Les Principes du Radar

Antenne à fente

Les fentes radiantes sont utilisées en général pour des fréquences variant de 300 MHz à 25 GHz. Elles sont courantes pour les radars de navigation maritime sous forme d’une section de guide d’ondes percé de fentes. On retrouve également d’anciennes antennes réseau à commande de phase formées de fentes radiantes, une solution peu coûteuse de construire une antenne à balayage rapide de l’horizon. Les fentes ont une longueur de λ/2 et sont coupées dans une plaque conductrice alimentée en son centre assez grande par rapport à la longueur d’onde pour être considérée comme de dimensions infinies.

Les fentes agissent selon le principe du résonateur de Babinet. Jacques Babinet (1794 - 1872) était un physicien et mathématicien français qui a formulé le théorème qui dit que deux diagrammes de diffraction sont produits par deux écrans complémentaire. Ce principe appliqué aux champs électromagnétiques et à l’impédance d’une ouverture ou d’une fente démontre qu’elles agissent comme une antenne dipolaire à polarisation linéaire dont les champs électriques et magnétiques sont inversés par rapport à une antenne dipolaire ordinaire. Ainsi, une fente verticale donne un champ électrique horizontal alors qu’un dipôle vertical donne un champ électrique vertical.

L’impédance d’une antenne à fentes (Z_s) correspond à celle d’une antenne dipolaire (Z_d) selon la relation suivante :

De cette équation, on dérive que Z_s = 485 Ω.

La largeur de bande de fréquences possible avec une fente mince rectangulaire est égale au dipôle correspondant et à la moitié de la largeur de bande d’un dipôle cylindrique de diamètre égal à la largeur de la fente. La figure 2 montre des fentes rectangulaires de différentes formes qui peuvent être trouvées sur une antenne, en ordre croissant de largeur de bande.

Figure 2 : Diverses fentes à large bande de fréquences pour antennes.

Figure 2 : Diverses fentes à large bande de fréquences pour antennes.

Même si la théorie demande des dimensions infinies pour la surface conductrice, l’approximation est bonne dès que sa surface est plus du carré de la longueur d’onde utilisée. L’alimentation d’une antenne à fentes peut être faite par une ligne de transmission à deux fils. L’impédance dépend du point d’alimentation, comme pour une antenne dipolaire. La valeur de 485 Ω s’applique seulement pour une alimentation centrale et un déplacement de celle-ci vers les bords diminue graduellement sa valeur.

L’utilisation des antennes à fentes est très variée. Elles remplacent ainsi les antennes dipolaires dans le cas où une polarisation orthogonale à la dimension principale de l’élément radiant est nécessaire. Par exemple lorsqu’un dipôle est utilisé pour alimenter une antenne parabolique en ondes polarisées horizontalement mais orientée dans un faisceau plat vertical, le dipôle doit être d’orientation horizontal. Cela veut dire que les bords du réflecteur ne seront pas assez éclairés et qu’une bonne partie de l’énergie sera perdue au-dessus et en dessous du plan de la parabole. Une antenne à fente remédie à ce problème.

L’alimentation du réflecteur parabolique se fait depuis son point focal, une position ponctuelle, les dimensions d’un dipôle ou d’une fente vont toujours dépasser en largeur ce point. Pour ce point un élément radiant à fente n’offre d’avantages.

Fentes et guide d’ondes

Figure 3 : Diverses fentes dans un guide d’ondes.

Figure 3 : Diverses fentes dans un guide d’ondes.

Couper des fentes dans un guide d’onde est une façon simple de construire une antenne réseau. La position, la forme et l’orientation de celles-ci vont définir le diagramme de rayonnement. La figure 3 montre une section rectangulaire de guide d’ondes avec en rouge la distribution instantanée des lignes de courant dans les parois. Des fentes minces découpées en B et C ont peu d’influence sur les lignes de courant parce qu’elles sont dans le sens de ce dernier. Par contre, en A et D, elles représenteront une barrière au flux. Dans le premier cas, il n’y aura pas d’émission car le potentiel est le même partout le long des fentes. Dans le second, le différente de potentiel d’un côté à l’autre de la fente permet d’en faire des éléments radiants.

Comme l’onde se déplace dans le guide d’ondes, les lignes de courant se déplacent avec celle-ci dans le sens de la propagation. Les fentes bien orientées verront donc le potentiel changer alternativement avec la phase de l’onde à un moment donné ce qui permet de la transmette dans l’espace libre. La puissance d’émission des fentes peut être modifiée en les approchant ou en les éloignant les bords du guide d’onde.

Les fentes en A et D de la figure 2 ont le couplage le plus important avec l’onde de radiofréquence dans le guide d’onde. Pour diminuer ce couplage, la fente A pourrait par exemple être déplacée plus près d’une des parois du guide d’onde. Tourner la fente aurait le même effet (un angle choisi entre les directions de A et B ou (C et D). Le couplage d’une fente varie approximativement comme le sin² de l’angle θ.

Antenne de guide d’ondes avec fentes

Figure 4 : Géométrie typique d’une antenne fait d’un guide d’onde à fentes. Les fentes radiantes se retrouvent sur la paroi avec la dimension la plus importante.

Figure 4 : Géométrie typique d’une antenne fait d’un guide d’onde à fentes. Les fentes radiantes se retrouvent sur la paroi avec la dimension la plus importante.

Une configuration typique d’une antenne à fentes est de découper les éléments radiants dans la paroi la plus large. Plusieurs fentes dans un guide d’ondes forment un groupe d’antenne et le guide sert de ligne de transmission de l’onde à émettre. Pour obtenir la phase correcte, toutes les fentes doivent être espacées de la distance d’une longueur d’onde à l’intérieur du guide d’onde. Cette longueur d’onde diffère avec celle en espace libre et elle est une fonction du côté le plus large de la section rectangulaire du guide d’onde. Elle est plus grande que dans l’espace libre. Habituellement, la longueur d’onde est calculée pour le mode TE₁₀ avec :

a  = longueur de la paroi de la plus grande dimension du guide d’ondes ;
λ_g = longueur d’onde dans le guide d’ondes ;
λ  = longueur d’onde en espace libre. (2)

Figure 5 : Géométrie de base d’une antenne à guide d’ondes à fente à angle sur le côté de moindre largeur.

Figure 5 : Géométrie de base d’une antenne à guide d’ondes à fente à angle sur le côté de moindre largeur.

Le nombre et les dimensions des lobes secondaires est important. Les fentes sont souvent coupées à gauche et à droite à une certaines distance du centre, ce qui réduit le couplage. Lorsque les fentes se retrouvent sur la paroi de plus petite dimension, il peut arriver que la longueur des fentes radiantes soit plus longue que la largeur de la paroi. Dans ce cas, les fentes se prolongent autour des coins sur la paroi perpendiculaire sur le côté B du guide d’ondes. En pratique, ces fentes sont couvertes d’une mince couche de matériau isolant pour la protection de l’intérieur du guide. Si ce matériau n’est pas être hygroscopique , il doit être protégé des intempéries.

Une seule fente radiante peut émettre à une fréquence ±5 … ±10% de sa fréquence de résonance. Cela n’est pas aussi facile pour une antenne à réseau qui fonctionne seulement sur fréquence bien précise déterminée par l’espacement λ_g et optimisé. Lorsque la fréquence est changée, l’espacement n’est plus valable et les performances décroissent rapidement car le déphasage est cumulatif entre les fentes successives.

L’antenne commence alors à « loucher », c’est-à-dire que le diagramme de rayonnement pointe dans différentes directions par rapport à l’axe central. Cependant, cet effet peut être utilisé pour faire pivoter électroniquement le faisceau de l’antenne en fonction de la fréquence d’émission.