Brevet FR2698726A1 — publié le 19940603

La présente invention concerne un système d'antenne active à balayage électronique de faisceau. I1 existe déjà dans l'étant de la technique des systèmes d'antenne de ce type qui comportent plusieurs éléments d'antenne comportant chacun une source d'excitation. Le balayage du faisceau émanant d'un tel système est obtenu par commande du déphasage de ces différentes sources d'excitation. On conçoit alors que ces systèmes présentent un certain nombre d'inconvénients au niveau de leur structure relativement complexe et donc de leur prix de revient, ce qui limite leur utilisation. Le but de l'invention est donc de résoudre ces problèmes en proposant un système d'antenne active qui soit simple, fiable et dont le prix de revient soit le plus réduit possible. A cet effet, l'invention a pour objet un système d'antenne active à balayage électronique de faisceau, caractérisé en ce qu'il comporte au moins trois éléments d'antenne plane couplés en plan H, à savoir un élément central d'antenne rayonnant dans un mode déterminé, comprenant une source d'excitation pour émettre un faisceau et deux éléments latéraux d'antenne rayonnant dans le mode déterminé, disposés de part et d'autre de cet élément central et couplés magnétiquement à celui-ci par mutuelle inductance et des moyens de commande de ce couplage magnétique, pour commander un déplacement du faisceau émis par l'élément central d'antenne. Avantageusement, les moyens de commande du couplage magnétique comprennent des moyens de commande de la fréquence de résonance des éléments latéraux d'antenne. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig.l représente une vue schématique illustrant la disposition des différents éléments d'antenne entrant dans la constitution d'un système d'antenne selon l'invention; - la Fig.2 représente un schéma électrique équivalent des éléments d'antenne couplés les uns aux autres, dans un système d'antenne selon l'invention; - la Fig.3 représente une simulation illustrant le fonctionnement d'un système d'antenne selon l'invention; - les Fig.4A et 4B représentent respectivement des diagrammes de rayonnement en plan E et en plan H d'un système d'antenne selon l'invention; - la Fig.5 illustre le déplacement d'un faisceau émis par un système d'antenne selon l'invention;; - les Fig.6A, 6B , 6C et 6D illustrent l'effet d'une commande électronique de la fréquence de résonance d'un élément latéral d'antenne entrant dans la constitution d'un système d'antenne selon l'invention; - la Fig.7 représente l'évolution du couplage entre les différents éléments d'antenne entrant dans la constitution d'un système d'antenne selon l'invention, en fonction de'l'accord fréquentiel de ceux-ci; - la Fig.8 représente un schéma synoptique d'un prototype d'un système d'antenne selon l'invention; et - la Fig.9 représente le diagramme de rayonnement correspondant à ce prototype. Ainsi qu'on peut le voir sur la Fig.1, un système d'antenne active à balayage électronique de faisceau, selon l'invention, comporte au moins trois éléments d'antenne plane couplés en plan H et désignés par les références générales 1,2 et 3 respectivement. Ces éléments d'antenne comprennent un élément central 1 d'antenne plane, et par exemple circulaire, rayonnant dans un mode déterminé, tel que le mode TM11 et comprenant une source d'excitation 4 pour émettre un faisceau. Cette source d'excitation est par exemple formée par une diode de type Gunn ou ATT comme cela a déjà été décrit dans le document FR-A-2 644 938. Par ailleurs, il est également prévu deux éléments latéraux d'antenne par exemple identiques, désignés par les références 2 et 3. Ces éléments d'antenne sont également planes et par exemple circulaires et rayonnent dans le même mode déterminé, par exemple TM11. Ces éléments d'antenne latéraux 2 et 3 sont disposés de part et d'autre de l'élément central et sont couplés magnétiquement à celui-ci par mutuelle inductance. Ces deux éléments d'antenne sont dépourvus d'excitation propre. Par ailleurs, ils peuvent comporter en leur centre, un trou métallisé, désigné par exemple par la référence 5 pour l'élément 3, pour éviter l'apparition de modes rayonnants autres que les modes TMln. Le schéma électrique équivalent de ce système est donné sur la Fig.2. Chaque élément rayonnant peut être assimilé à une cavité décrite par un circuit de type RLC parallèle dont chaque composant est libellé par le numéro de référence de l'élément correspondant. L'élément d'antenne active central désigné par la référence générale 1 est couplé aux deux éléments d'antenne latéraux désignés par les références 2 et 3 par les mutuelles inductances M12 et M13. Ce couplage magnétique est fonction de la distance Dln (Fig.1), n étant égal à 2 ou 3 selon l'élément latéral considéré, entre les éléments d'antenne considérés, mais également de la fréquence de résonance propre des différents éléments rayonnants d'antenne. Ainsi qu'on l'a indiqué précédemment, seul l'élément central d'antenne désigné par la référence 1 possède sa propre source d'excitation 4. Les éléments latéraux d'antenne 2 et 3 ne sont alimentés en signal hyperfréquence que par couplage magnétique. On conçoit alors que si la valeur de ce couplage est suffisante, les éléments latéraux d'antenne couplés vont contribuer à la distribution spatiale du champ électromagnétique rayonné par l'ensemble de ces trois éléments d'antenne. Le champ électromagnétique lointain total rayonné par ce système de trois éléments d'antenne couplés est la somme vectorielle des champs électromagnétiques émis par chacun de ceux-ci : ET = E1+ E2 + E3 avec E1 = E0 . r (#,#) où E0 est le champ émis par un élément d'antenne plane seul et r (0,), le diagramme de rayonnement associé. Les champs E2 et E3 sont induits par les couplages magnétiques M12 et M13 entre l'élément central d'antenne et les deux éléments latéraux d'antenne, si bien que le champ rayonné total peut s'écrire ET=E0.r(#,#) [1+M12 e12j(#-d sin # sin #)+M13 e13j-#+d sin # sin #)] Sin e +d sin e où Z22 est l'impédance de l'élément n considéré r2, est l'impédance mutuelle entre l'élément central et l'élément latéral n considéré. (n est 2 ou 3 suivant l'élément considéré) et #1n =#22(n)-#12(n) Cette formule montre que toute modification du coefficient de couplage par mutuelle inductance Mlnej#ln entre l'élément central et les éléments latéraux, va entraîner un déplacement du faisceau en plan H (+ = n/2) sans déplacement du diagramme de rayonnement en plan E (+ = 0) comme le montre la simulation représentée sur la Fig.3. Si par ailleurs, la valeur du couplage n'est pas trop élevée (f Sî2i Pour obtenir un déplacement de la direction principale du faisceau en plan H sans perturber le diagramme en plan E, il convient de déséquilibrer les mutuelles inductances M12 et M13 comme le montre la Fig.5. Pour faire varier par une commande électrique cette mutuelle inductance, une solution consiste à réaliser un accord fréquentiel électronique des éléments latéraux d'antenne. Cette commande électronique de la fréquence de résonance des éléments latéraux 2,3 peut être obtenue par insertion de diodes Varactor dans la cavité (antenne) ou par insertion de diodes PIN en parallèle sur la périphérie de la cavité. L'effet de cette commande en tension est illustré sur les figures 6A, 6B, 6C, 6D où est représenté le module du couplage S12 entre les éléments central et latéral 1 et 2, en fonction de la fréquence dans les deux cas principaux de fonctionnement du système, à savoir Cas n" 1 : les deux éléments central et latéral résonnent à la même fréquence Fo. Dans ce cas, le coeffi cient de couplage passe par un maximum de l'ordre de - 7dB à cette fréquence Fo (Figures 6A et 6B). Cas n" 2 : la fréquence de résonance de l'élément latéral est modifiée de façon électronique et ne coïncide pas avec celle de l'élément central. On constate que dans ce cas, le coefficient de couplage est beaucoup plus faible que précédemment et ne dépasse pas une valeur supérieure à - 20 dB, ce qui signifie que les éléments sont pratiquement découplés (Fig.6C et 6D). On peut donc commander la valeur du couplage entre l'élément central et les éléments latéraux en réalisant un accord fréquentiel sur ces éléments latéraux (Fig.7). Cette commande de la valeur du couplage entre élément central et éléments latéraux permet alors de réaliser un balayage du faisceau rayonné par l'élément central. Une antenne active à balayage électronique a été réalisée en bande X au voisinage de 10 GHz conformément au schéma représenté sur la figure 8. Le diagramme de rayonnement correspondant est représenté sur la Fig.9. Chaque élément latéral d'antenne 2, 3 est associé à une diode PIN de commande électronique de sa fréquence de résonance, ces diodes étant désignées par les références 6 et 7 respectivement et associées à des moyens de génération d'un signal de commande correspondant 8 et 9 respectivement. Selon la polarisation de ces diodes PIN, la fréquence de résonance des éléments d'antenne 2 et 3 peut être modifiée. Ainsi, si les deux diodes PIN sont polarisées en inverse, le diagramme de l'ensemble des éléments d'antenne reste centré, tandis que si par exemple la diode PIN 7 est polarisée en directe, c'est à dire en court-circuit, tandis que la diode PIN 6 est polarisée en inverse, le faisceau rayonné se déplace par exemple de 15" vers la gauche, considéré sur -cette figure 9 et inversement vers la droite si l'on inverse les polarisations de ces diodes PIN 7 et 6. Bien entendu, un balayage continu du faisceau peut être obtenu en remplaçant les diodes PIN ou varactor par une impédance variable à commande en tension comme par exemple un transistor à effet de champ. Le pilotage de ces organes étant classique, on ne le décrira pas dans le détail. On conçoit alors que dans le système d'antenne selon l'invention, on utilise des variations du couplage magnétique inter-élement pour réaliser un balayage du faisceau rayonné par un seul élément d'antenne comportant une source d'excitation. Bien que dans les exemples décrits, on ait mentionné et représenté des éléments d'antennes se présentant sous la forme de disques circulaires, ceux-ci peuvent évidemment présenter d'autres formes. D'autres modes de rayonnement de ces antennes peuvent également être envisagés. REVENDICATIONS 1. Système d'antenne active à balayage électronique de faisceau, caractérisé en ce qu'il comporte au moins trois éléments d'antenne plane (1,2,3) couplés en plan H, à savoir un élément central d'antenne (1) rayonnant dans un mode déterminé, comprenant une source d'excitation (4) pour émettre un faisceau et deux éléments latéraux d'antenne (2,3) rayonnant dans le mode déterminé, disposés de part et d'autre de cet élément central (1) et couplés magnétiquement à celui-ci par mutuelle inductance et des moyens de commande (6,7,8,9) de ce couplage magnétique pour commander un déplacement du faisceau émis par l'élément central d'antenne. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments d'antenne sont formés par des disques. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de commande du couplage magnétique comprennent des moyens (6,7,8,9) de commande de la fréquence de résonance des éléments latéraux d'antenne (2,3). 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de commande comprennent des diodes PIN (6,7) en parallèle sur les éléments latéraux d'antenne (2,3). 5. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de commande comprennent des diodes Varactor intégrées dans les éléments latéraux d'antenne (2,3). 6. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de commande comprennent une charge variable commandée en tension associée à chaque élément latéral d'antenne (2,3). 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que la charge variable est formée par un transistor à effet de charge. 8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source d'excitation (4) comprend une diode Gunn. 9. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la source d'excitation (4) comporte une diode ATT. 10. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mode déterminé est le mode TM11. 11. Système selon l'une quelconque de revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments latéraux d'antenne (2,3) sont identiques.