Brevet FR2118111A1 — publié le 19720728

La présente invention concerne un aérien haute fréquence à éléments multiples à déphasage et plus précisément un aérien à éléments multiples à déphasage coportant des éléments rayonnants constitués par des guides d'onde à extrémité ouverte. Un des problèmes les plus difficiles à résoudre lors de la réalisation de grands aériens à déphasage à nombreux éléments est l'élimination de la désadaptation qui se produit pour certains angles de balayage ou de rayonnement Etant donné le couplage mutuel entre les éléments, le coefficient de réflexion d'un tel aérien peut subir des variations indésirables quand le faisceau balaye un angle solide déterminé. Ce problème a une importance spéciale pour les aériens dans lesquels les éléments individuels sont constitués par des guides d2onde à extrémité ouverte.On a observé que, dans certaines conditions, la puissance réfléchie peut être presque égale à la puissance incidente et par conséquent, pour certains angles de balayage, la puissance émise par l'ensemble ou reçue par celui-ci est presque nulle. Ce phénomène est connu sous le nom e "zéro de résonance" ou "tache aveugle" d'un aérien à déphasage. Au cours de ces dernières années, on a fait- des efforts considérables pour essayer de remédier à ces difficultés. On a suggéré des dispositifs d'adaptation d'aériens qui comportent un ensemble d'éléments charges par un isolant et/ou recouverts dlun isolant Dtautres dispositifs d'adaptation proposés comportent des plaques conductrices ondulées, des tronçons fictifs de guides dronde raccourcis et des dispositifs annulant divers modes. tes procédés d'adaptation proposéo ont eu un succès modéré en ce qui concerne la solution du problème de la tache aveugle d'un aérien à éléments déphasés.Cependant, on a observé que tous les procédés proposés sont dans une certaine mesure sensibles à la fréquence, c'est-à- dire qu'alors que l'aérien peut être adapté dans la totalité de l'angle solide qu'il balaye lorsqu'il fonctionne à la fréquence à laquelle il est destiné, il peut être sérieusement désadapté pour des fréquences différant de quelques centièmes seulement de ladite fréquence. La présente invention a pour objet un ensemble à adaptation à large bande pour des aériens à plusieurs éléments déphasés, ainsi qu'un ensemble simple et peu coflteux pour supprimer les saros de résonance dans les diagrannmes de rayonnement des aériens à éléments déphasés ; elle a ègalemeft pour objet un ensemble destiné à supprimer ces zéros de résonance et qui peut entre facilement monté après coup sur des aériens existants comportant des guides d'onde rayonnant à extrémité ouverte. Bien que le mécanisme qui donne naissance au phénomène dit de zéro de résonance ne soit pas très bien compris, on admet qu'iL a en grande partie pour origine le couplage mutuel de l'énergie des ondes entre des éléments voisins de l'aérien à éléments multiples. Cette théorie est confirmée par des expériences réalisées avec un ensemble d'éléments rarormants à guides sonde à extrémité ouverte. Si ltespacement gécmétrique entre les divers éléments est fixés le couplage mutuel en rye ces éléments peut être modifié en réduisant les dimensions des guides d'onde. On peut employer ce procédé pour réduire ltimportance du prénomène de zéro de résonance. Cependant, si lton réduit les dimensions des guides d'onde, on réduit en même temps la largeur de bande de l'ensemble. Par conséquent, l'invention a aussi pour objet de modifier le couplage mutuel entre les éléments d'un aérien comportant un grand nombre d'élémentes déphasés, afin de réaliser une bonne adaptation d'impédance sans compromettre beaucoup la largeur de bande d'utilisation. Selon la présente invention, ces objets sont atteints en limitant les dimensions de l'ouverture des divers éléments itun aérien à éléments déphasés constitué par des guides d'onde à ex trémité ouverte, en utilisant de minces iris placés aux extrémités desdits guides deonde. Ces iris modifient les impédances mutuelles des éléments de l'aérien de manière à faire apparaître des impédances sensiblement constantes au point d'attaque, dans un angle solide de balayage déterminé.Bien que les formes de réalisation préférées de linvention soient décrites à propos d'ensembles plans déphasés dans lesquels tous les tronçons de guide d'onde sont alimentés avec une amplitude constante et un déphasage progressif, les principes de l'invention peuvent entre étendus à d'autres agencements. Par exemple, la surface de l'aérien peut être gauche et non plane. Par ailleurs, on peut opérer par superposition d'excitations différentes à phase progressivement variable et il est évident que les principes de l'invention s'appliquent aussi à des formes d'excitation autres qu'avec une amplitude constante. n'autres objets et avantages de la présente invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de plu sieurs exemples de réalisation et en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue en élévation dune partie d'un aérien comportant des éléments plans, incluse à titre explicatif la figure 2 est une vue en perspective sîmplifiee, avec arrachement partiel, d'un ensemble plan et elle est destinée à mettre en évidence les plans de balayage et le système de coordonnées polaires employé ; la figure 3 est une vue en perspective, avec arrachement partiel, d'une réalisation préférée de l'invention ; la figure 4 est une représentation graphique du diagramme de rayonnement d'une forme de réalisation de l'invention avec divers modèles d'iris ; et les figures 5, 6, 7, 8 et 9 sont des vues en perspect-ivea avec arrachement partiel, de plusieurs variantes dwiris pour guide d'onde qui peuvent etre utilisés pour la mise en oeuvre de l'invention. A l'heure actuelle, les aériens à déphasage comportant souvent des centaines et meme des milliers d'éléments rayonnants séparés. Ces éléments sont réunis à un circuit d'alimentation des-tiné à échanger dans les deux sens, l'énergie des ondes électromagnétiques avec l'aérien. lie circuit d'alimentation comporte également des déphaseurs pour faire varier la phase de l'énergie d'un élément à l'autre afin de réaliser un balayage électronique. Bien que les élé mentis rayonnants de ces aériens puissent comprendre des dip81es,des fentes ou autres éléments rayonnants isolés, il est courant d'utiliser des éléments de guide d'onde ouverts à une extrémité. La figure 1 représente à titre exemple une vue en élévation dtun grand ensemble 10 à deux dimensions constitué par un réseau triangulaire de tronçons de guide d'onde rectangulaires. Entant donné la difficulté évidente à laquelle on se heurte pour traiter la contribution de chaque élément d'aérien séparément et, ensuite, pour additionner ces contributions pour obtenir un expression du comportement global de aérien, les grands aériens sont analysés commodément par le procédé dit de l"2élément unité". Cela signifie qu'on a observé que, pour des ensembles très étendus, on n'introduit qutune erreur très faible en considérant l'aérien comme ayant une étendue infinie et en admettant que chaque élément agit et subit les memes actions que tout autre élément. Quand on opére ainsi, on peut définir un élément unité par |x|#s/2 et |y|#t/2 sin # (figure 1) formules dans lesquelles s est la distance entre les axes voisins des guides d'onde comptée suivant l'axe des x et t sin Q est la distance entre les axes des guides d > onde adjacents dans la direction verticale ou parallèle à l'axe des y. tes paramètres s, t et Q définissent la disposition géométrique de l'aérien et sont dénommés paramètres du réseau.On observera également ciue les vecteurs électriques à l'intérieur des éléments des guides d'onde sont verticaux pour le mode d'excitation fondamental TE10 ou Il10 utilisé en général, et par conséquent la direction y est parallèle au plan dit "E" de l'aérien. te plan H de l'aérien est perpendiculaire au plan E et parallèle à l'axe des x. Par ailleurs, dtaprès cette convention, la largeur de chacun des éléments rayonnants du guide d'onde est égale à a et sa longueur à b. tes autres paramètres géométriques d'un grand aérien sont représentés sur la vue en perspective et en coupe partielle de la figure 2. Sur la figure 2, l'axe des z est par définition normal à la face de l'aérien et est défini par l'intersection des plans H et E. Un point arbitraire 20 dans une direction de rayonnement donnée dans l'espace peut être défini par ses coordonnées x, y, z ou plus commodément, par ses coordonnées polaires. Par conséquent, le point 20 à une distance r du centre de l'aérien (origine) peut également être défini par ses coordonnées polaires r, ç et . Dans le système de coordonnées polaires choisi, le plan H est défini par # = 0 et le plan E par &commat; G = 00.Pour simplifier l'analyse, on admet que les tronçons de guide onde des figures 1 et 2 ne sont pas chargés et que la constante diélectrique à l'intérieur et à l'extérieur de ces guides est égale à E La réalisation et l'étude de ces aériens sont bien cornues Se reporter par exemple au traité "MICROWAVE SCANNING ANTENNAS", Vol. II, R. C.Hansen, Ed., STe-w York, ncademic Press, 1966, Chap. 3 et 4. méthode d'étude comprend la détermination de ltemplacement des lobes d'interférence ou 1,lobes de diffraction" par analogie avec les réseaux correspondants, en fonction des paramètres du réseau constituant aérien. Dans la plupart des cas, ltemplacement du premier lobe de diffraction est précisé dans les conditions de réalisation, ainsi que le gain et la largeur du faisceau de l'aérien. On détermine les paramètres du réseau constituant l'aérien à partir de ces conditions. On choisit ensuite les dimensions du guide d'onde en fonction de la gamme de fréquences d'utilisation nécessaire. Lors de l'étude des ensembles des figures 1 et 2, l'énergie se propage à ltintérieur de chacun des guides d'onde élémentaires suivant le mode fondamental TElO ou H10. A lXextérieur de l'aérien, l'énergie se propage dans l'espace indéfini. Cependant, il est manifeste qutil se produit une conversion de mode aux extrémités ouvertes des guides tonde. Cette conversion de mode est associée à l'excitation dans les guides dlonde supérieur qui peuvent provoquer un zéro de résonance, que la présente invention cherche à éliminer On admet que les éléments de l'aérien des figures 1 et 2, sont excités à amplitude constante avec une phase progressivement variable.L'élément défini par x = O, y = 0 est dénommé élément (0,0) et son excitation est par définition # (i) L'excitation de l'élément (pst) est par conséquent définie comme su-t #(i) exp (-jko) [ps + (qt cos Q ) u + (qt sin Q ) v] (1) relation dans laquelle k0 = 2#/# 0 et le "paramètre d'onde" dans l'espace indéfini, et u = sin GO cos # OS v = sin 40 sin 9 O et (#0, #0) représentent la direction du faisceau émis dans l'espace indéfini, exprimée en coordonnees polaires. Comme on l'a mentionné ci-dessus, on peut étudier aérien en utilisant le procédé dit de la cellule élémentaire. Quand on opère ainsi, le champ total à l'extérieur de l'aérien peut être décomposé en ondes TE et TM par rapport à l'axe des z. te po-tentiel électrique E et le potentiel magnétique w sont liés au champ extérieur complet par les équations ci-après dans lesquelles z représente le vecteur unité dans la direction des z. tes potentiels dans diverses régions à l'intérieur de l'élé- ment unité sont représentés comme suit : On admet que, à ltinté- rieur du guide d'onde et pour z te signe prime juste à c8té du doubla signe sommation ou sigma de l'équation 4a signifie jupon peut supprimer le terme m - n = O. t'accolade représente les coefficients de mode pour le champ incident donné et représente les coefficients de réflexion. Pour l'onde émise dans ltespace indéfini, les poten-tiels sont considérés comme une superposition dthar- moniques dans l'espace, à savoir En conformité avec la technique d'adaptation par iris selon l'invention, un iris dont L'épaisseur est bien inférieure à une longueur d'onde est placé à l'extrémité de chaque élément rayonnant constitué par un guide d'onde et assujetti conductivement à celui ci. es figures 5 à 9 représentent diverses variantes d'iris qui sont décrites plus en détail ci-après. Cependant, la figure 7 représente les dimensions figurant dans les équations ci-après, et la figure 5 représente la forme dtiris particulière employée avec l'aérien de la figure 3.Sur la figure 7, la largeur de l'ouver ture du guide d'onde quand l'iris est en place est c1 + c2 et sa hauteur est d1 + d2. Dans le cas de l'iris de la figure 5 et de ceux employés dans la réalisation de la figure 3, on a d1 = d2 =b/2. Lors de l'adaptation de mode selon l'invention, la première opération consiste à déterminer le champ dans l'ouverture et à calculer ensuite On peut représenter le champ à l'ouverture de plusieurs manières: il est commode, dans le cas présent, de considérer l'iris comme un guide d'onde à discontinuité dégénéré.Par conséquent, les potentiels du champ créé par l'ouverture sont représentés en fonction des potentiels du mode normal dXun guide d'onde défini par (-cl) Les composantes tangentialles du champ pour z = O sont exprimées comme suit à partir des équations 2, 7 et 6a à 6e pour -c1 Avec l'élément unité et dans la région de l'espace indéfini éloigné de l'aérien (z ? O), les composantes tangentielles du champ créé par l'ouverture sont pour I xl avec #= exp(-j) (upox + vpqy) (8e) On trouve de même, à partir des équations 2, 3, 4à et 4b que les composantes tangentielles du champ créé par l'ouverture, à l'intérieur du tronçon de guide d'onde, pour z pour jxj Après avoir déterminé les trois groupes d'expressions du champ créé par l'ouverture à 11 aide des équations 7a à 7d, 8a à 8e et 9a à 9d, on peut alors adapter ces champs. Au niveau de l'iris, les composantes tangentielles de E sont égales à zéro et les composantes tangentielles des champs E et H ne subissent aucune discontinuité en passant par l'ouverture. La manipulation de ces équations est évidemment très complexe.Pour simplifier, on peut décrire les manipulations fondamentales comme suit Premièremen-t, les champs électriques tangentiels sont adaptés pour z = +O et z = 0, ce qui donne #Ex(z=0) , pour -c1 x c2, -d1 y d2 Ex(z=o+) (10) O , quelque part ailleurs dans la cellule élémentaire En utilisant la méthode d'analyse de Fourier, on multiplie les deux membres de l'équation 10 par l'expression j(upox + vpqy) et on intègre sur toute la surface de l'élément unité.Ceci conduit à des expressions de T et Tpq pour chaque groupe de coordonnées pq pq p et q en fonction de tout le groupes de valeures de: Amn, Bmn, #mn, #mn#. De même en mettant en coïncidence les champs pour z=O et z=-O, Rîw et R1,, pour chaque paire de valeurs del et w , en fonction de et évidemment du champ incident L'adaptation du champ magnétique tangentiel Hx donne : x(z=0+)=Hx(z=0-), pour -c1 Pour séparer les coefficients, on multiplie l'équation 11 par sin [1#(x+c1)/c]cos [w #(y+d1)d] et on intègre sur la surface de l'ouverture du guide d'onde, pour -c1 Ce mode opératoire conduit à des expressions de A1#, B1#, Àîw et B1 w, pour chaque paire de valeurs de 1 et de w , en fonction de On obtient; par substitution les deux équations matricielles ci-après pour les coefficients de mode du champ créé par l'ouver- ture, à savoir A=[X-YV-1U]-1ZI (12) et B= -V-1UA (13) express-tons dans lesquelles A, B et I sont les colonnes des matrices formées par respectivement. te autres matricespour les équations 12 et 13 sont complues et leurs expressions explicites ne sont pas indiquées ici, faute de place.Une fois que le champ créé par l'ouverture a été déterminé par les équations 12 et 13 > on calcule les coefficients de réflexion et les coefficients de transmission à partir des relations obtenues ci-dessus. Les'équations matricielles 12 et 17 correspondent à des systèmes infinis d'équations linéaires. Pour les calculs numériques, cesFystèmes sort limités de manière à employer environ 25 modes dans la région du guide d'onde et 90 harmoniques dans ltespace dans la région de l'espace indéfini. lies calculs numériques sont exécutés plus facilement à l'aide d'un calculateur électronique. On a étudié un aérien expérimental d'un type-semblable à celui représenté sur la figure 3. Dans la vue en perspective de la figure 3 avec enlèvement partiel, plusieurs tronçons 30 rectangulaires de guide d'onde sont disposés avant un réseau triangulaire du type représenté sur la figure 1. Un circuit approprié d'alimentation de l'aérien, non représenté, est couplé à l'arrière dudit aérien. Pour plus de clarté, le réseau d'alimentation particulier utilisé n'est pas représenté sur la figure 3. Toutefois, les réseaux utilisables sont bien connus des spécialistes. Volt, par exemple, MICROWAVE SCANNING ANTENNAS, Vol. III, R.C. Hansen, Ed., New York, Academic Press, 1966, Chap. I. Une grande plaque 31 de matériau conducteur dans laquelle sont ménagés plusieurs ouvertures 32 est placée contre les extrémités ouvertes des tronçons 30 de guide d'onde à l'avant de l'aérien. tes diverses ouvertures 32 sont semllables à celles représentées sur la figure 5. Quand elles sont en place et reliées conductivement à la face avant de l'aérien, la plaque 31 forme des iris symétriques aux extrémités des tronçons de guide d'onde 30. Si on le désire, on peut aussi former des iris asymétriques avec la même plaque conductrice 31, en la déplaçant avant de la fixer à nouveau. t1 aérien expérimental était caractérisé par les paramètres de réseau ci-apres k0t = 4,7 k0s= 6,23 = 45 tes tronçons de guide d'onde étaient identiques et leurs cotes de réalisation étaient les suivantes kOa = 5,68 k0b = 2,51 tes divers iris 32 formés par la plaque 31 avaient les dimensions ci-après k0d1 = k0d2 = 1,255 k0c1 = k0c2 = 2,84 à 0,71 (iris O à iris 75 %) On a déterminé par le calcul la transmission d'énergie du faisceau principal avec une alimentation à amplitude constante et déphasage progressif. La figure 4 représente graphiquement (en ordonnées) la puissance du faisceau principal en décibels en fonction de 15angle e0 de balayage du plan H (en abscisses) de O à 800. La courbe 40 en trait plein correspondant à l'iris type O % représente nettement le zéro de résonance défini par un angleGO voisin de 330. Cependant, le premier lobe de diffraction correspond à un angle eO voisin de 530. tes courbes 41, 42, 43 et 44 correspondent à la puissance du faisceau principal avec des iris de respectivement 10, 25, 50 et 75 6. On observera que les dimensions des iris exprimées de cette manière correspondent à [(c1 + c c2)/a]x 100. t'utilisation de ces iris éloigne le zéro de la direction #0 = O et avec un iris à 50 %, le zéro disparaît et on réalise une adaptation d'impédance sensiblement uniforme. La réponse de l'iris à 75 %, représentée par la courbe 44, conserve toujours la suppression du zéro de résonance et dégrade 11 adaptation d'ensemble de l'aérien. Bien que la solution à l'aide d'un calculateur des équations 12 et 13 fournisse les informations nécessaires pour optimaliser les dimensions de l'iris, on peut obtenir des informations par d'autres techniques. Par exemple, on peut réaliser un aérien de modè]e classique en utilisant un grand nombre d'éléments rayonnants à guide d'onde (par exemple 100). tes iris peuvent hêtre formés par une bande conductrice, par exemple d'aluminium, comportant une couche adhésive. Un détecteur d'ondes stationnaires, ou TOS-mètre, à ligne de mesure peut être relié à 12 élément central de l'aérien pour obtenir un tracé de l'impédance quand le faisceau de l'aérien se déplace. En faIsant varier les dimensions des iris à laide de la bande conductrice, on peut facilement déterminer l'iris optimal. Après avoir obtenu la configuration optimale de l'iris, on peut régler à nouveau l'aérien si on le désire, par la technique connue consistant à introduire des objets appropriés à l'intérieur de chacun des tronçons de guide d'onde. te comportement de l'aérien lors du balayage n'est pas représenté pour des balayages en dehors du plàn H. Cependant, le réseau de résonance n'est pas aussi marqué en général avec les autres directions de balayage. Quand les zéros de résonance dans les autres plans de balayage sont gênants, on peut utiliser pour les supprimer un iris semblable à celui de la figure 7. tes figures 5 à 9 représentent a figure 5 représente certain nombre de variantes d'iris de guide d'onde. La figure 5 représente un iris symétrique inductif du type employé pour la réalisation de la figure 3. ta figure 6 représente un iris inductif asymétrique, qui peut etre également employé pour la mise en oeuvre de l'invention, bien que cet iris accentue le passage du mode TEto au mode TE20 et soit par conséquent désavantageux dans certains cas. La figure 7 représente en perspective un type général d'iris rectangulaire symé-trique. ta figure 8 représente en perspective un iris à plusieurs ouvertures, de forme arbitraire. La figure 9 représente en perspective un iris symétrique circulaire à employer dans les aériens constitués par des guides d'onde circulaires servant d'éléments rayonnants. Un certain nombre de configurations d'iris qui peuvent entre aussi utilisées pour la mise en oeuvre de lXinven- tion sont représentées dans l'ouvrage PRINCIPtES and ÀPPtICÂTIONS of WAVEGUIDE TRANSMISSION, par G. C. Southworth, D. Van Nostrand Co.> Inc., New York, (1950), page 246. Bien qu'on puisse employer de nombreuses autres configurations iris, certains d'entre eux sont plus faciles à étudier mathématiquement que autres. Si l'on emploie les modèles les plus complexes d'iris, il peut être nécessaire de recourir à une étude par tatonnement. En tout cas, il va de soi qu'on peut employer d'autres agencements nombreux et variés, comportant différentes formes géométriques de réseau d'aériens et configurations d'iris selon les principes de l'invention. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite quta titre indicatif, mais nullement limitatif, et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Aérien haute fréquence caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs tronçons pratiquement identiques de guides d'onde creux, reliés conductixement, disposés et espacés en formant des figures géométriques, chacun desdits tronçons de guide d'onde comportant au mois une extrémité ouverte, et plusieurs iris conducteurs minces pratiquement identiques, placés auxdites extrémités ouvertes desdits tronçons de guide dtonde et reliés conductivement à ceux-ci 2. Aérien selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun desdits iris réduit la section transversale desdites extrémités ouvertes dSenntiron 50 %. 3. Aérien constitué par plusieurs tronçons de guides d'onde associés, reliés conductivement et dont chacun comporte au moins une extrémité ouverte, lesdits tronçons de guide d'onde étant disposés de manière à former un ensemble géométrique, et lesdites ex- trémités ouvertes définissant une face de aérien, caractérisé en ce qu'il comprend une mince plaque conductrice comportant des ouvertures espacées suivant une figure géométrique, et qui est conductivement en contact avec ladite face de 11 aérien en définissant des iris de guide d'onde sensiblement identiques auxdites extrémités ouvertes. 4. Aérien haute fréquence, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs tronçons sensiblement identiques de guides d'onde creux liés conductivement de manière à former un ensemble triangulaire chacun desdits éléments de guide d'onde ayant au moins une extrémité ouverte et plusieurs iris conducteurs minces sensiblement identiques étant placés contre lesdites extrémités ouvertes desdits tronçons de guide d'onde et étant reliés conductivement à ceuxuci 5. Aérien selon la revendication 4, caractérisé en ce que chacun desdits iris réduit la section transversale desdites extrémités ouvertes d'environ 50 io.