Brevet FR2655778A1 — publié le 19910614

La présente invention concerne une antenne IFF aéro- portée fixe. Par antenne aéroportée " fixe ", on entendra une antenne non orientable fixée sur le fuselage de l'aéronef, généralement sous un radôme plat, par opposition aux antennes IFF à balayage, catégo- rie à laquelle n'appartient pas l'antenne de l'invention (qui cherche d'ailleurs à remédier à un certain nombre d'inconvénients propres à ces antennes à balayage). La technique IFF (Identification Friend or Foe: identifi- cation ami ou ennemi) opère à deux niveaux: transpondeur (mode " veille ") et interrogateur (mode " challenge "). En l'absence d'indication sur la direction de la cible à identifier, il est nécessaire de prévoir en mode " veille " une couver- ture omnidirectionnelle, ce qui est généralement réalisé au moyen de deux éléments rayonnants dont le diagramme est, en azimut, omnidirectionnel, chacun des éléments rayonnants assurant, en site, une couverture sensiblement hémisphérique L'un des éléments rayonnants est placé sur le dos et l'autre sur le ventre de l'appareil. En phase d'interrogation/réponse (mode " challenge "), on utilise au contraire des antennes directives dont la couverture cor- respond approximativement à celle du balayage du radar de bord de l'aéronef Ce diagramme, appelé " diagramme directionnel avant " ou " diagramme somme (ú) " a été représenté en ú sur la figure 1 (on notera à ce propos que par " directionnel " on entendra un dia- gramme qui, par opposition à un diagramme omnidirectionnel, privi- légie le secteur avant, même si l'angle d'ouverture de ce diagramme est relativement ouvert, typiquement de l'ordre de 50 , valeur cor- respondant sensiblement au secteur de balayage du radar de bord). Le diagramme V correspond au diagramme omnidirectionnel de veille. Le diagramme directionnel avant est obtenu par des antennes supplémentaires, également au nombre de deux (dos + ventre), qui viennent donc s'ajouter aux deux antennes omnidirec- tionnelles de veille. Par ailleurs, il existe actuellement deux normes IFF dif- férentes, généralement désignées sous les termes de Eastern et Western, qui utilisent des bandes de fréquences distinctes, respecti- vement 600-700 M Hz et 1030/1090 M Hz. Or, si l'on sait réaliser des éléments rayonnants omnidi- rectionnels bistandard, c'est-à-dire fonctionnant indifféremment dans les deux bandes de fréquences, tel n'est pas le cas pour les élé- ments rayonnants permettant d'obtenir le diagramme directionnel avant. Si l'on veut donc que l'aéronef puisse utiliser l'une et l'autre des normes, il faudra prévoir un jeu d'antennes directives pour chacun d'entre elles, portant ainsi à six le nombre total d'antennes nécessaires pour pouvoir opérer indifféremment selon les deux normes. Ceci est particulièrement pénalisant dans le cas des antennes aéroportées, du fait de la très grande difficulté de placer et d'installer les antennes en des endroits appropriés du fuselage. Un premier but de l'invention est d'éviter cette multipli- cation des antennes, en proposant une antenne universelle unique permettant de réaliser sélectivement soit un diagramme omnidirec- tionnel (Eastern/Western), soit un diagramme directionnel Western, soit un diagramme directionnel Eastern. On pourra ainsi réduire à deux (dos + ventre) le nombre total d'antennes que devra porter l'appareil, au lieu de six. Un autre but de la présente invention est de permettre une discrimination améliorée des cibles à identifier. En effet, en se référant à la figure 1, on voit que le dia- gramme directionnel avant E présente un certain nombre de lobes latéraux secondaires, de sorte qu'une cible rapprochée située dans la direction D 2 de l'un de ces lobes secondaires, donc située hors de champ du radar de bord et donc invisible pour le pilote, pourra pro- duire, si elle est proche, un signal plus intense qu'une cible éloignée qui serait située dans la direction D 1 du lobe principal Dans ce cas de figure, le pilote recevra la réponse de la cible située dans la direction D 2, cible qu'il ne voit pas, et non celle de la cible située dans la direction Dl, qui ne sera pas discriminée des autres cibles. Cet inconvénient est moindre avec les systèmes à balayage, qui utilisent des antennes dites " intégrées " placées sur le même support que l'antenne du radar de bord et donc soumises au même balayage mécanique que celui-ci, ou bien qui utilisent directe- ment l'antenne du radar de veille embarqué (technique dite " cross- bande ") l'interrogation étant alors réalisée dans une autre bande (bande X) que la veille IFF. Ces deux dernières techniques sont cependant de moins en moins utilisées, la première dégradant les performances du radar et posant des problèmes mécaniques d'encombrement des antennes surajoutées à l'antenne du radar, et la seconde ne pouvant pas être mise en oeuvre par les radars récents à compression d'impulsions. La seule autre technique de discrimination existante est une technique reposant sur l'utilisation d'un diagramme supplémen- taire dit " diagramme de contrôle " ou " diagramme différence (A) " qui est un diagramme directif arrière tel que celui illustré en A sur la figure 1, et d'une série de trois impulsions codées successives P 1, P 2 et P,3 de même amplitude. Pour effectuer la discrimination, le système IFF va émettre les impulsions Pl et P 3 (dites " d'interrogation ") en utili- sant le diagramme directionnel avant Y (diagramme d'interrogation ou diagramme somme), et l'impulsion P 2 (dite " de contrôle ") avec le diagramme directionnel arrière A (diagramme de contrôle ou dia- gramme différence). Ainsi, dans le cas précité des deux cibles situées dans les directions D 1 et D 2 on recevra, pour la cible située dans la direction Dl, des impulsions Pl et P 3 de niveau supérieur à l'impulsion P'2 (du fait que le diagramme Z favorise la direction avant et que le dia- gramme A pénalise cette même direction avant) tandis que, pour la cible située dans la direction D 2, ce sera le contraire. Ainsi, en comparant le niveau de l'impulsion P 2, telle que perçue par le diagramme A, à celui des impulsions Pl et P 3, telles que perçues par le diagramme Y, on pourra neutraliser l'effet des lobes secondaires du diagramme S Généralement, on ne conserve que les signaux provenant de cibles pour lesquelles le niveau de P 2 est inférieur d'au moins 9 d B à celui de Pl ou P 3, ce qui correspond à un angle de discrimination donné autour de la direction Dl. Une telle technique de discrimination nécessite cepen- dant de disposer, outre du diagramme omnidirectionnel V et du dia- gramme directionnel avant Y, d'un troisième diagramme, à savoir le diagramme directionnel arrière A. Sur un aéronef, ceci imposerait la mise en place de deux antennes (dos + ventre) supplémentaires, ou même de quatre antennes supplémentaires si l'on veut pouvoir appliquer cette tech- nique aux deux normes Western et Eastern, portant ainsi le nombre total d'antennes à huit ou dix, respectivement. Une telle multiplication des antennes est rédhibitoire sur un aéronef, ce qui fait que cette technique, pourtant très efficace, n'a jusqu'à présent été employée que dans les identifications sol/air, et très rarement dans les identifications air/air. Un second but de l'invention est ainsi de permettre, sans augmenter le nombre d'antennes qui sera toujours de deux (dos + ventre), l'utilisation de cette technique à bord d'un aéronef, sans augmentation du nombre d'antennes et sans devoir recourir à une technique à balayage. Pour atteindre les buts précités, l'antenne IFF aéroportée selon l'invention comprend: un élément primaire rayonnant unique, -une pluralité d'éléments parasites associés à cet élé- ment primaire rayonnant, et -des moyens de commutation, pour commuter chacun de ces éléments parasites respectifs de manière à modifier sélective- ment le diagramme propre de l'élément primaire rayonnant de manière à obtenir: * soit un diagramme omnidirectionnel correspondant au diagramme du mode de veille IFF, * soit un premier diagramme directif correspondant au diagramme directif avant en mode d'interrogation IFF, soit un second diagramme directif correspondant au diagramme de contrôle en mode d'interrogation IFF. Avantageusement, la commutation des éléments para- sites permet, pour ledit premier diagramme directif et/ou ledit second diagramme directif, d'obtenir sélectivement le diagramme directif avant correspondant: * soit à une première norme IFF sur une première bande de fréquences, * soit à une seconde norme IFF sur une seconde bande de fréquences distincte de la première. Selon un certain nombre d'autres caractéristiques préfé- rentielles: l'élément primaire rayonnant est un monopôle replié de type demi-boucle large bande; les éléments parasites comprennent un élément direc- teur et un élément réflecteur; dans le cas o l'antenne est montée à l'intérieur d'un radôme et peut fonctionner sur deux gammes de fréquences dis- tinctes, les éléments parasites comprennent au moins un élément parasite auxiliaire associé à l'élément primaire rayonnant et com- muté de manière à rectifier sélectivement l'altération, due à l'effet de radôme dans au moins l'une des bandes de fréquences, du dia- gramme de rayonnement de cet élément primaire rayonnant; toujours dans le cas o lantenne peut fonctionner sur deux gammes de fréquences distinctes, l'un au moins des éléments parasites est un élément mixte accordé sur l'une et l'autre des deux bandes de fréquences; les moyens de commutation comprennent, pour cha- cun des éléments parasites, une diode, montée entre un point de l'élément parasite et le potentiel de la masse et des moyens pour polariser sélectivement cette diode; dans ce cas, le point de l'élément parasite auquel est reliée la diode est un point d'impédance minimale; et -dans ce dernier cas, la diode est reliée au point le plus proche d'un plan de masse commun, et elle est enfermée dans une enceinte blindée s'étendant entre ce plan de masse et l'élément para- site. On va maintenant décrire un exemple de réalisation de l'invention, en référence aux figures annexées. La figure 1, précitée, montre les trois diagrammes V, Y, et A nécessaires, respectivement, pour la veille, l'identification et la discrimination IFF. La figure 2 est une vue en élévation de l'antenne de l'invention, disposée à l'intérieur d'un radôme protecteur vu en coupe. La figure 3 est une vue agrandie, en coupe, des moyens de commutation situés à la base des éléments parasites de l'antenne. La figure 4 montre, en coordonnées cartésiennes, les trois diagramme V, T et A relevés correspondant à l'antenne de l'inven- tion. La figure 2 représente l'antenne de l'invention Cette antenne est montée sur une plaque métallique 10 constituant, du point de vue mécanique, une semelle servant au montage de l'antenne et des éléments qui lui sont associés et formant, du point de vue radio-électrique, un plan de court-circuit (plan de masse). Sous la semelle, un boîtier 11 enferme les différents cir- cuits électroniques de commutation (dont on exposera plus bas le rôle) et porte un connecteur coaxial 12 recevant le signal à rayonner (ou délivrant le signal capté), et un connecteur 13 relié au faisceau de câbles envoyant les ordres de commutation entre les différents diagrammes. La semelle 10, qui sera vissée sur une ouverture prati- quée dans le fuselage de l'aéronef, supporte une carte imprimée 14 en matériau isolant portant un certain nombre de métallisations constituant les éléments de l'antenne. L'ensemble est enfermé dans un radôme 15, transparent du point de vue radioélectrique, également vissé sur le fuselage de l'aéronef. L'antenne de l'invention comporte essentiellement un élément rayonnant 20 formant source primaire, unique, auquel sont associés un certain nombre d'éléments rayonnants parasites 30, 40, commutables sélectivement selon les ordres envoyés à la prise 13. L'élément rayonnant 20 est un élément omnidirectionnel large bande, pour pouvoir fonctionner indifféremment sur les deux bandes Western et Eastern De préférence, on le réalise sous forme d'un monopole replié comprenant une partie principale 21 alimentée à sa base en 22 par le signal à rayonner, et prolongé par une branche 23 reliée en 24 au plan de masse 10 (cette mise à la masse permet en outre d'éviter l'accumulation de charges statiques à la surface de l'élément) À cet élément actif 20 est associé un élément parasite arrière ou réflecteur 30 et un élément parasite avant ou directeur 40 (la direction de l'avant est indiquée par la flèche 16). Seul (c'est-à-dire lorsque les différents éléments para- sites sont tous commutés dans un état inerte), l'élément rayonnant primaire 20 a un diagramme pratiquement omnidirectionnel per- mettant d'assurer la veille IFF, comme on peut le voir sur le relevé V de la figure 4 (tous les relevés de cette figure sont effectués à 1030 M Hz). Compte tenu de la large bande de cet élément rayonnant , l'omnidirectionnalité est assurée aussi bien sur la bande Wes- tern que sur la bande Eastern; toutefois, pour compenser l'effet de radôme dû à la présence du matériau diélectrique 15 proche, et de son incidence différente dans l'une et l'autre des deux bandes, on prévoit un élément commutable additionnel 50 pour corriger cet effet de radôme dans l'une des bandes (ici, la bande Western) et améliorer ainsi l'omnidirectionnalité du diagramme dans cette bande. Le réflecteur 30, qui sera commuté pour obtenir les dia- grammes directifs dans les deux bandes, est un élément mixte constitué en fait de deux brins 31, 32 confondus à leur base et de longueurs différentes (le brin le plus court 31 correspondant à la bande Western et le brin le plus long 32 à la bande Eastern), ce qui évite de recourir à deux brins distincts commutés séparément. Le directeur 40, quant à lui, est constitué d'un monopôle simple, tout comme le directeur 50. Compte tenu de la longueur d'onde relativement impor- tante dans la bande IFF (de l'ordre de 50 cm), incompatible avec la nécessaire compacité de l'antenne (dimensions hors-tout inférieure à cm), les différents éléments de l'antenne ont été rapprochés Ils sont donc très fortement couplés, et leurs dimensions ont été calcu- lées en tenant compte de ce couplage. Les éléments 30, 40 et 50 sont commutés sélectivement au moyen de diodes 51 les reliant ou non, selon la tension de com- mande +V appliquée, au plan de masse 10. Le tableau I ci-dessous donne les différentes commuta- tions à opérer pour obtenir les diagrammes voulus. Tableau I Diagramme Réflecteur 30 Directeur 40 Directeur 50 Omnidirectionnel (E & W) O O 1 Directif avant Eastern 1 1 1 Directif avant Western 1 O O Contrôle Western 1 1 1 ( 1 = diode passante; O = diode bloquée) A propos du directeur 50 qui sert, comme on l'a expliqué plus haut, à compenser l'effet de radôme dans la bande Western, on a constaté que le fait que cet élément soit ou non commuté lorsque l'on fonctionne en bande Eastern était pratiquement sans incidence sur l'omnidirectionnalité du diagramme dans cette dernière bande. Aussi, pour réduire le nombre total de configurations de commuta- tion, on prévoit de laisser toujours commuté ce directeur 50 dans le cas d'un diagramme omnidirectionnel, que ce dernier soit celui de la bande Western (o le directeur 50 a un effet réel sur le diagramme) ou de la bande Eastern (o ce directeur est sans effet). On notera par ailleurs qu'il n'est pas prévu de dia- gramme de contrôle Eastern, la norme IFF Eastern ne prévoyant pas de transmettre les impulsions Pl-P 2-P 3 permettant la discrimi- nation par utilisation des deux diagrammes E et A. Il serait cependant possible, éventuellement, d'obtenir sans difficulté les diagrammes correspondants nécessaires par des commutations supplémentaires appropriées. La mise en oeuvre de l'invention a nécessité la résolution de plusieurs problèmes ayant trait à la commutation des différents éléments parasites. Ces problèmes liés à la commutation sont multiples: * La commutation doit tout d'abord être extrêmement rapide En effet, lors de la réception des trois impul- sions P 1, P 2 et P 3, il faut passer très rapidement du diagramme E (pour l'émission de l'impulsion P 1) au diagramme A (pour l'émission de l'impulsion P 2) puis à nouveau au diagramme Z (pour l'émission de l'impulsion P 3)Typiquement, le changement de dia- gramme doit se faire en moins de 150 ns. * En second lieu, la puissance commutée est élevée: en effet, la puissance crête en entrée de l'élément rayon- nant 20 peut atteindre 1 k W L'énergie accumulée dans les éléments parasites peut donc être impor- tante, et, au moment de la mise à la masse de ceux-ci, la diode devra écouler à la masse une quantité de charges élevée, nuisant ainsi à la rapidité de la com- mutation. * Les diodes, lorsqu'elles sont dans un état bloqué, ne doivent pas être débloquées par la haute fréquence apparaissant à leurs bornes (du fait du phénomène de détection de la tension haute fréquence). Enfin, sur les aéronefs, on rencontre très fréquem- ment une difficulté liée au fait que les antennes IFF et les antennes de communication UHF (bande déci- métrique, généralement autour de 330 M Hz) sont très proches, souvent de quelques dizaines de centimètres seulement Il s'ensuit donc souvent des interférences entre l'harmonique deux ( 660 M Hz) de l'émission UHEF ( 330 M Hz), qui tombe dans la bande IFF Eas- tern 600-700 M Hz et peut, suivant les fréquences employées, perturber la réception JF' Dans le cas de l'invention, la commutation des diagrammes doit cher- cher à minimiser ce problème et éviter que les non- linéarités, inhérentes à toute commutation, ne vien- nent générer des harmoniques deux. Pour répondre à ces différentes contraintes, on choisit tout d'abord, pour la diode, une diode PIN rapide et à faible capacité en inverse. Ensuite et surtout, pour tenir compte des impératifs de puissance, au lieu de situer la diode au centre de l'élément parasite, (ce qui serait la position idéale, car c'est là o, à l'état non commuté, l'élément serait le plus court possible, donc le plus inerte), on choisit de réaliser la coupure à la base (extrémité se trouvant près du plan de masse 10) de l'élément parasite, car c'est à cet endroit que l'impé- dance de l'élément parasite est la plus faible, et donc que la puis- sance est la plus faible. Cette manière de procéder permet d'employer des diodes moins puissantes, donc plus rapide Une fois la coupure de l'élément parasite située à sa base, on déterminera sa hauteur et sa distance par rapport à l'élément rayonnant principal 20 de manière que cet élément parasite soit inerte ou actif suivant l'état de la diode. En ce qui concerne la génération d'harmoniques deux, cette génération dépend également de la position de la diode sur l'élément parasite Ici encore, la position optimale est également l'endroit o l'élément parasite présente l'impédance la plus faible l'intérêt d'effectuer la commutation à la base est donc double. Pour réduire encore la génération d'harmoniques, la diode est enfermée dans un blindage réuni à la masse, selon une configuration telle que celle illustrée figure 3: la base 41 de l'élé- ment parasite 40 (celui-ci n'a été pris qu'à titre d'exemple, la confi- guration étant la même pour les éléments parasites 30 et 50) est reliée au plan de masse 10 par la diode PIN 51 enfermée dans un logement tubulaire 17 formant blindage Pour polariser cette diode, on applique la tension de commande +V à la base 41 de l'élément parasite par l'intermédiaire d'une inductance d'arrêt 52, elle-même enfermée dans le blindage 17. REVENDICATIONS 1 Une antenne IFF aéroportée fixe, caractérisée en ce qu'elle comprend: un élément primaire rayonnant ( 20) unique, -une pluralité d'éléments parasites ( 30, 40, 50) associés à cet élément primaire rayonnant, et des moyens de commutation ( 51, 52), pour commuter chacun de ces éléments parasites respectifs de manière à modifier sélectivement le diagramme propre de l'élément primaire rayonnant de manière à obtenir: * soit un diagramme omnidirectionnel (V) correspon- dant au diagramme du mode de veille IFF, * soit un premier diagramme directif correspondant au diagramme directif avant (Z) en mode d'interrogation IFF, * soit un second diagramme directif correspondant au diagramme de contrôle (A) en mode d'interrogation IFF. 2 L'antenne IFF aéroportée de la revendication 1, carac- térisée en ce que la commutation des éléments parasites permet, pour ledit premier diagramme directif, d'obtenir sélectivement le diagramme directif avant (X) correspondant: * soit à une première norme IFF sur une première bande de fréquences, * soit à une seconde norme IFF sur une seconde bande de fréquences distincte de la première. 3 L'antenne IFl? aéroportée de la revendication 2, carac- térisée en ce que la commutation des éléments parasites permet, pour ledit second diagramme directif, d'obtenir sélectivement le dia- gramme de contrôle (A) correspondant: * soit à une première norme IFF sur une première bande de fréquences, soit à une seconde norme IFF sur une seconde bande de fréquences distincte de la première. 4 L'antenne de l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'élément primaire rayonnant ( 20) est un monopôle replié de type demi-boucle large bande. L'antenne de l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les éléments parasites comprennent un élé- ment réflecteur ( 30) et un élément directeur ( 40). 6 L'antenne de l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que, lantenne étant montée à l'intérieur d'un radôme, les éléments parasites comprennent au moins un élément parasite auxiliaire ( 50) associé à l'élément primaire rayonnant et commuté de manière à rectifier sélectivement l'altération, due à l'effet de radôme dans au moins l'une des bandes de fréquences, du diagramme de rayonnement de cet élément primaire rayonnant. 7 L'antenne de la revendication 6 prise en dépendance des revendications 3 et 5, caractérisée en ce que la configuration de commutation des éléments parasites est donnée par la table de vérité suivante: Diagramme Élément Élément Élément réflecteur directeur auxiliaire ( 30) ( 40) ( 50) Omnidirectionnel O O 1 Directif avant lre norme 1 1 1 Directif avant 2 de norme 1 O O Contrôle 1 re norme 1 1 1 ( 1 = commuté; O = non commuté) 8 L'antenne de l'une des revendications 2 ou 3, caractéri- sée en ce que l'un au moins des éléments parasites est un élément mixte ( 30) accordé sur l'une et l'autre des deux bandes de fré- quences. 9 L'antenne de la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de commutation comprennent, pour chacun des éléments parasites: une diode ( 51), montée entre un point ( 41) de l'élément parasite et le potentiel de la masse, et des moyens ( 52, +V) pour polariser sélectivement cette diode. 10 L'antenne de la revendication 9, caractérisée en ce que le point ( 41) de l'élément parasite auquel est reliée la diode est un point d'impédance minimale. 11 L'antenne de la revendication 10, caractérisée en ce que la diode est reliée au point ( 41) de l'élément parasite ( 40) le plus proche d'un plan de masse ( 10) commun, et en ce qu'elle est enfer- mée dans une enceinte blindée ( 17) s'étendant entre ce plan de masse et l'élément parasite.