Brevet FR2097018A1 — publié le 19720303

La présente invention concerne des perfectionnements aux antennes à polarisation circulaire constituées par une association d'un cornet et d'un polariseur. Dans les radars, il est connu que pour éliminer les échos de pluie, on émet une onde à polarisation circulaire. Cette onde à polarisation circulaire est par exemple obtenue à l'aide d'un dispositif à lames métalliques parallèles, appelé polariseur, qui est placé devant I'ouverture d'un cornet émettant une onde à polarisation rectiligne. Le polariseur est placé parallé- lement au plan d'ouverture du cornet et orienté de manière que ses lames fassent un angle de 450 avec la direction de polarisation.La composante du champ électrique rayonné qui est perpendiculaire aux lames n'est pas affectée par la présence du polariseur ; par contrer la composante qui est parallèle auxdites lames subit une avance de phase de 909 et, en conséquence, l'onde sortant du polariseur est polarisée circulairement. Comme les coefficients de réflexion d'une goutte de pluie pour les deux composantes de l'onde circulaire sont égaux, l'onde réfléchie par les gouttes de pluie est polarisée circulairement. Lors du passage de cette onde réfléchie dans le polariseur, la composante qui est parallèle aux lames est à nouveau avancée de 90Q de sorte qu'en combinaison avec l'autre composante elle donne une onde à polarisation rectiligne dont la direction de polarisation- est perpendiculaire à celle de l'onde émise. Comme le cornet constitue un filtre pour les ordes ayant une direction de polarisation perpendiculaire à celle pour laquelle il est prévu, l'onde réfléchie par les gouttes de pluie ne donne naissance à aucun signal de sorte que l'écho de pluie est éliminé. D'autres objets réfléchissants peuvent présenter des coefficients de réflexion égaux pour les deux composantes de l'onde émise et ils seront également éliminés ; aussi il est prévu de ne pas émettre continuellement en pclarisation clrculaire, mais uniquement lorsqu'il y a des échos de pluie.Pour cela, le polariseur est placé sur un dispositif mécanique qui permet de ltealever ou de le mettre en place devant l'ouverture du cornet à la demande de l'opérateur radar, Lorsque l'antenne est constituée de l'association d'un cornet et d'un réflecteur, il existe plusieurs positions possibles du polariseur : soit situé sur le réflecteur et fonctionnant en réflexion soit situé à la sortie du réflecteur derrière le cornet, soit, comme on l'a signalé précédemment, situé entre le cornet et le réflecteur et fonctionnant en transmission. Les deux premières solutions présentent les inconvénients majeurs d'un encombrement et d'un poids importants, d'une mise en place et d'un retrait difficiles, d'un prix de revient élevé du aux difficultés de réalisation mécanique. Dans la troisièr.le solutions on peut disposer le polariscur à une distance de l'ouverture du cornet qui est supérieure à plusieurs longueurs d'onde ; à cette distance on peut considérer que le plan d'onde est sphérique et on sera conduit à utiliser un polariseur de forme. sphérice dont la réali- sation tnécanique est difficile ; en outre, un tel polariseur a un effet de masque important pour l'onde réfléchie par le réflecteur. A ces inconvénients s'ajoutent également ceu cités pour les deux premières solutions. Si, dans la troisième solution, on dispose le polariseur à une distante de l'ouverture du cornet inférieure à quelques longueurs d'onde, les nconvénients précités disparaissent mais la mise au point du polariseur est rendue difficiLe car il se trouve dans la zone à courte distance du cornet. Dans cette zone, dite zone de Fresnel, l'amplitude et la phase du champ rayonné varient suivant des lois en n (^; étant la distance par rapport au centre de rn phase de l'ouverture du corne et n#2) de sorte que le plan d'onde est mal défini et en conséquenca. la réalisation du polariseur est rendue très difficile. Un objet de la présente invention est donc de réaliser une antenne comportant un cornet et un polariseur qui ne présente pas les inconvénients précités. Un autre objet de la présente invention est une antenne associant un cornet et un polariseur dont le diagramme de rayonnement en amplitude et en phase est peu modifié selon la présence ou l'absence du polariseur. Un autre objet de la présente invention est une antenne associant un .cornet et un polariseur dans laquelle l'erreur de phase introduite par le polariseur entre les deux composantes du champ électrique est compensée en fonction de l'angle de rayonnement. Une antenne à polarisation circulaire selon la présente invention comporte un cornet suivi d'un polariseur ; le polariseur ec placé dans l'ouver- ture du cornet de manière que la face avant dudit polariseur soit confondue avec le plan de sortie du cornet; le cornet est un cornet multimode dont la longueur de la section de mise en phase est prévue de manière à obtenir un dia grauLe. dont la phase est stationnaire dans une ].arge gamme de valeurs de l'angle de rayonnement. Lorsque l'antenne est utilisée comme antenne d'un radar monopulse, la longueur de la section de mise en phase est choisie de manière à obtenir une différence de phase faible entre les voies Référence et Différence dans une large gamme de valeurs de l'angle de rayonnement. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente inven- tion apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un exemple particulier de réalisaition, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints dans lesquels: La figure 1 représente un guide d'onde rectangulaire La figure 2 représente une coupe d'un cornet multimode La figure 3 représente des courbes de champ électrique pour deux typas de modes et leur somme La figure 4 représente une antenne constituée d'un cornet multimode et d'un polariseur ;; La figure 5 représente des courbes de phase du champ m rayonné par le cornet avec ou sans polariseur en fonction de l'angle de rayonnement La figure 6 représente des courbes d'amplitude du champ rayonné par le cornet avec ou sans polariseur en fonction de l'a-.c;le de rayonnement La figure 7 représente les courbes donnant la différence de phase entre les voies Référence et Différence d'un radar nonopulse er: fonction de l'angle de rayonnement. La figure 8 donne les courbes du quotient. La figure 1 montre l'ouverture 1 d'un guide d'onde rectangulaire 2 de largeur a et de hauteur c. Lorsque les dimensions a et c, par rapport à la longueur d'onde d dans l'espace libre, sont telles que d/2 dont le vecteur chanp électrique esr perpen- circulaire à la direction de propagation tz. Dans le plan de l'ouverture, ia distribution du champ électrique a l'allure de la courbe 3 qui constitue l'enveloppe des vecteurs cllarnp électrique 4.Un tel mode est appelé mode TE10 ou H10, les indices 1 et O signifiant qu'il y a un maximum du champ électrique suivant l'axe Os et aucun maximum dudit champ suivant l'axe Oy. En gardant la mene longueur d'onde d dans l'espace libre et en augmentant la dimension g du guide d'onde 2, on peut propager d'autres modes qui seront appelés modes TEmo ou Hmo. Plus généralement, si l'on augmente les dimensions a et c du guide d'onde, d'autres modes apparaissent et ces modes peuvent être à champ électrique transversal et sont appelés TEmn (Hmn), ou à champ magnétique transversal e sont appelés TI: 'n' (Em'n').On remarquera que dans 3e cas des nodes E , n' les indices m' et n' sont toujours différents de zéro. A l'aide de cette figure 1, on peut définir un plan électrique E comme le plan contenant Oy et Oz et un plan magnétique H coma ie plan contenant Ox et Oz, c'est-a-dire un plan perpendiculaire au plan électrique E. Afin d'assurer la transition entre le guide d'onde eL l'espace libe, le guide d'onde est évasé, soit suivant l'une des deux dimensions pour former un cornet sectoral, soit suivant les deux dimensions pour former un cornet pyramidal.Cet évasement est cu général défini en relation avec es plans électrique E et magnétique 11 et l'on dit que le cornet est évasé dans le plen magnétique H lorsque les flasques perpendiculaires à ce pian cnt Ainsi, dans le cas de la figure 1, un évasement dans le plan magnétique i correspond à écarLer l'une de l'autre les parois 5 et 6 du -u5We électrique Afin de modifier le diagamme de rayonnement: : d'un cornet, il est par fois intéressant de faire apparaître simultanément plusieurs modes dans l'ouverture du cornet, chacun de ces modes ayant une amplitude déterminée. I1 est clair que dans un cornet les différents modes sié.ablissent au fur et à mesure que les dimensions de l'ouverture augmentent, cependant les a!,pliLudes de chacun dc ces modes ne sont pas définies avec précision. Pour obtenir des modes d'amplitudes relatives précises, on a recours à des élargissemetl.s successiis par paliers puis, lorsque l'on a obtenu les différents modes désirés, la transicion entre le dernier guide d'onde et l'espace libre est effectuée par un cornet. Dans la littérature spécialisée dans la technique des antennes, on appelle "cornet multimode" l'ensemble constitué par les différents guides d'ondes de sections croissantes et par le cornet. La figure 2 donne une coupe d'un cornet multimode. Ce cornet multimode a été obtenu à partir du guide d'onde de la figure 1, les dimensions a et c due ce guide étant telles que seul le mode H10 ou mode dominant se propage. Le grand côté a été élargi à une valeur b telle que le mode H30 apparaisse, soit 3d 2 multinode dans le plan magnétique. Dans la partie 11 du cornet multimode, d'autres modes autres que les modes H10 et H30 apparaissent mais ces nouveaux modes sont--de faible amplitude et on peut considérer que leur effet sur la distribution du champ électroma gnétique dans l'ouverture, et donc sur le diagramme de rayonnement, est négligeable. La distribution du champ électrique dans l'ouverture du cornet est alors donnée par la somme des champs électriques des modes H10 et H30, leschamps électriques étant exprimés avec leur amplitude et leur phase. La figure 3 donne les courbes d'amplitude, dans l'ouverture 12 du cornet, des modes H10 (courbe 15), I130 (courbe 16) et de leur somme (courbe 17) en supposant que lesdits modes sont en phase au milieu de l'ouverture. L'axe X'QX est gradué suivant les valeurs du rapport entre l'abscisse mesurée par rapport au centre de l'ouverture et la demi-largeur A/2 de l'ouverture, ce rapport sera appelé abscisse normalisée X. Dans la technique des cornets multinwodes, on fait en sorte que les modes H10 et H30 soient en phase au point milieu N de l'ouverture du cornet, cette mise en phase étant généralement obtenue an faisant varier la longueur Ll pour cette raison, la partie 10 est: appelée "section de mise en phase". Dans l'ouverture du cornet, l'émission semble provenir d'un point S (figure 4) et l'on comprend que, par suite de trajets diffErents, les ondes reçues en différents points de l'ouverture n'aient pas la tnGme phase. On démonere que dans l'ouverture du cornet, les déphasages des modes H10 et H30 s'expriment respectivement par BX et CX, B et C désignant les déphasages maxima apparaissant sur les bords de l'ouverture.Si l'on place, un polariseur 19 dans l'ouverture du cornet 18, chacune des ondes se propageant dans les modes H10 et H30 a une plage d'angles d'incidence qui varie entre O et rO, or dans un polariseur le déphasage de 900 entre les deux composantes du champ électrique varie avec l'angle d'incidence de sorte qu'il en résulte un déphasage supplémentaire qui introduit un certain taux d'ellipticité. On montre que ce déphasage supplémentaire ou erreur de phase s'exprime par KX2, K étant faible vis-à-vis de B et C et pouvant être négatif ou positif selon le type de polariseur : négatif (avance de phase) pour un polariseur à propagation guide constitué de nappes de fils conducteurs ou positif (retard de phase) pour un polariseur à diélectrique. Dans le brevet français 1 537 063, on a décrit une antenne cornet sans polariseur dans laquelle on obtenait une onde plane dans l'ouverture dudit cornet en faisant varier la longueur L1 (figure 2) de la section de mise en phase de manière qu'il existe un déphasage PO au point N entre les modes H10 et H30. Le calcul et l'expérience montrent alors que la phase P(r) du champ rayonné par le cornet varie peu dans une large gamme de valeurs de l'angle r Comme le déphasage introduit par le polariseur varie suivant une loi en X comme celui des ondes des modes H10 et H30, il est possible de compenser l'effet du polariseur en modifiant PO, c'est-à-dire en modifiant la longueur Ll. En pratique, dans un cornet multimode où se propagent les modes H10 et H30, on choisit PO de manière que la phase du champ global soit la même au point N et au point M où l'amplitude du mode H30 est nulle (X =1/3) ; il en résulte alors que PO = (1 + 1/k) B/9, c'est-à-dire que PO est proportionnel à B. En conséquence, la valeur p de la modification à effectuer sur PO lorsque le polariseur est en place est donnée par ##=K/B (1). Cette dernière formule ne peut être appliquée que si le polariseur est mis en permanence ; lorsqu'il est prévu de ne l'utiliser que par intermit- tence, la modification p' devra être deux fois moins grande de manière que la phase du champ rayonné par le cornet soit peu affectée par la présence ou l'absence dudit polariseur, soit pO = 2 K (2). PO 2 B En effectuant la modification p (ou p'), l'erreur de phase introduite par le polariseur est compensée et comme cette erreur de phase détermine en grande partie le taux d'ellipticité, celui-ci reste faible ec constant dans une large garnie de valeurs de l'angle de rayonnement r. On remarquera que le taux d'ellipticité dépend également de la diffe- rence d'amplitudes entre les deux co:'.posantes du champ éIectriae mnis cerce erreur d'amplitude est négligeable devant l'erreur de phase. La figure 5 montre les courbes de phase P(r) du champ rayonné par le cornet seul (courbe 20) et par le cornet avec polariseur (courbe 21) en prenant K = - 90 k = 0,4, PO = + 10 et p = 00. Les courbes 20 et 21 sont très voisines l'une de l'autre et on peut encore améliorer leur similitude en-prenant pour p la valeur donnée par la formule (1) ou la formule (2) selon ie cas La figure 6 montre les courbes d'amplitude G(r) du champ rayonné par le cornet seul (courbe 22) et: par le cornet avec polariseur (courbe 23) dans les mêmes conditions que précédelmnent : l'écart entre les deux courbes est inférieur à un décibel pour des atténuations voisines de vingt décibels. L'invention peut également être utilisée lorsque le cornet associé à à un réflecteur constitue l'antenne d'un radar à lobes croisés simultanés plus généralement connu sous le nom de radar monopulse. On rappellera brièvement qu'un radar "monopulse" permet d'effectuer une mesure d'écartométrie, en azimut par exemple, entre un objectif principal et un objectif secondaire constitué, par exemple, par une explosion d'obus. Dans un radar "nonopulse", l'aérien est généralement constitué par un système focalisant (lentille ou réflecteur) placé devant une source primaire matérialisée par un cornet de section rectangulaire. Dans un aérien "monopulse" conventionnel, ce cornet, dont la plus grande dimension référencée a est horizontale, comporte une cloison médiane verticale et les deux sorties sont connectées à une jonction hybride (T magique par exemple) délivrant des signaux égaux, respectivement, à la somme et à la différence des énergies recueillies sur les deux ouvertures. Ces signaux somme et différence sont appliqués à deux canaux de réception qui constituent les voies Somme S et Différence D.La voie Somme est également appelée voie de Référence ou encore voie Référence On peut également utiliser, comme source primaire pour un aérien de radar "monopulse", un cornet sans cloison constituant une source multimode comme il est mentionné dans les deux articles intitulés "Optimum feeds for ail three modes of a monopulse antenna" parus dans le numéro de Septembre 1961 de la revue "IRE Transactions on Antennas and Propagation" pages 444 à 453 et 454 à 460. Une telle source multimode utilise la propriété suivant laquelle plusieurs modes et leurs harmoniques peuvent se propager simultanément dans un guide d'onde jusqu'à un rang maximum fixé par la fréquence de coupure du guide.En combinant plusieurs modes de propagation dans un même guide, on peut: ainsi élaborer, dans l'ouverture du cornet:, les lois d'illumination désirées pour les voies Référence S et Différence D, les deux lois étant parfaitement indépendantes l'une de l'autre. Dans les radars "monopulse" et particulièrement ces du type Dpper cohérent, l'un des problèmes les plus importants à résoudre consiste à obtenir un déphasage nul ou constant entre les voies Référence et: Dfférence dans toute la gamme utile des valeurs de l'angle de rayonnement, cet angle étant mesuré par rapport à l'axe de l'aérien. En outre, on comprend que la largeur de cette ga=îe dépend étroitement: des variations du déphasas entre les voies Référence et Différence en fonction de l'angle de rayonnement:. On a décrit dans 1 première addition n 93 116 du brevet français 1 537 063 un cornet multimode dans lequel on faisait varier la longueur de la section de mise en phase de manier que la différence de phase entre les voies Référence et Différence soit nulle ou constante dans une large gamme de valeurs de l'angle d'incidence, ce que l'on peut également exprimer en disant que l'on cherchait à obtenir des lois de variation de phase dans les deux voies qui soient identiques ou encore que l'on cherchait à obtenir dans une des voies une loi de variation de phase qui compense les variations de phase de l'autre voie. Le contrôle de mode peut donc être mis en oeuvre sur les deux voies simultanément en supposant que chaque voie comporte au moins deux modes ou sur une seule des voies, La présence d'un polariseur dans l'ouverture introduit une erreur de phase que l'on compense en faisant: varier la longueur de la section de mise en phase selon--l'une des foinules (1) ou (2);cette colpensation doit être faite de manière que les courbes de variation de la différence de phase en polarisation rectiligne et en polarisation -circulaire soient parallèles, La figure 7 montre les courbes de variation de la Différence de phase PR - PD entre les voies Référence et Différence pour le cornet seul (courbe 24) et pour le cornet avec polariseur (courbe 25) dans 3-e cas où la voie Référence comporte les modes H10 et 1130 et la voie Différence comporte le mode H20 et en prenant K = - 9 , k = 0,2, PO = + 150 et p = 0 . La figure 8 montre les courbes du quotient des amplitudes des signaux des voies Référence et Différence en fonction de l'angle r pour le cornet seol (courbe 26) et pour le cornet avec polariseur (courbe 27) dans les mêmes conditions que précédemment. L'invention est applicable à toutes les antennes comportant un cornet associé à un polariseur. Bien que la présente invention ait été décrite en relation avec des exemples particulières de réalisation, il est clair qu'elle n'est pas limitée audits exemples et qu'elle est susceptible d'autres variantes ou modifications sans sortir de son domaine. REVENDICATIONS 1 - Antenne à polarisation circulaire caractérisée par le fait qu'elle comprend au moins un cornet comportant un polariseur dispos dans l'ouverture dudit cornet, par le fait: que l'erreur de phase introduite par le polariseur entre les composantes du champ électrique varie de matière qu2draPique en fonction de l'angle dtincideuce, par le fait que ledit cornet est un cornet multi- mode propageant au moins deux modes, par le fait que les amplitudes desdits modes sont dans des rapports déterminés, par le fait qu les longueurs d'une ou plusieurs sections de mise en phase sont choisies de manière que la phase du champ électrique rayonné par le polariseur soit pratiquement stationnaire dans une large gamme de valeurs de l'angle de rayonnement. 2 - Antenne à polarisation circulaire selon la revendication 1 caractérisée par le fait que les ondes des modes H10 et 1130 se propagent dans le cornet, par le fait que la section de mise en phase a une longueur telle que la différence de phase PO entre lesdits modes soit la même au milieu de l'ouverture du cornet: et à l'abscisse où l'amplitude du mode H30 est nulle, par le fait que la longueur de la section de mise en phase est modifiée de manière à modifier la valeur de PO d'une valeur PO telle que ##=K/B si K est l'erreur maximum de phase introduite par le polariseur entre les composantes du champ électrique et B le déphasage maximum du mode Illo sur les bords de l'ouverture du cornet, 3 - Antenne à polarisation commutable comprenanr un cornet multimode où se propagent les ondes des modes Halo et H30 et un polariseur disposé dans l'ouverture du cornet, ledit polariseur étant placé sur un dispositif mécanique qui permet de l'enlever ou de le mettre en place dans 11 ouverture dudit cornet, caractérisée par le fait que les ondes des modes H10 et H30 se propagent dans le cornet, par le fait que la section de mise en phase a une longueur telle que la différence de phase PO entre lesdits modes soit la mêcie au milieu de l'ouver- ture du cornet et à l'abscisse où l'amplitude du mode H30 est nulle, par le fait que la longueur de la section de mise en phase est modifie de maniere--a modifier la valeur de PO d'une valeur PO telle que ##=1/2 K/B si K est l'erreur maximum de phase introduite par le polariseur entre les deux composantes du champ électrique et B le déphasage maximum du mode K10 sur les bords de l'ouver ture du cornet,