Brevet FR2588422A1 — publié le 19870410

ANTENNE A BALAYAGE ELECTRONIQUE AYANT UN NOMBRE REDUIT D'ELEMENTS RAYONNANTS ET DE DEPHASEURS, ET UN ANGLE DE BALAYAGE RESTREINT La présente invention concerne une antenne à balayage électronique ayant un nombre réduit d'éléments rayonnants et de déphaseurs, et un angle de balayage restreint. Une antenne à balayage électronique, appelée aussi réseau à balayage électronique, est constituée, de façon connue, par l'association de sources élémentaires rayonnantes et de déphaseurs réglables de façon à pouvoir modifier la direction de rayonnement maximum de l'antenne. On trouvera une description de ce type d'antenne notamment dans le livre de S.DRABOWITCH - intitulé "Antennes" (Editions Masson). Dans ce type d'antenne, il existe une relation qui île le nombre N de sources élémentaires rayonnantes (ou de déphaseurs), les dimensions de l'antenne (soit sa longueur D, en supposant l'antenne linéaire), la longueur d'onde d'alimentation X, et l'angle de balayage Cette relation est la suivante: = bu (1) où Ax est le pas du réseau, tel que: Une réduction du nombre N pourrait alors être obtenue en réduisant les dimensions de l'antenne, mais ceci n'est pas intéressant du point de vue du gain de l'antenne puisque celui-ci est également proportionnel à la dimension de l'antenne. Une réduction du nombre N pourrait aussi être obtenue en réduisant l'angle de balayage GO, mais il s'avère en pratique que même pour un angle 40 faible (par exemple de l'ordre de 30) le nombre N reste très élevé pour une antenne ayant des dimensions acceptables. Une technique connue, qui fait l'objet de la figure 1 et qui est appelée "reconstitution de front d'onde" consiste à utiliser un réflecteur parabolique excentré R, de grandes dimensions, associé à un réseau () à balayage électronique de petites dimensions qui est placé entre ce réflecteur et sa surface focale. Les déphaseurs de ce réseau sont commandés de façon à simuler, pour le réflecteur, la provenance d'ondes sphériques venant d'une source primaire (virtuelle) placée en différents points de sa surface focale, ce qui confère à l'ensemble le caractère d'une antenne à balayage électronique tout en utilisant un réseau à balayage électronique de petites dimensions. Mais cette technique est limitée par le fait que si l'on veut bénéficier d'un bon grandissement (D) il faudrait placer le réseau le plus près possible du foyer. Or, dans ces conditions, il faudrait pouvoir agir, non seulement sur la phase, mais aussi sur l'amplitude des ondes rayonnées par chacun des éléments rayonnants du réseau. On voit en effet sur la figure 1 que suivant que l'on veut simuler une onde provenant d'une source primaire virtuelle placée par exemple aux points F ou F', les parties hâchurées I et II du réseau devraient être respectivement active et non active, ou non active et active (par non active ou active on entend fournir une composante d'amplitude nulle ou non nulle). Cette technique présente donc deux séries d'inconvénients qui sont d'une part qu'elle nécessite un réflecteur excentré, donc cher, et d'autre part qu'il faudrait, pour un fonctionnement correct, c'estàaire pour une reconstitution correcte du front d'onde, pouvoir contrôler le réseau non seulement en phase mais aussi en amplitude. La présente invention a pour objet une technique différente de réduction du nombre d'éléments rayonnants et de déphaseurs d'une antenne à balayage électronique, applicable aux cas où un angle de balayage restreint est soit recherché soit considéré comme suffisant. Suivant l'invention, une antenne à balayage électronique ayant un nombre réduit d'éléments rayonnants et de déphaseurs et un angle de balayage restreint, comportant un réseau à balayage électronique de dimensions b et d'angle de balayage cx0, est essentiellement caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un système focalisant comportant lui-même un objectif de diamètre D et de focale f et un oculaire de focales f et f' et de grandissement y tel que y = ff, placés sur l'axe du réseau de façon telle que le réseau soit dans le plan focal de l'oculaire et l'oculaire dans le plan focal de l'objectif, I'ensemble étant équivalent à une antenne à balayage D électronique de dimensions D telles que DA = y et d'angle de balayage Les objets et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, faite en relation avec les dessins ciannexés dans lesquels; - la figure 1 (décrite précédemment) est un schéma relatif à l'état de la technique; - les figures 2 et 3 sont deux schémas montrant un premier exemple de réalisation de l'invention et illustrant, de deux façons possibles, son fonctionnement; - la figure 4 est un schéma d'un second exemple de réalisation de I'invention, applicable aux cas où l'on souhaite un angle de balayage très restreint. L'antenne suivant l'invention, représentée sur les figures 2 et 3, comporte un réseau (k) à balayage électronique formé, tel que représenté très schématiquement sur ces figures, par l'association de sources élémentaires rayonnantes Si et de déphaseurs fi réglables grâce à une commande C. Ce réseau peut être linéaire ou bidimensionnel. Il est tel que ses dimensions A sont relativement réduites et son angle de balayage a0 relativement grand, ces deux paramètres étant liés par les relations (1) et (2) précédentes. L'antenne suivant l'invention comporte par ailleurs un système optique, formé lui-même d'un objectif (D) et d'un oculaire (D , tel que l'ensemble formé par ce petit réseau et ce système optique soit équivalent à une antenne à balayage électronique de dimensions relativement grandes et d'angle de balayage relativement faible. L'objectif de diamètre D comporte une distance focale f. Son centre est en un point 0 localisé sur l'axe du réseau (A). L'oculaire de diamètre D' possède des distances focales f et f'. Son centre est en un point 0' localisé également sur l'axe du réseau. Le réseau (A) est placé dans le plan focal de l'oculaire (D') et l'oculaire (D') est placé f' 1 dans le plan focal de l'objectif (D). On choisit ff = 81, où y est le grandissement de l'oculaire. L'objectif (D) est stigmatique pour le point 0' et l'infini, ses aberrations sont supposées nulles; tout point M de sa surface focale donne une image focalisée dans la direction M infinie. L'oculaire est également supposé dépourvu d'aberrations. Il est illuminé par le réseau () balayant un angle important + a0 (par exemple a0 = 450 ou plus). On voit sur la figure 2, par un raisonnement géométrique que le faisceau émergeant balaie un angle +ss0 tel que: On peut également expliquer le fonctionnement d'une autre façon, correspondant au schéma de la figure 3. Toute source S du réseau (h) délimité par les points A et B possède une image S' en principe ponctuelle sur la surface focale de l'oculaire passant par le point 0. En fait cette image est une tache de diffraction. Dans le cas d'un espace plan, c'est une loi en sinc x (le symbole sinc désignant le sinus cardinal). Deux sources adjacentes du réseau donnent lieu à deux lois adjacentes en sinc x, orthogonales. L'invention permet de synthetiser la loi d'illumination échantillonnée idéale, exprimée sous la forme classique d'interpolation de Whittaker: avec le pas d'échantillonnage minimum donné par: C'est ce que confirme la suite du raisonnement géométrique basé sur le schéma de la figure 3. Pour que l'image d'une extrémité A du réseau AB soit en A' au bord de l'objectif, on doit avoir #/f' = D/f ou #/D = 1(3) &gamma; Les dimensions finies de l'oculaire font que le rayonnement émergeant s'étend uniformément dans un domaine angulaire fini C'est donc un diagramme rectangulaire d'ouverture 2T0; il est donc associé à une illumination partielle sinc 2Rv Toe Le rôle de l'objectif est ici celui d'un prisme : il redresse le domaine angulaire illuminé et le centre par rapport à l'axe du système. Dans le cas ou on souhaite un domaine de balayage très restreint pour un pinceau très directif, on est amené à utiliser un objectif de grand diamètre et un oculaire doté d'un fort grandit sement: c'est précisément le cas d'une antenne Cassegrain. La configuration de l'antenne est alors celle de la figure 4. L'antenne Cassegrain comporte un miroir principal (MP) et un miroir auxiliaire (MA), de diamètres D et D'. La focale du miroir principal est fl. L'antenne Cassegrain est équivalente à un objectif de même focale f que précédemment, avec: f = L'oculaire est par exemple une lentille de diamètre D' et de focale f'. Il est illuminé par un réseau d'étendue A satisfaisant à la relation (3).Le domaine de balayage est obtenu en imaginant une source primaire fictive pouvant se déplacer sur un diamètre de la lentille, donc à la distance maximum D'/2 du foyer du Cassegrain de focale équivalente f. Il est donc donné par le rapport: D'/2 f soit Le diamètre A du réseau est tel que: L'économie sur le nombre de sources est représentée, dans le cas d'un réseau circulaire par le rapport En combinant les formules (4) et (5), le rapport N'/N s'écrit Par exemple, pour: D = 6 mètres, D'/D = 1/6 = fl/f, et D/fl = 3,6 le domaine de balayage donné par la formule (4) est: 2 TO = 1/10 soit 60 environ En choisissant: f'/fl = 0,6 on trouve : A/D = 0,1 soit a =0,60 m. Le gain sur le nombre de sources est de 100. En bande C, cela représente environ 250 sources au lieu de 25000. Bien entendu, le masque du réflecteur auxiliaire et les conséquences qui en découlent sont imposés par l'angle de balayage, selon la formule (4). Le diamètre du réflecteur auxiliaire n'est pas nécessairement égal au diamètre de la lentille formant l'oculaire. Cependant si la lentille est plus petite, cela pénalise en ce qui concerne l'angle de balayage, sans aucun bénéfice par ailleurs du fait du rôle de masque exercé par le réflecteur auxiliaire. Et si la lentille est plus grande, c'est au détriment de l'efficacité du réflecteur principal. En règle générale le diamètre D" du réflecteur auxiliaire sera donc choisi égal au diamètre D' de la lentille formant l'oculaire. Ce procédé semble applicable avec les grandes antennes, dans le cas où l'effet de masque du réflecteur auxiliaire est acceptable. L'avantage des systèmes optiques associés à un petit réseau, c'est que le choix des lois de phase de ce dernier permet de corriger au moins en partie les aberrations éventuelles de l'optique (notamment: astigmatisme et coma). On notera d'ailleurs que l'emploi d'un Cassegrain permet de minimiser de telles aberrations (optique de Schwartzschild). REVENDICATIONS 1. Antenne à balayage électronique ayant un nombre réduit (N) d'éléments rayonnants et de déphaseurs et un angle de balayage restreint, comportant un réseau (A) à balayage électronique de dimensions et d'angle de balayage ag, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un système focalisant comportant lui-même un objectif (D) de diamètre D et de focale f et un oculaire (D') de focales f', f et f' et de grandissement y tel que y =f/f', placés sur l'axe du réseau de façon telle que le réseau soit situé dans le plan focal de l'oculaire et l'oculaire dans le plan focal de l'objectif, I'ensemble étant équivalent à une antenne à balayage électronique de -fi dimensions fi telles que A = Y et d'angle de balayage 60, tel que ss0 = 1. &alpha;0 &gamma; 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'objectif est une antenne Cassegrain comportant un réflecteur principal (MP) et un réflecteur auxiliaire (MA) de diamètres D et D", la focale du miroir principal étant f1 et l'antenne Cassegrain fi formant un focalisateur unique de focale f telle que f = DD . f1. 3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le diamètre D" du réflecteur auxiliaire est égal au diamètre D' de l'oculaire.