Brevet FR2603741A1 — publié le 19880311

La présente invention concerne un système d'antenne directionnelle en azimut, à diagramme cosécanté en site et couverture hémisphérique. De tels systèmes d'antenne sont utilisés généralement dans des applications de télémesure et de poursuite d'engins. En ce qui concerne le diagramme azimutal d'une telle antenne, ce diagramme doit être le plus directif possible, de manière à maximiser le gain d'antenne dans la direction de l'engin poursuivi. Ce diagramme directif doit en outre pouvoir être orienté de manière quelconque dans le plan azimutal (0 à 3600), de manière à permettre la poursuite de l'engin et, éventuellement pour un système multiobjectifs, la poursuite simultanée de plusieurs engins dans des directions différentes du plan azimutal. En ce qui concerne le diagramme en site on préfère généralement pour les applications indiquées un diagramme dit "en cosécante", qui correspond non pas à une directivité constante en site, mais à un flux de rayonnement constant pour une cible à une altitude donnée, quelle que soit sa situation en site par rapport à l'antenne ; un tel diagramme de rayonnement en site suit approximativement une courbe proportionnelle à la cosécante de l'angle de site, d'où le nom "diagramme en cosécante" ou "diagramme cosécanté". Le diagramme cosécanté n'étant réalisable que pour un angle de site inférieur à une certaine limite (par exemple un angle de site compris entre 0 et 600), on adjoint généralement au système d'antenne en cosécante une antenne omnidirectionnelle, dite "antenne zénithale", dont le diagramme permettra de couvrir toutes les valeurs d'angle de site comprises entre 600 et 900, dans 1' exemple indiqué. Cette antenne zénithale peut être une antenne omnidirectionnelle unique, donc de faible gain ( de l'ordre de 6 dB), compte tenu de la distance relativement faible séparant l'antenne de l'engin lorsque celui-ci se trouve dans une.position zénithale (angle de site supérieur à 600). Par contre, pour les angles de site plus faibles, qui correspondent à des objectifs plus lointains et ayant tendance à s'éloigner vers l'horizon au fur et à mesure que l'angle de site diminue, il n'est pas possible d'utiliser une antenne unique ayant un gain suffisamment élevé pour assurer la couverture dans tout le plan azimutal. C'est pourquoi on utilise, classiquement, des réseaux d'antennes couvrant chacun un secteur étroit du plan azimutal, par exemple 48 antennes couvrant chacune un secteur de 7,5 . On peut alors utiliser des antennes avec un gain important, par exemple de l'ordre de 26 dB, qui permettront d'assurer une liaison correcte même pour des objectifs très éloignés. Chacune de ces antennes directionnelles est par exemple constituée d'un paraboloïde dont la dimension est adaptée à la longueur d'onde utilisée et au gain que l'on souhaite obtenir. Ces systèmes d'antennes, combinant un grand nombre de paraboloIdes et une antenne zénithale omnidirectionnelle, présentent cependant un certain nombre d'inconvénients. Un premier inconvénient tient à la dimension importante occupée par le réseau d'antennes directionnelles. Ainsi, dans la bande 2188-2475 MHz qui est l'une des bandes couramment utilisées en télémesure, il est nécessaire d'utiliser des paraboloides d'environ 1,2 m de diamètre chacun pour un gain de 26 dB, soit une surface totale de réflecteurs de plus de 50 m2 pour un réseau de 48 parabololdes (ce nombre de paraboloides constituant un minimum pratique pour ce genre de système d'antenne) ; bien entendu, pour des fréquences inférieures il serait nécessaire d'utiliser des paraboloides proportionnellement plus grands, ce qui conduirait rapidement à des dimensions prohibitives. Un second inconvénient résulte de la chute du gain dans les zones de recoupement des lobes de rayonnement des antennes adjacentes. Cette chute doit être compensée soit par la réception simultanée de ces lobes voisins à l'aide d'un système de diversité, soit en accroissant le gain nominal du parabololde (donc, ses dimensions), ceci de manière à conserver le gabarit de gain imposé pour la liaison de télémesure, par exemple un gain effectif de 26 dB à l'horizon et décroissant comme la cosécante en fonction de l'élévation. Une dernière solution pourrait conduire à accroître la puissance de l'émetteur pour conserver un bilan de liaison satisfaisant. C'est pourquoi les systèmes classiques du type exposé, sauf à présenter des dimensions très importantes et un grand nombre d'antennes élémentaires, ne permettent pas d'atteindre de façon satisfaisante les objectifs souhaités. Au contraire, l'invention propose un système d'antenne directionnelle d'un nouveau type procurant l'ensemble des performances souhaitées, tout en conservant des dimensions très limitées. Comme on le verra par la suite dans l'exemple décrit, ce type d'antenne permet d'obtenir - en site, un diagramme de rayonnement cosécanté jusqu'à au moins 50" d'angle de site, - en azimut, un lobe principal directif présentant une ouverture à 3 dB de valeur très proche de l'ouverture du secteur correspondant dans le plan azimutal, et des lobes secondaires très atténués, de manière à procurer une concentration maximale de puissance rayonnée dans la direction choisie, - un nombre relativement faible de sources élémentaires, par exemple, 36 sources au lieu des 48 sources et plus, nécessaires avec les systèmes de la technique antérieure. A cet effet, l'antenne de l'invention est du type connu, comprenant : - un réseau circulaire de 2N sources primaires aptes à émettre ou recevoir un rayonnement électromagnétique, parmi lesquelles 2n sont alimentées par un système commutable de manière à procurer, en azimut, un diagramme de rayonnement présentant un lobe principal orienté en fonction du choix des sources alimentées, - au centre de ce réseau, un réflecteur principal en forme de surface de révolution, recevant le rayonnement des sources alimentées et renvoyant celui-ci dans la direction choisie, Le réseau circulaire mentionné au premier alinéa est du type dit "réseau de WULLENWEBER", illustré schématiquement, en plan, figure 1 : si on excite en parallèle l'ensemble des 2N éléments de ce réseau, on obtient un diagramme de rayonnement circulaire en azimut ; si par contre on modifie la phase d'excitation et l'on n'excite qu'un nombre réduit 2n de sources, on obtiendra un pinceau directif en azimut, comme illustré figure 1, avec éventuellement une posssibilité de balayage en modifiant l'excitation par un système d'alimentation rotatif à coupleurs capacitifs, par exemple. En site, un tel réseau ne crée cependant qu'un pinceau de directivité faible, qui permet donc de ne couvrir que de très faibles angles de site audessus de l'horizon. C'est pourquoi, il a été proposé d'associer à ce réseau de WULLENWEBER un réflecteur central en forme de surface de révolution à méridienne parabolique, comme illustré figures 2 et 3. Un tel ensemble est connu sous le nom d'antenne sablier". Néanmoins, un tel système ne procure pas le diagramme en cosécante souhaité, mais donne seulement une certaine directivité au pinceau. Un tel diagramme en site est certes amélioré par rapport au diagramme d'un réseau sans réflecteur, mais l'efficacité de l'antenne reste néanmoins limitée. En outre, ce système ne modifie en aucune façon la forme du diagramme azimutal, notamment le profil peu satisfaisant du lobe principal et la présence de lobes secondaires et de réseau rayonnant une quantité substantielle d'énergie. Une autre solution pour améliorer le diagramme en site consisterait à empiler une pluralité de réseaux de WULLENWEBER et à alimenter ceux-ci avec une loi d'alimentation en phase particulière qui permettrait de modeler un diagramme en site se rapprochant du dia gramme en cosécante souhaité. Néanmoins, un tel système aboutirait à un nombre de sources considérable, et nécessiterait une loi d'alimentation en phase extrêmement complexe, tenant à la fois compte des phases respectives des éléments d'un même réseau et des phases respectives des éléments des différents réseaux superposés, qui se rait en pratique excessivement complexe à définir et d réaliser. En outre, cette solution n'apporterait aucune amélioration aux difficultés résultant du diagram me en azimut de forme peu satisfaisante. Selon l'invention, ces inconvénients sont résolus grâce aux caractéristiques suivantes - la surface du réflecteur principal est engendrée par une méridienne définie de manière à procurer, en site, un diagramme de rayonnement cosécanté, - chaque source élémentaire du réseau (source primaire) est pourvue d'un réflecteur secondaire ayant, en plan, une section elliptique, les deux foyers de l'ellipse étant sensiblement situés l'un à l'endroit de la source et l'autre en un point de la surface du réflecteur en vis-à-vis de cette source, de manière à focaliser le rayonnement de la source primaire sur un secteur de faible largeur du réflecteur principal, et - la loi d'alimentation en phase des 2n sources est choi sie de manière à mettre en phase le rayonnement après réflexion sur les 2n secteurs respectifs du réflecteur principal. Il convient de noter que ce mode d'éclairement particulier du réflecteur principal, uniquement sur un secteur de faible largeur, est une des caractéristiques essentielles de l'invention qui permet précisément d'obtenir les caractéristiques désirées pour le diagramme en azimut - caractéristiques qui conditionnent le gain de l'antenne et son efficacité. En outre, les réflecteurs secondaires de section elliptique étant de hauteur réduite, ceux-ci n'empècheront pas la réalisation d'une antenne de taille réduite, les dimensions hors-tout du système étant définies essentiellement par le diamètre du réseau circulaire et la hauteur du réflecteur principal. De préférence, les secteurs éclairés de faible largeur du réflecteur principal ont une largeur d'arc d'environ une longueur d'onde. Dans un mode de réalisation avantageux, le nombre 2N de sources du réseau est de 32 ou 36 avec un nombre 2n d'antennes alimentées égal à 8, 10 ou 12. Avantageusement, la distance focale de l'ellipse est comprise entre 5 et 15 longueurs d'onde, de préférence entre 6 et 10 longueurs d'onde. Avantageusement également, le diamètre minimal du réflecteur principal est compris entre 6 et 12 longueurs d'onde, de préférence entre 8 et 10 longueurs d'onde. Avantageusement également, la hauteur du réflecteur principal est comprise entre 6 et 15 longueurs d'onde, de préférence entre 8 et 12 longueurs d'onde. Avantageusement également, les génératrices des réflecteurs secondaires sont inclinées de 10 à 300 par rapport à la verticale, de façon à optimiser l'illumination du réflecteur principal. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1, déjà mentionnée, montre le diagramme en azimut procuré par un réseau de WULLENWEBER de la technique antérieure, - les figures 2 et 3, déjà citées, illustrent la structure et le fonctionnement d'une antenne sablier de la technique antérieure, - les figures 4 et 5 sont des vues, respectivement en plan et en élévation, d'une antenne selon l'invention, - la figure 6 montre, en plan, la disposition relative des sources, des réflecteurs secondaires et du réflecteur principal, - la figure 7 montre la variation, en azimut, du champ produit par un élément rayonnant à la surface du réflecteur principal, - la figure 8 montre les différents paramètres géométriques correspondant aux courbes de la figure 7, - la figure 9 montre le diagramme azimutal produit par l'excitation d'un élément du réseau, - la figure 10 montre les paramètres géométriques correspondant au diagramme de la figure 9, - la figure 11 montre le diagramme en azimut obtenu par excitation d'une pluralité de sources (diagramme somme), - la figure 12 est homologue de la figure 11, pour le diagramme différence, - la figure 13 montre les paramètres géométriques correspondant au diagramme des figures 11 et 12, - la figure 14 est un tableau résumant la loi d'alimentation en phase et en amplitude des sources de la figure 13, - la figure 15 montre un exemple de profil du réflecteur principal, tel que déterminé par le calcul, - la figure 16 montre le diagramme de rayonnement en site obtenu avec le profil de la figure 15. Les figures 4 et 5 représentent l'implan- tation des différents éléments du système d'antenne de l'invention : à l'intérieur d'un radome 1 monté sur une maçonnerie 2, il est prévu un réseau circulaire de sources 10, visible en plan sur la figure 5, à chacune desquelles est associé un réflecteur secondaire 20 focalisant l'énergie rayonnée vers l'axe du réseau, ainsi qu'un réflecteur principal 30 permettant de renvoyer l'énergie ainsi focalisée dans la direction choisie. Les sources 10 sont des sources de type classique, par exemple formés d'un dipôle 11 relié aux circuits d'émission-réception, et auquel est associé un élément dipolaire passif formant réflecteur 12 ; il est également possible de prévoir comme source élémentaire un ensemble de deux dipôles croisés, en cas de polarisation circulaire. Chacune de ces sources est reliée à un coupleur capacitif 40 par une liaison directe, ces coupleurs permettant la commutation rapide des circuits d'émission-réception sur certaines des sources élémentaires ; il s'agit par exemple d'un système mécanique rotatif permettant d'obtenir un balayage du plan azimutal. Le réflecteur secondaire 20 est de preférence constitué d'une fraction de cylindre elliptique ayant l'un des ses foyers F1 (figure 6) placé à l'endroit de la source 10 et l'autre foyer F2 situé à la surface du réflecteur principal 30. Le réflecteur principal 30, dont les dimensions préférentielles sont indiquées sur la figure 4, est une surface continue, engendrée par une méridienne calculée point par point de manière à obtenir un diagramme en cosécante, comme cela sera expliqué par la suite en référence aux figures 15 et 16. Enfin, il est prévu une antenne zénithale 50, par exemple formée de deux dipôles croisés situés dans une cavite cylindrique de profondeur X/4,qui permettra de couvrir avec un diagramme sensiblement omnidirectionnel un cône d'axe vertical et d'angle au sommet 7()0 à 800. On va maintenant expliquer en détail le fonctionnement de ce système d'antenne. La condition- essentielle pour améliorer la forme du lobe principal du diagramme azimutal, réduire l'amplitude des lobes secondaires et le nombre des sources à une valeur acceptable (toutes difficultés typiques des réseaux circulaires de sources) con siste à focaliser suffisamment l'énergie rayonnée sur une surface restreinte du réflecteur principal. Comme indiqué plus haut, ceci est obtenu grâce au réflecteur elliptique secondaire20,associé à chaque source, qui permet de concentrer sur un secteur étroit du réflecteur, autour du second foyer F2, l'énergie émise par la source F1. A cet égard, les courbes de la figure 7 donnent l'amplitude des composantes dudiamp diffracté par le réflecteur elliptique 20, évalué le long du réflecteur principal 30 ppur les dimensions indiquées figure 8 on peut considérer que, sur une largeur d'arc de t 0,5 X le long du réflecteur principal 30, le champ reste sensiblement constant en amplitude et en phase ceci correspondant à un angle de + 6,60 avec les paramètres indiqués figure 8. Ce sont les courants induits dans cette zone étroite qui contribueront essentiellement au rayonnement secondaire du réflecteur principal 30. On peut alors assimiler cette région à une fente circonférentielle fictive, de longueur égale à X dont le diagramme azimutal sera celui illustré figure 9 (la figure 10 illustre les paramètres correspondants). La figure 7 montre que l'on dispose d'une atténuation suffisante de l'éclairement sur les bords de cette fente fictive (- 12 dB à + 600) ; on calcule d'autre part que la phase varie très rapidement dès que l'on s'éloigne de la zone centrale, la variation étant de l'ordre de 10800 dans l'intervalle 0-600. On va maintenant considérer le couplage d'une pluralité de sources ainsi constituées. Le couplage de 2n sources du type décrit parmi 2N au total permet d'obtenir le lobe directif désiré. Les phases d'excitation des 2n sources sont déterminées de façon à mettre en phase le rayonnement issu d'une source après réflexion sur le réflecteur principal, de manière à produire une onde plane ; en outre une pondération en amplitude est prévue, de façon à minimiser les lobes secondaires de réseau. Le tableau de la figure 14 indique un exemple de loi d'alimentation en phase et en amplitude pour 8 sources couplées sur 36 au total. Les sources réelles focalisées sur le réflecteur principal produisent sur celui-ci des sources virtuelles, assimilables à des fentes circulaires de faible longueur, avec la disposition indiquée fiqure 13. Les diagrammes somme (pour l'émissionréception) et différence (pour l'asservissement de la poursuite) d'un tel réseau sont illustrés figure 11 et 12. Le diagramme somme (figure 11) présente une ouverture à 3dB de 100 environ, avec d'excellentes performances en lobes secondaires et de réseau , avec seulement 8 sources couplées sur 36. L'expérience montre que, si l'on couple 10 ou 12 sources sur 36, ou 8 ou 12 sources sur 32, les résultats diffèrent peu, ce qui démontre que l'on dispose d'une certaine marge de manoeuvre dans la réalisation effective du réseau. La figure 15 illustre le profil type du réflecteur principal : celui-ci a pour rôle de réaliser le diagramme cosécanté dans le plan vertical. Le profil vertical de ce réflecteur peut être calculé point par point par des méthodes numériques, par exemple la méthode de synthèse de Dun Bar suivie d'une optimisation pour lisser le diagramme final. Avec le profil ainsi calculé tel qu'illustré figure 15, on obtient le diagramme de rayonnement en site de la figure 16, la courbe PH correspondant à une polarisation horizontale et PV à une polarisation verticale on a également représenté la courbe théorique en cosécante. On constate que l'on obtient un gain au moins égal à 23 d9 dans l'intervalle 0,2-6,7 d'angle de site. Pour un gain maximum de 26 dB, et compte tenu d'une ouverture azimutale à 3 dB de 100, ceci exige une largeur en site à 3 dB de 6,8 , ce qui conduit à une hauteur du réflecteur principal de l'ordre de 9 à 10 -A. On constate également que le diagramme en cosécante s'étend jusqu'à des angles de site de l'ordre de 60 à 650 au-dessus de l'horizon, l'antenne zénithale omnidirectionnelle prenant le relais au-delà de cette limite. Enfin, le gain à l'horizon (angle de site nul) est de 22 dB, pour un gain maximum de 26 dB correspondant à un angle site Se 3,80; l'ouverture à 3dB est de 6,5 . REVENDICATIONS 1. Un système d'antenne directionnelle azimut, du type comprenant un réseau circulaire de 2N sources primaires (10) aptes à émettre ou recevoir un rayonnement électromagnétique, parmi lesquelles 2n sont alimentées par un système commutable (40) de manière à procurer, en azimut, un diagramme de rayonnement présentant un lobe principal orienté en fonction du choix des sources alimentées, au centre de ce réseau, un réflecteur principal (30) en forme de surface de révolution, recevant le rayonne ment des sources alimentées et renvoyant celui-ci dans la direction choisie, caractérisé en ce que - la surface du réflecteur principal est engendrée par une méridienne définie de manière à procurer, en site, un diagramme de rayonnement cosécanté, - chaque source élémentaire du réseau est pourvue d'un réflecteur secondaire (20) ayant, en plan, une section elliptique, les deux foyers de l'ellipse (F1 F2) étant sensiblement situés l'un à l'endroit de la source et l'autre en un point de la surface du réflecteur en vis-à-vis de cette source, de manière à focaliser le rayonnement de la source primaire sur un secteur de faible largeur du réflecteur principal, et - la loi d'alimentation en phase des 2n sources est choisie de manière à mettre en phase le rayonnement après réflexion sur les 2n secteurs respectifs du réflecteur principal. 2. Un système d'antenne selon la revendication 1, dans lequel les secteurs éclairés de faible largeur du réflecteur principal ont une largeur d'arc d'environ une longueur d'onde. 3. Un système d'antenne selon la revendication 1, dans lequel 2N = 32 ou 36, et 2n = 8,10 ou 12. 4. Un système d'antenne, dans lequel la distance focale de l'ellipse est comprise entre 5 et 15 longueurs d'onde. 5. Un système d'antenne selon la revendication 4, dans lequel la distance focale de l'ellipse est comprise entre 6 et 10 longueurs d'onde. 6. Un système d'antenne selon la revendication 1, dans lequel le diamètre minimal du réflecteur principal est compris entre 6 et 12 longueurs d'onde. 7. Un système d'antenne selon la revendication 6, dans lequel le diamètre minimal du réflecteur principal est compris entre 8 et 10 longueurs d'onde. 8. Un système d'antenne selon la revendication 1, dans lequel la hauteur du réflecteur principal est comprise entre 6 et 15 longueurs d'onde. 9. Un système d'antenne selon la revendication 8, dans lequelsla hauteur du réflecteur principal est comprise entre 8 et 12 longueurs d'onde. 10. Un système d'antenne selon la revendication 1, dans lequel les génératrices des réflecteurs secondaires sont inclinées de 10 à 300 par rapport à la verticale, de façon à optimiser-l'illumination du réflecteur principal.