FR2969829A1 - Antenne de forte puissance large bande - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une antenne (10) du type comprenant une surface d'émission (12), un réseau d'antennes élémentaires (14) s'étendant chacune depuis la surface d'émission, un premier (16) et un second (18) guides d'onde électromagnétique superposés. Le premier guide d'onde (16) est adapté pour alimenter le second guide d'onde (18) depuis une entrée de collecte (27), et le second guide d'onde (18) est adapté pour alimenter les antennes élémentaires (14). L'antenne comprend des moyens (74) de couplage de l'énergie électromagnétique associée à l'onde électromagnétique entre le premier (16) et le second (18) guides d'onde. Les moyens (74) de couplage séparent la surface d'émission en deux régions concentriques (76, 78) constituées d'une région périphérique (76) et d'une région interne (78) située au droit de l'entrée de collecte (27), chacune comportant au moins une antenne élémentaire.

Description

Antenne de forte puissance large bande La présente invention concerne une antenne de forte puissance large bande, du type comprenant une surface d'émission, un réseau d'antennes élémentaires s'étendant chacune depuis la surface d'émission, un premier et un second guides d'onde électromagnétique superposés, le premier guide d'onde étant adapté pour alimenter le second guide d'onde depuis une entrée de collecte, le second guide d'onde étant adapté pour alimenter les antennes élémentaires, et des moyens de couplage de l'énergie électromagnétique associée à l'onde électromagnétique entre le premier et le second guides d'onde.

L'invention s'applique au domaine de la radiocommunication et au brouillage à très forte puissance. On connaît, notamment de l'article de X.Q. Li intitulé "The high power radial fine helical circular array antenna: theory and development", une antenne ayant une surface d'émission présentant une forme générale de disque. Suivant sa surface d'émission, l'antenne comporte un ensemble d'éléments d'antenne rayonnant régulièrement répartis. Chaque élément d'antenne comporte un brin rayonnant en hélice faisant saillie sur la face d'émission. Le brin est relié à une boucle de captation présente à l'intérieur de l'antenne de l'autre côté de la surface d'émission. Chacun des brins rayonnant en hélice est orienté angulairement, de manière à former un champ électromagnétique cohérent dont la direction de propagation est perpendiculaire à la surface d'émission. Afin d'alimenter les éléments d'antenne, il est connu d'utiliser une source de rayonnement électromagnétique, constituée par exemple d'un MILO pour « Magnetically Insulated Line Oscillator» en anglais, d'un carcinotron, d'un klystron relativiste ou d'un magnétron de forte puissance, et un guide d'onde pour l'acheminement du flux électromagnétique de la source aux éléments d'antenne. L'antenne décrite dans l'article de X.Q. Li comporte un guide d'onde comportant deux lignes de transmission radiale du champ en forme de couronne reliées à leurs périphéries extérieures par un guide d'onde cylindrique s'étendant perpendiculairement aux lignes de transmission radiale afin de guider le flux électromagnétique sous vide en réduisant les phénomènes de claquage. Dans cette antenne, la puissance transmise dans le guide d'onde extérieur cylindrique est très importante puisqu'elle est égale à la puissance totale transmise par l'antenne mais se répartie sur toute la circonférence ce qui limite les risques de claquage dans cette partie de l'antenne. Ils restent néanmoins élevés en raison de la forme sinueuse de cette partie de l'antenne si cette dernière est trop courte. L'épaisseur de l'antenne est donc importante pour la transmission de très forte puissance sans claquage.

De plus, il est connu que pour obtenir une antenne de fort gain tout en limitant les phénomènes de claquage, il est nécessaire d'avoir des antennes de grand diamètre entrainant ainsi une dégradation de la bande passante de l'antenne en fonctionnement. L'invention a pour but de proposer une antenne radiofréquence permettant d'être utilisée à forte puissance, de faible épaisseur, apte à fonctionner sur une large bande fréquentielle, tout en limitant les phénomènes de claquage. A cet effet, l'invention a pour objet une antenne du type précité, caractérisée en ce que les moyens de couplage séparent la surface d'émission en deux régions concentriques constituées d'une région périphérique et d'une région interne située au droit de l'entrée de collecte, chacune comportant au moins une antenne élémentaire. Suivant des modes particuliers de réalisation, l'antenne comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la région périphérique comporte plus d'antennes élémentaires que la région interne ; - elle comporte une paroi métallique délimitant le premier et le second guide d'onde ; - les moyens de couplage sont un réseau de boucles en matériau conducteur traversant la paroi ; - les moyens de couplage de l'énergie entre le premier et le second guide d'onde sont situés à une distance moyenne d'un plan ou d'un axe de symétrie de l'antenne ; - la distance moyenne est sensiblement égale à la moitié de la distance de l'extrémité de la surface d'émission au plan ou à l'axe de symétrie de l'antenne ; - la distance moyenne est choisie aussi petite que possible tout en évitant le phénomène de claquage au niveau des moyens de couplage ; - elle comporte des moyens d'absorption d'énergie situés aux extrémités périphériques du premier et/ou du second guide d'onde ; - les moyens d'absorption d'énergie ont un côté en biseau en regard de l'intérieur du premier et/ou du second guide d'onde et sont en carbone pyrolytique ; et - l'extrémité périphérique extérieure du premier guide d'onde est fermée par un matériau diélectrique et en ce que la distance entre les moyens de couplage et l'extrémité périphérique extérieure du premier guide d'onde est sensiblement égale au quart de la longueur d'onde des ondes radiofréquences se propageant dans le premier guide d'onde. 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, sur lesquels : - la figure 1 est une vue de face d'une antenne selon l'invention ; et - la figure 2 est une vue schématique en section de l'antenne selon l'invention.

L'invention concerne une antenne d'une installation d'émission sur une large bande fréquentielle constituant un brouilleur ou une arme microonde propre à émettre, dans une direction déterminée, un champ électromagnétique de forte puissance destiné à perturber ou détruire tout dispositif comportant de l'électronique.

Cette installation comporte généralement une source radiofréquence constituée par exemple d'un magnétron, et une antenne reliée à la source par un moyen de guidage ou guide d'onde du flux ou de l'onde électromagnétique généré par la source. Selon l'invention, l'antenne 10 comporte une surface d'émission 12 et un réseau d'antennes élémentaires 14 s'étendant chacune depuis la surface d'émission 12. Par exemple, les antennes élémentaires 14 sont réparties suivant des cercles concentriques sur la surface d'émission 12 de l'antenne. Comme illustré sur la Figure 1, l'antenne est de révolution d'axe X-X autour d'un axe perpendiculaire à la surface d'émission 12. Par exemple, elle est circulaire. En variante, la surface d'émission est une demi-sphère ou toute autre surface tridimensionnelle, il suffit d'ajuster en conséquence la phase des antennes élémentaires. Suivant encore une variante, l'antenne est carrée ou rectangulaire. Plus généralement, l'antenne a un plan de symétrie comportant un axe de symétrie X-X. Le plan de symétrie est perpendiculaire au plan de coupe illustré. Elle est alimentée par la source radiofréquence suivant le plan de symétrie et notamment suivant l'axe de symétrie lorsqu'il existe. En outre, l'antenne comprend un premier 16 et un second 18 guides d'onde superposés et adaptés pour propager le flux électromagnétique généré par la source, ainsi que l'énergie associée à ce flux. Ces guides d'onde sont constitués de deux couronnes coaxiales et contigües dans l'exemple considéré. Le premier guide d'onde 16 est relié en son centre au moyen de guidage connecté à la source radiofréquence. Le premier guide d'onde 16 est adapté pour propager de manière centrifuge l'énergie électromagnétique transmise par le moyen de guidage et destinée à alimenter le second guide d'onde 18. Le second guide d'onde 18 quand à lui est adapté pour alimenter le réseau d'antennes élémentaires 14. La surface d'émission 12 forme une paroi latérale du second guide d'onde 18. L'ensemble formé par les deux guides d'onde est supporté par un châssis 26 en forme générale de cloche s'évasant progressivement depuis une entrée 27 de collecte du rayonnement magnétique émis par la source jusqu'à une bouche 28 de sortie du rayonnement issu des antennes élémentaires 14. Cette bouche est obturée par une paroi de protection 30 étanche à l'air permettant de créer le vide à l'intérieur du châssis 26. Cette paroi 30 est transparente au rayonnement électromagnétique et forme radôme. L'extrémité d'entrée 27 du châssis 26 est formée d'un tube 32 prolongé par une couronne 34 formant le fond du châssis. Cette couronne est d'axe X-X. Le fond est prolongé par une première paroi périphérique 36 présentant à son extrémité tournée vers la bouche 28 un épaulement divergeant 38. Cet épaulement 38 est bordé d'une seconde paroi périphérique 40 portant la paroi de protection 30. Le second guide d'onde 18 prend appui sur le support formé par l'épaulement divergeant 38. De façon similaire, le premier guide d'onde 16 prend appui sur le fond du châssis formé par la couronne 34. Le premier et le second guides d'onde ont une paroi métallique continue commune 48 s'étendant parallèlement à la surface d'émission 12 et disposée entre la surface d'émission 12 et le fond 34. Cette paroi commune 48 délimite les deux guides d'onde. La paroi commune 48 porte en regard du conduit 32 suivant l'axe X-X un cône métallique 70 propre à modifier le mode de propagation du flux électromagnétique, en passant d'un flux d'axe X-X, par exemple suivant le mode transverse magnétique TMoi, à un flux centrifuge s'étendant depuis l'axe X-X vers l'extérieur suivant le sens des flèches 72, par exemple suivant le mode transverse électrique et magnétique TEM. De façon connue, ce cône en métallique 70 est appelé convertisseur de mode.

La paroi intermédiaire 48 est munie d'un réseau de moyens de captation et de couplage de l'énergie électromagnétique entre le premier et le second guide d'onde. Ces moyens de captation et de couplage comportent par exemple des boucles traversantes 74 réparties régulièrement à une distance D de l'axe X-X. Les boucles traversantes 74 sont ainsi réparties régulièrement suivant un cercle de rayon D et centré suivant l'axe X-X. Ces boucles 74 sont formées d'un conducteur métallique et présentent deux lobes 74A, 74B faisant saillie de part et d'autre de la paroi intermédiaire 48. Selon une variante, les moyens de captation et de couplage comportent par exemple des tiges traversantes réparties régulièrement à une distance D de l'axe X-X et adaptées pour capter le champ électrique. Les tiges traversantes sont ainsi réparties régulièrement suivant un cercle de rayon D et centré suivant l'axe X-X. Ces tiges sont formées d'un conducteur métallique et font saillie de part et d'autre de la paroi intermédiaire 48. Le réseau de boucles traversantes 74 partage la surface d'émission en deux régions contigües centrées suivant l'axe X-X. Chaque région comporte au moins une antenne élémentaire 14. La région dite périphérique notée 76 comporte les antennes élémentaires situées à une distance de l'axe X-X supérieure à la distance D tandis que la région dite interne notée 78 comporte les antennes élémentaires situées à une distance de l'axe X-X inférieure ou égale à la distance D. De préférence, la région périphérique comprend plus d'antennes élémentaires que la région interne.

Selon une variante, la paroi intermédiaire 48 est munie d'au moins un autre réseau de moyens de captation et de couplage de l'énergie électromagnétique entre le premier et le second guide d'onde. Les moyens de captation et de couplage de cet autre réseau comportent des boucles traversantes identiques à celles décrites précédemment. Les deux réseaux de moyens de captation et de couplage sont concentriques autour de l'axe X-X et de forme identique. Les dimensions de l'ensemble formé par les réseaux de moyens de captation et de couplage sont adaptées pour que les boucles traversantes 74 soient réparties régulièrement à une distance moyenne D du plan de symétrie de l'antenne comportant l'axe X-X, telle que définie précédemment. La distance D est sensiblement égale à la moitié du rayon de la surface d'émission. En variante, afin de limiter l'encombrement et le poids de l'antenne, la distance D est choisie en fonction de la puissance de la source radiofréquence pour être aussi petite que possible tout en évitant toutefois le phénomène de claquage au niveau des lobes 74A. En effet, la densité de puissance est d'autant plus faible que les boucles 74 sont éloignées du centre. Chaque antenne élémentaire 14 comporte un brin d'émission 80 disposé du côté de la bouche d'émission de l'antenne et une boucle de captation 86 disposée entre la surface d'émission 22 et la paroi commune 48, dans le second guide d'onde 18. La boucle 86 est liée rigidement et de manière fixe à la paroi formant la surface d'émission 12. Sa surface est déterminée en fonction de la puissance que l'on souhaite collecter. La boucle présente une forme connue en soi et est obtenue par courbure sur lui-même d'un conducteur métallique. Le brin 80 présente une partie d'émission 84 constituée d'un fil métallique décrivant une forme d'hélice. Cette partie d'émission est reliée électriquement à la boucle de captation 86, la surface d'émission 12 est percée pour permettre sa liaison avec la boucle 86. En outre, le second guide d'onde 18 de l'antenne comporte des moyens d'absorption d'énergie 90 situés à sa périphérie et d'autres moyens d'absorption d'énergie 92 situés autour de l'axe X-X. Ces absorbants permettent de réduire les réflexions parasites.

Par exemple, ces moyens d'absorption d'énergie 90, 92 sont en carbone pyrolytique et ont un côté en biseau en regard de l'intérieur du premier et/ou du second guide d'onde 16, 18. Le premier guide d'onde 16 comprend aussi des moyens d'absorption d'énergie 94 situés à ses extrémités périphériques pour au contraire permettre la réflexion du flux électromagnétique résiduel pour que l'onde réfléchie puisse être collectée, avec la bonne phase par les boucles de captation 74A. Cette réflexion est obtenue, par exemple par un court circuit permettant une réflexion de l'onde. Ce court circuit est situé à une distance des boucles de captation 74A égale à la moitié de la longueur d'onde des ondes radiofréquences se propageant dans les guides d'onde. Ce court-circuit est obtenu par exemple par une paroi métallique. Selon une autre variante, les extrémités périphériques du premier guide d'onde sont en matériau diélectrique et permettent le maintien mécanique de l'épaulement 38 sur le châssis 26 ainsi que la tenue au vide. D'un point de vue électromagnétique, cette variante correspond à un circuit ouvert du guide d'onde 16 permettant une réflexion de l'onde, ce circuit ouvert étant situé à une distance des boucles de captation 74A égale au quart de la longueur d'onde des ondes radiofréquences se propageant dans les guides d'onde. Ce circuit ouvert est par exemple constitué d'un orifice ou d'une couronne en matériau diélectrique.

En fonctionnement, dans une telle antenne, le flux électromagnétique arrivant suivant l'axe X-X par l'entrée 27 est répartie sur le premier guide d'onde 16 par le convertisseur de mode 70. La direction de propagation du flux est représentée par les flèches sur la figure 2. Le flux alors centrifuge se trouve capté par les lobes 74A des boucles et réémis par les lobes 74B dans l'espace entre le surface d'émission 12 et la paroi commune 48. Le flux est alors partagé en deux flux : un flux centrifuge et un flux centripète pour alimenter les antennes élémentaires 14 respectivement de la région périphérique et de la région interne de la surface d'émission 12. Les boucles 86 des antennes élémentaires 14 captent l'onde électromagnétique, en particulier le champ magnétique, induisant un courant jusqu'au brin d'émission 84, lequel réémet l'onde électromagnétique suivant une direction avec une phase déterminée par le positionnement angulaire de l'antenne élémentaire 14. L'excédent éventuel d'énergie des ondes électromagnétiques est absorbé par les moyens d'absorption 90, 92, 94 situés aux extrémités des premier et second guides d'ondes.

Dans la variante selon laquelle l'extrémité périphérique extérieure du premier guide d'onde est ouverte, les ondes électromagnétiques se propagent de façon centrifuge et se réfléchissent à l'extrémité périphérique extérieure du premier guide d'onde. Comme la distance entre les moyens de captation et de couplage et l'extrémité périphérique extérieure du premier guide d'onde est égale au quart de la longueur d'onde, les ondes réfléchies se propagent de manière centripète en phase avec celles se propageant de manière centrifuge, de sorte qu'elles s'additionnent au niveau du lobe 74A des moyens de couplage améliorant ainsi le couplage. Dans la variante selon laquelle l'extrémité périphérique extérieure du premier guide d'onde est une paroi métallique formant un court-circuit, les ondes électromagnétiques se propagent de façon centrifuge et se réfléchissent à l'extrémité périphérique extérieure du premier guide d'onde. Comme la distance entre les moyens de captation et de couplage et l'extrémité périphérique extérieure du premier guide d'onde est égale à la moitié de la longueur d'onde, les ondes réfléchies se propagent de manière centripète en phase avec celles se propageant de manière centrifuge, de sorte qu'elles s'additionnent au niveau du lobe 74A des moyens de couplage améliorant ainsi le couplage. Selon l'invention, le nombre et les caractéristiques des moyens de couplage sont optimisés pour prélever la quasi-totalité de la puissance se propageant dans le premier guide d'onde et injectée dans le second guide d'onde sans claquage. En outre, les moyens d'absorption 90 de puissance aux extrémités périphériques du second guide d'onde permettent de réduire les réflexions néfastes au fonctionnement du tube de puissance limitant ainsi le taux d'ondes stationnaires (TOS) et améliorant le niveau des lobes secondaires d'émission de sorte que la furtivité de l'antenne est améliorée. La réémission de l'onde électromagnétique par les lobes 74B à une distance D sensiblement égale à la moitié de la distance de l'extrémité périphérique de la surface d'émission 12 contenue dans le plan perpendiculaire au plan de symétrie de l'antenne permet de réduire les temps de propagation, dans ce cas de moitié, de sorte que la largeur de bande fréquentielle de l'antenne est améliorée par rapport aux antennes à ligne de transmission radiale conventionnelles. Ce temps de remplissage réduit autorise l'émission à fort gain par l'antenne d'impulsions ultracourtes, par exemple nanosecondes. En outre, cette position pour la réémission de l'onde électromagnétique par les lobes 74B facilite une apodisation de l'onde électromagnétique émise par le réseau d'antennes élémentaires 14 résultant: - d'une part, de la décroissance naturelle de la loi d'éclairement du flux électromagnétique centrifuge se propageant vers les antennes élémentaires périphériques et, d'autre part, de la compensation de la décroissance naturelle de la loi d'éclairement du flux électromagnétique centripète se propageant vers les antennes élémentaires internes par la diminution de la distance des antennes élémentaires au plan de symétrie de l'antenne. Un autre avantage de l'antenne selon l'invention est que les ondes électromagnétiques se propagent dans les guides d'onde en évitant le phénomène de résonance, ce qui limite les phénomènes de claquage et autorise de ce fait également un fonctionnement en large bande. L'antenne selon l'invention permet en outre une diminution de ses dimensions permettant de réduire le volume nécessaire pour un pompage du vide efficace et une meilleure tenue physique.

L'invention a été décrite dans le cadre d'une antenne circulaire. Cependant, elle s'applique à d'autres antennes de forme par exemple carré ou rectangulaire. Dans ce cas, la distance D entre les moyens de captation et de couplage est définie afin de répartir au mieux le flux à partir d'un plan de symétrie de l'antenne.

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1.- Antenne (10) comprenant une surface d'émission (12), un réseau d'antennes élémentaires (14) s'étendant chacune depuis la surface d'émission, un premier (16) et un second (18) guides d'onde électromagnétique superposés, le premier guide d'onde (16) étant adapté pour alimenter le second guide d'onde (18) depuis une entrée de collecte (27), le second guide d'onde (18) étant adapté pour alimenter les antennes élémentaires (14), et des moyens (74) de couplage de l'énergie électromagnétique associée à l'onde électromagnétique entre le premier (16) et le second (18) guides d'onde, ladite antenne étant caractérisée en ce que les moyens (74) de couplage séparent la surface d'émission en deux régions concentriques (76, 78) constituées d'une région périphérique (76) et d'une région interne (78) située au droit de l'entrée de collecte (27), chacune comportant au moins une antenne élémentaire.

   2.- Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la région périphérique (76) comporte plus d'antennes élémentaires que la région interne (78).

   3.- Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisée en ce qu'elle comporte une paroi métallique (48) délimitant le premier (16) et le second (18) guide d'onde.

   4.- Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que les moyens (74) couplage sont un réseau de boucles (74) en matériau conducteur traversant la paroi (48).

   5.- Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les moyens (74) de couplage de l'énergie entre le premier (16) et le second (18) guide d'onde sont situés à une distance moyenne (D) d'un plan ou d'un axe de symétrie de l'antenne.

   6.- Antenne selon la revendication 5, caractérisé en ce que la distance moyenne (D) est sensiblement égale à la moitié de la distance de l'extrémité de la surface d'émission (12) au plan ou à l'axe de symétrie (X-X) de l'antenne.

   7.- Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que la distance moyenne (D) est choisie aussi petite que possible tout en évitant le phénomène de claquage au niveau des moyens de couplage (74).

   8.- Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'elle comporte des moyens (90, 94) d'absorption d'énergie situés aux extrémités périphériques du premier et/ou du second guide d'onde.

   9.- Antenne selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens d'absorption d'énergie ont un côté en biseau en regard de l'intérieur du premier et/ou du second guide d'onde et sont en carbone pyrolytique.

   10.- Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'extrémité périphérique extérieure du premier guide d'onde (16) est fermée par un matériaux diélectrique et en ce que la distance entre les moyens de couplage et l'extrémité périphérique extérieure du premier guide d'onde est sensiblement égale au quart de la longueur d'onde des ondes radiofréquences se propageant dans le premier guide d'onde.