Brevet FR2714532A1 — publié le 19950630

Réseau rayonnant à sous-réseaux imbriqués pour antenne à balayage lectronique sur angle limité La présente invention concerne un réseau rayonnant pour antenne à balayage électronique. Elle s'applique aux antennes dites "à balayage sur angle limité" c'est-àdire aux antennes qui n'assurent un balayage que sur un angle limité (typiquement, de l'ordre de i 5 à i 30 ), par opposition aux antennes assurant un balayage sur tout l'horizon ou sur une fraction importante de l'horizon, telles que les antennes utilisées dans les radars dits "panoramiques" ou "de pointe avant". Le balayage électronique est réalisé grâce à un réseau de sources rayonnantes élémentaires alimentées chacune avec un déphasage variable et contrôlé, de manière que le cumul des différents déphasages, combiné au pas du réseau, produise un "lobe principal" dont la direction avec l'axe central du réseau forme un angle variable. La figure 1 représente la position angulaire de ce lobe principal, dont la direction forme un angle e par rapport à l'axe central du réseau, qui correspond à l'origine des coordonnées sur la figure. En modifiant les déphasages des différentes sources rayonnantes, on fait varier la valeur de e, ce qui permet d'exécuter le balayage. Pour pouvoir réaliser un balayage électronique satisfaisant, on montre qu'il faut que le pas p du réseau soit compris entre A/2 et , A étant la longueur d'onde correspondant à la fréquence de fonctionnement de l'antenne. En effet, cette condition permet d'assurer un balayage sans apparition de "lobe de réseau" parasite, le lobe de réseau étant un lobe qui apparait lorsque p est supérieur à /2 et qui vient s'ajouter au lobe principal. Ce lobe de réseau a été représenté sur la figure 1, avec une orientation + par rapport à l'axe central de l'antenne. Le lobe de réseau n'est généralement pas symétrique du lobe principal, et il n'est en outre pas fixe, l'angle + variant (en valeur algébrique) dans le même sens l'angle e, ce qui a été illustré par les deux flèches portées sur la figure 1. On voit donc que le choix d'un diagramme élémentaire sectoral suffisamment étroit permet d'assurer la réjection du lobe de réseau hors de ce diagramme, évitant ainsi que ce lobe de réseau ne vienne perturber le diagramme de l'antenne. On montre cependant que, pour que cette condition de réjection soit vérifiée, il est nécessaire que le pas du réseau ne soit pas supérieur à la valeur /2sine, O étant l'angle maximal de balayage ; au delà de cette valeur, le lobe de réseau entrera dans le diagramme sectoral pour les valeurs les plus élevées de e, perturbant ainsi ce diagramme. La présente invention a précisément pour objet de proposer un réseau rayonnant permettant de pallier ces inconvénients. Elle est basée sur la technique dite des "sous-réseaux imbriqués", qui permet d'augmenter le pas effectif d'un réseau sans pour autant provoquer l'apparition de lobes de réseau dans le diagramme sectoral. Cette technique, en elle-même connue, est illustrée schématiquement sur la figure 2. Elle consiste à alimenter une pluralité d'antennes élémentaires 1 formant le réseau par des guides d'ondes parallèles 2 (ou des lignes coaxiales), décalées les unes par rapport aux autres et alimentées par d'autres guides d'ondes 3, disposés perpendiculairement, de manière que chacun des guides d'ondes primaires 3 vienne croiser plusieurs des guides d'ondes secondaires 2. Au croisement de chacun des guides d'ondes 2 et 3 est placé un coupleur directif 4 permettant de dériver une partie de l'énergie radioélectrique véhiculée par chacun des guides d'ondes 3 vers les différents guides d'ondes secondaires 2 croisant celui-ci. Les guides d'ondes primaires 3 sont alimentés chacun par des déphaseurs contrôlés 6 réunis à un distributeur commun 7. Pour éviter les réflexions parasites en bout de guide, une impédance de charge 5 est placée à l'extrémité libre de chacun des guides primaires 3. Cette imbrication permet ainsi d'avoir une pluralité de sources rayonnantes Si, S2, S3,... chacune formée d'une pluralité d'antennes élémentaires 1. Dans l'exemple illustré schématiquement figure 2, chacune de ces sources est constituée de quatre antennes élémentaires alimentées par un même guide primaire 3 et un même déphaseur 6. Cette configuration permet d'une part d'avoir un pas effectif entre les antennes d'élémentaires qui soit supérieur au pas maximal que l'on aurait avec un réseau classique, sans pour autant que n'apparaisse de lobe de réseau. Elle permet d'autre part d'avoir un nombre inférieur de déphaseurs, puisque chaque déphaseur est désormais commun à une pluralité d'antennes élémentaires, du fait de l'imbrication ; ces déphaseurs étant des circuits électroniques coûteux, cette configuration permet de réduire le prix de revient de la partie électronique de l'antenne. Le principe des réseaux imbriqués a cependant été peu utilisé jusqu'à présent du fait de son coût élevé, dû à l'emploi de guides d'ondes ou coaxiaux et de coupleurs directifs, qui sont des éléments complexes et coûteux à réaliser. Du fait de ce coût de réalisation, il n'est pas possible de multiplier autant qu'on le souhaiterait le nombre d'antennes élémentaires formant une même source, ce qui limite de façon importante l'angle d'ouverture du diagramme sectoral. L'invention se propose de pallier cette limitation grâce à une technique de réalisation des sous-réseaux imbriqués qui permette d'avoir, pour chaque ligne d'alimentation primaire, un nombre élevé de coupleurs et donc un nombre élevé de sources rayonnantes, sans pour autant aboutir à une complexité de conception et de réalisation qui la rende inapplicable en pratique. Comme on le verra, la technique proposée par la présente invention est mécaniquement très simple, ce qui la rend peu coûteuse à réaliser. En outre, son poids et son encombrement son très réduits, ce qui est particulièrement avantageux dans le cas de radars aéroportés. A cet effet, le réseau de l'invention, qui est du type précité à sousréseaux imbriqués, est caractérisé en ce que les lignes d'alimentation sont des lignes disposées selon une configuration triplaque entre deux plans de masse conducteurs parallèles, et en ce que les coupleurs sont des coupleurs quasi-optiques faisant rayonner directement en espace libre entre les deux plans de masse, parallèlement à ceux-ci et en direction transversale par rapport aux lignes d'alimentation, l'onde extraite de ces lignes d'alimentation. Selon un certain nombre de caractéristiques avantageuses: - les coupleurs sont formés de paires d'obstacles conducteurs, notamment des pions cylindriques, disposés sur les plans de masse en saillie vers l'intérieur et placés face à la ligne d'alimentation, de manière à constituer des sources directives rayonnantes en direction transversale - les obstacles de chaque paire d'obstacles sont décalés en direction longitudinale, et les paires d'obstacles successifs sont placés alternativement sur un plan de masse et sur l'autre. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture détaillée de la description ci-dessous d'un mode de réalisation, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1, précitée, illustre le problème de l'apparition du lobe de réseau et de son interférence sur le diagramme élémentaire sectoral de l'antenne, - la figure 2, précitée, illustre schématiquement le principe des sous réseaux imbriqués, tel qu'il avait été proposé par l'art antérieur, - la figure 3 est une vue en plan du réseau rayonnant de la présente invention, - la figure 4 est une coupe selon IV-IV de la figure 3, montrant une vue détaillée partielle des principaux éléments de ce réseau, et - la figure 5 est un diagramme gain/angle, relevé pour un réseau rayonnant du type de celui de la figure 3. Le réseau de la présente invention, illustré figure 3 et 4, est disposé entre deux plans parallèles 10 et 20, qui sont les plans de masse classique de la structure dite "triplaque", c'est-à-dire une structure dans laquelle la ligne de transmission est constituée par un conducteur plat formant âme de coaxial, placé à mi-hauteur entre deux conducteurs de masse plans (idéalement, prolongés à l'infini), équipotentiels, constituant le conducteur périphérique de retour du coaxial. On dispose ainsi une pluralité de conducteurs 30, parallèlement les uns aux autres et décalés d'un pas p en direction longitudinale (par "direction longitudinale" on entendra la direction générale de ces conducteurs d'alimentation). Les lignes d'alimentation 30 sont reliées à l'une de leur extrémité à des déphaseurs 70, et comportent à leur extrémité libre des impédances de charge 80 évitant des réflexions parasites et des problèmes d'ondes stationnaires. Ces lignes d'alimentation véhiculent une onde TEM guidée, antisymétrique. De façon caractéristique de l'invention, on dispose sur les plans de masse 10 ou 20, en face des lignes d'alimentation, des paires d'obstacles 40, 40', par exemple des pions cylindriques. Ces obstacles vont constituer chacun une source rayonnante secondaire directive émettant une onde en mode pair TEM se propageant entre les deux plans de masse 10 et 20, parallèlement à ceux-ci en direction transversale (c'est à dire selon une direction perpendiculaire à la direction longitudinale précitée). Cette direction est désignée "direction de rayonnement" sur la figure 3. Une partie de l'onde véhiculée par la ligne d'alimentation 30 va ainsi être rayonnée transversalement (flèche 60 sur la figure 3), tandis que le reste (flèche 50) va continuer à se propager longitudinalement dans la ligne. L'onde va alors rencontrer les paires de pions suivantes, qui vont provoquer un autre rayonnement en direction transversale, et ainsi de suite. On voit ainsi que l'on retrouve le principe de base des sous-réseaux imbriqués avec une pluralité de sources rayonnantes élémentaires sur une même ligne d'alimentation. On peut ainsi multiplier le nombre de sources par rapport au nombre de déphaseurs et avoir un pas p de répetition du motif qui soit supérieur à la longueur d'onde A, sans pour autant provoquer l'apparition de lobe de réseau dans le diagramme élémentaire sectoral. Cependant, à la différence des sous-réseaux imbriqués de l'art antérieur (figure 2), les sous-réseaux imbriqués de la présente invention ne comportent ni lignes secondaires (repérées 2 sur la figure 2) ni éléments rayonnants (repérés 1 sur la figure 2) en bout de cette ligne secondaire. En effet, ce sont les paires de pions 40, 40' qui assurent à la fois la fonction de coupleur directif et d'élément rayonnant en prélevant une partie de l'énergie électromagnétique et en la faisant rayonner directement, en espace libre, entre les deux plans de masse. Le couplage, c'est-à-dire la fraction de l'énergie qui sera rayonnée transversalement, est déterminé essentiellement par la hauteur h des pions 40, 40' et par leur distance d par rapport à la ligne d'alimentation 30. Ces pions 40, 40', sont décalés en direction longitudinale (une dissymétrie est créée pour pouvoir produire le rayonnement transversal) et, pour une même ligne de transmission, ils sont placés alternativement sur un plan de masse et sur l'autre. D'une ligne à l'autre toutes les paires de pions 40, 40' sont identiques, mais elles ne le sont pas tout à fait le long d'une même ligne. en effet, le pas longitudinal x des paires de pions, qui doit être de l'ordre d'une demi-longueur d'onde, doit être voisin de cette valeur mais doit en être différent pour éviter l'apparition d'ondes stationnaires. La loi de variation du pas x des paires de pions est calculée par des méthodes numériques et par approximations successives, en fonction de la fraction d'énergie à rayonner à chaque point et compte tenu du couplage mutuel avec les paires de pions adjacentes. Il y a également lieu d'ajuster le déphasage de l'onde en décalant légèrement la position des pions le long de la ligne, pour tenir compte du fait que la phase de l'onde véhiculée par la ligne d'alimentation tourne le long de cette ligne. En ce qui concerne la réalisation matérielle, on utiise la technologie triplaque, bien connue de l'homme de l'art. Les plans de masse 10, 20 sont par exemple réalisés en aluminium, les lignes d'alimentation 30 et les pions 40, 40' étant eux réalisés en cuivre ou en laiton. On constate ainsi, que grâce à cette technique, on peut sans difficulté prévoir un nombre élevé de paires de pions pour chaque ligne d'alimentation, correspondant donc à un nombre élevé de sources élémentaires, typiquement de l'ordre de douze à quinze (valeur très supérieure à ce que l'on pouvait, en pratique, réaliser avec les techniques de sous-réseaux imbriqués de l'art antérieur utilisant des guides et des coupleurs). La figure 5 montre le diagramme correspondant à un tel système rayonnant, relevé pour une fréquence de 5,66 GHz, avec dix-neuf sources et un pas de réseau de 28 mm. On voit que l'on obtient sans difficulté un angle d'ouverture a du diagramme de 30 environ à -3 dB. Le réseau rayonnant de la présente invention s'applique de façon particulièrement avantageuse dans les bandes L, S et C (1 à 8 GHz), pour diverses applications telles que les systèmes micro-ondes d'aide à l'atterrissage, les radars de contre-batterie ou les radars multi-cibles. De façon générale, ce réseau peut s'appliquer à toutes les bandes de fréquence pour lesquelles on a une propagation quasi-optique, la limite supérieure ne dépendant que des possiblités de réalisation matérielle des lignes et des coupleurs avec une précision mécanique suffisante. REVENDICATIONS 1. Un réseau rayonnant pour antenne à balayage électronique sur angle limité, du type à sous-réseaux imbriqués, comportant une pluralité de lignes d'alimentation parallèles, identiques, décalées les unes par rapport aux autres et alimentées conjointement avec un déphasage propre fonction de l'orientation voulue de la direction de balayage, chacune de ces lignes d'alimentation étant pourvue sur sa longueur d'une pluralité de coupleurs directifs permettant d'extraire de la ligne d'alimentation une fraction de l'onde véhiculée par celle-ci pour la faire se propager en direction transversale par rapport à la ligne d'alimentation, les coupleurs directifs adjacents respectifs des différentes lignes étant alignés suivant cette direction transversale, caractérisé en ce que les lignes d'alimentation (30) sont des lignes disposées selon une configuration triplaque entre deux plans de masse conducteurs (10,20) parallèles, et en ce que les coupleurs sont des coupleurs quasi-optiques faisant rayonner directement en espace libre entre les deux plans de masse, parallèlement à ceux-ci et en direction transversale par rapport aux lignes d'alimentation, l'onde extraite de ces lignes d'alimentation. 2. Le réseau rayonnant de la revendication 1, dans lequel les coupleurs sont formés de paires d'obstacles conducteurs (40,40') disposés sur les plans de masse en saillie vers l'intérieur et placés face à la ligne d'alimentation, de manière à constituer des sources directives rayonnantes en direction transversale. 3. Le réseau rayonnant de la revendication 2, dans lequel les obstacles de chaque paire d'obstacles sont décalés en direction longitudinale. 4. Le réseau rayonnant de l'une des revendications 2 et 3, dans lequel les paires d'obstacles successifs sont placés alternativement sur un plan de masse et sur l'autre. 5. Le réseau rayonnant de l'une des revendications 2 à 4, dans lequel lesdits obstacles sont des pions cylindriques.