Brevet FR2027580A1 — publié le 19701002

la présente invention concerne les appareils radars et, plus particulièrement, les appareils radars utilisant la technique dénommée "compression d'impulsion", c'est-à-dire des systèmes dans lesquels la fréquence de l'impulsion émise varie, habituellement 5 de façon linéaire, pendant toute la durée de cette impulsion. la compression d'impulsion utilisée dans les systèmes radars est une technique suivant laquelle la puissance de crête émise, qui est normalement nécessaire pour assurer un bon pouvoir de résolution à distance ou une bonne précision en portée et pour aider à effec-10 tuer la discrimination entre des cibles et un environnement générateur de parasites sur les écrans, peut être réduite jusqu'à une va leur relativement faible « Par exemple, une puissance de crête émise de 150 mégawatts serait normalement nécessaire dans un appareil radar du type à bande S (c'est-à-dire la bande des fréquences compri-15 ses entre 1550 et 5200 MHz) ayant une puissance moyenne de 5 kilo- -watts et utilisant des impulsions présentant une durée de 0,1 microseconde avec un taux de répétition d'impulsions de 330 impulsions par seconde. En s'arrangeant pour que le système de compression d'impulsion fournisse un taux de compression de 50:1, la puissance 20 de crête peut être réduite à 3 mégawatts. Cependant, les systèmes de compression d'impulsion entraînent habituellement la nécessité de prévoir des émetteurs à amplificateurs commandés et, de ce fait, le coût de ces systèmes est largement supérieur à celui des systèmes dans lesquels on peut obtenir des impulsions à fréquence cons-25 tante en utilisant des magnétrons ou d'autres oscillateurs de puissance relativement peu coûteux. l'invention a pour but de réduire le coût des systèmes de compression d'impulsion en prévoyant d'associer à un magnétron ou à un autre oscillateur similaire une ligne de transmission et un dis-30 positif permettant d'accélérer le déplacement d'un court-circuit effectif le long de cette ligne de transmission, en direction du magnétron ou de l'autre oscillateur, de façon à produire une variation de fréquence par effet Doppler-Fizeau dans l'onde réfléchie avant qu'elle ne soit appliquée à un aérien associé à ladite ligne 35 de transmission. Pour obtenir ce court-circuit effectif associé à la ligne de transmission, on peut prévoir d'accélérearun plasma de gaz ionisé produit dans un guide d'ondes ou un câble coaxial le long du tube, avec la vitesse nécessaire pour produire la variation de fréquence 69 42037 2 2027580 désirée due à l'effet Doppler en appliquant des forces électriques et magnétiques convenables. Le plasma se comporte comme un excellent réflecteur à faibles pertes pour l'énergie incidente en hyper-. fréquences, 5 L'invention est matérialisée dans un système de compression d'impulsion destiné à un appareil radar, caractérisé en ce qu'il comprend un oscillateur de grande puissance à fréquence élevée, une ligne de transmission connectée à la sortie de cet oscillateur, et un dispositif destiné à accélérer le déplacement d'un court-circuit 10 effectif le long de cette ligne de transmission en direction de l'oscillateur, de façon à produire une variation de fréquence par effet Doppler dans l'onde réfléchie avant qu'elle ne soit appliquée à un aérien associé à ladite ligne de transmission. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-15 après d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple et en se référant au dessin annexé, dont la figure unique représente^un système de compression d'impulsion destiné à un appareil radar. Comme cela a été indiqué précédemment, un taux de compression d'impulsion de 50:1 est nécessaire dans un appareil radar à bande 20 du type S (1550 à 5200 MHz) de façon à réduire la puissance de crête, par exemple de 150 mégawatts à 3 mégawatts. Pour obtenir ce résultat, le produit de la durée de l'impulsion émise par la largeur de bande de la variation de fréquence dans l'impulsion doit être.égal à 50, Par conséquent, si la durée de l'impulsion émise est de 5 microse-25 condes, la variation ou la largeur de bande de fréquence pour l'impulsion sera de 10 MHz et cette variation ou ce balayage de fréquence peut être linéaire pendant la durée de l'impulsion.' Dans le système selon l'invention, qui sera décrit ci-après, un court-circuit effectif est accéléré le long d'une ligne de trans-30 mission en direction d'un magnétron de façon à produire une variation de fréquence par effet Doppler dans la fréquence de l'onde réfléchie à partir du court-circuit. La vitesse finale d'un tel court circuit le long de la ligne de transmission sera donnée par la formule y = n§. 35 Dans cette formule fd représente la variation de fréquence due à l'effet Doppler, ç la vitesse de propagation et f8 la fréquence émise. Ainsi, pour obtenir une variation de fréquence par effet Doppler égale à 10 MHz dans un signal émis à 3000 MHz, la vitesse fina 69 42037 3 2027580 le est égale à :- , y = 1°7x ? x 10q° = 5 x 107 cm/sec» 2 x 3 x 10y 5 en prenant c = 3 x 10^ cm/sec, qui est la vitesse de - propagation dans le vide» Pourvu que le court-circuit devant être produit dans la ligne subisse une accélération de valeur constante à partir de son état de repos existant au début de l'impulsion émise jusqu'à la vitesse 10 finale mentionnée ci-avant, l'onde réfléchie subit une variation ou un balayage de fréquence linéaire de 10 MHz pendant l'impulsion» En supposant que l'impulsion ait une durée de 5 microsecondes, le court-circuit se déplace alors pendant cette période sur, une distance donnée par S = ^ g ^ x t. 15 flans cette formule, u est la vitesse initiale, b la vitesse finale et t représente le temps. la distance parcourue est ainsi égale, comme on peut le calculer, a 125 cm. Par conséquent, le court-circuit devra se déplacer de 125 cm le long de la ligne de transmis n sion pour atteindre une vitesse de 5 x 10 cm/sec0 20 L'énergie électromagnétique possédant une fréquence d'oscilla tion sera totalement réfléchie si ; -f2 _ Ne2 42&0m dans cette formule : 25 N est le nombre des électrons par m5 —1 Q e est la charge des électrons (1,59 x 10" v Coulombs) m est la masse de l'électron (9 x 10""^ kg) Gq est la constante diélectrique du vide. 30 Suivant, cette formule, on peut calculer la concentration d'élec- 113 trons nécessaire pour 3000 KSz et on trouve 1,1 x 10 par cm. Cette valeur est relativement faible et peut être obtenue en utilisant un dispositif à plasma tel que celui prévu dans le système décrit ci-après. 35 Si l'on se réfère aaintenant au système visible sur la figure, celui-ci comprend un dispositif à plasma dési-né d'une façon générale par 1, ainsi qu'un tube ou un guide d'ondes 2, qui est connecté par l'intermédiaire d'un guide d'ondes 3 à la sortie d'un magnétron 4. Ce magnétron est mis en vibration d'une façon classique à partir d'un modulateur 5 qui fournit également une partie de 69 42037 4 2027580 la tension au dispositif à plasma 1. Lors du fonctionnement, avant chaque sortie dlmpulsion à 3000 MHz provenant du magnétron, une masse de gaz G- (de l'hydrogène par exemple) est injectée dans le tube à plasma ou le guide d'ondes 2 5 par l'intermédiaire d'une électrode creuse 6 à laquelle une partie de la tension d'impulsion du modulateur du magnétron est appliquée comme indiqué, précédemment. Selon une variante, on peut utiliser une électrode émissive à réserve au lieu d'un dispositif à é-lectrode d'injection de gaz. Le gaz injecté est ionisé et, du fait 10 que son axe est perpendiculaire au champ magnétique appliqué H qui s'étend transversalement au tube 2, il subit une accélération dans le tube en direction du magnétron 4. La force ou l'intensité du champ H est maintenue constante en même temps que le courant de la colonne de gaz, de sorte que la force constante exercée sur 15 le gaz produit une accélération constante du gaz ionisé. Pendant cette opération, l'impulsion de sortie du magnétron, qui attaque le plasma subissant l'accélération, est réfléchie continuellement par ce dernier et quitte la ligne de transmission par l'intermédiaire d'un dispositif de couplage ou d'un circulateur 7 20 pour être appliquée à un aérien A. L'accélération du plasma, qui agit conmeun réflecteur à faibles pertes pour l'énergie de l'impul sion, produit une variation par effet Doppler dans la fréquence de l'impulsion. Il peut être nécessaire de prolonger l'électrode 6 le long de la ligne de transmission, pour maintenir l'ionisation 25 du gaz d'un bout à l'autre de son parcours. Le modulateur 5 doit être capable, dans le système décrit, de fournir la puissance dissipée dans le plasma en même temps que celle nécessaire au fonctionnement du magnétron 4. La puissance de l'arc du plasma doit être relativement faible, mais elle apparaît néanmoins comme une 30 perte dans le système. L'évacuation ou le pompage continu du tube à plasma ou du guide d'ondes 2 est généralement nécessaire pour empêcher un refroidissement excessif du plasma et également pour empêcher une distribution ou un étalement non contrôlé de l'ionisation. Pour ce faire, le tube 2 est fermé au niveau de son extré-35 mité la plus proche du magnétron à l'aide d'un diaphragme à vide 9 et on y fait le vide par l'intermédiaire d'un raccord 10 en utilisant une pompe à vide (non représentée). On peut considérer comme une variante du système décrit l'utilisation d'une ligne de transmission coaxiale dans laquelle le plasma est obtenu sous la forme 69 42037 5 2027580 d'un réflecteur annulaire radial se déplaçant sous l'influence d'un champ magnétique créé en faisant circuler un courant dans le conducteur central de la ligne. Lorsqu'on veut déterminer les puissance approximatives des 5 champs ainsi que d'autres données nécessaires, on peut faire certaines suppositions mais, du fait que la vitesse finale du plasma est plusieurs fois inférieure aux vitesses relevant des lois de la relativité, il est possible d'appliquer les lois électromagnétiques et mécaniques classiques. 10 Dans le cas particulier étudié ici, la vitesse finale de 5 x 10^ cm/sec nécessite une accélération constante égale à I.iiOfll =io13om/Seo2 - * 5 x 10-6 15 Sn supposant maintenant que la masse de la colonne de gaz io- 1 *5 nisé est m, la force d'accélération est égale àP = ma=10 m. Si l'on obtient la force totale disponible appliquée à la colonne en utilisant des valeurs raisonnables de densité de flux magnétique transversal et de courant d'arc, on peut établir des 20 valeurs limites pour m. En supposant un courant d'arc de 100 ampères et une densité de flux magnétique de 100 gauss (cette densité de flux est nécessaire dans un entrefer de l'ordre de 7,5 cm et pour une surface d'envi- ron 215 cm en utilisant des dimensions de guide d'ondes à bande 25 du type S), on peut alors calculer la force agissant sur la colonne B I 1 de gaz suivant la formule : F = dynes. Dans cette formule : B est la densité de flux =100 gauss I est le courant d'arc =100 ampères 30 1 est la dimension la plus étroite du guide= 3,5 cm. La formule devient alors ï p = 100 x^OO x ?tg = x 103 àynes Cette force d'accélération peut alors être liée à la valeur 35 du produit (masse x accélération) pour déterminer la masse maximale possible de gaz pour les paramètres choisis. Ainsi, 3,5 x 103 = 1015 x m. c'est-à-dire que m = (grammes-masse) 1015 69 42037 6 2027580 ou encore, du fait que m = — (w représentant le poids du gaz) 3,5 x IO3 x 981 on a î w = T5 grammes 1013 —7 5 qui est sensiblement égal à : 3,5 x 10 grammes » Si l'on suppose utiliser de l'hydrogène comme élément constitutif du plasma on peut appliquer les données suivantes î densité de l'hydrogène (EL) dans les conditions normales de tempé- «.R 7 rature et de pression = 9 x 10 g/cm» 10 Par conséquent, 3,5 x 10 1 grammes représentent, dans ces con ditions normales de température et de pression, un volume de 3.5 x 10"7 x 105 ....3 cm-', ^ c'est-à-dire un volume de 4 x 10""3 cm3 environ. Si l'on suppose que la pression de fonctionnement nécessaire est pour l'hydrogène de l'ordre de 0,5 mm de mercure flâna la zone d'amorçage ou l'espace d'arc, on peut utiliser la loi PxV=K et en déduire que la présence de 4 x 10~3 cm3 d'hydrogène, dans les con-20 ditions normales de température et de pression, occupe un volume de T = 2 x 760 x 4 x 10"~3 cm3, c'est-à-dire voisin de 6,0 cm3. Sn prenant une longueur de 3,5 cm pour la colonne de plasma, on obtient ainsi un diamètre d ' environ 1,5 cm. Comme on peut s'en rendre compte d'après ce qui précède, le 25 dispositif à plasma produit une variation de fréquence due à l'effet Doppler-Fizeau dans l'impulsion transmise à partir du magnétron et évite, par conséquent, le besoin des équipements à amplificateurs commandés qui sont coûteux et complexes. Des modifications peuvent être apportées aux modes de réali— 30 sation décrits, dans le domaine des équivalences techniques, sans s'écarter de l'invention. 69 42037 7 2027580 3 E V B U D I C A T I OIS 1Système de compression d'impulsion destiné à un appareil radar, caractérisé en ce qu'il comprend un oscillateur de grande puissance à fréquence élevée, une ligne de transmission connectée 5 à la sortie de l'oscillateur, et un dispositif destiné à accélérer le déplacement d'un court-circuit effectif le long de cette ligne de transmission en direction de l'oscillateur, de façon à produire une variation de fréquence par effet Doppler dans l'onde réfléchie avant qu'elle ne soit appliquée à un aérien associé à 10 ladite ligne de transmission. 2.- Système de compression d'impulsion suivant la revendication 1, caractérisé eri ce que l'oscillateur est un magnétron. 3.- Système de compression d'impulsion suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le court-circuit effectif est obte- 15 nu par l'intermédiaire d'un plasma de gaz ionisé produit dans un guide d'ondes ou dans un câble coaxial et accéléré le long du guide d'ondes grâce à l'excitation d'un dispositif destiné à produire des forces magnétiques et électriques convenables pour influencer ce plasma. 20 4.- Système de compression d'impulsion suivant la revendica tion 3, caractérisé en ce que le mag^nétron est mis en oscillation à partir d'un modulateur, qui fournit également une certaine ten -sion au dispositif à plasma de façon à provoquer l'accélération du plasma le long du guide d'ondes.