Brevet FR2690787A1 — publié le 19931105

ANTENNE A GUIDE EN AUGE A LAME CENTRALE D'ALIMENTATION ISOLEE DU FOND DU GUIDE 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 deux parois latérales verticales et un fond horizontal qui constituent trois côtés d'une cavité allongée dont le quatrième côté est ouvert en vue d'une émission sur toute la longueur du guide. Un tel guide comporte une lame centrale mince verticale, centrée dans un plan de symétrie parallèle aux parois laterales, pour servir de support de propagation a de l'énergie électromagnétique hyperfréquence amenée à une extrémité du guide une source d'alimentation hyperfréquence est reliée à une extrémité de la lame pour engendrer une propagation d'énergie longitudinalement, en mode transverse électrique (TE). Des obstacles dissymétriques sont répartis dans le guide pour créer un couplage d'énergie engendrant un rayonnement électromagnétique en mode transverse électromagnétique (TEM), se propageant transversalement vers la partie supérieure ouverte du guide (en l'absence de ces obstacles, le guide constituerait une ligne de transmission sans pertes). Si les obstacles se répètent le long du guide, une fraction de l'énergie incidente est perdue par rayonnement à chaque obstacle et le guide se comporte comme une source linéaire d'émission hyperfréquence ayant une loi d'illumination dépendant de la position des obstacles et de leur capacité individuelle à faire rayonner plus ou moins énergie propagée le long du guide. Si plusieurs guides sont placés en parallèle, on peut constituer un réseau démission à deux dimensions utilisable notamment comme antenne radar (antenne "dalle"), 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. La présente invention s'intéresse à 1' amélioration des caractéristiques de ce type d'antenne, en vue d'obtenir - une large bande de fréquences d'utilisation pour une antenne donnée, pour pouvoir facilement varier la fréquence démission en fonction des nécessités opérationnelles (pour échapper au brouillage par exemple), pour une antenne donnée, - une émission très directive selon un angle bien connu en fonction de la fréquence et avec un diagramme de rayonnement présentant des lobes latéraux proches et diffus très bas ; - et surtout un bas prix de fabrication et un faible poids, permettant facilement la réalisation d'antennes "dalles". On a considéré jusqu' maintenant qu'un guide en auge ne pouvait fonctionner convenablement (d'ailleurs aussi bien comme antenne rayonnante que comme ligne de transmission sans pertes), qu'avec une lame centrale s'enlevant perpendiculairement à partir du fond horizontal avec lequel elle fait corps (usinage dans la masse ou moulage), ou sur lequel elle est soudée. Lorsqu'on cherche à fabriquer les guides en auge, on se heurte alors à des difficultés de réalisation mécanique car un usinage dans la masse du guide est difficile et coûteux, le moulage ne permet pas d'obtenir la précision désirée ni toutes sortes de formes de lames voulues, et le soudage perpendiculaire d'une lame sur toute la longueur d'un guide est une opération d'autant plus difficile que les matériaux employés (aluminium pour les parois du guide) ne s'y prêtent pas. Notamment, il peut être intéressant de réaliser la lame en cuivre pour pouvoir la découper précisément par photogravure ; mais, comme on ne peut réaliser tout le guide en cuivre, il y a des problèmes de corrosion ultérieure au niveau de la soudure. De manière inattendue, on propose ici d'alimenter le guide à partir d'une lame centrale qui reste écartée du fond du guide sur toute sa longueur, c'est à dire qui est maintenue en l'air d'un bout à l'autre, sur des supports diélectriques, de manière que non seulement elle ne touche pas le fond du guide, mais encore qu' elle en soit suffisamment écartée pour ne pas engendrer une concentration importante de champ électrique entre lame et fond et risquer ainsi un claquage entre ces deux éléments du guide. La lame peut alors être constituée en un matériau quelconque, et notamment en cuivre pouvant être découpé facilement et très précisément par photogravure pour former sur la lame ellemême - ~ des languettes qui, repliées perpendiculairement à la lame formeront des obstacles dissymétriques se comportant comme des sources de rayonnement - des encoches servant dtélements d'adaptation d'impédance compensant le déphasage introduit par les languettes - des encoches servant à la fois au maintien en place de la lame, sur des inserts en matériau diélectrique rigide à faibles pertes, et à la compensation du déphasage introduit par ces inserts. Outre les avantages de réalisation mécanique obtenus grâce à l'invention, on peut mentionner la réduction des fuites du guide ; un guide ouvert présente en effet malgré tout, même en l'absence d'obstacles rayonnants volontairement prévus, des fuites dues aux imperfections de symétrie, et dues à la hauteur limitée des parois latérales du guide, parois qui pourtant s'élèvent largement au-dessus de la partie supérieure de la lame. Avec la lame suspendue selon l'invention, les fuites se présentent selon un lobe de fuites dont I' axe est ramené dans une direction parallèle à la longueur du guide ; ceci résulte du fait que la longueur d'onde guidée est maintenant égale à la longueur d'onde dans l'air ; avec un lobe de fuites ramené dans une direction parallele au guide, la gêne due à ces fuites est minimale. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en préférence aux dessins annexes dans lesquels - la figure 1 représente une section transversale de l'antenne à guide en auge selon l'invention - la figure 2 représente en perspective la forme de la lame centrale et d'un insert servant à la maintenir - la figure 3 représente une section longitudinale générale du guide constituant l'antenne. Le guide en auge constituant l'antenne selon l'invention comprend un fond horizontal 10, et des parois latérales verticales 12 et 14 s'entendant longitudinalement, c'est-à-dire perpendiculairement au plan de la figure 1, sur une grande longueur par rapport aux dimensions transversales. Les termes "horizontal" et "vertical" sont pris dans la suite du texte en référence à la position du guide à 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, conducteurs et réalisés par exemple à partir d'un profilé unique d'aluminium, délimitent une cavité rectangulaire ouverte vers le haut sur toute la longueur du guide. Cette cavité est symétrique par rapport à un plan longitudinal 16 représenté par un trait tireté. Vers le haut, les parois latérales 12 et 14 se prolongent par des parois inclinées légèrement divergentes 18 et 20, formant un cornet d'émission s'entendant linéairement sur toute la longueur du tube. La largeur d'ouverture à l'extremite des parois divergentes 18 et 20 est de préférence inférieure à la demilongueur d'onde des rayonnements émis, alors que la largeur du guide dans sa partie inférieure rectangulaire est plutôt de l'ordre du tiers ou du quart, ou même moins, de cette longueur d'onde. Dans une antenne "dalle", les bords des parois 18 et 20 de guides adjacents sont juxtaposés jointivement. Des volets d'adaptation 22 et 24, évitant des réflexions indésirables peuvent être placés à l'extremite des parois, ainsi qu'un radôme de protection non representé. Une lame conductrice mince 26, s'étendant sur toute la longueur du guide, est maintenue dans le plan de symétrie longitudinal 16 du guide. Elle sert de support à la propagation d'une énergie incidente amenee par une source d'alimentation raccordee à cette lame à une extrémité du guide. La hauteur de cette lame est inférieure au quart de la longueur d'onde des champs électriques qu'elle doit propager. Selon l'invention, cette lame 26 est écartée du fond du guide, qu'elle ne touche donc en aucun point de la longueur de celui-ci. Elle est supportée à cet effet par un matériau diélectrique rigide à faibles pertes qui se présente soit sous la forme d'un bloc massif dans lequel est inséré la lame (le guide est alors rempli de ce matériau sur l'ensemble de sa longueur), soit sous la forme d'inserts 28 répartis de place en place le long du guide. Ces inserts 28 sont conçus de manière à etre coincés dans la cavité et de manière à supporter la lame dans une position parfaitement centrale. De manière générale, la tolérance sur la disposition plane et centrale de la lame, de même d'ailleurs que sur la rectangularité de la cavité, doit en effet être très faible (de l'ordre de 0,3 % ou mieux). La lame comporte de préférence elle même les obstacles dissymétriques nécessaires à la production d'un rayonnement susceptible de sortir du guide. Ces obstacles sont répartis sensiblement périodiquement le long du guide, alternativement d'un côté et de l'autre de la lame, et un insert 28 peut etre disposé entre deux 20 obstacles consécutifs avec la même régularité que les obstacles, pour ne pas introduire de lobe parasite (dit "lobe de réseau") dans le diagramme dé rayonnement de l'antenne. Ici, compte tenu de la facilité de montage de la lame centrale 26 (simplement supportée par les inserts 28), on peut prévoir que cette lame est en cuivre, car d'une part ce matériau introduit des pertes très faibles et d'autre part il peut être très facilement et très précisément découpé par photogravure. On en profite donc pour former sur la lame elle même les obstacles servant de sources de rayonnement. Ces obstacles sont de préférence des languettes 30 repliées perpendiculairement à la lame, alternativement d'un côté et de l'autre de celle-ci ; en fonction de la hauteur et de l'extension latérale des languettes (une fois repliées), le couplage d'énergie est plus ou moins important, de sorte qu'on peut définir une loi d'illumination de 11 antenne en donnant diverses dimensions aux languettes qui sont réparties le long du guide. A la figure 2, on voit mieux la constitution de la lame 26 avec ses languettes 30. Comme les languettes, en rayonnant de l'énergie, engendrent des réflexions d'énergie indésirables, on prévoit pour chaque languette un élément d'adaptation d'impédance qui est ici constitué de deux encoches 32 et 34, une de chaque côté de la languette, de dimensions choisies pour chaque languette de manière à éliminer au mieux ces réflexions parasites. Ces encoches sont réalisées, de même que les languettes, par découpe chimique de la plaque de cuivre constituant la lame 26. La lame 26 comporte par ailleurs de place en place des encoches ou ouvertures servant à assurer sa mise en place et son maintien sur les inserts 28 qui présentent des parties s'adaptant exactement dans ces ouvertures ou encoches. Ces dernières sont découpées par gravure chimique en même temps que les languettes 30 et encoches 32 et 34. A titre d'exemple, on a montré sur la figure 2, des encoches 36 en bas de la lame et une ouverture carrée 38 vers le haut, et on a montré à côté de la lame 26 un insert 28 ayant une forme adaptée à cette encoche 36 et cette ouverture carrée 38 : la largeur de l'insert est celle de l'encoche 36 ; l'insert a extérieurement la forme et les dimensions de l'intérieur de la cavité rectangulaire formant le guide d'ondes ; sa hauteur est sensiblement égale à la somme de la hauteur de la lame et de la distance de surélévation désirée entre le bas de la lame et le fond 10 du guide. L'insert présente une fente verticale centrale 40 ; les bords de cette fente sont parallèles et écartés l'un de l'autre d'une distance correspondant à l'épaisseur de la lame, sauf à un endroit (correspondant à l'ouverture 38 lorsque la lame est mise en place dans l'insert) a à cet endroit, les bords de la fente présentent deux tétons rectangulaires 42 et 44 en vis à vis, de forme correspondant à l'ouverture 38 de la lame, qui referment la fente 40. La hauteur de la fente 40 est sensiblement celle de la lame et, lorsque celle-ci est en place, une encoche 36 est à cheval sur l'insert au fond de la fente et les tétons 42 et 44 sont encliquetés dans l'ouverture 38. Les inserts peuvent présenter des évidements 46, 48 sur ses parties latérales qui ne servent pas au maintien de la lame. En ce qui concerne le maintien en place des inserts euxmêmes dans le guide, une fois la lame mise en place sur les inserts, il peut se faire simplement par la friction due a l'ajustement des dimensions des inserts et de la cavité. Il peut se faite aussi en outre par encliquetage, les inserts pouvant présenter des saillies latérales 50 pouvant coopérer avec des renfoncements correspondants 52 (visibles à la figure 1) des parois latérales 12 et 14. Les inserts peuvent être réalisés en polyéthylène ou en tétrafluorure de polyéthylène par exemple. Ces matériaux présentent de faibles pertes diélectriques ; ils introduisent toutefois un déphasage et on s'arrange pour choisir les formes des découpes 36 et 38 de la lame de manière à compenser aussi exactement que possible ce déphasage. On a représenté à la figure 3 une vue latérale ouverte du guide rayonnant selon l'invention. On y voit la lame 26 suspendue en hauteur sur toute sa longueur au dessus du fond 10 du guide, grâce aux inserts 28 répartis sensiblement avec la même périodicité que les languettes 30 formant les obstacles rayonnants. La hauteur de la lame au dessus du fond peut être de l'ordre de l'espacement entre cette lame et les parois latérales 12 et 14. L'énergie électromagnétique à rayonner peut être amenee par une extrémité du guide, au moyen d'une transition câblecoaxial-guide d'ondes (54) qui établit une connexion entre l'amie d'un câble coaxial et une extrémité 56 de la lame 26. L'autre extrémité 58 de la lame est noyée dans une charge adaptée 60, par exemple en résine chargée de particules conductrices. Cette charge permet de dissiper sans réflexion le résidu de puissance électromagnétique parvenant à l'extrémité du guide après les derniers obstacles rayonnants. La constitution de cette charge terminale 60 est telle qu'elle soit convenablement adaptée au mode transverse électrique d'alimentation et aussi au mode transverse électromagnétique rayonné par les dernières languettes 30. Le guide est en principe fermé, en arrière de la charge 60 par une plaque de court-circuit 62. Les obstacles rayonnants qui ont été décrits ici sous forme de languettes repliées avec des encoches d'adaptation sont particulièrement intéressants car ils sont faciles à réaliser, mais d'autres types d'obstacles, de nature inductive ou capacitive pourraient être prévus. L'antenne qui a été décrite peut fonctionner aussi bien en antenne d'émission qu'en antenne de réception dans la même bande de fréquences. REVENDICATIONS 1. Antenne à large bande constituée par au moins un guide en auge allongé présentant des parois latérales verticales (12, 14) conductrices reliées par un fond horizontal (10) conducteur avec lequel elles forment une cavité fermée d'un côté et ouverte de l'autre, le guide comportant une lame centrale mince conductrice (26) maintenue dans un plan de symétrie parallèle aux parois latérales et susceptible d'être reliée, à une extrémité du guide, à une source d'alimentation hyperfréquence, le guide étant pourvu sur sa longueur d'obstacles intérieurs dissymétriques (30) destinés à engendrer un mode de propagation rayonnant de l'énergie transmise par la lame, caractérisée par le fait que la lame (26) est maintenue ecartée du fond horizontal (10) sur toute sa longueur. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la lame (26) comporte des parties en forme de languettes (30) repliées perpendiculairement au plan de la lame, pour constituer les obstacles dissymétriques, et des encoches découpées (32, 34) constituant des éléments d'adaptation d'impédance vis à vis des languettes. 3. Antenne selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la lame (26) est maintenue en place par des inserts (28) en matériau diélectrique rigide à faibles pertes. 4. Antenne selon la revendication 3, caractérisée par le fait que des inserts sont disposés sensiblement périodiquement le long de la lame, un insert étant placé entre deux obstacles (30) consécutifs. 5. Antenne selon la revendication 4, caractérisée par le fait que la lame présente des découpes (36, 38) pouvant coopérer avec des parties correspondantes (42, 44) des inserts pour assurer le maintien de la lame, la dimension des découpes étant choisie de manière à compenser le déphasage introduit par la capacité du diélectrique de l'insert. 6. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que la lame est en cuivre découpé chimiquement. 7. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait que la hauteur de la lame au dessus du fond horizontal est de l'ordre de l'espacement entre la lame (26) et les parois latérales (12, 14) du guide.