Brevet FR2767226A1 — publié le 19990212

Antenne cylindrique à éléments rayonnants qlissants L'invention concerne les antennes dans lesquelles un réflec- teur cylindrique interagit avec une ligne d'éléments rayon- nants. Une telle antenne sert habituellement à l'émission et/ou à la réception de signaux électromagnétiques, comme par exemple dans les systèmes de télécommunication avec un satellite artificiel. Elle s'applique également aux radars. Le gain d'antenne est un paramètre majeur pour de telles applications. Différents procédés permettent d'obtenir une antenne présentant un faisceau étroit, et par conséquent un gain élevé. Il existe par exemple: des antennes constituées d'un élément rayonnant unitaire (ou source) interagissant avec un réflecteur, souvent parabolique. - des antennes comportant des éléments rayonnants unitaires agencés suivant un réseau plan. Pour orienter (ou "dépoin- ter") le faisceau d'antenne vers une direction donnée, chaque élément rayonnant peut être équipé d'un organe déphaseur/re- tardateur. Habituellement, une commande de balayage électro- nique agit sur ces organes en fonction du dépointage souhai- té. Tout en conservant des caractéristiques de rayonnement équivalentes à une antenne selon le principe précédent, ce procédé nécessite un plus grand nombre d'éléments rayonnants. - des antennes combinant les deux techniques précédentes, et comportant des éléments rayonnants agencés suivant un réseau linéaire. Ces éléments sont destinés à interagir en principe avec un réflecteur cylindrique, et une commande de balayage électronique permet généralement de pointer le faisceau vers une direction prédéterminée. L'invention s'applique en particulier à une antenne de ce dernier type. Elle comporte alors un réflecteur de forme générale sensible- ment cylindrique, coopérant avec une source formée d'éléments rayonnants disposés sensiblement en ligne. Chaque élément rayonnant est associé à un organe à retard, ainsi qu'à une voie d'excitation respective comprenant à la fois une liaison électromagnétique et une entrée de commande de retard. Les retards ainsi appliqués aux éléments rayonnants excités peuvent être alors choisis pour obtenir un faisceau d'antenne susceptible, par balayage électronique, d'être dévié entre deux limites de dépointage. La partie du réflecteur qui, d'une limite de dépointage à l'autre, est en interaction avec les éléments rayonnants, est généralement beaucoup plus longue que la ligne elle-même. Une antenne de ce type nécessite donc un réflecteur cylindrique de longueur suffisante pour coopérer avec les éléments rayon- nants du réseau. En effet, la longueur du réflecteur doit, en principe, être supérieure à la largeur du faisceau définie par la distance séparant les deux éléments rayonnants occupant des positions extrêmes de la ligne, à laquelle s'ajoute une longueur, vue sur le réflecteur, correspondant à l'amplitude totale de dépointage entre les deux limites. Or, un tel réflecteur présente un volume souvent incompatible avec l'agencement souhaité pour certaines antennes. En particulier, une réduction de l'encombrement des antennes embarquées dans des avions ou des navires civils ou militai- res, est généralement souhaitée. L'invention a notamment pour but de surmonter l'inconvénient précité en réduisant la taille des réflecteurs de la techni- que antérieure, tout en obtenant des caractéristiques rayonnantes similaires. Elle propose à cet effet une antenne électromagnétique du type décrit précédemment, mais dont la source comporte des moyens pour faire glisser la position des éléments rayonnants excités le long de ladite ligne, en fonction de la déviation définie par la commande de balayage électronique. Selon l'invention, ces moyens font glisser la position des éléments rayonnants excités le long de la ligne et du côté opposé à la déviation du faisceau vue sur le réflecteur, ce qui permet de diminuer la taille du réflecteur à caractéris- tiques rayonnantes sensiblement constantes. De préférence, la source comprend également une entrée pour la commande de balayage électronique de manière à piloter la déviation du faisceau d'antenne. Avantageusement, lesdits moyens et la commande de balayage électronique peuvent alors coopérer ensemble pour établir une correspondance entre la position des éléments rayonnants excités et la déviation du faisceau. En principe, ces moyens sont aptes à faire glisser la position des éléments rayonnants excités au moins à partir d'un seuil de déviation. En pratique, ils font glisser la position des éléments rayonnants excités sur une distance de la ligne sensiblement proportionnelle à la tangente de la déviation. Selon une caractéristique de l'invention, la position des éléments rayonnants excites peut glisser sur une plage d'excursion sensiblement équivalente à la moitié de l'ampli- tude de dépointage entre les deux limites. Le réflecteur est alors de longueur choisie sensiblement équivalente à la largeur du faisceau d'antenne augmentée de ladite plage d'excursion. Ainsi, l'encombrement global de l'antenne défini généralement par la longueur du réflecteur est, selon l'invention, équivalent à sensiblement cette longueur. Selon un aspect de l'invention, la source comprend des éléments rayonnants mobiles en translation le long de la ligne, avec leur voie d'excitation associée. Elle comprend également des moyens mécaniques pour commander la translation de ces éléments rayonnants. Selon un autre aspect de l'invention, la source comprend des moyens de commutation pour définir un sous-ensemble glissant d'éléments rayonnants actifs, parmi tous les éléments rayonnants, tandis que la correspondance entre les voies d'excitation et les éléments rayonnants est modifiable pour accompagner ledit sous-ensemble glissant d'éléments rayon- nants actifs. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après et des dessins annexes sur lesquels: - les figures la et lb, respectivement, représentent schéma- tiquement un ensemble réseau-réflecteur de la technique antérieure, pour les deux limites de dépointage OM et -OM, - les figures 2a et 2b, respectivement, représentent schéma- tiquement un ensemble réseau-réflecteur pour les limites de dépointage 8M et -0M, selon un premier aspect de l'invention mettant en ouvre des moyens mécaniques pour déplacer les éléments rayonnants, et - les figures 3a et 3b, respectivement, représentent schéma- tiquement un ensemble réseau-réflecteur pour les limites de dépointage SM et -0M, selon un autre aspect de l'invention mettant en ouvre des moyens électroniques et/ou électro- mécaniques pour faire glisser la position des éléments actifs. Les dessins contiennent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la description, mais aussi contribuer à la définition de l'invention, le cas échéant. La configuration de l'antenne selon l'invention est celle d'une antenne à réflecteur cylindrique combinant les deux premières techniques décrites en introduction. Comme le montre la figure 1A qui est une vue de dessus en coupe d'une antenne de ce type, elle comporte un réflecteur cylindrique 2 de section parabolique dans l'exemple décrit, et un réseau linéaire (ou barrette) 1 de N éléments unitaires adjacents S1, S2,..., SN. Ces N éléments peuvent, par exemple, être réalisés sous la forme d'ouvertures-guides d'onde pour l'émission et/ou la réception de signaux radio-électriques. Ils interagissent avec le réflecteur 2 soit en émettant un faisceau d'ondes électromagnétiques vers le réflecteur, soit en recevant un faisceau issu du réflecteur. Le réflecteur cylindro-parabolique comporte une ligne focale, en principe une droite D, formée par les foyers des parabo- les. Les éléments du réseau 1 sont disposés sensiblement sur cet axe focal D. Ainsi, le faisceau d'interaction est prati- quement parallèle; l'antenne fonctionne "en champ lointain", c'est-à- dire que l'image (en émission) est formée à l'infini, ou l'objet (en réception) se situe à l'infini. Par exemple en émission, le réseau 1 rayonne en principe une onde cylindrique. Du fait que le réseau 1 coïncide sensible- ment avec l'axe focal D, cette onde est collimatée par le réflecteur 2 en une onde pratiquement plane. La section parabolique du réflecteur 2 permet de "pincer" le faisceau réfléchi autour d'un plan P perpendiculaire au front d'onde et contenant la droite D. La disposition des éléments rayonnants en réseau linéaire permet encore de concentrer le faisceau dans ce plan P. La génératrice droite du cylindre agit ensuite comme un miroir plat. L'obtention d'un faisceau étroit, donc d'un gain élevé, est ainsi liée à la hauteur de la section à profil parabolique d'une part et à la longueur du réseau 1 d'autre part. Pour créer une déviation du faisceau dans le plan P, d'un angle 0 autour de l'incidence normale, un système à balayage électronique 3 est habituellement mis en oeuvre. Il s'agit d'implanter N déphaseurs 01, 02 *... ON derrière les éléments rayonnants unitaires S1, S2,..., SN dans le but d'induire un retard variable sur le signal émis ou reçu par chaque élément du réseau 1. La variation de ce déphasage en fonction des positions respectives des éléments S1, S2,..., SN sur le réseau 1, est en principe linéaire pour infléchir le front d'onde et créer un dépointage du faisceau. Des déphaseurs de ce type sont notamment connus par "Radiation characteristics of the EISCAT VHF parabolic reflector antenna" de P-S. Kildal dans IEEE Transactions on Antennas & Propagation (juin 1984, p. 541-552). On peut envisager par exemple des déphasages selon des lignes à longueur programmable, selon un balayage fréquentiel,... etc. La capacité et les caractéristiques de balayage électronique du réseau linéaire 1 sont reproduites intégralement après réflexion du faisceau sur le réflecteur 2. Cette technique permet d'obtenir des vitesses de balayage particulièrement élevées. Par ailleurs, un tel procédé présente un certain nombre d'avantages: - le réflecteur est mécaniquement plus simple à réaliser qu'un paraboloïde de révolution, le principe s'apparentant à une torsion uniforme d'un élément plan à l'origine, le long d'un axe, - l'ensemble est moins complexe à réaliser qu'une antenne réseau plane à deux dimensions, puisque dans le cas présent le réseau est simplement linéaire. En principe, les dimensions de l'antenne sont choisies de manière à obtenir un certain niveau de gain. La directivité maximale de l'antenne est en première approximation définie par la formule D = 4 n L1. H/ 2, o L1 est la longueur du réseau en interaction avec le réflecteur et H la hauteur du réflecteur. Le gain de l'an- tenne correspond à une fraction de cette valeur de directivi- té, prenant en compte par exemple la pondération d'interac- tion du réseau linéaire, la concentration dans le plan focalisant P, etc... La forme de la parabole, sensiblement constante le long de la génératrice du réflecteur, dépend de la distance focale F choisie entre le réseau linéaire 1 et le réflecteur 2. Dans le cas d'une antenne à réflecteur cylindro-parabolique 2 interagissant avec un réseau linéaire 1 de longueur L1, la dimension longitudinale L2 du réflecteur 2 est déterminée en première approximation par la plage angulaire de dépointage (ou d'incidence) du faisceau, de manière à ce que le champ focalisé sur le réseau 1 positionné sur la ligne focale D intercepte le réflecteur 2. De façon générale, la longueur du réflecteur L2 est choisie suivant l'expression L2 = L1 + 2F.tan(OM) o AM est l'angle de dépointage maximal du faisceau, compté à partir de l'axe normal, et F la longueur focale. Un but de l'invention est de réduire la longueur du réflec- teur L2. Il apparaît évidemment que pour un dépointage maximal OM donné et un gain donné lié en partie à L1, seule la distance focale F peut être diminuée. Mais la réduction de la focale peut entraîner une dégradation du diagramme de rayonnement (déformation, perte de gain, dépointage parasi- te). Ainsi, la longueur L2 du réflecteur est habituellement bien supérieure à la longueur L1 du réseau. Le principe de l'invention est alors de créer un décalage des positions des éléments rayonnants S1, S2,..., SN du réseau 1 afin de réduire la longueur L2 du réflecteur. Ce décalage se fait le long de la ligne focale D du réflecteur 2. Selon un premier aspect de l'invention, un ajustement mécanique présenté sous une forme simplifiée sur les figures 2A et 2B, est proposé. Ensuite, un ajustement électrique est décrit plus précisément selon un autre aspect de l'invention, présenté sur les figures 3A et 3B. Soit N le nombre d'éléments rayonnants actifs nécessaires pour l'obtention des caractéristiques radioélectriques désirées (ouverture du faisceau, gain, plage de dépointage, etc.). Typiquement, pour un réseau de longueur L1, N est au moins égal à Ll.(l+sinlOM:)/A, o SM est l'angle maximal de dépointage du faisceau et À la longueur d'onde de travail. Selon le premier mode de réalisation de l'invention, des moyens mécaniques permettent de déplacer physiquement le réseau de N éléments actifs le long de la ligne focale D. Ce déplacement se fait du côté opposé à la direction de pointage du faisceau, d'une distance d. Il apparaît alors que la dimension nécessaire du réflecteur pour intercepter le faisceau réfléchi d'un angle 9M maximum n'est plus que F.tan(OM) - d au-delà de la zone centrale de longueur L1, au lieu de F.tan(OM) initial. Il en est de même, de façon symétrique sur le réflecteur, quand le faisceau est dépointé de -0M et que le réseau est déplacé mécaniquement dans l'autre direction. Ainsi, à partir d'un déplacement du réseau de longueur L1 sur d le long de la droite D, la dimension du réflecteur peut être réduite à L2 = L1 + 2F.tan(OM) - 2d. Un encombrement global minimum de l'antenne est trouvé quand, pour un dépointage du faisceau sur une plage angulaire OM, le réseau linéaire de longueur L1 peut être déplacé sur 1/2 F. tan(OM) L'encombrement global L3 du réseau linéaire en mouvement est alors égal à la longueur L2 utile du réflecteur, soit: L2= L3 = L1 + F. tan(OM) Dans ce dernier cas, un réflecteur cylindro-parabolique de longueur L2 = L1 + F.tan(OM) peut interagir avec un réseau linéaire de longueur L1 constitué de N éléments rayonnants actifs. Ce réseau est alors déplacé autour de sa position centrale, le long de la ligne focal, sur 1/2 F.tan(OM), par exemple à partir d'un mécanisme mettant en oeuvre une crémaillère 5 d'axe confondu avec la droite D. Cette crémail- lère 5 est, dans l'exemple décrit, engrenée à un pignon 6 dont la rotation est gérée par un module de commande 4 en fonction de la valeur de l'angle de dépointage 0, comme le montrent les figures 2a et 2b. Cependant, comme l'invention s'applique à une anrrtenne à balayage électronique, le mouvement mécanique le long de la ligne focale peut être avantageusement remplacé par l'utili- sation de K éléments supplémentaires SN+1,..., SN+K, fixes pour le réseau linéaire. Ainsi, en reprenant le principe développé précédemment, la longueur totale L3 du réseau linéaire peut être choisie de sorte qu'elle soit sensiblement égale à: L3 = Li + F.tan(OM) Le réseau comporte alors un nombre d'éléments N+K plus important que dans le cas précédent employant une solution mécanique, avec approximativement K = N.L2/L1 Dans un tel réseau, pour obtenir un comportement semblable à l'antenne de départ, N éléments rayonnants actifs contigus choisis parmi les N+K sont utilisés pour un dépointage de faisceau donné, en fonction de la zone à intercepter sur le réflecteur. Pour un faisceau dépointé à -6M, les éléments rayonnants actifs choisis sont les N éléments supérieurs S1,..., SN positionnés du côté opposé au faisceau dépointé, comme le montre la figure 3A. Pour un faisceau dépointé à +OM, les éléments actifs sont les N éléments inférieurs SK+1.. ., SN+K situés de l'autre côté, comme le montre la figure 3B. Pour des dépointages intermédiaires du faisceau, deux modes de décalage peuvent être envisagés: - un mode de décalage "discontinu" dans lequel les éléments actifs sont choisis selon l'une ou l'autre des deux configu- rations précédentes, en fonction du signe de l'angle de dépointage, et un mode de décalage "continu" dans lequel les éléments actifs occupent des positions intermédiaires variables en fonction de l'angle d'incidence 0. Ainsi, pour le faisceau non dépointé (O = 0), les éléments actifs seront par exemple N éléments centraux. Dans la configuration préférée d'un décalage continu, le choix des éléments actifs est effectué à partir de systèmes de commutation passifs (commutateurs électroniques et/ou électromécaniques) C1, C2,..., CN+K. Cette commutation peut être avantageusement gérée par la commande de balayage électronique 3, en même temps que le déphasage entre les éléments. Lorsque le faisceau est dépointé d'un angle -8 à partir de l'incidence normale, le système de commutation rend actifs des éléments Si, Si+,...* Sj de la partie supérieure du réseau, les indices i et j étant des entiers naturels non nuls avec i o c est la vitesse de propagation de l'onde électromagnéti- que. Lorsque le faisceau est dépointé d'un angle +0 à partir de l'incidence normale, le système de commutation rend actifs les éléments SM, Sm+l,..., Sp de la partie inférieure du réseau, les indices m et p étant des entiers naturels non nuls avec m Il apparaît que les variations des déphasages et des posi- tions des éléments actifs sont sensiblement linéaires en fonction respectivement du sinus et de la tangente de l'angle 0. La commande de balayage électronique 3 peut alors établir une correspondance entre les positions et les déphasages respectifs des N éléments rayonnants actifs du réseau, à partir de la déviation 0 du faisceau. Réciproquement, on peut attribuer à chaque élément rayonnant un état actif ou inactif en fonction des déphasages appli- qués. Ce principe permet d'établir une correspondance directe entre la position des éléments actifs et les déphasages associés, sans avoir à prendre en considération la valeur de la déviation S. D'autres systèmes de commutation pour rendre actifs des éléments utiles et inactifs des éléments inutiles, pourraient être envisagés. Par exemple, la commutation ON/OFF des alimentations d'amplificateurs peut être employée à cet effet, dans le cas des antennes actives o chaque élément rayonnant possède un amplificateur propre. On pourrait envisager aussi une combinaison des deux types de moyens de décalage, mécaniques et par commutation, pour modifier la position des éléments rayonnants actifs du réseau. On a décrit ci-avant une antenne dont le réflecteur est à profil parabolique. Cependant, l'invention pourrait s'appli- quer à une antenne de réflecteur cylindrique à section elliptique ou hyperbolique suivant les nécessités de l'appli- cation. Elle pourrait, par exemple, s'appliquer à une antenne à réflecteur de Cassegrain. La portée de l'invention ne se limite pas non plus à un réflecteur cylindrique de section constante. En effet, le réflecteur pourrait être, par exemple, de forme globalement conique. Dans ce cas, le décalage de la position des éléments actifs a lieu le long d'une ligne focale qui n'est plus parallèle à une génératrice du cylindre. On pourrait prévoir également un réflecteur parabolique de forme sensiblement torique. Dans ce cas, les éléments actifs peuvent occuper des positions variables, selon l'invention, en fonction de la déviation du faisceau, et disposées sur un arc de cercle. L'invention décrite ci-dessus pourrait s'appliquer par exemple aux satellites de télécommunication, aux radars, mais également à tout autre dispositif d'émission et/ou réception de signaux électromagnétiques. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit, mais s'étend à toute variante incluse dans le cadre des revendications ci-après. Revendications 1. Antenne électromagnétique du type comprenant un réflec- teur (2) de forme générale sensiblement cylindrique, coopé- rant avec une source (1) formée d'éléments rayonnants (S1, S2, SN) disposés sensiblement en ligne (D), chaque élément rayonnant (Si) étant associé à un organe à retard (ai), ainsi qu'à une voie d'excitation respective comprenant à la fois une liaison électromagnétique et une entrée de commande de retard, de sorte que les retards (t1,..E.N) ainsi appliqués aux éléments rayonnants excités peuvent être choisis pour obtenir un faisceau d'antenne susceptible, par balayage électronique (3), d'être dévié entre deux limites de dépoin- tage (0M,-M), caractérisée en ce que ladite source (1) comprend des moyens pour faire glisser la position des éléments rayonnants excités le long de ladite ligne (D), en fonction de la dévia- tion (0) définie par la commande de balayage électronique (3). 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens sont aptes à faire glisser la position des éléments rayonnants excités le long de ladite ligne (D), du côté opposé à la déviation (8) du faisceau, vue sur le réflecteur (2). 3. Antenne selon l'une des revendications 1 et 2, caracté- risée en ce que la source (1) comprend en outre une entrée pour la commande de balayage électronique (3) de manière à piloter la déviation (0) du faisceau d'antenne. 4. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdits moyens et la commande de balayage électronique (3) sont aptes à coopérer ensemble pour établir une correspon- dance entre la position des éléments rayonnants excités le long de ladite ligne (D) et la déviation du faisceau (9). 5. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdits moyens sont aptes à faire glisser la position des éléments rayonnants excités au moins à partir d'un seuil de déviation (0). 6. Antenne selon l'une des revendication précédentes, caractérisée en ce que lesdits moyens sont aptes à faire glisser la position des éléments rayonnants excités (S1, S2, SN) sur une distance de la ligne (D) sensiblement proportionnelle à la tangente de la déviation ( 7. Antenne selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits moyens sont aptes à faire glisser les éléments rayonnants excités (S1, S2,..., SN) sur une plage d'excursion (F.tanS) sensiblement équivalente à la moitié de l'amplitude de dépointage entre les deux limites ( 8. Antenne selon la revendication 9, caractérisée en ce que le réflecteur est de longueur (L2) sensiblement équivalente à la largeur (L1) du faisceau d'antenne augmentée de ladite plage (F.tanO). 10. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la ligne (D) coïncide sensiblement avec une ligne focale du réflecteur (2). 11. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la base du réflecteur cylindrique (2) est sensiblement une parabole. 12. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la ligne (D) est sensiblement droite. 13. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la ligne (D) est sensiblement paral- lèle à la génératrice du réflecteur cylindrique (2). 14. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la source (1) comprend des éléments rayonnants (S1, S2,.., SN) mobiles en translation le long de la ligne (D), avec leurs voies d'accès, et des moyens mécani- ques (4,5,6) pour commander la translation de ces éléments rayonnants (S1, S2,..., SN). 15. Antenne selon la revendication 10, caractérisée en ce que les moyens mécaniques comprennent une crémaillère (5) solidaire d'une barrette (1) portant les éléments rayonnants, un pignon (6) engrené à la crémaillère (5) et un module de commande (4) propre à piloter un mouvement de rotation du pignon (6) en fonction de la déviation (0) du faisceau. 16. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la source (1) comprend des moyens de commutation (Cl, C2,..., CN+K) pour définir un sous-ensemble glissant d'éléments rayonnants actifs (Si+1,..., Si+N), parmi tous les éléments rayonnants (S1,..., SN+K), tandis que la correspondance entre les voies d'excitation et les éléments rayonnants (S1,..., SN+K) est modifiable pour accompagner ledit sous-ensemble glissant d'éléments rayonnants actifs (Si+,,..., Si+N). 17. Antenne selon la revendication 16, caractérisée en ce que lesdits moyens de commutation comportent au moins deux commutateurs électroniques et/ou électromécaniques (C1,..., CN+K) pour connecter ou déconnecter en fonction de la dévia- tion du faisceau (0), au moins une partie des éléments rayonnants (SI, ., SN SK+1 *..., SK+N) à leur liaison..CLMF: électromagnétique associée. 18. Antenne selon l'une des revendications 16 et 17, caractérisée en ce que les moyens de commutation comportent un ensemble de commutateurs (C1,..., CN+K) associés chacun à la liaison électromagnétique d'une voie d'excitation, pour faire glisser de façon continue les positions respectives des éléments rayonnants actifs (Si+1,. , Si+N) en fonction de la..CLMF: déviation du faisceau (0).