Brevet FR2738401A1 — publié le 19970307

ANTENNE RESEAU A COUVERTURE ANGULAIRE ELARGIE La présente invention concerne une antenne réseau à couverture angulaire élargie. Une telle antenne peut être utilisée toutes les fois qu'une large couverture angulaire est recherchée, que ce soit au sol ou sur un système embarqué. Ce peut être en radar pour des veilles ou des poursuites sur de grands angles, ou en télécommunications pour des liaisons entre mobiles ou entre mobile et point fixe (liaisons avec satellite par exemple). On connaît, depuis plusieurs décennies, les principes de fonctionnement et les possibilités des antennes constituées d'un réseau plan d'éléments rayonnants identiques contrôlés en phase et, éven- tuellement, en amplitude. Une des caractéristiques majeures de ce type d'antenne est que son gain décroit lorsque la direction d'observation s'éloigne de la normale à l'antenne. Ainsi, si e est l'angle entre la normale et la direction d'observation, la surface apparente de l'antenne décroit environ comme cos e, ce qui réduit considérablement les possibilités de détection au délà de 450 I1 s'agit d'une loi physique qui ne laisse aucun espoir quant à l'amélioration de cette situation. Les méthodes adoptées pour contourner ce problème appartiennent à l'une ou l'autre des cinq catégories suivantes: - L'antenne réseau 1 est montée sur une mécanique d'orientation permettant de la diriger vers le secteur angulaire à explorer (figure 1). - Un réflecteur 2 à rotation mécanique est associé à une antenne réseau 1 de telle sorte que le faisceau émis puisse être réfléchi (éventuellement focalisé) par le réflecteur (figure 2). La direction d'observation e est alors fixée cumulativement, par une première orientation suivant un angle e1 donné par le réseau, et par une deuxième orientation déterminée par le positionnement mécanique du réflecteur (angle a). Le réseau peut rayonner directement, jusqu'à e = 60 par exemple, (c'est le cas du rayonnement (a)) ou par l'intermédiaire d'une réflexion sur le miroir 2, pour les grands angles (c'est le cas du rayonnement (b)).La surface apparente de l'antenne réseau dans la direction considérée est dans ce dernier cas artificiellement accrue, comme on peut le voir sur la figure 2 par comparaison entre les ouvertures L1 et L2 de deux faisceaux de même direction, émis l'un directement et l'autre par réflexion sur le réflecteur. - Plusieurs antennes-réseaux fixes 11, 12, 13... sont associées, chacune d'elles étant orientée vers un secteur angulaire donné (il en faut 4 ou 5 pour une couverture hémisphérique) (figure 3). - L'antenne est un réseau continu unique, dont la forme est celle d'une figure de révolution (cylindre, hémisphére ou autre). Seuls les éléments vus depuis la direction d'observation sont alimentés et contrôlés en phase (figure 4). - L'antenne réseau plan rayonne à travers une lentille divergente 3 amplifiant la déflexion du faisceau (figure 5). Les inconvénients de ces solutions s'expriment en termes d'efficacité opérationnelle ou de rendement. De façon évidente les deux premières solutions n'autorisent pas la couverture instantanée d'un large secteur angulaire. De plus, et plus spécialement pour les applications aéroportées, la présence d'une mécanique d'orientation du réseau complique énormément la réalisation de l'antenne. Les trois autres catégories de solution sont défavorables en ce qui concerne le rapport du gain maximal de l'antenne au nombre d'éléments implantés. Il est typiquement inférieur, dans un rapport 3 à 5, à celui d'une antenne réseau plan. L'invention diminue les inconvénients qui viennent d'être cités au prix, il est vrai, de la présence d'un élément nouveau qui sera appelé par la suite "réflecteur électronique à transparence contrôlée". Le coût de fabrication de celui est cependant très inférieur à celui du triplement ou quintuplement du nombre d'éléments rayonnants. En outre, pour les radars aéroportés où l'antenne est logée dans le nez de l'avion, l'invention utilise au mieux le volume disponible. L'antenne réseau à couverture angulaire élargie, suivant l'invention, comportant un réseau bidimensionnel d'éléments rayonnants contrôlés en phase, est essentiellement caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un réflecteur à transparence contrôlée (2) formé lui-même par juxtaposition, sur une structure enveloppant le réseau, au moins partiellement, du côté où l'on veut bénéficier d'une couverture angulaire élargie, d'un ensemble de cellules (2i) à deux états : transparent ou réfléchissant, commandées en transparence (T), soit dans la zone d'interception par cette structure du faisceau directement émis par le réseau, lorsque la direction de ce faisceau fait un angle relativement faible avec la normale au réseau, soit dans la zone d'interception, par cette structure, d'un faisceau faisant un angle relativement grand avec la normale au réseau, et réfléchi par cette structure en réponse à un faisceau incident émis par le réseau, la zone d'interception de ce dernier étant alors commandée en réflexion (R). La localisation des zones de transparence et de réflexion est ainsi définie à l'émission, étant entendu que l'antenne fonctionne de la même façon à la réception. D'autres objets et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, faite en relation avec les dessins ciannexés dans lesquels: - les figures 1 à 5 sont des schémas relatifs à l'art antérieur - les figures 6, 6a, 6b, 6c, 7 et 8 représentent schématiquement un exemple de réalisation d'une antenne suivant l'in invention; - les figures 9 et 10 représentent un autre exemple de réalisation d'une antenne suivant l'invention. Un exemple de réalisation d'une antenne suivant l'invention est représenté schématiquement, suivant une coupe transversale, sur les figures 6, 6a, 6b et 6c et suivant une vue en perspective sur la figure 7. L'antenne suivant l'invention comporte un réseau bidimentionnel 1 d'éléments rayonnants contrôlés en phase. Ce réseau peut être une antenne réseau classique telle que la décrit la littérature ou telle que de nombreuses sociétés en réalisent. Le contrôle de phase peut être un contrôle de type lignes/colonnes, tel que le permet le procédé RADANT par exemple. Cependant, comme on le verra par la suite, de meilleures performances sont obtenues avec une antenne suivant l'invention lorsque les éléments rayonnants sont contrôlés individuellement en phase, au moyen de déphaseurs ou de lignes à retard par exemple. Comme on le verra également par la suite, un contrôle d'amplitude sur chaque élément rayonnant n'est pas indispensable au fonctionnement de l'ensemble ; on peut cependant en attendre une amélioration des performances de l'antenne. L'antenne suivant l'invention comporte également un réflecteur 2 à transparence contrôlée. Comme il apparaît plus particulièrement sur la figure 6, ce réflecteur est formé par juxtaposition d'un ensemble de cellules telles que la cellule 2i, à deux états qui sont la transparence et la réflexion totales, quelles que soit l'incidence et la polarisation du rayonnement reçu. Sur les figures 6, 6a, 6b, 6c et 7, le réflecteur 2 revêt une forme conique permettant notamment le logement de l'antenne dans le nez de l'avion. Néanmoins comme on le verra ultérieurement d'autres formes sont possibles. En fonction de la direction d'observation e choisie, deux cas se présentent, qui correspondent respectivement aux figures 6a et - L'angle e avec la normale au réseau n'est pas trop grand, par exemple inférieur à S0 (cas de la figure 6a, angle e). Alors le réseau est focalisé à l'infini au moyen des commandes de phase et le réflecteur est rendu transparent dans la zone (T) d'interception des rayons émis ou reçus directement par le réseau (rayonnement (a)). - L'angle e avec la normale au réseau est élevé, par exemple supérieur à 50 ou 600 (c'est le cas de la figure 6b, angle 42). Dans ce cas le réseau n'émet pas directement vers la direction considérée, mais par réflexion sur le réflecteur 2. Le réflecteur 2 est alors rendu réfléchissant dans la zone (R) d'interception des rayons émis ou reçus par le réseau et transparent dans la zone (T) d'interception des rayons émis ou reçus par le réflecteur (rayonnement (b)). L'existence d'un troisième état possible des cellules 2. : absorption totale, peut être mise à profit pour éliminer certains rayonnements parasites dans la mesure où il existe sur le réflecteur des zones qui ne seraient pas utiles en réflexion et qui n'auraient pas à être transparentes. Ceci apparaît sur la figure 6c où les zones d'absorption sont notées (A). La focalisation est obtenue par la loi de phase sur l'antenne réseau, mais, contrairement au cas du rayonnement direct, le réflecteur n'étant pas plan (figure 7), le réseau est focalisé sur la caustique du réflecteur de façon à ce que l'ensemble de l'antenne soit à nouveau focalisé à l'infini. En effet, lorsque le rayonnement est direct, le gain de l'antenne varie comme Go cos e. Lorsque le rayonnement passe par la réflexion sur le réflecteur, l'angle d'observation et le gain sont, en première approximation, reliés par la relation G = Go cos (4 - 2 a). On se reportera à la figure 8 pour la définition des paramètres o! et e dans le cas de rayonnement direct (4l) et dans le cas de rayonnement par réflexion sur le réflecteur (o2). En fait, la réflexion sur un cône ne permet pas de conserver le même rendement d'antenne à moins que son diamètre ne soit grand devant celui de l'antenne. En effet, considérons tous les rayons issus de la direction d'observation et rencontrant le cône (figure 7). Après traversée de la paroi du cône (en Dij), réflexion sur un autre point (intérieur) de la paroi (Bij) certains rayons vont rencontrer l'antenne en Aij.Focaliser l'antenne consiste alors à mettre sur chaque élément du réseau (défini par ses coordonnées i et j) la phase ij telle que tous les trajets optiques soient égaux (à 2xr) près, c'est-à dire ij - x Aij Bij - > Bij Cii = O (2or) (1) où les points C.. sont tous sur un même plan d'onde (r) quelles que 'J soient les coordonnées i et j. Cette opération ne rend cepandant pas maître de la quantité d'énergie reçue par chaque élément. Il est clair que l'énergie réfléchie par le réflecteur n'est pas uniformément répartie sur l'antenne et que cette répartition dépend à la fois de la forme du réflecteur, de ses dimensions et de la direction d'observation chaque cas doit être analysé mais il est facile de voir que si le diamètre du réflecteur augmente, la zone concernée par les rayons renvoyés sur l'antenne se rapproche d'un plan et la répartition d'énergie sera plus uniforme sur l'antenne. De même, pour les angles les plus faibles d'utilisation du réflecteur, le contour de la surface utile de réflexion est nettement "trapézoïdal" voire triangulaire, et la symétrie de l'éclairement n'est pas obtenue (figure 7). I1 serait donc préférable, du point de vue du rendement et de la forme du faisceau de pouvoir contrôler la fonction de transfert en amplitude de chaque élément du réseau. Ceci implique la présence d'amplificateurs dans les modules du réseau : en contrôlant soit le gain des amplificateurs à l'émission, soit l'atténuation après amplification en réception, on peut optimiser le rendement de l'antenne ainsi que la symétrie du faisceau principal, ce qui améliore la fonction d'écartométrie. Le calcul de la zone de réflecteur concernée, à mettre en position de réflexion totale, ainsi que le calcul des phases (et éventuellement des amplitudes) sur l'antenne ne peut pas a priori se faire en temps réel dans le calculateur d'antenne : le volume des calculs paraît trop important. Ces calculs comportent: - calculs géométriques pour déterminer les points d'entrée dans le réflecteur (Dij) (calcul de la zone de transparence T), les points de réflexion (Bij) (calcul de la zone de réflexion R, définie sur la figure 7 par son contour (a)), le point de rencontre de chacun des rayons incidents avec le réseau (Aij) et la longueur du trajet Aij Bij Cij; - en première approximation la phase ij à introduire dans chaque élément du réseau ainsi que, éventuellement, la pondération d'amplitude peuvent être calculées au moyen de ce calcul géométrique par application de règles bien connues (cf relation (1) donnée précédemment);; - pour tenir compte de l'absence de contrôle de l'amplitude sur l'antenne (ou d'un contrôle partiel ou d'un compromis avec d'autres impératifs) et des effets de la diffraction, un calcul inverse, c'est dire calcul du champ créé par l'antenne sur le réflecteur puis calcul du diagramme du faisceau réfléchi, doit être effectué. Les phases (et les amplitudes) seront alors ajustées pour optimiser le faisceau suivant des critères choisis. En raison de leur volume important, ces calculs doivent être effectués lors de l'étude de l'ensemble réseau plus réflecteur. Ils seront faits complètement pour un certain nombre de directions du faisceau, suffisamment rapprochées pour ne pas laisser de "trous" dans la couverture ou pour permettre de calculer les lois de phase et d'amplitude correspondant à des directions intermédiaires au moyen de formules d'interpolation simples. On peut alors stocker dans une mémoire les lois de phase et d'amplitude ainsi que des formules paramétrées d'interpolation. Le calculateur d'antenne n'a alors à faire qu'une petite partie des calculs. Une couverture hémisphérique (4 0,85. Go si le rendement de la focalisation dans le cône était égal à l'unité. Ce n'est pas le cas et les deux façons de rayonner conduisent sans doute à des résultats voisins. Le bénéfice de l'utilisation du réflecteur est donc surtout sensible audelà de 600, ce qui représente tout de même la moitié de l'hemis- phère. D'autres performances type sont obtenues en fonction de la forme du réflecteur. La géométrie de l'ensemble dépend essentiel lement de la place disponible et de la zone angulaire à privilégier. D'une manière générale, le réflecteur doit envelopper le réseau, au moins partiellement, c'est-à-dire du côté opposé à celui où l'on veut bénéficier d'une couverture angulaire élargie. Par "envelopper on entend à la fois entourer (au moins partiellement) le réseau, et être incliné par rapport à la direction normale à celui-ci, de façon à réfléchir correctement le faisceau. Le réflecteur peut être plan, ou fait de plusieurs plans, pour priviligier des directions particulières. Sinon c'est une surface courbe. Cette surface n'est pas obligatoirement de révolution et centrée sur l'axe du réseau. Bien évidemment une forme de révo lution, centrée sur l'axe du réseau, égalise les performances pour toutes les directions ayant le même angle e par rapport à la normale au réseau, c'est-àaire quelque soit l'angle de rotation du faisceau autour de la normale au réseau. Le réflecteur peut ainsi être de forme conique, tronconique, hémisphérique ou même secteur de sphère. La difficulté de faire une surface courbe peut conduire à vouloir l'approximer par des plans, de la même façon qu'un polygone pour approximer un cercle (figure 9). I1 y a dans ce cas une détérioration des performances dépendant de la position du faisceau par rapport aux arêtes du réflecteur. Pour limiter les dégradations dues aux arêtes, les plans formant le réflecteur peuvent être raccordés par des surfaces courbes (figure 10) ce qui localise les difficultés de construction. Partant par exemple d'un réseau plan de diamètre Q le réflecteur s'il est de révolution, peut être paramétré en fonction de son diamètre OR à la base et de l'inclinaison de sa génératrice, si elle est droite (réflecteur tronconique), ou des paramètres d'une fonction si la génératrice est courbe. Là où la place est limitée (par exemple nez d'avion) OR ne sera guère plus grand que b Le balayage sera alors limité à 90 et l'angle d'ouverture du cône réflecteur sera également compris entre 30 et 450 Pour aller au delà de 900, le diamètre du réflecteur OR devra être nettement plus grand que celui du réseau afin que les rayons réfléchis ne soient pas interceptés par l'antenne. L'angle d'ouverture du cône réflecteur sera alors assez grand (4 5 à 60 ). La présente invention n'a pas directement pour objet le réflecteur à transparence contrôlée. Aussi celui-ci ne sera décrit que de façon schématique. Chaque cellule élémentaire 2. de ce réflecteur comporte ainsi par exemple un dipôle d'entrée et un dipôle de sortie reliés entre eux par un guide d'onde sur lequel est disposé un commutateur d'onde électromagnétique (par exemple un commutateur à diodes), ce commutateur ayant deux états : un état ouvert dans lequel l'onde est aiguillée vers le dipôle de sortie (état transparent de la cellule), un état fermé dans lequel l'onde est renvoyée vers le dipôle d'entrée (état réfléchissant de la cellule), et éventuellement un troisième état dans lequel l'onde reçue est renvoyée vers une charge absorbante (état absorbant). Pour les applications aéroportées, le réflecteur peut être appliqué ou noyé dans l'épaisseur d'un radôme. REVENDICATIONS 1. Antenne réseau à couverture angulaire élargie, comportant un réseau (1) bidimensionnel d'éléments rayonnants contrôlés en phase, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un réflecteur à transparence contrôlée (2) formé lui-même par juxtaposition, sur une structure enveloppant le réseau, au moins partiellement, du côté opposé à celui où l'on veut bénéficier d'une couverture angulaire élargie, d'un ensemble de cellules (2i) à deux états : transparent ou réfléchissant, commandées en transparence (T), soit dans la zone d'interception par cette structure du faisceau directement émis par le réseau, lorsque la direction de ce faisceau fait un angle relativement faible avec la normale au réseau, soit dans la zone d'interception, par cette structure, d'un faisceau faisant un angle relativement grand avec la normale au réseau, et réfléchi par cette structure en réponse à un faisceau incident émis par le réseau, la zone d'interception de ce dernier étant alors commandée en réflexion (R). 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les cellules (2i) du réflecteur à transparence contrôlée possèdent un troisième état possible qui est l'état absorbant (A). 3. Antenne selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les différents élements du réseau (1) sont contrôlés individuellement en phase. 4. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que, dans le cas où le faisceau d'antenne est obtenu par réflexion sur une zone de réflexion (R) du réflecteur (2) puis traversée d'une zone de transparence (T) du réflecteur (2), la loi de phase du réseau (1) est déterminée de manière que tous les trajets optiques possibles entre le réseau, la zone de réflexion (R), la zone de transparence (T) et un plan orthogonal au faisceau d'antenne soient égaux (à 2 ; près). 5. Antenne selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les différents éléments du réseau ( I) sont contrôlés individuellement en amplitude. 6. Antenne selon l'une des revendications I à 5, caractérisée en ce que le réflecteur (2) est plan. 7. Antenne selon l'une des revendications 1à 5, caractérisée en ce que le réflecteur (2) est fait de plusieurs plans. 8. Antenne selon la revendication 7, caractérisée en ce que ces plans sont raccordés par des surfaces courbes. 9. Antenne selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le réflecteur (2) est une surface courbe. 10. Antenne selon l'une des revendications 1 à 5, 7, 8, 9, caractérisée en ce que le réflecteur (2) est de révolution autour du reseau. 11. Antenne selon les revendicatons 9 et 10, caractérisée en ce que le réflecteur (2) a une forme conique ou tronconique. 12. Antenne selon les revendications 9 et 10, caractérisée en ce que le réflecteur (2) a une forme hémisphérique ou secteur de sphère. 13. Antenne selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que le réflecteur (2) est appliqué ou noyé dans l'épaisseur d'un radome.