ANTENNES A BALAYAGE

ELECTRONIQUE

 

I )INTRODUCTION

 

Problème des antennes classiques :

Pour modifier la zone éclairée par l'antenne d'un radar classique, il faut faire tourner le projecteur vers la direction choisie. Mais à cause de l'inertie du projecteur, ce mouvement ne peut être que continu et faiblement rapide et ne permet donc pas facilement de s'arrêter dans les zones intéressantes.

Le problème est donc de s'affranchir de l'inertie mécanique de l'antenne : il faut pouvoir, l'antenne restant fixe, modifier quasi instantanément la direction du rayonnement, afin d'utiliser pleinement les possibilités du radar.

II) PRINCIPE DU BALAYAGE

Considérons l'antenne à l'émission.

L'onde électromagnétique émise par le radar est cohérente (comme la lumière d'un laser), ce qui implique que la direction du rayonnement est celle pour laquelle toutes les vibrations émanant de l'antenne sont en phase.

Ainsi, si l'on veut que l'antenne rayonne vers un observateur B, il suffit de modifier les phases relatives des vibrations électromagnétiques émises par les différents points de l'antenne, de façon qu'elles soient en phase lorsqu'elles arrivent en B. Pour cela, on tapisse l'antenne de dispositifs modificateurs de phase, dits déphaseurs, dont on peut commander à volonté le déphasage qu'ils introduisent, pour modifier instantanément la direction du rayonnement de l'antenne.

Le réseau engendre ainsi une onde plane dont l'orientation dépend de ce déphasage qui correspond en fait au trajet de l'onde entre la source et le plan d'onde, perpendiculaire à la direction de propagation q .

Relation entre déphasage et direction de rayonnement :

Considérons une ligne de sources pouvant être déphasées entre elles d'une valeur DF, et distantes de d, et une direction de propagation q.

Chaque onde issue de la source élémentaire q arrivant sur le plan d'onde aura subi le déphasage suivant :

q.F=q [DF+ (d sin( q ).2p/l)]

Le module du champ rayonné dans la direction q étant :

|E( q )| = n E sin( nF/2 )/(n sin( F/2 )) (avec n=nbre total de sources)

Le champs rayonné est donc maximal dans la direction qmax lorsque F=0, d'où la relation entre le déphasage à introduire entre chaque source élémentaire et la direction de rayonnement qmax :

DF= - d sin( qmax ).2p/l

Une action sur DF permet alors de modifier la direction privilégiée qmax et donc de positionner le faisceau dans l'espace . C'est le principe du balayage électronique.

 

Ce dispositif permet donc :

- de changer quasi instantanément la direction analysée par le radar

- de changer rapidement la forme du faisceau rayonné (fin ou large en site, en gisement...) et donc d'obtenir un radar multifonctions

- de réduire le rayonnement parasite dans certaines directions, en introduisant de légères modifications aux déphasages élémentaires..

III )STRUCTURE GENERALE

D 'UN RESEAU A DEPHASAGE

 

Une antenne réseau comporte toujours les organes ci-dessous :

- un distributeur répartissant l'énergie entre les diverses sources du réseau par l'intermédiaire des déphaseurs selon une certaine loi en amplitude

- l 'ensemble des déphaseurs

- un calculateur calculant les phases à partir de la direction de pointage (appelé souvent pointeur )

- l'ensemble des sources du réseau

- éventuellement un système focalisant complémentaire (réflecteur ou lentille)

Procédés de déphasage

Le problème est d'engendrer les écarts de phase DF entre sources de manière suffisamment rapide et à partir d'une commande électronique. Différents procédés peuvent être utilisés :

Commutateurs électroniques :

A l 'aide de commutateurs à diodes ou de circulateurs à ferrite, on peut aiguiller l'onde sur différents trajets entre l 'émetteur et l' une quelconque des sources. Le déphasage de l'onde dépendra de la longueur du trajet choisi.

Déphaseurs en ligne :

Il s'agit de faire varier la constante de propagation d'une ligne (par introduction de différents composants) afin d'obtenir des déphasages.

Déphasage en fréquence :

On alimente les sources en série par l'intermédiaire d'une ligne de grande longueur. Le déphasage entre les sources S est alors lié à la longueur électrique Dl de la ligne entre deux sources et à la longueur d'onde guidées lg par la relation :

DF = 2p Dl /lg

Une simple variation de la fréquence émise permet alors de modifier lg, donc la position du faisceau.

 

IV )EXEMPLES DE REALISATIONS

L'un des facteurs prépondérant est le prix des déphaseurs. En général, la réduction du coût va dans le sens d'une réduction du nombre de sources qui s'accompagne d'une réduction du volume balayé.

Balayage dans un seul plan

Le déphasage se fait suivant un alignement. Deux techniques sont employées pour obtenir la focalisation dans le plan perpendiculaire.

Balayage plan à nombre réduit de sources

On peut réduire le nombre de sources nécessaires au balayage de l'espace dès que celui-ci devient d'amplitude faible.

Le réflecteur est un cylindre parabolique, la " ligne de source " est placée suivant une parabole homofocale. Si les sources sont en phase, le rayonnement semble provenir d'une source primaire placée en F. Si DF est différent de 0, tout se passse comme si le plan de source avait tourné de l'angle b tel que :

2pd sin( b )/l = DF

Le rayonnement semble alors venir d 'une source fictive placée en F', d'où une déflexion a du faisceau.

V ) CONCLUSION

Le balayage électronique se heurte à plusieurs limites physiques et pratiques :

- la complexité des antennes (nombre de sources très important)

- les angles maximaux de balayage, qui au mieux peuvent atteindre plus ou moins 60, et plus couramment 45

- les limites pratiques liées à la précision de réalisation de DF (rayonnement déformés)

Toutefois, les perspectives offertes par le balayage électronique permettent d'espérer une évolution considérable des performances des radars. On peut imaginer d'utiliser une structure constituée d'un grand nombre d'éléments comportant chacun leur propre émetteur récepteur.

Les signaux de réception provenant des diverses sources pourraient alors par exemple être combinés de façon numérique et fournir des diagrammes de forme sophistiquée, comme des diagrammes multifaisceaux (par exemple, avec deux faisceaux regardant en même temps dans deux directions différentes).

Cependant, l'éventail très large des possibilités offertes posera, dans chaque cas, le problème d'une définition précise des besoins sans laquelle il n'est pas possible d'aboutir au meilleur compromis coût-efficacité.