Brevet FR2943466A1 — publié le 20100924

Elément rayonnant à bipolarisation La présente invention concerne un élément rayonnant à bipolarisation. Elle s'applique notamment au domaine des radars, plus particulièrement au domaine des antennes à bipolarisation équipant des radars, et notamment des antennes à réflecteurs. ~o Les antennes, par exemple les antennes équipant les radars, comprennent généralement au moins un élément rayonnant. Les éléments rayonnants permettent d'émettre et/ou de recevoir des ondes électromagnétiques. Les ondes électromagnétiques hyperfréquences émises sont habituellement de forte puissance, alors que les signaux reçus sont 15 habituellement de faible puissance. Dans certains dispositifs d'antennes à réflecteurs, un élément rayonnant peut être employé comme source éclairant un réflecteur, ou encore comme source dans un système comprenant un réflecteur et un sous-réflecteur, par exemple dans une antenne à réflecteur de type 20 Cassegrain. Dans le premier cas, l'éclairage du réflecteur est dit direct ; dans le second cas, l'éclairage du réflecteur est dit indirect. Un élément rayonnant peut également être utilisé en tant que tel, ou bien dans le but d'éclairer un dispositif optique tel qu'une lentille, par exemple. 25 Dans le cadre de certaines applications, il peut être avantageux d'employer un élément rayonnant capable d'émettre avec une puissance élevée une onde électromagnétique d'une fréquence particulière, avec une polarisation linéaire particulière. Un tel avantage est souhaitable, 30 typiquement, dans des applications où il est nécessaire d'offrir une portée suffisamment longue, par exemple pour détecter des cibles lointaines dans la direction d'émission de l'onde électromagnétique. Il peut bien sûr être également souhaitable, dans de telles applications 35 où des cibles doivent être détectées et localisées, de permettre la réception d'une onde électromagnétique de même fréquence, avec une polarisation linéaire de même direction que l'onde électromagnétique émise. II peut être également souhaitable, toujours dans le cadre de telles applications, de permettre une réception de type dit à simple impulsion, ou "monopulse" selon le terme anglo-saxon couramment utilisé dans le domaine technique des radars. Une réception de type monopulse, en elle-même connue de l'état de la technique, permet une détection plus fine d'une cible, offrant notamment un pointage plus précis sur la cible ainsi qu'une meilleure annulation des lobes secondaires. Il peut être également souhaitable, dans le cadre de telles applications, de permettre la réception d'une onde électromagnétique de même fréquence, mais avec une polarisation linéaire croisée par rapport aux ondes électromagnétiques décrites ci-dessus. Une telle réception permet par exemple d'affiner l'analyse radar, en offrant notamment une meilleure discrimination de signaux de brouillage, que ceux-ci soient intentionnels ou non. Enfin, il peut être également souhaitable, toujours dans le cadre de telles applications, que les centres de phases suivant les deux polarisations linéaires croisées évoquées ci-dessus, soient co-localisés, notamment pour l'éclairement d'un même réflecteur en son foyer. La co-localisation des centres de phase permet une simplification de l'analyse des signaux effectués par le dispositif radar, et donc un allègement des ressources constituant le dispositif, qui dans la plupart des applications doit être embarqué, par exemple dans un aéronef ou encore dans un missile. Il existe des solutions techniques en elles-mêmes connues, proposant 30 des solutions pour un ou plusieurs des problèmes techniques individuels précités. Par exemple, il existe des solutions connues de l'état de la technique, pour des sources de rayonnement à polarisation linéaire principale, basées sur l'utilisation de deux ouvertures de guides d'onde rectangulaires accolées, 35 ou de deux cornets de guide d'onde accolés. Ces solutions techniques permettent l'émission d'ondes électromagnétiques de forte puissance. Elles permettent également, par l'intermédiaire d'un dispositif connu sous le nom de "Té magique", de réaliser à l'émission la division d'un signal hyperfréquence vers les deux ouvertures, et à la réception la sommation ainsi que la différence des signaux issus des ouvertures, pour permettre respectivement une réception classique et une réception de type monopulse. II existe en outre des solutions techniques permettant la réception d'une onde électromagnétique hyperfréquence de polarisation linéaire croisée, consistant par exemple à disposer une antenne de type dipôle, dont les dimensions sont typiquement du quart de la longueur de l'onde électromagnétique, au-dessus d'un plan réflecteur. Néanmoins, il n'existe pas de solution technique permettant de résoudre l'ensemble de ces problèmes techniques. Un but de la présente invention est d'apporter une solution technique à l'ensemble des problèmes techniques précités, et de pallier les inconvénients précités, en proposant un élément rayonnant présentant une structure compacte et capable à la fois : de l'émission d'une onde électromagnétique hyperfréquence avec une puissance élevée, de la réception classique d'une onde électromagnétique hyperfréquence de même fréquence et de même polarisation linéaire, mais de faible puissance, ainsi que la réception de type monopulse d'une telle onde électromagnétique, de la réception d'une onde électromagnétique hyperfréquence de fréquence sensiblement égale et de polarisation orthogonale, d'offrir un centre de phase co-localisé pour les ondes électromagnétiques hyperfréquences de polarisations linéaires croisées. Un autre avantage de cette invention est qu'elle a pour objet un dispositif relativement compact, et de réalisation simple, permettant ainsi une 35 fabrication pour un coût relativement faible. 25 30 A cet effet, l'invention a pour objet un Elément rayonnant caractérisé en ce qu'il comprend : • au moins deux guides d'ondes dont les ouvertures sont de section sensiblement rectangulaire et accolées par deux de leurs côtés, • un dipôle comprenant deux branches parallèles à un côté des ouvertures de guides d'onde, et situées au-dessus du plan des ouvertures de guides d'onde, • des filtres de polarisation linéaire, la direction des filtres étant parallèle aux branches du dipôle situés dans le plan des ouvertures de guides d'onde. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'élément rayonnant peut être caractérisé en ce qu'il comprend quatre guides d'ondes dont les ouvertures sont de section sensiblement rectangulaire, chacune des ouvertures de guide d'onde étant accolée à deux autres ouvertures de guide d'onde par deux de ses côtés adjacents. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'élément rayonnant peut être caractérisé en ce que les filtres de polarisation linéaire sont formés par une pluralité de fils métalliques parallèles aux branches du dipôle. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'élément rayonnant peut être caractérisé en ce que les guides d'onde sont reliés à un dispositif de type Té magique réalisant à l'émission la division du signal hyperfréquence vers les deux ouvertures de guides d'onde et à la réception la somme et la différence des signaux issus des deux ouvertures de guides d'onde. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'élément rayonnant peut être caractérisé en ce que chaque paire de guides d'onde formée essentiellement dans la direction parallèle aux branches du dipôle est reliée à un dispositif de type Té magique réalisant à l'émission la division du signal hyperfréquence vers la paire d'ouvertures de guides d'onde et à la réception la somme et la différence des signaux issus de la paire d'ouvertures de guides d'onde. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'élément rayonnant peut 35 être caractérisé en ce que chaque paire de guides d'onde formée essentiellement dans la direction perpendiculaire aux branches du dipôle est reliée à un dispositif de type Té magique réalisant à l'émission la division du signal hyperfréquence vers la paire d'ouvertures de guides d'onde et à la réception la somme et la différence des signaux issus de la paire d'ouvertures de guides d'onde. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'élément rayonnant peut être caractérisé en ce que la surface s'étendant dans le plan des ouvertures de guides d'onde, autour de ces ouvertures de guides d'onde est un plan réflecteur formé par une surface métallique. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'élément rayonnant peut être caractérisé en ce qu'une fente de passage est formée entre les ouvertures de guides d'onde et/ou les guides d'onde pour le passage d'un circuit imprimé ou d'une ligne coaxiale d'alimentation du dipôle. La présente invention a également pour objet une antenne 15 caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un élément rayonnant tel que décrit ci-dessus. La présente invention a également pour objet une antenne à réflecteur, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un élément rayonnant tel que décrit ci-dessus, éclairant ledit réflecteur. 20 Dans un mode de réalisation de l'invention, l'antenne à réflecteur décrite ci-dessus peut être caractérisée en ce que l'éclairage du réflecteur est direct. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'antenne à réflecteur décrite ci-dessus peut être caractérisée en ce que l'éclairage du réflecteur 25 est indirect. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description, donnée à titre d'exemple, faite en regard des dessins annexés qui représentent : les figures la et 1 b, des schémas illustrant des dispositifs d'antennes respectivement à réflecteur simple et à dispositif de réflecteurs de type Cassegrain ; 30 la figure 2, un schéma illustrant un élément rayonnant à polarisation linéaire principale selon un exemple de technique connue, la figure 3, un schéma en perspective illustrant un élément rayonnant à bipolarisation selon un exemple de mode de réalisation de la présente invention ; la figure 4, un schéma en perspective illustrant un exemple de mode de réalisation de l'invention permettant un fonctionnement en mode monopulse suivant deux plans. Les figures la et lb présentent des schémas illustrant des dispositifs d'antennes respectivement à réflecteur simple et à réflecteurs de type 15 Cassegrain. En référence à la figure la, un dispositif d'antenne à réflecteur simple comprend une source primaire 100 et un réflecteur 110. La source primaire 100 est typiquement placée au niveau du foyer du réflecteur 110. Une telle 20 antenne peut par exemple être utilisée dans un radar servant à la détection de cibles situées dans l'axe formé par le centre du réflecteur 110 et la source primaire 100. A la fois l'émission et la réception peuvent alors être réalisées au niveau de la source primaire 100. Un élément rayonnant selon la présente invention peut par exemple 25 être utilisé comme source primaire 100 dans un dispositif d'antenne à réflecteur simple tel qu'illustré par la figure la. En référence à la figure lb, un dispositif d'antenne à réflecteur de type Cassegrain est présenté. Le dispositif comprend une source primaire 100, 30 placée sensiblement au niveau du centre d'un réflecteur 110. Un sous-réflecteur 111 est disposé au niveau du foyer du réflecteur 110. De la même manière, un élément rayonnant selon la présente invention peut par exemple être utilisé comme source primaire 100 d'un dispositif d'antenne à réflecteur de type Cassegrain tel qu'illustré par la figure 35 1 b. 10 La figure 2 présente un schéma illustrant un élément rayonnant à polarisation linéaire principale selon un exemple de technique connue. Un élément rayonnant en polarisation linéaire principale 200 comprend deux guides d'ondes 201 et 202 liés à un dispositif de type Té magique 203. Chaque guide d'onde 201 ou 202 comprend une ouverture de guide d'onde, respectivement 211 ou 212. Le Té magique 203 est lié à un circulateur hyperfréquence 204, aiguillant successivement une voie d'émission 207, une voie de réception classique 206, et une voie de réception différentielle 205. Les dispositifs situés en amont de la voie d'émission 207, et en aval des voies de réception 206 et 205 sont en eux-mêmes connus de l'état de la technique, et ne font pas l'objet de la présente invention. Ils ne sont par conséquent pas représentés sur la figure. Les guides d'onde 201 et 202 peuvent par exemple être des guides de section sensiblement rectangulaire constante, ou bien présenter des formes de cornets au niveau de leurs ouvertures 211 et 212. Les ouvertures de guides d'ondes 211 et 212 sont accolées, par exemple par un grand côté commun de leurs sections rectangulaires. Les deux guides d'ondes 201 et 202 sont alimentées par le Té magique 203, qui est un guide d'onde réalisant à l'émission la division du signal hyperfréquence transmis par la voie d'émission 207 vers les deux ouvertures de guides d'onde 211 et 212. Le Té magique 203 réalise également à la réception la sommation ainsi que la différence des signaux hyperfréquences provenant des guides d'onde 201 et 202. La différence des signaux hyperfréquences permet d'assurer le fonctionnement en mode monopulse. Le circulateur hyperfréquence 204 permet de séparer les signaux hyperfréquences à l'émission transmis jusqu'au Té magique 203 par la voie d'émission 207, des signaux hyperfréquences à la réception, transmis depuis le Té magique 203 à la voie de réception classique. Des circulateurs tels que le circulateur 204 sont en eux-mêmes connus de l'état de la technique. Un élément rayonnant tel que l'élément rayonnant 200 permet une tenue en puissance élevée. Le centre de phase de l'élément rayonnant 200 est typiquement situé au centre de groupement des deux ouvertures de guides d'onde 211 et 212. Les dimensions de la section rectangulaire de chaque guide d'onde 201 ou 202 sont corrélées à la longueur d'onde À de l'onde électromagnétique hyperfréquence. Typiquement, la largeur de la section rectangulaire d'un guide d'onde peut être d'un tiers de la longueur d'onde, soit À/3, et la longueur de l'ordre de deux tiers de la longueur d'onde, soit 2À13. Les figures illustrent un exemple dans lequel les ouvertures de guides d'onde 211, 212 sont accolées par leurs grands côtés. Cependant une autre géométrie, dans laquelle les ouvertures de guides d'onde sont accolées par leurs petits côtés est également envisageable. La figure 3 présente un schéma en perspective illustrant un élément rayonnant à bipolarisation selon un exemple de mode de réalisation de la présente invention. Un élément rayonnant à bipolarisation 100 comprend un élément rayonnant en polarisation linéaire principale 200 tel qu'illustré par la figure 2, c'est-à-dire comprenant notamment deux ouvertures de guides d'onde 211 et 212 de section sensiblement rectangulaire. L'élément rayonnant à bipolarisation 100 comprend en outre un dipôle 301 pour la réception d'une onde électromagnétique en polarisation linéaire croisée. Chaque ouverture de guide d'onde 211 ou 212 comprend un filtre de polarisation linéaire 302. Le dipôle 301 est un dipôle classique, dont les dimensions sont elles aussi fonction de la longueur d'onde À de l'onde électromagnétique, étant rappelé ici que l'onde électromagnétique en polarisation linéaire croisée possède une longueur d'onde sensiblement égale à la longueur d'onde de l'onde électromagnétique émise ou reçue au niveau des ouvertures de guides d'onde 211 et 212. Dans l'exemple de la figure, l'onde électromagnétique émise ou reçue au niveau des ouvertures de guides d'onde 211 et 212 possède une polarisation linéaire sensiblement parallèle au petit côté, c'est à dire la largeur, de la section rectangulaire des ouvertures de guides d'onde 211 et 212. Ainsi, les branches du dipôle 301 sont alignées selon la direction perpendiculaire, et sont parallèles au plan défini par les deux ouvertures de guides d'onde 201 et 202. Ces branches ont typiquement chacune une longueur égale au quart de la longueur d'onde À de l'onde électromagnétique hyperfréquence, soit À/4, et sont éloignées des deux ouvertures de guides d'onde 211 et 212 d'une distance égale au quart de la longueur d'onde À, soit À/4. Les filtres de polarisation linéaire 302 ont pour fonction d'être transparents pour l'onde électromagnétique en polarisation linéaire principale, et de totalement réfléchir l'onde électromagnétique en polarisation linéaire croisée. ~o Il est possible de définir par convention, la direction des filtres de polarisation linéaires 302, comme la direction de la polarisation de l'onde électromagnétique réfléchie par ces filtres, c'est-à-dire la polarisation croisée. Les filtres de polarisation linéaire 302 peuvent par exemple être constitués par un réseau de fils métalliques parallèles à la longueur de la 15 section rectangulaire des ouvertures de guides d'onde 211 et 212. Ainsi, une onde électromagnétique incidente, dont la polarisation est croisée par rapport à la polarisation de l'onde électromagnétique hyperfréquence émise ou reçue au niveau des ouvertures de guide d'onde 211 et 212, est pleinement réfléchie par les filtres de polarisation linéaire 302, permettant un 20 fonctionnement optimal pour la réception de cette onde par le dipôle 301. Les fils métalliques constituant les filtres de polarisation linéaire 302 peuvent par exemple être éloignés les uns des autres d'une distance inférieure au tiers de la longueur d'onde À de l'onde électromagnétique hyperfréquence, soit À/3. 25 En revanche, l'onde électromagnétique en polarisation linéaire principale émise ou reçue au niveau des ouvertures de guides d'onde 211 et 212 traverse les filtres de polarisation linéaire 302 sans que ses caractéristiques ne soient modifiées. 30 En d'autres termes, les filtres de polarisation linéaire 302 ont un rôle de plan réflecteur en ce qui concerne l'onde électromagnétique en polarisation linéaire croisée, permettant un fonctionnement optimal du dipôle 301 assurant la réception de cette onde. En ce qui concerne l'onde électromagnétique en polarisation linéaire principale, les filtres de 35 polarisation linéaire 302 sont transparents, et ne modifient ainsi pas les caractéristiques de l'onde électromagnétique hyperfréquence émise ou reçue au niveau des ouvertures de guides d'onde 211 et 212. En outre le positionnement des filtres de polarisation linéaire 302, au niveau de la surface des ouvertures de guide d'onde 211 et 212, garantit une co-localisation des centres de phase pour les ondes électromagnétique en polarisation linéaire principale et en polarisation linéaire croisée. L'alimentation du dipôle 301 peut être réalisée via un circuit imprimé, par exemple de type circuit imprimé monolithique hyperfréquence ou MMIC, selon l'acronyme pour l'expression anglo-saxonne Monolithic Microwave Integrated Circuit, ou bien via une ligne coaxiale. II peut être alors envisagé de réaliser une fente de passage 310 formée dans les guides d'ondes 201 et 202 et permettant le passage de cette ligne d'alimentation. Les dimensions réduites de la fente de passage 310 par rapport à la longueur d'onde des ondes électromagnétique hyperfréquences d'intérêt, font que la présence de la fente de passage 310 ne porte pas préjudice aux performances de l'élément rayonnant à bipolarisation 100. Avantageusement, il peut être prévu d'augmenter en tant que de besoin la surface du plan réflecteur, qui en d'autres termes est le plan de masse vu par le dipôle 301, en disposant une surface métallique conductrice 311 autour des ouvertures de guides d'onde 212 et 212 venant s'appuyer sur celles-ci. La figure 4 présente un schéma en perspective illustrant un exemple de mode de réalisation de l'invention permettant un fonctionnement en mode monopulse suivant deux plans. Un élément rayonnant à bipolarisation monopulse suivant deux plans de polarisation linéaire 302. Dans cette structure, chaque ouverture de guide d'onde est accolée à une autre ouverture de guide d'onde par deux de ses côtés adjacents. Le dipôle 301 est disposé dans un plan parallèle au plan contenant les ouvertures de guides d'onde 411, 412, 413, 414, les branches 400 comprend quatre guides d'onde 401, 402, 403 et 404 comprenant quatre ouvertures de guides d'onde 411, 412, 413, 414 disposées en carré. Les quatre ouvertures de guides d'onde 411, 412, 413, 414 sont munies de filtres du dipôle 301 étant disposées dans une direction perpendiculaire à la direction de polarisation linéaire de l'onde électromagnétique transportée par les quatre guides d'onde 401,402,403,404. Avantageusement, la ligne d'alimentation du dipôle 301 peut traverser 5 une fente de passage 410 disposée au centre des quatre ouvertures de guides d'onde 411, 412, 413, 414. L'élément rayonnant à bipolarisation monopulse suivant deux plans 400 permet un fonctionnement en mode monopulse suivant deux plans, et ainsi une localisation plus fine des cibles. Les filtres de polarisation linéaire 10 302 peuvent être, d'une manière similaire à la description fournie en référence à la figure 3, formés par une pluralité de fils métalliques parallèles à la direction des branches du dipôle 301. Le centre de phase de cette structure est situé à l'intersection des quatre ouvertures de guides d'onde 411, 412, 413, 414. 15 Avantageusement, il peut être envisagé une structure d'antenne comprenant une pluralité d'éléments rayonnants à bipolarisation tels que décrits ci-dessus en référence aux figures 3 et 4, montés en un réseau relativement compact, et dans lequel la co-localisation des centres de phase 20 est un critère hautement important. II est bien entendu que les modes de réalisation de la présente invention ne se limitent pas aux exemples illustrés dans les figures. Il est notamment possible d'envisager des géométries dans lesquelles les 25 ouvertures de guides d'onde 211, 212 sont accolées par leurs petits côtés, et/ou des structures dans lesquelles les ondes électromagnétiques transportées par les guides d'onde 201, 202 ont une polarisation linéaire dont la direction est perpendiculaire, les branches du dipôle 301 étant alors disposées selon une direction perpendiculaire. REVENDICATIONS1 Elément rayonnant (100) caractérisé en ce qu'il comprend : • au moins deux guides d'ondes (201, 202) dont les ouvertures (211, 212) sont de section sensiblement rectangulaire et accolées par deux de leurs côtés, • un dipôle (301) comprenant deux branches parallèles à un côté des ouvertures de guides d'onde (211, 212), et situées au-dessus du plan des ouvertures de guides d'onde (211, 212), • des filtres de polarisation linéaire (302), la direction des filtres (302) étant parallèle aux branches du dipôle (301) situés dans le plan des ouvertures de guides d'onde (211, 212). 2- Elément rayonnant (400) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend quatre guides d'ondes (401, 402, 403, 404) dont les ouvertures (411, 412, 413, 414) sont de section sensiblement 20 rectangulaire, chacune des ouvertures de guide d'onde (411) étant accolée à deux autres ouvertures de guide d'onde (412, 413) par deux de ses côtés adjacents. 3- Elément rayonnant (100) selon l'une quelconque des 25 revendications précédentes, caractérisé en ce que les filtres de polarisation linéaire (302) sont formés par une pluralité de fils métalliques parallèles aux branches du dipôle (301). 4- Elément rayonnant (100) selon l'une quelconque des 30 revendications précédentes, caractérisé en ce que les guides d'onde (201, 202) sont reliés à un dispositif de type Té magique (203) réalisant à l'émission la division du signal hyperfréquence vers les deux ouvertures de guides d'onde (211, 212) et à la réception la somme et la différence des signaux issus des deux ouvertures de guides d'onde 35 (211, 212). 15 5- Elément rayonnant (400) selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque paire de guides d'onde formée essentiellement dans la direction parallèle aux branches du dipôle (310) est reliée à un dispositif de type Té magique (203) réalisant à l'émission la division du signal hyperfréquence vers la paire d'ouvertures de guides d'onde et à la réception la somme et la différence des signaux issus de la paire d'ouvertures de guides d'onde. 6- Elément rayonnant (400) selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque paire de guides d'onde formée essentiellement dans la direction perpendiculaire aux branches du dipôle (301) est reliée à un dispositif de type Té magique (203) réalisant à l'émission la division du signal hyperfréquence vers la paire d'ouvertures de guides d'onde et à la réception la somme et la différence des signaux issus de la paire d'ouvertures de guides d'onde. 7- Elément rayonnant (100, 400) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface s'étendant dans le plan des ouvertures de guides d'onde (211, 212, 411, 412), autour de ces ouvertures de guides d'onde (211, 212, 411, 412) est un plan réflecteur formé par une surface métallique (311). 8- Elément rayonnant (100, 400) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une fente de passage (310, 410) est formée entre les ouvertures de guides d'onde (211, 212) et/ou les guides d'onde (201, 202) pour le passage d'un circuit imprimé ou d'une ligne coaxiale d'alimentation du dipôle (301). 9- Antenne caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un élément rayonnant (100, 400) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 10- Antenne à réflecteur, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un élément rayonnant (100, 400) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, éclairant ledit réflecteur (110). 11- Antenne selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'éclairage du réflecteur (110) est direct. 12- Antenne selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'éclairage du réflecteur (110) est indirect.10