ANTENNE ACTIVE TRES LARGE BANDE POUR RADAR PASSIF

La présente invention concerne le domaine des radars passifs VHF- UHF. Elle concerne plus particulièrement la réalisation d'antennes VHF-UHF omnidirectionnelles, à large bande passante, ainsi que la mise en réseau de telles antennes.

Dans le domaine du développement de radars passifs UHF, un axe important de recherche consiste à trouver des moyens pour réaliser, soit en polarisation verticale, soit en polarisation horizontale, une antenne fonctionnant en réception dans une large bande de fréquence, typiquement entre 88 MHz et 860 MHz. Cette antenne doit, idéalement, avoir un diagramme de rayonnement omnidirectionnel dans le plan horizontal et doit conserver cette propriété lorsque, mise en réseau, elle se trouve située au voisinage d'autres antennes. En outre Son gain doit être du même ordre dans toute la bande de fréquences. II est connu que lorsque l'on souhaite disposer d'une antenne VHF ou

UHF à polarisation verticale présentant un diagramme omnidirectionnel, on peut utiliser un dipôle vertical. De même, II est connu que lorsque l'on souhaite disposer d'une antenne VHF ou UHF à polarisation horizontale présentant un diagramme omnidirectionnel, on peut utiliser une antenne de type "big wheel" ou de type "tourniquet". Ces deux types d'antennes présentent l'avantage de conduire à des réalisations simples

Cependant, utilisées à la résonance, ces antennes ont un fonctionnement à bande étroite incompatible des larges bandes passantes souhaitées et de l'exigence de constance de gain correspondante. De plus lors de la mise en réseau, ces antennes ont pour inconvénient de présenter un diagramme de rayonnement horizontal très dégradé, ceci en raison des couplages présents entre antennes. En outre les diagrammes de rayonnement évoluent aussi beaucoup dans la bande de fréquence.

Un but de l'invention est de proposer une solution simple permettant de réaliser des antennes VHF-UHF large bande, à polarisation horizontale ou verticale, omnidirectionnelles, et pouvant être mise en réseau sans subir d'altération de leur diagramme de rayonnement.

A cet effet l'invention a pour objet une antenne bi-bande, fonctionnant sur deux sous-bandes de fréquences, larges, une sous-bande haute UHF et une sous-bande basse VHF; constituée d'éléments rayonnants formant une sous-antenne à diffraction minimale fonctionnant dans la sous-bande haute, et une sous-antenne à diffraction minimale fonctionnant dans la sous-bande basse, chaque élément étant mis en service ou hors service séparément en fonction de la sous-bande exploitée. Cette antenne est reliée à l'entrée d'un amplificateur à faible bruit large bande, placé directement à sa sortie et présentant une entrée à haute impédance et une sortie égale à l'impédance de la ligne de transmission par laquelle il est relié au récepteur. La sous- antenne dédiée à la sous-bande basse comporte en outre des filtres passe bas agencés pour empêcher le fonctionnement de cet élément lorsque l'élément dédié à la sous-bande haute est en service.

Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, l'antenne est un dipôle formé de deux brins verticaux, chaque brin étant formé d'un brin centra et d'un brin de prolongement relié au brin central par un filtre passe bas accordé sur la sous-bande basse. Les longueurs du brin central et du prolongement sont définies de façon à ce qu'en fonctionnement en bande basse l'antenne présente deux brins longs de longueur totale L _B , inférieure à la demi longueur d'onde du signal reçu sur toute la largeur de la sous-bande basse, et que, en fonctionnement en sous-bande haute l'antenne présente deux brins courts de longueur totale L _H , inférieure à la demi longueur d'onde du signal reçu sur toute la largeur de la sous-bande haute.

Selon une variante préférée de ce mode de réalisation, chaque brin de prolongement est constitué par un ensemble de brins élémentaires verticaux, reliés les uns aux autres par des filtres passe bas. La longueur de chaque brin élémentaire est définie de façon à ce que, sur la totalité de la sous- bande haute, celle-ci soit inférieure à 0,3λ, λ étant la longueur d'onde du signal reçu. De la sorte, en fonctionnement en sous-bande haute, le brin de prolongement ne re-rayonne aucun signal.

Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention, l'antenne comporte deux sous-antennes de type "big wheel" superposées, une sous-

antenne dont les dimensions sont adaptées pour un fonctionnement dans la sous-bande basse et une sous-antenne dont les dimensions sont adaptées pour un fonctionnement dans la sous-bande haute. Chaque sous-antenne est couplée à l'entrée d'un amplificateur à faible bruit placé directement à la sortie de la sous-antenne. Chaque amplificateur est configuré pour fonctionner sur une bande de fréquence correspondant à la sous-bande de la sous-antenne considérée et présente une entrée à haute impédance et une sortie dont l'impédance est égale à l'impédance de la ligne de transmission par laquelle il est relié au coupleur qui relie ces deux amplificateurs à faible bruit au récepteur par une ligne commune.

Selon une variante préférée de ce mode de réalisation, la sous- antenne adaptée au fonctionnement en sous-bande basse comporte des filtres passe-bas, agencés de sorte qu'en fonctionnement en sous-bande haute, cette sous-antenne ne re-rayonne aucun signal.

Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention, l'antenne comporte deux dipôles horizontaux perpendiculaires, formés chacun de deux brins horizontaux, dont les signaux sont combinés en quadrature de phase. Chaque brin est formé d'un brin central et d'un brin de prolongement relié au brin central par un filtre passe bas accordé sur la sous bande basse. Les longueurs du brin central et du prolongement sont définies de façon à ce qu'en fonctionnement bande basse le dipôle considéré présente deux brins long de longueur totale L _B , inférieure à la demi longueur d'onde du signal reçu sur toute la largeur de la sous bande basse, et que, en fonctionnement en sous-bande haute ce même dipôle présente deux brins courts de longueur totale L _H , inférieure à la demi longueur d'onde du signal reçu sur toute la largeur de la sous-bande haute.

Selon une variante préférée de ce mode de réalisation, chaque brin de prolongement est constitué par un ensemble de brins élémentaires horizontaux, reliés les uns aux autres par des filtres passe bas. La longueur de chaque brin élémentaire étant définie de façon à ce que, sur la totalité de la sous-bande haute, celle-ci soit inférieure à 0,3λ, λ étant la longueur d'onde

du signal reçu. De la sorte, en fonctionnement en sous-bande haute, le brin de prolongement ne re-rayonne aucun signal.

Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux appréciés grâce à la description qui suit, description qui expose l'invention au travers de modes de réalisation particuliers pris comme exemples non limitatifs et qui s'appuie sur les figures annexées, figures qui représentent:

- la figure 1 , la représentation schématique d'une antenne à dipôle, à polarisation verticale, réalisée conformément à l'invention;

- la figure 2, la représentation schématique d'une antenne de type "big wheel", à polarisation horizontale, réalisée conformément à l'invention;

- la figure 3, la représentation schématique d'une antenne de type "tourniquet", à polarisation horizontale, réalisée conformément à l'invention;

Comme il a été dit dans ce qui précède, le but de l'invention est de proposer une solution pour réaliser une antenne VHF-UHF large bande, typiquement entre 88 MHz et 860 MHz, présentant un gain variant peu ou pas du tout en fonction de la fréquence, et dont le diagramme omnidirectionnel dans le plan horizontal n'est pas altéré lorsque l'antenne est utilisée en réseau.

Une antenne VHF-UHF présentant une telle bande passante est un dispositif complexe qui permet difficilement d'obtenir un comportement constant sur toute la largeur de bande explorée. C'est pourquoi la solution proposée par l'invention, compte tenu des exigences de bande passante, consiste à réaliser une antenne pouvant fonctionner de manière alternative dans deux sous-bandes, une sous-bande haute, UHF, et une sous-bande basse, VHF, couvrant le plus complètement possible la bande passante totale souhaitée. On définit pour cela une antenne "bi-bande" composée de deux éléments ou "sous-antennes" fonctionnant alternativement suivant que l'antenne fonctionne dans la sous-bande haute ou dans la sous-bande basse. A cette antenne on associe un amplificateur large bande ou encore deux amplificateurs, de gains semblables, que l'on commute en fonction de la sous-bande utilisée, chaque amplificateur couvrant une des sous-bandes.

Compte tenu des exigences sur le maintien du caractère omnidirectionnel du diagramme de rayonnement de l'antenne même dans le cas d'un fonctionnement en réseau, les deux sous-antennes constituant l'antenne selon l'invention sont définies et agencées de façon à constituer une antenne présentant les caractéristiques d'une antenne à diffraction minimale ("minimum scattering antenna" selon la dénomination anglo- saxonne). On rappelle ici qu'une antenne à diffraction minimale est une antenne pour laquelle il existe une charge telle qu'aucune puissance n'est absorbée ni réfléchie. Pour les antennes à diffraction minimale dites "canoniques" ceci se produit lorsque la charge est un circuit ouvert. Dans le cadre de l'invention on interpose donc entre l'antenne proprement dite et le récepteur associé, un amplificateur à faible bruit et à large bande ayant une impédance d'entrée très élevée et une impédance de sortie égale à l'impédance caractéristique de la ligne qui transmet le signal reçu par l'antenne de l'amplificateur faible bruit au récepteur. Selon l'invention, l'amplificateur à faible bruit utilisé ici est un amplificateur en tension, placé directement en sortie de l'antenne. L'antenne ainsi constituée est donc une antenne VHF-UHF active.

On s'intéresse dans un premier temps à un premier exemple de réalisation de l'antenne selon l'invention, exemple illustré par la figure 1 .

L'antenne de la figure 1 est constituée sur la base d'une antenne dipôle classique constituée de deux éléments conducteurs, ou brins, verticaux 1 1 . Agencés ainsi les deux brins verticaux 1 1 constituent, de manière connue, une antenne à polarisation verticale présentant un diagramme de rayonnement omnidirectionnel dans le plan horizontal.

Les brins 1 1 présentant une longueur totale L _B correspondant à la longueur d'un dipôle adapté au fonctionnement du dispositif dans la sous- bande basse, VHF, qui s'étend par exemple de 88 MHZ à 240 MHz. Selon l'invention, chaque brin conducteur 1 1 est en outre constitué de deux segments conducteurs, un segment central 12 et un segment latéral 13, reliés entre eux par un filtre-passe bas dont la bande passante recouvre la sous-bande basse de fonctionnement de l'antenne. La longueur des segments centraux 12 est telle qu'ils présentent à eux deux, une longueur L _H

correspondant à la longueur d'un dipôle adapté à un fonctionnement dans la sous-bande haute, UHF, qui s'étend par exemple de 470 MHZ à 860 MHz.

Cette configuration des brins d'antenne 1 1 en deux éléments 12 et 13 reliés entre eux par un filtre passe-bas 14 permet avantageusement de réaliser une antenne unique, adaptée aux deux sous-bandes utilisées. En effet vis à vis d'un fonctionnement en sous-bande basse, le filtre passe-bas 14 se comporte comme un court-circuit reliant les deux éléments 12 et 13 qui constituent chaque brin 1 1 . De la sorte en fonctionnement en sous-bande basse, on dispose d'une antenne dipôle de longueur L _B adaptée à la sous- bande basse et équivalente à l'antenne dipôle simple schématisée par l'illustration 1 -b de la figure 1 . Inversement, vis à vis d'un fonctionnement en sous-bande haute, le filtre passe-bas 14 se comporte comme un circuit ouvert. Par suite les éléments 13 constituant chacun des brins de l'antenne se trouvent déconnectés, de sorte qu'en fonctionnement en sous-bande haute, on dispose d'une antenne dipôle de longueur L _H adaptée à la sous- bande haute et équivalente à l'antenne dipôle simple schématisée par l'illustration 1 -a de la figure 1 . On réalise ainsi avantageusement deux antennes avec un seul dispositif.

Selon l'invention, les longueurs L _H et L _B sont définies de façon à conférer à l'antenne à la fois un caractère large bande et les propriétés d'une antenne à diffraction minimale, propriétés qui permettent à l'antenne de fonctionner en réseau en conservant un diagramme de rayonnement omnidirectionnel . Or pour conserver, en réseau un diagramme omnidirectionnel il faut supprimer l'effet des couplages entre antennes. On rappelle ici que lorsqu'une onde plane arrive sur une antenne elle crée sur celle-ci des courants. Ces courants produisent un signal en sortie d'antenne, une partie de l'onde reçue étant re-rayonnée. C'est ce re-rayonnement qui entraîne le couplage avec les antennes voisines. Pour diminuer le couplage il importe donc de réduire le re-rayonnement. Pour une antenne à "diffraction minimale" en particulier, aucun re-rayonnement n'a lieu lorsque l'antenne est chargée sur un circuit ouvert (impédance infinie).

Dans l'exemple de réalisation de l'antenne selon l'invention illustré par la figure 1 , l'antenne à "diffraction minimale" est réalisée en chargeant la

sortie du dipôle par une impédance élevée (-300 ohms) et en limitant sa longueur totale L _B , ou L _H à une valeur inférieure à 0,4 λ dans toute la bande de fréquence considérée. Ainsi, pour une antenne selon l'invention le fonctionnement dans une sous-bande basse qui s'étend par exemple de 88 MHz à 240 MHz conduit à choisir une longueur totale L _B inférieure à 500 mm. De même, le fonctionnement dans une sous-bande haute qui s'étend par exemple de 470 MHZ à 860 MHz conduit à choisir une longueur totale L _H inférieure à 140 mm.

Cette contrainte conduit à réaliser un dipôle de longueur réduite par rapport à la demi longueur d'onde λ/2 du signal reçu. Or, de manière connue, le fonctionnement d'un dipôle rayonnant est optimal, lorsque la longueur des brins est proche du quart de la longueur d'onde. De même, il est connu qu'utilisées à la résonance, ces antennes présente un fonctionnement à bande étroite incompatible des larges bandes souhaitées et de l'exigence de gain équivalent. On sait, en outre, également qu'en acceptant une certaine dégradation des performances, on peut s'écarter légèrement de la résonance pour faire fonctionner l'antenne sur une largeur de bande donnée. C'est notamment le cas si on choisit des longueurs de brins L _H /2 et L _B /2 optimales, sensiblement égales au quart de la longueur d'onde au centre de la bande de fréquences de la sous-bande considérée.

Ainsi, sur une sous-bande haute s'étendant par exemple de 470 MHZ à 860 MHz, la fréquence centrale vaut 665 MHz. A cette fréquence la longueur L _H optimale du dipôle est égale à environ 225 mm.

De même sur une sous-bande basse s'étendant par exemple de 88 MHz à 240 MHz la fréquence centrale vaut 164 MHz. A cette fréquence la longueur L _B optimale du dipôle est égale à environ 900 mm.

On constate donc que pour satisfaire l'exigence de maintien, dans un fonctionnement en réseau de son caractère omnidirectionnel, l'antenne dipôle selon l'invention, présente une longueur totale, L _H ou L _B selon la sous- bande considérée, inférieure à la longueur optimale. Selon l'invention, cette limitation de longueur est compensée par l'utilisation d'un amplificateur large bande 17 placé en sortie de l'antenne. L'amplificateur utilisé ici est configuré de façon à présenter un facteur de bruit faible, ainsi qu'une impédance d'entrée élevée dont la nature est déterminée de façon à assurer le facteur de bruit désiré et une impédance de sortie de valeur égale à l'impédance

caractéristique de la ligne 18 qui le relie au circuit récepteur 19 associé à l'antenne selon l'invention, une ligne 50 Ohms par exemple.

L'antenne dipôle selon l'invention ainsi décrite constitue bien théoriquement, de par la longueur limitée de ses brins, et l'association d'un amplificateur à faible bruit, à large bande, et présentant les caractéristiques d'impédance décrite précédemment, une antenne à diffraction minimale.

Cependant en pratique ce résultat n'est complètement obtenu que dans le cas d'un fonctionnement en sous-bande basse. En effet, dans un fonctionnement en sous-bande haute, les segments latéraux 13 qui se trouvent déconnectés du circuit de l'antenne du fait des filtres passe-bas 14, peuvent, dans certains cas d'agencement des sous-bandes basse et haute, présenter des longueurs suffisantes pour que des courants soient créés à leur surface. Ils se mettent alors à rayonner et peuvent se coupler aux antennes voisines et dégrader le diagramme de ces dernières. C'est pourquoi, dans une forme de réalisation préférée, illustrée par la figure 1 , les segments latéraux 13 sont eux-mêmes constitués par des éléments conducteurs 15 reliés entre eux par des filtres passe-bas 16, la longueur de chaque élément étant définie de façon à ce que celui-ci ne re-rayonne aucune onde en fonctionnement en sous-bande haute. Les filtres passe-bas 16 sont de même nature et présentent les même caractéristique de bande passante que les filtres 14 reliant le segment central 12 de chaque brin à au segment latéral 13 correspondant. Selon l'invention, la longueur des éléments 15 est inférieure à 0,3λ, λ étant la longueur d'onde d'un signal dont la fréquence se situe dans la sous-bande haute. Le nombre d'éléments 15 et de filtres passe-bas est donc ici fonction de la valeur de la fréquence supérieure de la sous-bande haute utilisée.

Ainsi, si la sous-bande haute considérée s'étend de 470 MHZ à 860 MHz, la longueur de chaque élément 15 est inférieure à 105 mm, de sorte que, chaque segment latéral 13 ayant une longueur d'environ 305 mm, il est ainsi fractionné en deux ou trois éléments selon la longueur électrique représentée par les filtres Passe-bas 16 ajoutés.

On réalise ainsi des segments latéraux présentant la propriété avantageuse de ne pas re-rayonner de signal, ou du moins de re-rayonner un signal faible, lors du fonctionnement de l'antenne en sous-bande haute, quelle que soit cette sous-bande. Les courbes pointillées 1 11 , 1 12 et 1 13 de

la figure 1 illustre de manière graphique le résultat obtenu. La courbe 1 12 représente de manière imagée l'intensité du courant re-rayonné par les segments centraux lors d'un fonctionnement en sous-bande haute, tandis que les courbes 1 13 et 1 11 représentent respectivement l'intensité du courant re-rayonné par les segments latéraux lorsque ceux-ci ne sont pas subdivisés en éléments 15 et lorsqu'ils sont subdivisés. On constate ainsi que la subdivision des segments latéraux se traduit avantageusement par une baisse de l'intensité re-rayonnée qui devient identiquement faible pour chaque élément conducteur constituant les brins 1 1 du dipôle.

On s'intéresse ensuite à la figure 2 qui présente un deuxième exemple de mise en œuvre du principe d'antenne selon l'invention. L'antenne décrite ici est une antenne large bande à diffraction minimale et à polarisation horizontale, présentant un diagramme de rayonnement omnidirectionnel dans le plan horizontal.

Comme dans l'exemple précédent, l'antenne illustrée par la figure 2 est une antenne conçue pour fonctionner dans deux bandes de fréquences distinctes, une sous-bande haute et une sous-bande basse. A cet effet elle comporte deux sous-antennes 21 et 22, montées sur un support vertical axial 25 et configurées pour offrir un fonctionnement optimal respectivement dans la sous-bande basse et dans la sous-bande haute. Ces sous-antennes 21 et 22 sont des antennes distinctes de type "big wheel" présentant par construction un axe polarisation horizontal. Selon l'invention, les dimensions des éléments en arcs de cercles 27 ou 28 constituant chaque sous-antenne 21 ou 22 sont définies de façon à réaliser le compromis le meilleur pour constituer une antenne globale ayant un gain constant dans chaque sous- bande et les propriétés avantageuses d'une antenne à diffraction minimale. Chaque sous-antenne 21 ou 22 est en outre associée à un amplificateur à faible bruit et à large bande passante 23 ou 24, placé immédiatement en sortie de la sous-antenne considérée. Selon l'invention les amplificateurs 23 et 24 présentent des impédances d'entrée élevées et des impédances de sortie sensiblement égales à l'impédance de la ligne coaxiale qui les relient au récepteur. Un dispositif de couplage, non représenté sur la figure permet de connecter la sortie de chaque amplificateur à l'entrée du récepteur.

On obtient ainsi une antenne globale constituée de deux antennes dont les structures sont ici totalement indépendantes.

Pour éviter le phénomène de re-rayonnement d'un signal par l'antenne basse fréquence 21 lorsque l'antenne fonctionne en sous-bande haute, les éléments 28 sont, de manière analogue à ce qui a été décrit pour l'exemple de la figure 1 , fractionnés en segments élémentaires dont la longueur est déterminée de façon à ce qu'un segment élémentaire ne re-rayonne aucun signal lorsque l'antenne fonctionne en sous-bande haute. Les segments élémentaires constituant un même élément 28 sont reliés électriquement entre eux par l'intermédiaire de filtres passe-bas 26. Ainsi, lorsque la fréquence de l'onde reçue par l'antenne selon l'invention se situe dans la sous-bande haute, les segments élémentaires constituant les éléments 28 de la sous-antenne basse fréquence 21 sont déconnectés les uns des autres de sorte que cette sous-antenne est mise hors service et qu'elle ne re-rayonne aucun signal. En revanche, l'antenne haute fréquence 22 dont les dimensions sont adaptées à la sous-bande haute est opérationnelle et capte les signaux. Inversement, lorsque la fréquence de l'onde reçue par l'antenne selon l'invention se situe dans la sous-bande basse, les segments élémentaires constituant les éléments 28 de la sous-antenne basse fréquence 21 sont connectés les uns des autres par l'intermédiaire du courant transmis par les filtres 26 de sorte que cette sous-antenne est mise en fonctionnement. L'antenne haute fréquence 22 est alors hors service du fait de ses dimensions.

On s'intéresse ensuite à la figure 3 qui présente un troisième exemple de mise en œuvre du principe d'antenne selon l'invention. L'antenne décrite ici est également une antenne large bande à diffraction minimale et à polarisation horizontale, présentant un diagramme de rayonnement omnidirectionnel dans le plan horizontal. Comme dans les exemples précédents, elle est conçue pour fonctionner dans deux bandes de fréquences distinctes, une sous-bande haute et une sous-bande basse.

De type "antenne tourniquet" elle comporte deux sous-antennes constituées par deux dipôles horizontaux 31 et 32, disposés dans un plan horizontal perpendiculairement l'un par rapport à l'autre et agencés pour être en quadrature de phase de sorte que le diagramme de rayonnement de

l'ensemble ainsi constitué soit omnidirectionnel dans le plan horizontal. Les sorties des deux dipôles sont connectées au moyen d'un dispositif de couplage à un amplificateur 33 a faible bruit et à large bande passante. Comme dans les exemples précédents, cet amplificateur 33 présente une haute impédance d'entrée et une impédance de sortie sensiblement égale à l'impédance de la ligne coaxiale qui le relie au récepteur.

Chaque dipôle présente une structure analogue à celle du dipôle selon l'invention présenté à la figure 1 , avec des segments centraux dont la longueur est définie de façon à obtenir une antenne haute fréquence capable de fonctionner dans la sous-bande haute et des segments latéraux 37 formés d'éléments conducteurs 36, reliés par des filtres passe-bas 38, dont la longueur est déterminée de façon à ce qu'il ne re-rayonnent aucun signal lorsque l'antenne fonctionne en sous-bande haute. Comme dans l'exemple de la figure 1 , les éléments conducteurs 36 constituant un brin d'un dipôle sont reliés électriquement entre eux et à l'élément central 35 correspondant, par l'intermédiaire de filtres passe-bas 34. Ainsi selon la sous-bande dans laquelle elle fonctionne, l'antenne selon l'invention se comporte comme une antenne comportant seulement deux dipôles formés des éléments centraux 35, ou bien comme une antenne comportant deux dipôles formés des éléments centraux 35 et latéraux 37.