Brevet FR2690789A1 — publié le 19931105

ANTENNE RADAR EN RESEAU LINEAIRE OU PLAN NON DISPERSIF ALIMENTE PAR UN GUIDE A LAME CENTRALE ENTRE DEUX PLANS DE MASSE La présente invention concerne les antennes radars agencées sous forme de réseaux lineaires de sources d'émission hyperfréquence ou de réseaux plans composés de réseaux linéaires superposés. On décrira ces antennes comme antennes d'émission étant entendu qu'elles pourraient être aussi des antennes de réception. Des antennes en réseau linéaire ou plan sont utilisées notamment pour définir, par un contrôle précis des intensités et phases relatives d'émission de chacune des sources, des diagrammes de rayonnement désirés ayant un lobe principal très pointu et de direction bien connue, et des lobes latéraux et diffus très bas. Elles sont utilisées notamment pour obtenir une émission dite non dispersive", c'est à dire présentant un lobe principal de direction indépendante de la fréquence dans une large bande de fréquences. On décrira l'invention à propos d'antennes non dispersives réalisées en réseaux linéaires superposés comprenant à chaque niveau deux réseaux alimentés en parallèle, chacun des réseaux comportant une alimentation en série de plusieurs sources d'émission alignées, avec des trajets de propagation identiques pour atteindre chaque source individuelle. Cependant, l'invention n'est pas limitée à ce type particulier d'antenne. De multiples sortes d'antennes radar ont été conçues jusqu a maintenant, y compris des antennes linéaires à alimentation série avec des trajets de propagation constants sur toutes les voies, et des antennes dalles réalisées par empilage de réseaux linéaires superposés. Les types d'antenne utilisés dépendent de l'application envisagée. Mais le problème essentiel reste un problème de réalisation d'antennes de bas poids et de bas prix qui aient malgré tout de très bonnes performances au point de vue de la qualité du diagramme de rayonnement obtenu, de la facilité d'obtention d'une forme de diagramme désirée, de la minimisation des pertes ohmiques, et de la capacité d'émettre une puissance importante. Sans entrer dans le détail des réalisations existantes, on peut mentionner que certaines antennes en réseau utilisent des guides d'ondes avec des couplages par raccordements en Té vers chacune des sources individuelles. Il s'agit là d'un materiel lourd et cher. D'autres utilisent des conducteurs imprimés pour relier une ligne d'alimentation principale à des sources individuelles (dipoles, hélices, etc..) qui sont connectées à l'extremite de lignes secondaires par l'intermédiaire de prises coaxiales. Mais ces antennes ne sont adaptées qu'a de faibles puissances et de faibles dimensions ; elles présentent des pertes ohmiques très importantes et une dynamique de couplage limitée entre la ligne d'alimentation et les différentes sources, de sorte qu'on ne peut pas réaliser les formes de diagramme de rayonnement que l'on souhaite. Pour obtenir de très bonnes caractéristiques de rayonnement (lobes latéraux et-diffus très bas), des pertes ohmiques minimales, une capacité d'émettre une forte puissance et surtout un faible poids et un bas prix de fabrication, la présente invention propose une antenne comportant au moins un réseau linéaire de sources d'emission à ligne d'alimentation série ayant les caractéristiques suivantes - une ligne d'alimentation propage de l'énergie simultanément vers toutes les sources du réseau, celles-ci entant couplees à la ligne à des positions qui se succèdent entre une extrémité amont et une extrémité aval d'une portion de cette ligne, - le réseau linéaire comporte deux plaques conductrices parallèles formant deux plans de masse prolonges, sur un côté d'émission de l'antenne, par deux parois divergentes formant un cornet d'émission linéaire s'étendant sur ce côte, la ligne d'alimentation et les sources étant disposées à l'intérieur de la cavité non cloisonnée constituée par ces deux plaques. - la ligne d'alimentation est une lame conductrice mince centree dans un plan médian entre les deux plaques conductrices, - chaque source est constituée par un ruban conducteur plan linéaire centré entre les deux plaques conductrices et par des obstacles dissymétriques placés entre le ruban et les plaques conductrices, transversalement au plan de celles-ci, dans la région d'extremite du ruban à proximité du cornet lineaire d'émission, le ruban s'entendant dans une direction s'écartant de la portion de ligne d'alimentation à laquelle il est couplé directivement, et les extrémités des rubans à proximité du cornet d'émission étant alignees parallèlement à l'ouverture de ce cornet. Il s'agit donc d'un reseau dans lequel l'alimentation se fait en série pour un certain nombre de sources, grâce à une ligne d'alimentation constituee par un guide à lame centrale entre deux plans de masse ; de cette ligne on fait partir successivement plusieurs autres lignes (les rubans) qui se situent côte à côte dans la cavite unique formee entre les deux plans de masse ; enfin, ce sont les extrémités elles mêmes du ruban qui rayonnent dans cette cavité, près d'une ouverture en cornet qui est commune à toutes les sources et qui est constituée par un evasement des bords des plans de masse. Les obstacles dissymetriques induisant le rayonnement peuvent être constitues par exemple par un barreau conducteur placé à l'extremite d'un ruban et reliant le ruban à l'un des plans de masse (de préférence alternativement l'un puis l'autre des plans de masse pour les rubans consécutifs). Les rubans sont de préférence couplés à la lame centrale d'alimentation chacun par un coupleur directif constitué par un anneau conducteur plan à quatre terminaisons dont l'une se prolonge par le ruban lui même, une autre est noyée dans une charge absorbante, et les deux dernières sont placees directement à proximité de la lame centrale pour effectuer un couplage capacitif. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue générale en perspective d'une antenne selon l'invention à réseaux linéaires superposés - la figure 2 est une coupe partielle en perspective des réseaux superposés du côté de leurs lignes d'alimentation - la figure 3 est une coupe transversale de deux réseaux superposes - la figure 4 est une vue de dessus de l'intérieur de la cavité entre plans de masse d'un réseau, avec la lame centrale d'alimentation et les rubans formant sources individuelles de rayonnement. Sur la figure 1, on voit l'aspect général de l'antenne selon l'invention, composée de plusieurs réseaux linéaires superposés dont quelques uns seulement sont représentés. Les réseaux s'entendent de part et d'autre d'une colonne montante 10 d'amenée d'énergie, d'où partent des lignes d'alimentation 12 vers un premier groupe de réseaux superposés 14 et des lignes d'alimentation 16 vers un second groupe de réseaux superposés 18 ; les sources rayonnantes individuelles 20 du premier groupe et 22 du second groupe sont représentees très schematiquement par des extrémités de lignes conductrices ; ces extrémités se terminent toutes dans un même plan pour constituer un reseau plan d'emission. Des dephaseurs peuvent être places entre la colonne 10 et chaque ligne 12. D'autres types de distribution vers les différents réseaux peuvent être prévus. Chaque réseau comporte deux plans de masse parallèles (seul un plan de masse supérieur 24 étant visible sur la figure 1) qui constituent une cavité dans laquelle on trouve à la fois un conducteur plan d'amenée d'énergie au réseau et un système de distribution d'énergie à partir de ce conducteur vers les différentes sources individuelles 20 ou 22. Les plans de masse ont une forme triangulaire isocèle prolongés à partir du sommet par des portions linéaires correspondant aux lignes d'alimentation 12 et 16. Cette forme triangulaire isocèle correspond à un souci d'établir des trajets de propagation identiques entre le côté amont d'une ligne d'alimentation (vers la colonne 10) et chacune des sources individuelles, en vue d'obtenir un réseau lineaire non dispersif en fréquence. En effet, le conducteur plan servant à amener lténergie à un réseau s'entend à partir de la colonne 10 vers la partie triangulaire du réseau, et, dans cette partie, il longe l'un des côtés égaux du triangle (cote 26). De la portion de conducteur d'alimentation située le long de ce côté 26 partent des lignes parallèles à l'autre des côtés égaux du triangle isocèle (côté 28) pour aboutir au troisième côté (30) du triangle, le long duquel se situent toutes les extrémités rayonnantes du réseau. Cette disposition réalise légalité des trajets de propagation d'energie entre le côte amont d'une ligne d'alimentation (12 par exemple) et chacune des sources rayonnantes (20) du réseau alimenté par cette ligne. La figure 1 permet ainsi de comprendre qu'il y a une variation progressive linéaire de la distance entre une source individuelle 20 (ou 22) et le conducteur d'alimentation générale qui longe le côté 26 de la cavité et qui alimente en série successivement les diverses sources. La figure 2 montre en coupe et en perspective une partie de l'intérieur des cavités de réseaux superposés du côté de l'alimentation (côté 26) : une lame centrale conductrice mince 32, centrée dans un plan de symétrie parallèle aux plans de masse parallèles 24 et 34, longe le bord 26 et constitue le conducteur d'amenée d'énergie. Cette lame se prolonge à l'intérieur de la cavité constituée par la ligne d'alimentation 12 rejoignant la colonne centrale d'amenée d'energie. A cette lame centrale 32 sont couplés, à des positions successives le long de la lame entre une extrémité amont (du cote de la ligne 12) et une extremité aval, des rubans conducteurs non représentés, s'étendant dans la direction des flèches 36, c'est à dire parallèlement au côté 28 de la cavité. Les plans de masse parallèles 24 des divers reseaux superposés peuvent être supportés par exemple par des entretoises 38 fixées à une paroi de support commune 40. Les figures 3 et 4 montrent le détail de l'intérieur des cavités des réseaux, et tout particulièrement la constitution des sources rayonnantes individuelles et de leur système de couplage avec la lame centrale 32 d'amenée d'énergie. Sur la figure 3, on voit encore les plans de masse parallèles 24 de deux réseaux superposés. La lame conductrice 32 est. vue en section droite le long du bord 26. Elle est maintenue centrée parallèlement aux plans de masse par exemple par des blocs 42 en matière dielectrique à faibles pertes (polyéthylène) qui servent en même temps d'entretoises pour maintenir ltécartement des plans de masse 24. Les plans de masse parallèles se terminent par des parois divergentes 44 courant le long du côté 30 où se situent les extrémités des sources rayonnantes. Ces parois 44 forment un cornet d'émission linéaire ouvert tout le long du côté 30 et servant d'adaptation entre l'exterieur et la cavité formee par les plans de masse. Les bords d'une paroi divergente 44 d'un réseau sont de préférence jointifs avec les bords d'une paroi d'un réseau linéaire immédiatement adjacent au-dessus ou au-dessous du premier. Les figures 3 et 4 combinées montrent que les sources individuelles de rayonnement sont constituées par les extrémistes 46 de rubans conducteurs plans 48 centrés comme la lame 32 dans un plan de symetrie parallèle aux plans de masse 24. Ces extrémités sont reliées, pour engendrer un rayonnement en mode transverse électromagnétique, à un des plans de masse. Cette liaison est faite par un barreau conducteur 50. Les extrémités 46 et le barreau 50 constituant la terminaison rayonnante sont situés à l'intérieur des plans de masse parallèles, à proximité de l'ouverture en cornet. Comme l'ouverture en cornet s'entend obliquement (voir figure 1) par rapport à la lame 32, on voit que les rubans 48 ont des extrémités alignées obliquement par rapport à cette lame. Sur la figure 4, on a choisi un angle d'oblicité de 45 degrés et les rubans s'entendent perpendiculairement à la direction de la lame 32. Pour réaliser une adaptation empêchant des réflexions d'énergie indésirables le long du ruban par suite de l'impédance inductive du barreau conducteur 50, on peut prévoir des tiges d'adaptation 52 s'entendant transversalement au ruban 48 à une courte distance de l'extrémité 46. Ces tiges sont fixées sur le ruban mais ne s'étendent pas jusqu'aux plans de masse. I1 n'est pas nécessaire en réalité de dissocier les fonctions d'excitation de rayonnement et d'adaptation du barreau 50 et des tiges 52, le barreau et les tiges ayant chacun à la fois une fonction d'excitation et d'adaptation mutuelle. Le ruban 48 peut être supporté de place en place par des blocs 54 de matière diélectrique à faibles pertes servant en même temps d'entretoises de maintien du parallèlisme des plans de masse. Entre les rubans et en amont de leur extrémité 46, on prevoit de préférence des piliers 56 conducteurs, s'entendant d'un plan de masse à l'autre, sur une largeur suffisante pour constituer un court-circuit efficace du rayonnement susceptible de se propager en mode transverse electromagnétique (TEM) du type pair à l'intérieur de la cavité, mais suffisamment faible pour qu'il reste entre le pilier et les rubans de chaque côté du pilier un espace permettant la propagation essentiellement sans perturbation du champ electrique en mode transverse électromagnétique du type impair le long des rubans. L'ordre de grandeur de l'espace laisse entre deux piliers 56 pour le passage d'un ruban 48 est du tiers de la longueur d'onde du champ propagé alors que les rubans peuvent être disposés à un pas correspondant à la demi-longueur d'onde. Selon une caractéristique importante de l'invention, le couplage des rubans avec la lame centrale 32 qui amène l'énergie est un couplage de type capacitif, effectué par un coupleur directif constitue par un anneau conducteur plan (anneau carré 58) à quatre terminaisons ; l'une des terminaisons est constituée par le ruban 48 lui même ; une autre par une courte portion de ruban 60 parallèle au ruban 48, s'entendant comme celui-ci dans une direction s'encartant de la lame 32 et espacée du ruban 48 d'une distance égale au quart de la longueur d'onde, et terminée par une charge d'absorption 62 ; les deux autres terminaisons 64 et 66, espacees l'une de l'autre du quart de la longueur d'onde, sont dirigées vers la lame 32, dans des directions opposées au ruban 48 et à la portion de ruban 60 qu'elles prolongent. Ces deux dernières terminaisons sont placées à proximité de la lame, à une distance qui est faible et qui varie en principe d'un anneau à l'autre pour régler le coefficient de couplage définissant le rapport entre l'énergie incidente sur la lame 32 et l'énergie envoyée sur un ruban 48. Les deux branches du coupleur (branche 48, 66 et branche 60, 64) s'adaptent mutuellement du fait de leur écartement (quart de la longueur d'onde) et de la présence de la charge 62. l'ensemble d'un ruban 48 et de l'anneau 58 qui lui correspond est constitué par une seule plaque conductrice plane, placée dans le plan de symétrie entre les deux plans de masse cette plaque est de préférence en cuivre découpé par photogravure selon une forme telle que celle qui est visible à la figure 4. Les anneaux sont tous identiques mais les longueurs de ruban 48 varient d'un ruban à l'autre pour respecter la condition d'légalité des trajets de propagation vers les différentes extrémités rayonnantes des rubans. On notera que la lame conductrice 32 peut être terminée à son extrémité aval par une charge absorbante non représentée évitant les réflexions d'énergie. La cavité située entre les plans de masse est largement dimensionnée, c' est à dire que sa hauteur (entre les plans de masse) est de l'ordre du cinquième de la longueur d'onde, pour que le réseau présente des faibles pertes et un indice de propagation très proche de l'unité. On a ainsi décrit une réalisation d'antenne de fabrication particulièrement facile et de grande efficacité, permettant notamment de réaliser des antennes non dispersives. Le diagramme de rayonnement désire est obtenu par le choix des distances (d) entre la lame 32 et les différents anneaux de couplage 58. REVENDICATIONS 1. Antenne comportant au moins un réseau linéaire de sources d'émission (20), du type dans lequel une ligne d'alimentation propage de l'énergie simultanément vers toutes les sources du réseau linéaire qui sont couplées à la ligne à des positions se succédant entre une extrémité amont de la ligne et une extrémité aval, caractérisé par le fait - que le réseau linéaire comporte deux plaques conductrices parallèles (24) formant deux plans de masse prolongés, sur un côté d'émission de l'antenne, par deux parois divergentes (44) formant un cornet linéaire d'émission s'étendant sur ce côté, la ligne d'alimentation et les sources étant disposées à l'intérieur de la cavité non cloisonnée constituée par ces deux plaques - que la ligne d'alimentation est une lame conductrice mince (32) centrée dans un plan médian entre les deux plans de masse - que chaque source est constituée par un ruban conducteur plan linéaire (48) centré entre les deux plaques conductrices, et par des obstacles dissymétriques (50, 52) placés entre le ruban (48) et les plaques conductrices parallèles (24) transversalement au plan de celles-ci, dans la région d'extrémité (46) du ruban à proximité du cornet d'émission, le ruban s'étendant dans une direction s'encartant de la portion de ligne d'alimentation à laquelle il est couplé directivement, et les extrémités des rubans à proximité du cornet étant alignées parallèlement à l'ouverture de celui-ci. 2. Antenne selon la revendication 1 caractérisée par le fait que chaque ruban est terminé, du côté de la ligne d'alimentation, par un coupleur directif (58) constitué par un anneau conducteur plan à quatre terminaisons dont l'une se prolonge par le ruban linéaire (48) lui même, une autre (60) est noyée dans une charge absorbante (62), et les deux dernieres (64, 66) sont placées en regard de la ligne d'alimentation (32). 3. Antenne selon la revendication 2 caractérisée par le fait que les deux dernières terminaisons (64, 66) de chaque coupleur sont placées à proximité immédiate de la ligne, dans le plan de celle-ci, à des distances (d) diverses pour les divers coupleurs, en fonction du couplage désiré entre la ligne et la source correspondant à un coupleur donné. 4. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que deux rubans plans linéaires correspondant à deux sources consécutives le long de la ligne d'alimentation sont séparées par au moins un pilier conducteur (56) réunissant les parois conductrices planes (24) et s'étendant sur une certaine largeur transversalement à la direction des rubans cette largeur étant suffisante pour constituer un courtcircuit vis à vis du champ électrique se propageant en mode transverse electromagnetique du type pair et suffisamment faible pour laisser entre le pilier (56) et les rubans (48) de chaque côté un espace permettant la propagation essentiellement sans perturbation du champ électrique en mode transverse électromagnétique du type impair. 5. Antenne selon la revendication 4, caractérisée par le fait que les obstacles dissymetriques (50, 52) sont situes au delà des piliers (56) dans la direction de propagation de la ligne d'alimentation vers l'extremite des rubans du côté du cornet d'émission. 6. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que la longueur des rubans varie d'une source à l'autre en fonction de la position du ruban par rapport à la ligne d'alimentation, de manière que les trajets de propagation entre l'extremite amont de la ligne et chacune des extrémités de ruban soient identiques. 7. Antenne selon la revendication 6, caractérisée par le fait qu'elle comprend au moins deux réseaux placés dans le même plan et alimentés en parallèle, la ligne d'alimentation du premier réseau présentant une portion d'où partent perpendiculairement les rubans du premier réseau et la ligne d'alimentation du second réseau présentant une portion, perpendiculaire à la portion correspondante du premier réseau, d'où partent perpendiculairement les conducteurs du deuxième réseau, les ouvertures des cornets d'émission des deux réseaux s'entendant longitudinalement dans la même direction. 8. Antenne selon l'une quelconque des revendication 1 à 7, caractérisée par le fait que les obstacles dissymétriques sont constitués, pour chaque ruban essentiellement par une liaison conductrice (50) entre l'extrémité du ruban et une des plaques conductrices parallèles formant plans de masse, ainsi que par des éléments d'adaptation (52).