Brevet FR2888406A1 — publié le 20070112

La présente invention est relative aux antennes stériques, c'est à dire aux antennes réseau à balayage électronique dont les éléments rayonnants sont répartis à l'intérieur d'un volume au lieu d'être disposés sur une surface réfléchissante, plane ou de révolution. Ce type d'antenne a l'avantage de permettre une couverture tridimensionnelle, le plus souvent hémisphérique ou quasi-hémisphérique à laquelle participent tous les éléments rayonnants. Ce n'est pas le cas des antennes à réseau réparti sur une surface réfléchissante qui soit, lorsqu'elles sont planes, nécessitent plusieurs panneaux différemment orientés dont un seul est utilisé à la fois, soit, lorsqu'elles sont cylindriques ou sphériques, ne mettent à contribution que les éléments rayonnants visibles de la direction visée. En raison de cette propriété on attend des antennes stériques des performances supérieures en gain et directivité. C'est pourquoi elles sont étudiées depuis longtemps. Elles font par exemple l'objet du brevet allemand DE A 2822845 qui décrit une antenne réseau dont les éléments rayonnants sont répartis de manière aléatoire et homogène au sein d'une boule. Dans cette antenne, les éléments rayonnants sont alimentés individuellement par des lignes verticales et sont soit des boucles horizontales, soit des dipôles horizontaux, croisés et alimentés en parallèle avec un déphasage de 7r/2 (antenne tourniquet). De tels éléments rayonnants ont été choisis d'une part en raison de leur polarisation horizontale qui évite leur occultation par les lignes verticales d'alimentation et d'autre part en raison de leurs diagrammes de rayonnement omnidirectionnels en azimut qui permet une couverture quasi totale de l'espace par l'antenne globale. Les dipôles horizontaux, croisés et alimentés en parallèle avec un déphasage de 7r/2 ont en outre l'avantage par rapport aux boucles de ne pas avoir une zone aveugle dans la région zénithale et d'être également omnidirectionnels en site. L'antenne stérique assure une couverture tridimensionnelle de l'espace avec un faisceau directif obtenu, à l'émission ou à la réception, par une formation de faisceaux qui consiste en une sommation à pondération complexe des signaux élémentaires émis ou reçus par ses différents éléments rayonnants telle qu'ils se combinent en phase dans la direction de pointage souhaitée. Elle a cependant l'inconvénient de donner lieu à un 2888406 2 important rayonnement parasite s'étendant de part et d'autre du lobe formé dans la direction de pointage et d'avoir un faible rendement énergétique. En effet, la focalisation dans un lobe formé dans une direction de pointage ne se fait que pour les énergies émises ou captées par les éléments rayonnants dans un angle limité, centré dans la direction de pointage. Les compléments d'énergie émis ou captés en dehors de cet angle par les éléments rayonnants omnidirectionnels se combinent de façon diffuse dans toutes les directions extérieures au lobe formé. Il en résulte un niveau important de rayonnement parasite. La présente invention a pour but de lutter contre cet inconvénient. Elle a pour objet un élément rayonnant pour antenne stérique doté d'un faisceau directif, orientable en azimut. Avantageusement, cet élément rayonnant à faisceau directif orientable en azimut comporte au moins deux dipôles horizontaux, croisés alimentés par l'intermédiaire d'un répartiteur de puissance réglable en fonction de la direction visée par l'antenne stérique. Avantageusement, le répartiteur de puissance comporte un déphaseur réglable intercalé entre deux coupleurs directifs 3 dB (90 ) à deux entrées et deux sorties connectés à la suite entre les deux dipôles croisés d'un élément rayonnant et sa ligne d'alimentation, un premier coupleur 3 dB (90 ) ayant une première entrée connectée à la ligne d'alimentation, une deuxième entrée connectée à une charge d'adaptation et ses sorties connectées aux entrées du deuxième coupleur 3 dB (90 ), l'une directement, l'autre par l'intermédiaire du déphaseur réglable, et le deuxième coupleur 3 dB (90 ) ayant ses sorties connectées aux deux dipôles croisés de l'élément rayonnant. Selon une variante, l'élément rayonnant à faisceau directif orientable en azimut comporte deux couplets orthogonaux de dipôles horizontaux, chaque couplet comportant deux dipôles parallèles disposés l'un devant l'autre à une distance d'un quart de longueur d'onde et alimentés avec la même amplitude et en quadrature de phase avance ou retard, un commutateur permettant d'activer l'un ou l'autre des deux couplets, le couplet activé étant celui dont le secteur avant ou arrière renferme la direction visée et deux déphaseurs commandables de n/2 intercalés chacun entre les deux dipôles de chaque couplet et commandés en fonction 2888406 3 de l'appartenance de la direction visée au secteur avant ou arrière du couplet activé. Avantageusement, les dipôles de l'élément rayonnant à faisceau directif orientable sont réalisés à partir de motifs conducteurs rayonnants tracés sur un substrat isolant connus sous le nom de "patch" dans la littérature anglo-saxonne et leurs circuits associés: déphaseurs commandés, coupleurs ou commutateurs sont intégrés sur le même substrat. Grâce à la directivité des faisceaux des éléments rayonnants et à leur orientation dans un secteur angulaire où l'on veut pointer l'antenne stérique, on élimine dans une large proportion les énergies émises ou captées dans des directions très éloignées de celle du pointage. Cela concourt à diminuer grandement le rayonnement parasite entourant le lobe formé dans la direction du pointage et à améliorer le rendement énergétique. En contrepartie, on perd la faculté de poursuite simultanée de plusieurs cibles dispersées angulairement sur 360 en azimut, qui ne subsiste que dans les limites du secteur angulaire couvert par le lobe principal du diagramme de rayonnement des éléments rayonnants. C'est, en fait, un inconvénient mineur puisque l'on peut passer très rapidement d'un secteur angulaire à l'autre en changeant les réglages de l'orientation du diagramme des éléments rayonnants ce qui autorise une poursuite séquentielle sur 360 en azimut à une cadence supérieure à la plupart des cadences de renouvellement d'informations requises dans la pratique pour la poursuite de cibles ou le guidage de missiles. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description de modes de réalisation donnés à titre d'exemple. Cette description sera faite ci-après relativement au dessin dans lequel: - une figure 1 représente, de manière schématique, une antenne stérique; - une figure 2 représente, de manière schématique, un type d'élément rayonnant selon l'invention, avec un faisceau de rayonnement directif et orientable; - une figure 3 détaille la constitution d'un répartiteur de puissance employé dans l'élément rayonnant de la figure 2; 2888406 4 - une figure 4 montre, en perspective et de manière schématique, un mode de réalisation de l'élément rayonnant de la figure 2; et - une figure 5 représente, de manière schématique, un autre type d'élément rayonnant selon l'invention. Sur les figures les mêmes éléments sont désignés par les mêmes numéros de référence. Comme on peut le voir sur la figure 1, une antenne stérique comporte un réseau 1 d'éléments rayonnants 2 répartis de façon aléatoire et homogène à l'intérieur d'un volume enveloppe 3 conformément aux principes o des réseaux raréfiés aléatoires. Dans le cas d'un réseau d'éléments rayonnants il est bien connu que l'on doit, pour éviter l'apparition de lobes parasites de réseau dans certains angles de pointage du faisceau, disposer les éléments rayonnants dans le réseau avec un maillage présentant un pas d'écartement inférieur à ?J2, X étant la longueur d'onde de fonctionnement du réseau. Comme l'ouverture du faisceau obtenu est inversement proportionnelle à la dimension du réseau comptée en longueur d'onde, cela conduit à envisager des réseaux pleins de grandes dimensions avec un très grand nombre d'éléments rayonnants. La raréfaction consiste à supprimer un grand nombre d'éléments rayonnants dans un réseau plein. Elle permet de faire des économies sur le nombre d'éléments rayonnants pour une dimension donnée du réseau, c'est à dire pour une ouverture donnée du faisceau. et, également, sinon d'éliminer, du moins de réduire fortement les couplages entre éléments rayonnants, causes fréquentes de dégradation des performances des antennes réseau. En contrepartie elle provoque l'apparition de lobes de réseau. L'aléa permet de réduire les lobes de réseau inhérents aux structures régulières à grands pas. On notera que, pour la clarté du dessin, les proportions respectives entre la longueur des différents éléments rayonnants (en principe voisine d'une demi-longueur d'onde), leurs espacements relatifs (de l'ordre de plusieurs longueurs d'onde), le diamètre du volume enveloppe (de l'ordre de plusieurs dizaines de longueurs d'onde) n'ont pas été respectées. D'ailleurs ces différentes dimensions peuvent varier dans des proportions 2888406 5 importantes en fonction des performances souhaitées (gain, finesse du faisceau, etc...). Chaque élément rayonnant 2 est alimenté individuellement par une ligne verticale à faible perte 4 aboutissant à un module actif propre 5 qui comprend au moins un circuit déphaseur individuellement contrôlable mais qui peut comprendre également des circuits amplificateur, de filtrage, etc. selon les fonctions assumées par l'antenne et les types de signaux qu'elle pourra être amenée à émettre ou à recevoir. Les réglages des circuits déphaseurs des modules actifs 5 permettent de pointer l'antenne en faisant en sorte que les signaux élémentaires émis ou reçus par les différents éléments rayonnants dans la direction de pointage soient en phase. Ils se font grâce à un circuit pointeur 8. Les différents modules actifs 5 sont raccordés à un distributeur 6 15 qui répartit ou somme les signaux en provenance ou à destination de circuits 7 d'émission et/ou de réception. Les éléments rayonnants sont choisis de manière à avoir une polarisation horizontale pour éviter d'être occultés par les lignes verticales d'alimentation 4 et à avoir un diagramme de rayonnement omnidirectionnel. Habituellement, ce sont des boucles horizontales ou des antennes tourniquet formées d'une paire de dipôles horizontaux croisés alimentés en parallèle avec un déphasage de 7r/2. Comme indiqué précédemment, le fait que les éléments rayonnants aient un diagramme de rayonnement omnidirectionnel a l'inconvénient de faire apparaître un important rayonnement parasite de part et d'autre du lobe formé dans la direction de pointage. Pour éviter cet inconvénient on propose de réaliser une antenne stérique avec des éléments rayonnants à faisceau directif et orientable. Un exemple d'élément rayonnant à faisceau directif et orientable est représenté à la figure 2. Il se compose d'une paire de dipôles horizontaux croisés 10, 11 alimentés en parallèle au moyen d'un répartiteur réglable de puissance 12. Le répartiteur réglable de puissance 12 est commandé, comme les modules actifs 5, par un circuit pointeur d'antenne 8' qui s'occupe également du réglage des modules actifs 5. Il permet de répartir la 2888406 6 puissance entre les deux dipôles horizontaux croisés 10, 11 d'un élément rayonnant 2 selon une proportion réglable, sans perte d'énergie et ainsi d'ajuster la polarisation de l'onde rayonnée par les deux dipôles 10,11 dans une plage de 90 degrés limitée par les directions de polarisation de chacun d'eux. Les deux dipôles horizontaux orthogonaux 10, 11 d'un élément rayonnant sont alors équivalents à un unique dipôle horizontal orientable sur 90 degrés. Leur diagramme de rayonnement n'est plus omnidirectionnel comme dans le cas de l'antenne tourniquet mais est directif comme celui d'un simple dipôle avec des zéros sur les côtés qui réduisent le niveau du rayonnement parasite capté en dehors des lobes avant et arrière formés qu'il suffit d'amener dans la direction de pointage pour retrouver un gain comparable avec celui obtenu au moyen d'une antenne tourniquet. Le répartiteur réglable de puissance 12 peut être réalisé, comme représenté à la figure 3, au moyen de deux coupleurs 3 dB (90 ) 15, 16 à deux entrées et deux sorties, et d'un déphaseur réglable 17. L'un 15 des coupleurs 3 dB (90 ) a une première entrée 20 connectée à la ligne d'alimentation de l'élément rayonnant provenant d'un module actif 5, une deuxième entrée 21 connectée à une charge d'adaptation 22 et ses deux sorties 23, 24 connectées aux deux entrées 25, 26 de l'autre coupleur 3 dB (90 ) 16, l'une 23 directement et l'autre 24 par l'intermédiaire du déphaseur réglable 17. L'autre coupleur 3 dB (90 ) 16 a ses deux sorties 27, 28 connectées directement aux deux dipôles horizontaux 10, 11 de l'élément rayonnant considéré. Dans chaque coupleur directif 3 dB (90 ) 15, 16 une première sortie est couplée avec un affaiblissement de 3 dB directement avec une première entrée et par l'intermédiaire d'un déphaseur (90 ) avec la deuxième entrée tandis que la deuxième sortie est couplée avec un affaiblissement de 3 dB directement avec la deuxième entrée et par l'intermédiaire d'un déphaseur (90 ) avec la première entrée. Ainsi, si l'on applique un signal acos(cot+cp) à la première entrée 20 du coupleur 3 dB (90 ) 15, il apparaît sur sa sortie 23 un signal de la forme (a/2)cos(cot+cp) et sur sa sortie 24 un signal de la forme -(a/2) sin(cot+cp). Le signal de la sortie 23 du coupleur 3 dB (90 ) 15 traverse le déphaseur réglable 17 qui lui ajoute un déphasage d avant qu'il parvienne à l'entrée 26 du coupleur 3 dB (90 ) 16. Le coupleur 3 dB (90 ) 16 voit sur 2888406 7 son entrée 26 un signal de la forme (a/2)cos(wt+9+4) et sur son entrée 25 un signal de la forme -(a/2)sin(cot+(p). II délivre sur sa sortie 28 un signal de la forme: -(a/4)sin(c)t+(p) - (a/4)sin(cot+ (p+(k) qui s'exprime aussi sous la forme: - (a/2)cos(4)/2)sin(cot+cp+(4/2) ) (1) De même il délivre sur sa sortie 27 un signal de la forme: 10 (a/4)cos(cot+(p) + (a/4)cos(cwt+cp+4) qui s'exprime aussi sous la forme: (a/2) sinW2)sin(cwt+cp+W2)) (2) Les formules 1 et 2 montrent que l'on obtient sur les deux sorties 27, 28 du deuxième coupleur 3 dB (90 ) 16 deux signaux de mêmes phases dont les amplitudes sont affectées par des coefficients en sin(4/2) et cos(/2) fonction du déphasage d) introduit par le déphaseur réglable 17. Grâce à ces coefficients réglables, il est possible de répartir à volonté la puissance du signal appliqué à l'entrée 20 entre les deux sorties 27, 28. Comme les coupleurs 3 dB (90 ) 15, 16 et le déphaseur réglable 17 sont réversibles, cela permet également de pondérer en réception, l'une par rapport à l'autre, les composantes des signaux captés par les deux dipôles horizontaux croisés 10, 11 d'un élément rayonnant 2. C'est bien la fonction recherchée du répartiteur réglable. Sur la figure 2 on a représenté les répartiteurs réglables de puissance 12 disposés à la base de l'antenne stérique devant les modules actifs 5 utilisés pour la formation de faisceau si bien qu'ils sont reliés aux deux dipôles horizontaux croisés 10, 11 de chaque élément rayonnant 2 par deux lignes verticales distinctes d'alimentation 18, 19. Ils peuvent également être placés au niveau des deux dipôles horizontaux orthogonaux de chaque élément rayonnant, ce qui permet de réduire de moitié le nombre des lignes verticales d'alimentation. La figure 4 montre un exemple dans lequel les deux dipôles horizontaux croisés de chaque élément rayonnant sont constitués d'un motif conducteur 30 de forme rectangulaire tracé sur un 2888406 8 substrat horizontal isolant et excité à partir de deux côtés 31, 32 selon deux polarisations orthogonales. Le répartiteur réglable de puissance est intégré dans une zone 33 du substrat au voisinage immédiat de l'un des côtés du motif 30. De la sorte, il ne subsiste qu'une seule ligne verticale d'alimentation 34 qui est coaxiale et dont les deux conducteurs servent également à amener une tension continue de commande de réglage au répartiteur réglable de puissance. La figure 5 montre un autre exemple d'élément rayonnant à faisceau directif et orientable. II se compose de deux couplets orthogonaux 40, 41 de dipôles horizontaux, d'un commutateur 42 commandable permettant d'activer l'un ou l'autre des deux couplets 40, 41 et de deux déphaseurs commandables de 7c/2 43, 44 intercalés chacun entre les deux dipôles de chaque couplet. Chaque couplet 40, respectivement 41 comporte deux dipôles parallèles 40a, 40b, respectivement 41a, 41b, disposés l'un devant l'autre à une distance d'un quart de longueur d'onde et alimentés avec la même amplitude et en quadrature de phase avance ou retard. Les deux couplets 40, 41 se partagent l'espace en quatre secteurs azimutaux: deux secteurs avant et arrière et deux secteurs latéraux. L'un des couplets, par exemple 40, dont les dipôles 40a, 40b sont orientés vers l'avant et l'arrière surveille les secteurs azimutaux avant et arrière. Son faisceau est pointé vers le secteur azimutal avant ou arrière correspondant à la direction du dipôle en retard de phase. Car, compte tenu des différences de trajet, les ondes émises ou reçues par les deux dipôles 40a, 40b s'ajoutent en phase dans cette direction alors que dans la direction opposée elles sont en opposition de phase et s'annulent. L'autre couplet, 41 dans l'exemple considéré, dont les dipôles 41a, 41b sont orientés vers les côtés surveille les secteurs azimutaux latéraux gauche et droite. Comme pour le couplet précédent 40 le faisceau de ce couplet 41 est pointé vers le secteur azimutal latéral gauche ou droite correspondant à la direction du dipôle en retard de phase. Le commutateur 42 permet de n'activer que celui des deux couplets 40, 41 qui surveille des secteurs azimutaux opposés renfermant la direction de pointage. Il peut être réalisé à l'aide de diodes. Les déphaseurs commandables de n/2 43, 44 permettent de 35 choisir parmi les deux secteurs azimutaux surveillés par un couplet 40 ou 2888406 9 41, celui renfermant la direction de pointage. Ils peuvent être réalisés à l'aide de diodes, de ferrites ou de fibres optiques. Le commutateur 42 et les déphaseurs commandables de 7c/2 43,44 peuvent être réalisés soit sur un même substrat que les dipôles 40a, 40b, 41a, 41b, ce qui permet de n'utiliser qu'une ligne verticale d'alimentation et trois lignes de commande 45 par élément rayonnant, soit sur un même substrat que le module actif 5 de l'élément rayonnant considéré. Ce bicouplet permet de réduire grandement le niveau de o rayonnement parasite capté puisqu'il présente un diagramme de rayonnement directif ouvert sur seulement un quadrant azimutal et non sur les quatre. REVENDICATIONS 1. Elément rayonnant pour antenne stérique caractérisé en ce qu'il est à faisceau directif orientable en azimut. 2. Elément rayonnant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux dipôles horizontaux, croisés (10, 11) alimentés par l'intermédiaire d'un répartiteur de puissance (12) réglable en fonction de la direction visée par l'antenne stérique. 3. Elément rayonnant selon la revendication 2, caractérisé en ce que le répartiteur de puissance (12) comporte un déphaseur réglable (17) intercalé entre deux coupleurs directifs 3 dB (90 ) à deux entrées et deux sorties (15, 16) connectés à la suite entre les deux dipôles croisés (10, 11) de l'élément rayonnant (2) et sa ligne d'alimentation, un premier coupleur 3 dB (90 ) (15) ayant une première entrée (20) connectée à la ligne d'alimentation, une deuxième entrée (21) connectée à une charge d'adaptation (22), et ses sorties (23, 24) connectées aux entrées (25, 26) du deuxième coupleur 3 dB (90 ) (16) , l'une (23) directement, l'autre (24) par l'intermédiaire du déphaseur réglable (17), et le deuxième coupleur 3 dB (90 ) (16) ayant ses sorties (27, 28) connectées aux deux dipôles croisés (10, 11) de l'élément rayonnant (2). 4. Elément rayonnant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte: deux couplets (40, 41) orthogonaux de dipôles horizontaux, (40a, 40b, 41a, 41b), chaque couplet (40, 41) comportant deux dipôles parallèles (40a, 40b ou 41a, 41b) disposés l'un devant l'autre à une distance d'un quart de longueur d'onde et alimentés avec la même amplitude et en quadrature de phase avance ou retard, un commutateur (42) permettant d'activer l'un ou l'autre des deux couplets (40, 41), le couplet activé (40 ou 41) étant celui dont le secteur avant ou arrière renferme la direction visée et deux déphaseurs commandables de ir/2 (43, 44) intercalés chacun entre les deux dipôles (40a, 40b ou 41a, 41b) de chaque couplet (40 ou 41) et commandés en fonction de l'appartenance de la direction visée au secteur avant ou arrière du couplet activé (40 ou 41) . 2888406 11 5. Elément rayonnant selon la revendication 2, caractérisé en ce que ses dipôles croisés (10,11) sont réalisés au moyen d'un motif conducteur (30) tracé sur un substrat isolant. 6. Elément rayonnant selon la revendication 5, caractérisé en ce que le répartiteur de puissance réglable (12) est également réalisé sur ledit substrat dans une zone (33) voisine du motif conducteur (30). 7. Elément rayonnant selon la revendication 4, caractérisé en ce que les dipôles (40a, 40b, 41a, 41b), le commutateur (42) et les déphaseurs commandables de 7r/2 (43, 44) sont réalisés de manière coplanaire.