Antenne réseau réfléchissante

En télécommunications et en radar , une antenne réseau réfléchissante est une classe d' antennes directives dans lesquelles plusieurs éléments entraînés sont montés devant une surface plane conçue pour réfléchir les ondes radio dans une direction souhaitée. Il s'agit d'un type d' antenne réseau . Elles sont souvent utilisées dans les bandes de fréquences VHF et UHF . Les exemples VHF sont généralement de grande taille et ressemblent à un panneau d'affichage d'autoroute , c'est pourquoi on les appelle parfois antennes panneau d'affichage . D'autres noms sont réseau à ressorts et réseau à nœud papillon selon le type d'éléments composant l'antenne. Le réseau rideau est une version plus grande utilisée par les stations de radiodiffusion à ondes courtes .

Les antennes à réseau réfléchissant comportent généralement un certain nombre d'éléments identiques alimentés en phase , placés devant une surface réfléchissante plate et électriquement grande pour produire un faisceau unidirectionnel d'ondes radio, augmentant le gain de l'antenne et réduisant le rayonnement dans des directions indésirables. Plus le nombre d'éléments utilisés est élevé, plus le gain est élevé ; plus le faisceau est étroit et plus les lobes secondaires sont petits. Les éléments individuels sont le plus souvent des dipôles demi-onde , bien qu'ils contiennent parfois des éléments parasites ainsi que des éléments entraînés. Le réflecteur peut être une tôle métallique ou plus communément un écran métallique. Un écran métallique réfléchit les ondes radio aussi bien qu'une tôle métallique pleine tant que les trous dans l'écran sont plus petits qu'environ un dixième de longueur d'onde, de sorte que les écrans sont souvent utilisés pour réduire le poids et les charges dues au vent sur l'antenne. Ils se composent généralement d'une grille de fils ou de tiges parallèles, orientés parallèlement à l'axe des éléments dipôles.

Les éléments commandés sont alimentés par un réseau de lignes de transmission qui répartissent la puissance de la source RF de manière égale entre les éléments. Ce circuit présente souvent une géométrie arborescente.

Lorsqu'un signal radio traverse un conducteur, il induit un courant électrique dans celui-ci. Comme le signal radio remplit l'espace et que le conducteur a une taille finie, les courants induits s'additionnent ou s'annulent lorsqu'ils se déplacent le long du conducteur. L'un des objectifs fondamentaux de la conception d'une antenne est de faire en sorte que les courants s'additionnent jusqu'à un maximum au point où l'énergie est prélevée. Pour ce faire, les éléments de l'antenne sont dimensionnés en fonction de la longueur d'onde du signal radio, dans le but de créer des ondes stationnaires de courant qui sont maximisées au point d'alimentation.

Cela signifie qu'une antenne conçue pour recevoir une longueur d'onde particulière a une taille naturelle. Pour améliorer la réception, on ne peut pas simplement agrandir l'antenne ; cela améliorera la quantité de signal intercepté par l'antenne, qui est en grande partie fonction de la surface, mais diminuera l'efficacité de la réception (à une longueur d'onde donnée). Ainsi, afin d'améliorer la réception, les concepteurs d'antennes utilisent souvent plusieurs éléments, en les combinant ensemble pour que leurs signaux s'additionnent. On les appelle réseaux d'antennes .

Pour que les signaux s'additionnent, ils doivent arriver en phase . Prenons deux antennes dipôles placées bout à bout sur une ligne, ou colinéaires . Si le réseau résultant est pointé directement vers le signal source, les deux dipôles verront le même signal instantané, et donc leur réception sera en phase. Cependant, si l'on devait faire pivoter l'antenne de manière à ce qu'elle soit à un angle par rapport au signal, le trajet supplémentaire du signal vers le dipôle le plus éloigné signifie qu'il reçoit le signal légèrement déphasé. Lorsque les deux signaux sont ensuite additionnés, ils ne se renforcent plus strictement l'un l'autre, et la sortie chute. Cela rend le réseau plus sensible horizontalement, tandis que l'empilement des dipôles en parallèle rétrécit le motif verticalement. Cela permet au concepteur d'adapter le motif de réception, et donc le gain , en déplaçant les éléments.

Si l'antenne est correctement alignée avec le signal, à tout instant, tous les éléments d'un réseau recevront le même signal et seront en phase. Cependant, la sortie de chaque élément doit être collectée en un seul point d'alimentation, et lorsque les signaux se déplacent à travers l'antenne jusqu'à ce point, leur phase change. Dans un réseau à deux éléments, cela ne pose pas de problème car le point d'alimentation peut être placé entre eux ; tout décalage de phase se produisant dans les lignes de transmission est égal pour les deux éléments. Cependant, si l'on étend cela à un réseau à quatre éléments, cette approche ne fonctionne plus, car le signal de la paire extérieure doit voyager plus loin et sera donc à une phase différente de celle de la paire intérieure lorsqu'il atteint le centre. Pour s'assurer qu'ils arrivent tous avec la même phase, il est courant de voir un fil de transmission supplémentaire inséré dans le trajet du signal, ou de croiser la ligne de transmission pour inverser la phase si la différence est supérieure à 1/2 longueur d' onde.

Le gain peut être encore amélioré par l'ajout d'un réflecteur . En général, tout conducteur dans une feuille plate agira comme un miroir pour les signaux radio, mais cela est également vrai pour les surfaces non continues tant que les écarts entre les conducteurs sont inférieurs à environ 1/10 de la longueur d'onde cible. Cela signifie que des treillis métalliques ou même des fils parallèles ou des barres métalliques peuvent être utilisés, ce qui est particulièrement utile à la fois pour réduire la quantité totale de matériau et pour réduire les charges de vent.

En raison du changement de direction de propagation du signal lors de la réflexion, le signal subit une inversion de phase. Pour que le réflecteur s'ajoute au signal de sortie, il doit atteindre les éléments en phase. En général, cela nécessite que le réflecteur soit placé à 1/4 de longueur d'onde derrière les éléments, ce qui peut être observé dans de nombreux réseaux de réflecteurs courants comme les antennes de télévision . Cependant, un certain nombre de facteurs peuvent modifier cette distance, et le positionnement réel du réflecteur varie .

Les réflecteurs ont également l'avantage de réduire le signal reçu depuis l'arrière de l'antenne. Les signaux reçus depuis l'arrière et rediffusés depuis le réflecteur n'ont pas subi de changement de phase et ne s'ajoutent pas au signal provenant de l'avant. Cela améliore considérablement le rapport avant/arrière de l'antenne, la rendant plus directionnelle. Cela peut être utile lorsqu'un signal plus directionnel est souhaité ou que des signaux indésirables sont présents. Il existe des cas où cela n'est pas souhaitable, et bien que les réflecteurs soient couramment utilisés dans les antennes réseau, ils ne sont pas universels. Par exemple, alors que les antennes de télévision UHF utilisent souvent un réseau d' antennes en nœud papillon avec un réflecteur, un réseau en nœud papillon sans réflecteur est une conception relativement courante dans la région des micro-ondes .

À mesure que des éléments supplémentaires sont ajoutés à un réseau, la largeur du faisceau du lobe principal de l'antenne diminue, ce qui entraîne une augmentation du gain. En théorie, il n'y a pas de limite à ce processus. Cependant, à mesure que le nombre d'éléments augmente, la complexité du réseau d'alimentation requis pour maintenir les signaux en phase augmente. En fin de compte, les pertes inhérentes croissantes dans le réseau d'alimentation deviennent supérieures au gain supplémentaire obtenu avec davantage d'éléments, ce qui limite le gain maximal qui peut être obtenu.

Le gain des antennes réseau pratiques est limité à environ 25–30 dB. Deux éléments demi-onde espacés d'une demi-onde et d'un quart d'onde d'un écran réfléchissant ont été utilisés comme antenne à gain standard avec environ 9,8 dBi à sa fréquence de conception. Les antennes de télévision courantes à 4 baies ont des gains d'environ 10 à 12 dB, et les conceptions à 8 baies peuvent augmenter ce gain à 12 à 16 dB. Le SCR-270 à 32 éléments avait un gain d'environ 19,8 dB. Certains réseaux réfléchissants très grands ont été construits, notamment les radars soviétiques Duga qui mesurent des centaines de mètres de diamètre et contiennent des centaines d'éléments. Les antennes réseau actives , dans lesquelles des groupes d'éléments sont pilotés par des amplificateurs RF séparés, peuvent avoir un gain beaucoup plus élevé, mais sont d'un coût prohibitif.

Depuis les années 1980, des versions destinées à être utilisées aux fréquences micro-ondes ont été réalisées avec des éléments d'antenne patch montés devant une surface métallique.

En mode de fonctionnement en phase, le diagramme de rayonnement du réseau réfléchissant est constitué d'un seul lobe principal perpendiculaire au plan de l'antenne, plus plusieurs lobes secondaires à angles égaux de chaque côté. Plus le nombre d'éléments utilisés est élevé, plus le lobe principal est étroit et moins la puissance rayonnée dans les lobes secondaires est importante.

Le lobe principal de l'antenne peut être orienté électroniquement dans un angle limité en déphasant les signaux de commande appliqués aux éléments individuels. Chaque élément d'antenne est alimenté par un déphaseur qui peut être contrôlé numériquement, ce qui retarde chaque signal d'une quantité successive. Cela fait que les fronts d'onde créés par la superposition des éléments individuels forment un angle par rapport au plan de l'antenne. Les antennes qui utilisent cette technique sont appelées réseaux phasés et sont souvent utilisées dans les systèmes radar modernes.

Une autre option pour orienter le faisceau consiste à monter toute la structure de l’antenne sur une plate-forme pivotante et à la faire tourner mécaniquement.