Brevet FR2096684A1 — publié le 19720225

La présente invention concerne un dispositif de couplage d'un générateur ou d'un récepteur d'ondes à très haute ou ultra-haute fréquence, utilisant une antenne comprenant un réflecteur métallique conducteur en forme de paraboloide de révolution, et plus particulièrement un dispositif de couplage de ce réflecteur à un guide d'onde circulaire excité selon le mode TE11, relié à l'une de ses extrémités audit générateur ou audit récepteur par une transition appropriée et dont 1 'autre extrémité débouche au voisinage du plan focal de ce même réflecteur, son axe de révolution coïncidant avec celui dudit réflecteur. Il est connu que, pour obtenir entre un guide d'onde circulaire et un réflecteur parabolique le transfert avec un bon rendement de l'énergie ondulatoire à haute fréquence et pour mettre en même temps au mieux à profit les propriétés directives de ce réflecteur, il est nécessaire que l'intensité du champ électromagné- tique créé par le guide dans le plan focal du réflecteur présente une répartition prédéterminée. Cette répartition peut être représentée, en fonction de la distance r du point considéré à l'axe de révolution du guide, par une loi de proportionnalité exprimée par la formule Z2 J1 (kr)/kr; k étant une constante et J1 la fonction de Bessel de première espèce d'ordre un. Il n'est, bien entendu, pratiquement pas possible de réaliser la loi en question pour toute valeur de r, et l'on doit dans la pratique se limiter à une valeur de r ne correspondant qu'à mie faible fraction du diamètre du réflecteur. De plus, la loi sus-énoncée ne peut être réalisée que de manière approchée. Pour ce faire, il a été proposé, notamment dans un article de G.F. KOCH et H. SCIi-gFFER publié dans la revue allemande "Nachrichtentechnische Zeitschrift" 1969, Vol. 12, fascicule 3, pp. 166-173, des dispositifs dans lesquels l'ouverture du guide circulaire est entourée de plusieurs cavités de forme annulaire ouvertes du coté du réflecteur, de rayons échelonnés suivant une loi prédéterminée et alimentées à partir du guide circulaire également selon une loi prédétenninée. Dans ce cas, les diamètres extérieurs des diverses cavités annulaires sont proportionnels aux racines de la fonction J1 susmentionnée, tandis que le champ correspondant doit avoir une amplitude prédéterminée et uneph e changeant de 180 degrés d'une cavité à la cavité immédiatement voisine. Le dispositif qui vient d'être décrit présente de grosses difficultés de réalisation et nécessite des alimentations réglées avec précision du guide central et des cavités qui l'entourent. En pratique, un résultat satisfaisant ne peut entre atteint quten employant un nombre assez grand de cavités annulaires, par exemple cinq, ce qui conduit à un appareil de diamètre relativement grand et à des alimentations compliquées, et finalement à une réduction de la largeur de la bande de fréquences utile de l'appareil. On a aussi proposé d'entourer ltouverture du guide central de plusieurs cavités de rayons croissants et alimenté non directement, mais par des organes de couplage avec le guide central. En dehors des difficultés de réalisation de cette solution, il a été trouvé que les systèmes construits de cette manière ne pouvaient fonctionner que dans une bande de fréquences relativement étroite. L'objet de la présente invention est, au contraire, un dispositif simple permettant d'obtenir des résultats satisfaisants tant au point de vue de la directivité du diagramme de rayonnement que de l'efficacité du transfert d'énergie et de la largeur utile de bande de fréquences, tout en étant de construction fort simple. Plus précisément, le dispositif de l'invention permet d'obtenir les résultats ci-après - largeur de bande utile de l'ordre de i 20% à t 30% de la fréquence moyenne de fonctionnement. - rendement en énergie (compte tenu des pertes autour du réflecteur) pour un réflecteur parabolique classique ayant un angle au sommet de 120 degrés, de l'ordre d'au moins 70 % dans toute la bande utile. - diagramme de directivité du rayonnement variant peu avec la fréquence. - existence d'an centre de phase bien défini pour la zone angulaire utile de la source constituée par l'ouverture du guide circulaire principal et les moyens qui y sont associés, l'emplacement de ce centre variant peu avec la fréquence, et les déphasages sur une sphère centrée sur ledit centre de piiase ne dépassant pas par exemple t15 degrés dans toute la bande utile. - symétrie de révolution de l'installation pour toute polarisation de l'onde propagée dans le guide circulaire principal. Selon la présente invention, il est prévu un dispositif de couplage à large bande de fréquences entre un guide d'onde circulaire central excité selon le mode TE11 et un réflecteur parabolique de révolution ayant un axe commun, ledit guide central étant relié, à une extrémité éloignée, à un appareil d'utilisation et débouchant par une extrémité ouverte au voisinage du plan focal dudit réflec teur, ledit dispositif comprenant une cavité annulaire cylindrique circulaire à-parois conductrices concentrique audit guide et ayant dans la direction de son axe, une extrémité ouverte du coté du réflecteur et son autre extrémité fermée par une paroi conductrice sensiblement plane et perpendiculaire audit axe du côté opposé audit réflecteur ; ledit dispositif étant caractérisé en ce que (a) le diamètre intérieur dudit guide central est sensiblement égal à la longueur d'onde dans le vide corres,ondant à la fréquence mo yenne de ladite bande de fréquences (b) le diamètre intérieur de ladite cavité annulaire est légèrement supérieur à celui dudit guide central (c) le diamètre extérieur de ladite cavité annulaire est sensiblement égal à 1,87 fois le diamètre intérieur dudit guide central (d) ladite cavité est limitée radialement du coté intérieur par la paroi dudit guide central sur une longueur sensiblement égale à la moitié du diamètre intérieur dudit guide ,centra cette longueur étant mesurée à partir de l'extrémité ouverte duditbguide central (e) ladite cavité est limitée d'une part radialement du coté éloigné de l'axe par une paroi cylindrique conductrice de longueur axiale sensiblement égale au quart du diamètre intérieur dudit guide central et d'autre part par ladite paroi conductrice sensiblement plane (f) le foyer dudit réflecteur se trouve à l'intérieur dudit guide central, à une distance de l'extrémité ouverte de celui-ci sensiblement égale au vingtième du diamètre intérieur dudit guide central. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, le guide central est, du coté de son extrémité opposée à ladite extrémité ouverte, relié à un guide d'onde rectangulaire (lui-même relié audit appareil d'utilisation - émetteur ou récepteur) à travers un élément de transition lui-même formé d'une suite de tronçons de guide d'onde de forme et de dimensions variant progressivement le long dudit élément, selon des dispositions qui seront décrites plus loin. Les dimensionnements sus-indiqués ont été reconnus expérimentalement comme très favorables et permettent d'obtenir des résultats pratiques qui seront exposés en détail plus loin. D'autres particularités et avantages de l'invention seront mieux compris par la description détaillée donnée ci-après, faite avec l'aide des dessins ci-annexés, dans lesquels - la Fig. 7 montre en coupe axiale l'ensemble d'un guide circulaire central, a'un reflecteur parabolique de révolution, et du dispositif terminant le guide circulaire central du coté faisant face au réflecteur, selon l'invention; et de l'élément de transition raccordant le guide central à un guide rectangulaire relié lui-même à un générateur ou à un récepteur - la Fig. 2 montre de manière plus détaillée, l'arrangement dudit éciment de transition - la Fig. 3 est un graphique montrant la variation du rende- ment du dispositif de l'invention en fonction du rapport du diamètre de l'extrémité ouverte du guide central à la longueur d'onde de fonctionnement - la Fig. 4 est un graphique montrant, en fonction de la même variable que dans le cas de la Fig0 3, la variation du gain directionnel, sans réflecteur, du dispositif de l'invention - les Figs. 5 et 6 montrent, pour diverses valeurs de la mé- me variable, les diagrammes de rayonnement directif d'une source primaire constituéepar le guide central combiné avec une cavité annulaire dimensionnée selon l'invention, cllune part pians le plan du vecteur électrique du guide central, d'autre part dans le plan du vecteur magnétique de ce mame guide central ; et - la Fig. 7 montre la variation, en fonction de la fréoueiice, du taux d'ondes stationnaires mesuré dans le guide rectangulaire de la Fig. 1, du type RG.52 normalise nour emploi à 10 GHz0 Se référant d'abord à la Fig. 1, on voit sur celle-ci le guide circulaire central 2.Ce guide est eisentiellement supposé être excité (soit à partir d'un émetteur qui l'alimente, soit vers un récepteur qui utilise une onde reçue de la direction de l'axe 6 dudit guide), selon le monde TE11 (aussi appelé H11). Pour éviter la production de modes parasites, le diamètre intérieur du guide ne doit pas astre tron grand vis à vis de la longueur 'onde des radiations émises ou reçues, tout en étant suffisamment supérieur à celui oui fournirait comme fréquence inférieure de coupure pour le mode T"11 la fréquence de travail envisagée. L'axe 6 du guide coTncide avec celui du réflecteur 1, eii forme de paraboloide de révolution, de diamètre Do, de sommet PO et dont le foyer se trouve au pointil, légèrement à l'intérieur du ,nii- de central 2. Ce guide est raccordé par un élément de transition 3 (qui sera décrit en détail plus loin) à un guide rectangulaire 5, de type normalisé pour la bande de fréquences de travail désirée. Sur la Fig. 1 (partie supérieure de cette figure) le réflecteur parabolique 1 ntest pas représenté à l'échelle des autres parties du dessin. En pratique, son diamètre Do est beaucoup plus grand que celui montré sur la Fig. 1 et est de l'ordre de grandeur de 40, 50 ou même 100 fois le diamètre d de l'ouverture du guide circulaire central 2. Le demoangle d'ouverture (6 ) du réflecteur, vu de son foyer F, est en général choisi voisin de 60 degiés. il a en effet été pratiquement reconnu que l'augmentation de cet angle jusqu'à 90 degrés n'améliorait pas sensiblement le rendement de l'installation, en raison de la faible contribution apportée par la zone périphérique du réflecteur au rayonnement dans la direction de l'axe 6, lorsqu'on emploie en combinaison avec ce réflecteur un guide central combiné (comme ctest ici le cas) avec des moyens associés faisant de ltouver- ture de ce guide central un radiateur "sectoral" ; c'est-à-dire ayant un faible rayonnement dans les directions fortement écartées de l'axe du guide. Pour simplifier le langage, on supposera maintenant que lten- semble des éléments de la Fig. 2 constitue une antenne pour émission à très haute ou ultra-haute fréquence, et l'on désignera l'ensemble du guide et de ses éléments associés sous le nom de "source primaire à large bande". Mais il doit être bien entendu que cet ensemble est utilisable en association avec un récepteur aussi bien qutavec un émetteur. Se référant maintenant à la partie inférieure de la Fig. 1, on voit sur celle-ci les dimensionnements particuliers qui ont été reconnus expérimentalement comme les meilleurs pour l'installation objet de l'invention. Sur la Fig. 1 le diamètre intérieur d du guide central 2 est choisi sensiblement égal à la longueur d'onde moyenne XOp ur la bande de fréquences désirée le foyer F du réflecteur 1 est situé sur l'axe du guide 2, à l'intérieur de ce guide et en retrait par rapport à couverture de celui-ci d'une longueur e sensiblement égale au vingtième de d. la cavité annulaire cylindrique incomplète 4 entoure l'extré- mité du guide 2 situé du coté du réflecteur 1. Cette cavité est limitée d'une part intérieurement dans la direction radiale par une portion de la paroi du guide 2, d'autre part extérieurement dans ladite direction radiale, par une paroi cylindrique extérieure de diamètre intérieur d1, plus courte que cette portion, les longueurs respectives parallèles à l'axe d2 et d desdites portions et paroi 3 extérieure étant sensiblement la moitié et le quart de diamètre intérieur d du guide central ; la cavité annulaire 4, ouverte du cté du réflecteur 1, est limitée dans la direction axiale, du coté opposé, par une paroi conductrice plane perpendiculaire à l'axe 6. Le diamètre d1 est sensiblement égal à 1,87 d, la quantité 1,87 représentant sensiblement le rapport de la racine d'ordre 2 de la fonction de Bessel J1 à la racine d'ordre 1 de cette meme fonction. Se référant maintenant à la Fig. 2, on voit sur celle-ci, représenté en plus grand détail, l'élément de transition 3 de la Fig. 1 permettant le raccordement du guide circulaire 2 au guide rectangulaire 5 de la Fig. 1. Sur la Fig. 2, on voit le guide central 2 de longueur axiale a et la cavité annulaire 4 ; deux longueurs b et c de guide circulaire de diamètres progressivement décroissants une courte longueur A de guide ayant une section droite sensiblement carrée à coins arrondis ou abattus destinée à faciliter le raccordement du guide circulaire de longueur c à un guide à section rectangulaire une courte longueur B de guide à section de forme analoque à celle de A mais de forme généraSerectangulaire tout en restant voisine d'un carré une courte longueur C de guide à section rectangulaire à coins arrondis ou abattus, dont la forme rectangulaire est plus accentuée et enfin deux courtes longueurs D et E de guides rectangulaires assurant le passage progressif de C à la section rectangulaire finale (représentée en E à la partie inférieure de la Fig. 2) du guide rectangulaire normalisé 5 (Figs. let 2) raccordé à un appareil d'utilisation émetteur ou récepteur. Se référant à la Fig. 3, celle-ci est un graphique montrant des résultats de mesures obtenus sur une "source primaire" du type de la Fig. 1. Plus précisément, la Fig. 3 montre la variation, en fonction du rapport (d/h) du di diamètre d du guide circulaire central à la longueur d'onde de travail Q du rendement global R de l'installation (compte tenu de la puissance perdue autour du bord du ré flecteur, pour diverses valeurs de l'angle G du réflecteur 1.On voit clairement sur la Fig. 3 le -caractère ontimal de l'angle de 60 degrès, lorsque l'on recherche la constance du rendement en fonction d'une longueur d'onde de travail variant encre des limites relativement larges La Fig. 4 montre, en fonction de la même variable que pour la Fig. 3, la variation du gain directionnel propre au d soosi tif représenté à la partie inférieure de la Fig. 1.Par "gain direction nel" doit entre ici entendu le rapport de l'intensité du sisrnal reçu en un point distant dans la direction de l'axe 6 (Fig.1) pour une puissance doimée fournie au guide 2 (Fig. 1), à l'intensité du signal qui axerait recu au même point d'une source rayonnant la même puissance réDartie d'une manière uniforme dans toutes les direc-tions. Les Figs. 5 et 6 sont des diagrammes montrant, en l'absence du réflecteur 1 de la Fig. 1 le caractère directif d'une source primaire telle que celle formée par l'ensemble des ouvertures du guide 2 et de la cavité 4 (Fig. 1). Chacune des Figs. t 5 et 6 mon- tre ce diagramme, pour diverses valeurs du rapport du diamètre du guide circulaire à la longueur d'onde de travail. Les diagrammes en question ont eté relevés expérimentalement au moyen de mesures faites sur des surfaces snhériaues sensiblement centrées sur le point F de la Fig. 1. La Fig. 5 corresoond à lin tel relevé effectué dans le plan diamétral du guide 2 qui est le plan de svmétrie dit "plan E" du champ électrique maximal pour l'on- de TE11, tandis que la Fig. 6 correspond à un relevé analogue dans le plan diamétral dit "plan H", perpendiculaire au précédent.L'un et l'autre de ces diagrammes montrent que l'ensemble de la Fig. 1 fournit par lui-meme nn rayonnement fortement "sectoral", c'est-a- dire limité, de part et d'autre de l'axe, a un angle dfuné, cet angle étant d'environ 30 degrès dans les deux cas. Les mêmes mesures ont montré que l'angle de phase du champ électromagnétique pris en divers points d'une des surfaces sphériques sus-mentionnées ne varie pas de plus de 15 degrès (et même généralement moins) en plus on en moins autour de la valeur movenne qui corresponderait à une onde sphérique rayonnée autour du point F de la Fig. 1. On peut donc dire fille ce dernier point se comporte pratiquement comme "un centre de phase" pour l'onde rayonnée par l'ensemble (2,4) de la Fig. -1 en l'absence du réflecteur 1. La Fig. 7 montre, en fonction de la fréquence de travail f, le taux T d'ondes stationnaires relevé, dans les mimes conditions de la source primaire, sur le guide rectangulaire 5 de la Fig. 1. Sur cette figure le point situé en abscisse à 7,5 GHz correspond à 1,14 fois la fréquence de coupure du guide. Considérant que la bande utile s'étend de 8,25 à 12,4 GHz, on voit que l'on obtient, autour d'une fréquence centrale située à 10,32 GHz environ, une largeur de bande relative de + 20 pour cent avec un taux T d'ondes stationnaires inférieur à 1,1. La bande en question n'est autre que la bande d'emploi du guide rectangulaire normalisé dit "R.G.52". Finalement l'expérience à montré qu'en réalisant le disposi tif de la Fig. 1 avec un diamètre D de réflecteur égal à 40 fois o le diamètre du guide circulaire, il a été possible d'obtenir un diagramme directif d'antenne dans lequel le lobe central a une largeur totale de 2 degrés, le plus intense des lobes secondaires donnant un champ dtintènsité inférieure de plus de 25 dB à celle obtenue dans la direction axiale du lobe central. il est à peine utile de faire observer que la structure de la Fig. 1, objet de l'inveittion, présente vis-à-vis du réflecteur des propriétés strictement de révolution, en ce sens que, si l'on fait tourner autour de l'axe commun 1'ensemble du guide et de ses éléments associés, le champ électromagnétique rayonné tourne de manière cor respondanbW sans déformation. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de couplage à large bande de fréquences entre un guide d'onde circulaire central excité selon le mode TE11 et un réflecteur parabolique de révolution ayant un axe commun, ledit guide central étant relié, à une extrémité éloignée, à un appareil d'utilisation et débouchant par une extrémité ouverte au voisinage du plan focal dudit réflecteur, ledit dispositif comprenant une cavité annulaire cylindrique circulaire à parois conductrices concentriques audit guide et ayant dans la direction de son axe, une extrémité ouverte du cdté du réflecteur et son autre extrémité fermée par une paroi conductrice sensiblement plane et perpendiculaire audit axe du coté opposé audit réflecteur ; ledit dispositif étant caractérisé en ce que (a) le diamètre intérieur dudit guide centrales sensiblement égal à la longueur d'onde dans le vide correspondant à la fréquence moyenne de ladite bande de fréquences (b) le diamètre intérieur de ladite cavité annulaire est légèrement supérieur à celui dudit guide central (c) le diamètre extérieur de ladite cavité annulaire est sensiblement égal à 1,87 fois le diamètre intérieur dudit guide central (d) ladite cavité est limitée radialement du c8té intérieur par la paroi dudit guide central sur une longueur sensiblement égale à la moitié du diamètre intérieur dudit guide central, cette longueur étant mesurée à partir de l'extrémité ouverte dudit guide central (e) ladite cavité est limitée d'une part radialement du côté éloigné de l'axe par une paroi cyiindrique conductrice de longueur axiale sensiblement égale au quart du diamètre intérieur dudit guide central et d'autre part par ladite paroi conductrice sensiblement plane (f) le foyer dudit réflecteur se trouve à l'intérieur dudit guide central, à une distance de l'extrémité ouverte de celui-ci sensiblement égale au vingtième du diamètre intérieur dudit guide Qn- tral. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le guide central est, du côté de son extrémité opposée à ladite extrémité ouverte, relié à un guide d'onde rectangulaire (lui-m8me relié audit appareil d'utilisation - émetteur ou récepteur) à travers un élément de transition lui-même formé dtune suite de tron çons de guide d'onde de forme et de dimensions variant progressivement le long dudit élément. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément de transition comporte successivement, à partir dudit guide circulaire, une suite de longueurs de guides circulaires de diamètres décroissants, suivie d'une longueur de guide à section carrée avec coins arrondis, elle-ulême suivie de longueurs de guides à sections rectangulaires à coins arrondis et de formes de section intermédiaires entre celle d'un carré et celle de la section dudit guide rectangulaire relié audit appareil d'utilisation.