Brevet FR2664747A1 — publié le 19920117

Antenne à balayage par variation de fréquence La présente invention concerne une antenne à balayage par variation de fréquence, c'est-à-dire une antenne émettant (ou recevant) une onde électromagnétique selon un diagramme dont le lobe principal présente une orientation donnée, variable en fonction de la fréquence de l'onde rayonnée (ou reçue) par l'antenne. On peut ainsi réaliser par voie électronique un balayage purement statique, simplement en sélectionnant la fréquence précise appliquée à l'antenne, chaque fréquence ainsi sélectionnable correspondant à une direction principale d'émission déterminée. On connaît diverses structures permettant de réaliser une telle fonction, notamment les structures à guides d'onde telles que celles décrites dans l'ouvrage de M. Skolnik intitulé Radar Handbook, 1970, notamment le chapitre 13 intitulé Frequency-Scanned Arrays, par Irving W. Hammer, qui décrit notamment des réseaux à fentes et des structures à éléments rayonnants repliés permettant de réaliser un tel balayage électronique par variation de fréquences. il a été également décrit dans le FR-A-2 535 120, au nom de la Demanderesse, un élément réflecteur sensible à la fréquence qui, placé devant un projecteur d'onde tel qu'un cornet émetteur, réfléchit l'onde incidente dans une direction variant en fonction de la fréquence de cette onde. Ces dispositifs présentent cependant tous un certain nombre d'inconvénients communs, à savoir que: - la capacité de balayage (c'est-à-dire l'amplitude de la variation angulaire de la direction du lobe principal, en fonction de la variation relative maximale de fréquence) est en général très limitée, et insuffisante dans de nombreuses applications; - la structure est toujours complexe du point de vue mécanique et radioélectrique, ce qui rend sa mise au point délicate et sa fabrication difficile, donc coûteuse; - ces structures complexes sont généralement massives et volu mineuses, ce qui les rend peu appropriées à un usage comme antennes embarquées de satellite; et - la forme du diagramme produit est telle que, lorsque l'on change de fréquence, le niveau de recouvrement entre deux faisceaux successifs (c'est-à-dire le niveau dans une direction située à mi-distance des directions principales d'émission de ces deux faisceaux) est généralement assez bas, ce qui rend difficile la couverture continue d'une zone géographique don née. L'invention a pour objet une antenne à balayage de fréquence qui remédie à l'ensemble de ces inconvénients, rendant ainsi celle-ci parfaitement appropriée à un usage comme antenne embarquée de satellite, notamment comme antenne de radiocommunications par satellite. On verra en effet que l'antenne de l'invention est, du point de vue mécanique, de structure à la fois simple, compacte et légère, toutes caractéristiques particulièrement souhaitables pour une utilisation à bord d'un satellite. On verra par ailleurs, en ce qui concerne la capacité de balayage en fonction de la fréquence, que la structure proposée présente une sensibilité élevée à la fréquence, c'est-à-dire que, pour une faible variation de fréquence, l'amplitude du balayage est relativement élevée. Cette caractéristique est particulièrement avantageuse du fait que l'excursion de fréquence permise est généralement limitée par les caractéristiques propres de l'émetteur et de la largeur de bande allouée - typiquement de l'ordre de +2,5% autour de la fréquence centrale, dans le domaine des hyperfréquences tel que les bandes 30/20 GHz utilisées pour les communications par satellite.L'excursion en fréquence étant ainsi limitée, il est donc souhaitable de pouvoir couvrir la zone géographique la plus large possible en restant dans ces limites de fréquences - caractéristique que permet précisément la présente invention, avec en outre la possibilité de déterminer aisément à la construction, par un choix de paramètres géométriques simples, la sensibilité à la fréquence la plus appropriée compte tenu de la couverture géographique souhaitée. On verra également que l'antenne de l'invention est parfaitement compatible avec un certain nombre de contraintes habituelles telles que: - la possibilité de rayonner des puissances importantes avec un rendement élevé; - le respect de la linéarité de la polarisation; - une polarisation circulaire optionnelle; - une structure robuste, susceptible de résister aux contraintes sévères de I'environnement spatial; et - la plus grande insensibilité possible aux variations de tempé rature, compte tenu notamment des cycles thermiques de très grande amplitude rencontrés en environnement spatial. A cet effet, la présente invention propose une antenne à balayage par variation de fréquence comprenant, de façon caractéristique des moyens excitateurs, pour produire une onde électromagnétique plane de fréquence donnée, variable autour d'une fréquence centrale, et des moyens rayonnants, recevant l'onde plane produite par ces moyens rayonnants et faisant subir à celle-ci une pluralité de réflexions successives, ces moyens comprenant des moyens pour laisser fuir vers l'extérieur, une fraction de l'onde plane après chacun des rebonds successifs afin de lui permettre de rayonner vers l'extérieur ; le déphasage de l'onde entre deux rebonds varie ainsi en fonction de la fréquence de cette onde et l'ensemble des ondes rayonnées ainsi produites présente donc un déphasage relatif déterminé, variable en fonction de la fréquence de l'onde engendrée par les moyens excitateurs et définissant une émission présentant un lobe principal d'orientation elle-même variable en fonction de ladite fréquence. De préférence, les moyens rayonnants de cette structure comprennent deux surfaces en vis-à-vis, l'une formant surface de masse et l'autre formant surface frontale rayonnante perméable aux ondes électromagnétiques, par exemple au moyens de perforations, et des moyens pour introduire l'onde plane entre les deux surfaces avec un angle d'incidence prédéterminé. Très avantageusement, la perméabilité de la surface frontale est une perméabilité variant sur l'étendue de celle-ci, faible dans les régions proximales, où la densité de puissance de l'onde plane est élevée, et élevée dans les régions distales, où cette densité est moindre. Les moyens excitateurs peuvent notamment comprendre deux surfaces en vis-à-vis et des moyens émetteurs d'une onde électromagnétique, disposés de manière à diriger cette onde électromagnétique émise entre ces deux surfaces, avec en outre au moins un organe réflecteur focalisant reliant les moyens excitateurs aux moyens réflecteurs. Dans un premier mode de réalisation, les surfaces en vis-à-vis des moyens excitateurs et celles des moyens rayonnants s'étendent dans des directions essentiellement parallèles, l'organe réflecteur focalisant étant disposé d'un même côté des moyens excitateurs et des moyens rayonnants, de manière à renvoyer l'onde émise à cette extrémité des moyens excitateurs vers l'extrémité adjacente des moyens rayonnants sous ledit angle d'incidence prédéterminé. Dans un second mode de réalisation, les surfaces en vis-à-vis des moyens excitateurs et celles des moyens rayonnants s'étendent dans des directions formant entre elles un angle égal à un angle droit augmenté dudit angle d'incidence prédéterminé, de manière à alimenter directement les moyens rayonnants par l'onde plane produite par les moyens excitateurs. Par ailleurs, pour permettre un balayage bidirectionnel, les moyens excitateurs peuvent avantageusement comprendre des moyens pour produire sélectivement différents faisceaux présentant une orientation distincte variant dans une direction perpendiculaire à ladite direction de variation du lobe principal en fonction de ladite fréquence. 0 On va maintenant décrire en détail l'invention, en référence aux dessins annexés. La figure 1 montre en perspective, avec l'intérieur partiellement visible, un premier mode de réalisation de l'antenne de l'invention. La figure 2 est une coupe schématique verticale de l'antenne de la figure 1 (l'orientation, non limitative, étant simplement définie pour les commodités de la description par rapport aux conventions de la figure). La figure 3 illustre le fonctionnement de l'antenne de l'invention. La figure 4 est un diagramme montrant la variation de la direction du lobe principal en fonction de l'angle d'incidence de l'onde dans la partie rayonnante de l'antenne, cette orientation du lobe principal étant donnée pour diverses valeurs de fréquences autour de la fréquence centrale de fonctionnement de l'antenne. La figure 5 montre la manière de balayer en deux directions une zone géographique en combinant un choix de fréquence et un choix de cornet d'émission. La figure 6 donne la direction des premiers lobes secondaires par rapport au lobe principal en fonction des caractéristiques géométriques de l'antenne. la figure 7 est une vue en perspective d'un second mode de réalisation de l'antenne selon l'invention. 0 Sur la figure 1, on a représenté un premier exemple de réalisation de l'invention, dans lequel l'antenne à balayage par variation de fréquence comporte deux parties principales, à savoir une partie excitatrice 10 et une partie rayonnante 20. On décrira essentiellement cette antenne en tant qu'antenne émettrice, mais il est bien entendu, compte tenu du théorème de réciprocité, qu'elle peut aussi bien opérer mutatis mutandis en antenne réceptrice, la structure d'ensemble restant inchangée. La partie excitatrice 10 comporte au moins une source 11 (sur la figure, on a représenté cinq sources Ila à île groupées au voisinage d'un point central A) émettant une onde radioélectrique entre deux faces planes parallèles 12 et 13 (voir coupe de la figure 2), le front d'onde étant perpendiculaire aux plans 12 et 13 et l'onde se propageant en direction de l'extrémité de sortie 14 de cette partie excita lice. Pour éviter les réflexions multiples sur les parois, on prévoit si nécessaire, de façon en elle-même connue, un volume absorbant 15 imposant à l'onde produite un trajet unique de la source 11 vers l'extrémité de sortie 14. On notera que les faces 12, 13 ne sont pas nécessairement planes, mais qu'elles peuvent prendre d'autres configurations (sphériques, paraboliques, conformées, etc.) en fonction des besoins. Par ailleurs, les sources 11 peuvent être non seulement des cornets, comme on l'a représenté, mais tout autre type d'éléments rayonnants connus tels que des éléments imprimés, des éléments rayonnants filaires, etc. Par ailleurs, les sources multiples îîa à lle, ne sont pas toutes nécessairement identiques, et ne sont pas nécessairement réparties selon un réseau régulier. La partie rayonnante 20, quant à elle, comprend deux surfaces parallèles 21, 22 qui, dans l'exemple représenté, sont des surfaces planes ; la surface 21 constitue un plan de masse et la surface 22 constitue une surface rayonnante frontale. On notera ici encore que ces deux surfaces parallèles 21, 22 ne sont pas nécessairement planes, mais qu'elles peuvent, tout comme les surfaces 12 et 13 de la partie excitatrice 10, être planes, paraboliques, sphériques, etc. ou présenter toute autre conformation appropriée. L'onde produite par la partie excitatrice 10 est transmise à la partie rayonnante 20 par l'intermédiaire d'un organe réflecteur focalisant 30 constitué de deux réflecteurs focalisants 31 et 32, qui sont tous deux plans dans le plan de balayage fréquentiel et, respectivement, hyperboliques et paraboliques dans le plan perpendiculaire, de manière à produire après réflexion en B, B' et C, C' une onde parfaitement plane à partir de l'onde produite ponctuellement par la source A. L'onde plane ainsi produite, après réflexion au point C ou C', vient frapper le plan de masse 21 avec un angle d'incidence prédéterminé a (voir représentation schématique de la figure 3), de sorte que l'onde plane, par un phénomène de réflexions multiples, va rebondir entre les deux plans parallèles 21, 22. Comme le plan frontal rayonnant 22 est une surface semi-perméable aux ondes électromagnétiques, par exemple grâce à des perforations 23 réalisées dans une plaque métallique, chaque fois que l'onde frappera le plan rayonnant frontal 22 une partie de l'énergie de cette onde traversera ce plan et rayonnera vers l'extérieur, le reste de l'énergie se réfléchissant en direction du plan de masse 21, où se produira à nouveau une réflexion vers le plan frontal, et ainsi de suite. La perméabilité de la surface frontale, qui est, dans cet exemple, essentiellement déterminée par la dimension et l'espacement des perforations 23, est telle que cette perméabilité soit faible dans la partie inférieure 24 où la densité d'énergie est la plus élevée (ce qui veut dire que les perforations devront être de petite taille à cet endroit), et élevée dans la partie supérieure 25 où la densité d'énergie est la plus faible (ce qui veut dire que les perforations devront être de grande dimension à cet endroit) ; la loi de variation de la perméabilité est choisie de telle sorte que, l'énergie de fuite totale traversant le plan frontal rayonnant 22 produise la distribution d'amplitude voulue. Le principe du balayage par variation de fréquence, que l'on va maintenant expliquer en référence à la figure 3, repose sur le fait que le déphasage entre deux rebonds consécutifs sur le plan rayonnant dépend de la fréquence conformément à la relation suivante: = = 2x/k . 2h/cosa, X étant la longueur d'onde à la fréquence f, h étant l'espacement entre le plan de masse et le plan frontal rayonnant, a étant l'angle d'incidence de l'onde excitatrice, et AO étant le déphasage (cumulatif) à chaque rebond. Le paramètre h (espacement entre les deux plans 21 et 22) peut être choisi de manière que les images virtuelles S1, S2, ... du foyer F les les réflexionssuccessivesD1, E1, E2... vérifient la relation après réflexions successives D1 E D suivante: 2h cosa = mho, où m est un entier naturel et ho est la longueur d'onde à la fréquence centrale de fonctionnement de l'antenne. La distance d entre deux points de réflexion adjacents E1, E2 sur le plan frontal rayonnant peut être définie par la relation suivante: d = 2htga. L'angle de rayonnement du lobe principal e peut alors être calculé d'après l'équation suivante, en elle-même connue: k.d.sinO = AO - où k est une constante de propagation et n est un entier naturel. Par substitution des trois premières équations dans cette dernière relation, on obtient: e = arcsin [ (m - n (m0) cos2a) / (m sina)]. Les entiers n et m seront choisis de manière que l'angle de rayonnement 0 soit le même que l'angle d'excitation a à la fréquence cen tralef0, ce qui a lieu lorsque n = m. L'équation précédente devient alors: e = arcsin [(1 - (fo/f) cos2a) / (sina) , ce résultat e variant avec la fréquence f, comme on le désirait. On a présenté sur la figure 4 un réseau de courbes montrant la façon dont la direction du lobe principal varie en fonction, d'une part, de la fréquence f (ou, plus exactement, de la variation relative de fréquence f0 par rapport à la fréquence centrale f0) et, d'autre part, de l'angle d'incidence a. Comme on peut le voir, la sensibilité du balayage en fréquence dépend de l'angle d'excitation a, et présente une valeur relativement élevée lorsque cet angle a est faible. Ceci signifie que, pour une bande de fréquences donnée, l'angle total de balayage e peut être choisi en sélectionnant l'angle d'excitation a. Bien que, en pratique, il existe une limite inférieure pour cet angle d'excitation a, il n'en reste pas moins, en tout état de cause, que l'on obtient un balayage en fréquence de forte amplitude relative. n est possible, par ailleurs, de produire des faisceaux multiples dans le plan perpendiculaire au plan de balayage en fréquence, grâce à la pluralité de sources îîa à 11e situées au voisinage du point focal A, chacune de ces sources étant légèrement défocalisée par rapport au réflecteur hyperbolique 31. Ainsi, par un choix approprié du couple cornet d'émission/fréquence d'émission, on peut réaliser un double balayage, c'est-à-dire un balayage dans deux directions perpendiculaires, comme illustré en figure 5. Avantageusement, on prévoira alors un léger recouvrement entre faisceaux adjacents, de manière que le niveau de transition entre deux faisceaux adjacents soit suffisamment élevé (de l'ordre de 2,5 à 3dB). Un tel balayage peut notamment être utilisé pour couvrir une zone géographique étendue sur laquelle on souhaite réaliser des communications par satellite. fi en est ainsi - par exemple - des services de communications téléphoniques mis à la disposition des passagers des avions. Ces services de radiotéléphonie mobile par satellite peuvent être réalisés dans la bande des 30/20 GHz, dans laquelle une largeur de bande de 0,5 GHz peut être allouée, correspondant donc à une variation de fréquence de tel ,7 à +2,5%. Or, dans ces domaines, il est difficile avec les dispositifs actuels de réaliser un large balayage, si ce n'est avec des antennes complexes et coûteuses à mettre en oeuvre, telles que celles indiquées dans l'introduction de la présente demande. Au contraire, la présente invention permet de réaliser un balayage fréquentiel sur une amplitude de l'ordre de 3 à 4" par un choix de fréquences dans les limites allouées (0,5 GHz dans la bande 30/20 GHz), ce qui rend possible par exemple la couverture complète de l'Atlantique Nord, qui correspond typiquement, pour un satellite géostationnaire, à un balayage de 3 environ dans la direction Nord/Sud (balayage effectué par variation de fréquence) et de 7 à 8" dans la direction Est/Ouest (ce dernier balayage étant par exemple réalisé au moyen de huit cornets d'alimentation sélectionnables). Une telle couverture correspond à environ 25 faisceaux, ce qui laisse une largeur de bande d'environ 20 MHz pour chaque faisceau, valeur suffisante pour pouvoir maintenir plusieurs centaines de canaux dans chaque faisceau. La figure 6 montre la direction des premiers lobes secondaires (lobes de réseau), dont l'écart par rapport au lobe principal va dépendre de l'écartement entre les sources virtuelles S1, S2, La direction du premier lobe secondaire de chaque côté du lobe principal est donnée par la relation: 0' = arcsin [(sine + ((fo'f) cos2a) / (m sina)]. La figure 6 donne la position des valeurs 0' pour différentes valeurs de m, et pour deux valeurs différentes de l'angle d'incidence (a = 150 et a = 20"). On peut voir ainsi que la direction du premier lobe secondaire dépend de l'écartement h entre le plan de masse et le plan frontal rayonnant, de sorte que, si le plan de masse et le plan rayonnant sont très proches, les lobes de réseau seront très éloignés du lobe principal. Bien que, en pratique, il existe une limite inférieure à cet écartement, avec une valeur raisonnable de l'ordre de 3 à 4 fois la longueur d'onde ho à la fréquence centrale, les premiers lobes de réseaux se trouvent repoussés à 20 à 30 du lobe principal. Si l'antenne est utilisée à bord d'un satellite géostationnaire, ces lobes secondaires vont se trouver hors de la couverture terrestre et ne viendront donc en aucune façon interférer, le seul inconvénient étant la perte d'énergie par ces lobes de réseaux. On notera que la réalisation présentée peut faire l'objet de nom breuses variantes. Tout d'abord, dans le mode de réalisation représenté, l'antenne fonctionne en polarisation linéaire. Il est éventuellement possible de prévoir une polarisation circulaire, simplement en plaçant un réseau déphaseur devant le plan rayonnant. En ce qui concerne la face rayonnante, outre les perforations circulaires du mode de réalisation représenté, on peut prévoir, également en variante, des perforations rectangulaires, des perforations elliptiques, des fentes rectilignes, des fentes en croix, etc. La face rayonnante peut être par ailleurs constituée d'une structure imprimée, par exemple par des lignes, des éléments de type microruban tels que des anneaux, des boucles, des croix, etc. réalisés sous forme d'une ou plusieurs couches séparées par du vide ou un diélectrique. En ce qui concerne les réflecteurs de focalisation 31 et 32, ils peuvent prendre toute forme appropriée : plane, hyperbolique, elliptique, parabolique, conformée, etc. ; ils peuvent être également remplacés par des lentilles électromagnétiques. Par ailleurs, les différentes sources îîa à 11e peuvent être placées sur une surface qui n'est pas nécessairement plane, mais qui peut être également sphérique, parabolique, conformée, etc. Enfin, on a représenté sur la figure 7 une autre forme de réalisation, dans laquelle la partie excitatrice 10 et la partie rayonnante 20 ne sont plus disposées l'une contre l'autre, comme dans le cas de la figure 1, mais en formant un angle prédéterminé, qui correspondra précisément à l'angle d'incidence a recherché. Comme on peut le voir sur cette figure, où les références numériques identiques à celles de la figure 1 désignent des éléments semblables, on n'a plus besoin dans ce cas que d'un seul réflecteur 33, qui est alors un réflecteur rectiligne dans le plan de balayage fréquentiel, et parabolique dans le plan perpendiculaire. REVENDICATIONS 1. Une antenne à balayage par variation de fréquence, caractérisée en ce qu'elle comprend: - des moyens excitateurs (10), pour produire une onde électro magnétique plane de fréquence donnée, variable autour d'une fréquence centrale (f0), et - des moyens rayonnants (20), recevant l'onde plane produite par ces moyens rayonnants et faisant subir à celle-ci une plu ralité de réflexions successives, ces moyens comprenant des moyens pour laisser fuir vers l'extérieur, une fraction de l'onde plane après chacun des rebonds successifs afin de lui per mettre de rayonner vers l'extérieur, le déphasage de l'onde entre deux rebonds variant en fonction de la fréquence de cette onde et l'ensemble des ondes rayonnées ainsi produites présentant donc un déphasage relatif déterminé (0, A, 2A...), variable en fonction de la fréquence de l'onde engendrée par les moyens excitateurs et définissant une émission présentant un lobe principal d'orientation (0) elle-même variable en fonction de ladite fréquence. 2. L'antenne de la revendication 1, dans laquelle les moyens rayonnants (20) comprennent deux surfaces (21, 22) en vis-à-vis, l'une (21) formant surface de masse et l'autre (22) formant surface frontale rayonnante perméable aux ondes électromagnétiques, et des moyens (30) pour introduire l'onde plane entre les deux surfaces avec un angle d'incidence (a) prédéterminé. 3. L'antenne de la revendication 2, dans laquelle la surface frontale rayonnante est une surface pourvue de perforations (23). 4. L'antenne de la revendication 2, dans laquelle la perméabilité de la surface frontale est une perméabilité variant sur l'étendue de celle-ci, faible dans les régions proximales (24), où la densité de puissance de l'onde plane est élevée, et élevée dans les régions distales (25), où cette densité est moindre. 5. L'antenne de la revendication 2, dans laquelle les moyens excitateurs (10) comprennent deux surfaces (12, 13) en vis-à-vis et des moyens émetteurs (11) d'une onde électromagnétique, disposés de manière à diriger cette onde électromagnétique émise entre ces deux surfaces. 6. L'antenne de la revendication 5, comprenant en outre au moins un organe réflecteur focalisant (31, 32; 33) reliant les moyens excitateurs aux moyens réflecteurs. 7. L'antenne de la revendication 6, dans laquelle les surfaces en vis-à-vis des moyens excitateurs et celles des moyens rayonnants s'étendent dans des directions essentiellement parallèles, l'organe réflecteur focalisant (31, 32) étant disposé d'un même côté des moyens excitateurs et des moyens rayonnants, de manière à renvoyer l'onde émise à cette extrémité (14) des moyens excitateurs vers l'extrémité adjacente (24) des moyens rayonnants sous ledit angle d'incidence prédéterminé (a). 8. L'antenne de la revendication 5 dans laquelle les surfaces en vis-à-vis des moyens excitateurs et celles des moyens rayonnants s'étendent dans des directions formant entre elles un angle (lr/2+a) égal à un angle droit augmenté dudit angle d'incidence prédéterminé, de manière à alimenter directement les moyens rayonnants par l'onde plane produite par les moyens excitateurs. 9. L'antenne de la revendication 1, dans laquelle les moyens excitateurs comprennent des moyens pour produire sélectivement différents faisceaux présentant une orientation distincte variant dans une direction perpendiculaire à ladite direction de variation du lobe principal en fonction de ladite fréquence. 10. L'antenne de la revendication 1, dans laquelle les moyens rayonnants comprennent en outre des moyens déphaseurs aptes à polariser circulairement l'onde rayonnée.