EP0440126A1 - Antenne en guides d'ondes à fentes, notamment pour radars spatiaux - Google Patents

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EP0440126A1
EP0440126A1 EP91101053A EP91101053A EP0440126A1 EP 0440126 A1 EP0440126 A1 EP 0440126A1 EP 91101053 A EP91101053 A EP 91101053A EP 91101053 A EP91101053 A EP 91101053A EP 0440126 A1 EP0440126 A1 EP 0440126A1
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waveguides
antenna
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guides
slots
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EP91101053A
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Inventor
Gérard Caille
Pascal Lefeuvre
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Alcatel Espace Industries SA
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Alcatel Espace Industries SA
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    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0037—Particular feeding systems linear waveguide fed arrays
    • H01Q21/0043—Slotted waveguides
    • H01Q21/005—Slotted waveguides arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • H01Q13/10—Resonant slot antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/24—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction

Definitions

  • the present invention relates to a bipolar antenna in slot waveguides, in particular for space radars.
  • a radar observation satellite operating on the principle of lateral aiming and opening synthesis requires a very large antenna (close to 2 mx 8 m in X band), with electronic agility in elevation, emitting and receiving successively in two orthogonal linear polarizations.
  • the antenna of the invention corresponds to the demand for observation satellites, in particular terrestrial resources (vegetation, hydrology, oceanography) which can observe in X band (between 9.5 and 9.8 GHz) in the two H and V.
  • the necessary radiating surface dimensions do not allow the superimposition on a satellite of two different antennas, one by polarization.
  • Bipolarized "patches” do not perform well in X band if we limit our to a number of electronic modules less than 500, for reasons of mass and cost. Indeed, the large electronic scanning in elevation imposing a phase control by horizontal line of radiating elements, these lines must have a length of 2 to 4 m (one per folding antenna panel), and the ohmic losses would be too strong in printed technology.
  • the slotted guides are the radiating elements ensuring the lowest losses in X-band over a long length; but each type of guide radiates only one polarization.
  • the object of the invention is to overcome these various drawbacks.
  • an antenna in slotted waveguides in particular for space radars comprising rectangular waveguides arranged parallel along a common wall, two neighboring guides being separated from one another by the same wall, the last wall of each guide, situated opposite the common wall, being provided with radiating slots, characterized in that it alternately comprises rectangular wave guides radiating on their short side in a first polarization and wave guides with rib radiating on their long side in a second polarization.
  • the invention makes it possible to insert guides radiating in horizontal or vertical polarization in a sufficiently small "grid pitch", for example less than or equal to 0.7 ao, ho being the central wavelength in a vacuum; which allows wide scanning of the antenna beam without the appearance of parasitic lobes in other directions.
  • the guides of the first type which radiate in horizontal polarization, are provided with slits slightly inclined relative to a plane perpendicular to the axis of symmetry of the guides, alternately oriented in one direction then in the other symmetrically to the plane perpendicular to the axis of symmetry of this guide, while being prominent with respect to the guides of the second type.
  • the waveguides of the second type which radiate in vertical polarization, are rib guides provided with slots parallel to the axes of symmetry of the guides; the slots of each guide of the second type being offset relative to the axis of symmetry of the radiating face alternately on one side and the other of this axis.
  • such an antenna is of moderate mass and suffers only small losses.
  • the same arrangement can be adopted for any frequency band situated between 2 and 40 GHz, provided that the dimensions are adapted to the central wavelength.
  • the slots 16 of the second guides 15 are alternately arranged above and below an axis of symmetry of the radiating face 17.
  • the guides 11 and 15, in a first embodiment as shown in FIG. 2, can be produced by assembling aluminum alloy profiles 20 and 21; assembly can then be done by automated welding.
  • the calculation of the conductances of the slots of the guides of the second type 15 takes account of the presence of the walls of the guides 11 of the first type, which modifies the adaptation conditions.
  • guides of length 50 to 70 cm can be produced by maintaining a TOS less than 2 at the input.
  • FIG. 3 represents a section in the elevation plane passing through the center of the antenna 22 and perpendicular to the path 23 of the satellite 24 (for example in an orbit of 700 to 800 kilometers).
  • the antenna 22 is pointed towards B, close to the far edge A of the cover (OB being the normal of the antenna 22), to take advantage of the natural widening of the beam (proportional to 1 / cos s, if 5 is depointing from normal) when aiming as close as possible to the nadir N (the direction NC indicating the direction towards the center of the earth): this makes it possible to approach a swath 25 on the constant ground, for example 20 kilometers (intercepted on the ground by the lobe of antenna 22 cut to -1 dB); the hatched area 26 representing the antenna scanning area; the angles 5 M and 5 M 'being the maximum depointing angles on each side of the normal.
  • the waveguides can be made of carbon fiber. This technology makes it possible to reduce the mass by 30%, for an equal partition thickness. In addition the dilations are less.
  • the plates 30 and 31 and the rectangular sections 32 and 33 are then assembled by gluing.
  • the antenna of the invention has been detailed in terms of dimensions for an X band application (central frequency 9.65 GHz). It can be used in other frequency bands between 2 and 40 GHz, in particular the neighboring bands C and Ku, by multiplying all the dimensions by the ratio of the wavelengths.
  • the antenna of the invention can also be used in the field of ground or airborne radars, or in that of radio, air or space transmissions.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

L'invention concerne une antenne bipolarisée en guides d'ondes à fentes, notamment pour radars spaciaux, comprenant des guides d'ondes rectangulaires disposés parallèlement le long d'une paroi commune (10), deux guides voisins (11, 15) étant séparés entre eux par une même paroi (22, 23), la dernière paroi (12, 17) de chaque guide, située à l'opposé de la paroi commune (10), étant munie de fentes rayonnante (13, 16) ; cette antenne comprenant alternativement des guides d'onde d'un premier type (11) rayonnant une première polarisation et des guides d'onde d'un second type (15) rayonnant une seconde polarisation.
Application notamment au domaine des radars ou télécommunications spatiales.

Description

  • La présente invention concerne une antenne bipolarisée en guides d'ondes à fentes, notamment pour radars spatiaux.
  • Un satellite radar d'observation fonctionnant sur le principe de la visée latérale et de la synthèse d'ouverture (SAR ou "Synthetic Aperture Radar") nécessite une antenne de très grandes dimensions (voisine de 2 m x 8 m en bande X), avec agilité électronique en élévation, émettant et recevant successivement en deux polarisations linéaires orthogonales. _
  • Pour de tels satellites les antennes, ayant déjà été réalisées ou en cours de développement, utilisent deux types d'éléments rayonnants :
    • - des guides à fentes résonnant en bande C fonctionnant en une seule polarisation V ("pseudo-verticale" perpendiculaire à la normale à l'antenne) : Il en est ainsi pour les antennes du satellite ERS1 de l'Agence Spatiale Européenne comme décrit dans l'article "The Planar array antennas for the European Remote Sensing Satellite ERS1" de Robert Peterson et Per Ingvarson paru dans les "Proceedings of IGARSS 1988". Mais le faisceau de ces antennes est fixe, sans balayage électronique.
    • - des "patches", c'est-à-dire des pavés conducteurs gravés sur un matériau du type nid d'abeille, résonnant en bande L en une seule polarisation H (horizontale perpendiculaire à la normale à l'antenne) : Il en est ainsi pour les antennes des satellites américains Seasat, SIRA et B comme décrit dans l'article "Seasat and SIR-A microstrip antennas" de L.R. Murphy paru dans les "Proceedings of Wakshop on Printed Antennas Technology" - las Cruces 1979. Mais le faisceau d'une telle antenne est fixe.
  • Le satellite appelé "SIRC" (Shuttle Imaging Radar N° C) qui doit voler en 1991 ou 1992 comprendra des antennes superposées verticalement, réutilisant les principes précédents, comme décrit dans l'article "Heading for space : C band phased array" paru dans "Microwaves and RF" - d'avril 1986.
    • . des antennes à "patches" carrés en bandes L et C, fonctionnant cette fois alternativement en polarisation H et V, et comportant des modules actifs assurant un balayage électronique en élévation.
    • . des antennes en guides à fentes en bande X, à une seule polarisation V et à faisceau fixe.
  • L'antenne de l'invention correspond à la demande de satellites d'observation notamment des ressources terrestres (végétation, hydrologie, océanographie) qui puissent observer en bande X (entre 9,5 et 9,8 GHz) dans les deux polarisations H et V.
  • Les dimensions de surface rayonnante nécessaire (hauteur 2 à 3 m x longueur 7 à 10 m) ne permettent pas la superposition sur un satellite de deux antennes différentes, une par polarisation.
  • Les "patches" bipolarisés sont peu performants en bande X si l'on se limite à un nombre de modules électroniques inférieur à 500, pour des raisons de masse et de coût. En effet, le large balayage électronique en élévation imposant une commande de phase par ligne horizontale d'éléments rayonnants, ces lignes doivent avoir une longueur de 2 à 4 m (une par panneau repliable d'antenne), et les pertes ohmiques seraient trop fortes en technologie imprimée.
  • Les guides à fentes sont les éléments rayonnants assurant les pertes les plus faibles en bande X sur une grande longueur ; mais chaque type de guide ne rayonne qu'une polarisation.
  • L'invention a pour objet de palier ces différents inconvénients.
  • Elle propose à cet effet une antenne en guides d'ondes à fentes, notamment pour radars spatiaux comprenant des guides d'onde rectangulaires disposés parallèlement le long d'une paroi commune, deux guides voisins étant séparés entre eux par une même paroi, la dernière paroi de chaque guide, située à l'opposé de la paroi commune, étant munie de fentes rayonnantes, caractérisée en ce qu'elle comprend alternativement des guides d'ondes rectangulaires rayonnant sur leur petit côté dans une première polarisation et des guides d'ondes à nervure rayonnant sur leur grand côté dans une seconde polarisation.
  • L'originalité de l'invention repose sur l'association, en alternance, dans un même réseau de deux types de guides à fentes :
    • - un guide normal avec des fentes sur le petit côté,
    • - un guide à nervure (ou guide ridgé) comportant des fentes sur le grand côté.
  • Ce qui présente l'avantage :
    • - de permettre d'émettre à la même fréquence sur deux polarisations croisées,
    • - d'augmenter le découplage des deux signaux émis,
    • - de présenter une plus grande facilité de réalisation que l'utilisation d'une structure coaxiale.
  • L'invention permet d'intercaler des guides rayonnant en polarisation horizontale ou verticale dans un "pas du réseau" suffisamment faible, par exemple inférieur ou égal à 0,7 ao, ho étant la longueur d'onde centrale dans le vide ; ce qui permet un large balayage du faisceau d'antenne sans apparition de lobes parasites dans d'autres directions.
  • Dans une réalisation avantageuse les guides du premier type, qui rayonnent en polarisation horizontale, sont munis de fentes légèrement inclinées par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe de symétrie des guides, alternativement orientées dans un sens puis dans l'autre symétriquement au plan perpendiculaire à l'axe de symétrie de ce guide, tout en étant proéminents par rapport aux guides du second type. Les guides d'ondes du second type, qui rayonnent en polarisation verticale, sont des guides à nervure munis de fentes parallèles aux axes de symétrie des guides ; les fentes de chaque guide du second type étant décalés par rapport à l'axe de symétrie de la face rayonnante alternativement d'un côté et de l'autre de cet axe.
  • Avantageusement une telle antenne est de masse modérée et ne subit que de faibles pertes.
  • De plus la même disposition peut être adoptée pour n'importe quelle bande de fréquences située entre 2 et 40 GHz, à condition d'adapter les dimensions à la longueur d'onde centrale.
  • Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles :
    • - la figure 1 illustre le principe de l'antenne selon l'invention ;
    • - la figure 2 illustre schématiquement une première réalisation de l'antenne selon l'invention ;
    • - la figure 3 illustre le fonctionnement de l'antenne selon l'invention ;
    • - la figure 4 illustre schématiquement une seconde réalisation de l'antenne selon l'invention.
  • L'antenne de l'invention, telle que représentée sur la figure 1, comprend alternativement le long d'un plan de masse vertical 10 :
    • - des guides standard 11 bande X, comportant sur leur petit côté 12 des fentes 13 légèrement inclinées d'un angle i par rapport à la verticale ; La composition des champs
      Figure imgb0001
      rayonnés par deux fentes 13 consécutives, séparées d'une demi-longueur d'onde guidée, permet de rayonner ( et de recevoir) une polarisation horizontale (H) en limitant dans tout l'espace le niveau de polarisation croisée V à -20 dB du niveau H dans la direction de visée ;
    • - des guides 15 "ridgés" (ou "à nervure") dont les fentes horizontales 16 sur le grand côté 17 rayonnent (et reçoivent) la polarisation V ; le "ridge" ou nervure 18 intérieure permettant de diviser par un facteur supérieur à deux la hauteur intérieure de ces guides, pour la même bande de fréquences de fonctionnement.
  • De manière avantageuse les fentes 16 des seconds guides 15 sont alternativement disposées au dessus et en dessous d'un axe de symétrie de la face rayonnante 17.
  • Ces différents guides 11 et 15 sont disposés côte à côte de telle façon qu'ils aient des parois communes 22 et 23.
  • Dans les guides 11 du premier type, qui rayonnent en polarisation horizontale, on a :
    • - pour une fente de la première série de fentes inclinées de l'angle i par rapport à la verticale
    • Figure imgb0002
      - pour une fente voisine de la seconde série de fentes inclinées de l'angle -i :
      Figure imgb0003
      et donc
      Figure imgb0004
  • Dans les guides 15 du second type qui rayonnent en polarisation verticale :
    Figure imgb0005
  • Dans une réalisation particulière de l'invention on a considéré :
    • - Largeur des premiers guides 11 : L1 = 10,2 mm
    • - Longueur des premiers guides 11 : L2 = 22,9 mm
    • - Largeur des seconds guides 15 : L3 = 10,8 mm
    • - Longueur des seconds guides 15 : L4 = 5,6 mm
    • - Largeur de la nervure 18 : L5 = 4,2 mm
    • - Longueur de la nervure 18 : L6 = 3,6 mm
    • - Longueur des fentes 16 réalisées sur les seconds guides 15 :
      Figure imgb0006
      • - Espacement entre ces fentes 16 : L8= λ g/2 = 30,8 mm
    • - Espacement entre les fentes 13 réalisées sur les premiers guides 11 : L9= λ g/2 = 21,2 mm
    • - Epaisseurs des guides 11 et 15 : e = 0,4 mm Il est ainsi possible de loger le jeu des deux types de guides 11 et 15 dans le pas vertical du réseau dv = 21,75 mm et de répéter le même motif 88 fois sur la hauteur d'une antenne de 1,94 mètres.
  • Ces guides sont donc suffisamment compacts pour permettre un balayage électronique.
  • Pour assurer la rigidité de l'antenne, les guides 11 et 15, dans une première réalisation telle que représentée sur la figure 2, peuvent être réalisés par assemblage de profilés d'alliage d'aluminium 20 et 21 ; l'assemblage peut se faire alors par soudure automatisée.
  • Le calcul des conductances des fentes des guides du second type 15 tient compte de la présence des parois des guides 11 du premier type, qui modifie les conditions d'adaptation.
  • Pour une bande passante du signal radar ne dépassant pas 100 MHz, des guides de longueur 50 à 70 cm (soit 16 à 33 fentes chacun) peuvent être réalisés en maintenant un TOS inférieur à 2 à l'entrée.
  • La figure 3 représente une coupe dans le plan d'élévation passant par le centre de l'antenne 22 et perpendiculaire à la trajectoire 23 du satellite 24 (par exemple sur une orbite de 700 à 800 kilomètres).
  • L'antenne 22 est pointée vers B, proche du bord lointain A de la couverture (OB étant la normale de l'antenne 22), pour tirer parti de l'élargissement naturel du faisceau (proportionnel à 1/cos s , si 5 est le dépointage depuis la normale) lorsque l'on vise au plus près du nadir N (la direction NC indiquant la direction vers le centre de la terre) : ceci permet de se rapprocher d'une fauchée 25 au sol constante, par exemple de 20 kilomètres (interceptée au sol par le lobe. de l'antenne 22 coupé à -1 dB) ; la zône hachurée 26 représentant la zône de balayage de l'antenne ; les angles 5 M et 5 M' étant les angles de dépointage maximum de chaque côté de la normale.
  • Des guides standard pour la polarisation verticale auraient entraîné un pas de répétition dv beaucoup trop fort ; au-delà de dv = 22,6 mm apparaissent, lors du balayage électronique en élévation représenté sur cette figure 3, des "lobes de réseau" qui provoquent une forte perte de gain et des échos ambigus pour le radar. Pour 21,75 < dv < 22,6 serait apparu un phénomène "d'aveuglement" de l'antenne pour le dépointage maximal ( 0 M = 21 ° 2 depuis la normale).
  • Dans une seconde réalisation possible, les guides d'onde peuvent être réalisés en fibre de carbone. Cette technologie permet de diminuer la masse de 30%, à épaisseur de cloison égale. De plus les dilatations sont moindres.
  • On adapte alors le profil, comme représenté sur la figure 4, pour utiliser :
    • - d'une part des plaques 30 et 31 de préimprégnés fibre de carbone + résine, obtenus par superposition de couches croisées,
    • - d'autre part des profilés de section rectangulaires 32 et 33 obtenus par drapage de ce même type de préimprégné autour d'un mandrin métallique qui est ensuite dissous après durcissement du composite résine/fibre de carbone.
  • Les plaques 30 et 31 et les profilés rectangulaire 32 et 33 sont ensuite assemblés par collage.
  • Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et que l'on pourra remplacer ses éléments constitutifs par des éléments équivalents sans, pour autant, sortir du cadre de l'invention.
  • Ainsi l'antenne de l'invention a été détaillée au niveau des dimensions pour une application bande X (fréquence centrale 9,65 GHz). Elle peut être utilisée dans d'autres bandes de fréquence comprises entre 2 et 40 GHz, notamment les bandes voisines C et Ku, en multipliant toutes les dimensions par le rapport des longueurs d'onde.
  • Ainsi l'antenne de l'invention peut également être utilisée dans le domaine des radars sol ou aéroportés, ou dans celui des transmissions hertziennes, aériennes ou spatiales.

Claims (11)

1. Antenne en guides d'ondes à fentes, notamment pour radars spatiaux, comprenant des guides d'ondes rectangulaires disposés parallèlement le long d'une paroi commune (10), deux guides voisins (11, 15) étant séparés entre eux par une même paroi (22, 23), la dernière paroi (12, 17) de chaque guide, située à l'opposé de la paroi commune (10), étant munie de fentes rayonnantes (13, 16), caractérisée en ce qu'elle comprend alternativement des guides d'ondes rectangulaires (11) rayonnant sur leur petit côté (12) dans une première polarisation et des guides d'ondes à nervure (15) rayonnant sur leur grand côté (17) dans une seconde polarisation.
2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les guides d'ondes rectangulaires (11) sont proéminents par rapport aux guides d'ondes à nervure (15).
Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les guides d'ondes rectangulaires (11) rayonnent en polarisation horizontale, et en ce que les guides d'ondes à nervure (15) rayonnent en polarisation verticale.
Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que les guides d'ondes rectangulaires (11) sont munis de fentes (13) légèrement inclinées (i) par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe de symétrie des guides (11).
Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que, pour un même guide (11), ces fentes (13) sont alternativement orientées dans un sens puis dans l'autre symétriquement au plan perpendiculaire à l'axe de symétrie de ce guide (11).
Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les guides d'ondes à nervure (15) sont munis de fentes (16) parallèles aux axes de symétrie des guides.
Antenne selon la revendication 6, caractérisée en ce que ces fentes (16) de chaque guide à nervure (15) sont décalés par rapport à l'axe de symétrie de la face rayonnante (17) alternativement d'un côté et de l'autre de cet axe.
Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le pas du réseau, que forme ladite antenne, est inférieur ou égal à 0,7 x 0 ; X 0 étant la longueur d'onde centrale de l'antenne dans le vide.
Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle fonctionne dans une bande de fréquences comprise entre 2 et 40 GHz.
Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle est obtenue par assemblage de profilés d'alliage d'aluminium (20, 21).
Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle est obtenue par assemblage de plaques (30 31) et de profilés (32, 33) de section rectangulaire réalisés en préimprégnés fibre de carbone + résine.
EP91101053A 1990-01-29 1991-01-28 Antenne en guides d'ondes à fentes, notamment pour radars spatiaux Withdrawn EP0440126A1 (fr)

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