Brevet FR2897988A1 — publié le 20070831

ANTENNE A DOUBLE POLARISATION La présente invention concerne une antenne à double polarisation. Elle s'applique notamment aux radars aéroportés et plus générale-ment, aux radars dont les besoins en identification de cibles conduisent à envisager l'exploitation des caractéristiques polarimétriques des échos de cible. La plupart des antennes actuelles ne fonctionnent qu'avec une seule polarisation, or, les ondes réfléchies par les cibles sont en général dépolarisées par rapport à l'onde incidente à tel point qu'il peut arriver que la composante orthogonale de l'onde réfléchie sur la cible soit nette-ment supérieure à la composante parallèle à l'onde incidente. II s'ensuit alors une difficulté d'exploitation de l'onde reçue par les voies de réception et de traitement du radar. Une solution pour résoudre ce problème conduit en pratique à réaliser des antennes capables d'émettre séquentiellement sur deux polarisations orthogonales l'une par rapport à l'autre et de recevoir simultanément sur ces mêmes polarisations afin d'exploiter convenablement les caractéristiques polarimétriques des échos de cibles. Ces deux polarisations peuvent être notamment linéaires, l'une verticale, l'autre horizontale par exemple, ou circulaire, l'une à droite et l'autre à gauche. La solution généralement adoptée pour réaliser de telles antennes à double polarisation est celle d'un système à réflecteurs et à source primaire à double polarisation. Cette solution est décrite dans l'article "The reflect array antenna" de D.G. BERRY, R.G. MALECH et W.A. KENNEDY, IEEE Transactions on Antenna API 1, 1963 p 646.651. Néanmoins, cette solution introduit un mauvais rendement énergétique et un haut niveau de lobes secondaires lorsque le diamètre descend en-dessous d'une certaine dimension, typiquement de l'ordre de 30 fois la longueur d'onde du signal émis. En-dessous d'un diamètre de l'ordre de 20 fois la longueur d'onde de ce signal, les caractéristiques de l'antenne deviennent inacceptables en particulier pour une antenne à discrimination angulaire statique plus connue de l'homme de l'art sous le qualificatif d'origine anglo-saxonne "monopulse". Pour améliorer ces performances, des solutions d'antennes sur circuits imprimés sont proposées dans le brevet n US 4522263 de E. DUBOST. Toutefois, ces antennes ne supportent pas de fortes puissances et ont des dimensions limitées de 10 à 15 fois la longueur d'onde du signal émis, ce qui limite les domaines d'exploitation, en particulier en ce qui concerne les radars aéroportés de conduite de tir par exemple. Une autre solution envisageable consiste à plaquer une antenne en circuit imprimé sur une antenne à fentes par exemple, l'antenne imprimée étant constituée de bandes rayonnantes passant entre deux lignes de fentes et interférant peu ou pas avec l'antenne à fentes. Cette solution a principalement pour handicap les pertes de puissance occasionnées par l'antenne en circuit imprimé et la complexité de l'imbrication des circuits de distribution des deux antennes. L'invention a pour but de pallier les inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet une antenne à double polarisation caractérisée en ce qu'elle comporte une antenne plate , un réseau plan focalisant sensiblement parallèle à l'antenne plate constitué par des di-pôles de longueur variable et une source primaire, la source primaire éclairant à l'émission le réseau plan focalisant l'onde émise par celle-ci, le réseau plan étant imbriqué par rapport à l'antenne plate de manière à ne pas perturber le faisceau de celle-ci. L'invention a pour principaux avantages qu'elle permet la conservation des voies monopulses de l'antenne plate et de leurs caractéristiques dans le cas notamment où l'antenne plate est à fentes, qu'elle permet la possibilité d'au moins une voie somme et d'une voie d'écartométrie sur la polarisation orthogonale à l'antenne à fentes sui-vant le mode d'excitation de la source primaire et cela sans complexifier celle-ci, qu'elle permet une bonne qualité de rayonnement de cette der-nière polarisation puisque celle-ci est seule focalisée par le réseau de di-pôles, les composantes croisées éventuelles de la source primaire n'étant pas focalisées par les dipôles, que l'antenne à fentes et le réseau focalisant peuvent fonctionner à des fréquences différentes, enfin que l'an- tenne peut émettre suivant les deux polarisations simultanément. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit, faite en regard des dessins annexés qui représentent : - La figure 1 : une vue en coupe d'une réalisation possible de 10 l'antenne selon l'invention. - La figure 2 : une courbe représentative de la phase des coéfficients de réflexions des dipôles en fonction de la longueur de ceux-ci. La figure 3 : une partie d'un réseau de dipôles et de fentes. 15 - La figure 4 : une répartition possible des dipôles sur le ré-seau focalisant. - Les figure 5a et 5b : deux modes de réalisation possibles de l'antenne selon l'invention. - Les figures 6a et 6b : deux modes d'assemblage possibles 20 du réseau de dipôles et de l'antenne plate. - Les figures 7a et 7b : des formes possibles de dipôles, notamment lorsque la dimension de la maille du réseau de dipôles est petite par rapport à la longueur d'onde. La figure 1 représente une vue en coupe de l'antenne selon 25 l'invention. Cette antenne est constituée d'une antenne plate 1 et d'une source primaire 2 alimentée par un guide 7 éclairant un réseau plan focalisant constitué de dipôles 3 sensiblement parallèles à l'antenne plate 1 et par exemple imprimé sur un panneau rigide 4. L'antenne plate 1 et le panneau rigide 4 ont une forme circulaire, celle-ci n'est cependant pas 30 obligatoire au bon fonctionnement de l'antenne selon l'invention. L'an- tenne plate 1 peut par exemple être une antenne à fentes. Dans ce cas, celle-ci est constituée de guides d'ondes accolés dans lesquels sont tail- Zées des fentes. Elle est alimentée par des guides 5 situés en face arrière. La polarisation du rayonnement est perpendiculaire aux fentes et la source primaire émet en polarisation orthogonale par rapport à l'antenne à fentes. Dans le cas de la figure 1, le rayonnement de l'antenne plate a une polarisation perpendiculaire au plan de la figure. Le but de l'invention est de créer un deuxième rayonnement de polarisation orthogonale à celle de l'antenne à fentes 1 ; ce résultat est obtenu grâce au réseau de dipôles 3. En effet, à l'émission, le réseau de dipôles situé en amont de l'antenne réfléchit, en la focalisant, l'énergie émise par la source primaire 2. Le champ électrique rayonné par ces dipôles 3 leur est parallèle. Ces dipôles 3 étant placés sensiblement parallèlement à la longueur des fentes de l'antenne plate 1, il en résulte que la polarisation obtenue par le réseau de dipôles 3 est bien orthogonale à la polarisation issue de l'an- tenne plate 1. Par ailleurs, l'objectif est d'obtenir une onde plane réflé- chie de telle manière que dans le plan 6 passant par la source primaire 2 et parallèle au réseau de dipôles 3, les champs électriques rayonnés par le réseau de dipôles soient tous en phase. Pour obtenir ce résultat, les di- pôles 3 ont des longueurs variables puisque l'invention utilise le fait que le coefficient de réflexion de chaque dipôle 3 dépend de sa longueur. Dans l'invention, les dipôles 3 ont une longueur grande devant leur lar-geur pour ne pas perturber l'onde rayonnée par l'antenne à fentes 1. Un mode de réalisation possible de l'antenne selon l'invention est tel que le réseau de dipôles 3 est situé à une distance X / 4 d'un plan métallique 8 par exemple, X étant la longueur d'onde du signal émis et le plan métal-tique 8 étant la face avant de l'antenne plate 1. Dans ce cas, le module du coefficient de réflexion associé à chaque dipôle 3 est égal à 1 et sa phase est fonction de la longueur du dipôle 3 comme le montre sur la fi-gure 2 la courbe représentative 21 de la phasew du coefficient de ré-flexion associé aux dipôles 3 en fonction de la longueur réduite l / A de ces dipôles, X étant défini précédemment et l étant la longueur du di-pôle. Cette courbe 21 peut être aisément obtenue par expérimentation ou par simulation. II apparaît que la phase so est nulle pour une longueur nulle et égale à 7 pour une certaine longueur de résonnance, indiquée par la ligne en traits pointillés 22 et égale à 0,5X dans le cas où les di-pôles 3 sont situés à une distance du plan métallique 8 égale à X / 4. Pour que l'antenne fonctionne correctement selon l'invention, il n'est pas nécessaire que cette distance soit égale à x / 4. Néanmoins, cette dis-tance permet un fonctionnement optimum. Chaque dipôle 3 du réseau a donc une longueur déterminée pour focaliser l'énergie émise par la source primaire 2, c'est à dire une longueur produisant un coefficient de réflexion de phase çP égal à : - (x2 + y2 + f2 f) modulo 2w (1) où f est la distance entre la source 2 et la plan du réseau de dipôles 3, x et y étant les coordonnées des dipôles 3 dans le plan du réseau de dipôles 3, le système de coordonnées (x,y) étant tel que la projection orthogo-nale O de la source primaire 2 sur ce plan ait les coordonnées(o, o). La figure 1 montre un dipôle de coordonnées (x, y) éclairé par un faisceau incident 9 émis par la source primaire 2, le champ e rayonné est perpendiculaire au faisceau 9. Un faisceau réfléchi 10 est émis par le di-pôle de coordonnées (x,y) avec un champ É rayonné perpendiculaire à ce faisceau et parallèle au plan de la figure 1. La relation (1) est telle que tous les champs rayonnés É réfléchis par les dipôles 3 soient en phase de manière à obtenir une onde plane. De cette façon, l'antenne selon l'invention équivaut à un système associant une antenne plate à un réflecteur de forme paraboloïde dont le foyer serait situé à l'emplacement de la source primaire 2. Ainsi, sur un même cercle de centre 0 et de rayon -,lx2 + y2 , tous les dipôles 3 auront la même longueur. Cette longueur est déterminée par les coordonnées (x,y) du dipôle 3, la distance f et la longueur d'onde Xdu signal émis qui donne la phase du coefficient de réflexion suivant la relation (1) et par la courbe 21 de la figure 2 qui donne la correspondance entre la phase du coefficient de réflexion et la longueur du dipôle associé. Comme le montre la figure 3, le réseau de dipôles 3 est donc constitué d'un arrangement selon une maille régulière, de brins fins 31 constituant ces dipôles, parallèles aux fentes 32. Les dipôles 31 sont imbriqués par rapport à l'antenne plate, comprenant dans l'exemple de la figure 3 des fentes, de manière à ne pas perturber le faisceau émis par celle-ci. Pour cela, les dipôles ne doivent pas se superposer aux fentes. La longueur de ces brins 31 varient en fonction de leur distance au point de projection O de la source primaire 2 sur l'antenne, les dipôles de même longueur sont sur un cercle centré sur ce point. Pour remplir leur office, tous les dipôles sont orientés parallèlement au champ électrique produit par la source primaire 2 puisqu'ils focalisent l'onde réfléchie uniquement suivant leur longueur. Ils sont donc parallèles aux fentes dont le champ électrique rayonné est perpendiculaire à celles-ci. Par ail- leurs, grâce à cette disposition les dipôles interfèrent peu avec le champ émis par l'antenne à fente. Suivant la relation (1), la phase étant détermi- née à 27 près, il apparaît une pseudo-périodicité des longueurs des di- pôles le long des rayons issus du point central 0. Il s'agit ici d'une pseudo-périodicité et non d'une périodicité car les dispositions des di- pôles sont telles que les distances ne sont pas exactement reproduites. La figure 4 montre un exemple de disposition des dipôles en réseau se- lon l'invention. Les dipôles 41 ont une longueur fonction de leur distance au point 0 ce qui apparaît bien au niveau des dipôles situés sur les cercles CI, C2 et C3 de centre 0. Par ailleurs, la pseudo-périodicité préci- tée est montrée par la longueur des dipôles 42, 43 et 44. Plusieurs modes de réalisation de l'antenne selon l'invention sont possibles. La source primaire 2 peut être une source à rayonnement arrière appelée "rear feed" selon la terminologie anglo-saxonne, ses guides d'alimentation 7 traversant l'antenne à fentes en son centre comme dans l'exemple de réalisation de la figure 1. La source primaire peut également être du type connu de l'homme de l'art sous le terme an- glo-saxon "splash feed". Les types de source "rear feed" et "splash feed" sont décrits dans l'ouvrage "Antenna Engeneering Handbook" de M. JASIK. Suivant la figure 5a, un autre mode de réalisation consiste par exemple à disposer la source primaire 51 munie d'un cornet 55 face à l'antenne à fentes 52 et éclairant le réseau de dipôles 53. Dans ce cas, les guides d'alimentation 54 de la source primaire 51 contournent l'antenne à fentes 52. La figure 5b présente un mode de réalisation où la source 56 éclaire un réflecteur plan auxiliaire 59 constitué de fils ou di- pôles placés en parallèle par exemple. Ce plan réflecteur de forme circulaire a un diamètre de l'ordre de quelques longueurs d'onde du signal émis et n'agit que sur le rayonnement de la source. Dans cet exemple de réalisation, un rayon R1 est d'abord réfléchi sur le réflecteur 59 pour donner le rayon R2 qui se réfléchit sur le réseau de dipôles 58 pour don-ner le rayon R3. Le point F représente le foyer d'un réflecteur de forme paraboloïde équivalent au réflecteur plan 59 et le point F' représente le foyer du réflecteur de forme paraboloïde équivalent au réseau de dipôles 58. Sur les figures 5a et 5b, les guides d'alimentation des antennes plates à fentes 52 et 57 ne sont pas représentés. La figure 6a présente un mode d'assemblage possible du ré-seau de dipôles avec l'antenne à fentes. Le réseau de dipôles est imprimé ou photogravé par exemple sur un support plein 62 de faible épaisseur, de l'ordre du dixième de millimètre par exemple. Ce support 62 est tenu à bonne distance de l'antenne à fentes 63 par un milieu diélectrique 64 à faible densité, en mousse rigidifiée ou en nid d'abeilles par exemple. Pour éviter une adaptation des dimensions des fentes, il est préférable d'utiliser un matériau diélectrique dont la constante électrique relative e r est égale à 1 ou sensiblement égale à 1. Par ailleurs, cet ensemble peut pro- duire une légère désadaptation sur l'antenne à fentes. Cette désadapta- tion peut être compensée, si nécessaire, par un réseau de fils qui peut être notamment déterminé conjointement avec le réseau de dipôles 61 de manière à être par exemple imprimé sur l'autre face du support 62. La fi- gure 6b présente une autre configuration possible du réseau de dipôles par rapport à l'antenne à fentes. Le réseau de dipôles 65 est imprimé ou photogravé sur l'un des deux supports 66 formant sandwich avec le mi-lieu diélectrique 67. L'ensemble est maintenu à bonne distance de l'an- tenne à fentes 68 par des entretoises 69. Cet ensemble, constitué des deux supports 66 et du milieu diélectrique 67, est par ailleurs adapté pour la polarisation des fentes. Cette dernière solution offre l'avantage de désassembler facilement le ré-seau de dipôles de l'antenne à fentes suivant les applications choisies. Les figures 6a et 6b présentent aussi le guide rayonnant 601 de l'antenne à fentes ainsi que la paroi métallisée 602 délimitant ce guide. Dans tous les exemples de réalisation présentés, l'antenne plate est à fentes ; néanmoins, cela n'est pas une obligation selon l'invention : l'antenne plate peut par exemple être en circuit imprimé si celui-ci passe la puissance suffisante à l'application. Les sources primaires peuvent être de type "rear feed" avec une voie somme unique-ment, de type "rear feed" avec une voie somme et une voie différence ou écartométrie suivant le plan parallèle au champ électrique de la composante rayonnée ou à rayonnement direct avec une voie somme uniquement ou monopulse à 2 ou 3 voies par exemple. Enfin, dans certaines configurations, la dynamique de phase nécessaire à l'application, proche de 360 degrés par exemple, nécessite de créer des dipôles avec des extrémités repliées comme le montrent les exemples de dipôles 71, 72 et 73 présentés par la figure 7a ou des di-pôles non rectilignes comme le montrent les exemples de dipôles 74, 75 et 73 présentés par la figure 7b. Cette technique empêche que des di-pôles de longueur trop grande entrent en contact entre eux. Ce procédé est particulièrement nécessaire lorsque la dimension de la maille du ré-seau de dipôles est petite par rapport à la longueur d'onde. REVENDICATIONS 1. Antenne à double polarisation caractérisée en ce qu'elle comporte une antenne plate (1), un réseau plan focalisant sensiblement parallèle à l'antenne plate (1) constitué par des dipôles (3) de longueur variable et une source primaire (2), la source primaire (2) éclairant à l'émission le réseau plan focalisant l'onde émise par celle-ci, le réseau plan étant imbriqué par rapport à l'antenne plate de manière à ne pas perturber le faisceau de celle-ci. 2. Antenne à double polarisation selon la revendication 1 caractérisée en ce que les longueurs des dipôles (3) sont fonction de la - distance des dipôles (3) à la projection orthogonale (o) de la source primaire (2) sur l'antenne plate (1) suivant une loi pseudo-périodique. 3.Antenne à double polarisation caractérisée en ce que le réseau de dipôles (3) est tel que l'onde qu'il réfléchit est plane. 4. Antenne à double polarisation caractérisée en ce que le réseau de dipôles (3) est tel que l'onde qu'il réfléchit a une polarisation perpendiculaire à la polarisation de l'onde émise par l'antenne plate (1). 5. Antenne à double polarisation selon les revendications 1 et 2, 25 caractérisée en ce que l'antenne plate (1) est une antenne à fentes. 6. Antenne à double polarisation selon les revendications 1 et 2, caractérisée en ce que l'antenne plate (1) est une antenne imprimée. 30 7. Antenne à double polarisation selon la revendication 5 caractérisée en ce que les dipôles sont placés parallèlement à la longueur des fentes. 8. Antenne à double polarisation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le réseau plan de dipôles (3) est placé à une distance de l'antenne plate (1) sensiblement égale au quart de la longueur d'onde du signal émis. 9. Antenne à double polarisation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le réseau de dipôles (3) est imprimé sur un support plan (62). 10. Antenne à double polarisation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la source primaire est une source de type "rear feed" à une voie somme et au moins une voie d'écartométrie. 11. Antenne à double polarisation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la source primaire est une source de type monopuÏlse à rayonnement direct. 20 12. Antenne à double polarisation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que la source primaire est une source à rayonnement direct associée à un réflecteur auxiliaire (59), composé de fils ou de dipôles n'agissant que sur le rayonnement de la source. 15