Brevet FR2945674A1 — publié le 20101119

DISPOSITIF DE DEPOINTAGE DU FAISCEAU D'UNE ANTENNE ET ANTENNE A BALAYAGE DE FAISCEAU UTILISANT LE DISPOSITIF L'invention concerne le domaine des antennes mécaniquement fixes, avec balayage du faisceau de rayonnement d'une onde électromagnétique. Les systèmes actuels permettant de pointer le faisceau fixe d'une antenne dans une direction quelconque de l'espace utilisent différents dispositifs et procédés, à savoir • Par la mise en oeuvre d'une motorisation à deux ou trois axes de rotation pour pointer le faisceau fixe d'une antenne de type cornet, réflecteur ou réseau, dans une direction définie par les angles de rotation autour desdits axes de rotation (exemple : antenne parabole ou antenne réseau à fentes positionnées en pointe avant d'avion) • Par l'utilisation d'un plan réflecteur mobile positionné devant une antenne à faisceau fixe pour défléchir le faisceau dans la direction définie par les lois de la réflexion (exemples : antenne de type réflecteur Cassegrain inverse) • Par l'utilisation de déphaseurs ou lignes à retard dans une antenne réseau à balayage électronique classique permettant de générer un éclairement à loi de phase linéaire, dont l'axe et la pente définissent l'inclinaison du front d'onde et la déflexion du faisceau (exemple : antenne active à balayage électronique ou AESA pour Active Electronic Scanned Antenna en langue anglaise. • Par l'utilisation de lentilles artificielles à éléments commandables (diodes, MEMs) associés à une antenne à balayage électronique constituée d'une antenne à faisceau fixe permettant de générer un éclairement dont la loi de phase définit l'inclinaison du front d'onde et la déflexion du faisceau (exemple : antenne RBE2 du radar équipant l'avion de désignation commerciale Rafale) Néanmoins ces dispositifs de l'état de l'art pour dépointer le faisceau d'une antenne fixe comportent des inconvénients. En effet, les systèmes à motorisation à deux ou trois axes nécessitent des mécanismes de précision capables de supporter des mouvements rapides et des arrêts et retournements brusques. Les systèmes à plan réflecteur mobile nécessitent une surface de réflecteur suffisante pour intercepter le faisceau de l'antenne, limitant en cela le domaine de pointage du faisceau ou les performances du système (gain, lobes). Les antennes réseaux à balayage électronique sont complexes à mettre en oeuvre, donc généralement onéreuses. La maîtrise de la consommation et de la dissipation thermique peuvent constituer des points difficiles. Les antennes à balayage électronique par l'utilisation de lentilles artificielles sont complexes à mettre en oeuvre, et la maîtrise de la polarisation et des performances peuvent constituer un point délicat. Pour pallier les inconvénients des antennes à balayage de faisceau classique, l'invention propose un dispositif de dépointage du faisceau FF d'une antenne, d'axe ZZ' de rayonnement d'ondes électromagnétiques fixe, selon un axe de dépointage DD' et un plan de dépointage Pd orthogonal au plan XY et contenant les axes ZZ' et DD' relativement à un trièdre de référence XYZ, l'axe de dépointage DD' formant avec l'axe de rayonnement ZZ' un angle de dépointage 8, et le plan de dépointage Pd faisant un angle de position avec l'axe X, caractérisée en ce qu'il comporte, dans le trajet des ondes électromagnétiques un premier et un deuxième prismes superposés mobiles autour de l'axe de rayonnement ZZ', chacun des prismes ayant des surfaces externes et deux extrémités, l'indice du matériau composant le prisme étant variable entre ces deux dites extrémités, les prismes pouvant être positionnés angulairement l'un part rapport à l'autre selon ledit axe de rayonnement ZZ', le premier et le deuxième prismes étant configurés pour produire une inflexion du faisceau de l'antenne, selon l'axe de dépointage DD', d'amplitude variable en fonction du positionnement angulaire entre les deux prismes, Avantageusement, l'angle de position du plan de dépointage Pd 35 relativement au plan ZX est fonction d'un autre positionnement angulaire w, selon l'axe de rayonnement ZZ' de l'ensemble des deux prismes par rapport à l'antenne. Dans une réalisation, les prismes sont des disques en matériau diélectrique d'épaisseur constante, d'indice de réfraction croissant linéairement d'une à l'autre extrémité du disque pour obtenir une l'inflexion de l'onde électromagnétique incidente traversant le disque. Dans une autre réalisation, les prismes sont des disques en matériau diélectrique d'épaisseur constante, d'indice de réfraction croissant de façon discontinue par pas P, d'une à l'autre extrémité du disque pour obtenir une l'inflexion de l'onde électromagnétique incidente traversant le disque. Dans une autre réalisation, le coefficient diélectrique (ou permittivité) du matériau constituant le disque étant homogène, le disque comporte des trous perpendiculaires aux surfaces externes de densité de trous croissante d'une extrémité à l'autre du disque, pour obtenir l'indice de diffraction croissant linéairement d'une à l'autre extrémité du disque. Dans une autre réalisation, le prisme, en forme de disque de coefficient diélectrique homogène, comporte une surface en dents de scie de pas S et de hauteur L égale à la longueur d'onde ?, de l'onde électromagnétique traversant le prisme. L'invention concerne aussi une antenne à balayage de faisceau comportant le dispositif de dépointage du faisceau selon l'invention. Dans une réalisation de l'antenne à balayage de faisceau, les deux 30 prismes du dispositif de dépointage sont entraînés indépendamment en rotation par une courroie respective entraînée par l'axe d'un moteur respectif pour assurer la rotation angulaire d'un disque par rapport à l'autre et de l'ensemble des deux disques par rapport à l'antenne. 35 La nouvelle architecture de l'antenne à balayage de faisceau permet à partir de deux prismes en rotation autour de l'axe de l'antenne à faisceau fixe de défléchir le faisceau de l'antenne d'un angle de dépointage 0 défini par la position relative des deux prismes et dans un plan de dépointage défini par la position de l'ensemble des deux prismes par rapport à l'antenne à faisceau fixe, indépendamment de la polarisation de l'antenne. L'invention sera mieux comprise par des descriptions d'antennes 10 dépointables, selon l'invention, en référence aux figures indexées dans lesquelles - la figue 1 représente un prisme traversé par un rayon lumineux incident à une des surfaces du prisme, - la figure 2 montre la déflexion d'une seule onde traversant un 15 prisme, - la figure 3 montre une représentation simplifiée du dispositif de dépointage, selon l'invention, - les figures 4a et 4b illustrent le principe de fonctionnement du dispositif de dépointage comportant deux prismes, selon l'invention, 20 - la figure 5 représente, sous forme de tableau, les valeurs de l'indice résultant de l'empilement des deux prismes des figures 4a et 4b, - les figures 6a, 6b, 6c, 6d, 6e montrent des variantes de réalisation des prismes du dispositif de dépointage selon l'invention, - les figures 7a et 7b montrent une réalisation pratique d'un dispositif 25 de dépointage, selon l'invention et, - la figure 8 montre un schéma de principe de commande du dispositif des figures 7a et 7b. La figure 1 représente un prisme traversé par un rayon lumineux 30 incident à une des surfaces du prisme. Dans la figure 1, un prisme 10, de façon connue, défléchit une onde lumineuse Lm blanche traversant le prisme en fonction de sa longueur d'onde. Le prisme 10 produit une décomposition spectrale Lr, Lv, Lb de la lumière blanche L par réfraction. La déflexion de l'onde en sortie du prisme 35 est variable en fonction de sa longueur d'onde, donc de sa couleur. De même, un prisme positionné devant une antenne défléchit le front d'onde de l'onde électromagnétique et dévie donc le faisceau rayonné (notion de dépointage du diagramme de rayonnement). Cette déviation est dans l'exemple ci-dessous fonction de l'indice de réfraction diélectrique et de la différence de longueur traversée par les rayons, donc de la hauteur du prisme. La figure 2 montre la déflexion d'une seule onde traversant un prisme. Une onde monochromatique Lc traversant, le p sme de la figure 2 produit un seul angle de déflexion 0 de ladite onde. La figure 3 montre une représentation simplifiée du dispositif de dépointage, selon l'invention, du faisceau de rayonnement fixe d'une antenne. La figure 3 représente une antenne 30 dont on souhaite dépointer le faisceau fixe FF d'axe de rayonnement fixe ZZ' par le dispositif de dépointage selon l'invention. Le dispositif de dépointage et l'antenne 30 sont représentés dans un trièdre de référence XYZ, l'axe du faisceau fixe de l'antenne étant l'axe Z du trièdre. L'antenne antenne 30 fournit, en émission, ou reçoit, en réception, 20 une onde électromagnétique à une seule longueur d'onde X. Le dispositif de dépointage selon l'invention comporte, du coté du faisceau fixe FF de l'antenne 30, un premier 40 et un deuxième 42 prismes superposés mobiles sous forme de disques d'axe colinéaire à l'axe ZZ' 25 comportant chacun deux surfaces externes parallèles 44, 46, 48, 50 en contact avec le milieu ambiant et au moins deux extrémités 54, 56. La notion d'extrémités du disque est en fait liée à une variation entre ces deux extrémités de l'indice du matériau composant le disque. Les deux prismes 40, 42 placés dans le trajet des ondes 30 électromagnétique reçue ou émises par l'antenne peuvent tourner indépendamment autour de l'axe de rayonnement ZZ' de l'antenne. Le dispositif de dépointage proposé consiste à associer ces deux prismes 40, 42 afin de maîtriser, d'une part, un plan Pd de déflexion (ou de dépointage) et, d'autre part, un angle 0 de déflexion (ou de dépointage), 35 dudit faisceau fixe FF de l'antenne. La figure 3 montre l'angle 6 de déflexion défini comme l'angle entre l'axe de rayonnement ZZ' du faisceau fixe FF et l'axe DD' du faisceau dépointé FD. Le plan de dépointage Pd est le plan contenant le faisceau dépointé FD et l'axe ZZ'. La position angulaire du plan de dépointage Pd par rapport à l'axe XX' est définie par l'angle de position avec l'axe X. La maîtrise de l'angle de dépointage 0 et de l'angle de position cl) du plan de dépointage Pd du faisceau fixe est assurée respectivement par une première rotation relative d'angle de rotation a d'un des prismes par rapport à l'autre, autour de leur axe commun ZZ', et par une seconde rotation relative d'angle de position w de l'ensemble des deux prismes par rapport à l'antenne 30. Les figures 4a et 4b illustrent le principe de fonctionnement du dispositif de dépointage comportant deux prismes, selon l'invention. Considérons les deux prismes identiques 40, 42 superposés, chacun sous forme de disque en matériau diélectrique, d'axe de symétrie XX', de hauteur h, dont l'indice de réfraction n (soit 'le si=�1) varie continûment de 1 à 3 d'une extrémité 54 à l'autre 56 du disque selon l'axe XX' La figure 4a montre sous forme de dégradé la variation de l'indice n d'une extrémité à l'autre du disque selon ledit axe de symétrie XX'. La figure 4b montre une vue latérale des deux disques 40, 42, selon un plan perpendiculaire aux disques décalés angulairement d'un angle de rotation a1 prédéterminé. On suppose une onde électromagnétique incidente, sous forme de rayons R parallèles, émise par l'antenne 30 à faisceau fixe FF perpendiculairement aux surfaces externes 44, 46, 48, 50 des disques. Chaque rayon R issu de l'antenne à faisceau fixe 30 traverse le premier prisme 40 (ou lentille) avec un indice local n1 sur une hauteur h, puis le deuxième prisme 42 avec un indice local n2 sur une même hauteur h. Le déphasage apporté sur le rayon R sera donc proportionnel à (n1+n2).h. Dans le dispositif de dépointage selon l'invention, la position angulaire relative des disques, l'un par rapport à l'autre, est définie par l'angle de rotation a. L'angle de rotation a est égal à 0 degrés lorsque les deux disques 40, 42 ont des indices symétriques selon un plan de symétrie PS séparant les deux disques. C'est dans cette configuration avec a =0 degrés que la variation d'indice résultant des deux prismes est la plus importante soit de 2 à 6 d'une à l'autre extrémité du dispositif de dépointage. Lorsque l'angle a entre les deux disques est égal à 180 degrés, l'indice le plus élevé d'un des disques sera face à l'indice le plus faible de l'autre disque au niveau des extrémités 54, 56 des disques, soit un indice résultant des deux prismes constant de 4, d'une à l'autre extrémité du dispositif de dépointage. La figure 5 représente sous forme de tableau les valeurs de l'indice résultant (n1 +n2) de l'empilement des deux disques 40, 42 des figures 4a et 4b pour différents angles de rotation a. Le tableau de la figure 5 comporte trois colonnes représentant : - la première colonne, une position angulaire fixe du premier disque 40, - la deuxième colonne, cinq positions angulaires du deuxième disque 42 et, - la troisième colonne, les indices n résultant pour chacune des cinq 20 positions angulaires respectives de l'ensemble des deux disques 40, 42 superposés. L'angle de dépointage 0 du faisceau fixe FF de l'antenne, dans un plan passant par l'axe ZZ', est d'autant plus important que la différence entre les valeurs extrêmes des indices n1 et n2 est importante. La variation 25 maximale de l'indice résultant sera de (n1 +n2) soit 6 dans cette réalisation. Dans la troisième colonne du tableau de la figure 5, la longueur de la flèche F indique en relatif l'amplitude de variation de (n1+n2), donc l'amplitude de l'angle de dépointage 0 du faisceau fixe FF par rapport à l'axe de rayonnement fixe ZZ'. La direction de la flèche F indique la position de 30 l'axe de dépointage DD' du faisceau. La position de l'axe DD' de dépointage est définie par l'angle de position entre un plan Pxz passant par les axes XZ du trièdre XYZ et le plan de dépointage passant par l'axe Z et l'axe de dépointage DD' (voir figure 3). C'est donc la position angulaire relative des deux prismes 40, 35 42 qui fournit l'angle de dépointage 0 du faisceau fixe FF compté à partir de l'axe ZZ' de l'antenne. La rotation de l'angle de position w de l'ensemble des deux prismes 40, 42 ainsi configurés autour de l'axe ZZ' de l'antenne 30 permet d'ajuster la position du plan de dépointage Pd du faisceau FD dépointé. Ce fonctionnement du dispositif est indépendant de la polarisation de l'antenne 30 à faisceau fixe FF. Les figures 6a, 6b, 6c, 6d, 6e montrent des variantes de réalisation des prismes du dispositif de dépointage selon l'invention. Dans une réalisation des prismes 40, 42 représentée à la figure 6a les prismes sont des disques en matériau diélectrique d'épaisseur h constante. L'indice de réfraction n croit croît linéairement d'une 54 à l'autre 56 extrémité du disque pour obtenir une l'inflexion de l'onde électromagnétique incidente traversant le disque. Dans une autre réalisation des prismes 40, 42 représentée à la figure 6b les prismes sont des disques en matériau diélectrique d'épaisseur h constante, mais l'indice de réfraction n croît de façon discontinue par pas P, d'une 54 à l'autre 56 extrémité du disque. On peut obtenir aussi une déflexion du faisceau incident traversant les disques par diffraction de l'onde électromagnétique incidente. A cet effet dans une variante de réalisation des prismes 40, 42 représentée à la figure 6c chacun des prismes comporte des trous 60 perpendiculaires aux surfaces externes des disques. La densité de trous est croissante d'une extrémité 54 à l'autre 56 du disque, pour obtenir un indice de diffraction croissant linéairement d'une à l'autre extrémité du disque. Dans une autre variante, l'indice de diffraction peut être obtenu par une variation de l'épaisseur du prisme d'une à l'autre extrémité du prisme. La figure 6d montre un prisme 64 d'épaisseur croissante d'une extrémité à l'autre du prisme. Cette dernière variante comporte l'inconvénient d'obtenir un prisme ayant une épaisseur trop importante. II est possible de transformer ce prisme 64 à épaisseur variable et 35 éventuellement le rendre plus compact. La figure 6e représente une réalisation d'un disque compact 68 dérivé du prisme à épaisseur variable 64 de la figure 6d par les techniques suivantes désignées par 'Zonage' de la lentille : à une fréquence donnée, donc, à une longueur d'onde X, donnée dans le milieu diélectrique du prisme, une hauteur L et une hauteur L + kX (voir figure 6d) vont créer pour un rayon un même déphasage modulo 2n. En réduisant localement la hauteur du prisme à une hauteur L, on obtient en final une lentille en 'dents de scie' selon un pas S de répétition des dents. L'ensemble a donc un encombrement global de section rectangulaire de hauteur h1, soit un cylindre pour une lentille devant une antenne d'ouverture circulaire. Les figures 7a et 7b montrent une réalisation pratique d'un dispositif de dépointage, selon l'invention, d'un faisceau fixe d'une antenne. Le dispositif des figures 7a et 7b est associé à l'antenne 30 à faisceau fixe FF d'axe de rayonnement fixe ZZ' dont on souhaite dépointer le faisceau fixe FF. Le dispositif comporte deux disques 80, 82 chacun d'épaisseur constante h et d'indice de réfraction croissant linéairement d'une 54 à l'autre 56 extrémité du disque, d'axes de rotation collinaires avec l'axe de rayonnement ZZ' de l'antenne. Les disques 80, 82 sont entrainés indépendamment en rotation par une courroie respective 84, 86. Chaque courroie est entraînée indépendamment par l'axe 88, 90 d'un respectif moteur M1, M2 pour assurer la rotation angulaire d'un disque par rapport à l'autre et de l'ensemble des deux disques par rapport à l'antenne 30. Les disques 80, 82 sont maintenus en positon par leurs bords circulaires 92, 94 à l'aide d'un support 100 solidaire de l'axe ZZ'. Le support 100 comporte une paire de rainures circulaires 102, 104 d'axe ZZ' dans lesquelles se trouvent insérés les bords 92, 94 des disques. Dans cette réalisation des figures 7a et 7b, la rotation des disques dans les rainures du support 100 peut être réalisée, soit par l'intermédiaire des roulements à billes, soit directement par contact avec le support avec faible frottement, pour obtenir une rotation sans résistances des disques 80, 82 dans les rainures du support 100. Dans une variante (non représentée sur les figures) les disques sont entrainés en rotation selon l'axe ZZ' par frottement direct des axes 88, 90 des moteurs MI , M2 sur le respectif bord 92, 94 des disques. Le dispositif de dépointage selon l'invention comporte aussi une unité centrale UC 110 configurée pour fournir une commande respective de position cml, cm2 aux moteurs M1 et M2 de façon à positionner angulairement les disques, l'un par rapport à l'autre, et l'ensemble des deux disques par rapport à l'antenne 30 à faisceau fixe, pour obtenir un angle de dépointage 0 et un plan de dépointage Pd prédéterminé du faisceau de l'antenne. La figure 8 montre un schéma de principe de commande du dispositif des figures 7a et 7b. L'unité centrale UC 110 reçoit, d'une part, l'angle de dépointage 0 et la position angulaire i) du plan de dépointage Pd souhaités et fournit, d'autre part, des signaux de commandes cml, cm2 des deux moteurs M1, M2 pour le positionnement du disque respectif. L'invention concerne aussi une antenne à balayage de faisceau comportant le dispositif de dépointage de faisceau selon l'invention. L'unité centrale UC 100 peut être configurée pour réaliser un dépointage du faisceau de l'antenne variable dans le temps en fournissant aux moteurs M1, M2 une série de commandes respectives de rotation cml, cm2 pour effectuer le balayage par le faisceau de l'antenne d'une zone souhaitée de l'espace. Le dispositif de dépointage selon l'invention possède les avantages potentiels suivants : Insensibilité à la polarisation de l'antenne, diminution des coûts par rapport à un dispositif de l'état de l'art, balayage continu du faisceau. En outre le dispositif avec double prisme positionné devant l'antenne à faisceau fixe, ne nécessite ni déphaseur ni système à commutation d'état. Le dispositif est insensible à la polarisation de l'onde émise (ou reçue) par l'antenne et peut fonctionner dans une large bande de fréquence (prismes à indice évolutif) ou être optimisé en bande étroite (prismes avec 'zonage') REVENDICATIONS1. Dispositif de dépointage du faisceau FF d'une antenne, d'axe ZZ' de rayonnement d'ondes électromagnétiques fixe, selon un axe de dépointage DD' et un plan de dépointage Pd orthogonal au plan XY et contenant les axes ZZ' et DD' relativement à un trièdre de référence XYZ, l'axe de dépointage DD' formant avec l'axe de rayonnement ZZ' un angle de dépointage 0, et le plan de dépointage Pd faisant un angle de position i avec l'axe X, caractérisée en ce qu'il comporte, dans le trajet des ondes électromagnétiques un premier (40, 80) et un deuxième (42, 82) prismes superposés mobiles autour de l'axe de rayonnement ZZ', chacun des prismes ayant des surfaces externes (44, 46, 48, 50) et deux extrémités (54, 56), l'indice du matériau composant le prisme étant variable entre ces deux dites extrémités, les prismes pouvant être positionnés angulairement (a) l'un part rapport à l'autre selon ledit axe de rayonnement ZZ', le premier et le deuxième prismes étant configurés pour produire une inflexion (0) du faisceau de l'antenne (30), selon l'axe de dépointage DD', d'amplitude variable en fonction du positionnement angulaire entre les deux prismes, 2. Dispositif de dépointage selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'angle de position 1) du plan de dépointage Pd relativement au plan ZX est fonction d'un autre positionnement angulaire (w), selon l'axe de rayonnement ZZ' de l'ensemble des deux prismes par rapport à l'antenne (30). 3. Dispositif de dépointage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les prismes sont des disques en matériau diélectrique d'épaisseur (h) constante, d'indice de réfraction (n) croissant linéairement d'une (54) à l'autre (56) extrémité du disque pour obtenir une l'inflexion de l'onde électromagnétique incidente traversant le disque. 4. Dispositif de dépointage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les prismes sont des disques en matériau diélectriqued'épaisseur (h) constante, d'indice de réfraction (n) croissant de façon discontinue par pas P, d'une (54) à l'autre (56) extrémité du disque pour obtenir une l'inflexion de l'onde électromagnétique incidente traversant le disque. 5. Dispositif de dépointage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les prismes sont des disques en matériau diélectrique d'épaisseur (h) constante, d'indice de diffraction croissant linéairement d'une à l'autre extrémité du disque pour obtenir une inflexion de l'onde électromagnétique incidente traversant le disque. 6. Dispositif de dépointage selon la revendication 5, caractérisée en ce que le coefficient diélectrique (ou permittivité) du matériau constituant le disque étant homogène, le disque comporte des trous (60) perpendiculaires aux surfaces externes (44, 46, 48, 50) de densité de trous croissante d'une extrémité à l'autre du disque, pour obtenir l'indice de diffraction croissant linéairement d'une à l'autre extrémité du disque. 7. Dispositif de dépointage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le prisme, en forme de disque de coefficient diélectrique homogène, comporte une surface en dents de scie de pas S et de hauteur L égale à la longueur d'onde X de l'onde électromagnétique traversant le prisme. 8. Antenne à balayage de faisceau caractérisée en ce qu'elle comporte le dispositif de dépointage du faisceau selon l'une des revendications 1 à 7. 9. Antenne à balayage de faisceau selon la revendication 8, caractérisée en ce que les deux prismes (80, 82) du dispositif de dépointage sont entraînés indépendamment en rotation par une courroie respective (84, 86) entraînée par l'axe (88, 90) d'un moteur respectif (MI , M2) pour assurer la rotation angulaire (a) d'un disque par rapport à l'autre et de l'ensemble des deux disques par rapport à l'antenne (30).35