Brevet FR2655202A1 — publié le 19910531

La présente invention concerne une antenne à polarisa- tion circulaire, notamment une antenne élémentaire pour réseau d'antennes. Dans nombre de circonstances, il est souhaitable de dis- poser d'une polarisation circulaire, notamment dans les applications radar, o l'on sait que la polarisation circulaire permet d'éliminer les échos produits par les obstacles à réflexion isotrope, tout particu- lièrement les échos de pluie (provoqués par les gouttelettes d'eau en suspension dans les nuages). En effet, l'onde émise selon une polarisation circulaire donnée, par exemple une polarisation circulaire droite, va être déphasée de 180 par réflexion sur l'obstacle et va donc être ren- voyée avec une polarisation inverse, circulaire à gauche dans cet exemple Il sera alors aisé, au niveau du récepteur, de supprimer cette réflexion au moyen d'un éliminateur de polarisation croisée. L'un des buts de l'invention est de proposer une telle antenne à polarisation circulaire, notamment pour servir de source primaire (antenne élémentaire) dans une antenne réseau, et qui puisse être alimentée directement par une ligne dite " triplaque ". Une ligne triplaque est constituée par un conducteur cen- tral plat formant âme de coaxial, pris en sandwich entre deux épais- seurs de diélectrique (éventuellement l'air) elles-mêmes recouvertes à leurs surfaces extérieures par des conducteurs situés au droit du conducteur central et alimentés en parallèle, donc équipotentiels, formant conducteurs périphériques de masse. Cette technologie triplaque est très courante en particu- lier dans les antennes réseau, car elle permet de réaliser aisément les distributeurs complexes nécessaires à l'alimentation des diffé- rentes sources primaires du réseau. En revanche, l'un des inconvénients de la technologie tri- plaque tenait au fait que, jusqu'à présent, il n'existait aucune source primaire à polarisation circulaire prolongeant directement la ligne triplaque d'alimentation. En effet, les sources primaires à polarisation circulaire connues (antennes hélicoïdales, antennes " bougie ", etc) ne fonc- tionnent pas dans le même mode que la ligne triplaque et nécessi- tent donc, outre l'interfaçage mécanique et électrique de la source à la ligne triplaque, un changement de mode d'excitation préjudiciable à un fonctionnement optimal de la source. Par ailleurs, les éléments rayonnants réalisés jusqu'à présent en technologie triplaque ne procuraient pas de polarisation circulaire, et il était donc nécessaire, pour obtenir un tel mode de polarisation, de leur adjoindre des polariseurs tels que des polari- seurs à lames diélectriques, à vis, à fils, etc, avec toutes les pertes d'adaptation et difficultés de réalisation corrélatives. Un premier but de la présente invention est de proposer une nouvelle forme de source primaire à polarisation circulaire qui puisse directement prolonger la ligne triplaque d'alimentation, géné- ralement constituée par l'une des ramifications d'un distributeur d'antenne réseau. Avec une telle source, on pourra, pour produire le rayon- nement, utiliser le mode TM ou quasi-TM caractéristique des lignes triplaques, qui procure une excellente largeur de bande. On verra en outre que la structure, très simple, de la source selon l'invention conduit à une industrialisation à faible coût, particulièrement avantageuse pour la réalisation de réseaux com- portant un grand nombre de sources primaires. Essentiellement, l'invention consiste à prolonger la ligne d'alimentation par deux dipôles triplaques orthogonaux alimentés par un déphaseur dont les branches de sortie sont directement pro- longées de manière à former les deux dipôles, afin de constituer une source primaire monobloc rayonnant une onde polarisée circulaire- ment (on sait en effet que, pour produire une onde polarisée circulai- rement, il convient d'exciter deux dipôles orthogonaux voisins par des signaux de même amplitude mais en quadrature de phase). Un second but de la présente invention est de proposer une structure d'antenne qui, avec ces mêmes caractéristiques de large bande, de compacité et de simplicité de réalisation, autorise, outre la polarisation circulaire (à droite ou à gauche), une polarisa- tion linéaire (rectiligne) surajoutée à la polarisation circulaire, typi- quement une polarisation rectiligne verticale et/ou horizontale. Comme on le verra, l'antenne de la présente invention permet notamment, à partir d'un unique élément rayonnant et par simple commutation sélective de voies d'entrée du signal, d'obtenir à volonté: une polarisation circulaire droite, une polarisation circulaire gauche, une polarisation rectiligne horizontale, et/ou une polarisation rectiligne verticale. Cette caractéristique d'antenne à polarisations multiples est particulièrement intéressante pour les antennes assurant simul- tanément deux fonctions, par exemple la fonction classique de sur- veillance obtenue par une polarisation circulaire et une fonc- tion IFF (Identification Friend or Foe: identification ami ou ennemi) obtenue par une polarisation rectiligne. À cet effet, l'antenne selon l'invention, qui est excitée par une ligne triplaque d'alimentation comprenant deux conducteurs périphérique disposés respectivement au-dessus et au-dessous d'au moins un conducteur central, comporte: des moyens triplaque d'excitation comprenant un cou- pleur hybride 90 , symétrique et à large bande, avec une première et une seconde branche de sortie et au moins une branche d'entrée recevant de la ligne triplaque un signal à rayonner, -un premier élément rayonnant dipolaire, comprenant deux branches quart d'onde formées en prolongeant dans leur plan, en direction transversale et dans un même sens, chacun des conduc- teurs périphériques de la ligne triplaque, et une branche quart d'onde formée en prolongeant dans son plan, parallèlement aux deux branches précitées mais en sens opposé, la première branche de sor- tie du coupleur hybride 900, un second élément rayonnant dipolaire, orthogonal au premier, comprenant deux branches quart d'onde formées par repliement, dans des sens opposés, respectivement de la seconde branche de sortie du coupleur hybride 90 et de l'un des conducteurs périphériques, ces deux branches quart d'onde étant coplanaires et s'étendant perpendiculairement aux plans des conducteurs. De cette manière, on excite les éléments rayonnants dipolaires par des signaux respectifs semblables, de même ampli- tude mais déphasés de 90 , ce qui polarise ainsi circulairement le signal à rayonner. On peut notamment appliquer sélectivement le signal à rayonner sur l'une ou l'autre des branches d'entrée du coupleur hybride 90 en fonction du sens, droit ou gauche, choisi pour la pola- risation circulaire. De façon avantageuse, pour pouvoir, comme indiqué plus haut, combiner à la polarisation circulaire une polarisation recti- ligne, les moyens triplaque d'excitation comprennent un second cou- pleur hybride 90 , monté en cascade avec le premier, avec une pre- mière et une seconde branche de sortie reliées à la première et à la seconde branche d'entrée du premier coupleur, et au moins une branche d'entrée recevant de la ligne triplaque un signal à rayonner, de manière à exciter les éléments rayonnants dipolaires par des signaux respectifs semblables, de même amplitude et phase et pola- riser ainsi linéairement le signal à rayonner. On peut notamment appliquer sélectivement le signal à rayonner sur l'une et/ou sur l'autre des branches d'entrée du second coupleur hybride 900 en fonction du sens, vertical et/ou horizontal, choisi pour la polarisation rectiligne. On va donner maintenant donner un exemple de réalisa- tion de l'invention, en référence aux figures annexées. La figure 1 est une vue perspective de l'antenne selon l'invention, l'un des plans de masse de la ligne triplaque étant par- tiellement arrachée. La figure 2 est une vue en élévation, selon II-II de la figure 1 de cette même antenne. La figure 3 illustre une variante de réalisation, dans laquelle deux coupleurs mis en cascade permettent d'obtenir, outre les polarisations circulaires, des polarisations rectilignes. Sur les figures, la ligne triplaque d'alimentation est cons- tituée de conducteurs centraux, tels que 1 ou 2, disposés en sand- wich entre deux conducteurs périphériques 3 et 4 formant demi- plans de masse; ces divers conducteurs sont réalisés sous forme de plaques ou bandes rigides disposées parallèlement entre elles et séparées par un diélectrique approprié qui peut être l'air, des entre- toises étant alors simplement prévues pour maintenir précisément à leur place les différents éléments de la ligne. La ligne triplaque peut notamment constituer l'extrémité de l'une des ramifications d'un répartiteur d'antenne réseau (non représenté). Cette ligne d'alimentation excite, de la manière que l'on décrira plus bas, d'une part un dipôle horizontal 10 destiné à pro- duire la composante horizontale de la polarisation circulaire de l'onde, et d'autre part un dipôle vertical 20 destiné à produire la composante verticale de cette même polarisation circulaire. On notera incidemment que les termes tels que " horizontal " ou " vertical " ne sont bien entendus pas limitatifs et ne se référent qu'au mode de réalisation illustré, qui correspond à la configuration la plus courante dans les antennes réseau, o les dis- tributeurs triplaques sont généralement horizontaux Cette orienta- tion n'est cependant aucunement restrictive et toute autre orienta- tion absolue dans l'espace pourrait être choisie dès lors que la condi- tion, évoqué plus loin, d'orthogonalité entre les deux dipôles est res- pectée. Dans le même ordre d'idées, bien que l'on décrive ici l'antenne de l'invention essentiellement sous forme d'une source émettant une onde polarisée circulairement, cette même antenne peut aussi bien être utilisée sans aucune modification, du fait du principe de réciprocité, en tant qu'antenne de réception. Le dipôle horizontal 10 est réalisé en prolongeant trans- versalement (c'est-à-dire perpendiculairement à la direction axiale de l'antenne, matérialisée par l'axe A), l'un des conducteurs centraux de la ligne d'alimentation par une branche 11 formant l'une des moi- tiés d'un dipôle L'autre moitié du dipôle est constituée par des branches 12, 13 formées en prolongeant transversalement, de l'autre côté de l'axe A (mais du même côté pour les deux branches 12 et 13), les conducteurs périphériques 3 et 4 de la ligne d'alimentation. Les branches 11, 12 et 13 sont de même longueur, égale à environ un quart d'onde. Le dipôle 20 est formé par repliement d'un autre conduc- teur central vers le bas, ce qui donne la branche 21, et de l'un des conducteurs périphériques (ici, le conducteur supérieur 4) vers le haut, ce qui donne la seconde branche 22 du dipôle 20 Ces deux branches 21 et 22 ont également une longueur d'environ un quart d'onde. Les conducteurs périphériques 3 et 4 sont repliés en 5 et 6 de manière à former un plan de masse constituant le plan de court-circuit des dipôles 10 et 20. Les dipôles 10 et 20 sont alimentés conjointement au moyen d'un coupleur 30 intercalé entre les lignes d'alimentation 1 et 2 et les dipôles 10 et 20. Ce coupleur permet, de manière en elle-même connue, d'exciter les deux dipôles de l'antenne avec un déphasage relatif de 900 (quadrature). Ici, le coupleur 30 est un coupleur du type " coupleur hybride 900 ", dit encore " coupleur hybride 3 d B ", " anneau hybride 3 d B " ou " échelle 3 d B ". Ce coupleur hybride 90 , en lui-même connu, comporte essentiellement deux branches d'entrée 31 et 31 ' symétriques (du point de vue radioélectrique) et deux branches de sortie, également symétriques 32 et 32 ' Ces quatre branches aboutissent à quatre seg- ments 33, 34, 35 et 36 ayant chacun une longueur d'environ un quart d'onde Ces segments 33 à 36 peuvent être rectilignes, comme illustré sur la figure et l'on parle généralement de " coupleur en échelle " ou curvilignes et l'on parle alors plutôt d' " anneau hybride " -, ou même prendre des formes plus complexes, les para- mètres importants étant la longueur et la largeur des lignes de transmission formées par ces segments. Les dimensions des branches d'entrée 31 et 31 ', des branches de sortie 32 et 32 ' et des lignes 35 et 36 sont telles que ces éléments sont tous adaptés sur l'impédance caractéristique de l'antenne et de ses circuits associés, typiquement 50 Q 2 En revanche, on donne aux lignes 33 et 34 une largeur supérieure, de manière à créer une désadaptation d'impédance Cette désadaptation est telle que les signaux appliqués sur l'une ou l'autre branche d'entrée 31 ou 31 ' vont se trouver divisés et, du fait des retards introduits par les lignes quart d'onde 33 à 36, vont donner sur chacune des branches de sortie 32 et 32 ' des signaux semblables, de même amplitude mais déphasés de 90 . Un tel coupleur hybride 900 présente un certain nombre d'avantages, notamment le fait qu'il permet de maintenir un dépha- sage de 90 quasiment constant sur une très large bande de fré- quences, typiquement sur une largeur de bande de 20 %, avec un ROS peu affecté par les variations de fréquence dans cette bande; autrement dit, ce coupleur hybride reste parfaitement adapté même si la fréquence varie autour de la fréquence centrale pour laquelle il a été calculé. Ainsi, si l'on applique un signal sur la branche d'entrée 31 du coupleur hybride 30, on réalisera, du fait de l'alimentation symétrique équiamplitude mais en quadrature, une polarisation cir- culaire tournée vers la droite, tandis que, si l'on applique le signal sur la branche d'entrée 31 ' du coupleur hybride 30, on obtiendra une polarisation circulaire inverse, c'est-à-dire tournée vers la gauche. Avantageusement, on peut configurer le système d'ali- mentation de l'antenne de manière à rayonner non seulement une polarisation circulaire (droite ou gauche), mais également une pola- risation rectiligne, verticale et/ou horizontale (il peut être notam- ment intéressant, dans certaines applications, d'utiliser simultané- ment les deux polarisations rectilignes croisées). On peut, à cet effet, court-circuiter sélectivement cer- taines parties du coupleur, par exemple au moyen de diodes PIN, de manière à n'exciter qu'un seul des deux dipôles. On préfere cependant utiliser la solution illustrée sché- matiquement figure 3, consistant à prévoir un second coupleur hybride 900 référencé 40, monté en amont du premier Les deux cou- pleurs 30 et 40 sont montés en cascade, c'est-à-dire que les deux branches de sortie 42, 42 ' du coupleur amont 40 sont directement reliées aux branches d'entrée 31, 31 ' du coupleur aval 30. Par commutation sélective, on applique le signal à rayon- ner sur l'une et/ou l'autre des deux branches d'entrée 41, 41 ' du cou- pleur amont 40, et/ou sur l'une et/ou l'autre des branches d'entrée 31, 31 ' du coupleur aval 30. On pourra ainsi obtenir, simultanément ou successive- ment, avec un seul et même ensemble rayonnant (c'est-à-dire avec un seul et même couple de dipôles 10, 20): une polarisation circulaire droite, si l'on applique le signal par la voie d'entrée 31 du coupleur aval 30, -une polarisation circulaire gauche, si l'on applique le signal par la voie d'entrée 31 ' du coupleur aval 30, une polarisation rectiligne horizontale, si l'on applique le signal par la voie d'entrée 41 du coupleur amont 40, et une polarisation rectiligne verticale, si l'on applique le signal par la voie d'entrée 51 du coupleur amont 40. La sélection de la polarisation souhaitée pourra s'obtenir facilement de manière en elle-même connue par commutation des différentes voies, par exemple au moyen de diodes PIN. Un tel type d'antenne élémentaire se prête particulière- ment bien à la constitution d'un réseau plan, qui peu comprendre plusieurs dizaines ou plusieurs centaines d'éléments rayonnants. Chaque élément rayonnant sera alors associé à un cou- pleur hybride qui lui est propre, les différents coupleurs étant ali- mentés de façon appropriée, de manière en elle-même également connue, par des circuits répartiteurs appropriés. La configuration de l'ensemble élément rayonnant/cou- pleur hybride de la présente invention permet d'avoir une disposi- tion très compacte, ce qui permettra de rapprocher au maximum les uns des autres les divers éléments rayonnants Or on sait que, dans une antenne réseau, si l'on veut éviter l'apparition de lobes de réseau préjudiciables à une large couverture angulaire, il est néces- saire de rapprocher le plus possible les divers éléments rayonnants, idéalement avec un espacement non supérieur à une demi-longueur d'onde. On notera que, dans l'antenne de l'invention, les centres de phase respectifs des deux dipôles vont se trouver légèrement décalés en raison de leurs positions respectives (entraxe x) Ce déca- lage induit certes une légère dissymétrie et donc un léger défaut de circularité de la polarisation pour l'élément rayonnant, mais ce défaut peut être aisément compensé en alternant le positionnement des dipôles d'un élément rayonnant au suivant dans le réseau. On constate ainsi qu'un entraxe x de l'ordre de 0,25 X procure un fonctionnement satisfaisant, à condition de compenser le défaut de circularité en alternant le positionnement des dipôles dans le réseau, comme on vient de l'indiquer En disposant le dipôle verti- cal 20 légèrement en retrait par rapport au dipôle horizontal 10, il est possible de réduire encore cet entraxe, par exemple jusqu'à une valeur de l'ordre de 0,15 S. Une telle antenne peut être réalisée pour toutes les bandes de fréquences o la technologie triplaque peut être mise en oeuvre, typiquement les bandes L, S et C. REVENDICATIONS 1 Une antenne à polarisation circulaire, notamment une antenne élémentaire pour réseau d'antennes, cette antenne étant excitée par une ligne triplaque d'alimentation comprenant deux conducteurs périphériques ( 3, 4) disposés respectivement au-dessus et au-dessous d'au moins un conducteur central ( 1; 2), caractérisée en ce qu'elle comporte: des moyens triplaque d'excitation comprenant un cou- pleur hybride 90 ( 30), symétrique et à large bande, avec une pre- mière ( 32) et une seconde ( 32 ') branche de sortie et au moins une branche d'entrée ( 31; 31 ') recevant de la ligne triplaque un signal à rayonner, un premier élément rayonnant dipolaire ( 10), compre- nant deux branches quart d'onde ( 12, 13) formées en prolongeant dans leur plan, en direction transversale et dans un même sens, chacun des conducteurs périphériques ( 3, 4) de la ligne triplaque, et une branche quart d'onde ( 11) formée en prolongeant dans son plan, parallèlement aux deux branches précitées mais en sens opposé, la première branche de sortie ( 32) du coupleur hybride 900, -un second élément rayonnant dipolaire ( 20), orthogo- nal au premier, comprenant deux branches quart d'onde ( 21, 22) formées par repliement, dans des sens opposés, respectivement de la seconde branche de sortie ( 32 ') du coupleur hybride 90 et de l'un ( 4) des conducteurs périphériques, ces deux branches quart d'onde étant coplanaires et s'étendant perpendiculairement aux plans des conducteurs, de manière à exciter les éléments rayonnants dipolaires par des signaux respectifs semblables, de même amplitude mais déphasés de 90 et polariser ainsi circulairement le signal à rayon- ner. 2 L'antenne de la revendication 1, dans laquelle on applique sélectivement le signal à rayonner sur l'une ( 31) ou l'autre ( 31 ') des branches d'entrée du coupleur hybride 90 en fonction du il sens, droit ou gauche, choisi pour la polarisation circulaire. 3 L'antenne de la revendication 1, dans laquelle les moyens triplaque d'excitation comprennent un second coupleur hybride 900 ( 40), monté en cascade avec le premier ( 30), avec une première ( 42) et une seconde ( 42 ') branche de sortie reliées à la pre- mière ( 31) et à la seconde ( 31 ') branche d'entrée du premier cou- pleur, et au moins une branche d'entrée ( 41; 41 ') recevant de la ligne triplaque un signal à rayonner, de manière à exciter les éléments rayonnants dipolaires par des signaux respectifs semblables, de même amplitude et phase et polariser ainsi linéairement le signal à rayonner. 4 L'antenne de la revendication 3, dans laquelle on applique sélectivement le signal à rayonner sur l'une ( 41) et/ou sur l'autre ( 41 ') des branches d'entrée du second coupleur hybride 90 en fonction du sens, vertical et/ou horizontal, choisi pour la polarisation rectiligne.