Brevet FR2699741A1 — publié le 19940624

ANTENNE PLANE A RAYONNENT TRANSVERSAL A POLARISATION RECTILIGNE ET A TRES LARGE BANDE ET ARIEN BIPOLARISATION EN EAISANT APPLICATION La présente invention se rapporte à une antenne plane à rayonnement transversal à polarisation rectiligne et à très large bande et à un aérien bipolarisation en faisant application. Dans un certain nombre d'équipements de détection ou de transmission d'ondes électromagnétiques, il est nécessaire de disposer dtune antenne répondant aux conditions suivantes - 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 indépendantes de la fréquence ou à obtenir des diagrammes résultants de directivité indépendante de la fréquence en associant deux éléments similaires - posséder un rayonnement transversal et un encombrement réduit - fournir un rayonnement à polarisation rectiligne. Certaines antennes connues répondent partiellement à ces conditions. Par exemple, on obtient des antennes d'encombrement réduit et à large bande de fréquence en réalisant des antennes planes à double spirale emboîtées. Malheureusement, ces antennes ont un centre de phase fixe par rapport à la longueur d'onde utilisée et fournissent une polarisation circulaire. On connaît également l'antenne plane log-périodique composée de deux parties inscrites dans des angles opposés par le sommet et symétriques par rapport à ce sommet. Ces deux parties sont alimentées en opposition de phase. C'est le cas de l'antenne représentée sur la figure 1. Chaque partie 1,1' comporte une ligne centrale L, L' et des dents alternées V, V' disposées de part et d'autre de la ligne centrale et les points 0 et 0' sont alimentés en opposition de phase. Cette antenne plane fonctionne à large bande et possède des centres de phase se déplaçant en fonction de la fréquence. Mais cette antenne ne peut être scindée en deux demi-antennes alimentées séparément, ce qui ne permet donc pas les utilisations envisagées en interférométrie ou en monopulse. De plus, cette antenne présente un champ parasite en polarisation croisée. En effet, pour une fréquence donnée un courant maximum circule dans les dents V et V' dont la longueur est de l'ordre du quart de la longueur d'onde, ces dents étant résonnantes; le rayonnement de l'antenne provient essentiellement du courant dans ces dents résonnantes ce qui fixe la direction de polarisation. Cependant les lignes L et L' participent légèrement au rayonnement, ce qui donne un champ parasite en polarisation croisée et de légères déformations de diagramme à certaines fréquences. Un objet de l'invention est donc de prévoir une antenne constituée de deux demi-antennes ne présentant pas les inconvénients ci-dessus et répondant aux conditions posées. Selon l'invention, il est prévu une antenne plane à rayonnement transversal à polarisation rectiligne et à très large bande comportant une première nappe plane constituée par deux parties symétriques inscrites dans des angles opposés par le sommet et formées par des dents alternées disposées de part et d'autre d'une ligne centrale, ces deux parties étant du type de celles d'une antenne log-périodique, caractérisée en ce que ladite antenne plane comporte une seconde nappe plane, disposée dans un plan parallèle au plan de la première nappe et symétrique de celle-ci par rapport à un axe médian et parallèle aux directions des lignes centrales des deux nappes, et en ce que les couples de parties en regard des deux nappes sont alimentés indépendamment, les parties d'un couple quelconque étant alimentées en opposition de phase, de telle sorte que le centre de phase de chaque couple s 'éloigne du centre de l'antenne proportionnellement à la longueur d'onde de fonctionnement. Selon un autre aspect de l'invention, il est aussi prévu un aérien bipolarisation à rayonnement transversal et à très large bande caractérisé en ce qu'il comporte deux antennes planes telles que définies ci-dessus, disposées orthogonalement dans les mêmes plans, les centres des nappes des deux antennes étant communs. Un des avantages importants de l'antenne selon l'invention est qu'elle présente une grande pureté de polarisation. En effet, seules les dents résonnantes des quatre parties participent au rayonnement de l'antenne ; les courants dans les lignes centrales des deux nappes annulent leurs effets et ne provoquent donc pas de champ parasite en polarisation croisée. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints ou - la figure 1 représente une antenne plane log-périodique connue - la figure 2 représente une première variante d'une antenne selon l'invention vue de face - les figures 3a et 3b schématisent l'alimentation des quatre parties de l'antenne de la figure 2 - la figure 4 montre un diagramme de rayonnement d'une demi-antenne en présence de l'autre - la figure 5 est un diagramme de rayonnement correspondant à celui de la figure 4 en présence d'un plan réflecteur - la figure 6 représente une seconde variante de l'antenne selon l'invention vue de face - les figures 7a et 7b schématisent l'alimentation des quatre parties de l'antenne de la figure 6 - les figures 8 et 9 représentent le schéma de diverses variantes de réalisation des dents de l'antenne selon l'invention - la figure 10 représente un aérien bipolarisation selon l'invention ; et - la figure Il est une vue schématique partielle de côté de l'antenne selon l'invention avec son alimentation. La figure l représente une antenne plane log-périodique connue et a déjà été décrite ci-dessus. Cette antenne comprend deux demi-antennes ou parties indissociables, alimentées en opposition de phase, et symétriques par rapport au centre de l'antenne. Le principe de base de l'invention consiste à disposer sur les deux faces planes parallèles d'un support diélectrique S deux antennes planes log-périodiques similaires comme représenté sur la figure 2. On constitue donc une première nappe formée des parties 1 et l', identique à l'antenne de la figure l et disposée sur la face avant de l'antenne selon l'invention. Cette nappe est représentée en traits pleins. Les deux parties 1 et l' sont symétriques par rapport au centre I de la nappe. Elles comprennent respectivement des lignes centrales Li et L'1 portant des dents alternées perpendiculaires VI et Vll. Ces parties sont alimentées respectivement aux points 0l et 011. La seconde nappe est formée des parties 2 et 2'. Elle est également similaire à l'antenne de la figure 1 et est disposée en regard de la première nappe sur la face arrière de l'antenne selon l'invention. Cette nappe est représentée en tirets. Les deux parties 2 et 2' sont symétriques par rapport au centre de cette seconde nappe. Elles comprennent respectivement des lignes centrales L2 et L'2 portant des dents alternées perpendiculaires V2 et V'2. Ces parties sont alimentées respectivement aux points 02 et 0'2. Les deux nappes sont disposées de telle sorte qu'elles soient symétriques par rapport à un axe X'X médian, parallèle aux directions des lignes centrales Li, L'1, L2, L'2. En supposant qu'on alimente les deux parties 1 et ll en opposition de phase comme dans le cas de l'antenne connue et qu'on fasse de même pour les parties 2 et 2', si l'on veut conserver les directions de maximum de rayonnement perpendiculaires aux plans des deux nappes, il est nécessaire d'alimenter les deux nappes en opposition de phase et l'on arrive au schéma de la figure 3a. La figure 3b indique les tensions d'alimentation E et -E vis-à-vis d'une masse fictive M. A partir de ces schémas, il est clair que l'on peut établir une équivalence entre une antenne constituée de deux demi-antennes (1, 1') et (2, 2') et une antenne constituée de deux demi-antennes (1, 2) et (1', 2'). Cette dernière antenne est constituée de deux demi-antennes dont les centres de phase s'écartent du centre de l'antenne proportionnellement à la longueur d'onde tout en conservant un rayonnement résultant transversal alors que l'une quelconque de ces demi-antennes (1, 2) ou (11, 2') donnerait un rayonnement axial avec un maximum dirigé vers le sommet. L'antenne de la figure 2 peut donc être considérée comme formée de deux couples de parties (1, 2) (li, 2') constituant deux demi-antennes alimentées séparément, les parties de chaque demi-antenne étant alimentées en opposition de phase. Le rayonnement de chaque demi-antenne ainsi définie est, en présence de l'autre demi-antenne, également quasitransversal, comme cela est représenté sur la figure 4 qui représente le rayonnement de la demi-antenne (1, 2) en présence de la demi-antenne (l', 2'). Le maximum de rayonnement est approximativement dans une direction inclinée à 300 par rapport à la normale aux plans des nappes. La figure 5 représente le diagramme obtenu dans les mêmes conditions quand l'antenne est placée devant un plan réflecteur 4, mode de fonctionnement préféré où on obtient un rayonnement unidirectionnel. Une telle antenne selon l'invention peut être utilisée pour l'émission ou la réception à très large bande d'une onde polarisée rectilignement. Elle peut constituer un aérien d'interférométrie à large bande. Dans ce cas, on mesure la différence de phase des signaux reçus sur chacune des demi-antennes (1, 2) et (1', 2'). Comme les centres de phase de ces demi-antennes s'écartent du centre de l'antenne proportionnellement à la longueur d'onde, on obtient directement l'angle d'arrivée des signaux sans avoir besoin de connaître la fréquence et ceci sur une très large bande, ce qui est extrêmement avantageux. D'autre part, en choisissant correctement l'angle dans lequel s'inscrivent les parties de l'antenne, on peut effectuer cette mesure sans ambiguïté sur une couverture angulaire d'environ + 600 autour de la normale aux plans des nappes. L'antenne selon l'invention peut également être utilisée comme antenne monopulse. En effet, si l'on met en parallèle les deux demi-antennes (1, 2) et (1', 2') en opposition de phase, on obtient un diagramme somme (maximum de rayonnement dans la direction normale aux plans des nappes) et si on les met en parallèle en phase, on obtient un diagramme différence (rayonnement nul dans la direction normale aux plans des nappes). La figure 6 représente une autre variante de l'antenne selon l'invention. Ici les deux parties d'une nappe sont symétriques par rapport à un axe du plan de la nappe perpendiculaire à la direction des lignes centrales et passant par le centre de la nappe. Ainsi, sur la figure 6, les parties 11 et 11' sont symétriques par rapport à l'axe YY' passant par le centre I et perpendiculaire à la direction des lignes centrales L11 et L'11. Par tailleurs, les deux nappes 11, 11' et 12, 12' sont toujours symétriques par rapport à l'axe XX' médian. Les mêmes remarques que celles faites au sujet de la variante de la figure 2 s'appliquant, dans les mêmes conditions, on arrive aux schemas d'alimentation des figures 7a et 7b correspondant à ceux des figures 3a et 3b.On remarque qu'ici aussi les deux parties d'un couple formant une demi-antenne doivent être alimentées en opposition de phase. Une telle antenne peut être utilisée dans les mêmes applications que celle de la figure 2. La seule différence, dans le cas d'une application monopulse, est qu'on obtient un diagramme somme lors d'une mise en parallèle en phase des deux demi-antennes (11, 12) et (11', 12') et un diagramme différence si on les met en parallèle en opposition de phase. La figure 8 représente des variantes de géométrie des dents pour obtenir de plus grandes largeurs de bande sans accroître les dimensions de l'antenne. Pour cela, les dents vers le centre, telles les dents 20, 20' sont rectilignes et minces. Par contre vers l'extérieur, les dents sont aménagées pour baisser leur fréquence de résonance. Soit on élargit les dents extérieures, telles les dents 21, 21', soit on effectue un repliement de celles-ci, comme représenté pour les dents 22, 22'. La figure 9 représente des variantes de réalisation possible de l'ensemble des dents. Dans la variante de gauche sur la figure 9, les dents (23, 23') ont la forme de segments de couronnes circulaires centrées sur l'axe de la ligne centrale correspondante. A droite sur la figure 9, on a représenté une variante où les dents 24, 24' sont rectilignes et inclinées d'un angle a par rapport à la direction des lignes centrales et de l'axe XX'. Il est clair que l'on peut imaginer d'autres variantes dans la réalisation des dents sans sortir du cadre de l'invention. Un mode de réalisation préféré des antennes décrites sur les figures 2 et 6 est une réalisation sous la forme d'un circuit imprimé double face qui permet l'obtention simple et précise du dessin des deux nappes, l'alignement des deux nappes n'étant d'ailleurs pas très critique. L'épaisseur du circuit imprimé S est alors choisie en fonction de la bande de fréquence que l'on veut couvrir, c'est-à-dire de la fréquence la plus élevée de la bande. Avec un circuit imprimé réalisé sur verre téflon de constante diélectrique inférieure à 2,5 et d'épaisseur inférieure à un millimètre, il est possible de couvrir des bandes allant jusqu'à 18 GHz. La figure 10 représente un aérien bipolarisation selon l'invention obtenu en regroupant sur le même support S deux antennes semblables à celle de la figure 2 (on pourrait également utiliser des antennes selon la figure 6) disposées orthogonalement. Il suffit de choisir correctement la géométrie des nappes (en particulier l'angle dans lequel est inscrit chaque partie doit être inférieur à 900). Les nappes de l'antenne (1, 2) (1', 2') sont symétriques par rapport à l'axe XX' et les nappes de l'antenne (5, 6) (5', 6') sont symétriques par rapport à l'axe médian parallèle à l'axe YY'. Un des problèmes qui peut se poser pour toutes ces antennes, et en particulier pour l'aérien de la figure 10, est celui de la disposition physique des lignes d'alimentation. En effet, dans le cas d'une alimentation bifilaire de chaque demi-antenne perpendiculairement aux plans de l'antenne on dispose de relativement peu de place au centre de l'antenne où cette alimentation implique un encombrement notable en volume. Une solution particulièrement avantageuse est représentée sur la figure 11 où on a prévu une alimentation de chaque demi-antenne du type "autobalun". Pour cela, on utilise un câble coaxial 30 dont le conducteur extérieur 31 est soudé à la ligne centrale L'11 sur toute sa longueur et dont le conducteur interne 32 est amené, par une partie courbe 33 passant à travers un trou du support (non représenté), à la ligne centrale L'12 de la partie en regard, à laquelle il est soudé en 35. Pour compenser le câble coaxial 30 et obtenir une symétrisation, on utilise un câble fictif constitué par un conducteur creux 34 identique au conducteur extérieur 31 et soudé à la ligne L'12 sur toute sa longueur. On obtient ainsi une alimentation parallèle au plan de l'antenne, l'alimentation s'effectuant par le câble coaxial à partir de la périphérie de l'antenne et non du centre. Les différentes antennes décrites ici peuvent naturellement être utilisées aussi comme sources primaires pour un réflecteur (parabolique ou autre). Bien entendu, les exemples de réalisation décrits ne sont nullement limitatifs de l'invention. REVENDICATIONS 1. Antenne plane à rayonnement transversal à polarisation rectiligne et à très large bande comportant une première nappe plane constituée par deux parties symétriques (1, 1o; 11, i1') inscrites dans des angles opposés par le sommet et formées par des dents (V1, V'1) alternées de part et d'autre d'une ligne centrale (lui, L'1), ces deux parties étant du type de celles d'une antenne log-périodique, caractérisée en ce que ladite antenne plane comporte une seconde nappe plane (2, 2' ; 12, 12'), disposée dans un plan parallèle au plan de la première nappe et symétrique de celle-ci par rapport à un axe (XX') médian et parallèle aux directions des lignes centrales (L1, L'î ; L2, L'2) des deux nappes, et en ce que les couples (1, 2 ; 1', 2'; 11, 12 ; 11', 12') de parties en regard des deux nappes sont alimentés indépendamment, les parties d'un couple quelconque étant alimentées en opposition de phase, de telle sorte que le centre de phase de chaque couple s'éloigne du centre de l'antenne proportionnellement à la longueur d'onde de fonctionnement. 2 Antenne plane selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux parties (1, 1' ; 2, 2') d'une nappe sont symétriques par rapport au centre (I) de la nappe. 3. Antenne plane selon la revendication 2, caractérisée en ce que les deux couples (1, 2 ; 1', 2') sont mis en parallèle en phase ou en opposition de phase pour obtenir respectivement un diagramme différence ou somme sensiblement indépendant de la fréquence, de manière à réaliser une antenne de type monopulse. 4. Antenne plane selon la revendication 2, caractérisée en ce que, en réception, on mesure la différence de phase entre les signaux reçus par chacun des deux couples (1, 2 ; 1', 2') pour déterminer l'angle d'arrivée des signaux reçus, de manière à réaliser un aérien d'interférométrie à très large bande. 5. Antenne plane selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux parties (11, îî' ; 12, 12') d'une nappe sont symétriques par rapport à un axe (YY') passant par le centre (I) de la nappe et perpendiculaire à la direction des lignes centrales (L11, L11' ; L12, L12'). 6. Antenne plane selon la revendication 5, caractérisée en ce que les deux couples (11, 12 ; 11', 12') sont mis en parallèle en phase ou en opposition de phase pour obtenir respectivement un diagramme somme ou différence sensiblement indépendant de la fréquence, de manière à réaliser une antenne de type monopulse. 7. Antenne plane selon la revendication 5, caractérisée en ce que, en réception, on mesure la différence de phase entre les signaux reçus par chacun des deux couples (11, 12 ; 11', 12') pour déterminer l'angle d'arrivée des signaux reçus, de manière à réaliser un aérien d'interférométrie à très large bande. 8. Antenne plane selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les dents (20, 20') disposées au voisinage du centre (I) des nappes sont rectilignes et minces alors que les dents (21, 21') disposées vers l'extérieur des nappes sont élargies, de manière à abaisser leur fréquence de résonance. 9. Antenne plane selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les dents (20, 20') disposées au voisinage du centre (I) des nappes sont rectilignes et minces et en ce que les dents (22, 22') disposées vers l'extérieur des nappes sont minces et repliées à leur extrémité, de manière à abaisser leur fréquence de résonance. 10. Antenne plane selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que lesdites dents (23, 23') ont une forme sensiblement de segments de couronne circulaire centrés sur l'axe des lignes centrales correspondantes. 11. Antenne plane selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que lesdites dents (24, 24') sont sensiblement rectilignes et inclinées d'un angle (a) donné par rapport audit axe médian (XX'), parallèle aux directions des lignes centrales. 12. Antenne plane selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que les deux parties (1, 2 ; 1', 2' ; 11, 12 ; 11', 12') d'un couple quelconque sont alimentées par un dispositif du type autobalun, constitué par une ligne coaxiale (30), dont le conducteur extérieur (31) est en contact avec la ligne centrale (L'11) d'une des deux parties sur toute la longueur de celle-ci, et par un conducteur creux (34) identique audit conducteur extérieur (31) et disposé en contact avec la ligne centrale (L'12) de l'autre partie du couple sur toute sa longueur, pour équilibrer le dispositif, le conducteur intérieur (32) de la ligne coaxiale (30) étant replié (33) au centre de l'antenne pour être connecté à travers le plan de l'antenne à l'extrémité, côté centre de l'antenne, de la ligne centrale (L'12) de ladite autre partie et audit conducteur creux, l'alimentation s'effectuant donc par ladite ligne coaxiale à partir de la périphérie de l'antenne. 13. Antenne plane selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce qu'elle est réalisée sous forme d'un circuit imprimé double face (S), dont l'épaisseur est déterminée en fonction de la bande de fréquence souhaitée, les nappes de l'antenne étant réalisées respectivement sur les deux faces dudit circuit imprimé. 14. Aérien bipolarisation à rayonnement transversal et à très large bande, caractérisé en ce qu'il comporte deux antennes planes selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, disposées orthogonalement dans les mêmes plans, les centres des nappes des deux antennes étant communs.