Brevet FR2949609A1 — publié le 20110304

Antenne réseau active de type à cellules rayonnantes. L'invention porte sur les antennes réseaux active de type à cellules rayonnantes couramment appelées � active Reflectarray � par l'homme du métier (� réseau réflecteur actif� en langue anglo-saxonne). Ce type d'antennes réseaux reçoit un signal rayonné par une source électromagnétique extérieure, le signal étant transmis sous la forme d'une onde polarisée. Plus précisément, une antenne réseau dite � active Reflectarray� est formée de plusieurs cellules disposées en réseau sur un même plan et illuminées par la source extérieure. Classiquement, une cellule comprend : un élément rayonnant apte à capter l'onde provenant de la source électromagnétique extérieure et à la renvoyer vers l'extérieur après un traitement donné, un guide d'onde apte à transmettre l'onde depuis ou vers l'élément rayonnant, et un élément de déphasage apte à déphaser l'onde reçue avant de la réfléchir vers l'élément rayonnant. Cet élément de déphasage permet de déphaser l'onde reçue de la source extérieure selon une valeur de déphasage contrôlée dans le cas d'une antenne réseau active (on obtient alors une antenne réseau dite à 20 balayage électronique). Les éléments de déphasage ont également pour rôle de compenser la différence de longueur des rayons entre la source électromagnétique extérieure et chaque élément rayonnants. Un problème de ce type d'antenne est d'être peu adapté aux 25 signaux de fréquence élevée, pour lesquels de fortes pertes en puissance surviennent lors du déphasage et de la réflexion du signal par les cellules. En outre, les éléments de déphasage alors utilisés sont particulièrement coûteux. 15 Un but de l'invention est notamment de résoudre les problèmes énoncés ci-dessus. A cet effet, selon un premier aspect de l'invention, il est proposé une antenne réseau active de type à cellules rayonnantes aptes à renvoyer un signal reçu avec un déphasage, chaque cellule rayonnante comprenant : - un élément rayonnant couplé à un guide d'onde à section circulaire apte à transmettre l'onde reçue, et - un dispositif de court-circuit. Selon une caractéristique générale de ce premier aspect, le dispositif de court-circuit comprend un piston formé d'une tête à section circulaire à laquelle est fixé un axe, la tête étant apte à coulisser au sein du guide d'onde et à réfléchir vers l'élément rayonnant l'onde transmise par ledit guide d'onde. Ladite tête est positionnée de façon que la longueur entre l'entrée du guide d'onde et la tête du piston définisse la valeur dudit déphasage du signal renvoyé. En d'autres termes, un piston inséré au sein du guide d'onde permet de faire varier la longueur du guide d'onde, et ainsi d'ajuster le déphasage de l'onde réfléchie. Le dispositif de court-circuit selon l'invention est particulièrement simple et permet de réfléchir l'onde avec une perte minimale de puissance. Selon un mode de réalisation, chaque cellule comprend une borne d'arrêt fixée sur un support adapté, extérieur au guide d'onde. L'axe de chaque piston comprend deux disques fixes, espacés d'une longueur I choisie, et répartis de part et d'autre de ladite borne d'arrêt, de façon que le piston soit seulement apte à coulisser de la longueur I choisie afin d'adopter deux positions distinctes. De préférence, une gorge peut être réalisée sur le pourtour de la tête du piston. Selon un mode de réalisation, l'antenne peut comprendre un 30 nombre n de rangées de cellules disposées sur un même plan, n étant un entier, les cellules étant disposées entre-elles selon un maillage choisi. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé une utilisation d'une antenne selon l'une des revendications précédentes au sein d'un radar. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à 5 l'examen de la description détaillée de modes de réalisation de l'invention, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 illustre une antenne réseau de type � active Reflectarray�, la figure 2 illustre un exemple d'arrangement d'une 10 antenne réseau selon l'invention, la figure 3 illustre de façon très schématique un mode de réalisation de l'invention, - la figure 4 illustre un mode de réalisation d'une tête de piston selon l'invention, 15 les figures 5 et 6 illustrent plus en détail un mode de réalisation de l'invention, les figures 7 et 8 illustrent à titre d'exemple la capacité de fonctionnement multi-polarisation de l'antenne réseau selon l'invention. 20 On se réfère à la figure 1. La référence RA désigne une antenne réseau de type � active Reflectarray�, ici vue du dessus. Celle-ci est illuminée par une source électromagnétique externe SC. La source SC peut par exemple avoir un fonctionnement de type � monopulse �, c'est-à-dire envoyer un signal légèrement décalé sur l'un des côtés de son axe optique 25 en le faisant tourner autour dudit axe. Une définition plus détaillée de la source sera donnée ci-après. Le front d'onde FOC du signal rayonné SIR par la source SC est ici sphérique (autrement dit, la surface de phase identique de l'onde rayonnée est sphérique). L'énergie du signal rayonnée SIR est naturellement répartie dans l'espace situé entre la source SC et l'antenne réseau de type � active Reflectarray� RA. Cette antenne RA est formée de plusieurs cellules CEL disposées 5 ici sur un même plan. Un exemple de disposition des cellules CEL est décrite plus en détail ci-après. Chaque cellule CEL est formée d'un élément rayonnant ER relié à un guide d'onde GO, ici de section circulaire maintenu par un support SP. Ces guides d'ondes symétriques sont particulièrement adaptés à une 10 utilisation au sein d'un radar. Au sein du guide d'onde GO se trouve un dispositif de court-circuit sous la forme d'un piston PT. Ainsi, l'onde rayonnée par la source SC se propage en espace libre et est captée par chaque élément rayonnant ER. Elle se propage alors à 15 l'intérieur de chaque guide d'onde GO jusqu'à rencontrer le piston PT faisant office de court-circuit. Le piston PT réfléchit l'onde transmise par le guide d'onde GO. L'onde réfléchie retraverse le guide d'onde et est renvoyée vers l'élément rayonnant ER. Chaque élément rayonnant ER re-émet alors un signal SIRE avec 20 un déphasage fonction de la position du piston PT au sein du guide d'onde GO comme expliqué plus en détail ci-après. On note que le front d'onde FOP du signal SIRE est plan si les valeurs des déphasages sont correctement choisies. La figure 2 illustre un exemple de répartition des cellules (vue de 25 face) d'une antenne de type � active Reflectarray � sur plusieurs rangées. La répartition illustrée ici suit un maillage triangulaire. En variante, le maillage pourrait être rectangulaire. On note que l'adaptation d'impédance de l'ouverture des guides d'onde à section circulaire GO peut être réalisée à l'aide de moyens classiques tels que des bouchons diélectriques insérés 30 dans l'embouchure des guides d'onde, un panneau diélectrique positionné sur le réseau de guides d'onde...) On se réfère à présent à la figure 3 qui illustre plus précisément le piston PT à l'intérieur du guide d'onde. La lettre E désigne l'entrée du guide d'onde de section circulaire GO, c'est à dire l'extrémité du guide d'onde GO couplée à l'élément rayonnant ER. Ce piston PT comprend une tête TE (grisée sur la figure) auquel est fixé un axe AX. La tête TE est de section circulaire de façon à parfaitement épouser les contours internes du guide d'onde GO. La tête TE du piston PT peut être par exemple réalisée en aluminium ou en un métal recouvert d'or ou d'argent. Le piston PT est apte à coulisser au sein du guide d'onde. Par exemple un dispositif électromagnétique (tel un électro-aimant) (non représenté à des fins de simplifications) localisé à l'extérieur du guide d'onde GO, peut faire bouger le piston d'une position à une autre. On considère dans cet exemple un guide d'onde GO de diamètre 15 D et de rayon a (D=2*a). Le signal reçu par l'élément rayonnant ER oscille à une fréquence F correspondant à une longueur d'onde (classiquement de l'ordre de quelques millimètres), tel que Â0 = F, , c étant la vitesse de la lumière. La longueur I représente la distance entre l'ouverture E du guide 20 d'onde GO et le piston. Plus généralement, dans la suite du texte, la longueur I représente la distance entre deux positions successives de la tête TE du piston PT au sein du guide d'onde GO. Cette longueur I est proportionnelle au déphasage réalisé par chaque cellule. Plus précisément, il vient : 25 çP_ 360x2x1 2g où : cp est la valeur du déphasage réalisé par une cellule en degré, I est la longueur entre deux positions successives de la tête TE du piston PT au sein du guide d'onde GO, et /tg est la longueur d'onde guidée dans un mode de propagation donné, tel que 2g = , où 2 est [iû( )2] la longueur d'onde de coupure, avec par exemple 2,=3,412*a pour le mode de propagation appelé TE11 (décrit plus en détail ci-après), a étant le rayon du guide d'onde considéré. Par exemple, dans le cas d'une cellule à déphasage dit de � 1 bit � (c'est-à-dire que la cellule peut déphaser le signal selon deux valeurs de phase distinctes) comprenant un guide d'onde circulaire avec un diamètre D égal à 3,4mm, si F=77GHz, alors la longueur d'onde guidée 2g est égale à 5,24mm et le déplacement du piston entre les deux positions correspondant 15 aux deux valeurs d'angle de déphasage possible (ici 0 et 180°) est égale à 1,3mm. Aucun contact électrique n'existe entre le piston et le guide d'onde GO cylindrique. Pour éviter que des courants parasites ne se propagent le long du piston, un � piège � PG peut être réalisé comme illustré sur la figure 20 4. Ce piège PG est ici une gorge étroite réalisée sur le pourtour du de la tête TE du piston PT. Un axe secondaire AXE relie les deux parties de la tête TE de part et d'autre du piège PG. L'épaisseur e de cette gorge est faible comparée à la longueur d'onde 2g et la profondeur est de l'ordre de 25 2g /4, où 2g est la valeur de la longueur d'onde guidée. On se réfère à présent aux figures 5 et 6 qui illustrent plus en détail le mode de réalisation du piston PT de la figure 3. Dans ce mode de réalisation, deux disques Dl et D2 sont fixés sur l'axe AX du piston PT. Ces disques Dl et D2 sont espacés d'une longueur b choisie. Une borne d'arrêt fixe PF est disposée sur un support SP. Dans cet exemple, la borne d'arrêt fixe forme un � T �, la largeur c de la partie verticale du � T � étant inférieure à la longueur b espaçant les deux disques Dl et D2. Ainsi, lorsque le piston PT coulisse au sein du guide d'onde GO, les deux disques Dl et D2 se déplacent respectivement de part et d'autre de 10 la borne d'arrêt fixe PF. La figure 5 représente la première position, c'est-à-dire lorsque le piston a reculé de la gauche vers la droite et que le premier disque Dl est bloqué par la borne d'arrêt fixe PF. La figure 6 représente la deuxième position, c'est-à-dire lorsque le 15 piston PT a avancé de la droite vers la gauche, et que le deuxième disque D2 est bloqué par la borne d'arrêt fixe BAF. Entre les deux positions, le piston PT s'est déplacé d'une longueur b. La longueur I entre l'entrée du guide d'onde GO et la surface de la tête TE du piston PT a donc augmenté de longueur b. 20 Pour illustrer la capacité de fonctionnement multi-polarisation de l'invention, la figure 7 représente les lignes de champ électriques se propageant au sein d'un guide d'onde GO à section circulaire ici de rayon a, selon l'invention. Ces lignes de champ sont polarisées selon un mode de polarisation dominant dit TE11, bien connu de l'homme du métier. Les lignes 25 de champs sont ici à dominante verticales. Ces lignes de champs résultent de l'éclairement du guide d'onde GO par une source externe fonctionnant en polarisation linéaire verticale. La figure 8 représente les lignes de champ électriques se propageant au sein du même guide d'onde GO à section circulaire. Les 30 lignes de champs sont ici à dominante horizontales et témoignent d'une rotation angulaire de +90° par rapport aux lignes de champ de la figure 7. Les lignes de champs représentées sur la figure 8 résultent de l'éclairement du guide d'onde GO par une source externe fonctionnant en polarisation linéaire horizontale. Une source extérieure sensible aux deux polarisations linéaires orthogonales pourra exciter (à l'émission) ou capter (à la réception) l'une et l'autre des polarisations linéaires précitées. On note que le terme � source � est utilisé de façon large, selon l'utilisation classique qui en est faite par l'homme du métier. En émission, la � source � est utilisée comme un dispositif d'éclairement, et à la réception, celle-ci fonctionne comme une sonde de captation. Autrement dit, le fonctionnement d'une � source � est ici celui d'un réflecteur classique (par exemple une parabole) utilisé en émission et réception. Ainsi, une source peut exciter ou capter une combinaison de deux polarisations linaires orthogonales, en particulier une polarisation circulaire, celle-ci pouvant être définie comme la combinaison de deux polarisations linéaires orthogonales en quadrature de phase (+90° ou -90° entre les deux composantes linéaires de même amplitude). Le comportement du guide d'onde (autrement dit son impact sur la longueur de l'onde guidée) et le fonctionnement du piston restent identiques. Le fonctionnement de l'antenne réseau de type � active Reflectarray� selon de multiples polarisations (linaire, circulaire, elliptique) est ainsi obtenu simplement avec une seule source sensible aux différentes polarisations considérées. Dans le cas des antennes ayant une architecture classique de type � active Reflectarray�, réalisées soit à partir de cellules de déphasage de type bi-polarisation, soit à partir d'un entrelacement de cellules de déphasage fonctionnant suivant deux polarisations orthogonales, les cellules de déphasage disposent d'un élément de déphasage pour chacune de polarisations possibles. L'invention présente donc un avantage certain en termes de compacité, de coût et de simplicité de fonctionnement. On note que cette source peut être réalisée de façon classique sous forme d'un unique d'élément rayonnant ou d'un petit réseau directif, ou en technologie imprimée (patch avec deux accès, éventuellement muni d'un coupleur hybride) ou encore en technologie basée sur les guides d'onde (par exemple un cornet multi-polarisation, éventuellement muni d'un coupleur hybride). Ainsi, l'invention est particulièrement adaptée à un fonctionnement multi-polarisation (sans modification du dispositif de court-circuit), couramment mis en oeuvre ou sein des radars. REVENDICATIONS1. Antenne réseau active (RA) de type à cellules (CEL) rayonnantes aptes à renvoyer un signal reçu avec un déphasage, chaque cellule rayonnante (CEL) comprenant : - un élément rayonnant (ER) couplé à un guide d'onde (GO) à section circulaire apte à transmettre l'onde reçue, et - un dispositif de court-circuit, caractérisée par le fait que le dispositif de court-circuit comprend un piston (PT) formé d'une tête (TE) à section circulaire à laquelle est fixé un axe (AX), la tête étant apte à coulisser au sein du guide d'onde (GO) et à réfléchir vers l'élément rayonnant (ER) l'onde transmise par ledit guide d'onde (GO), ladite tête (TE) étant positionnée de façon que la longueur entre l'entrée du guide d'onde et la tête (TE) du piston (PT) définisse la valeur dudit déphasage du signal renvoyé. 2. Antenne réseau selon la revendication 1, dans laquelle chaque cellule (CEL) comprend une borne d'arrêt (PF) fixée sur un support adapté (SP) extérieur au guide d'onde (GO), et dans laquelle l'axe de chaque piston comprend deux disques fixes (Dl, D2), espacés d'une longueur I choisie, et répartis de part et d'autre de ladite borne d'arrêt (PF), de façon que le piston (PT) soit seulement apte à coulisser de la longueur I choisie afin d'adopter deux positions distinctes. 3. Antenne selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle une gorge (PG) est réalisée sur le pourtour de la tête (TE) du piston (PT). 4. Antenne selon l'une des revendications précédentes, comprenant un nombre n de rangées de cellules (CEL) disposées sur un même plan, n étant un entier, les cellules étant disposées entre-elles selon un maillage choisi. . Utilisation d'une antenne selon l'une des revendications précédentes au sein d'un radar.