Antenne a reflecteur large bande

Abstract

 La présente invention concerne une antenne à réflecteur à large bande.
L'antenne comporte un réflecteur (21) composé d'au moins deux surfaces formant un dièdre et un réseau de sources élémentaires (22) rayonnant des ondes hyperfréquence (49) vers les surfaces du réflecteur (21) pour former le faisceau d'antenne, le réseau de sources élémentaires (22) étant situé dans l'intérieur de l'espace formé par les surfaces du réflecteur (21), la position du centre de phase (24) des sources élémentaires variant avec la fréquence.
L'invention s'applique notamment sur des systèmes émettant des ondes électromagnétiques sur une large bande, susceptibles par exemple d'être embarqués, et qui soient en outre de relativement faible coût.

Description

[0001] La présente invention concerne une antenne à réflecteur à large bande. Elle s'applique notamment sur des systèmes émettant des ondes électromagnétiques sur une large bande, susceptibles par exemple d'être embarqués, et qui soient en outre de relativement faible coût.

[0002] Il existe plusieurs sortes d'antennes à réflecteur qui diffèrent surtout par la forme de leur réflecteur. Ces antennes sont composées d'une source qui émet des ondes hyperfréquence en direction du réflecteur, lequel réfléchit les ondes selon une direction donnée, de par sa structure, mécanique ou électronique, s'il s'agit dans ce dernier cas, d'un réflecteur à déphaseurs commandables électroniquement. Le réflecteur peut être de type filaire, plan, cylindrique, elliptique ou parabolique par exemple.

[0003] Ces antennes sont certes très directives, mais fonctionnent généralement selon une bande de fréquences relativement réduite. Le fait d'augmenter leur bande de fréquence entraîne notamment un surcoût.

[0004] Un but de l'invention est notamment de permettre la réalisation d'une antenne à réflecteur large bande de faible coût.

[0005] A cet effet, l'invention a pour objet une antenne à réflecteur, caractérisée en ce qu'elle comporte un réflecteur composé d'au moins deux surfaces et un réseau de sources élémentaires rayonnant des ondes hyperfréquence vers les surfaces du réflecteur pour former le faisceau d'antenne, le réseau de sources élémentaires étant situé dans l'intérieur de l'espace formé par les surfaces du réflecteur.

[0006] L'invention a pour principaux avantages qu'elle permet des modifications de polarisations, et qu'elle permet d'effectuer simplement des ajustements de forme ou de direction du faisceau d'antenne.

[0007] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent :

• la figure 1, un exemple d'antenne à réflecteur ;
• la figure 2, par une vue en perspective, un exemple de réalisation d'une antenne selon l'invention ;
• la figure 3, par une vue de profil, un exemple de réalisation d'une antenne selon l'invention où le réflecteur est couvert d'éléments actifs ou passifs, jouant sur la forme, la direction ou la polarisation du faisceau d'antenne ;
• les figures 4a à 4d, les différentes formes et directions possibles d'un faisceau d'antenne en fonction de l'état des éléments actifs ou passifs précités.

[0008] La figure 1 montre un exemple bien connu d'antenne à réflecteur. Une source primaire 1 placée au foyer d'une parabole 3, par exemple un cornet, émet des ondes hyperfréquence 2 vers la parabole 3, qui constitue le réflecteur. De par sa forme, la parabole oriente les directions des ondes réfléchies 4 parallèles entre elles, selon son axe. Il existe d'autres types d'antennes à réflecteur qui diffèrent essentiellement par la forme du réflecteur. Les réflecteurs peuvent par exemple être encore du type filaire, plan, cylindrique ou elliptique. Ces antennes fonctionnent généralement selon une bande de fréquences limitée.

[0009] La figure 2 montre, par une vue en perspective, un mode de réalisation possible d'une antenne selon l'invention. Cette antenne combine par exemple un balayage électronique dans un plan, par exemple en gisement, avec un réflecteur 21 ayant la forme d'un dièdre à ouverture dans le plan perpendiculaire, par exemple dans le plan de site. Le balayage électronique permet de façon classique, en jouant sur l'alimentation d'éléments rayonnants ou sources élémentaires 22, de former un faisceau d'antenne dans un plan, en gisement par exemple. Le réflecteur 21, en fonction de sa structure, permet de former le faisceau dans l'espace, il caractérise particulièrement le faisceau en site. Les éléments rayonnants 22 sont par exemple constitués en réseau et situés dans un même plan, qui est le plan bissecteur du dièdre. Le plan dans lequel le faisceau est formé par balayage électronique est le plan des éléments rayonnants 22 . Ces derniers éclairent par ailleurs le réflecteur 21 de sorte que les ondes hyperfréquence qu'ils émettent se réfléchissent sur le réflecteur 21 dont l'ouverture est perpendiculaire au plan des éléments rayonnants. Le réflecteur 21 contribue alors à la formation du faisceau dans tout l'espace.

[0010] Le réflecteur 21 ayant la forme d'un dièdre, les éléments rayonnants 22 s'étendent, dans le plan bissecteur du dièdre, depuis l'arête 23 du dièdre, c'est-à-dire depuis l'intersection des deux demi-plans du dièdre, vers l'ouverture du réflecteur 21, c'est-à-dire, vers l'ouverture du dièdre, de façon notamment à produire un éclairement du réflecteur en champ proche. Les éléments rayonnants ne dépassent pas nécessairement le plan d'ouverture du réflecteur. De même, ils n'atteignent pas nécessairement le plan d'ouverture.

[0011] Pour assurer des caractéristiques de rayonnement au faisceau sensiblement constante dans le plan perpendiculaire au réseau d'éléments rayonnants 22 quelle que soit la fréquence, la position du centre de phase de ces sources élémentaires 22 varie avec la fréquence de manière à ce que le produit de la distance S entre l'arête du réflecteur 21 et le centre de phase 24 d'une source élémentaire 22 par la fréquence reste constant. En d'autres termes, les éléments rayonnants 22 sont par exemple réalisés de telle sorte que :

   où S est la distance précitée et λ la longueur d'une onde émise par un élément rayonnant 22. A est une constante. Ainsi, le faisceau d'antenne est sensiblement constant et fixe dans un plan perpendiculaire au plan bissecteur du dièdre quelle que soit la fréquence, celle-ci pouvant par exemple varier sur une octave.

[0012] En pratique, le rapport

peut légèrement différer de la constante A ou du moins s'en éloigner mais de sorte cependant que le faisceau continue de présenter des caractéristiques de rayonnement acceptables. Pour vérifier la relation (1), les sources élémentaires 22 sont par exemple des antennes du type Vivaldi. Les sources élémentaires 22 sont des sources élémentaires à large bande de fréquences.

[0013] Les éléments rayonnants 22 sont par exemple disposés sur un support, non représenté sur la figure 2. Ce support est par exemple un circuit imprimé. La base du circuit est alors fixée par exemple à l'arête 23 du dièdre. Cependant, pour des facilités de maintien, une partie du circuit imprimé est par exemple prise en sandwich entre les supports mécaniques des deux demi-plans du réflecteur 21 qui se prolongent au-delà de l'arête 23, selon des directions parallèles. Plusieurs solutions sont envisageables pour la réalisation du circuit imprimé. Le circuit imprimé peut être en technologie dite à micro-ruban, dite encore « microstrip » dans la littérature anglo-saxonne. Les éléments rayonnants 22 sont alors alimentés par des lignes microstrip imprimées sur le circuit. Des ouvertures, non représentées, sont par exemple prévues dans le réflecteur 21, à proximité de l'arête 23, pour assurer le passage de lignes d'excitation.

[0014] Le réseau d'éléments rayonnants 22 peut encore être réalisé en technologie dite triplaque. Dans ce cas, les éléments rayonnants, par exemple de type Vivaldi, sont imprimés sur deux circuits imprimés qui prennent en sandwich des lignes conductrices d'impédance 50 ohms. Cela permet notamment au réseau de présenter deux faces rayonnantes identiques. Par ailleurs, un blindage est ainsi réalisé qui empêche le rayonnement des lignes conductrices.

[0015] L'angle d'ouverture du dièdre peut être quelconque. Cependant, si un faisceau large est recherché, l'angle doit être suffisamment ouvert. Au contraire, si un faisceau étroit est recherché, l'angle doit être fermé en conséquence.

[0016] La figure 3 présente, par une vue de profil, un autre mode de réalisation possible d'une antenne selon l'invention. Ce mode de réalisation permet notamment de modifier l'orientation du faisceau, par exemple en site, dans un plan perpendiculaire au plan bissecteur du dièdre par modification des caractéristiques de réflexion des parois du dièdre. Dans ce mode de réalisation, le réflecteur 21 est recouvert d'un élément 31, qui peut être actif ou passif. Eventuellement, seule une des deux surfaces du réflecteur 21 est donc recouverte de l'élément 31. Les éléments rayonnants 22 sont par exemple toujours disposés sur un circuit imprimé 32 sur lequel sont imprimées des lignes microstrip 33 qui conduisent les ondes hyperfréquence vers les éléments rayonnant. L'élément 31 est constitué par exemple de deux parties, les deux parties recouvrant chacune un côté du dièdre. Il est possible de prévoir plusieurs types d'éléments 31 aux fonctions éventuellement complémentaires.

[0017] L'élément 31 peut être par exemple une peau dichroïque active. Cette peau, permet en fonction de sa commande, d'ajuster la forme du faisceau d'antenne, dans le plan site, en fait dans le plan de formation du faisceau d'antenne par le réflecteur. Il est à noter que cette forme est réglée par le réflecteur 21, plus précisément par la forme de ce dernier, qui est figée. Le réflecteur 21, dont la structure est fixe, ne laisse donc pas la possibilité de faire varier le faisceau dans son plan d'ouverture, le plan site en l'occurrence. La peau dichroïque 21, d'épaisseur donnée e, commandable électroniquement, permet une variation de la forme du faisceau ainsi que de sa direction. Cette peau présente par exemple deux états, en fonction de sa commande. Dans un premier état, la peau 31 est passante. Le champ rayonné par les sources élémentaires 22 est réfléchi par la surface du réflecteur, qui forme plan de masse. La peau est en fait dans un état transparent aux ondes hyperfréquence. Dans le second état, la peau dichroïque 31 est réfléchissante. Le champ rayonné par les sources élémentaires 22 est alors réfléchi par la peau. La peau dichroïque est par exemple réalisée à base d'un réseau de diodes et de fils conducteurs, les diodes étant commandées de façon à rendre la peau passante ou réfléchissante. Les circuits de commande des diodes, non représentés, sont par exemple à base de circuits électroniques. Ils sont par exemple disposés à proximité des circuits de commande des éléments rayonnant. L'ensemble des circuits de commande peut être regroupé dans un même circuit.

[0018] En combinant les états possibles des deux peaux qui recouvrent chacune un demi-plan du réflecteur 21, on peut obtenir quatre états globaux différents. En ce qui concerne un côté du dièdre, la différence d'un état à l'autre se traduit par le fait que l'onde qui se réfléchit parcourt un trajet de longueur différente. La différence de trajet est de 2e, à incidence normale, e étant l'épaisseur de la peau dichroïque. Les figures 4a, 4b, 4c et 4d illustrent l'effet de chacun des quatre états possibles.

[0019] La figure 4a présente un état où une peau dichroïque 41 disposée sur une surface du réflecteur et que l'on nommera première peau, est passante et où l'autre peau dichroïque 42 disposée sur l'autre surface du réflecteur et que l'on nommera deuxième peau, est réfléchissante. Ainsi, une onde hyperfréquence 49 émise par les sources élémentaires 22 se réfléchit sur le côté du réflecteur recouvert de la première peau 41 et se réfléchit sur la deuxième peau 42. Dans ce cas, un faisceau 43 est obtenu en site selon un angle +θ_b par rapport au plan 44 du réseau d'éléments rayonnants 22, le sens des angles étant positif en allant de la deuxième peau 42 vers la première peau 41. Sur la figure 4b, l'état inverse est représenté, c'est-à-dire que la première peau 41 est passante alors que la deuxième peau 42 est passante. Dans cet état, le faisceau obtenu 43 fait un angle -θ_b par rapport au plan 44 du réseau de diodes.

[0020] La figure 4c illustre un état où les deux peaux 41, 42 sont passantes. Les ondes hyperfréquence 49 émises depuis les sources élémentaires 22 se réfléchissent alors sur le réflecteur 21. Un faisceau large 43 est ainsi obtenu. La figure 4d illustre la situation inverse où les deux peaux 41, 42 sont réfléchissantes. Dans ce cas, l'ouverture du réflecteur se trouve réduite et le faisceau résultant 43 est étroit.

[0021] Dans un autre mode de réalisation, l'élément 31 qui recouvre le réflecteur peut ne pas être actif, mais simplement passif. L'élément 31 est par exemple une peau dichroïque passive qui permet de modifier le diagramme d'antenne en forme et/ou en direction en fonction de la fréquence. Dans ce cas, l'état passant ou réfléchissant de la peau n'est plus fonction de l'état de diodes mais de la fréquence des ondes incidentes.

[0022] Dans un autre mode de réalisation, l'élément 31 est toujours passif, mais joue sur la polarisation des ondes. L'élément 31 est alors par exemple une grille de rotation de polarisation à réflexion qui transforme la polarisation des ondes émises par les sources élémentaires 22, qui est linéaire, en une polarisation circulaire. Une polarisation circulaire permet notamment de capter toutes les autres polarisations, sauf néanmoins une polarisation circulaire inverse.

[0023] Le réflecteur 21 tel que présenté par les figures 2, 3 et 4 a la forme d'un dièdre, ce qui permet notamment une réalisation de faible coût. En effet, un dièdre est un élément facile à réaliser. Il est cependant possible de prévoir d'autres formes de réflecteurs, dès lors où le réflecteur étant formé de deux surfaces, le réseau de sources élémentaires 22 est situé dans l'intérieur de l'espace formé par ces deux surfaces, les sources élémentaires rayonnant vers ces dernières. Ces surfaces ne sont pas nécessairement planes, et peuvent éventuellement être supérieures à deux en nombre.

[0024] Dans les exemples de réalisation précédents, le réseau d'éléments rayonnants 22 est disposé symétriquement par rapport aux deux surfaces du réflecteur 21. Cependant, le réseau d'éléments rayonnants 22 peut ne pas être disposé symétriquement par rapport à ces surfaces. Cela permet notamment de jouer sur la direction du faisceau par rapport à l'ouverture du réflecteur. Les éléments rayonnants 22 peuvent ne pas être commandés électroniquement. Dans ce cas, il n'y a pas de balayage électronique qui contribue à la constitution du faisceau d'antenne.

[0025] Une antenne selon l'invention peut être utilisée pour tous systèmes d'émission d'ondes électromagnétiques nécessitant notamment large bande de fréquence de fonctionnement. Elle peut être installée dans tous systèmes électromagnétiques embarqués, par exemple dans des avions. Outre son économie et sa simplicité de mise en oeuvre. Elle permet avantageusement des modifications de polarisation ou des ajustements de formes et de direction du faisceau d'antenne, en jouant simplement sur des éléments de recouvrement 31 de la surface du réflecteur 21. Si ce dernier a la forme d'un dièdre, ces éléments de recouvrement sont par ailleurs faciles à adapter et à installer sur le réflecteur. L'invention permet par ailleurs de conserver des caractéristiques de rayonnement au faisceau d'antenne, et cela dans toute la bande de fréquence de fonctionnement.

Revendications

1. Antenne à réflecteur, caractérisée en ce qu'elle comporte un réflecteur (21) composé d'au moins deux surfaces formant un dièdre et un réseau de sources élémentaires (22) rayonnant des ondes hyperfréquence (49) vers les surfaces du réflecteur (21) pour former le faisceau d'antenne, le réseau de sources élémentaires (22) étant situé dans l'intérieur de l'espace formé par les surfaces du réflecteur (21), la position du centre de phase (24) des sources élémentaires variant avec la fréquence.

2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le produit de la distance (S) entre l'arête du réflecteur (21) et le centre de phase (24) d'une source élémentaire (22) par la fréquence reste sensiblement constant.

3. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les sources élémentaires (22) s'étendent depuis l'arête (23) du dièdre vers l'ouverture de ce dernier, dans le plan bissecteur du dièdre.

4. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les sources élémentaires (22) sont commandées électroniquement pour produire un balayage électronique.

5. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'au moins une surface du réflecteur (21) est recouverte d'une peau dichroïque active (31) ayant une épaisseur donnée (e) commandée électroniquement selon au moins deux états, un état dans lequel elle est transparente aux ondes hyperfréquence (49) et un état dans lequel elle est réfléchissante pour ces ondes.

6. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'au moins une surface du réflecteur (21) est recouverte d'une peau dichroïque passive (31) ayant une épaisseur donnée (e) qui est transparente aux ondes hyperfréquence (49) ou réfléchissante pour ces ondes en fonction de la fréquence.

7. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'au moins une surface du réflecteur (21) est recouverte d'une grille de rotation de polarisation en réflexion (31).

8. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les sources élémentaires (22) sont des antennes du type Vivaldi.

9. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce les sources élémentaires (22) sont disposées sur un circuit imprimé (32) et alimentées par des lignes microstrip (33).

10. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les sources élémentaires (22) sont disposées dans un circuit triplaque.

Dessins