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CA 02242714 1998-07-27
ANTENNE A POLAR~SATION CIRCULAIRE UN SENS
L'invention concerne une antenne d'émission
et réception d'un rayonnement à polarisation circulaire un
sens, du type comprenant un filtre fréquentiel et un
élément rayonnant en vue d'émettre ou recevoir dans une
bande de fréquences prédéterminées, dite bande utile. Elle
s'applique plus particulièrement aux an~ennes actives dont
la bande utile se situe dans la plage des hyperfréquences.
Dans les antennes connues du type précité,
le filtre permet d'ajuster la largeur de la bande utile
rayonnée par l'élément rayonnant et de respecter des
spécifications données de rejection hors de la bande utile.
Ces antennes possèdent, en transition entre le filtre et
l'élément rayonnant, une liaison monomode qui réalise
l'interconnexion entre ces éléments ; cette liaison
monomode est associée à un polariseur en vue d'alimenter
l'élément rayonnant de facon à engendrer la polarisation
circulaire de l'onde émise. Cette liaison monomode, de
masse et de longueur notables, constitue un obstacle à une
réduction du poids et de la taille de l'antenne. En outre,
elle peut entraîner des pertes énergétiques non
négligeables.
La présente invention se propose de fournir
une antenne perfectionnée du type précité, susceptible de
bénéficier d'un encombrement global réduit par rapport aux-
antennes connues.
Un autre objectif est de permettre une
réduction significative de la masse de l'antenne, avantage
fortement recherché dans les applications spatiales.
Un autre objectif est de réduire les
contraintes de fabrication de l'antenne et en particulier
de permettre de fabriquer celle-ci en une seule pièce.
Un autre objectif est de réduire les pertes
énergétiques.
A cet effet, l'antenne à polarisation
circulaire un sens, visée par l'invention, comprend un
élément rayonnant associé à un filtre fréquentiel et se
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caractérise en ce que :
- l'élément rayonnant est couplé à un moyen
polariseur adapté pour assurer une polarisation circulaire
de l'onde, induisant deux modes retours de transmission
orthogonaux (Rh), (Rv),
- un dispositif sélectif en polarisation
est disposé en transition entre le filtre fréquentiel et le
moyen polariseur, ledit dispositif sélectif multimode étant
adapté pour (1) permettre la propagation du mode aller
initial en émission (Ma), (2) laisser passer en émission un
des modes retour (Rh) induit par le moyen polariseur, et
(3) réfléchir l'autre mode retour (Rv),
- le filtre fréquentiel est adapté pour
réfléchir, en émission, le mode retour (Rh) qui lui est
transmis par le dispositif sélectif en polarisation,
- le moyen polariseur est adapté à l'onde
composée du mode initial (Ma) et des modes retour réfléchis
en émission, de façon à renforcer la polarisation
circulaire de l'onde initiale;
Ainsi, l'antenne conforme à l'invention est
pourvue, entre le filtre et l'élément rayonnant, d'un
dispositif sélectif multimode supportant la propagation de
deux modes de transmission orthogonaux. Le moyen polariseur
excité par ce dispositif multimode engendre deux modes
retours orthogonaux qui sont utilisés en émission par le
jeu des réflexions pour renforcer la génération de la
polarisation circulaire du mode aller initial (Ma). Le
dispositif' sélectif multimode peut ainsi être
considérablement plus compact et plus léger que la liaison
monomode des antennes connues (qui doit présenter une
longueur suffisante pour limiter les ondes retour) et
conduit à des contraintes de fabrication réduites. En
particulier, dans la plage des hyperfréquences, le filtre,
le dispositif sélectif, le moyen polariseur et l'élément
rayonnant peuvent être fabriqués d'un seul tenant en une
pièce unique (notamment en fonderie) qui évite des
fabrications multiples et des assemblages. En outre, la
résonance du moyen polariseur à la fréquence de l'onde
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composée assure un rendement énergétique d'émission
amélloré par rapport à celui des antennes connues
precltees.
De facon habituelle, l'antenne conforme à
l'invention peut être réalisée en un matériau métallique
électromagnétiquement linéaire. Dans ce cas, conformément
au principe de réciprocité, les caractéristiques
radioélectriques obtenues en émission (en particulier
l'amélioration du rendement énergétique) le sont également
en réception.
Selon un mode de réalisation préféré, le
filtre fréquentiel est un filtre à mode évanescent pourvu
d'une pluralité de discontinuités qui sont alignées le long
de l'axe longitudinal du filtre et qui présentent chacune
une symétrie par rapport à un plan longitudinal de symétrie
du filtre. Le dispositif sélectif en polarisation comprend
alors un guide d'ondes de section circulaire ou
rectangulaire ayant des dimensions transversales
appropriées pour supporter les deux modes fondamentaux
orthogonaux du guide, une discontinuité étant disposée à
l'interface filtre/guide dans l'alignement des
discontinuités du filtre en vue de laisser passer l'un des
modes retour (Rh) et de réfléchir l'autre mode retour (Rv).
~n tel filtre à mode évanescent est un
filtre sous coupure dont les dimensions transversales sont
réduites par rapport à celles des autres éléments de
l'antenne, ce qui facilite la mise en réseau de l'antenne
par accolement de leurs éléments rayonnants.
Selon un autre mode de réalisation, le
filtre fréquentiel est un filtre propagatif possédant une
sortie monomode en guide d'ondes rectangulaire ou
circulaire. Le dispositif sélectif en polarisation comprend
alors un guide d'ondes de section circulaire ou
rectangulaire ayant des dimensions transversales
appropriées pour supporter les deux modes fondamentaux
orthogonaux du guide, une grille à fils ou lames
métalliques parallèles étant disposée à l'interface
filtre/guide en vue de laisser passer l'un des modes retour
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(Rh) et de réfléchir l'autre mode retour (Rv).
Dans un tel mode de réalisation, le filtre
a des dimensions transversales supérieures à celles du cas
précédent, mais il permet un choix plus important de la
largeur de la bande utile. Une telle antenne sera plus
particulièrement réservée au cas d'une antenne unique.
Par ailleurs, le moyen polariseur est de
préférence constitué par au moins un iris non symétrique
par rapport au plan contenant le champ électrique du mode
aller initial (Ma). La polarisation circulaire est ainsi
obtenue par un élément de très faible encombrement qui est
disposé à l'interface dispositif sélectif en
polarisation/élément rayonnant.
Selon une autre caractéristique avantageuse
de l'invention, le dispositif sélectif en polarisation et
l'élément rayonnant sont des guides d'ondes de dimensions
transversales appropriées pour autoriser uniquement la
propagation des deux modes fondamentaux orthogonaux. Ces
dispositions conduisent à un dispositif de taille
inférieure à la longueur d'onde, ce qui limite l'influence
des modes supérieurs (lesquels restent évanescents).
Comme déjà évoqué, l'antenne définie
précédemment peut être associée à une pluralité d'antennes
du même type pour réaliser un réseau : on obtient ainsi une
antenne de directivité accrue dont le faisceau peut être
pointable électroniquement.
D'autres caractéristiques, buts et
avantages de l'invention ressortiront de la description qui
suit en référence aux dessins annexés, lesquels présentent
à titre d'exemples non limitatifs des modes de réalisation
d'antennes conformes à l'invention ; sur ces dessins :
- la figure 1 est une vue schématique en
perspective d'un premier mode de réalisation,
- la figure 2 en est une coupe
longitudinale par un plan longitudinal AA,
- les figures 3, 4 et 5 sont des coupes
transversales respectivement par des plans BB, CC, DD,
- la figure 6 est une vue schématique en
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perspective d'une variante,
- la flgure 7 en est une coupe
longitudinale par un plan EE,
- la figure 8 est une vue schématique
frontale d'une antenne en réseau vue du côté des éléments
rayonnants,
- la figure 9 est une coupe longitudinale
par un plan HH d'un autre mode de réalisation,
- les figures 10 et 11 en sont des coupes
transversales respectivement par des plans FF et GG.
L'antenne à polarisation circulaire un sens
qui est représentée à titre d'exemple aux figures 1 à 5,
est destinée à émettre et recevoir un rayonnement
hyperfréquence dans une bande utile de largeur
prédéterminée, par exemple largeur de 500 MHz centrée
autour de 12 GHz.
Cette antenne comprend un filtre
fréquentiel constitué par un guide d'ondes rectangulaire 1
à mode fondamental évanescent, pourvu de lamelles telles
que 2 alignées le long de l'axe du guide et symétrique par
rapport au plan longitudlnal AA. La section rectangulaire
de ce guide est appropriée pour que les deux modes
fondamentaux du-guide soient sous la ~oupure (côtés de
longueur inférieure à A/2).
Ce filtre possède de façon classique une
entrée d'excitation 3 pourvue d'une lamelle d'adaptation 4,
cette entrée étant destinée à être connectée à un
amplificateur, un générateur hyperfréquence et un récepteur
hyperfréquence.
Le guide 1 est prolongé par un guide
cylindrique 5 permettant la propagation des deux modes
fondamentaux orthogonaux. A cet effet, le diamètre du guide
5 est supérieur à 0,586 ~. Ce guide 5 jouant le rôle de
dispositif sélectif en polarisation est pourvu d'une
lamelle 6 située à l'interface des guides 1 et 5 dans
l'alignement des lamelles 2 du guide 1 et en opposition par
rapport aux lamelles 2. .
A l'extrémité du guide 5 est disposé un
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iris polariseur 7 dissymétrique par rapport au plan AA. En
particulier, les deux parois formant cet iris 7 sont
décalées d'un angle de 70~ par rapport au plan AA.
La longueur du guide 5 (séparant la lamelle
6 et l'iris 7 pour former le dispositif sélectif) est
sensiblement égale à 0,4 A en vue d'établir des battements
dans le guide 5 tels que l'iris 7 soit excité par les modes
composés (mode aller initial et modes réfléchis). Il
convient de souligner que cette longueur est
considérablement plus réduite que celle d'une liaison
monomode traditionnelle qui exige une longueur de quelques
lon-gueurs d'onde (2 à 3 ~).
Au-delà de l'iris 7, le guide 5 se prolonge
par un guide d'ondes 8 de section circulaire identique,
faisant office d'élément rayonnant.
L'ensemble de l'antenne ci-dessus décrite
est réalisé en fonderie en aluminium en une seule pièce.
En émission, le guide 1 sélectionne le
signal hyperfréquence de la bande utile et réfléchit le
signal hors bande vers l'entrée 3. Le mode initial dans la
bande utile traverse le guide 1 et le guide 5. L'iris
engendre deux modes retour orthogonaux Rh et Rv. Le mode Rv
est réfléchi à l'interface guide l/guide 5 puisque son
champ électrique est dans le plan perpendiculaire au plan
de symétrie AA du filtre. Le mode Rh pénètre dans le filtre
et est réfléchi par les lamelles 2. Les modes retour
réfléchis traversent le guide 5 et se composent au mode
aller initial au niveau de l'iris 7 pour renforcer la
polarisation circulaire engendrée par celui-ci.
Les figures 6 et 7 présentent une variante
de l'antenne ci-dessus décrite. Sa structure est identique
à l'exception des lamelles 2, 4 et 6 qui sont remplacées
par des plots de section circulaire 9, 10 et 11 qui ont les
mêmes fonctions que lesdites lamelles. L'iris est incliné
par rapport à la direction de l'axe de ces plots.
La figure 8 présente une antenne-réseau 12
réalisée en accolant et en fixant une pluralité d'antennes
élémentaires telles que décrites plus haut, selon une
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maille hexagonale. Les iris polariseurs tels que 13 et 14
des diverses antennes élémentaires ont en l'exemple la même
orientation afin de synchroniser les rayonnements, ce qui
simplifie en émission la gestion des signaux excitateurs
et, en réception, l'analyse des signaux reçus.
Les figures 9, 10 et 11 présentent un autre
mode de réalisation d'antenne conforme à l'invention.
Le filtre fréquentiel est constitué par un
guide d'ondes 15 de forme cylindrique, doté d'une entrée à
bride circulaire 16 ; ce guide 15 est pourvu intérieurement
d'une série de discontinuités formées d'iris épais tels que
17, symétriques par rapport au plan HH contenant le champ
électrique du mode aller initial. Le guide 15 présente un
diamètre interne supérieur à 0,586 ~ afin de constituer un
filtre propagatif possédant une sortie monomode 15a (par
rapport à l'excitation du mode aller initial).
Le guide 15 comporte à son extrémité une
grille 18 formée de plusieurs lames transversales, chacune
de direction perpendiculaire au plan HH contenant le champ
électrique du mode aller initial ; ces lames sont disposées
de fa~on à présenter leur largeur selon la direction
longitudinale du guide. Ces lames sont en l'exemple
rapportées.
Le guide 15 se prolonge au delà de la
grille 18 par un guide cylindrique 19 de même section afin
de supporter les deux modes fondamentaux orthogonaux du
guide. Ce guide 19 pourvu de la grille 18 fait office de
dispositif sélectif de polarisation et remplit les mêmes
fonctions que le guide 5 pourvu de la lamelle 6
précédemment décrit.
L'iris polariseur 20 et l'élément rayonnant
21 sont identiques à leurs homologues 7 et 8 de l'antenne
déjà décrits. L'iris 20 est disposé de façon dissymétrique
par rapport aux iris 17 du filtre.
Le fonctionnement est similaire au
précédent. Le mode aller initial arrive au niveau de la
grille 18 avec un champ électrique perpendiculaire aux
lames de celle-ci et n'est donc pas perturbé par ladite
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grille. Un des modes retour Rh n'est pas perturbé par la
grille 18 et pénètre dans le filtre 15 qui le réfléchit,
cependant que l'autre mode retour Rv est réfléchi
totalement par la grille 18 puisque son champ électrique
est parallèle aux lames de celle-ci.
