Antenne à balayage mécanique balayant un large domaine spatial et a encombrement réduit

Abstract

 La présente invention concerne une antenne à balayage mécanique balayant un large domaine spatial et à encombrement réduit.
L'antenne comporte au moins :
- un stator (31) de forme conique comportant une entrée (34) et une sortie (36) ;
- un rotor (32) de forme conique tournant à l'intérieur du stator (31), l'espace entre le rotor et le stator formant guide d'onde, le rotor comportant un guide d'onde diamétral, une onde hyperfréquence (33) à émettre étant guidée de l'entrée (34) jusqu'à la sortie (36) via le guide diamétral du rotor ;
- un système focalisateur (22) comportant au moins une lentille focalisante (51) dont le foyer est situé sensiblement à la sortie (36) du stator.
L'invention s'applique notamment pour des applications radar aéroportées soumises à des contraintes d'encombrement et de performances aérodynamiques.

Description

[0001] La présente invention concerne une antenne à balayage mécanique balayant un large domaine spatial et à encombrement réduit. Elle s'applique notamment pour des applications radar aéroportées soumises à des contraintes d'encombrement et de performances aérodynamiques.

[0002] Une détection radar se fait à l'intérieur d'un ou plusieurs faisceaux d'émission produits par l'antenne du radar. Un faisceau couvre une partie limitée de l'espace. La détection impose donc d'effectuer un balayage d'un faisceau d'émission en vue de couvrir la plus grande partie de l'espace.
Il existe deux modes de base pour produire un balayage de faisceaux d'émission.
Un premier mode est le balayage mécanique. Dans ce mode, le faisceau reste fixe par rapport à la structure mécanique de l'antenne. Ce sont les mouvements d'antenne, en azimut et/ou en site qui génèrent alors le balayage du faisceau d'émission.
Un deuxième mode de base est le balayage électronique. Dans ce cas, l'antenne reste fixe et le balayage du faisceau d'émission est généré électroniquement en jouant de façon sur les déphasages de modules rayonnant. Un troisième mode peut combiner le balayage mécanique et le balayage électronique.
Une antenne à balayage électronique présente de très bonnes performances de balayage, en particulier en ce qui concerne la rapidité et l'agilité de balayage mais aussi l'amplitude spatiale du balayage. Par ailleurs, son fonctionnement ne nécessite qu'un encombrement relativement réduit puisqu'il n'est pas nécessaire de réserver un espace aux mouvements de l'antenne. Ce mode de balayage présente néanmoins certains inconvénient, notamment en ce qui concerne les coûts et la complexité de réalisation.
Une antenne à balayage mécanique, qui ne possède pas toujours les performances d'une antenne à balayage électronique, peut parfaitement convenir à certaines applications, en particulier pour des aspects économiques, lorsque la simplicité ou de faibles coûts de réalisation sont exigés. Les inconvénients du balayage mécanique sont bien connus. En particulier, l'amplitude spatiale du balayage du faisceau est limitée par les mouvements de l'antenne elle-même. Dans une configuration mécanique donnée, l'antenne ne peut se mouvoir qu'à l'intérieur d'une sphère d'encombrement limitant le domaine spatial de balayage du faisceau d'émission de l'antenne. De plus l'encombrement nécessaire au fonctionnement de l'antenne notamment pour effectuer ses mouvements de balayage dans un ou deux plans, en fait sa sphère d'encombrement elle-même, augmente le volume d'encombrement général de l'antenne. En fait, pour obtenir un balayage sur un large domaine impose une sphère d'encombrement importante.

[0003] Un but de l'invention est de pallier cet inconvénient, en particulier en permettant la réalisation d'une antenne à balayage mécanique balayant un large domaine spatial. A cet effet, l'invention a pour objet une antenne à balayage de faisceau comportant au moins :

• un stator de forme conique comportant une entrée et une sortie ;
• un rotor de forme conique tournant à l'intérieur du stator, l'espace entre le rotor et le stator formant guide d'onde, le rotor comportant un guide d'onde diamétral, une onde hyperfréquence à émettre étant guidée de l'entrée jusqu'à la sortie via le guide diamétral du rotor ;
• un système focalisateur comportant au moins une lentille focalisante dont le foyer est situé sensiblement à la sortie du stator.

[0004] Le système focalisateur est par exemple intégré dans un radôme.
Le stator comporte par exemple en amont de l'entrée et en aval de la sortie une protubérance bloquant le passage de l'onde hyperfréquence.
Le rotor comporte par exemple en aval de l'entrée et en amont de la sortie du guide d'onde diamétral un piège hyperfréquence bloquant le passage de l'onde hyperfréquence.
Le système focalisateur comporte une deuxième lentille focalisante dont le foyer est situé sensiblement à l'entrée du stator.

[0005] L'invention a pour principaux avantages qu'elle permet de réduire l'encombrement nécessaire au fonctionnement de l'antenne, qu'elle permet d'obtenir un fort dépointage d'antenne, qu'elle évite l'utilisation de joints tournants, qu'elle permet d'obtenir un radôme d'antenne de forme aérodynamique et qu'elle est économique.

[0006] 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 selon l'art antérieur nécessitant une sphère d'encombrement ;
• la figure 2, une illustration d'un système de Foster comportant d'un stator et d'un rotor et un système focalisateur formant une antenne selon l'invention ;
• la figure 3, les composantes d'un système de Foster ;
• les figures 4a et 4b, une illustration du fonctionnement d'un système de Foster tel qu'utilisé dans une antenne selon l'invention ;
• la figure 5, un exemple de réalisation d'une antenne selon l'invention.

[0007] La figure 1 présente à titre d'exemple le cas d'une antenne pour des applications SAR (« Synthetic Aperture Radar » dans la terminologie anglo-saxonne). Cette antenne 3, à fentes, est placée dans un pod 1 intégré sous un avion 2. Les débattements de l'antenne sont limités par le pod définissant une sphère d'encombrement. Dans le cas d'une antenne à balayage mécanique, dû aux mouvements de l'antenne, cette sphère d'encombrement limite le domaine de balayage de l'antenne. Etant donné que l'on ne peut augmenter indéfiniment les dimensions d'un pod ou d'un radôme à l'intérieur duquel est placée une antenne, notamment dans les applications aéroportées, il s'ensuit que le balayage mécanique d'une antenne est systématiquement limité, de façon plus ou importante selon les cas. En d'autres termes, le faible volume d'encombrement disponible limite le dépointage d'une antenne.

[0008] La figure 2 illustre par une vue en perspective une antenne à balayage mécanique selon l'invention. L'antenne comporte un système de Foster 21 auquel est associé un système focalisateur 22 permettant notamment l'émission d'un lobe d'antenne de forte directivité. Le système focalisateur est par exemple un radôme focalisateur de forme conique. Le système de Foster 21 assure un dépointage mécanique d'un faisceau d'antenne.

[0009] La figure 3 présente les composantes d'un système de Foster. Un système de Foster 21 est ainsi composé de deux parties 31, 32. Une première partie est un stator 31 et une deuxième partie est un rotor 32. Le rotor et le stator sont tous deux de forme conique, le rotor tournant à l'intérieur du stator. L'onde à émettre 33 pénètre d'abord dans une entrée 34 du stator 31, poursuit son chemin dans l'espace compris entre le stator et le rotor puis pénètre à l'intérieur du rotor selon un passage diamétral 35. Ce passage forme un guide d'onde diamétral à l'intérieur du rotor. En sortie du rotor l'onde poursuit son chemin entre le stator et le rotor jusqu'à une sortie 36 du stator.
Les ouvertures, au niveau de l'entrée 34 et au niveau de la sortie 36, sont réalisées longitudinalement sur toute la longueur du stator ou selon une portion. Le guide d'onde diamétral 35 est réalisé dans le rotor sur la même longueur que les ouvertures de l'entrée et de la sortie.
L'onde entrante 33 est déphasée avec un chemin électrique comme décrit par la suite.

[0010] Les figures 4a et 4b permet de décrire le fonctionnement d'un système de Foster. La figure 4a présente une vue en perspective du stator et du rotor. Le stator 31 de forme conique est fixe. Le rotor 32, lui aussi de forme conique, tourne à l'intérieur du stator. Ces deux parties 31, 32 ont un axe de symétrie commun 41.
La figure 4b présente une vue en coupe de la figure 4a dans un plan 42 perpendiculaire à l'axe de symétrie 41 du stator. On note z la position de ce plan 42 le long de l'axe de symétrie 41. L'onde 33 pénètre dans le stator puis dans le rotor comme indiqué précédemment. L'entrée 34 et la sortie 36 du stator sont par exemple symétriques par rapport à l'axe de symétrie 41 du stator. Le passage de l'onde 33 à travers le rotor se fait à l'intérieur d'un chemin 35 creusé diamétralement dans le rotor. A un instant donné, ce chemin diamétral 35 fait un angle θ_r avec le point d'entrée 34 de l'onde dans le stator. Cet angle θ_r est en fait l'angle de rotation du stator par rapport au stator ayant son origine au point d'entrée 34 de l'onde 33 dans le stator. L'angle θ_r est fonction du temps.
L'onde 33 entre dans le stator au niveau de l'entrée 34 puis pénètre dans le chemin diamétral 35 et enfin sort du stator au niveau de la sortie 36. Le chemin parcouru à l'intérieur du système formé par le stator et le rotor est donc composé de trois portions. Une première portion 43, située entre le stator et le rotor, débute au point d'entrée 34 jusqu'au point d'entrée dans le rotor. La distance parcourue dans cette première portion 43 est 2R(z)θ_r. R(z) est le rayon du chemin parcouru, il dépend de la position z du plan 42 le long de l'axe de symétrie 41 en raison de la forme conique du stator et du rotor. L'origine des positions z sur l'axe de symétrie peut par exemple être prise au sommet du cône S.
La deuxième portion de chemin est constituée de la totalité du chemin transversale 35 à l'intérieur du rotor. La distance parcourue dans cette deuxième portion est sensiblement égale à 2R(z). Enfin, la troisième portion 44 est symétriquement opposée à la première portion 43, elle va de la sortie du rotor jusqu'au point de sortie 36 du stator. Elle est donc égale à 2R(z)θ_r. Ainsi, au niveau d'un point z de l'axe de symétrie 41 du stator, le chemin électrique δ(z) parcouru par l'onde entrante 33 est donné par la relation suivante :


θ _r étant exprimé en radians dans cette relation (1).

[0011] L'intérieur du stator 31 et l'extérieur du rotor 32 sont par exemple recouverts d'une couche métallique de façon à ce que l'espace compris entre le stator et le rotor puisse guider l'onde hyperfréquence entrante 33. En particulier la largeur de cet espace peut être définie en fonction de la longueur d'onde. De même le passage 35 prévu à l'intérieur du rotor 32 forme un guide d'onde. Ses faces intérieures sont par exemple recouvertes d'une couche métallique, la largeur de ce passage dépendant notamment de la longueur d'onde.
Une protubérance 45 faisant saillie à l'intérieur du stator est située à proximité de l'entrée 34 pour bloquer le passage de l'onde entrante dans une direction. A cet effet la protubérance 45 s'étend le plus possible de la surface du rotor. Elle empêche donc l'onde entrante de suivre la mauvaise direction en l'obligeant à suivre le chemin 43 prévu. Pour renforcer le blocage du passage une deuxième protubérance 46 est, par exemple, prévu à côté de la précédente 45.

[0012] Après avoir suivi le chemin 43 à l'intérieur du stator l'onde hyperfréquence doit ensuite entrer dans le chemin diamétral 35 du rotor. Pour empêcher l'onde de continuer plus loin sa course à l'intérieur du stator, un piège hyperfréquence 47 est placé en aval de l'entrée du rotor, et à proximité de cette dernière. Ce piège 47 est, par exemple, formé d'un court-circuit hyperfréquence à λ/4. Ce piège 47 est placé à la surface du rotor mais à l'intérieur pour ne pas entrer en contact avec une protubérance 45, 46 du stator lors de la rotation du rotor. Un autre piège hyperfréquence 48, par exemple de même structure, est diamétralement opposé au précédent 47 pour forcer l'onde hyperfréquence à suivre le chemin 44 vers la sortie 36 du stator. Le stator comporte une autre protubérance 49 diamétralement opposée à la première 45 pour forcer l'onde hyperfréquence à continuer vers la sortie 36. Les protubérances 45, 49 pourraient être remplacées par des pièges hyperfréquence.

[0013] L'onde entrante est déphasée avec le chemin électrique δ(z) sur les portions 43, 35, 44. Le déphasage est donc fonction de la position angulaire du rotor et de la distance z par rapport à la pointe S du cône.
Le déphasage ϕ(z), fonction de la position z le long de l'axe de symétrie 41 est donné par la relation suivante :


où λ est la longueur de l'onde entrante 33.
En référence aux relations (1) et (2), le déphasage peut encore s'écrire :


Si α représente le demi-angle au sommet du cône, la relation entre le rayon R(z) en un point de l'axe de symétrie 41 du stator et la distance z de ce point au sommet est la suivante :


L'angle de dépointage θ_p de l'onde en regard d'un point z de l'axe 41 vérifie la relation suivante :


Il en résulte que :

[0014] La relation (6) donne l'angle de dépointage du faisceau hyperfréquence à la sortie 36 du stator. Cet angle θ_p est l'angle que fait la direction 50 du faisceau avec la perpendiculaire. Il est fonction de l'angle de rotation θ_r du rotor, lui-même fonction du temps. La rotation du rotor induit donc un dépointage du faisceau hyperfréquence en sortie 36 du stator, l'angle de dépointage étant fonction de la rotation du rotor selon la relation (6). L'angle de dépointage est indépendant de la longueur d'onde hyperfréquence λ. En sortie 36 du stator, le faisceau hyperfréquence est très peu directive, du fait notamment de la faible largeur d'ouverture du stator au niveau de la sortie 36.

[0015] La figure 5 présente un exemple de réalisation d'une antenne selon l'invention où l'ensemble composé du stator et du rotor des figures 4a et 4b est équipé d'un système focalisateur 22. Le système focalisateur comporte au moins une lentille focalisatrice 51. Le foyer de la lentille 51 se situe sensiblement à la sortie 36 du stator. De la sorte la lentille 51 permet de focaliser le faisceau hyperfréquence et d'obtenir un faisceau hyperfréquence très directif. Ce faisceau forme le faisceau d'antenne 53 d'une antenne selon l'invention. Ce faisceau balaye l'espace selon l'angle de dépointage θ_p lui-même fonction de la rotation θ_r du rotor.
Le système focalisateur peut être complété par une deuxième lentille 52, par exemple symétrique par rapport à la première. Cette deuxième lentille est utile lorsque l'entrée 34 du stator devient la sortie de l'onde hyperfréquence.
Une lentille focalisante 51, 52 est par exemple en verre de type D auquel est ajouté un liant de type polyester.

[0016] Des guides d'onde non représentés sont prévus pour guider l'onde hyperfréquence jusqu'à l'entrée du stator.
Le système focalisateur 22 peut, par ailleurs, faire office de radôme. Sa forme est imposée par la forme du stator sur lequel les lentilles doivent se focaliser. Il en résulte une forme de radôme sensiblement conique donc très aérodynamique.

[0017] Avantageusement, un balayage mécanique de faisceau d'antenne selon l'invention, bien que de type mécanique, ne nécessite pas de joints tournants.
Dans la solution proposée par une antenne selon l'invention, aucune sphère d'encombrement est nécessaire. Cette solution est, par conséquent, bien adaptée pour des applications nécessitant de forts dépointages, par exemple, de ± 120°.

Revendications

1. Antenne à balayage de faisceau, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins :

- un stator (31) de forme conique comportant une entrée (34) et une sortie (36) ;

- un rotor (32) de forme conique tournant à l'intérieur du stator (31), l'espace entre le rotor et le stator formant guide d'onde, le rotor comportant un guide d'onde diamétral (35), une onde hyperfréquence (33) à émettre étant guidée de l'entrée (34) jusqu'à la sortie (36) via le guide diamétral du rotor ;

- un système focalisateur (22) comportant au moins une lentille focalisante (51) dont le foyer est situé sensiblement à la sortie (36) du stator.

2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le système focalisateur (22) est intégré dans un radôme.

3. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le stator (31) comporte en amont de l'entrée (34) et en aval de la sortie (36) une protubérance (45, 49) bloquant le passage de l'onde hyperfréquence (33).

4. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le rotor (32) comporte en aval de l'entrée et en amont de la sortie du guide d'onde diamétral (35) un piège hyperfréquence (47, 48) bloquant le passage de l'onde hyperfréquence (33).

5. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le système focalisateur (22) comporte une deuxième lentille focalisante (52) dont le foyer est situé sensiblement à l'entrée (34) du stator.

Dessins