Brevet FR2687849A1 — publié le 19930827

ANTENNE A GUIDE EN AUGE POURVU DE BARREAUX DE COUPLAGE A IMPEDANCE SELFIQUE La présente invention concerne les antennes constituées par au moins un guide en auge, c'est-à-dire un guide d'ondes allongé à section rectangulaire comportant un fond horizontal et deux parois latérales verticales, le quatrième côté étant ouvert en vue dtune émission de rayonnement sur toute la longueur du guide. Le guide en auge est normalement divisé en deux sur toute sa longueur par une nervure centrale mince verticale s'élevant à partir du fond parallèlement aux parois latérales, sur une partie de la hauteur de celle-ci. Si on place à une extrémité du guide une source d'alimentation hyperfréquence établissant à cette extrémité un rayonnement se propageant selon un guide TE (transverse électrique), cette propa gation s'effectue sans perte. Si on place dans le guide des obstacles dissymétriques, ces obstacles créent un couplage d'énergie avec le rayonnement et se comportent comme des sources qui rayonnent selon un mode TEM (Transverse Electro-Magnetique) vers la partie supérieure ouverte du guide. Si ces obstacles se répètent le long du guide, l'ensemble de la partie ouverte de ce dernier constitue une source linéaire d'émission hyperfréquence. Si plusieurs guides sont placés en paral lèle, on peut constituer un réseau d'émission à deux dimensions utilisable notamment comme antenne de radar. La présente invention s'intéresse à l'amélioration des caracté ristiques de ce type d'antenne, en vue d'obtenir: - une plus large bande de fréquences d'utilisation pour une antenne donnée (alors que les antennes actuellement utilisées sont à bande passante restreinte et qu'on ne s'est pas intéressé à la possibilité qu'offraient les antennes à guide en auge pour l'augmentation de la bande passante), - une très bonne adaptation entre l'ouverture du guide et l'extérieur, - des diagrammes de rayonnement dans lesquels les lobes latéraux proches et les lobes latéraux diffus sont très réduits et le lobe principal est très fin et présente un angle bien connu et réglable par rapport à la direction d'allongement du guide, - enfin, une réalisation mécanique simple. L'intérêt d'obtenir une large bande de fréquences provient de ce qu'on sait maintenant réaliser d'excellentes sources hyperfréquence à large bande et que bien souvent les nécessités opérationnelles en radar obligent à varier la fréquence d'émission (pour échapper au brouillage par exemple). Pour remplir les objectifs ci-dessus, la présente invention propose une antenne à guide en auge dans laquelle les obstacles sont constitués par une série de barreaux ou de volets de faible épaisseur dans le sens de la longueur-du guide, s'étendant chacun perpendiculairement aux parois latérales d'une paroi jusqu'à la nervure centrale, les barreaux ou volets de la série présentant vis-à-vis du rayonnement une impédance selfique et leur hauteur au-dessus du fond variant le long du guide selon une fonction croissante puis décroissante, et l'espacement entre deux barreaux ou volets de la série variant le long du guide selon une fonction croissante puis décroissante. Les barreaux ou volets permettent un couplage d'autant plus intense qu'ils s'étendent plus haut au-dessus du fond du guide et le choix de la variation de hauteur le long du guide permet d'établir une loi d'illumination désirée dans le plan vertical. Cette loi d'illumination s'avère très peu dépendante de la fréquence dans une large bande de fréquences (environ 15 à 20 pour cent de la fréquence centrale). La définition de la loi d'illumination peut donc se faire facilement puisque c'est directement la hauteur des barreaux ou volets qui la règle. L'espacement entre deux barreaux ou volets de la série est d'autant plus grand qu'ils sont plus élevés, donc que le couplage est plus grand. Comme les obstacles ainsi répartis le long du tube engendrent des réflexions, on prévoit en outre des éléments d'adaptation. On peut prévoir comme élément d'adaptation une tige verticale placée au sommet de la nervure centrale, en amont de chaque barreau ou volet dans la direction de propagation, cette tige ayant l'avantage (d'un point de vue mécanique) d'avoir une longueur plus faible que la hauteur du barreau ou volet en amont duquel elle est placée, ce qui n'est pas le cas dans les guides en auge que l'on a proposés jusqu maintenant. On peut prévoir aussi que l'élément d'adaptation correspondant à un barreau ou volet est un autre barreau ou un volet s'étendant entre la nervure centrale et la même paroi latérale que le barreau formant obstacle qui le suit immédiatement, plus bas que ce dernier et parallèlement à lui. La hauteur des barreaux ou volets d'adaptation et l'espacement entre un barreau ou volet d'adaptation et le barreau ou volet qui le suit immédiatement est d'autant plus grande que ce dernier est plus haut Si des barreaux sont utilisés comme obstacles, ils sont de préférence cylindriques à section généralement circulaire, éventuellement cannelés. Les parois latérales de la nervure centrale peuvent alors être percées pour l'introduction latérale des barreaux. Si des volets sont utilisés, ils s'étendent de préférence verticalement jusqu'au fond du guide sur toute la demi-largeur de celui-ci entre la nervure centrale et une paroi latérale. Les guides et leurs volets peuvent alors être directement moulés ou usinés par fraisage. Enfin, on prévoit de préférence que les parois latérales verticales se prolongent vers le haut par des parois inclinées s' étendant longitudinalement et éventuellement pourvues à leur partie supérieure de volets d'adaptation, et que la deuxième extrémité du guide est fermée par une plaque conductrice en amont de laquelle est placée une charge terminale adaptée, de courte longueur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente une section transversale d'un premier mode de réalisation du guide en auge selon l'invention; - la figure 2 représente une coupe longitudinale selon la ligne A-A de la figure 1 ; - les figures 3 et 4 représentent, respectivement en section transversale et en coupe longitudinale, un second mode de réalisation du guide; - les figures 5 et 6 représentent, respectivement en section transversale et en coupe longitudinale, un troisième mode de réalisation; - la figure 7 représente les extrémités du guide; - la figure 8 représente, en vue de dessus, la charge placée à l'extrémité aval du guide; - la figure 9 représente, en coupe longitudinale, une vue générale du guide avec des barreaux de couplage et des barreaux d'adaptation répartis à des hauteurs et des espacements propres à donner une loi d'illumination désirée; - la figure 10 représente un exemple de diagramme de rayonnement obtenu. Le guide en auge selon l'invention comporte un fond horizontal 10, et des parois latérales verticales 12 et 14 s'étendant longitudinalement, c'est-à-dire perpendiculairement au plan de la figure 1, sur une grande longueur (par rapport aux dimensions dans le plan de la figure 1). Les termes "horizontal" et "vertical" sont pris dans la suite du texte en référence à la position du guide a' la figure 1 pour faciliter la description, étant entendu que le guide peut être placé selon n'importe quelle orientation. Le fond 10 et les parois 12 et 14 délimitent une cavité de section rectangulaire uniforme, ouverte vers le haut sur toute la longueur du guide. Cette cavité est divisée en deux à sa partie inférieure, sur toute sa longueur, par une nervure verticale centrale 16 qui s'étend sur une hauteur h qui est de l'ordre de la moitié de la hauteur H des parois verticales 12 et 14. La nervure 16 a une épaisseur aussi mince que le permettent les contraintes mécaniques et thermiques dues à la puissance électromagnétique qui circule dans le guide. La largeur du guide peut être choisie égale à la largeur des guides d'ondes fermés rectangulaires correspondant à la bande de fréquences choisie. Les tolérances sur la planéité des parois, sur les angles de la cavité rectangulaire et sur la symétrie des deux demi-cavités doivent être très étroites (de l'ordre de 0,3 % ou mieux). Les dimensions du guide dépendent des fréquences à émettre et la réalisation mécanique dépend des dimensions du guide. Pour de grandes longueurs, on pourra avoir recours à des profilés d'aluminium. Pour de petites dimensions, on pourra avoir recours à un usinage dans la masse d'un barreau métallique ou, si la puissance est modeste et si la réalisation doit être faite en grande série, à un moulage de matière plastique métallisée. Les parois latérales 12 et 14 sont prolongées vers le haut par des parois inclinées légèrement divergentes 18 et 20. Elles sont notamment utiles lorsque plusieurs guides sont placés parallèlement côte à côte pour former une antenne "dalle" émettant non pas à partir d'une ligne mais à partir de toute une surface, ce qui permet d'obtenir un faisceau d'émission très étroit dans l'espace. Dans ce cas, l'ouverture du guide à la partie supérieure des parois divergentes est choisie de largeur telle que la juxtaposition des guides se fasse jointivement au niveau des ouvertures. La largeur des ouvertures est cependant de préférence inférieure à la demi-longueur d'onde des rayonnements émis (alors que la largeur du guide dans sa partie rectangulaire est de préférence de l'ordre du quart de la longueur d'onde ou même moins). L'ouverture en cornet allongé formée par les parois divergentes 18 et 20 présente malheureusement un mauvais coefficient d'adaptation par rapport au milieu extérieur libre et il sera nécessaire, pour éviter des réflexions indésirables, de prévoir des moyens d'adaptation qui peuvent être des volets 22 et 24 formant saillie perpendiculairement aux parois 18 et 20 sur toute leur longueur (ces volets présentant une impédance capacitive). Un radôme de pro tection (non représenté) sera en principe prévu au-dessus de l'ouverture extérieure pour assurer l'étanchéité à la pluie et à la poussière; ce radôme, s'il est en matière diélectrique peut lui-même, du fait de son impédance capacitive, contribuer à l'adaptation d'impédance ou l'assurer complètement. On raccorde le guide en auge ainsi constitué à une source d'énergie hyperfréquence par une extrémité qu'on appellera extrémité amont, eu égard au sens de propagation de l'énergie dans le guide; une connexion de transition câble coaxial - guide en auge peut convenir (l'énergie électromagnétique arrivant sur l'extrémité de la nervure centrale 16); une transition guide standard - guide en auge, en partant d'un té magique replié suivi d'un transformateur, peut également être adoptée. L'énergie ainsi introduite en mode TE (transverse électrique) à l'extrémité amont se propage sans pertes, et notamment sans rayonnement vers le haut, jusqu'à l'autre extrémité (aval). L'introduction d'obstacles sur le trajet a deux effets possibles: s'ils sont symétriques par rapport au plan longitudinal de symétrie yy' passant par le milieu de la nervure centrale 16, ils se comportent comme des réactances pures et ne provoquent pas de rayonnement vers le haut. Au contraire, s'ils sont dissymétriques, ils se comportent comme des impédances complexes dont la partie réelle provoque un couplage d'énergie électromagnétique et transforme l'obstacle en source de rayonnement en mode TEM. A chaque obstacle dissymétrique, une partie de l'énergie est convertie en mode TEM rayonnant et le reste continue à se propager, en mode TE, jusqu'à l'obstacle suivant. Le couplage est d'autant plus fort que les obstacles sont placés plus près du haut de la nervure centrale (là où les champs électriques sont les plus forts); il tend au contraire vers zéro quand on se rapproche du fond du guide rectangulaire. Selon l'invention, on choisit de répartir le long du guide des obstacles dont l'impédance est de nature.inductive avec une compo sante conductrice qui crée le couplage énergétique. Ces obstacles sont des barreaux (dans le mode de réalisation des figures 1, 2, 3, 4) ou des volets (figures 5, 6) s'étendant perpendiculairement aux parois latérales 12, 14 et à la nervure centrale 16, d'une paroi latérale jusqu'à la nervure. Aux figures 1 et 2 les obstacles sont des barreaux 26 s'étendant de la paroi 12 jusqu'à la nervure 16 et des barreaux 28 s'étendant de la paroi 14 jusqu'à la nervure 16. Les barreaux 26 ne sont pas placés dans le prolongement des barreaux 28, mais il y a une alternance d'un barreau 26 dans la demi-cavité gauche puis d'un barreau 28 plus loin dans la demi-cavité droite. Les barreaux sont placés à des hauteurs différentes en fonction de la loi d'illumination que l'on cherche à donner à l'antenne rayonnante formée par le guide et ses obstacles. Chaque barreau rayonne une fraction d'énergie incidente d'autant plus grande qu'il est placé plus haut, l'énergie incidente diminuant bien sûr à mesure qu'on s'éloigne de la source placée à l'extrémité amont. En pratique, les lois d'illumination, donc les hauteurs des barreaux distribués le long du guide, seront établies de manière à obtenir un diagramme de rayonnement avec un lobe principal aussi étroit que possible, de très faibles lobes latéraux et lobes lointains diffus, et ceci conduit à établir dans chaque demi-cavité une série de barreaux dont les hauteurs suivent le long du guide une courbe croissante puis décroissante, et dont les espacements mutuels suivent d'ailleurs également une fonction croissante puis décroissante. La forme exacte de la courbe des hauteurs et la position de son sommet influent directement sur l'angle du lobe principal par rapport à la verticale dans le diagramme de rayonnement. Dans le couplage introduit par un barreau, il se produit une réflexion d'énergie qu'il est important d'éliminer en prévoyant pour chaque barreau un moyen d'adaptation d'impédance. Dans la réalisation des figures 1 et 2, ce moyen est constitué par une tige cylindrique conductrice verticale 30 placée au sommet de la nervure 16, centrée dans le plan de symétrie yy', en amont du barreau dont elle doit assurer l'adaptation. Cette tige est, par sa position, de nature capacitive. Un des intérêts du barreau transversal inductif comme obstacle est qu'il permet de réaliser l'adaptation avec une tige de courte longueur plus facile à réaliser et à centrer: cette tige a en effet une hauteur qui ne dépasse pas la hauteur du barreau au-dessus du fond. Même pour les barreaux placés le plus haut, la tige n'a pas une hauteur supérieure au huitième de la longueur d'onde des fréquences à transmettre. La hauteur de la tige et l'espacement entre la tige 30 et le barreau 26 ou 28 dont elle doit assurer l'adaptation sont fonction de la hauteur du barreau. Dans le mode de réalisation des figures 3 et 4, qui correspond par ailleurs en tout point à celui des figures la et 2, l'adaptation est réalisée par un autre barreau placé en amont du premier et en principe plus bas que lui. Un barreau d'adaptation 32 placé en amont d'un barreau de couplage 26 et un barreau d'adaptation 34 placé en amont d'un barreau de couplage 26 sont visibles sur les figures 3 et 4. En réalité les deux types de barreau sont des barreaux de couplage agissant comme source de rayonnement, l'adaptation résultant du couplage mutuel entre les deux barreaux qui présentent une impédance inductive, mais on continuera à parler de barreau de couplage et de barreau d'adaptation en considérant comme barreau de couplage celui qui a le plus fort coefficient de couplage, donc le plus haut. Comme dans la réalisation des figures 1 et 2, la hauteur et l'espacement des barreaux de couplage varie dtun bout à l'autre du guide selon une loi croissante puis décroissante dont la forme exacte est déterminée par la loi d'illumination désirée. Quant aux barreaux d'adaptation, ils forment une autre série d'obstacles dissymétriques dont la hauteur varie selon une loi croissante puis décroissante, la distance entre un barreau d'adaptation et le barreau de couplage correspondant variant également selon une loi croissante puis décroissante. Un autre mode de réalisation est présenté aux figures 5 et 6. Ces figures sont tout à fait similaires aux figures 1 et 2 d'une part et 3 et 4 d'autre part. Elles ne seront donc pas redécrites dans le détail. La seule différence dans ce troisième mode de réalisation est que les obstacles dissymétriques de couplage sont constitués non pas par un barreau stétendant perpendiculairement à une paroi latérale jusqu'à la nervure centrale, mais par un volet plat vertical s'étendant perpendiculairement à une paroi latérale jusqu'à la nervure centrale. En particulier, ce volet peut s'étendre verticalement depuis une certaine hauteur jusqu'au fond 10 du guide, obturant complètement une demi-cavité sur cette hauteur (hauteur qui est bien entendu inférieure à celle de la nervure centrale). Ces volets présentent comme les barreaux une impédance complexe inductive avec une partie réelle qui définit un couplage d'énergie d'autant plus important que le haut du volet s'approche plus du haut de la nervure centrale 16. On conçoit que le barreau et le volet sont par nature très similaires: un barreau réalise un couplage d'énergie d'autant plus important qu'il est placé plus haut; le volet réalise en quelque sorte une intégration de ce couplage sur une plus grande hauteur (intégration qui peut s'effectuer à partir du fond 10 si le volet descend jusqu'au fond comme c'est le cas sur les figures 5 et 6). Tout ce qui a été dit dans la description des figures 1 à 4 est rigoureusement valable pour les figures 5 et 6 en utilisant indifféremment les notions de barreau ou de volet plat, en particulier la nécessité d'une adaptation qui peut également être effectuée par une tige centrale verticale en amont du volet comme aux figures 1 et 2 (ou par un barreau ou un autre volet, pour des raisons de facilité de fabrication), l'adaptation résultant dans ce dernier cas du couplage mutuel entre deux volets (ou un volet et un barreau) présentant une impédance inductive. On a représenté aux figures 5 et 6 un couplage par volets plats verticaux 36 s'étendant dans la demi-cavité de gauche entre la paroi latérale 12 et la nervure centrale 16, jusqu'au fond 10 du guide, et par volets plats 38 dans la demi-cavité droite entre le paroi latérale 14 et la nervure 16, jusqu'au fond du guide. L'adaptation est faite par un autre volet 40, un peu plus bas que le volet 36, et par un volet 42, un peu plus bas que le volet 38 ; les volets 40 et 42 vont également de préférence jusqu'au fond du guide. Ce qui a été dit des lois de variation de hauteur et d'espacement des barreaux le long du guide reste vrai pour les volets. L'utilisation de volets est particulièrement souhaitable lorsqu'on veut réaliser le guide par usinage dans un bloc métallique rectangulaire: les cavités intérieures sont fraisées en laissant subsister des séparations verticales planes de faible épaisseur et de hauteur désirées qui forment les volets (s'étendant jusqu'au fond). Les volets sont souhaitables aussi lorsque le guide est fabriqué par moulage de matière plastique métallisée (les volets s'étendent aussi jusqu'au fond). Les barreaux sont au contraire préférés pour des guides dont la cavité principale est formée par un profilé métallique (aluminium). Dans ce cas, on place aux emplacements désirés, dans les parois latérales et dans la nervure centrale, des trous par lesquels on introduit des barreaux cylindriques éventuellement cannelés. A la figure 7, on a représenté les extrémités du guide en auge selon l'invention, montrant comment on peut coupler l'extrémité amont (gauche sur la figure) à une source hyperfréquence (non représentée) par une transition câble coaxial-guide d'ondes 44 qui amène l'énergie incidente sur l'extrémité biseautée 46 de la nervure 16. Le couplage à la source pourrait être fait également par une transition guide standard-guide en auge en prévoyant de préférence que les dimensions latérales du guide standard et du guide en auge soient les mêmes (et correspondent naturellement à la bande de fréquences à transmettre). A l'extrémité aval (droite sur la figure 7), on fixe sur la nervure centrale une charge adaptée 48 permettant de dissiper sans réflexion le résidu de puissance électromagnétique en mode TE parvenant à l'extrémité aval du guide après les derniers barreaux de couplage. Ce résidu peut être de l'ordre de quelques pour cent (3 à 5) de la puissance incidente à l'extrémité amont. Au-delà de la charge adaptée 48, le guide est fermé par une plaque conductrice 50. La charge terminale est aussi visible en vue de dessus à la figure 8. Sa section transversale est celle d'un T chevauchant la nervure, T dont les dimensions vont en croissant de l'amont vers l'aval. Elle est en résine ou ciment chargé conducteur et est collée par une résine conductrice. Sa constitution est destinée à assurer une bonne adaptation au mode TE d'alimentation et au mode TEM rayonné par les derniers barreaux ou volets qui la précèdent. Elle doit aussi assurer un bon échange thermique pour la dissipation de la puissance résiduelle parvenant à l'extrémité aval. De plus son encombrement doit être aussi réduit que possible (surtout en longueur). La figure 9 montre l'allure générale, en coupe longitudinale, du guide en auge avec ses obstacles, barreaux ou volets, répartis avec des hauteurs et espacements qui varient selon une fonction généralement croissante puis décroissante en fonction de la loi d'illumination désirée. Sur cette figure on a considéré que la série de barreaux 28 formant les obstacles de couplage proprement dits était associée à une série de barreaux d'adaptation 34 placés plus bas que les premiers et suivant également une courbe de hauteurs croissant puis décroissant de l'amont vers l'aval. Cette répartition, entraînant une loi d'illumination particulière permet d'obtenir un diagramme de rayonnement à lobe principal très étroit (moins de 1,5 degré à 3 décibels) très peu dépendant de la fréquence dans une large bande (15 à 20 %), avec une directivité du faisceau pouvant aller de -300 à +30 par rapport à la verticale selon la courbe des hauteurs des barreaux ou volets de couplage, avec en outre des lobes latéraux proches aussi bas que -35 décibels et des lobes lointains inférieurs à -40 ou -50 décibels. Un exemple de diagramme de rayonnement obtenu est repré senté à la figure 10 et montre la qualité de l'antenne. Une utilisation de plusieurs guides parallèles, dont les ouvertures sont juxtaposées grâce aux parois latérales divergentes 18 et 20, permet de réaliser une antenne "dalle" à deux dimensions dans laquelle le balayage dans la deuxième dimension est obtenu par déphasage électronique entre les sources d'alimentation. R E V E N D I CA T 10 N S 1. Antenne à large bande constituée par au moins un guide en auge allongé présentant des parois latérales verticales (12, 14) et un fond horizontal (10), divisé en deux sur toute sa longueur par une nervure centrale mince verticale (16), le guide étant susceptible d'être connecté à une extrémité à une source d'alimentation hyperfréquence établissant à cette extrémité un rayonnement se propageant selon un mode transverse électrique, et étant pourvu sur sa longueur d'obstacles intérieurs dissymétriques engendrant un mode rayonnant se propageant vers le haut, caractérisée par le fait que les obstacles sont constitués par une série de barreaux (26, 28) ou de volets (36, 38) de faible épaisseur dans le sens de la longueur du guide, s'étendant chacun perpendiculairement aux parois latérales d'une paroi jusqu'à la nervure centrale, les barreaux ou volets de la série présentant vis-à-vis du rayonnement une impédance selfique et leur hauteur au-dessus du fond variant le long du guide selon une fonction croissante puis décroissante, et l'espacement entre deux barreaux ou volets de la série variant le long du guide selon une fonction croissante puis décroissante. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'en amont de chaque barreau ou volet de la série, dans la direction de propagation du rayonnement émis par la source, est prévue une tige d'adaptation (30) placée verticalement au sommet de la nervure, cette tige étant plus courte que la hauteur des barreaux audessus du fond du guide et sa longueur variant le long du guide selon une courbe croissante puis décroissante. 3. Antenne selon la revendication 1, caractérisée par. le fait qu'en amont de chaque barreau ou volet de la série est placé un autre barreau ou volet d'adaptation (32, 34, 40, 42) s'étendant entre la nervure centrale et la même paroi latérale que le barreau ou volet de la série qui le suit immédiatement, plus bas que ce dernier et parallèlement à lui, la hautéur des barreaux ou volets d'adap tation au-dessus du fond, suivant une fonction croissante puis décroissante le long du guide. 4. Antenne selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que les barreaux ou volets de la série sont placés alternativement d'un côté puis de l'autre de la nervure centrale. 5. Antenne selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que les volets s'étendent verticalement jusqu'au fond du guide sur toute la largeur de celui-ci. 6. Antenne selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que la hauteur de la nervure est d'environ la moitié de la hauteur des parois latérales. 7. Antenne selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que les parois latérales sont prolongées vers le haut par des parois inclinées divergentes (18, 20). 8. Antenne selon la revendication 7, caractérisée par le fait que la partie supérieure des parois inclinées divergentes est pourvue de volets d'adaptation (22, 24) améliorant l'adaptation avec le milieu atmosphérique extérieur. 9. Antenne selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée par le fait que l'autre extrémité du guide est fermée par une plaque conductrice (50) en amont de laquelle est placée une charge adaptée (48) de courte longueur permettant une dissipation de quelques pour cent de la puissance d'entrée appliquée par la source.