Brevet FR3003703A1 — publié le 20140926

DISPOSITIF DE REDUCTION DE SIGNATURE RADAR D'ANTENNE, SYSTEME ANTENNAIRE ET PROCEDE ASSOCIES La présente invention concerne le domaine général des antennes. La 5 présente invention concerne plus particulièrement un dispositif de réduction de signature radar d'antenne, un système antennaire et un procédé associés. Dans le domaine des structures aéroportées, il est souvent nécessaire 10 de réduire la surface apparente ou signature radar présentée par cette structure à une onde électromagnétique incidente sur celle-ci. Des solutions consistant à absorber l'onde électromagnétique ou à masquer la structure existent. 15 Le problème des antennes est plus complexe, puisqu'il s'agit de réduire la signature de cette dernière tout en la laissant rayonner. Une première solution consiste à renvoyer le " flash " de Surface Equivalente Radar (ou SER) dans une direction autre que celle de l'onde éclairant l'antenne. Cette solution peut, par exemple, être obtenue par 20 inclinaison du plan antennaire. Ce type de solution peut être efficace dans le cas d'un radar éclairant face à la position théorique de l'antenne, qui doit par ailleurs compenser cette inclinaison du plan antennaire. Cependant cette solution redevient inefficace lorsque le radar illumine effectivement le plan antennaire, ou dans 25 le cas de radars multistatiques. Une deuxième solution consiste à utiliser un système permettant de commuter entre un état " signature réduite » et un état " rayonnement antenne » Cependant cette solution ne permet pas la simultanéité du 30 rayonnement de l'antenne et de la réduction de la signature radar. Une autre technique consiste à moduler les caractéristiques antennaires. Ce type de solutions nécessite la maîtrise de la modulation et de l'évolution des caractéristiques antennaires lors de cette modulation. 35 Un but de l'invention est notamment de corriger tout ou partie des inconvénients précités en proposant un dispositif permettant de réduire la signature radar, ou SER, d'antenne tout en autorisant le rayonnement de celle-ci. A cet effet, l'invention a pour objet un système antennaire à signature radar réduite comprenant une antenne et un dispositif de réduction de signature radar comprenant au moins un polariseur, ledit dispositif étant placé face à l'antenne. Selon un autre mode de mise en oeuvre, le dispositif de réduction de signature radar est un polariseur. Selon un autre mode de mise en oeuvre, le dispositif de réduction de signature radar comprend deux polariseurs et une surface sélective en fréquence, ladite surface sélective en fréquence étant placée entre les deux 15 polariseurs. Selon un autre mode de mise en oeuvre, l'antenne est une antenne simple polarisation. Selon un autre mode de mise en oeuvre, l'antenne est une antenne possédant deux voies de polarisation. 20 Selon un autre mode de mise en oeuvre, une première voie de polarisation de l'antenne est utilisée pour émettre ou recevoir, l'autre voie de polarisation étant fermée sur une charge adaptative. Selon un autre mode de mise en oeuvre, l'antenne est adaptée pour émettre ou transmettre suivant au moins une polarisation linéaire. 25 Selon un autre mode de mise en oeuvre, l'antenne est adaptée pour émettre ou transmettre suivant une polarisation circulaire. Selon un autre mode de mise en oeuvre, l'antenne est adaptée pour émettre ou transmettre suivant une polarisation elliptique. L'invention a également pour objet un dispositif de réduction de signature radar d'antenne caractérisé en ce qu'il comprend un premier polariseur, une surface sélective en fréquence et un second polariseur, ladite surface sélective en fréquence étant placée entre les deux polariseurs. Un autre objet de l'invention est un procédé de réduction de la surface équivalente radar d'une antenne comprenant l'insertion d'un dispositif de réduction de signature radar en face de ladite antenne pour former un système antennaire, ledit dispositif étant configuré pour modifier la polarisation de l'onde incidente sur ledit système antennaire. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après, donnée à titre illustratif et non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - La figure 1 représente un exemple de mode de réalisation d'un système antennaire selon l'invention ; - La figure 2 représente un exemple de variante de réalisation d'un 20 système antennaire selon l'invention ; - Les figures 3a à 3d représentent des exemples de réalisation de polariseurs utilisables dans l'invention ; - La figure 4 représente des exemples d'utilisation de surface sélective en fréquence comme filtre fréquentiel. 25 Il convient de noter que l'utilisation du terme "fréquences utiles de l'antenne » désigne la bande de fréquences de fonctionnement de l'antenne. De même, par la suite on désignera par le terme « polariseur" un transformateur de polarisation fonctionnant comme une lame quart d'onde 30 (également notée lame À14), créant un déphasage de 90° entre l'onde sortant de la lame et l'onde entrante sur une seule des composantes de polarisation linéaire horizontale ou verticale. En référence aux figures 1 et 2 des exemples de mode de réalisation 35 d'un système antennaire à signature radar réduite selon l'invention sont 3003 703 4 présentés. Le principe de l'invention consiste à placer en face d'une antenne 11 un dispositif 1 de réduction de signature radar. Ce dispositif 1 utilise une structure dite rotateur de polarisation (ou polarization twist selon la terminologie anglo saxonne) et fonctionnant sur une large bande de 5 fréquence. La bande de fréquences du rotateur de polarisation peut s'étendre sur environ deux octaves. Selon un premier mode de réalisation, le dispositif 1 comprend au moins un polariseur 12. Suivant une variante de réalisation, il peut comprendre un premier polariseur 12, une Surface Sélective en Fréquence 10 13 et un second polariseur 14. Selon une autre variante de réalisation, le dispositif 1 comprend au moins un polariseur 12 à l'exclusion d'une surface sélective en fréquence 13. Selon un mode de réalisation nullement limitatif de l'invention, 15 l'antenne 11 peut être une antenne réseau à balayage électronique. D'autres types d'antennes peuvent être utilisés comme par exemple une antenne réflecteur, une antenne planaire, une antenne de type large bande à face plane comme par exemple une antenne spirale ou sinueuse, une antenne de type dipôle imprimé ou tout autre type d'antenne équivalent. L'antenne 11 peut être une antenne à polarisation simple ou double. Les polarisateurs 12, 14 ont pour but de convertir une onde électromagnétique les traversant d'une polarisation linéaire en une onde électromagnétique en polarisation circulaire et vice et versa. Suivant un mode de réalisation préféré, les polariseurs 12, 14 sont des polariseurs à lignes à méandres. En référence à la figure 3a, ce type de polariseur peut être formé d'un empilement de couches 21 de lignes à méandres 20 inclinées de 45° par rapport à la polarisation de l'onde incidente ou de sortie, en polarisation linéaire transmise ou reçue à travers le dispositif 1 de réduction de signature radar selon l'invention. Ces différentes couches 21 peuvent être séparées par des couches de mousse 22. La géométrie des méandres 20 est définie de façon à réaliser la quadrature de phase entre les composantes (± 45° de l'onde incidente) d'une part et de façon à réaliser une structure large bande d'autre part. La structure peut avoir une bande de fréquence s'étendant sur environ deux octaves. Ceci est obtenu en paramétrant les différentes caractéristiques géométriques des méandres 20 comme par exemple la période entre deux motifs, la période des lignes, la largeur des lignes suivant les différents axes, la largeur des motifs... Selon un mode de réalisation, les couches de mousse 22 peuvent avoir une permittivité sensiblement égale à celle du vide de façon à ne pas modifier l'onde électromagnétique. Un avantage de ce type de polariseur est sa capacité à être large bande et donc de pouvoir agir sur les ondes électromagnétiques utiles pour l'antenne, c'est-à-dire dont la fréquence est comprise dans la bande de fréquences utiles de l'antenne, ainsi que sur une partie des ondes incidentes non désirées, c'est-à-dire dont la fréquence n'est pas comprise dans la bande de fréquences utiles de l'antenne. . Suivant un autre mode de réalisation, les polarisateurs 12, 14 sont des 15 polariseurs à fils. Ce type de polariseur peut être formé de deux plans 24 contenant des fils conducteurs 25 parallèles entre eux et orientés à 45° par rapport à la polarisation de l'onde incidente ou de sortie, en polarisation linéaire, transmise ou reçue à travers le dispositif 1 de réduction de signature radar. L'onde plane incidente, en polarisation verticale ou horizontale, peut 20 être considérée comme la somme: d'une onde de polarisation perpendiculaire aux fils 25 qui traverse directement les deux couches de fils 25 et d'une onde de polarisation parallèle aux fils qui elle subit un déphasage de 45° au passage de chaque couche. L'espacement des deux plans est choisit de façon à annuler les réflexions. Cet espacement est sensiblement 25 égal au quart de la longueur d'onde du signal traversant (en transmission ou en réception) le dispositif 1 de réduction de signature radar. Suivant un autre mode de réalisation, chaque polarisateur 12, 14 est un polariseur à lames, formés de lames métalliques 27 parallèles entre elles et orientées suivant un angle d'environ 45° par rapport à la polarisation de 30 l'onde incidente ou de sortie, en polarisation linéaire, transmise ou reçue à travers le dispositif 1 de réduction de signature radar. L'onde incidente peut être décomposée en deux constituantes dont l'une est déphasée de 90° par rapport à la seconde, au travers du dispositif. A titre illustratif, les figures 3a à 3d illustrent respectivement des exemples de réalisation de polariseur à méandres, de polariseur à fils, de polariseur à lames et de polariseur à couches diélectriques. Les Surfaces Sélective en Fréquence 13 (SSF ou FSS pour frequency Selective Surface selon la terminologie anglo saxonne) sont des surfaces constituées d'un arrangement périodique dans un plan d'éléments passifs électriquement conducteurs. Lorsque cet arrangement d'éléments est soumis à une onde plane incidente, celle-ci est en partie transmise et en partie réfléchie. Sous certaines conditions de résonnance, l'amplitude de l'onde transmise est nulle ou voisine de zéro, l'énergie étant réfléchie ou diffusée du côté de l'onde incidente. Une telle structure peut donc être utilisée comme filtre fréquentiel pour une onde électromagnétique incidente sur celle-ci. Il est ainsi possible de filtrer certaines fréquences choisies tout en laissant les autres. Il existe des surfaces sélectives en fréquence de type passe-bande, passe-bas, passe-haut, coupe-bande... A titre illustratif, la figure 4, présente différents types de SSF avec la courbe fréquentielle représentative de leur coefficient de transmission respectif. L'invention utilise une surface sélective en fréquence 13 de type passe bande. Cette surface 13 permet donc la transmission à travers sa structure d'une onde électromagnétique de fréquence située dans la bande utile de l'antenne et la réflexion de toute onde électromagnétique en dehors de cette bande de fréquence. La surface sélective en fréquence 13 peut être formée d'une ou plusieurs plaques métalliques en cascade percée d'ouvertures. De façon connue, la géométrie et les dimensions des ouvertures sont optimisées en fonction de la fréquence et de la polarisation de l'onde à transmettre ou à recevoir. De façon avantageuse, la mise en cascade de plusieurs plaques métallique permet de réaliser un filtre plus sélectif. En référence à la figure 1, le fonctionnement en rayonnement d'un mode de réalisation du système antennaire selon l'invention va à présent être expliqué à travers le cas d'une onde électromagnétique rayonnée par l'antenne 11 du système antennaire suivant différentes polarisations.35 Supposons que l'antenne 11 émette un signal en polarisation linéaire, par exemple verticale, dans la bande de fonctionnement du système antennaire à signature radar réduite selon l'invention. Ce signal électromagnétique, en traversant le polariseur 12, est transformé en un signal en polarisation circulaire. Si le signal est maintenant émis par l'antenne 11 en polarisation horizontale, le signal après avoir traversé le polariseur, sera transformé en un signal en polarisation circulaire de sens opposé au cas précédent. On considère maintenant deux systèmes antennaires selon l'invention communiquant ensemble. Si à l'émission, une antenne 11 émet un signal d'une certaine amplitude en polarisation linéaire, ce signal après avoir traversé le dispositif 1 de réduction de signature radar est transformé en un signal en polarisation circulaire. A la réception, après avoir traversé le polariseur du deuxième système antennaire, le signal est transformé en un signal en polarisation linéaire de même sens que celui émis et de même amplitudes aux pertes de transmission près. Ainsi, le dispositif 1 de réduction de signature radar selon l'invention ne perturbe pas le rayonnement de l'antenne 11 du système antennaire. Si le signal émis par l'antenne 11, positionnée en face du polariseur 12, est en polarisation circulaire, par exemple droite, il sera transformé en polarisation linéaire par le polariseur 12. Pour un rayonnement de l'antenne dans un sens de polarisation circulaire opposé, dans notre exemple gauche, on obtient la polarisation linéaire croisée. Ainsi, c'est l'antenne 11 associée au polariseur 12 qui constitue la structure rayonnante du système antennaire à signature radar réduite selon l'invention. Afin de voir l'effet du polariseur sur la surface équivalente radar du système antennaire selon l'invention, on s'intéresse à présent au fonctionnement du système lorsqu'il est illuminé par une onde électromagnétique. 3003 703 8 Si on considère une antenne 11 plane, comme par exemple une antenne de type réseaux de patchs, réseau de fentes, dipôle imprimé etc., en dehors de la bande de fonctionnement de l'antenne 11, en particulier pour des fréquences inférieures à la bande de fréquences utiles de celle-ci, on 5 peut considérer que l'antenne 11 est assimilable à un plan métallique. Dans ce cas, l'ensemble polariseur 12 et antenne 11 se comporte comme un " réflecteur twist " rétrodiffusant une onde incidente de polarisation donnée en une onde suivant une polarisation orthogonale. 10 On considère maintenant une antenne 11 formée d'un réseau de fentes horizontales. De façon connue, dans sa bande de fréquenes de fonctionnement, ce type d'antenne absorbe une grande partie d'une onde incidente en polarisation linéaire verticale et réfléchit une onde incidente en polarisation horizontale. Avec un polariseur 12 positionné en face de 15 l'antenne, une onde en polarisation linéaire verticale incidente sur le polariseur 12 est transformée en une onde en polarisation circulaire à travers celui-ci. La composante verticale de l'onde en polarisation circulaire est en partie absorbée par l'antenne 11 et sa composante horizontale est en grande partie réfléchie par celle ci. En retraversant le polariseur 12, la composante 20 horizontale réfléchie est transformée en une onde en polarisation circulaire. Ainsi à une onde incidente en polarisation linéaire verticale dans la bande de fonctionnement de l'antenne, le système antennaire selon l'invention répond par une onde en polarisation circulaire, dont la composante verticale est divisée par un facteur quatre entre l'onde entrant 25 dans le système antennaire et l'onde en ressortant. A une onde incidente en polarisation linéaire horizontale dans la bande de fonctionnement de l'antenne, le système antennaire selon l'invention se comporte comme un rotateur de polarisation ou " twist de polarisation " et répond par une onde en polarisation linéaire verticale. 30 En dehors de la bande de fonctionnement de l'antenne, le système antennaire selon l'invention se comporte comme un twist de polarisation et répond par une onde en polarisation croisée par rapport à la polarisation de l'onde incidente. Si cette onde incidente est émise par un dispositif de détection comme 35 par exemple un radar, ce dernier ne reçoit pas l'onde rétrodiffusée par le dispositif 1 de réduction de signature radar ou la reçoit suivant une polarisation différente de celle attendue. De plus, l'onde reçue par le dispositif de détection a une amplitude très faible par rapport à l'onde émise. Un raisonnement analogue peut être effectué avec un système antennaire comprenant une antenne 11 formée d'un réseau de fentes verticales. Dans ce cas, lorsque le système antennaire selon l'invention est illuminé par une onde incidente en polarisation linéaire verticale, ce dernier rétrodiffuse une onde en polarisation circulaire dont l'amplitude de la 10 composante horizontale est égale au quart de l'amplitude de l'onde incidente. Ainsi, si l'onde incidente sur le système antennaire provient d'un radar, ce dernier ne captera en retour qu'un signal de faible amplitude. La signature radar du dispositif est ainsi fortement réduite. 15 On considère maintenant l'exemple d'une antenne 11 à double polarisation possédant deux voies de polarisations, comme par exemple un pavé à double polarisation linéaire horizontale et verticale. Avec un polariseur 12 positionné en face de l'antenne 11, une onde en polarisation verticale incidente sur le polariseur 12 est transformée en un signal en 20 polarisation circulaire à travers celui-ci. Supposons au pire que les deux voies correspondant aux deux polarisations de l'antenne soient incorrectement adaptées, et se présentent comme des courts-circuits. Les composantes verticale et horizontale de l'onde circulaire sont en grande partie réfléchies. En retraversant le 25 polariseur 12, cette polarisation circulaire inversée est transformée en une onde en polarisation linéaire horizontale. Si les deux voies sont correctement adaptées, une grande partie des composantes verticale et horizontale de l'onde circulaire est absorbée par l'antenne. La faible partie des composantes verticale et horizontale réfléchie 30 est ensuite transformée en une onde en polarisation linéaire horizontale après passage au travers du polariseur 12. Ainsi, une onde incidente en polarisation linéaire est rétrodiffusée par le système antennaire selon l'invention en une onde polarisée linéairement orthogonale. De plus, l'amplitude de l'onde réfléchie est d'autant plus faible 35 que l'antenne est adaptée en impédance sur ses deux accès. Si une seule voie de l'antenne 11, par exemple la voie correspondant à la polarisation verticale, est correctement adaptée, la composante verticale est en grande partie absorbée par l'antenne et la composante horizontale de l'onde circulaire est en grande partie réfléchie par l'antenne 11. L'onde 5 réfléchie par l'antenne est donc polarisée suivant une polarisation elliptique. Après avoir traversé le polariseur 12, l'onde en polarisation elliptique est transformée en une onde polarisée linéairement si les axes de l'ellipse (petit axe, grand axes) sont perpendiculaires à la direction de propagation de l'onde. Dans le cas contraire, après passage au travers du polariseur, la 10 polarisation sera elliptique mais d'axe orienté différemment. Bien entendu, un raisonnement analogue peut être fait avec une onde incidente en polarisation horizontale. Suivant un mode de réalisation particulier du dispositif antennaire, 15 seule une voie de l'antenne 11 à double polarisation est utilisée pour l'émission et la réception, l'autre voie de polarisation étant fermée sur une charge adaptative. De façon avantageuse, ce mode de réalisation permet d'utiliser l'antenne à double polarisation comme une antenne à simple polarisation et lorsque le dispositif antennaire est illuminé par une onde 20 incidente, l'amplitude de l'onde rétrodiffusée par le dispositif est beaucoup plus faible que dans le cas d'une antenne à simple polarisation du fait de la présence de la charge adaptative sur la seconde voie de polarisation. 25 On se réfère maintenant à la figure 2. Le fonctionnement de cette variante de réalisation va être expliqué à travers le cas d'une onde électromagnétique rayonnée ou reçue par le dispositif antennaire en polarisation linéaire. On suppose que l'antenne 11 émet un signal en polarisation verticale 30 dans la bande de fonctionnement du dispositif 1 de réduction de signature radar selon l'invention. Ce signal électromagnétique est transformé en polarisation circulaire par le premier polariseur 12 puis est transmis à travers la surface sélective en fréquence 13 et enfin est transformé en polarisation linéaire verticale en sortie du dispositif 1. A la réception, un signal électromagnétique incident sur le dispositif 1 de réduction de signature radar en polarisation verticale et dans la bande de fonctionnement du dispositif 1 suivra la même transformation que précédemment. Le signal incident en polarisation verticale sera transmis à travers le dispositif 1 de réduction de signature radar dans cette même polarisation sur l'antenne 11. Une onde électromagnétique émise (ou reçue) en polarisation linéaire par une antenne 11 dont on veut réduire la signature radar, est donc conservée en traversant le dispositif 1. Ainsi un dispositif 1 de réduction de signature radar selon l'invention peut donc être positionné en face d'une antenne existante sans en modifier ses caractéristiques, aux pertes du dispositif 1 près. En dehors de la bande de fonctionnement du dispositif 1, une onde 15 électromagnétique incidente, par exemple en polarisation verticale est transformée en polarisation circulaire par le deuxième polariseur 14 puis est réfléchie par la surface sélective en fréquence 13, avec inversion du sens de polarisation circulaire, pour enfin être transformée, par le deuxième polariseur 14, de nouveau en polarisation linéaire mais horizontale. Si cette 20 ondé incidente est émise par un dispositif de détection comme par exemple un radar, ce dernier ne reçoit pas l'onde rétrodiffusée par le dispositif 1 de réduction de signature radar ou la reçoit suivant une polarisation différente de celle attendue. 25 Bien entendu cet exemple est nullement limitatif, le fonctionnement reste le même avec une polarisation antennaire horizontale. De même l'antenne 11 peut fonctionner selon une bipolarisation. Dans ce cas chacune des composantes de l'onde électromagnétique suivra les mêmes transformations. 30 Suivant un autre mode de réalisation du système antennaire selon l'invention, l'antenne 11 peut fonctionner suivant une polarisation circulaire ou elliptique. Dans ce cas, le sens de rotation de l'onde émise par l'antenne 11 sera conservé en sortie du dispositif de réduction de signature radar. L'invention a également pour objet un procédé de réduction de la surface équivalente radar d'une antenne. Le procédé comprend l'insertion d'un dispositif 1, comme décrit précédemment, en face de l'antenne 11 dont on veut réduire la SER. Selon une particularité de l'invention, le dispositif 1 est configuré pour modifier la polarisation de l'onde incidente sur ledit système antennaire formé dudit dispositif 1 et de l'antenne 11. Ainsi, de façon avantageuse, le dispositif 1 selon l'invention permet à une antenne 11 de rayonner, en émission et/ou en réception tout en réduisant, de façon simultanée, sa signature radar dans une large bande de fréquence. Le dispositif 1 de réduction de signature radar permet le rayonnement d'une antenne dans sa bande passante et suivant la polarisation désirées. En dehors de la bande passante du dispositif 1, toute onde incidente est rétrodiffusée selon une polarisation orthogonale à celle présentée par cette onde incidente. REVENDICATIONS1. Système antennaire à signature radar réduite caractérisé en ce qu'il comprend une antenne (11) et un dispositif (1) de réduction de signature radar, ledit dispositif (1) comprenant au moins un polariseur et étant placé face à l'antenne (11), ladite antenne (11) possédant deux voies de polarisation. 2. Système selon la revendication précédente dans lequel le dispositif (1) de réduction de signature radar est un polariseur. 3. Système selon la revendication 1 dans lequel le dispositif (1) de réduction de signature radar comprend deux polariseurs (12, 14) et une surface sélective en fréquence (13), ladite surface sélective en fréquence (13) étant placée entre les deux polariseur (12, 14). 4. Système selon une des revendications précédentes dans lequel une première voie de polarisation de l'antenne (11) est utilisée pour émettre ou recevoir, l'autre voie de polarisation étant fermée sur une charge adaptative. 5. Système selon une des revendications précédentes dans lequel l'antenne (11) est adaptée pour émettre ou transmettre suivant au moins une polarisation linéaire. 6. Système selon une des revendications précédentes dans lequel l'antenne (11) est adaptée pour émettre ou transmettre suivant une polarisation circulaire. 7. Procédé de réduction de la surface équivalente radar d'une antenne (11) caractérisé en ce qu'il comprend l'insertion d'un dispositif (1) de réduction de signature radar en face de ladite antenne (11) pour former un système antennaire, ledit dispositif (1) étant configuré pour modifier la polarisation de l'onde incidente sur ledit système antennaire.