Du paraboloïde au réseau phasé : bref historique du développement des antennes radar aéroportées

Avec l'évolution des besoins de la guerre et les progrès scientifiques et technologiques, l'importance des combats aériens ne cesse de croître. Le développement des radars embarqués sur les avions de chasse en est un exemple typique. Visuellement, l'élément le plus visible de cette évolution est la modification de l'antenne. Examinons brièvement le développement des antennes radar aéroportées.

Le radar aéroporté a évolué, passant de simples fonctions de recherche et de télémétrie aériennes à ses débuts à des fonctions multifonctionnelles telles que la recherche, le suivi et le guidage de tir sur une vaste zone, mais aussi la topographie, la cartographie, l'imagerie SAR et bien d'autres. De manière générale, un radar aéroporté requiert des antennes présentant des caractéristiques telles qu'un gain élevé (pour accroître la portée de détection), un faisceau étroit (pour améliorer la précision des mesures angulaires) et de faibles lobes secondaires (pour résister aux interférences). Pour obtenir un gain élevé et un faisceau étroit, la solution la plus simple consiste à utiliser des antennes directionnelles, comme les antennes Yagi et les antennes paraboliques (à réflecteur unique). L'antenne Yagi étant trop volumineuse, et l'antenne parabolique permettant d'obtenir plus facilement de faibles lobes secondaires, les premiers radars aéroportés, après la Guerre froide, ont généralement adopté des antennes paraboliques.

Antenne parabolique (antenne à réflecteur unique).Ce type d'antenne utilise un paraboloïde de grande taille comme surface principale et un cornet placé en son centre, devant cette surface, comme source d'alimentation (alimentation directe). (Le cornet peut également être décalé par rapport à sa position centrale, on parle alors d'alimentation décalée.) Son principe de fonctionnement est similaire à celui d'un miroir parabolique en optique. En mode rayonnement, les ondes sphériques émises par le cornet frappent le paraboloïde, qui les transforme en onde plane et les propage dans l'espace. En mode émission et réception, la surface réfléchissante principale concentre ces ondes planes, appelées ondes sphériques, et les renvoie vers le haut-parleur d'alimentation. Ce type d'antenne est facile à réaliser en bande X et en bandes inférieures, présente une structure simple et un faible coût. Cependant, ses inconvénients sont également évidents. Les antennes paraboliques offrent généralement des performances élevées lorsque le rapport du diamètre focal (rapport entre la distance du cornet et la surface réfléchissante et la taille de la surface réfléchissante principale) est important. Cependant, leur profil global et leur volume sont plus élevés. De plus, lors de la rotation et du balayage de l'antenne dans son ensemble, l'espace occupé dans la tête de lecture/écriture est considérable, ce qui limite l'angle de balayage. Pour pallier ces difficultés, une antenne à double surface réfléchissante, dite « Cassegrain », a été développée.

Composition de base et schéma de fonctionnement d'une antenne parabolique

Composition de base et schéma de fonctionnement d'une antenne parabolique

L'antenne du radar SL1 (imitation du type soviétique РП-1/5) équipé de la version tous temps J-5A

Antenne Cassegrain.Il s'agit d'une antenne améliorée par rapport à une antenne à réflecteur unique. Comparée à cette dernière, l'ajout d'un sous-réflecteur permet d'optimiser la distribution des ondes électromagnétiques émises par le haut-parleur, en les réfléchissant vers le réflecteur principal. Ce dernier transforme alors l'onde sphérique ainsi formée en une onde plane et la diffuse dans l'espace. L'avantage est d'améliorer l'efficacité de l'ouverture de l'antenne, d'augmenter le gain, de réduire considérablement le rapport focal, l'encombrement et la taille de l'antenne. Le fait que le récepteur et le câble d'alimentation soient également situés sur la surface principale facilite le câblage et réduit le bruit du système. Cependant, l'introduction du sous-réflecteur entraîne un blindage accru de la surface principale, ce qui diminue le gain global de l'antenne et augmente le niveau des lobes secondaires.

Composition de base et principe de fonctionnement d'une antenne Cassegrain

Radar « Eagle » de l'avion intercepteur Su-15 (RP-11)

Radar « Eagle » de l'avion intercepteur Su-15 (RP-11)

Afin de résoudre le problème d'occlusion du sous-réflecteur, une antenne appelée antenne Cassegrain inversée a été proposée et largement utilisée dans les radars aéroportés. L'antenne Cassegrain inversée, également connue sous le nom d'antenne Cassegrain déformée, remplace le sous-réflecteur par un paraboloïde à grille polarisante et la surface principale par une plaque torsadée polarisante. (En pratique, dans l'antenne Cassegrain inversée, les positions des surfaces principale et secondaire diffèrent sensiblement de celles des antennes Cassegrain classiques.) Son principe de fonctionnement est très différent de celui des antennes Cassegrain : l'alimentation du cornet, située du côté de la plaque torsadée, émet des ondes électromagnétiques à polarisation linéaire horizontale. Ces ondes, réfléchies presque intégralement par la grille de polarisation, deviennent planes et frappent la plaque torsadée située à l'arrière, « tordant » l'onde à polarisation horizontale en une onde électromagnétique à polarisation linéaire verticale. Cette onde est ensuite transmise par la grille de polarisation avant et rayonnée dans l'espace libre. En résumé, bien que le faisceau émis par l'antenne à carte inversée subisse deux réflexions, elle diffère de l'antenne Cassegrain classique par un processus de torsion de la polarisation en son centre. La grille de polarisation située devant l'antenne bloque uniquement les ondes électromagnétiques à polarisation horizontale et n'a quasiment aucun effet sur les ondes à polarisation linéaire verticale. Par ailleurs, afin de lutter contre les interférences au sol, les antennes radar aéroportées sont majoritairement à polarisation linéaire verticale. Le balayage du faisceau est réalisé par rotation appropriée de la plaque de torsion de la polarisation. Ainsi, l'antenne à carte inversée résout le problème d'occlusion du sous-réflecteur et permet également un léger décalage de l'alimentation et de la grille de polarisation, réduisant encore l'encombrement global de l'antenne. Grâce à ces avantages uniques, les antennes à carte inversée sont très répandues dans les téléphones de deuxième génération.

Le principe de fonctionnement de l'antenne à carte rabattable repose sur le fait que la barre horizontale avant constitue une grille de polarisation. La plaque torsadée polarisée est disposée à un angle de 45 degrés à l'arrière.

Antenne carte inversée utilisée par le radar Sapphire-21 équipant le MiG-21BIS. À noter que la grille de polarisation n'est pas installée.

L'antenne Cassegrain inversée utilisée dans le système radar AI-24 du chasseur Tornado

L'antenne à carte inversée utilisée par le radar du Mig25 Tornado A ne possède pas de grille de polarisation.

L'antenne à carte inversée utilisée par le radar n001 du Su27 est également remarquable par le fait que sa surface de grille de polarisation n'est pas installée.

Antenne à carte inversée utilisée par le radar n001 du Su-27. À noter qu'elle est présentée complète, avec sa grille de polarisation.

Le principe de fonctionnement de base des antennes mentionnées ci-dessus repose sur la forme des surfaces réfléchissantes, qui diffèrent par des détails tels que le nombre de surfaces réfléchissantes (simple ou double) et la présence ou non d'une torsion de polarisation. En contrôlant la distance entre le haut-parleur et la surface principale, en ajustant le gradient d'éclairage, etc., il est aisé d'obtenir un gain élevé et de faibles lobes secondaires. Des performances satisfaisantes peuvent également être obtenues dès les premières étapes. Par ailleurs, bien que les exigences de fabrication des antennes fonctionnant avec des surfaces réfléchissantes ne soient pas élevées (relativement favorables en bande X, mais la difficulté augmente fortement dans les bandes de fréquences supérieures), leur coût reste acceptable. Cependant, l'amélioration des performances des radars aéroportés a engendré de nouvelles exigences pour les antennes, telles qu'un angle de balayage plus large, des lobes secondaires réduits et la réalisation de faisceaux façonnés. Les antennes à carte inversée présentent des défauts inhérents : des fuites d'énergie constantes (entraînant une réduction de l'efficacité d'ouverture et une perte de gain), une distorsion importante du faisceau lors du balayage (diminution du gain du lobe principal, élargissement du faisceau principal et augmentation des lobes secondaires) et un poids conséquent. C'est pourquoi on considère que les avions de troisième génération destinés à la suprématie aérienne, tels que les MiG-29 et Su-27, utilisaient initialement des antennes Cassegrain inversées, un choix plutôt rudimentaire.

Nous savons que, pour répondre aux exigences des radars aéroportés (gain élevé, faisceau étroit et faibles lobes secondaires), les antennes paraboliques étaient initialement utilisées en raison de leur structure simple. Il existe également une antenne, légèrement plus complexe mais aux performances supérieures : l’antenne réseau planaire. Ce type d’antenne est constitué de dizaines, voire de centaines ou même de milliers de petites antennes unitaires, disposées uniformément sur la surface du réseau selon des règles et un espacement précis. Une antenne unitaire isolée peut présenter un faisceau très large et un faible gain, mais grâce à la synergie de nombreuses antennes unitaires au sein du réseau, on peut obtenir un gain très élevé, un faisceau étroit et des lobes secondaires extrêmement faibles (il est même possible de l’adapter ultérieurement à un réseau planaire à commande de phase). De ce fait, et grâce à ses excellentes performances, l’antenne réseau planaire a rapidement supplanté les antennes réfléchissantes et est devenue la norme dans les systèmes radar aéroportés de troisième génération, de troisième génération modifiée et de quatrième génération. Aujourd’hui, la quasi-totalité des radars aéroportés de pointe, notamment les radars à commande de phase, utilisent des antennes réseau planaires.

Les antennes réseau planaires courantes comprennent les réseaux à fentes de guide d'ondes (plaques plates), les réseaux de guides d'ondes ouverts, les réseaux dipôles, les réseaux d'antennes Vivaldi, les réseaux d'antennes patch microstrip, etc.

Le réseau de fentes de guide d'ondes est une structure de transmission micro-ondes courante. Des fentes sont pratiquées à la surface du guide d'ondes, permettant à chaque fente de faire office d'antenne pour rayonner des ondes électromagnétiques. Ce réseau présente l'avantage d'une adaptation d'impédance avec la structure d'alimentation et d'une capacité de puissance élevée. Les fentes de guide d'ondes aériennes semblent découpées dans une plaque plane ; c'est pourquoi on les appelle parfois réseaux de fentes planes.

Le radar APY1 utilisé par E3 est doté d'un réseau d'antennes à fentes de guide d'ondes.

Le réseau de fentes à plaque plane utilisé par le radar APG63 du F15 possède une antenne (réseau) d'éléments IFF qui dépasse de la périphérie.

 Le réseau de fentes à plaque plane utilisé par le radar APG63 du F15 possède une antenne (réseau) d'éléments IFF qui dépasse de la périphérie.

Le réseau de fentes à plaque plane utilisé par le radar APG66 du F16A/B

L'antenne réseau à guide d'ondes ouvert présente des caractéristiques similaires. Elle utilise également une structure de guide d'ondes, mais au lieu d'orifices et de fentes, elle exploite directement la surface d'ouverture du guide pour émettre des ondes électromagnétiques. Du fait de sa section transversale légèrement plus importante et de son poids plus élevé, ce type de guide d'ondes ouvert est plus fréquent dans les radars terrestres ou navals et rarement utilisé dans les radars aéroportés.

La structure décrite ci-dessus, qui utilise des guides d'ondes pour l'alimentation et le rayonnement, favorise l'adaptation d'impédance de l'antenne et sa capacité de puissance élevée constitue son principal avantage. Cependant, la bande passante de l'antenne est souvent limitée et son poids difficile à maîtriser. Par conséquent, de nombreuses conceptions novatrices ont progressivement été intégrées aux systèmes radar aéroportés.

En réalité, à la fin de la Guerre froide, afin d'accroître la vitesse de balayage et les performances des radars aéroportés (recherche, poursuite, conduite de tir, guidage, détection du sol, etc.), les ingénieurs ont utilisé des antennes à réseau phasé, une technologie toujours considérée comme de pointe. L'apparence d'une antenne à réseau phasé est très proche de celle d'une antenne réseau planaire classique. On peut même la considérer comme une simple modification de la structure d'alimentation d'une antenne réseau planaire à balayage automatique (l'émetteur/récepteur et l'algorithme de traitement du signal étant, bien sûr, considérablement différents). L'ajout d'un déphaseur à l'extrémité de l'antenne permet d'obtenir une antenne à réseau phasé passive (PESA). Sans déphaseur, l'ajout d'un transformateur d'antenne (TR) permet d'obtenir une antenne à réseau phasé active (AESA). Pour les ingénieurs, le même réseau d'antennes peut être utilisé pour les deux types d'antennes. Ainsi, les antennes planaires présentent un fort potentiel de conversion vers les antennes à réseau phasé.

Les radars modernisés avec des antennes AESA offrent une puissance d'émission accrue, une portée de détection plus longue, un balayage de faisceau plus sensible et des fonctions de mise en forme de faisceau plus performantes. Il est également plus facile d'obtenir un lobe secondaire moyen de -50 ou -60 dB.

Prenons l'exemple du F-22. Le radar AESA de ce chasseur furtif de nouvelle génération utilise de préférence des antennes dipôles (l'image montre l'antenne dipôle en forme de parapluie utilisée par le radar APG-77 du F-22). Ce système utilise une antenne dipôle à large bande. Son diagramme de rayonnement est large, ce qui facilite le balayage grand angle.

Antenne radar APG77 du F22

L'élément qui dépasse à l'avant peut facilement être confondu avec un composant TR. À proprement parler, il s'agit en fait de la surface de l'antenne. Le composant TR est connecté derrière l'antenne (bien que ce composant soit généralement intégré à l'antenne, il est traité séparément ici).

Le radar AESA RBE2 équipant le nouveau Rafale (voir image ci-dessous) utilise un réseau d'antennes Vivaldi. Ce type d'antenne se caractérise par une bande passante particulièrement large, permettant ainsi d'étendre la bande passante de l'ensemble du réseau.

RBE2AESA

RBE2AESA

Bien sûr, certains radars sont plus spécifiques. Par exemple, le radar APY9 utilisé par l'avion de détection et de contrôle aérien E2D (voir ci-dessous) utilise une antenne Yagi. La longueur d'onde de l'onde électromagnétique dans la bande UHF étant importante, la taille de l'antenne est très limitée. Afin d'obtenir un faisceau étroit et un gain élevé, le faisceau de l'antenne doit être réduit, ce qui explique le choix idéal de l'antenne Yagi. Utilisée seule, l'antenne Yagi à gain élevé améliore significativement le gain du réseau. Cependant, tout est relatif. Le faisceau étroit de l'antenne Yagi limite considérablement la capacité de balayage grand angle du réseau. Lorsque l'angle de balayage s'écarte fortement de la normale, la diminution du gain et la distorsion du signal sont très marquées. C'est pourquoi l'APY9 utilise une combinaison de balayage électromécanique pour pallier ces limitations.

Réseau linéaire d'antennes Yagi 2*9 utilisées par le radar E2D APY9

C’est le développement de la technologie des réseaux à commande de phase qui a permis aux antennes aéroportées d’atteindre un nouveau niveau.

Le développement des antennes reflète à lui seul l'évolution technologique globale des radars. Bien que l'apparence d'une antenne ne permette pas de tirer de conclusions sur les performances globales d'un radar, les ingénieurs s'attachent souvent à coordonner et à équilibrer les différents systèmes. Pour qu'un système radar performant repose sur une antenne de qualité, il est essentiel que celle-ci contribue également à son succès. À l'avenir, les ingénieurs s'attacheront à résoudre des problèmes tels que le balayage grand angle des antennes à réseau phasé (en étendant la plage de balayage actuelle de +60 degrés), l'ultra-large bande, l'ouverture commune et la conformabilité, afin de favoriser le développement des systèmes radar aéroportés.

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