordée électriquement, par soudure par exemple, à son extrémité 51 -à la nervure 21 opposée à la nervure 20, au voisinage de son arête 35. Le coaxial 48 est raccordé de façon semblable par sa gaine à la nervure 22 et par son ame à la nervure opposée 23. Les points de raccordement 51 des âmes 50 des coaxiaux 46 et 48 à leurs nervures respectives sont sensiblement dans un même plan perpendiculaire à l'axe 18. En fonctionnement, l'aérien des figures 1 à 4 présente une partie de transfert de rayonnement constituée par les doigts de prolongement des nervures 20 à 23, au-delà de l'embouchure 16 du tube 10, et une partie d'excitation formée par un guide d'onde tubulaire réalisant la liaison entre les coaxiaux 46 et 48 et cette partie rayonnante. La partie d'excitation constituée par le tube 10 et les nervures logées à l'intérieur de celui-ci est le siège d'une propagation d'ondes électriques selon un mode qui dépend de la forme du tube 10. Dans le cas d'une section circulaire représentée â la figure 4, ce mode de propagation transversal est connu sous le nom de mode TE11 , c'est-à-dire que le vecteur champ électrique correspondant à chaque couple de nervures 20,21 d'une part, et 22,23 d'autre part, reste constant dans une direction parallèle au plan des nervures de la paire correspondante et varie au contraire de façon sinusoïdale entre les parois du tube en passant par un maximum sur l'axe 18 dans un plan perpendiculaire au plan des nervures. En émission, la tension de très haute fréquence ou hyperfréquence amenée par les coaxiaux 46 et 48 est appliquée respectivement entre les nervures 20,21 d'une part, et 22,23 d'autre part. A chacun de ces couples de nervures correspond une propagation en mode TEll entre l'extrémitépostérieure 14 et lrextrémité antérieure 15 du tube dans lequel s'établit une onde progressive. Comme il est bien connu, l'alimentation des coaxiaux 46 et 48 peut s'effectuer de telle sorte que les champs électriques respectifs appliqués aux couples de nervures soient dephasés de 90 dans un sens ou dans un autre selon le choix adopte, de façon à créer une onde progressive de polarisation circulaire, gauche ou droite, selon le cas, dans le tube 10. Les prolongements des nervures 20 à 23 à l'avant du tube 10 permettent le rayonnement de l'énergie confinée à lln- térieur du tube 10 en réalisant une adaptation progressive des conditions de propagation de l'onde progressive engendrée dans le tube aux conditions de propagation d'un rayonnement cofres- pondant dans le milieu environnant, tel que l'air. Cette adaptation se réalise par le changement de la vitesse de phase (2g) ,dans laquelle Ag est la longueur d'onde guidée de l'onde progressive à l'intérieur de l'antenne- entre la valeur qui correspond aux conditions de propagation à l'intérieur du tube 10 (zone d'excitation) et la valeur de cette vitesse de phase pour le rayonnement dans l'air. Cette modification est le résultat de la variation de distance des faces en regard 38 des dot prolongeant les couples de nervures 20,i d'une part, et 29,23 d'autre part, au fur et à mesure qu'on s'éloi- gne de l'embouchure 16 du tube 10. Cette adaptation s'effectue progressivement grâce à la variation cDriafflwcL .Fet etaccrois- sement de distance, comme cela est connu. La forme évasée vers l'avant de l'antenne des surfaces internes 38 en regard des prolongements des nervures de chaque couples ne joue pas seulement un rôle pour réaliser cette adaptation. En effet, sa forme exponentielle, telle qu'elle a été décrite précédemment, possède la propriété d'être apériodique en ce qui concerne son comportement à l'égard des fréquences émises ou reçues, c'est-à-dire qu'elle n'est pas liée au rayonnement d'une fréquence ou d'un groupe de fréquences déterminées, mais qu'elle permet le rayonnement d'ondes électromagnétiques avec un rendement convenable dans une gamme de fréquences étendue. Lorsque ces antennes sont également destinées à émettre des signaux radar, notamment en réponse aux signaux détectés, il importe qu'elles permettent en outre de rayonner des puissances relativement fortes. Dans des dispositifs d'antennes comportant une structure d'excitation telle qu'un tube 10, la plage de fréquences de fonctionnement de l'antenne est en général limitée à une extrémité par la "longueur d'onde de coupure" de cette antenne, qui dépend notamment de la dimension transversale de la paroi interne du tube. Si la longueur d'onde de coupure est relativement faible, il existe une limite inférieure correspondante de fréquence, relativement élevée; en dessous de laquelle on ne pourra pas faire fonctionner l'antenne. La présence de nervures telles que les couples 20, 21 et 22, 23 permet d'augmenter très sensiblement la longueur d'onde de coupure et d'accroître en conséquence vers le bas la plage des fréquences de fonctionnement d'une antenne selon l'-invention. Outre sa capacité d'émettre des rayonnements dans une plage de fréquences large, qui peuvent être en outre polarisés de façon circulaire dans une direction sélectionnée, l'antenne selon l'invention permet d'effectuer de telles émissions avec une puissance importante et dans un angle solide d'émission relativement ouvert. En effet, la puissance émise par une antenne est en général limitée par des considérations de dissipation de l'énergie perdue sous forme de chaleur dans la conversion entre énergie électrique et énergie électromagnétique rayonnée.Indépendamment du bon rendement procuré par les antennes selon l'invention, qui entraîne des pertes assez faibles, la structure métallique des éléments ou doigts rayonnants baignés par un milieu tel que l'air permet d'admettre des niveaux d'échauffement relativement importants, corrélatifs à 1 'émission de puissances pouvant atteindre 100 watts en continu et même 1 Kw en énergie pulsée, sans risque d'endommager l'antenne. En outre, on remarque qu'on a réalise une antenne dont les parties radiantes ont une structure évasée pour effectuer le rayonnement dans de bonnes conditions, sans accroître les dimensions transversales globales de cette antenne. Cette dimension transversale est définie par les distances des faces dorsales 36 des prolongements de nervures homologues. De par leur forme plane et parallèle, cette dimension transversale n'excède pas celle du tube 15.L'angle solide dans lequel s'effectue l'émission étant proportionnel à la longueur d'onde rayonnée et inversement proportionnel à cette dimension transversale, il en résulte que, pour une longueur d'onde déterminée, et une antenne dont la zone d'excitation définie par le tube 10 est dimensionnée en fonction des conditions données de montage mécanique, de puissance rayonnée et d'impédance, l'angle solide d'émission est voisin du maximum autorisé avec un diamètre d'embouchure déterminé du dispositif d'excitation. En réception, l'antenne qui vient d'être décrite bénéficie des caractéristiques mentionnées précédemment. En particulier, elle permet de capter des signaux de fréquence inconnue dans une large bande passante de fréquences et dans un angle solide relativement large. En outre, si les ondes électromagnétiques qui lui parviennent sont polarisées dans une direction inconnue, la détection de ces ondes s'effectue de façon certaine grâce aux deux couples de nervures 20 à 23 qui sont sensibles aux composantes d'ondes de polarisation rectiligne dans deux directions perpendiculaires. Bien entendu, pour la même raison, cette antenne permet également de capter des ondes électromagnétiques de polarisation circulaire inconnue. Ces qualités rendent les antennes du type dlAcPYt particulièrement avantageuses dans des applications au brouillage dans lesquelles on cherche à détecter et capter des ondes électromagnétiques de fréquence inconnue en présence de radars de direction inconnue, afin de permettre l'émission, après traitement approprié des ondes captées, de signaux de contre-mesure. Ces signaux doivent posséder -une fréquence propre à brouiller la réception du radar à l'origine des ondes captées et les émissions doivent se faire avec une puissance suffisante pour parvenir à cette fin dans un angle solide aussi grand que possible, afin de minimiser le nombre de tels dispositifs d'antenne requis pour couvrir une zone d'espace donnée ou d'éviter la nécessité d'un balayage. Les antennes du type qui vient d'être décrit peuvent fonctionner dans des plages de fréquences telles que le rapport F supérieur/F inférieur, soit supérieur à 3. La limite inférieure de ces plages est en général déterminée par la longueur d'onde de coupure des dispositifs d'excitation tels que le tube 10. En valeur supérieure, la limite de la fréquence de fonctionnement résulte de l'apparition du mode TE21 par exemple. Le type d'antenne qui vient d'être décrit se prête bien à une adaptation de leur impédance à l'impédance (50 ohms par exemple) des coaxiaux généralement utilisés pour les relier à des dispositifs électroniques d'émission ou de traitement. On remarque que la disposition préconisée dans laquelle les faces internes des nervures 20 à 23 sont tiseautées à l'intérieur du tube 10 permet de régler l'impédance de chacun des couplesd'éléments rayonnants, qui dépend de leur distance mutuelle. On parvient à une impédance convenable avec la disposition présentée, tout en maintenant un niveau de puissance d'émission possible élevé. Bien entendu, d'autres formes de réalisation peuvent être adoptées pour la mise en oeuvre des principes de l'invention. Ainsi, par exemple, la forme du tube utilisé dans la zone d'excitation peut être tout à fait différente. On peut, par exemple, employer un tube 10' de section carrée, comme représenté sur la figure 5, équipé à l'intérieur de nervures 20 à 23, identiques aux nervures précédemment décrites. Dans un tel tube, la propagation des ondes s'effectue selon un mode électrique transversal TEo1 dans lequel le champ électrique est constant en tous points parallèlement au plan des nervures excitées par chaque coaxial et nul suivant une direction perpendiculaire. Dans ces différentes réalisations, le tube 10 ou 10' joue un rôle mécanique de support des couples de nervures 20,21 et 22,23 qui sont court-circuités par la plaque 12 à leur extrémité postérieure. I1 joue également un rôle d'écran vis-à-vis des perturbations électromagnétiques extérieures. I1 permet enfin de réaliser une certaine adaptation d'impédance. REVENDICATIONs 1.- Dispositif d'antenne notamment pour des signaux du type radar, comprenant un dispositif rayonnant et un guide d'onde tubulaire pour la propagation d'énergie électrique en mode transversal à partir d'une liaison électrique pour fréquences élevées vers le dispositif rayonnant placé à l'avant de ce-guide d'onde, un couple de nervures longitudinales en regard faisant saillie sur la face interne de ce guide d'onde tubulaire,. caractérisé en ce que le dispositif rayonnant est constitué par des doigts prolongeant les nervures au-delà de l'extrémité antérieure dudit guide d'onde tubulaire, dont les bords en regard s'écartent l'un de l'autre vers l'avant du dispositif rayonnant. 2.- Dispositif d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que les faces desdits doigts opposées auxdits bords en regard ont des profils longitudinaux sensiblement parallèles. 3.- Dispositif selon la revendication 1 ou 2, carac térisé en ce que la paroi interne du guide d'onde tubulaire possède des génératrices parallèles à son axe. 4.- Dispositif selon les revendications 2 et 3, carac térisé en ce que lesdites faces opposées des doigts sont constituées par le prolongement de la face dorsale desdites nervures, parallèlement à l'axe du tube. 5.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits bords en regard ont un profil longitudinal courbe qui donne audit couple de doigts rayon- nants un profil interne d'allure évasée. 6.- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la distance de chaque borden regard à l'axe du tube croît comme une fonction sensiblement exponentielle de la distance mesurée parallèlement à l'axe du guide d'onde tubulaire. 7.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le guide d'onde tubulaire a une section transversale circulaire. 8.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le solide d'onde tubulaire a une section transversale carrée. 9.- Dispositif selon l'une des revendications--l à 8, caractérisé en ce qu'il comprend deux couples de telles nervures présentant des doigts de prolongement respectifs à l'avant du guide d'onde tubulaire. 10.- Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les deux couples de nervures sont disposés parallèlement à des plans orthogonaux. 11.- Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que, à l'intérieur dudit guide d'onde tubulaire, lesdites nervures ont des bords internes en regard biseautés. 12.- Dispositif selon la revendication 1 ou 2, carac térisé en ce que la hauteur desdits doigts, parallèlement à un plan défini par ces doigts, décroît de l'arrière vers l'avant du dispositif rayonnant. 13.- Dispositif d'antenne, notamment pour signaux radar, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un couple d'éléments métalliques rayonnants formant des doigts allongés disposés côte à côte parallèlement à un plan et propres à être couples à une liaison électrique à fréquence élevée, ces doigts présentant une épaisseur dans une direction transversale par rapport à ce plan et étant reliés électriquement l'un à l'autre à leurs parties postérieures tandis que leurs extrémités antérieures sont mécaniquement et électriquement indépendantes, et ces doigts possedant des faces radiantes en regard qui s'écartent l'une de l'autre lorsqu'on progresse vers leurs extrémités antérieures.