Brevet FR2886771A1 — publié le 20061208

Antenne dispersive en fréquence appliquée notamment à un radar météorologique. L'invention concerne une antenne dispersive en fréquence. En particulier, l'invention s'applique à une antenne aéroportée adaptée à la détection et à la localisation de phénomènes météorologiques. Les radars météorologiques aéroportés comportent pour la plupart une antenne dont le balayage en gisement et en site est réalisé mécaniquement. L'inertie de l'antenne ainsi que le degré souhaité d'agilité du faisceau influent sur le choix des moteurs compris dans les mécanismes de balayage. De tels mécanismes peuvent du fait de leur complexité atteindre des coûts particulièrement élevés. Afin de réaliser une antenne moins coûteuse, il peut notamment être opportun d'avoir recours à un balayage électronique, au moins en site, en lieu et place des mécanismes de balayage classiques. En effet, l'analyse du domaine météorologique à courte et longue portée ne nécessite que quelques degrés de balayage en site, typiquement plus ou moins 3 degrés. Dans le cas où le balayage en gisement est assuré par un mécanisme classique sur plus ou moins 90 degrés par exemple, un seul balayage en gisement est nécessaire pour analyser l'ensemble du domaine météorologique. Les contraintes de performances sur les moteurs effectuant le balayage sont considérablement réduites sans toutefois dégrader les performances de balayage de l'antenne. Les solutions conventionnelles à base de déphaseurs hyperfréquences mises en oeuvre dans une antenne à balayage électronique sont mal adaptées à la conception d'une antenne peu coûteuse. En effet, afin d'obtenir un diagramme en réception où les lobes secondaires et diffus du signal reçu par l'antenne sont inférieurs d'au moins 30dB par rapport au maximum de rayonnement, le nombre nécessaire de déphaseurs devient prohibitif en termes de coût. En outre, la consommation électrique d'une antenne comportant des déphaseurs hyperfréquences est élevée, ce qui complique l'intégration à un aéronef où les ressources électriques et en conditionnement thermique sont limitées. 2886771 2 De plus, la fiabilité d'une telle antenne à balayage électronique s'avère particulièrement sensible aux taux de défaillances de ses déphaseurs hyperfréquences commandables. Le calcul prédictif de la fiabilité de l'antenne étant délicat puisque la réjection des lobes secondaires et diffus se dégradent en fonction notamment du nombre de déphaseurs défaillants et de la position de ceux-ci, il est difficile de garantir un niveau de service. L'invention a notamment pour but de pallier les inconvénients précités. En particulier, mais pas exclusivement, l'invention a pour but de permettre une antenne pour radar météorologique à bas coût. A cet effet, l'invention a pour objet une antenne comportant des guides d'onde rayonnant sur lesquels sont réalisées des fentes. L'antenne comporte au moins un guide d'onde d'alimentation relié par des fentes de couplage aux guides d'onde rayonnant. La variation de la direction de pointage du faisceau de l'antenne dans au moins un plan est obtenue en faisant varier la fréquence de l'onde guidée par le guide d'onde d'alimentation. La longueur du guide d'onde d'alimentation entre les fentes de couplage de deux guides d'onde rayonnant adjacents est supérieure à la distance séparant les fentes de couplage de ces deux guides d'onde rayonnant adjacents. Selon un autre aspect de l'invention, le guide d'onde d'alimentation est sensiblement positionné dans le plan perpendiculaire aux guides d'onde rayonnant. De façon avantageuse, le guide d'onde d'alimentation est en forme de serpentin. Selon encore un autre aspect de l'invention, le guide d'onde 30 d'alimentation fonctionne en mode progressif. Selon encore un autre aspect de l'invention, les guides d'onde rayonnant fonctionnent en mode résonnant. 2886771 3 Avantageusement, le guide d'onde rayonnant comporte une fente de couplage non parallèle à la longueur de la face dans laquelle la fente de couplage est percée. L'invention peut notamment être utilisée dans un radar adapté à la détection et à la localisation des phénomènes météorologiques. L'invention a notamment pour avantages que la structure des lobes secondaires du diagramme d'une antenne selon l'invention n'est pas affectée par la variation de pointage du faisceau de l'antenne quelle que soit la fréquence du signal hyperfréquence émis dans la bande de fonctionnement, qu'elle permet une réalisation particulièrement compacte et qu'elle est simple à mettre en oeuvre. 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: É la figure 1, un principe de balayage électronique mis en oeuvre sur une antenne radar; É la figure 2a, une antenne vue de face comportant notamment des guides d'onde rayonnant sur lesquels sont réalisées en groupe des fentes; É la figure 2b, l'antenne de la figure 2a vue de profil; É la figure 2c, un détail de l'antenne de la figure 2b vue de profil; É la figure 2d, un guide d'onde d'alimentation en forme de serpentin; É la figure 3, le détail d'un guide d'onde rayonnant. La description suivante prend notamment comme exemple un radar météorologique aéroporté comportant une antenne réalisant un balayage électronique en site de son faisceau. Cependant, l'invention peut 2886771 4 s'appliquer indifféremment à toute antenne dont le balayage de son faisceau s'effectue dans au moins un plan de manière non mécanique. La figure 1 illustre un principe de balayage électronique mis en oeuvre sur une antenne radar. Le balayage électronique du faisceau formé par l'antenne radar peut être obtenu en déphasant les unes par rapport aux autres les voies d'émission et de réception d'un réseau comportant des fentes. La figure 1 montre une antenne radar comportant des fentes 1 assurant la réception et l'émission de signaux hyperfréquences. Ces fentes 1 sont réalisées sur un guide d'onde d'alimentation droit 2. Le guide d'onde d'alimentation droit 2 permet d'acheminer les ondes électromagnétiques générées et amplifiées en amont vers l'ensemble des fentes 1. Réciproquement, le guide d'onde d'alimentation droit 2 permet de conduire les ondes électromagnétiques reçues par l'intermédiaire des fentes 1 vers les dispositifs en amont chargés notamment de l'amplification, du traitement et de l'interprétation des signaux reçus. Sur la figure 1, un axe 3 est disposé perpendiculairement au plan dans lequel s'inscrivent les fentes 1. Cet axe 3 coupe le plan comportant les fentes 1 en un point situé au centre du réseau de fentes 1. L'antenne forme un faisceau 5 dans la direction de pointage souhaitée en site par rapport à l'axe 3 et noté O. Dans le même plan, on représente un plan incliné 4 perpendiculaire à la direction pointage O. Ce plan 4, appelé plan de phase, représente le décalage de phase en fonction de la position verticale des fentes 1 des ondes hyperfréquences reçues ou émises pour réaliser un pointage dans la direction de pointage 6 souhaitée. La description précédente illustre le principe connu du balayage électronique en site. Le principe est identique pour un balayage en gisement. Il convient donc pour réaliser un balayage électronique de modifier la phase des ondes électromagnétiques reçue ou émise par l'intermédiaire des fentes 1 en fonction de leur position relative et du plan d'onde 4 plan d'onde 4 correspondant à la direction de pointage 9 souhaitée. En faisant varier la longueur d'onde des ondes électromagnétiques parcourant le guide d'onde d'alimentation droit 2 dans un intervalle de fréquences donné, il est ainsi possible de réaliser un plan d'onde 4 comme illustré sur la figure 1. L'amplitude de ces variations, et donc le secteur angulaire couvert par 2886771 5 l'antenne dans un plan donné, est notamment fonction de la longueur du guide d'onde d'alimentation droit 2 entre les fentes 1. Une onde parcourant le guide d'onde d'alimentation droit 2 a notamment comme caractéristique une longueur d'onde À0. Deux fentes 1 adjacentes sont espacées d'une distance 8, proche de 0.7 fois la longueur d'onde X par exemple. Dans le cas d'une antenne réalisant un balayage en site, les fentes 1 peuvent être disposées horizontalement en ligne, chaque ligne formant un groupe espacé de la distance 8, proche de 0.7 fois la longueur d'onde X,o par exemple. La longueur L correspond à la distance linéaire réelle parcourue par l'onde électromagnétique dans le guide d'onde d'alimentation droit 2 entre deux fentes 1 adjacentes ou deux groupes adjacents de fentes 1. De par le principe de balayage électronique, il est nécessaire de créer une différence de phase (pi, entre la première fente 1 par exemple et la nième, l'antenne comportant à sa surface n fentes 1, numérotées dans la description de 1 à n. Si la fréquence de l'onde électromagnétique parcourant le guide d'onde d'alimentation droit 2 est notée f et X g la longueur d'onde correspondante, la différence de phase (fin peut être définie selon la formule suivante cpn = . n É L. Xg A partir de cette formule et des amplitudes des ondes incidentes sur les n fentes par couplage électromagnétique, notées {An}, il est possible d'obtenir une estimation du gain en émission et en réception G en fonction de la direction de pointage 0 donnée en appliquant la formule G(9) = An. e1( mSsin(B)-p) Cette équation admet un maximum, n correspondant au maximum de rayonnement, ou lobe principal en 00 tel que, si a, est la longueur de l'onde dans le vide à la fréquence f considérée et k un nombre entier pair ou impair permettant de ramener le sinus entre -1 et 1, L sin(0o) = S É 2. k peut notamment être choisi en prenant la valeur g / entière la plus proche de L/(k9/2) soit par exemple k = E L + 1 4 2 \2 / Le rapport variant avec la fréquence, on peut faire varier l'angle 0 de pointage de l'antenne de quelques degrés en faisant varier la fréquence appliquée au guide d'onde d'alimentation 2 du réseau de fentes 1. Plus la longueur L entre 2 fentes 1 ou groupes de fentes 1 est importante, plus la plage angulaire disponible pour une bande de fréquence donnée est grande. Le guide d'onde d'alimentation droit 2 possède notamment comme caractéristique une fréquence de coupure fc de son mode fondamental. La bande de fréquence M, dans laquelle la fréquence de l'onde guidée dans le guide d'onde d'alimentation droit 2 peut évoluer afin de modifier la direction de pointage 0 de l'antenne, possède une fréquence centrale fo. La longueur d'onde dans le vide de la fréquence centrale fo est notée 10. Si l'onde électromagnétique parcourant le guide d'onde d'alimentation droit 2 a une fréquence égale à la fréquence centrale fo, on obtient alors une direction de pointage du faisceau égal à 0o par rapport à l'axe mécanique de l'antenne. L'excursion angulaire A0 en radians exprimant la plage angulaire disponible pour une bande de fréquence donnée peut être évaluée selon la formule: A0 = SÉcos0o L \c/ k i,\2 2 \2L'c M fo La figure 2a montre une antenne selon l'invention vue de face. Dans le cas d'une antenne réalisant un balayage en site, les fentes 1 peuvent être disposées horizontalement en ligne, chaque ligne formant un groupe. La distance moyenne entre deux groupes adjacents, mesurée par exemple entre les centres de gravité respectifs des deux groupes, est sensiblement égale à la distance 8, proche de 0.7 fois la longueur d'onde par exemple. Un groupe de fentes 1 peut par exemple être réalisé sur un guide d'onde rayonnant 10. Le guide d'onde rayonnant 10 peut par exemple être un guide à fentes. Par couplage électromagnétique, une onde parcourant le guide d'onde rayonnant 10 est émise par l'intermédiaire des fentes 1. Réciproquement, par couplage électromagnétique, les ondes électromagnétiques incidentes reçues par l'intermédiaire des fentes 1 sont transmises au guide d'onde rayonnant 10. Dans un mode de réalisation, le guide d'onde rayonnant 10 fonctionne en mode résonnant. Pour cela, le guide d'onde rayonnant 10 se termine par des courts-circuits à chaque extrémité. L'antenne présentée sur la figure 2a comporte plusieurs guides d'onde rayonnant 10 adjacents, agencés afin de former une antenne dont la face avant a une forme sensiblement circulaire. Aussi, l'antenne pourrait tout aussi bien comporter un nombre différent de ligne ou encore une forme totalement différente, comme par exemple une forme rectangulaire. La figure 2b montre cette même antenne vue de profil. L'antenne comporte notamment un guide d'onde d'alimentation plié 11 positionné ici verticalement. Chaque guide d'onde rayonnant 10 est couplé électromagnétiquement en au moins un point avec le guide d'onde d'alimentation 11. Le guide d'onde d'alimentation 11 est positionné dans le plan perpendiculairement au plan dans lequel s'inscrivent les guides d'ondes rayonnant 10. Cette disposition permet notamment de pouvoir réaliser un couplage par fente entre le guide d'ondes d'alimentation 11 et les guides d'ondes rayonnant 10. En outre, cette disposition présente l'avantage de rendre l'antenne compacte en terme de surface occupée par le guide d'onde d'alimentation 11. Dans une mode de réalisation, le guide d'onde d'alimentation 10 fonctionne en mode progressif. Pour cela, une charge adaptée 12 est positionnée à une extrémité du guide d'onde d'alimentation 11. En effet; 2886771 8 l'onde alimentant le guide n'est alors pas réfléchie par l'extrémité du guide d'onde d'alimentation 11. La figure 2c montre avec plus de détails cette même antenne vue de profil. Sur chaque guide d'onde rayonnant 10 sont réalisées en groupes des fentes 1. La distance entre deux groupes de fentes 1 disposés sur deux guides d'onde rayonnant 10 adjacents est égal à une distance 8. Le guide d'onde d'alimentation 11 a une longueur L entre ces deux même groupes de fentes 1. Dans un mode de réalisation de l'antenne selon l'invention, cette longueur L est supérieure à 8, en utilisant par exemple une forme en serpentin afin que la longueur L soit plus grande que l'espacement vertical directement disponible si le guide d'onde d'alimentation 11 avait une forme rectiligne. En effet, à titre d'exemple, pour une antenne dont la distance verticale 8 entre deux groupes de fentes 1 est égale à 25 mm et dont le faisceau doit pouvoir balayer en site la zone comprise entre -3 degrés et 3 degrés par rapport à l'horizon, la longueur L du guide d'onde d'alimentation 11 entre ces deux groupes de fentes 1 doit être au moins de 157 mm. En repliant le guide d'onde d'alimentation 11, il est ainsi possible d'avoir une longueur L suffisante. La figure 2d montre un guide d'onde d'alimentation 11 en forme de serpentin. Un guide d'onde plat replié peut notamment être utilisé pour la réalisation du guide d'onde d'alimentation 11 en forme de serpentin. L'épaisseur du guide d'onde d'alimentation 11 peut en outre être réduite afin de faciliter la mise en oeuvre mécanique du guide d'onde d'alimentation 11 en forme de serpentin. La figure 3 montre le détail d'un guide d'onde rayonnant 10. Sur la face arrière du guide d'onde rayonnant 10 est découpée une fente de couplage 21. Cette fente de couplage 21 est sensiblement disposée au centre de la face arrière du guide d'onde rayonnant 10 afin que la contribution de chaque fente 1 à la formation d'une onde dans le guide d'onde rayonnant 10 soit équivalente. L'inclinaison de la fente de couplage 21 par rapport au guide d'onde rayonnant 10 est déterminée par les caractéristiques de couplage électromagnétique souhaitées. Aussi la fente 2886771 9 peut être positionnée de façon à ne pas être parallèle à la longueur de la face dans laquelle elle est percée, ce qui permet d'optimiser le couplage électromagnétique entre les guides d'ondes. La fente de couplage peut par exemple être inclinée par rapport à la longueur de la face dans laquelle elle est percée d'un angle proche de 45 . Dans d'autres applications, il pourrait être souhaitable de disposer différemment cette fente de couplage 21. Une fente similaire disposée sur le guide d'onde d'alimentation 11 est confondue avec la fente de couplage 21. Des fentes rayonnantes 20 sont percées sur la face avant du guide d'onde rayonnant 10. Les fentes rayonnantes 20 permettent notamment de distribuer par couplage électromagnétique une partie de l'onde correspondant au signal hyperfréquence radar aux fentes 1. Plusieurs fentes de couplages 21 pourraient par exemple être percées si plusieurs guides d'onde d'alimentation 11 étaient utilisés. Dans le cas d'un radar travaillant dans la bande X, les guides d'ondes rayonnants 10 peuvent par exemple être des guides d'onde plats à fentes de côtes extérieures d'environ 23. mm pour le grand côté et entre 5 et 10 mm de côte intérieure pour le petit côté, la longueur étant déterminée par le nombre de fentes 1. L'épaisseur n'a aucune influence sur les paramètres dimensionnant de l'antenne La largeur du guide d'onde d'alimentation 11 étant de 23 mm et la longueur verticale L du guide d'onde d'alimentation 11 entre deux groupes fentes 1 étant de 157 mm, le balayage obtenu en faisant varier sur une plage de 100MHz la fréquence f de l'onde guidée dans le guide d'onde d'alimentation 11 est alors compris entre -3 degrés et 3 degrés. La structure des lobes secondaires du diagramme d'antenne en site n'est pas modifiée par la variation de pointage du faisceau en fonction de la fréquence. REVENDICATIONS 1. Antenne comportant des guides d'onde rayonnant (10) sur lesquels sont réalisées des fentes (1) caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un guide d'onde d'alimentation (11) relié par des fentes de couplage (21) aux guides d'onde rayonnant (10), la variation de la direction de pointage du faisceau de l'antenne dans au moins un plan étant obtenue en faisant varier la fréquence de l'onde guidée par le guide d'onde d'alimentation (11), la longueur (L) du guide d'onde d'alimentation (11) entre les fentes de couplage (21) de deux guides d'onde rayonnant (10) adjacents étant supérieure à la distance séparant les fentes de couplage (21) de ces deux guides d'onde rayonnant (10) adjacents. 2. Antenne selon la revendication 1 caractérisée en ce que le guide d'onde d'alimentation (11) est sensiblement positionné dans un plan perpendiculaire aux guides d'onde rayonnant (10). 3. Antenne selon l'une des quelconques revendications précédentes caractérisée en ce que le guide d'onde d'alimentation (11) est en forme de serpentin. 4. Antenne selon l'une des quelconques revendications précédentes caractérisée en ce que le guide d'onde d'alimentation (11) fonctionne en mode progressif. 5. Antenne selon l'une des quelconques revendications précédentes 25 caractérisée en ce que les guides d'onde rayonnant (10) fonctionnent en mode résonnant. 6. Antenne selon l'une des quelconques revendications précédentes caractérisée en ce que le guide d'onde rayonnant (10) comporte une fente de couplage (21) non parallèle à la longueur de la face dans laquelle la fente de couplage (21) est percée. 2886771 11 7. Antenne selon l'une des quelconques revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle est utilisée dans un radar adapté à la détection et à la localisation des phénomènes météorologiques.