Brevet FR2737612A1 — publié le 19970207

SOURCE DE RAYONNEMENT HYPERFREQUENCE A LIGNES SERPENTS ET ANTENNE PLATE L'INCORPORANT La présente invention a pour objet une source susceptible de rayonner une onde hyperfréquence et qui utilise des lignes serpents, notamment applicable à la constitution d'une antenne plate à balayage électronique. Il est connu d'utiliser des sources rayonnantes du type ligne serpent, disposées côte à côte et éclairant une lentille hyperfréquence pour former une antenne à balayage électronique, comme décrit dans la demande de brevet français no 84.11066. Si on souhaite utiliser la technique dite monopulse avec une telle antenne, il est nécessaire de former une deuxième voie et, à cet ef- fet, on alimente chacune des lignes serpents en deux points, disposées symétriquement. Or, les calculs et les expériences de la Déposante mon- trent que, d'une part, les diagrammes de rayonnement obtenus avec une telle antenne ne sont pas satisfaisants (en ce qui concerne le niveau des lobes secondaires, notamment) pour certaines applications au moins et, d'autre part, que la bande de fréquence de fonctionnement de l'antenne est réduite. La présente invention a pour objet une source rayonnante à lignes serpents qui permette de former une deuxième voie, tout en ayant un diagramme de rayonnement à bas niveau de lobes secondaires et une large bande passante. A cet effet, la source de rayonnement selon l'invention com- porte successivement: - un premier plan, portant une première ligne de type serpent, ayant un premier diagramme de rayonnement; - un deuxième plan, disposé devant le précédent, formant une deuxième ligne de type serpent ayant un deuxième diagramme de rayonnement, orthogonal au premier; les deux voies étant obtenues soit directement, soit par combinaison (somme et différence) des signaux obtenus sur ces deux lignes. L'invention a également pour objet une antenne plate à balayage électronique du type de celle qui est décrite dans le brevet français n 2.469.808, utilisant une pluralité de sources rayonnantes telles que ci-dessus. D'autres objets, particularités et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple et illus- trée par les dessins annexés, qui représentent: - la figure 1, le schéma d'un mode de réalisation de la source rayonnante selon l'invention; - les figures 2a et 2b, deux modes de réalisation de lignes serpents utilisables dans la source selon l'invention; - les figures 3a et 3b, des diagrammes de rayonnement obtenus avec les configurations des figures précédentes; la figure 4a, un diagramme de rayonnement et la figure 4b, le schéma synoptique d'un mode de réalisation de l'alimentation de la source selon l'invention; - la figure 5a, un diagramme de rayonnement et la figure 5b, un synoptique d'un autre mode de réalisation de l'alimentation de la source selon l'invention; - la figure 6, le schéma d'une antenne à balayage électronique utilisant une pluralité de sources hyperfréquences selon l'invention. Sur ces différentes figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments. La figure 1 est donc le schéma d'un mode de réalisation de la source rayonnante selon l'invention. Cette source rayonnante se compose, disposés successive- ment dans une direction OZ qui est la direction de propagation de l'onde hyperfréquence: - d'un premier plan Cc conducteur formant court-circuit, sensiblement parallèle à un plan XOY, perpendiculaire à la direction OZ; d'un second plan 1, également disposé sensiblement selon le plan XOY et portant un premier élément rayonnant S1; - d'un troisième plan 2, toujours sensiblement parallèle au plan XOY et portant un second élément rayonnant S2. Le plan Cc est réalisé, par exemple, à l'aide d'un substrat isolant métallisé sur une de ses faces. L'élément rayonnant S, est du type ligne serpent, formé par un dépôt conducteur (métallique par exemple) sur un substrat isolant 10; le dépôt est en forme de pseudo-sinusoïde, s'étendant sensiblement dans la direction OX. De part et d'autre de la ligne Sa et en contact électrique avec cette dernière, sont disposés périodiquement des éléments capacitifs 12, connus également sous le nom anglo-saxon de "stub", sensiblement parallèles à l'axe OY, destinés à l'adaptation d'impédance du plan 1. Le plan 2 est constitué de façon analogue par un substrat isolant 20 portant un dépôt conducteur formant la ligne serpent S2, en forme de pseudo-sinusoide s'étendant sensiblement dans la direction OX. De même, la ligne S2 porte des éléments capacitifs 22 d'adaptation d'impédance. Pour chacune des lignes serpents S, et S2, la distance (D1, D2) qui la sépare du plan de court-circuit Cc est déterminée, ainsi que les paramètres de la ligne, pour que la ligne soit adaptée pour les incidences correspondantes au lobe principal de l'élément rayonnant qu'elle forme. On rappelle que, dans le cas d'une ligne serpent, les paramètres de la ligne sont l'amplitude de la pseudo-sinusoîde, la demi-période de la sinusoïde, la position et la longueur des stubs. Les figures 2a et 2b représentent différents modes de réalisation des lignes serpents S1 et S2 de la figure 1. Sur la figure 2a, la ligne serpent est repérée Ss et ses extrémités, E1 et E2. L'une de ses extrémités (E1) est reliée à des moyens d'émission-réception A, alors que l'autre extrémité (E2) est reliée à une charge CH adaptée, c'est-à- dire destinée à fermer la ligne sur son impédance caractéristique, évitant ainsi les réflexions parasites. Le diagramme de rayonnement obtenu à l'aide d'une ligne ainsi alimentée est illustré sur la figure 3a, o l'on a porté les valeurs d'angle en abscisse et l'amplitude du rayonnement en ordonnée. Ce diagramme présente un maximum ou lobe principal 30 dans la direction OZ, normale au plan de la ligne serpent, direction prise comme origine des angles e. De part et d'autre du lobe principal 30 ont été illustrés des lobes secondaires 33 dont le niveau est décroissant au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la direction O = 0. Ce diagramme est dit de type somme. La figure 2b représente un autre mode de réalisation de la ligne serpent, repérée SA. Celle-ci est, comme précédemment, alimentée à une de ses extrémités (E1) et fermée à l'autre (E2) sur une charge adaptée (CH). Toutefois, elle présente en son milieu (E3) un point de rebroussement obtenu par suppression d'une demi-période de la pseudo- sinusoïde formant la ligne. Le diagramme obtenu est du type de celui qui est illustré sur la figure 3b. Sur cette figure, qui est un mode de représentation analogue à celui de la figure 3a, il apparaît que l'amplitude du rayonnement présente un minimum dans la direction 0 = 0 et deux lobes principaux 31 et 32, d'amplitudes sensiblement égales mais en opposition de phase, de part et d'autre de la direction 0=0. Ces deux lobes 31 et 32 sont également entourés de lobes secondaires de valeurs décroissantes, repérés 34. Ce diagramme est dit de type différence. A titre d'exemple, la ligne S2 de la figure 1 est conforme au mode représenté sur la figure 2a et alimentée à une de ses extrémités (E1), I'autre extrémité (E2) étant fermée sur une charge adaptée CH. L'alimentation de la ligne S, est également effectuée à une de ses extrémités; la ligne peut être du type de la figure 2a ou de la figure 2b, comme expliqué plus loin. Selon l'invention, les rayonnements fournis respectivement par les lignes serpents S, et S2 sont orthogonaux entre eux, le fonctionnement d'une ligne n'étant ainsi pas perturbé par la présence de l'autre. La condition d'orthogonalité des rayonnements peut s'écrire U2 f A2 (x). eleI(x. A2 (X). e'2(X).dX = 0 -1J2 o - A, et q(p sont l'amplitude et la phase du rayonnement dû à la ligne S, - A2 et P2, I'amplitude et la phase du rayonnement dû à la ligne S2; - L, la longueur des lignes et x, I'abscisse sur ces lignes. Cette condition d'orthogonalité est sensiblement remplie par exemple lorsque les deux lignes S, et S2 sont du type représenté figure 2a (Ss) et fournissent des lobes principaux dépointés l'un par rapport à l'autre comme illustré sur la figure 4a. Sur cette figure, on a représenté le diagramme de rayonnement de chacune des lignes S, (21, en trait épais) et S2 (22, en trait fin), qui sont tous deux du type de celui de la figure 3a. Toutefois, comme illustré, ces diagrammes soht dépointés de sorte à se croiser à un niveau égal ou inférieur au niveau -3 dB, c'est-à-dire représentant une atténuation de 3 dB par rapport au niveau maximum du lobe principal. Une caractéristique des éléments rayonnants du type ligne serpent étant d'être sensiblement transparents hors de leur lobe principal, on voit que le rayonnement reçu par l'un ne l'est pas substantiellement par l'autre et la présence de l'un ne perturbe pas le rayonnement reçu par l'autre. La figure 4b est un schéma synoptique d'un mode de réalisation de l'alimentation de la source selon l'invention, permettant d'obtenir les diagrammes de la figure 4a. Sur cette figure, on retrouve schématiquement les lignes serpents S, et S2 alimentées à l'une de leurs extrémités par un émetteur E et, à leur autre extrémité, fermées sur une charge adaptée (CH1, CH2). L'émetteur E est relié aux lignes S1 et S2 et par l'intermédiaire d'un circulateur 41, d'un circuit du type T magique 42 et, le cas échéant, de distributeurs 43 et 44 respectivement pour les lignes S, et S2; ces distributeurs sont nécessaires dans le cas o, comme on le verra figure 6, on utilise une pluralité de lignes serpents telles que S, et S2 pour former une antenne à balayage électronique. A l'émission, I'ensemble des lignes serpents S,, S2 est donc alimenté par l'émetteur E, via le circulateur 41 et le T magique 42. A la réception, les signaux reçus par les lignes S, et S2 sont dirigés de façon classique via le T magique 42, soit vers un récepteur R, de voie somme par l'intermédiaire du circulateur 41 (liaison 45), soit vers un récepteur R2 de voie différence (liaison 46). On voit en effet que si on réalise la somme (par le T magique 42 sur la voie 45) des diagrammes S, et S2 de la figure 4a, on obtient un diagramme du type somme comme illustré sur la figure 3a; au contraire, si on réalise leur différence (par le T magique 42 sur la voie 46), on obtient un diagramme du type différence comme illustré sur la figure 3b. La condition d'orthogonalité est également vérifiée dans le cas o l'une des lignes, par exemple la ligne S,, fournit un diagramme tel que celui de la figure 3a (diagramme 23 en trait épais) alors que l'autre ligne (S2) fournit un diagramme tel que celui de la figure 3b (diagramme 24 en trait fin), les deux lignes pointant alors dans la même direction. Le diagramme obtenu est illustré sur la figure 5a o la direction de pointage des deux lignes est prise comme référence pour les angles O (O = 0). On a représenté sur la figure 5b le schéma synoptique d'un mode de réalisation de l'alimentation des lignes serpents S, et S2 dans le cas de la figure 5a. Sur ce synoptique, on retrouve l'émetteur E relié par l'intermédiaire du circulateur 41 à la ligne serpent S,, éventuellement par l'intermédiaire du distributeur 43; au circulateur 41 est également relié le récepteur de voie somme R1. La ligne serpent S2 est, elle, directement reliée au récepteur de voie différence R2, éventuellement par l'intermédiaire du répartiteur 44. En effet, dans ce cas, seule est active la ligne S., à l'émission à la réception, la voie somme est formée par la seule ligne S, dont le diagramme est du type somme alors que la voie différence est formée par la seule ligne S2, dont le diagramme est du type différence. La figure 6 représente schématiquement une antenne à balayage électronique utilisant une pluralité de sources hyperfréquences selon l'invention. Cette antenne est formée par un illuminateur I suivi par une lentille hyperfréquence L. L'illuminateur I est formé par un empilement de sources selon l'invention, repérées 11, 12...Ii..., I'empilement étant réalisé selon l'axe OY. Chacune des sources est formée par son plan de court-circuit Cc, le plan 1 portant la ligne serpent S, et le plan 2 portant la ligne serpent S2. Les différentes sources li sont séparées par des plans conducteurs P. Dans une telle structure, I'ensemble des éléments S, des différentes sources li est connecté à l'émetteur/récepteur de l'antenne (blocs E, Rj, R2, figures 4b et 5b) par l'intermédiaire du distributeur 43 et l'ensemble des éléments S2, à l'émetteur/récepteur par le distributeur 44. Les plans conducteurs P se prolongent pour former des canaux déphaseurs C pour la lentille L. Dans chacun des canaux C sont disposés des plans D parallèlement au plan XOY et portant chacun des moyens déphaseurs commandables électroniquement. Ces moyens déphaseurs D comportent des diodes 40 connectées par des connexions 41 sensiblement parallèles à l'axe OY, à des conducteurs 42 sensiblement parallèles à l'axe OX. Ces derniers relient l'ensemble des diodes d'un même plan déphaseur D à une tension de polarisation commandable. Ce type de plans déphaseurs arrangés en canaux est décrit dans le brevet français précité n 2.469.808. Le balayage électronique, obtenu par commande des plans déphaseurs D, s'effectue dans le plan du champ E, c'est-à-dire le plan YOZ. On a ainsi décrit une source de rayonnement hyperfréquence qui présente à la fois un bas niveau de lobes secondaires et une large bande passante. En effet, une ligne serpent de la source selon l'invention est utilisée pour fournir un diagramme somme ou un diagramme différence mais pas les deux, ce qui permet de choisir ses paramètres pour optimiser son diagramme, c'est-à-dire diminuer ses lobes secondaires et améliorer la pente d'écartométrie. Par ailleurs, le fait d'utiliser des lignes serpents alimentées à une seule de leurs extrémités se traduit, lorsque la fréquence varie autour de la valeur centrale de la bande passante, par un dépointage du faisceau (dont il est possible de tenir compte) sans déformation sensible du diagramme, contrairement à ce qui se produit lorsque une ligne serpent est alimentée en deux points. REVENDICATIONS 1. Source de rayonnement hyperfréquence, caractérisée par le fait qu'elle comporte, disposés successivement dans la direction (OZ) de rayonnement: un premier plan (1), sensiblement normal à la direction précédente (OZ), portant un premier élément rayonnant de type ligne serpent (S,), présentant un premier diagramme de rayonnement; - un deuxième plan (2),sensiblement parallèle au premier plan (1), portant un deuxième élément rayonnant de type ligne serpent (S2), présentant un deuxième diagramme de rayonnement, sensiblement orthogonal au premier; les deux lignes serpents (S1, S2) étant reliées à des moyens d'émission- réception à l'une (El) de leurs extrémités, et deux voies de réception, une voie somme et une voie différence, étant obtenues soit directement, soit par combinaison des signaux obtenus sur ces deux lignes. 2. Source selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comporte en outre un troisième plan conducteur (Cc), formant courtcircuit, disposé sensiblement parallèlement au premier plan et avant ce dernier. 3. Source selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que l'autre extrémité de chacune des lignes serpents est connectée à une charge adaptée. 4. Source selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les deux lignes ont sensiblement le même diagramme de rayonnement, de type somme, les lobes principaux de ces deux diagrammes étant dépointés l'un par rapport à l'autre. 5. Source selon la revendication 4, caractérisée par le fait que les deux lobes principaux se croisent à un niveau égal ou inférieur à un niveau de - 3 dB par rapport au niveau maximum des lobes principaux. 6. Source selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que l'une des lignes a un diagramme de type somme, I'autre ligne a un diagramme de type différence, les deux diagrammes pointant sensiblement dans la même direction. 7. Antenne à balayage électronique comportant un illuminateur et une lentille hyperfréquence à balayage électronique, formée d'un empilement de canaux déphaseurs, caractérisée par le fait que l'illuminateur est formé par un ensemble de sources selon l'une des revendications précédentes, une pour chacun des canaux de la lentille.