Brevet FR2690788A1 — publié le 19931105

ANTENNE RAYONNANTE A GUIDE EN AUGE AVEC PEIGNE CENTRAL La présente invention concerne les antennes d'émission ou réception d'énergie hyperfréquence. Dans certaines applications, il est souhaitable de réaliser des antennes à forte dispersité de pointage c'est à dire des antennes présentant un diagramme de rayonnement dont le lobe principal présente une direction variant fortement avec la fréquence d'émission ou de réception. Par exemple les antennes à balayage de fréquence utilisent ce phénomène de dispersivité de pointage : par une variation de la fréquence d'émission, on peut faire balayer par un faisceau radar une zone d'observation de plusieurs dizaines de degrés. Par rapport aux antennes existant actuellement et présentant une certaine dispersivité de pointage, on cherche à réaliser ici une antenne ayant - une bande de fréquences utile particulièrement large, - un diagramme de rayonnement présentant des lobes latéraux et diffus très bas et un lobe principal très pointu, - une forte dispersivite de pointage dans toute la bande, - des pertes aussi faibles que possible, - et surtout une grande facilité de fabrication, un faible poids et un bas prix. Pour obtenir une telle antenne, la présente invention propose de faire rayonner en mode transverse électromagnétique (TEM) un guide d'ondes rectangulaire ayant un côté ouvert (guide en auge), le guide étant alimenté en énergie hyperfréquence en mode transverse électrique par une lame centrale mince conductrice dont la partie supérieure est conformée en peigne à grand nombre de dents, le rayonnement en mode transverse électromagnétique étant obtenu grace à des obstacles conducteurs dissymétriques répartis de place en place le long du guide, alternativement de part et d'autre de la lame. Les dents du peigne ont une hauteur au moins égale à l'espacement entre la lame centrale et les parois latérales du guide d'ondes. Les obstacles dissymétriques sont répartis sensiblement périodiquement avec un pas largement supérieur au pas des dents du peigne et les dimensions et positions de ces obstacles varient le long du guide de manière à obtenir une loi d'illumination globale choisie pour une fréquence centrale donnée. Les obstacles peuvent être réalisés par des barreaux conducteurs placés en travers de la cavité à des hauteurs qui varient par rapport au fond du guide selon une courbe allant croissant puis décroissant en suivant la longueur du guide. La lame centrale à peigne est de préférence en cuivre découpé par photogravure. On aboutit ainsi a une antenne présentant d'excellentes caractéristiques de dispersivité de pointage sur une large bande de fréquences. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront à la lecture de la description détaillé qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'une antenne à guide ouvert selon l'invention - la figure 2 représente une section transversale du guide - la figure 3 représente une réalisation plus complexe du guide, dans laquelle on peut modifier la longueur effective des dents du peigne pour modifier la direction du lobe principal de l'antenne. - la figure 4 montre une coupe transversale correspondant à la figure 3. L'antenne selon l'invention est donc essentiellement constituée par un guide en auge, c'est à dire une cavité rectangulaire allongée ouverte sur un coté, sur toute sa longueur, cette cavité étant formée d'un fond horizontal conducteur 10 et de deux parois latérales verticales 12 et 14 également conductrices ; les termes "horizontal" et "vertical" sont pris en référence à la position de l'antenne aux figures 1 et 2, sans préjuger de son orientation réelle dans ltespace. Les parois latérales parallèles 12 et 14 se prolongent vers le haut par des parois divergentes 16 et 18 s'envasant pour former un cornet d'émission sur toute la longueur du guide, ce cornet pouvant être terminé par un radôme non représenté avec éventuellement des eléments d'adaptation d'impédance, tels que des volets 20 et 22, prévus pour adapter au mieux le guide ouvert rayonnant à l'espace extérieur. La cavité rectangulaire est divisée en deux sur toute sa longueur par une lame centrale mince conductrice 24, très précisément centrée dans la cavité, parallèlement aux parois latérales. La lame 24 peut, comme cela est représenté ici, s'enlever à partir du fond horizontal 10. Cette lame est destinée à permettre la propagation le long du guide d'une énergie hyperfréquence selon le mode transverse électrique. Cette énergie est amenée par une extrémité du guide, par exemple grâce à une transition câble coaxial-guide en auge (26 sur la figure 1) ; cette transition est destinée à relier l'amie d'un câble coaxial à l'extrémité de la lame 24 pour y amener l'énergie à rayonner (l'antenne étant supposée fonctionner en émission). A l'autre extrémité du guide, la lame 24 plonge dans une charge adaptée 30 évitant les réflexions vers l'amont de l'énergie résiduelle propagée par le guide et non rayonnée. La charge 30 peut être en résine conductrice ; le guide est terminé par une plaque de court-circuit 31. La lame 24 est maintenue centrée dans le guide par exemple grâce à des inserts 28 en matériau diélectrique à faibles pertes (tétrafluore de polyéthylène par l'exemple) ajustés aux dimensions de la cavité et insérés à force ou par encliquetage dans celle-ci. La partie supérieure de la lame 24 est constituée par un peigne à grand nombre de dents de pas p constant, les dents ayant une hauteur constante h au dessus de la partie pleine (non dentée) de la lame, sauf peut être aux extrémités de la lame ou, pour des raisons d'adaptation, la hauteur des dents croit progressivement de O à h ; la lame a elle même une hauteur constante dans sa par tie non dentée (donc au dessous des dents). Selon une caractéristique importante de l'invention, la hauteur h des dents est au moins égale à la demi-largeur d de la cavité, c'est à dire à l'espacement entre la lame centrale 24 et les parois latérales 12 et 14, la hauteur des dents ayant en effet une influence importante sur la dispersivité en fréquence de la direction de pointage du lobe principal d'émission du rayonnement qui sera obtenu à travers l'ouverture de la cavité. La demi-largeur d de la cavité est elle-même inférieure au quart de la longueur d'onde des fréquences émises dans la bande de fonctionnement de l'antenne. La lame est de préférence en cuivre découpé par photogravure, ce qui permet d'avoir une bonne précision sur la forme et les dimensions des dents du peigne, notamment pour avoir un pas constant de ces dents. L'antenne rayonne grâce à des obstacles dissymétriques placés alternativement de part et d'autre de la lame 24, sensiblement périodiquement, le pas entre un obstacle et le suivant étant d'environ une demi-longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande utile de l'antenne. L'énergie propagée dans le guide- en mode transverse électrique non rayonnant depuis ltextrémité amont du guide (transition 26), est en effet transformée partiellement, avec un couplage dépendant notamment de la hauteur des obstacles au dessus du fond 10, en énergie rayonnant en mode transverse électromagnétique. Par conséquent, à chaque obstacle, une fraction de l'énergie est rayonnée et une autre continue à se propager le long du guide, des éléments d'adaptation d'impédance pouvant être prévus à proximité de chaque obstacle pour éviter les réflexions d'énergie vers l'amont. Sur les figures 1 et 2, les obstacles dissymétriques sont des barreaux conducteurs 30 et 32, respectivement de part et d'autre de la lame 24, ces barreaux s'entendant parallèlement au fond horizontal 10 entre une paroi latérale et la lame 24. La hauteur des barreaux agit directement sur le rapport entre l'énergie rayonnée et l'énergie incidente : plus le barreau est proche du fond 10, plus l'énergie rayonnée est faible, le couplage augmentant avec la hauteur du barreau. La répartition des hauteurs des barreaux est faite de manière que le guide se comporte comme une source linéaire de rayonnement hyperfréquence présentant, dans le plan de symétrie longitudinale du guide, un diagramme de rayonnement pointu dans une direction choisie pour une fréquence centrale choisie. Ce choix fait, on constate que les variations de fréquence ont une influence directe très importante sur la direction du lobe principal d'émission. La répartition des hauteurs de barreaux se présente en pratique sous forme d'une courbe croissante puis décroissante après passage par un maximum. Comme éléments d'adaptation pour chaque barreau individuel (qui presente une impedance inductive), on peut prévoir différents moyens et notamment un deuxième barreau parallèle au barreau principal, en amont de celui-ci et plus proche du fond, le couplage mutuel entre les deux barreaux assurant l'adaptation désirée et l'élimination des réflexions indésirables. Les barreaux d'adaptation ne sont pas représentés sur les figures par souci de clarté. Comme le montre la figure 1, les inserts 28 de maintien de la lame sont de préférence répartis avec le même pas (qui n'est d'ailleurs pas forcément absolument régulier) que les barreaux 30 et 32. Dans un exemple particulier de réalisation, on a pu constater I'efficacité de l'invention : la hauteur de la lame (dents comprises) était de 55,5 millimètres, la hauteur h des dents de 17 millimètres, la largeur des dents de 3 millimètres ainsi que l'intervalle entre deux dents ; la largeur de la cavité était de 31,5 millimètres (15,5 millimètres de chaque côté d'une lame d'épaisseur 0,5 millimètre). La longueur du guide était de 4,4 mètres et 98 obstacles d'excitation (barreaux conducteurs) étaient répartis au pas de 45 millimètres (largement supérieur au pas de 6 millimètres des dents du peigne) à des hauteurs par rapport au fond 10 variant entre 1,5 et 25 millimètres. On a obtenu à 2430 Mégahertz une direction de lobe prin cipal de 1,09 degré (par rapport a la normale au guide). A 2575 Mégahertz, la direction était de 10,5 degrés ; à 2700 z de 19 degrés et à 2800 MRz de 26 degrés, soit en gros près de deux degrés par pour cent de variation de fréquence, ce qui est une valeur tout à fait intéressante. Pour toute cette bande utile, la largeur du lobe principal était de 1,85 degré en moyenne pour un affaiblissement de 3 decibels. A la frequence de 2800 MHz, les pertes en ligne, qui croissent rapidement avec la fréquence, se sont avérées être au dessous de 0,4 dB par mètre, ce qui est faible mais qui montre l'intérêt d'utiliser du cuivre pour la lame afin de garder ces pertes aussi faibles que possible. Cette antenne à guide ouvert et à peigne central se prête bien à la réalisation d'antennes "dalles", par constitution d'un réseau plan de plusieurs guides en parallèle, la loi d'illumination dans le plan transversal à la longueur des guides étant définie par des déphasages électroniques appropriés des sources d'alimentation de chacun des guides. D'autres types d'obstacles dissymétriques rayonnants peuvent être prévus, de nature capacitive ou inductive, avec des éléments d'adaptation correspondants ; ces obstacles peuvent être par exemple des pitons s'entendant à partir d'une paroi latérale, parallèlement au fond du guide et transversalement à la longueur de celui-ci, mais n'atteignant pas la lame centrale 24. Les obstacles peuvent aussi être constitués par des languettes découpées dans la lame (par photogravure en même temps que les dents du peigne), et repliées transversalement à la longueur du guide, la longueur et la position des languettes réglant le coefficient de couplage avec l'énergie incidente. Les figures 3 et 4 montrent schématiquement, respectivement en coupe longitudinale et en coupe transversale, une amélioration possible de l'invention, dans laquelle on prévoit que la hauteur effective des dents du peigne (c'est à dire celle qui est vue par le champ électrique se propageant dans le guide), peut varier mécaniquement. On a remarque en effet que la hauteur des dents influe considérablement sur la direction de pointage du lobe d'émission de l'antenne selon l'invention, pour une fréquence donnée et pour une constitution inchangée des autres éléments de l'antenne. On propose donc selon une caractéristique importante de l'invention de réaliser une antenne possédant des moyens mécaniques de variation de la hauteur effective des dents vues par le champ électrique. Aux figures 3 et 4, la lame centrale est en fait décomposee en une lame mince proprement dite 34 comportant le peigne 36 à grand nombre de dents à sa partie supérieure, et deux lames extérieures 38 et 40, enserrant la lame centrale 34 avec des intervalles très faibles 42 et 44 entre les lames extérieures et la lame centrale, ces intervalles se comportant comme des courtcircuits vis à vis du champ electrique (pièges à ondes). La lame centrale peut coulisser en hauteur à l'intérieur de son logement entre les lames extérieures et faire apparaître ainsi au dessus de celles-ci une partie variable h', plus ou moins grande, de la hauteur h des dents du peigne. Seule la hauteur h' qui dépasse est vue comme un peigne par le champ électrique. Sur les figures 3 et 4, les lames extérieures sont fixes et la lame intérieure 34 est mobile. La lame 34 comporte des lumières obliques 46 cooperant avec des axes fixes 48 solidaires des lames extérieures pour constituer un moyen de renvoi de sorte qu'une traction longitudinale de la lame 34 fait exécuter à celleci un mouvement vers le haut faisant ressortir plus ou moins les dents du peigne Un moyen de rappel 50, agissant longitudinalement, permet de ramener la lame à une position de départ. Le centrage de la lame 34 entre les lames 38 et 40 peut être obtenu grâce à des pions 51 d'un matériau à faible coefficient de friction fixes de place en place sur la lame centrale. La lame peut être en acier argenté. Les organes dissymetriques servant de sources de rayonnement peuvent être constituées par des pitons transversaux 52 fixés aux parois latérales du guide, alternativement de part et d'autre de la lame centrale. D'autres moyens de déplacement mécanique de la lame peuvent être prévus sans sortir de cadre de l'invention. On combine grâce à ce mouvement mécanique la possibilité d'effectuer une variation de la direction de pointage par action mécanique et par action sur la fréquence d'émission. REVENDICATIONS. 1. Antenne comportant au moins un guide en auge présentant des parois latérales verticales conductrices (12, 14) et un fond horizontal conducteur (10) définissant une cavité allongée à section rectangulaire ouverte d'un côté, et une lame centrale mince conductrice (24) maintenue dans un plan de symétrie parallèle aux parois latérales, caractérisée par le fait que lame (24) présente à sa partie supérieure des découpes formant un peigne presentant un grand nombre de dents dans le plan de la lame, que la profondeur (h) des découpes est au moins égale à l'espacement (d) entre la lame centrale (24) et les parois latérales (12, 14) et que des obstacles conducteurs dissymétriques rayonnants (30, 32) sont répartis de place en place le long du guide alternativement de part et d'autre de la lame centrale. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le pas des dents du peigne est constant. 3. Antenne selon l'une des revendications 1 et 2, caracterisée par le fait que les obstacles (30, 32) sont des barreaux conducteurs transversaux parallèles au fond du guide à une hauteur variable le long du guide. 4. Antenne selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que les obstacles sont des languettes decoupées dans la lame centrale et repliées transversalement à la longueur du guide. 5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caracterisée par le fait qu'elle comporte des moyens mécaniques de variation de la hauteur effective des dents du peigne vues par le champ électrique se propageant dans le guide. 6. Antenne selon la revendication 5, caractérisée par le fait que la lame centrale (24) peut coulisser verticalement entre deux lames extérieures (38, 40) avec un très faible espacement entre les trois lames, de manière à faire apparaître au-dessus des lames extérieures une partie variable de la hauteur des dents du peigne. 7. Antenne selon la revendication 6, caracterisée par le fait que les moyens mécaniques de variation de la hauteur de la lame comportent un moyen de renvoi (46, 48) transformant un mouvement de traction longitudinal de la lame centrale en un mouvement vertical de cette lame.