Brevet FR2801730A1 — publié le 20010601

La présente invention est relative aux antennes à large bande et se rapporte plus particulièrement aux antennes adaptées aux impulsions à haute tension ultra-brèves. totalité des antennes à large bande disponibles actuellement sur le marché, sont prévues pour fonctionner en régime harmonique permanent et sont utilisées pour diverses applications comme par exemple les tests en compatibilité électromagnétique ou les mesures de Surface Equivalente Radar Les plus répandues sont entre autres cornets à redans Log-périodiques, antennes Vivaldi, antennes papillons, spirales, bicônes, ... Malgré la grande diversité de ces types d'antennes, la plupart d'entre elles n'offre les caractéristiques souhaitées pour les expérimentations dans le domaine transitoire. Pour être performantes en temporel, les antennes doivent etre natu rellement à large bande pour couvrir le gabarit spectral de l'impulsion délivrée par un générateur impulsionnel associé. Elles doivent en plus présenter des qua lités particulieres, propres au rayonnement ou à la mesure d'impulsions ultra courtes. Il en effet important que les antennes possèdent fonction de transfert dispersive en fréquence pour que l'impulsion rayonnée ou reçue ne soit ni déformée ni étalée. Une distorsion importante du signal entraîne un allon gement réponses temporelles des diverses cibles et fait perdre un prin cipaux intérêts des méthodes, transitoires, à savoir la- -possibilité de séparer les échos utiles des trajets parasites par de simples fenêtrages temporels. Parmi les aériens à large bande classiques disponibles actuellement sur le marché, les cornets, les cornets à redans et les Log-périodiques sont les antennes plus communément utilisées. Dans ce qui suit, on présente pour chacun de ces types d'antennes, le champ électrique rayonné dans l'axe, lorsque le signal d'excitation appliqué à l'antenne une impulsion gaussienne, de largeur à mi-hauteur égale à 700 ps. a) Le cornet proposé à titre d'exemple est modélisé à l'aide code de calcul par différences finies dans le domaine transitoire. Les dimensions du cornet sont déterminées pour que sa bande passante s'étende de 100 à 1 GHz. L'excitation du guide est réalisée en imposant dans un plan de coupe une répartition spatiale du champ électrique suivant le mode TE01 (sin7lyla) avec a dimension du guide suivant l'axe y. L'impulsion rayonnée dans l'axe grande distance présente un étalement temporel d'environ 80 ris, il n'est réellement si gnificatif sur 30 ns. type d'antenne n'est donc pas adapté pour fonctionner régime transitoire. Chaque composante spectrale est en fait émise à partir d'un centre de phase se déplace à l'intérieur du cornet, ce qui provoque partie l'étalement signal. ailleurs, la taille de l'antenne à ces fréquences devient très im portante, ' un encombrement et des difficultés de mise en oeuvre négli geables. b) Le cornet à redans a la particularité de présenter une grande bande passante (200 MHz - 2 GHz) tout en conservant des dimensions relativement modestes. L'utilisation de redans au profil exponentiel permet d'obtenir gain élevé sur toute la bande passante. Ce cornet a été testé en chambre anéchoïque au CELAR. Le champ électrique rayonné présente un étalement temporel d'environ 1 ns. L'impulsion est en partie déformée par les mauvaises performances du cornet basse fréquence. Des modes évanescents sont en effet excités en dessous fréquence de coupure du guide, ce qui perturbe le champ électri que rayonné. Les redans et les réflexions aux extrémités des plaques peuvent également contribuer à la dispersion du signal. L'antenne Log-périodique est un ensemble de dipôles parallèles alimentés une ligne de transmission, de telle façon que deux dipôles succes sifs soient en opposition de phase. Chaque brin rayonne avec un maximum d'efficacité lorsque la demi- longueur d'onde d'alimentation est égale à sa propre longueur. Ainsi, la fréquence haute de l'antenne est limitée par la dimension du plus petit brin et la fréquence basse, par celle du plus grand brin. L'antenne Log- périodique a été modélisée au moyen du code de calcul des équations intégra les. dimensions géométriques ont été déterminées pour l'antenne soit directive couvre un spectre de 100 MHz à 1 GHz. Ce type d'antenne émet principalement un champ électrique horizontal dont la durée est relativement im portante. résonances successives des brins constituant l'antenne sont à l'origine de dispersion observable sur le signal rayonné. antennes à large bande classique ne sont donc appropriées pour rayonner une impulsion ultra courte. De nombreuses recherches sont pourtant menées depuis quelques années pour concevoir des dispositifs capa bles de rayonner des impulsions de forts niveaux avec un minimum distor sions, mais ces antennes ne sont pas actuellement disponibles sur marché. II donc apparu nécessaire de concevoir une antenne, simple de mise en oeuvre, peu encombrante, et surtout garantissant des performances électromagnétiques correctes pour les deux modes de fonctionnement transitoire et harmonique. L'invention a pour objet une antenne à large bande, caractérisée en ce qu'elle comporte dans un plan commun deux parties symétriques comportant chacune au moins deux brins conducteurs, connectés entre eux, alimentés par une ligne bifilaire, chaque brin comportant dans sa portion opposée la ligne bifilaire, une charge résistive. Suivant d'autres caractéristiques de l'invention - chaque partie symétrique comprend en outre au moins brin non connecté aux autres brins et comportant dans sa portion opposée la ligne d'alimentation, une charge résistive, - chaque partie symétrique comprend n brins conducteurs, connectés ou non entre eux et comportant chacun une charge résistive à son extrémité, n étant supérieur à 2. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant dessins annexés, sur lesquels - Fig.1 est une vue schématique d'un premier mode realisation d'une antenne ciseaux suivant l'invention ; - Fig.2 est une vue en perspective d'un second mode réalisation d'une antenne ciseaux suivant l'invention ; - Fig.3 est un graphique représentant le coefficient réflexion de l'antenne suivant l'invention ; - Fig.4 est un graphique représentant la mesure gain de l'antenne suivant l'invention ; - Fig.5 est un graphique représentant la comparaison la théorie avec la mesure de l'impulsion mesurée dans l'axe ; - Fig.6 est un graphique de la transformée de Fourier l'impulsion mesurée dans l'axe en polarisation W ; - Fig.7 est un diagramme de rayonnement dans le plan en gise ment ; et - Fig.8 est un diagramme de rayonnement dans le plan site. la figure 1, on a représenté schématiquement une antenne ci seaux à large bande suivant l'invention. Cette antenne comporte dans un plan commun qui est le plan du des sin, deux parties 2,3, symétrique par rapport à un axe X-X. Chaque partie symétrique 2,3 comporte dans le présent exemple trois brins conducteurs 4,5,6 et respectivement 7,8,9. brins 4,5 et 7,8 sont interconnectés par leurs extrémites. brins 6 et 9 sont connectés par une de leurs extrémités con nexions correspondantes des brins 4,5 et 7,8 et leurs extrémités opposées sont non connectées. L'antenne ainsi constituée est excitée directement par une ligne bifi- laire 10. leurs extrémités interconnectées ou libres, les brins 4 ,6,7,8,9 comportent des charges résistives respectives 11,12,13,14,15,16 formees cha cune de résistances en série. Bien entendu, chaque partie symétrique peut comporter un nombre n de brins différent de 3 et supérieur ou égal à 2, les brins étant connectés ou non entre eux. champ électrique est alors guidé à l'intérieur de ligne 10, puis propagé dans l'espace. La polarisation du champ électrique E principalement rectiligne verticale et la simple rotation de l'antenne de 90 permet d'obtenir une polarisation rectiligne horizontale. L'ensemble du dispositif est contenu dans un unique plan, d'où l'absence totale de polarisation croisée. qualités électromagnétiques de l'antenne (impédance d'entrée, gain, diagramme de rayonnement, bande passante, dispersivite) dépendent es sentiellement des côtes géométriques telles que la longueur et l'angle d'ouverture. raisonnement intuitif amène à penser que la frequence de cou pure basse liée à la longueur alors que la fréquence de coupure haute est limitée par l'ouverture de la ligne. antennes à large bande classiques (cornets , cornets à re dans, log-périodiques) ne sont pas appropriées pour rayonner une impulsions ultracourte ris), de fort niveau (>10kV), avec un minimum de distorsions (coefficient dispersion : supérieur à 15 pour un cornet à redans, à 30 pour un cornet classique, à 120 pour une log-périodique). nouveau concept proposé suivant l'invention est un aérien original à brins filaires, simple à mettre en oeuvre, qui, tout en couvrant une large bande de fréquences est à même de rayonner une impulsion haute tension ultra brève avec un coefficient de dispersion inférieur à 1,4. longueur s des brins 4 à 9 est liée à la plus basse fréquence con tenue dans spectre du signal à rayonner et doit être égale à au moins une de mi-longueur d'onde, soit L'angle d'ouverture de l'antenne est déterminé de la façon suivante. Il existe dans la littérature des formules adaptées à la conception d'une antenne de géométrie voisine et constituée uniquement de deux fils : le dipôle en V. équations empiriques permettent de déterminer l'angle intérieur optimal du dispositif pour lequel le gain est maximum dans l'axe, en fonction de la longueur s brin et de la longueur d'onde @,. Lorsque Lorsque Pour s17>3, il est possible d'avoir recours à une extrapolation la formule précédente. II est avéré utile suivant l'invention de joindre au dipôle en plu sieurs brins supplémentaires connectés ou non à leurs extrémités, dont for mes géométriques ont été optimisées par paramétrage pour améliorer per formances électromagnétiques du dispositif - impédance d'entrée plus stable sur l'ensemble de la bande fré quence, - amélioration de la directivité, (amplitude du champ renforcée dans l'axe), - absence totale de polarisation croisée, les champs sont mieux con servés entre deux lignes planaires. Comme représenté à la figure 1, la configuration en forme de ciseaux pour les deux premiers brins s'est avérée la plus optimale. Les brins extérieurs 5,6 et 8,9 chaque partie symétrique sont formés chacun de tronçons diver gents 5a 8a,9a, prolongés par des tronçons parallèles entre eux 5b,6b 9b. Les tronçons parallèles ont une longueur I, alors que les tronçons divergents ont une projection sur la direction des tronçons parallèles de longueur l'. lon gueurs I et choisies comme indiqué ci-après garantissent les meilleurs perfor mances I=2Ll3etl'=LI3 où L est la longueur totale de l'antenne. L'impédance d'entrée dépend de la géométrie de l'aérien et char ges résistives d'adaptation, mais aussi du diamètre des brins filaires 4 a 9. Un faible rayon brins renforce les effets selfiques des fils d'où un accroissement de la partie imaginaire avec la fréquence. contraire, un rayon important (r=1cm) permet de conserver une partie imaginaire faible sur l'ensemble de la bande. Pour faciliter l'adaptation du dispositif, est donc primordial de choisir un rayon minimum de 1cm. problème de l'adaptation des extrémités est résolu comme suit. antenne classique présente à ses extrémités un circuit ouvert qui est à l'origine de réflexions qui détériorent les performances l'antenne. Ces résonances sont responsables d'un allongement conséquent signaux tran sitoires rayonnés mais aussi d'une dégradation du taux d'ondes stationnaires à l'entrée de l'antenne. problème est résolu en répartissant des charges résistives 11 à 16 suivant la longueur des extrémités des différents brins 4 à 9. courant véhi culés sur chaque conducteur sont atténués progressivement pour quasiment s'annuler réduire ainsi les émissions et les réflexions parasites. exemple, la loi suivante d'évolution des résistances Z(p) obéissant au principe non-réflexion de Wu et King, convient parfaitement où portion de ligne à charge résistive, p : position de l'élément résistif sur le brin, première charge en p=Om. valeur Zo doit être choisie entre 10S2 et 30S2, et une résistance po sitionnée environ tous les 5cm. Les valeurs à imposer ne sont critiques, d'où la possibilite d'avoir recours à une autre loi hyperbolique avoisinante. Ainsi, des réalisations simples de mise en oeuvre été effectuées en associant plusieurs résistances de valeurs standard en parallèle le long de chaque extrémité. est possible d'utiliser également des rubans de résistivité variable. principal inconvénient de cette technique est le rendement global de l'antenne est affaibli. Aussi, pour éviter de trop détériorer le gain, seu les les parties supérieures de chaque brin sont pourvues de charges résistives. longueur des brins et la portion de ligne pourvue d'une charge ré- sistive sont généralement liées par la relation : s/3 Une étude paramétrique a démontré l'existence d'une fréquence pour laquelle le gain dans l'axe présente un minimum. II apparaît une interférence destructive si la différence de marche entre la longueur L' de l'antenne dépour vue de charges résistives la longeur s" des brins participant au rayonnement, correspond à V2 pour la composante spectrale considérée. Ce phénomène peut être exprimé par s"-L' a,12 donc f cl2(s"-L') c étant la vitesse la lumière En général, on prend fR,aX=cl6(s"-L') Les diagrammes rayonnement de l'antenne ciseaux suivant l'invention résultent d'une combinaison entre le rayonnement propre de chacun des brins. En résultat final, lobe principal est maximum dans l'axe, mais il est accompagné, en site, de lobes secondaires dont le niveau est dans la plupart des cas plus faible. Le niveau lobes secondaires est généralement inférieur à 8 dB par rapport au lobe principal. L'utilisation de charges résistives 11 à 16 permet de limiter notamment le rayonnement arrière de ligne (inférieur de plus de 15 dB par rapport au rayonnement dans l'axe), améliore la directivité des diagrammes. On va donner ' apres les résultats sur un exemple d'antenne ciseaux - (n=2) (200MHz-1,6GHz) type représenté à la figure 2. L'antenne representee à la figure 2 comporte dans chaque partie sy métrique 2,3, deux brins 8 ,1 20,21 connectés parleurs extrémités opposées une ligne d'excitation 22. Les côtes géométriques de l'antenne de la figure 2 (n=2), établies à partir des règles de conception précédentes, sont L= 1m L'= 0,7m s= 1,044m s'= 0,3m s "= 0,744m I = 0,65 m I'= 0,35m r= 0,01 m Chaque brin comporte une charge résistive correspondante 23,24. Le diagramme de la figure 3 représente le coefficient réflexion de l'antenne équipée d'un balun de 5052-20052. Un niveau maximum -13dB est obtenu sur la bande 200MHz-1,6GHz. La figure 4 représente le gain dans l'axe mesuré dans configura tions V-V H-H. figure 5 compare les signaux mesuré et théorique, lorsque deux antennes sont face à face à une distance de 5,80m l'une de l'autre. antenne est en émission, excitée par un générateur HMP/F de la société Kentech (signal d'amplitude kV, temps de montée 120ps, durée du signal 700ps, impédance de sortie 50S2), l'autre antenne, en réception, reliée à un oscilloscope TDS820 à acquisition sequentielle (6GHz de bande passante) de la société Tecktronix. La courbe présentée est normalisée pour autoriser les comparaisons. niveau crête de tension mesuré au pied de l'antenne de réception est d'environ Volts. La dispersion reste inférieure à 1,4. Le spectre du signal mesuré représenté à la figure 6 donne une bande passante s'étendant de 80MHz à 1,2 GHz à -20dB du maximum. diagrammes de rayonnement dans le plan H et dans le plan E sont représentés figures 7 et 8. Dans le plan H, le lobe principal a un demi-angle d'ouverture 45 à 500 MHz. Dans le plan E, lé lobe est bien plus étroit avec un demi-angle d'ouverture de 13 pour la même fréquence. Les lobes secondai res dans ce plan se situent à environ 8 dB (pour 500 MHz) du niveau maximum. Le rayonnement arrière est à un niveau de -15 dB par rapport à celui observé dans l'axe. avantages techniques et économiques de l'antenne ciseaux sui vant l'invention par rapport aux antennes de l'état de la technique sont donnés dans le tableau suivant. Antennes Largeur de Gain Dispersion Polarisation Réalisation I Encombre Large bande bande transitoire croisée pratique ment 4# 40 périodique y y T O# à redans Ciseaux T -@ T T T T : très bien bien y : médiocre L'antenne ciseaux, contrairement aux antennes à large bande classi ques, permet d'associer de bonnes performances électromagnétiques à fois harmonique (largeur de bande, gain) et en transitoire (dispersion). Les domaines d'application envisagés de l'antenne suivant l'invention sont I suivants # Compatibilité électromagnétique, moyens d'illumination et de mesure peu encombrants, notamment en B.F., # Mesures de Surface Equivalente Radar Basse Fréquence en transi- toire en harmonique, # Détection de mines (imagerie Radar à ouverture synthétique). -- REVENDICATIONS . Antenne à large bande, caractérisée en ce qu'elle comporte dans un plan commun deux parties symétriques (2,3) comportant chacune au moins deux brins conducteurs (4,5,7,8 ; 19,20,21), connectés entre eux, alimentés une ligne bifilaire (10 ;22), chaque brin comportant dans sa portion opposée la ligne bifilaire, une charge résistive (11,12 ,14,15 ; 23,24,25,26). Antenne suivant la revendication 1, caractérisée en ce que chaque partie symétrique (2,3) comprend en outre au moins un brin (6 ,9) non connecté aux autres brins (4,5,7,8) et comportant dans sa portion opposée à ligne d'alimentation, une charge résistive (13,16). Antenne suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisée que chaque partie symétrique comprend n brins conducteurs, connectés entre eux comportant chacun une charge résistive à son extrémité, étant supérieur a 2. Antenne suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée que les charges résistives de chaque brin sont des résistances connectees série suivant la longueur de chaque brin. Antenne suivant la revendication 4, caractérisée en ce que sistances sont réparties à intervalles réguliers sur chaque brin de l'antenne. Antenne suivant la revendication 5, caractérisée en ce que ré sistances Z(p) des brins sont données par la relation où s' : portion de ligne à charge résistive, p : position de l'élément résistif sur le brin,- Z,,: première charge en p=Om. 7. Antenne suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les charges résistives sont formées par des résistances de valeur standard associées en parallèle le long de l'extrémité de chaque brin. 8. Antenne suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les résistances des charges résistives sont des rubans de résistivité variable. 9. Antenne suivant l'une des revendications 1 à caractérisée en ce que brins (4,5,6,7,8,9 ;18,19,20,21) sont réalisés en de rayon au moins égal à cm.