Brevet FR2783974A1 — publié le 20000331

La présente invention se rapporte à un procédé d'élargissement du diagramme de rayonnement d'une antenne, et à une antenne le mettant en oeuvre. L'invention s'applique en particulier aux antennes-réseau à balayage électronique à commande de phase. Lorsque l'on désire élargir le diagramme de rayonnement de telles antennes, l'élargissement désiré est généralement obtenu en appliquant à leurs éléments rayonnants un signal dont la phase depuis la normale à l'ouverture vers la périphérie de cette ouverture suit une loi de variation quadratique. Cette technique donne des résultats d'autant meilleurs que la loi d'évolution de l'amplitude du signal, considérée de la même façon que la phase, a une allure gaussienne. Par contre, si cette loi de variation de l'amplitude est uniforme, le lobe principal du diagramme élargi présente des oscillations pouvant être préjudiciables au fonctionnement correct de l'antenne. Par ailleurs, on peut montrer qu'on ne peut annuler la courbure axiale du diagramme de rayonnement (courbure au voisinage de l'axe du faisceau de l'antenne), c'est-à-dire annuler le terme à la puissance 2 de l'expression mathématique de la loi de variation de ce diagramme, puisque, du fait de la symétrie des antennes utilisées, les termes impairs n'existent pas dans cette expression mathématique, c'est-à- dire encore qu'on ne peut obtenir un diagramme de rayonnement dont la loi de variation en fonction de la distance angulaire à l'axe ne contienne pas de termes à la puissance 2 (cette loi dé variation serait alors, à peu de chose près, du 4è degré) qu'en annulant les variations du gain axial. Dans le chapitre 13 de l'ouvrage de référence de S. SILVER " Microwave antenna theory and design ", décrivant différentes techniques de " façonnage " du diagramme de rayonnement d'une antenne à réflecteur, il est fait état d'une méthode consistant à inverser, à l'aide d'un moyen mécanique (translation d'un quart de longueur d'onde d'une partie du réflecteur) la phase du champ rayonné sur la partie correspondante de l'ouverture rayonnante, permettant ainsi d'obtenir un diagramme de rayonnement d'allure " sectorale ". Les indications fournies sont purement qualitatives et ne permettent donc pas de se faire une idée, même approchée, des performances auxquelles on peut s'attendre. La présente invention a pour objet un procédé permettant, pour une antenne dont on peut commander la loi de variation de phase en fonction de la distance angulaire des éléments rayonnants à l'axe, d'élargir de façon simple le diagramme de rayonnement, sans risque d'apparition d'oscillations, en particulier dans le lobe principal du diagramme de rayonnement. La présente invention a également pour objet une antenne à balayage électronique par commande de phase présentant un diagramme de rayonnement élargi, cette antenne étant simple à réaliser et pas plus onéreuse qu'une antenne similaire à diagramme non élargi. Le procédé conforme à l'invention consiste à déterminer, à lI'intérieur du contour de l'ouverture rayonnante de l'antenne, un second contour homothétique de celui-ci et concentrique, et à appliquer aux éléments se trouvant à l'intérieur du second contour des signaux ayant une première phase donnée fonction de la déviation désirée du faisceau rayonné, et à ceux se trouvant entre les deux contours une phase décalée de 180 par rapport à la première. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel - la figure 1 est une vue en plan du contour d'une antenne à ouverture elliptique, montrant le contour virtuel d'une ellipse homothétique du contour de l'ouverture, définissant le lieu géométrique des sauts de phase entre éléments rayonnants voisins, conformément au procédé de l'invention, et - la figure 2 est un ensemble de divers diagrammes de rayonnement, montrant les avantages de celui obtenu par le procédé de l'invention par rapport à ceux obtenus par les procédés connus. L'invention est décrite ci-dessous en référence à une antenne- réseau de radar à balayage électronique à ouverture elliptique, mais il est bien entendu qu'elle n'est pas limitée à cette seule application, et qu'elle peut être mise en oeuvre pour des antennes d'équipements autres que des radars, fonctionnant à des fréquences pouvant être très différentes de celles des radars (par exemple des sonars) à condition que ces antennes comportent des éléments rayonnants dont les signaux de commande puissent avoir des phases différentes selon les éléments rayonnants. Les réseaux constituant ces antennes peuvent être périodiques ou non. L'ouverture de ces antennes peut ne pas être elliptique: elle peut par exemple être circulaire ou rectangulaire, par exemple. On a représenté en figure 1, de façon simplifiée, le contour elliptique 1 de l'ouverture d'une antenne-réseau de radar. Le procédé de I'invention vise à résoudre le problème suivant. Il s'agit de trouver le paramètre sur lequel on peut agir et la façon d'agir sur ce paramètre pour satisfaire simultanément les trois conditions suivantes: distribution équiamplitude du champ sur toute la section de l'ouverture, diagramme le plus plat possible au voisinage de l'axe du faisceau et gain de l'antenne maximisé. Selon l'invention, le paramètre sur lequel on agit est la phase des signaux envoyés aux différents éléments rayonnants de l'antenne et la façon d'agir sur cette phase est la suivante. Soit une ellipse 2 (figure 1) homothétique de l'ellipse 1, plus petite que cette dernière et concentrique avec elle. Selon l'invention, tous les éléments rayonnants se trouvant à l'intérieur de l'ellipse 2 reçoivent des signaux ayant la même phase q(, tandis que tous les éléments se trouvant entre les deux ellipses 1 et 2 reçoivent des signaux ayant une phase (p2telle que P2 = (P + 180 . Pour déterminer le rapport d'homothétie des ellipses 1 et 2, on procède de la façon suivante. On recherche la fonction mathématique a(t), définie sur l'intervalle [0,1] vérifiant les trois conditions énoncées ci-dessus. 1 ) gain axial maximum: on maximise la fonction: (f J a(t)dti) 2 ) pour aplanir le diagramme de rayonnement au voisinage de l'axe du faisceau: Re(f t.a (t). dt f a(t).dt) = O 3 ) pour obtenir une distribution équiamplitude du champ: a(t).a(t) = 1 Ce problème d'optimisation se résout facilement par la méthode des multiplicateurs de Lagrange. On trouve ainsi, d'abord, que la loi de variation de phase est nécessairement constante par morceaux (" piecewise " en anglais), avec un saut de phase de 180 d'un morceau au suivant. On trouve ensuite que le nombre de morceaux conduisant à un gain o10 maximal dans l'axe du faisceau se réduit à deux. Le calcul montre ensuite que le saut de phase se produit le long de l'ellipse 2 (ou du cercle) présentant un rapport d'homothétie d'environ 1/2 /4= 0,84 avec l'ellipse 1 (ou un cercle, si le contour de l'ouverture de l'antenne est circulaire). La perte de gain correspondante, par rapport à la même antenne sans élargissement de son diagramme, est de 7, 7 dB. Sur la figure 2, on a représenté trois demi-diagrammes de rayonnement (étant donné que ces diagrammes sont tous symétriques par rapport à l'axe du faisceau rayonné) correspondant respectivement - à l'antenne initiale sans élargissement (diagramme 4) - à l'antenne initiale avec élargissement selon l'invention (diagramme 5) - à l'antenne initiale, avec élargissement selon l'art antérieur, c'est-à- dire avec une pIhase suivant une loi dont la variable de plus faible exposant est une variable à la puissance 2 (diagramme 6), avec un gain, dans l'axe du faisceau, égal à celui de l'antenne du diagramme 5. axe des ordonnées, représentant le gain G, est gradué en dB, et l'axe des abscisses est gradué en valeurs de variable angulaire normalisée v = n d/ sin O, X étant la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne, 0 I'angle que fait la direction de rayonnement par rapport à la normale au plan de l'ouverture (en l'absence de déflexion du faisceau, 0 = 0 ), et d la longueur du grand axe (ou du petit axe, si le plan du diagramme passe par un petit axe) de l'ouverture elliptique de l'antenne. On notera que si la loi d'illumination n'est pas uniforme en amplitude, la valeur du rapport d'homothétie optimal est liée à la loi particulière envisagée. Le procédé de l'invention permet ainsi d'obtenir un diagramme de rayonnement dont le lobe principal (de section elliptique dans le présent exemple) décroît de façon monotone depuis le maximum axial (correspondant à la variable v = 0 sur la figure 2) jusqu'à pratiquement zéro (gain nettement inférieur à -30 dB). Par suite de l'annulation de la variable quadratique, ce diagramme présente autour de son axe un méplat remarquable, recherché pour certaines applications. En outre, puisque la loi d'illumination (loi de variation de la distribution du champ électromagnétique sur la surface de l'ouverture de l'antenne) est réelle et paire, le diagramme de rayonnement associé, qui est la transformée de Fourier de cette illumination, est équiphase, ce qui est également recherché pour certaines applications. Enfin, le caractère réel de la loi d'illumination assure une pente du flanc du lobe principal nettement plus accentuée que celle que produit une loi à phase variable. Aucune de ces propriétés ne peut être obtenue avec les procédés d'élargissement de diagramme de rayonnement de l'art antérieur (sauf pour les cas de faibles élargissements, nettement inférieurs à un facteur multiplicatif de 2, ce qui ne présente pratiquement aucun intérêt). Le procédé de l'invention est particulièrement avantageux si la répartition du champ de l'ouverture de l'antenne est équiamplitude, comme c'est par exemple le cas pour une antenne-réseau à modules actifs en classe C, en régime d'émission. REVENDICATIONS 1. Procédé d'élargissement du diagramme de rayonnement d'une antenneréseau à balayage électronique à commande de phase, caractérisé en ce qu'il consiste à déterminer, à l'intérieur du contour (1) de l'ouverture rayonnante de l'antenne, un second contour (2) homothétique de celui-ci et concentrique et à appliquer aux éléments se trouvant à l'intérieur du second contour des signaux ayant une première phase donnée, fonction de la déviation désirée du faisceau rayonné, et à ceux se trouvant entre les deux contours une phase décalée de 180 par rapport à la première. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport d'homothétie entre les deux contours est déterminé de façon à maximiser le gain de l'antenne dans la direction de l'axe du faisceau rayonné, à aplanir la courbure du diagramme de rayonnement au voisinage de l'axe du faisceau et à obtenir une loi d'illumination déterminée. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la loi d'illumination est équiamplitude. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'ouverture rayonnante étant une ellipse, ou un cercle, le rapport d'homothétie est de 0,84 environ. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'antenne est une antenne-réseau. 6. Antenne-réseau à balayage électronique à commande de phase, caractérisé en ce que la phase de ses éléments rayonnants est déterminée selon le procédé de l'une des revendications 1 à 5.