Brevet FR2710458A1 — publié le 19950331

ANTENNE PLANE BIFILAIRE L'invention concerne une antenne plane bifilaire à rayonnement transversal et son application aux aériens des radars. Dans certains équipements de détection ou de transmission par ondes électromagnétiques, il est nécessaire de disposer d'une antenne répondant aux conditions suivantes: - avoir un rayonnement transversal - avoir une large bande passante en fréquence - permettre un déplacement du centre de phase en fonction de la fréquence selon une loi linéaire de manière à pouvoir effectuer des mesures d'écartométrie par l'association d'au moins deux antennes similaires - posséder un encombrement réduit. On connaît une antenne qui répond à ces critères et qui est décrite dans le brevet n" 79 24897. Toutefois cette antenne ne permet pas d'obtenir le meilleur compromis entre une large bande passante et un encombrement réduit pour une certaine gamme de fréquences. En effet, dans certaines applications on désire faire fonctionner l'antenne à des fréquences assez basses dans la gamme des hyperfréquences. Dans ces conditions le lieu géométrique où l'on obtient les meilleurs conditions de rayonnement s'éloigne du sommet de l'antenne (point d'alimentation). En effet, ce lieu qui se trouve en des points où la différence de marche entre les courants parcourant les deux conducteurs est de X /2 à partir du sommet de l'antenne, s'éloigne de ce sommet lorsque les fréquences sont basses. II est donc nécessaire dans ce cas que l'antenne soit suffisamment grande pour que les conditions de rayonnement maximal se situent sur l'antenne et non pas en dehors. La présente invention vise à définir une antenne plane bifilaire présentant toutes les caractéristiques évoquées précédemment tout en apportant des améliorations à ces caractéristiques et qui de plus, permet de travailler aux fréquences les plus faibles de la gamme des hyperfréquences tout en ayant un encombrement très réduit. L'invention a donc pour objet une antenne plane bifilaire dans laquelle on rajoute des éléments déphaseurs sur l'une des deux lignes de sorte qu'il y ait création d'un rayonnement de la ligne et que ce rayonnement soit maximal en des points qui se situent à une distance telle que les courants sont en phase au bout d'une différence de marche inférieure à X/2 ceci ayant pour effet d'obtenir de pouvoir travailler à des fréquences plus faibles et de plus d'obenir un maximum de rayonnement dans une direction parfaitement orthogonale au plan de l'antenne. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui suit donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins annexés sur lesquels - la figure I, représente un exemple de réalisation d'une antenne selon l'art antérieur - la figure 2, l'antenne de la figure 1 vue de face - les figures 3a et 3b représentent un exemple de réalisation d'une antenne selon l'invention - les figures 4a, 4b, 4c représentent différents modes de réalisation particuliers des embouts déphaseurs selon l'invention - les figures 5a et 5b, deux exemples non limitatifs de groupement d'antennes selon l'invention - les figures 6a et 6b, les emplacements d'un élément réflecteur adjoint à l'antenne selon l'invention - la figure 7, une réalisation particulière de l'antenne selon l'invention permettant d'obtenir une polarisation inclinée. Une ligne bifilaire dont les conducteurs sont suffisamment rapprochés l'un de l'autre a un rayonnement très faible car les conducteurs étant parcourus par un courant en opposition de phase, leurs rayonnements respectifs s'annulent. Si, par un moyen quelconque, l'un des conducteurs voit sa longueur électrique augmentée par rapport à l'autre, il se crée les conditions d'un rayonnement qui sera maximal à l'endroit où les conducteurs seront parcourus par des courants en phase. Cette méthode est utilisée pour créer le rayonnement de l'antenne de l'art antérieur représentée sur les figures 1 et 2. La figure 1 de l'art antérieur montre l'antenne en perspective. Elle comporte une plaque de diélectrique limitée par deux plans P1 et P2, dont l'épaisseur est faible, et sur laquelle sont fixées de part et d'autre, et respectivement, deux lignes métalliques conductrices 1 et 2, par exemple par gravure selon la technique connue des circuits imprimés ; ces lignes présentent N repliements qui sont disposés de façon à être inscrits dans un angle d'ouverture a. L'une des lignes conductrices 2, est rallongée d'une longueur A1 par rapport à l'autre ligne conductrice à chaque replie ment. Dans ces conditions, lorsqu'on alimente les deux lignes en opposition de phase au point 0, sommet de l'angle dans lequel les repliements sont inscrits, on obtient à partir de ce point 0, une variation de la phase relative des deux lignes conductrices 1, 2 directement fonction de la distance au point 0 de l'élément de ligne conductrice considéré. Lorsque ce déphasage atteint 1800 les deux conducteurs sont parcourus par des courants électriques en phase, qui sont les conditions de rayonnement maximal. Afin que la direction de rayonnement maximal soit perpendiculaire au plan de l'antenne c'est-à-dire que le rayonnement soit transversal, il faut que deux éléments voisins de lignes conductrices, par exemple les points A de la deuxième ligne et B de la première ligne, soient en phase. Ceci suppose que les deux conditions suivantes soient remplies simultanément pour une longueur d'onde de rayonnement maximal - différence de marche de X /2 entre les lignes conductrices 1 et 2 - longueur moyenne des éléments de ligne conductrices contenant les points A et B égale à X /2. La conséquence de ces deux conditions est que, le centre de phase de l'antenne ainsi constituée s'écarte du point d'alimentation 0 de façon proportionnelle à la longueur d'onde. L'inconvénient résultant de ces conditions est que pour des fréquences basses dans la gamme des hyperfréquences, le lieu géométrique ou se produisent les meilleures conditions de rayonnement est plus éloigné du sommet de l'antenne en conséquence de quoi l'antenne doit être plus longue et a donc un encombrement plus important. Une antenne selon l'invention est représentée sur les figures 3a et 3b. L'antenne est vue en perspective. Sur la figure 3a on a représenté l'antenne sur un support diélectrique. Ce support est constitué par une plaque diélectrique 10 de faible épaisseur limitée par deux plans P1 et P2, et sur laquelle sont fixées de part et d'autre, par des techniques connues de l'art antérieur, et respectivement, deux lignes métalliques conductrices 1 et 2. Ces deux lignes 1 et 2 comportent N repliements de manière à être inscrites dans un angle d'ouverture a. Chaque replie ment de la ligne conductrice 2 est rallongé par rapport à l'autre ligne conductrice 1 par un embout déphaseur 3. Ces embouts ont préférentiellement la même largeur b que les repliements de la ligne, cette largeur entre éléments de ligne voisins étant limités inférieurement par les phénomènes de couplage. La hauteur H., i étant un indice indiquant l'ordre par rapport au sommet 0 de l'antenne, d'un demi élément de ligne conductrice 2 est augmentée d'une hauteur h. correspondant à la hauteur de l'embout déphaseur rajouté à cet élément de ligne. Les différents embouts ont donc une hauteur différente, de manière à ce que la ligne 2 ainsi rallongée soit inscrite dans un angle d'ouverture ss supérieur à a et ayant le même sommet 0. I1 est bien évident que l'écartement d entre deux éléments successifs d'une même ligne conductrice peut, dans un autre mode de réalisation non représenté, varier proportionnellement à la distance de ces éléments de lignes au point d'alimentation 0. Cette variante dans la géométrie des repliements, implique que les variations d de chaque repliement sont proportionnelles à la distance par rapport au point 0 d'alimentation de l'antenne. Ces deux exemples de géométrie pour les repliements ne sont pas limitatifs. En particulier, il est concevable que les éléments de lignes délimités par les repliements successifs ne soient pas rectilignes, ni même parallèles les uns par rapport aux autres ; de plus la distance entre deux éléments de ligne successifs peut varier selon une loi quelconque prédéterminée, autre qu'une loi linéaire. Lorsque les deux lignes 1, 2 sont alimentées au point 0 en opposition de phase, on obtient à partir de ce point 0 une variation de la phase relative des deux lignes conductrices 1 et 2 directement fonction de la distance au point 0 de l'élément de ligne conductrice considéré. Ce déphasage donne naissance à un mode rayonné également appelé mode pair ; ce mode de propagation des courants atteint son maximum lorsque les conditions suivantes sont réunies - la différence de marche entre deux éléments conducteurs situés en visà-vis et formant une paire soit égale à D, D étant inférieur à Bl2 - la longueur moyenne des éléments de lignes conductrice contenant les points A de la deuxième ligne et B de la première ligne qui constituent le lieu géométrique ou sont réunies les meilleures conditions de rayonnement, est sensiblement égale à 0,3À. Sur les figures 4a, 4b, 4c on a représenté trois modes de réalisation particuliers des embouts déphaseurs. La figure 4a représente l'embout déphaseur 3 tel qu'il est également représenté sur les figures 1 et 2. Cet embout est constitué par un tronçon de ligne 4 replié, de hauteur h. qui prolonge et ferme la ligne 2 aux points C et D, ces points étant par ailleurs reliés entre eux par le tronçon de ligne qui forme un repliement de l'élément de ligne considéré. La figure 4b représente un embout déphaseur 3 constitué par deux tronçons 5 de ligne qui prolongent l'élément de ligne considéré de part et d'autre des points C et D, L'embout étant ouvert aux extrémités de ces tronçons. La figure 4c représente un embout déphaseur 3 constitué par une plaque conductrice 6. Deux côtés de cette plaque prolongent la ligne 2 de part et d'autre des points C et D. Un troisième côté ferme la ligne entre les points C et D. La géométrie de ces embouts peut varier selon la géométrie choisie pour les repliements, si les repliements ont une forme trapézoïdale, les embouts auront également une forme trapézoïdale. Les embouts déphaseurs 3 créent le déphasage requit et de plus participent au rayonnement de l'antenne contrairement aux accroissements de ligne de l'antenne selon l'art antérieur. Cette participation des embouts 3 au rayonnement a pour effet de provoquer un rayonnement maximum plus proche du sommet de l'antenne (où s'effectue l'alimentation) ce rayonnement maximum a lieu à environ une distance égale à 0,2À. En effet, du sommet 0 sur l'axe OX où se déplace le centre de phase de l'antenne. Les embouts 3 contribuent également à l'obtention d'un rayonnement transversal ainsi qu'à améliorer le gain de l'antenne. Une antenne élémentaire telle qu'ainsi décrite, peut être utilisée pour l'émission et/ou la réception à très large bande en fréquence (rapport de fréquence de l'ordre de 10) d'une onde polarisée rectiligne par exemple dans un dispositif de détection électromagnétique. L'association d'au moins deux de ces antennes peut être utilisée comme aérien d'écartométrie ; on mesure alors la différence de phase entre les signaux reçus par deux antennes voisines, cellesci pouvant être alimentées soit en phase, soit en opposition de phase comme cela est montré sur les figures 5a et 5b. Des groupements de plusieurs antennes de ce type peuvent se faire de nombreuses façons différentes. Pour un couple de deux antennes on peut, par exemple, les disposer sur un même plan et symétriquement par rapport à un point ou par rapport à une droite de ce même plan comme cela est montré sur les exemples correspondants aux figures 5a et 5b. Le groupement de deux antennes élémentaires, qu'elles soient alimentées en phase ou en opposition de phase permet à cause de la symétrie qu'elles présentent d'obtenir un diagramme en gisement indépendant de la fréquence. De même pour ces mêmes raisons de symétrie, le centre de phase se trouvant au centre C de l'antenne constituée de ces deux antennes élémentaires quelle que soit la fréquence, l'antenne peut être utilisée comme source primaire pour un réflecteur. De façon à obtenir le rayonnement transversal dans un seul sens, on utilise un plan reflecteur P3 ou une cavité réfléchissant les ondes électromagnétiques. Ce plan peut par exemple être constitué par une plaque métallique 11, recouverte ou non d'absorbant disposée parallèlement à cette antenne à une distance voisine de À M14 ou À M est la longueur d'onde minimale de l'antenne (fréquence maximale de la bande d'utilisation). Ce plan reflecteur peut être disposé dans un plan oblique 12 qui passe par le point 0 et qui fait un angle y avec le plan P2 de façon que chaque élément de ligne conductrice d'ordre i soit situé par rapport au plan réfléchissant, à une distance inférieure ou égale à Ai/4, où X. i est la longueur d'onde correspondant à la fréquence pour laquelle un élément d'ordre i de ligne rayonne. Ces deux variantes de réalisation sont illustrées par les figures 6a et 6b. On peut dans une réalisation qui n'a pas été représentée, combiner des plans parallèles et des plans inclinés. Le plan réflecteur est ainsi constitué par une succession de plans inclinés et de plans parallèles. Pour recevoir des ondes électromagnétiques polarisées horizontalement et des ondes polarisées verticalement on associe orthogonalement et dans un même plan quatre antennes élémentaires telles que décrites. Cette variante de réalisation n'a pas été représentée. La polarisation des ondes étant parallèle aux brins de la ligne bifilaire, on obtient sans rotation de l'antenne, mais en inclinant les brins par rapport à l'axe d'expansion 0X d'un angle ce (soit (p = 450 par exemple), une antenne à polarisation inclinée qui, mise à part les différences de polarisation conserve toutes propriétés de l'antenne à polarisation verticale. Cette antenne est représentée sur la figure 7. REVENDICATIONS 1. Antenne plane bifilaire à rayonnement transversal comprenant une première (1) et une deuxième (2) lignes conductrices disposées en visà-vis respectivement sur un premier (P1) et un deuxième (P2) plans parallèles, la première et respectivement la deuxième ligne conductrice (1, 2) présentant N repliements délimitant des éléments conducteurs qui sont chacun disposés vis-à-vis d'un élément conducteur de l'autre ligne, formant respectivement une paire avec les éléments conducteurs de l'autre ligne, caractérisée en ce que chaque repliement de la deuxième ligne (2) se prolonge par un élément conducteur introduisant un déphasage entre les courants circulant dans la ligne conductrice de telle sorte qu'un mode rayonnant prenne naissance et atteigne son maximum au bout d'une différence de marche inférieure à À/2 où est la longueur d'onde de l'onde d'alimentation, chaque élément conducteur de la deuxième ligne (2) ayant une longueur électrique supérieure aux éléments de la première ligne de telle sorte que la deuxième ligne (2) soit inscrite dans un angle d'ouverture ss de sommet 0, supérieur à a, a étant l'angle d'ouverture de sommet 0 dans lequel est inscrite la première ligne (1), 0 étant le point d'alimentation de l'antenne. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments déphaseurs (3) sont constitués par un tronçon de ligne (4) replié qui prolonge et ferme la ligne (2) en des points extrêmes de la ligne (C et D), ces points étant par ailleurs reliés entre eux par le tronçon de ligne qui forme le replie ment de l'élément de ligne considéré. 3. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments déphaseurs (3) sont constitués par deux tronçons de ligne (5) qui prolongent l'élément de la ligne considérée de part et d'autre de deux points extrêmes (C et D) reliés entre eux et formant chaque repliement. 4. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments déphaseurs sont constitués par une plaque (6) dont deux côtés prolongent la deuxième ligne (2) et dont un troisième côté ferme la ligne entre les deux points extrêmes (C, D) de chaque repliement. 5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les éléments de ligne conducteurs, déterminés par les N repliements, sont parallèles. 6. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les éléments de ligne conducteurs, déterminés par les N repliements sont rectilignes. 7. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les éléments de ligne conducteurs, déterminés par les N repliements sont trapézoïdaux. 8. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1à 7, caractérisée en ce que, pour chaque ligne conductrice (1, 2) la distance entre deux éléments conducteurs parallèles consécutifs varie avec l'éloignement du premier de ces éléments de ligne par rapport au point 0 d'alimentation de la ligne conductrice (1, 2) selon une fonction prédéterminée, les largeurs des éléments déphaseurs variant selon cette même fonction. 9. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1à 8, caractérisée en ce que les premières et deuxièmes lignes conductrices (1, 2) sont fixées de part et d'autre d'une même plaque diélectrique (10). 10. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte une surface réfléchissante (11) plane parallèle au premier et deuxième plans de la ligne bifilaire et située à une distance voisine de ÀM/4, M étant la longueur d'onde minimale de l'antenne. 11. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte une surface réfléchissante (12) passant par le point 0 et faisant avec le premier ou deuxième plan (P1 ou P2) de l'antenne bifilaire un angle y tel que chaque élément conducteur de la ligne dudit plan (P1 ou P2) soit distant de ladite surface réfléchissante d'une longueur inférieure ou égale sensiblement au quart de la longueur d'onde à laquelle l'élément rayonne. 12. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la surface réfléchissante (12 ou 13) est constituée par une succession de plans inclinés et de plans parallèles. 13. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que les brins constituant chaque élément de ligne sont inclinés d'une angle tp par rapport à l'axe OX de l'angle, axe sur lequel est susceptible de se déplacer le centre de phase de l'antenne. 14. Utilisation dans une antenne radar d'au moins deux antennes plans bifilaires selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que ces antennes sont connectées en parallèle et alimentées en phase ou en opposition de phase, ou bien, alimentées séparément, en phase ou en opposition de phase.