Brevet FR2064226A1 — publié le 19710716

i 2064226 La présente invention concerne les réseaux d'antennes directifs en général et, plus particulièrement, un procédé et des moyens permettant de corriger et de linéariser la distribution de phase parmi les éléments d'un long réseau d'antenne fortement dispersif, à onde lente. 5 Dans la technique antérieure, on a conçu divers systèmes de radar utilisant le fait qu'une ligne de transmission à onde lente alimentant un réseau linéaire constitue une structure pour une exploration sans inertie. La ligne de transmission est fréquemment repliée en vin serpentin ainsi qu'il a été décrit dans le brevet américain N° 3 039 097. 10 Une telle forme s'adapte de façon inhérente à l'orientation du faisceau en fonction de la fréquence d'excitation et, par conséquent, à l'exploration sans inertie. Dans le brevet américain N° 3 438 035, on a décrit un système dans lequel un certain nombre de réseaux à fentes alimentés par un guide d'onde en forme de serpentin sont assemblés pour former un réseau à deux dimensions, 15 capable d'engendrer une directivité dans les deux coordonnées. Dans ce brevet de la technique, antérieure, l'excitation en fréquence variable produit une exploration en fréquence dans une coordonnée. Les principes qui décrivent le fonctionnement de ces dispositifs comme dispositifs d'exploration en fréquence sont bien connus de l'homme de l'art. 20. Un problème pratique se présente en ce qui concerne un dispositif d'explo ration construit à l'aide de guidesd'ondes en forme de serpentin, usinés tels qu'ils ont été décrits aux-figures 1 et 4 du brevet américain n° 3 438 °35« C'est ainsi que l'usinage devient extrêmement coûteux si le degré d'uniformité de la distribution de phase indispensable pour engendrer les diagrammes de 25 faisceau dans l'espace, tels qu'ils sont souhaités, doit.être maintenu dans des limites de tolérances étroites. De plus, l'angle d'orientation du faisceau pour chaque réseau linéaire en fonction de la fréquence d'excitation doit être la ^même à une faible tolérance près. La présente invention a pour objet de résoudre ces difficultés. 30 En raison des problèmes pratiques qui se présentent dans les structures de ' la technique antérieure ayant le caractère décrit, le principal objet de la présente invention est de prévoir un procédé et une structure permettant de linéariser et d'uniformiser toute la distribution de phase d'm réseau linéaire à onde lente alimenté par guide d'onde. Un certain nombre de ces réseaux peu- \ 35 vent ainsi être correctement assemblés, en un réseau à deux dimensions doté de caractéristiques de diagramme et d'exploration qui peuvent être prévues. En corollaire, on peut considérer que l'objet de l'invention est de parvenir à ce but en utilisant des structures de guides d'ondes usinées (ou des serpentins fabriqués selon tout autre procédé), avec des tolérances'de fabrication 40 raisonnables- 7 rt îirfti / u 2064226 w> V O 7 Z. Dans le brevet américain N° 3 438 035» on suppose que les serpentins sont usinés par moitié et assemblés mécaniquement. Cette structure particulière s'adapte spécialement à la présente invention comme on s'en apercevra à mesure que se poursuit la description. 5 La présente invention est basée sur le fait que le charge partielle d'un guide d'onde rectangulaire au moyen d'un panneau ou plaquette diélectrique perpendiqulaire au champ E, retarde l'onde électromagnétique se propageant le long du guide. Si la plaquette diélectrique s'étend sur toute la dimension longitudinale (dimension "a"), par exemple d'un guide d'onde à air, on peut 10 démontrer que : \j1 - ; - 15 où A g = longueur d'onde du guide dans un guide partiellement rempli ; Ao = longueur d'onde dans l'espace libre ; d * épaisseur de la plaque diélectrique ; b = petite dimension de la section de guide d'onde rectangulaire ; a = grande dimension de la section du guide d'onde rectangulaire j 20 e^ = constante diélectrique relative à la plaque diélectrique. Des recherches expérimentales montrent que la longueur d'onde du guide décrit ci-dessus est inférieure à la longueur d'onde de guide dans un tronçon correspondant de guide d'onde ne comportant pas la plaquette diélectrique. Par conséquent, pour des longueurs égales de guides d'onde identiques dont 1'un com-25 porte une plaquette et l'autre n'en comporte pas, celui qui comporte la plaquette retarde une onde électromagnétique de façon plus importante ou l'amène à subir un déphasage plus négatif dans sa propagation sur toute la longueur. Les plaquettes diélectriques de la présente invention sont, en fait, des bandes de ruban diélectrique choisi pour sa perte faible et la facilité awec laquelle il peut 30 être mis en place. Le principe fondamental décrit ci-dessus est celui selon lequel les bandes de ruban de la présente invention fonctionnent, c'est-à-dire que les bandes provoquent un plus grand retard dans le champ qu'une section correspondante de la structure à onde lente ne comportant pas les bandes. C'est la . capacité qu'ont les bandes de rubaïi de perturber la constante de propagation 35 qui provoque cet effet. L'effet des bandes de ruban sur la constante de propagation peut être calculé à partir de la formule ci-dessus mais, cependant, un programme expérimental contrôlé avec soin s'est révélé être une manière empirique sûre pour déterminer avec précision l'effet produit par une bande de ruban donnée sur la constante de propagation. 40 Le procédé pour l'application des rubans diélectriques consiste à déterminer 2064226 70 36592 3 'ëftTprefiffëfi*" Ifëû le déphasage subi par le champ électrique. La structure de serpentin usinée en moitiés mentionnée ei-dessus est de toute évidence aisément adaptée à la mise en place des bandes de ruban qui doivent remplir la fonction de la plaquette diélectrique, mais cependant, comme première étape, le serpentin 5 est assemblé sans les rubans et sa phase est contrôlée. Une application particulière de la présente invention a consisté dans la préparation d'un serpentin conçu pour fonctionner au voisinage de 9*0 GHz. Le contrôle de phase a été réalisé facilement en utilisant un équipement pour test à micro-ondes connu en lui-même. 10 Dans le contrôle de phase, la phase de l'énergie à des incréments égaux prédéterminés (de Y éléments chacun) le long du réseau, est déterminé par rapport à l'entrée du guide d'onde. On obtient ainsi des points discrets sur la courbe de distribution de phase. La correction indispensable de (A 0) pour linéariser la courbe en ces points est alors facilement déterminée et convertie en un nom-15 bre discret de bandes unitaires diélectriques, chacune correspondant à un faible déphasage équivalent prédéterminé. Elles sont ensuite réparties uniformément sur les parois intérieures du serpentin de dimensions "a" parmi les chemins sé- A ÇS parant les éléments rayonnants adjacents. Ainsi m déphasage de est introduit entre les éléments rayonnants adjacents. 20 Les objets et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemplesde réalisations, ladite description étant faite en relation avec les dessins ci-annexés dans lesquels : La figure 1 est un schéma représentant un réseau à deux dimensions composé 25 de M réseaux linéaires pour lequel la présente invention présente une utilité, La figure 2 représente schématiquement un réseau linéaire fendu à N éléments yie l'assemblage de M réseaux linéaires de la figure 1, La figure 3 est un graphique de la répartition de phase destiné à illustrer la correction de deux serpentins classiques selon l'invention, 30 La figure 4 représente une vue partielle de deux moitiés d'une structure de guide d'onde en serpentin selon la technique, antérieure mais comportant des plaquettes diélectriques disposées selon la présente invention, La figure 5 représente une vue latérale partielle de la moitié de la structure de la figure 4. \ 35 Si l'on se réfère à la figure 1, le réseau à deux dimensions représenté schématiquement peut être celui qui a été décrit dans le brevet américain n° 3 438 035. Cette illustration a pour but d'établir l'identification et la relation des éléments et du réseau linéaire "N" et "M" respectivement, pour les besoins de la description. Le réseau d'alimentation 1 peut être aisément le 40 répartiteur de phase à guide d'onde de largeur variable de ce brevet, et les 70 36592 « 2064226 îèsi6' éléments rayonnants à fente 2 et 3 dans le M réseau linéaire de la figure 1 pourraient être les fentes correspondantes. La terminaison de ligne ou charge en serpentin 4 est un expédient simple bien connu de l'homme de l'art et pourrait être constituée par l'une quelconque des réalisations bien connues. 5 Dans la figure 2, le serpentin représenté schématiquement pourrait être celui de l'un quelconque des réseaux linéaires 1 à M de la fig.l, les numéros des éléments de fente de 1 à N se correspondant également. La distance "d" représente l'écartement extérieur superficiel dans le réseau des éléments par rapport à S qui représente la longueur de parcours entre les éléments rayonnants dans le 10 guide d'onde en serpentin. La perpendiculaire au réseau est représentée par un vecteur 7 et la ligne de front d'ondes 5 est celle qui correspondrait à une fréquence arbitraire d'excitation produisant une distribution de phase correspondante sur les 1 à N éléments. Le vecteur 6 est orienté dans le sens du rayonnement (c'est-à-dire la perpendiculaire à la ligne de champ de phase 5), 15 lequel vecteur 6 forme un angle 0 avec la perpendiculaire du réseau physique 7. La figure 3 fournit les courbes 6' et 7' de répartition de phase non compensées de deux serpentins A et B choisis avec un fini arbitraire. La courbe 5' est la ligne de phase théorique, ou de référence, qui constitue la courbe idéale à laquelle les serpentins A et B doivent être adaptés par eor-20 rection grâce au procédé et à la structure de la présente invention. Avant de poursuivre la description des autres figures, il convient de présenter un exposé théorique supplémentaire du problème et de sa solution. Afin de localiser le faisceau du réseau en un certain point distant dans l'espace, il est extrêmement souhaitable que les contours de même phase du 25 champ rayonné soient situés dans des plans. Pour obtenir ces contours de phase plans dans le champ distant, il est nécessaire comme on l'a déjà indiqué,que la distribution de phase le long de chacun des réseaux linéaires soit elle-même linéaire. Il est évident que la distribution de phase à travers le réseau d'alimentation doit être également linéaire. Il ne suffit pas que chaque 30 distribution du réseau linéaire présente la même pente ; les distributions de phase le long', de chaque réseau linéaire doivent, en fait, être égales à une faible tolérance près. Le réseau linéaire alimenté par serpentin que concerne la présente invention, est généralement considéré comme un réseau à onde progressive, ces réseaux pouvant être explorés en fréquence sur un angle 0^ à 6^ à mesure 35 que la fréquence varie de f^ à f^ . Dans la plupart des applications, il est souhaitable que le faisceau effectue un balayage sur une plage relativement étendue d'angles en utilisant seulement une gamme de fréquences modérée. Ordinairement, cette dispersion est réalisée en utilisant une structure à onde lente dont la géométrie est représentée sur la figure 2. 40 Bien que la présente invention soit décrite en considérant que les éléments 70 36592 , 2064226 rayonnants individuels dans la paroi longitudinale du guide d'onde en serpentin sont des fentes j ces éléments peuvent cependant être des dipôles individuels ou quelque autre type d'élément rayonnant. Dans un guide d'ondes en serpentin, le guide d'ondes est alternativement 5 replié sur lui-même ainsi qu'il a été indiqué selon la technique antérieure mentionnée, de manière que la distance mécanique entre les éléments rayonnants, mesurée dans le guide d'ondes,soit sensiblement supérieure à la distance en ligne droite entre les éléments rayonnants le long de la surface du réseau. Dans la pratique, la distance "d" de la figure 2 est légèrement infé-10 rieure à la longueur d'onde dans l'espace libre, tandis que la distance "S" peut être un multiple d'ordre élevé d'une demi-longueur d'onde à l'intérieur du guide. Le résultat est une structure fortement dispersive, c'est-à-dire dont la phase relative entre les éléments rayonnants adjacents varie très rapidement à mesure que la fréquence d'excitation varie. 15 Pour un réseau plan typique de forme classique fonctionnant au voisinage de 9 GHz, "M" et "N" peuvent parfaitement des nombres excédant 150. En ce qui concerne la fabrication, une structure à onde lente en serpentin de ce type peut être obtenue par brasage par inmersion et assemblage de tronçons de guide d'onde rectiligne alternés en me série de coudes à l80°. Cette tech-20 nique de fabrication est généralement considérée comme adéquate quand l'encombrement résultant n'est pas m inconvénient restrictif et que les conditions de tolérance et de faculté de répétition ne sont pas trop strictes, par exemple me telle fabrication conviendrait mieux lorsque me seule structure de serpentin est souhaitée, comme par exemple dans le brevet américain n° 3 039 097. 25 Dans les cas où de nombreuses structures à ondes lentes identiques très compactes sont nécessaires pour la construction d'un réseau plan à deux dimensions, la technique d'usinage global est mieux applicable. Selon cette technique, les structures à onde lente individuellessont usinées dans la masse du matériau, par exemple en utilisant des fraiseuses verticales à programme numé-30 rique. Chaque serpentin est usiné par moitié, la séparation entre me demi structure dans l'élément assemblé se présentant le long du milieu de la paroi longitudinale pour me ligne de transmission à guide d'onde rectangulaire classique. C'est le type de structure et de procédé de fabrication qui permet d'obtenir m dispositif tel que celui qui a été décrit dans le brevet américain 35 n° 3 438 035. Une seule des moitiés de guide comporte des fentes rayonnantes usinées. L'emplacement réel de ces fentes ou autres éléments rayonnants par rapport à la ligne centrale de la paroi longitudinale du guide d'onde est déterminée en fonction de la polarisation souhaitée ainsi que d'autres considérations. 40 La dimension d'usinage la plus critique dans la structure en serpentin 70 36592 6 2064226 usinée globalement est la profondeur de coupe dans les deux moitiés du fait que cette dimension gouverne la largeur de la paroi longitudinale du guide d'onde (dimension "a") et détermine, en conséquence, la constante de phase du guide d'onde. Pour examiner cette relation de constante de phase dans un guide d'onde rectangulaire qui constitue, en fait, la structure en serpentin préférée sous sa forme dépliée et repliée, on peut écrire la formule ci-après : 2 Tt 2 TT . B = v ~ -V A g *gQ [i-1 ^ f ]! où B = constante de phase en radians par unité de longueur ; 10 X g = longueur d'onde du guide ; longueur d'onde dans l'espace libre ; a = dimension de la grande paroi du guide. La différentiation par rapport à "a" donne : = —S— ^f qui est approximativement égal à a Dans les formules ci-après, le pouce est l'unité de mesure et A. B = variation de phase par pouce j A B.S = variation de phase en degrés entre les éléments ; /\B.S.N. = variation de phase en degrés à travers la structure à N éléments. 20 Le problème de précision et de faculté de répétition étant le problème de fabrication majeure, la mise en oeuvre d'un procédé unique pour fabriquer M structizres à N éléments sensiblement identiques en ce qui concerne les distributions de phases a constitué l'un des problèmes les plus pressants dans la réalisation pratique d'une structure à onde lente. 25 Pour parfaire l'illustration, on se donne les paramètres ci-après (en millimètres) : S = 105,80 mm = 2 Ago d = 2,21 a = 2,05 30 N = 156 ?\ = 9>1 GHz = 51,05 mm S AB = (90°) ( /\g) ( A a) = Const. A a a Un critère large impliquerait que la différence maximale de phase entre les extrémités de deux quelconques des M structures à onde lente soit inférieure à 35 90°. Si cette valeur est remplacée dans l'expression À B.S.N., on trouve que A a. = 0,013 mm. En fait, ceci impose à la dimension "a" du guide d'onde une tolérance de + six microns. En l'état actuel de la technique, cette tolérance ne peut être tenue en raison de son prix de revient. 70 36592 7 2064226 Eu égard à la difficulté de ce qui précède, l'invention prévoit la mise en place de plaquettes diélectriques perpendiculairement au champ E à l'intérieur du guide d'onde en serpentin pour réaliser une charge partielle et introduire par conséquent un retard de phase. L'étude de la phase de chaque structure en ser-5 pentin à onde lente, en vue d'obtenir les données décrites par les courbes A et B de la figure 3, peut être conduite avec une précision suffisante qui correspond parfaitement aux possibilités des instruments de test pour micro-ondes (par exemple d'un pont de phase) que l'on trouve couramment alors que les tolérances d'usinage global requises étaient relativement difficiles à réaliser même 10 avec les procédés d'usinage les plus avancés. Une expérimentation conçue pour choisir le matériau constitutif des plaquettes diélectriques mentionnées ci-dessus a été poursuivie. Les possibilités que présentent divers matériaux diélectriques d'engendrer le déphasage voulu . ont été examinées dans un guide d'onde d'essai. Un ruban désigné sous le nom 15 commercial de ruban diélectrique X 774-1 fabriqué par S. Schyeldahl Company a été choisi. Fondamentalement, ce ruban est un type à couches multiples comprenant comme revêtement supérieur une couche de "Tedlar" supportée par une couche de tissu "Dacron" et une couche de "Mylar". La surface adhésive extrêmement sensible à la pression de ce ruban a également contribué à son choix. Le choix 20 effectif du matériau pour les plaquettes diélectriques peut être fait parmi une variété importante de matériaux diélectriques disponibles. Les critères sont très semblables à ceux qui se rapportent à la sélection, des couches diélectriques d'un condensateur. Autrement dit, des caractéristiques de résistance diélectrique excellentes, de faibles pertes ainsi qu'une possibilité de déphasage dans l'appli-25 cation à la fréquence de micro-ondes prévue sont les considérations les plus importantes. f Sur la figure 4, l'emplacement des bandes de ruban constituant, ainsi qu'on l'a déjà indiqué, les plaquettes diélectriques est visible. On a représenté deux moitiés de serpentin 8 et 9 dans lesquelles sont placés les rubans diélec-30 triques prêts à l'assemblage. Pour faciliter la compréhension, on n'a représenté qu'un tronçon partiel de serpentin car le nombre des fentes rayonnantes dans un réseau à bande X typique peut être de l'ordre de 150 ou plus. Les fentes rayonnantes 10 et 11 sont supposées, pour les besoins de l'illustration, être les N - 3 et N - 4 éléments. Les plaquettes diélectriques à travers la paroi 35 longitudinale de la structure complètement assemblée sont alors, en fait, au nombre de deux, par exemple 17 et la plaquette associée 17a lorsque l'assemblage final de 8 avec 9 est réalisé. Les autres paires de plaquettes désignées sont ensuite l8 et l8a, 19 et 19a, de même que 20 et 20a. Les nervures intérieures qui forment ladite paroi longitudinale telles que 12, 13, l4, 15 et 16 s'appuient con-40 tre 12a, 13a, l4a, 15a et l6a comme le montre clairement la figure 4. 70 36592 8 2064226 La figure 5 représente une vue latérale eh regardant vers 9, montrant les plaquettes diélectriques 21, 22 et 23 qui ne sont pas visibles à la figure 4. Ces plaquettes comportent, de même, des plaquettes associées qui ne sont pas visibles. L'utilisation de ces paires de plaquettes parallèles confère à la 5 charge de la paroi longitudinale une symétrie qui est souhaitable dans la mesure du possible, à titre d'expédient, pour empêcher l'apparition de modes plus élevés dans le serpentin. Par suite de la mise en place des plaquettes diélectriques, on constate à l'examen de la figure 5 que le chemin S entre les fentes rayonnantes adjacentes 10 10 et 11 peut comprendre jusqu'à huit plaquettes à la dimension représentée, c'est-à-dire 22, l8, 23 et 19 dans la moitié du serpentin 9 et leurs plaquettes associée dans 8. Il est évident que dans un serpentin nécessitant une correction relativement faible, il peut suffire de prévoir des fentes dans une ou deux paires de 15 plaquettes de la paroi longitudinale plutôt que dans les quatre paires indiquées. Chaque plaquette coopère par son incrément de retard de phase, que ce soit en En ce qui concerne le procédé pratique pour fixer les dimensions des bandes 25 de ruban afin qu'elles fonctionnent comme des plaquettes diélectriques, il a été déterminé expérimentalement qu'une bande de ruban appropriée pour l'utilisation dans un serpentin à bande en X du type illustré est de 25mm sur 9,5mm de large. : Le déphasage d'incrément effectif par bande est de 0,95° à 9 GHz. Dans un exemple de mise en oeuvre de la pratique, la correction nécessaire sur les vingt 30 premiers éléments,déterminée par m contrôle de phase à l'élément n° 20, doit être de plus de l40°. En conséquence, 147 rubans doivent être répartis uniformément entre le premier et le 20ème élément. On comprendra que d'autres variantes sont possibles tout en utilisant le procédé et la structure de la présente invention et ces variantes apparaîtront 35 clairement à l'homme de l'art. L'invention peut évidenment être utilisée à des fréquences autres que celles de la bande X supposée dans la présente description. Bien que les principes de la présente invention aient été décrits ci-dessus en relation avec des exemples particuliers, on comprendra clairement que ladite description est faite à titre d'exemple et ne limite pas la portée de l'invention. 70 36592 s 2064226 REVENDICATIONS 1. Arrangement pour la répartition de phase de l'énergie électromagnétique dans un guide d'onde, conducteur, creux, utilisé comme ligne d'alimentation pour vin réseau à onde progressive, caractérisé en ce qu'il comporte une série de plaquettes diélectriques fixées à la surface intérieure du guide, perpendi-5 culairement à me portion au moins du champ électrique régnant dans le guide, ces plaquettes étant espacées uniformément sur la longueur dudit guide d'onde. 2. Réseau d'antenne linéaire, caractérisé en ce qu'il comporte : - une pluralité d'éléments rayonnants alimentés à partir de points situés en ordre successif le long d'une ligne de transmission , guide d'onde, à grande 10 extension, pour développer m faisceau électromagnétique étroit en au moins unecoordonnée polaire d'exploration suivant un angle de pointage dont la valeur est fonction de la fréquence d'excitation du guide ; - des moyens pour linéariser toute la répartition de phase au long des points d'alimentation précités comprenant une pluralité de plaquettes diélectriques 15 uniformément espacées tout au long du guide à grande extension, chaque plaquette étant positionnée sur la paroi interne du guide entre chaque paire de points d'alimentation adjacents. 3. Procédé de réalisation d'une répartition linéaire de phase sur toute la longueur d'une ligne de transmission du type à ondes lentes, caractérisé en 20 ce qu'il consiste à : - mesurer la phase de l'énergie RF en un premier point choisi à une distance D de l'extrémité excitée de la ligne de transmission par comparaison à la phase de cette extrémité excitée de façon à déterminer une première phase cumulative non corrigée ; 25 - soustraire cette phase non corrigée d'une première phase cumulative théorique prédéterminée en ce premier point de manière à déterminer une première erreur ^de phase A 0 S - disposer vin nombre N de plaquettes diélectriques, chacune capable d'introduire un retard de phase , en les espaçant uniformément le long de la paroi ' 30 internedu. guide, perpendiculairement au champ électrique interne ; - répéter la même opération, en étape discrète, pour chaque incrément successif égal à D le long de la ligne de transmission. 4. Dispositif tel que défini à la revendication 2, caractérisé, de plùs, en ce que ledit guide d'onde rectangulaire à grande extension est une ligne 35 d'alimentation de réseau en forme de serpentin, et en ce que la mise en place desdites plaquettes diélectriques est, de plus, définie par rapport à la paroi interne de dimensions "a" dudit guide d'onde. 5. Dispositif tel que défini à la revendication 4, caractérisé en ce que 70 36592 10 2064226 ledit guide d'onde est fabriqué en deux parties, ces deux parties pouvant être formées en sectionnant ledit serpentin dans le sens de la longueur suivant une ligne coupant lesdites parois intérieures de dimensions "a", et en ce que lesdites plaquettes diélectriques sont montées de façon pratiquement symétrique 5 sur ladite paroi de dimensions "a" des deux côtés de cette section, de manière à permettre la mise en place desdites plaquettes diélectriques avant l'assemblage final dudit guide d'onde en serpentin. 6. Dispositif tel que défini à la revendication 4, caractérisé de plus en ce que lesdites plaquettes diélectriques sont disposées individuellement 10 entre les points d'alimentation d'éléments rayonnants adjacents le long des parois sensiblement incurvées dudit guide d'onde en serpentin. 7. Dispositif tel que défini à la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites plaquettes diélectriques sont réparties individuellement le long de toutes les parois internes de dimensions "a" sensiblement incurvées dudit 15 guide d'onde en serpentin.