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Antenne ciseaux à large bande.
La présente invention est relative aux antennes à large bande et se
rapporte plus particulièrement aux antennes adaptées aux impulsions à haute
tension ultra-brèves.
La totalité des antennes à large bande disponibles actuellement sur le
marché, sont prévues pour fonctionner en régime harmonique permanent et sont
utilisées pour diverses applications comme par exemple les tests en
compatibilité
électromagnétique ou les mesures de Surface Equivalente Radar ou SER. Les
plus répandues sont entre autres
- les cornets à redans
- les Log-périodiques,
- les antennes Vivaldi,
- les antennes papillons,
- les spirales,
- les bicônes, ...
Malgré la grande diversité de ces types d'antennes, la plupart d'entre
elles n'offre pas les caractéristiques souhaitées pour les expérimentations
dans
le domaine transitoire.
Pour être performantes en temporel, les antennes doivent être natu-
rellement à large bande pour couvrir le gabarit spectral de l'impulsion
délivrée
par un générateur impulsionnel associé. Elles doivent en plus présenter des
qua-
lités particulières, propres au rayonnement ou à la mesure d'impulsions ultra
courtes. Il est en effet important que les antennes possèdent une fonction de
transfert peu dispersive en fréquence pour que l'impulsion rayonnée ou reçue
ne
soit ni déformée ni étalée. Une distorsion importante du signal entraîne un
allon-
gement des réponses temporelles des diverses cibles et fait perdre un des prin-
cipaux intérêts des méthodes transitoires, à savoir la--possibilité de séparer
les
échos utiles des trajets parasites par de simples fenêtrages temporels.
Parmi les aériens à large bande classiques disponibles actuellement
sur le marché, les cornets, les cornets à redans et les Log-périodiques sont
les
antennes les plus communément utilisées.
Dans ce qui suit, on présente pour chacun de ces types d'antennes, le
champ électrique rayonné dans l'axe, lorsque le signal d'excitation appliqué à
l'antenne est une impulsion gaussienne, de largeur à mi-hauteur égale à 700
ps.
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a) Le cornet proposé à titre d'exerriple est modélisé à l'aide du code
de calcul par différences finies dans le domaine transitoire. Les dimensions
du
cornet sont déterminées pour que sa bande passante s'étende de 100 MHz à 1
GHz. L'excitation du guide est réalisée en imposant dans un plan de coupe une
répartition spatiale du champ électrique suivant le mode TEO1 (sin7Cy/a) avec
a:
dimension du guide suivant l'axe y. L'impulsion rayonnée dans l'axe à grande
distance présente un étalement temporel d'environ 80 ns, il n'est réellement
si-
gnificatif que sur 30 ns.
Ce type d'antenne n'est donc pas adapté pour fonctionner en régime
transitoire. Chaque composante spectrale est en fait émise à partir d'un
centre
de phase qui se déplace à l'intérieur du cornet, ce qui provoque en partie
l'étalement du signal.
Par ailleurs, la taille de l'antenne à ces fréquences devient très im-
portante, d'où un encombrement et des difficultés de mise en oeuvre non négli-
geables.
b) Le cornet à redans a la particularité de présenter une grande bande
passante (200 MHz - 2 GHz) tout en conservant des dimensions relativement
modestes. L'utilisation de redans au profil exponentiel permet d'obtenir un
gain
élevé sur toute la bande passante. Ce cornet a été testé en chambre anéchoïque
au CELAR. Le champ électrique rayonné présente un étalement temporel
d'environ 15 ns.
L'impulsion est en partie déformée par les mauvaises performances
du cornet en basse fréquence. Des modes évanescents sont en effet excités en
dessous de la fréquence de coupure du guide, ce qui perturbe le champ électri-
que rayonné. Les redans et les réflexions aux extrémités des plaques peuvent
également contribuer à la dispersion du signal.
c) L'antenne Log-périodique est un ensemble de dipôles parallèles
alimentés par une ligne de transmission, de telle façon que deux dipôles
succes-
sifs soient en opposition de phase.
Chaque brin rayonne avec un maximum d'efficacité lorsque la demi-
longueur d'onde d'alimentation est égale à sa propre longueur.
Ainsi, la fréquence haute de l'antenne est limitée par la dimension du
plus petit brin et la fréquence basse, par celle du plus grand brin. L'antenne
Log-
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périodique a été modélisée au moyen du code de calcul des équatiôns intégra-
les.
Les dimensions géométriques ont été déterminées pour que l'antenne
soit directive et couvre un spectre de 100 MHz à 1 GHz. Ce type d'antenne émet
principalement un champ électrique horizontal dont la durée est relativement
im-
portante.
Les résonances successives des brins constituant l'antenne sont à
l'origine de la dispersion observable sur le signal rayonné.
Les antennes à large bande classique ne sont donc pas appropriées
pour rayonner une impulsion ultra courte. De nombreuses recherches sont
pourtant menées depuis quelques années pour concevoir des dispositifs capa-
bles de rayonner des impulsions de forts niveaux avec un minimum de distor-
sions, mais ces antennes ne sont pas actuellement disponibles sur le marché.
II est donc apparu nécessaire de concevoir une antenne, simple de
mise en oeuvre, peu encombrante, et surtout garantissant des performances
électromagnétiques correctes pour les deux modes de fonctionnement transitoire
et harmonique.
L'invention a pour objet une antenne à large bande, caractérisée en
ce qu'elle comporte dans un plan commun deux parties symétriques comportant
chacune un premier et un deuxième brins, chaque brin comportant deux
extrémités, les extrémités du premier brin étant connectées aux extrémités du
second brin, et chaque brin étant alimenté à une première extrémité par une
ligne bifilaire, chaque brin comportant dans sa portion opposée à la ligne
bifilaire, une charge résistive, et en ce que chaque partie symétrique
comprend
en outre au moins un brin alimenté à une première extrémité par la ligne
bifilaire
et ayant une extrémité non connectée aux autres brins et comportant dans sa
portion opposée à la ligne d'alimentation, une charge résistive.
Selon un autre mode de réalisation, l'invention prévoit une antenne
à large bande, comprenant:
une première partie et une deuxième partie, les première et
deuxième parties étant symétriques par rapport à un axe central, les deux
parties étant dans un plan commun;
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chacune des parties comportant plusieurs brins conducteurs ayant
chacun une première extrémité et une seconde extrémité;
tous les brins conducteurs étant interconnectés à leur première
extrémité;
au moins deux des brins conducteurs étant interconnectés aux
deuxièmes extrémités;
une ligne bifilaire connectée aux premières extrémités des brins
conducteurs des premières et deuxièmes parties afin d'alimenter les premières
et deuxièmes parties; et
une charge résistive séparée, placée le long de chaque brin
conducteur et se terminant à la seconde extrémité de chaque brin conducteur,
les charges résistive formant une extrémité de chaque brin conducteur et
laissant les brins non interconnectés ouverts à leur seconde extrémité.
Selon un autre mode de réalisation, l'invention prévoit aussi une
antenne à large bande, comprenant:
une première partie et une deuxième partie, les première et
deuxième parties étant symétriques par rapport à un axe central, les deux
parties étant dans un plan commun;
chacune des parties comportant plusieurs brins conducteurs ayant
chacun une première extrémité et une seconde extrémité;
tous les brins conducteurs étant interconnectés à leur première
extrémité;
au moins deux des brins conducteurs étant non connectés aux
autres brins conducteurs à sa seconde extrémité;
une ligne bifilaire connectée aux premières extrémités des brins
conducteurs des première et deuxième parties afin d'alimenter les premières et
deuxièmes parties; et
une charge résistive séparée, placée dans le sens de la longueur
à l'extrémité de chaque brin conducteur et localisée à la seconde extrémité de
chaque brin conducteur.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui
va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux
dessins annexés, sur lesquels:
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- la Fig.1 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation
d'une antenne ciseaux suivant l'invention ;
- la Fig.2 est une vue en perspective d'un second mode de réalisation
d'une antenne ciseaux suivant l'invention ;
- la Fig.3 est un graphique représentant le coefficient de réflexion de
l'antenne suivant l'invention ;
- la Fig.4 est un graphique représentant la mesure du gain de
l'antenne suivant l'invention ;
- la Fig.5 est un graphique représentant la comparaison de la théorie
avec la mesure de l'impulsion mesurée dans l'axe ;
- la Fig.6 est un graphique de la transformée de Fourier de l'impulsion
mesurée dans l'axe en polarisation W;
- la Fig.7 est un diagramme de rayonnement dans le plan H, en gise-
ment ; et
- la Fig.8 est un diagramme de rayonnement dans le plan E en site.
Sur la figure 1, on a représenté schématiquement une antenne ci-
seaux à large bande suivant l'invention.
Cette antenne comporte dans un plan commun qui est le plan du des-
sin, deux parties 2,3, symétrique par rapport à un axe X-X.
Chaque partie symétrique 2,3 comporte dans le présent exemple trois
brins conducteurs 4,5,6 et respectivement 7,8,9.
Les brins 4,5 et 7,8 sont interconnectés par leurs extrémités.
Les brins 6 et 9 sont connectés par une de leurs extrémités aux con-
nexions correspondantes des brins 4,5 et 7,8 et leurs extrémités opposées sont
non connectées.
L'antenne ainsi constituée est excitée directement par une ligne bifi-
laire 10.
A leurs extrémités interconnectées ou libres, les brins 4,5,6,7,8,9
comportent des charges résistives respectives 11,12,13,14,15,16 formées cha-
cune de résistances en série.
Bien entendu, chaqùe partie symétrique peut comporter un nombre n
de brins différent de 3 et supérieur ou égal à 2, les brins étant connectés ou
non
entre eux.
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Le champ électrique est alors guidé à l'intérieur de la ligne 10, puis
propagé dans l'espace. La polarisation du champ électrique E est
principalement
rectiligne verticale et la simple rotation de l'antenne de 90 permet
d'obtenir une
polarisation rectiligne horizontale.
5 L'ensemble du dispositif est contenu dans un unique plan, d'où
l'absence totale de polarisation croisée.
Les qualités électromagnétiques de l'antenne (impédance d'entrée,
gain, diagramme de rayonnement, bande passante, dispersivité) dépendent es-
sentiellement des côtes géométriques telles que la longueur et l'angle
d'ouverture. Un raisonnement intuitif amène à penser que la fréquence de cou-
pure basse est liée à la longueur alors que la fréquence de coupure haute est
limitée par l'ouverture de la ligne.
Les antennes à large bande classiques (cornets TEM, cornets à re-
dans, log-périodiques) ne sont pas appropriées pour rayonner une impulsions
ultra-courte (1 ns), de fort niveau (>10kV), avec un minimum de distorsions
(coefficient de dispersion : supérieur à 15 pour un cornet à redans, à 30 pour
un
cornet classique, à 120 pour une log-périodique).
Le nouveau concept proposé suivant l'invention est un aérien original
à brins filaires, simple à mettre en oeuvre, qui, tout en couvrant une large
bande
de fréquences est à même de rayonner une impulsion haute tension ultra brève
avec un coefficient de dispersion inférieur à 1,4.
La longueur s des brins 4 à 9 est liée à la plus basse fréquence con-
tenue dans le spectre du signal à rayonner et doit être égale à au moins une
de-
mi-longueur d'onde, soit :
A nin
s>_ 2
L'angle d'ouverture de l'antenne est déterminé de la façon suivante.
Il existe dans la littérature des formules adaptées à la conception
d'une antenne de géométrie voisine et constituée uniquement de deux fils : le
dipôle en V. Ces équations empiriques permettent de déterminer l'angle
intérieur
optimal du dispositif pour lequel le gain est maximum dans l'axe, en fonction
de
la longueur s du brin et de la longueur d'onde ~.
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Lorsque 0,5:9 s <_1,5 : R= -149,3 (J+ 603,4(~) - 809,5(~) +443,6
Lorsque 1,5<~ 53,0 :~3=13,39(~)- 78,27(~) + 169,77
Pour s/1>3, il est possible d'avoir recours à une extrapolation de la
formule précédente.
II s'est avéré utile suivant l'invention de joindre au dipôle en V plu-
sieurs brins supplémentaires connectés ou non à leurs extrémités, dont les for-
mes géométriques ont été optimisées par paramétrage pour améliorer les per-
formances électromagnétiques du dispositif :
- impédance d'entrée plus stable sur l'ensemble de la bande de fré-
quence,
- amélioration de la directivité, (amplitude du champ renforcée dans
l'axe),
- absence totale de polarisation croisée, les champs sont mieux con-
servés entre les deux lignes planaires.
Comme représenté à la figure 1, la configuration en forme de ciseaux
pour les deux premiers brins s'est avérée la plus optimale. Les brins
extérieurs
5,6 et 8,9 de chaque partie symétrique sont formés chacun de tronçons diver-
gents 5a,6a,8a,9a, prolongés par des tronçons parallèles entre eux
5b,6b,8b,9b.
Les tronçons parallèles ont une longueur I, alors que les tronçons divergents
ont
une projection sur la direction des tronçons parallèles de longueur I'. Les
lon-
gueurs I et I' choisies comme indiqué ci-après garantissent les meilleurs
pen`or-
mances :
1= 2 L/3 et l'= L/3
où L est la longueur totale de l'antenne.
L'impédance d'entrée dépend de la géométrie de l'aérien et des char-
ges résistives d'adaptation, mais aussi du diamètre des brins filaires 4 à 9.
Un
faible rayon des brins renforce les effets seifiques des fils d'où un
accroissement
de la partie imaginaire avec la fréquence.
Au contraire, un rayon important (r=lcm) permet de conserver une
partie imaginaire faible sur l'erisemble de la bande. Pour faciliter
l'adaptation du
dispositif, il est donc primordial de choisir un rayon minimum de 1cm.
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Le problème de l'adaptation des extrémités est résolu comme suit.
Une antenne classique présente à ses extrémités un circuit ouvert qui
est à l'origine de réflexions qui détériorent les performances de l'antenne.
Ces
résonances sont responsables d'un allongement conséquent des signaux tran-
sitoires rayonnés mais aussi d'une dégradation du taux d'ondes stationnaires à
l'entrée de l'antenne.
Ce problème est résolu en répartissant des charges résistives 11 à 16
suivant la longueur des extrémités des différents brins 4 à 9. Les courant
véhi-
culés sur chaque conducteur sont atténués progressivement pour quasiment
s'annuler et réduire ainsi les émissions et les réflexions parasites.
Par exemple, la loi suivante d'évolution des résistances Z(p) obéissant
au principe de non-réflexion de Wu et King, convient parfaitement :
Z(p)= Zo avec 0<_p<s'
P.
s'
où
= s' : portion de ligne à charge résistive,
= p position de l'élément résistif sur le brin,
= Zo : première charge en p=0m.
La valeur Zo doit être choisie entre 1052 et 3052, et une résistance po-
sitionnée environ tous les 5cm. Les valeurs à imposer ne sont pas critiques,
d'où
la possibilité d'avoir recours à une autre loi hyperbolique avoisinante.
Ainsi, des réalisations simples de mise en oeuvre ont été effectuées
en associant plusieurs résistances de valeurs standard en parallèle le long de
chaque extrémité.
Il est possible d'utiliser également des rubans de résistivité variable.
Le principal inconvénient de cette technique est que le rendement
global de l'antenne est affaibli. Aussi, pour éviter de trop détériorer le
gain, seu-
les les parties supérieures de chaque brin sont pourvues de charges
résistives.
La longueur des brins et la portion de ligne pourvue d'une charge ré-
sistive sont généralement liées par la relation : s/3<s'<s/2.
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La détermination de la fréquence de coupure haute (fmax) est assurée
de la façon suivante.
Une étude paramétrique a démontré l'existence d'une fréquence pour
laquelle le gain dans l'axe présente un minimum. Il apparaît une interférence
destructive si la différence de marche entre la longueur L' de l'antenne
dépour-
vue de charges résistives et la longeur s" des brins participant au
rayonnement,
correspond àV2 pour la composante spectrale considérée. Ce phénomène peut
être exprimé par :
s -L' X/2
donc f c/2(s"-L')
c étant la vitesse de la lumière
En général, on prend fmax=c/6(s"-L')
Les diagrammes de rayonnement de l'antenne ciseaux suivant
l'invention résultent d'une combinaison entre le rayonnement propre de chacun
des brins.
En résultat final, le lobe principal est maximum dans l'axe, mais il est
accompagné, en site, de lobes secondaires dont le niveau est dans la plupart
des cas plus faible. Le niveau des lobes secondaires est généralement
inférieur
à 8 dB par rapport au lobe principal.
L'utilisation de charges résistives 11 à 16 permet de limiter notamment
le rayonnement arrière de la ligne (inférieur de plus de 15 dB par rapport au
rayonnement dans l'axe), ce qui améliore la directivité des diagrammes.
On va donner ci-après les résultats sur un exemple d'antenne ciseaux
(n=2) (200MHz-1,6GHz) du type représenté à la figure 2.
L'antenne représentée à la figure 2 comporte dans chaque partie sy-
métrique 2,3, deux brins 18 ,19,20,21 connectés par-leurs extrémités opposées
une ligne d'excitation 22.
Les côtes géométriques de l'antenne de la figure 2(n=2), établies à
partir des règles de conception précédentes, sont :
L=1m
L'= 0,7m
s= 1,044m
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g
s'= 0,3m
s 0,744m
1= 0,65m
l'= 0,35m
r= 0,01 m
Chaque brin comporte une charge résistive correspondante 23,24.
Le diagramme de la figure 3 représente le coefficient de réflexion de
l'antenne équipée d'un balun de 5052-20052. Un niveau maximum de -13dB est
obtenu sur la bande 200MHz-1,6GHz.
La figure 4 représente le gain dans l'axe mesuré dans les configura-
tions V-V et H-H.
La figure 5 compare les signaux mesuré et théorique, lorsque deux
antennes sont face à face à une distance de 5,80m l'une de l'autre. Une
antenne
est en émission, excitée par un générateur HMP/F de la société Kentech (signal
d'amplitude 4 kV, temps de montée 120ps, durée du signal 700ps, impédance de
sortie 5052), et l'autre antenne, en réception, reliée à un oscilloscope
TDS820 à
acquisition séquentielle (6GHz de bande passante) de la société Tecktronix. La
courbe présentée est normalisée pour autoriser les comparaisons. Le niveau
crête de tension mesuré au pied de l'antenne de réception est d'environ 50
Volts.
La dispersion reste inférieure à-1,4. Le spectre du signal mesuré représenté à
la
figure 6 donne une bande passante s'étendant de 80MHz à 1,2 GHz à -20dB du
maximum.
Les diagrammes de rayonnement dans le plan H et dans le plan E
sont représentés figures 7 et 8. Dans le plan H, le lobe principal a un demi-
angle
d'ouverture de 45 à 500 MHz.- Dans le plan E, le lobe est bien plus étroit
avec
un demi-angle d'ouverture de 13 pour la même fréquence. Les lobes secondai-
res dans ce plan se situent à environ 8 dB (pour 500 MHz) du niveau maximum.
Le rayonnement arrière est à un niveau de -15 dB par rapport à celui observé
dans l'axe.
Les avantages techniques et économiques de l'antenne ciseaux sui-
vant l'invention par rapport aux antennes de l'état de la technique sont
donnés
dans le tableau suivant.
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Antennes Largeur de Gain Dispersion Polarisation Réalisation Encombre-
Large bande bande transitoire croisée pratique ment
Log- T T ~ ~ y
périodique
Cornet T T y
à redans
Cornet T T 140
~ J+ y
Ciseaux T -~ T T T T
-r : très bien
bien
5 médiocre
L'antenne ciseaux, contrairement aux antennes à large bande classi-
ques, permet d'associer de bonnes performances électromagnétiques à la fois
en harmonique (largeur de bande, gain) et en transitoire (dispersion).
10 Les domaines d'application envisagés de l'antenne suivant l'invention
sont les suivants :
= Compatibilité électromagnétique, moyens d'illumination et de mesure
peu encombrants, notamment en B.F.,
= Mesures de Surface Equivalente Radar Basse Fréquence en transi-
toire et en harmonique,
= Détection de mines (imagerie Radar à ouverture synthétique).
