Brevet FR2118848A1 — publié le 19720804

- 1 - 2118848 1 la présente invention est relative à des perfectionnements aux antennes multimodes. Par antennes multimodes on entend des dispositifs rayonnants reposant sur l'utilisation du rayonnement simultané de divers modes 5 de propagation guidés engendrés par des dispositifs appelés "modeurs" et dont les amplitudes et les phases sont contrôlées. Dans ces conditions la synthèse des lois d'illumination résulte de la superposition des modes de propagation guidés fondamental et harmoniques, la création de ces modes et leur superposition ont été 10 réalisées dans des structures, appelées précisément "modeurs" formées de guides d'ondes et comportant des discontinuités destinées à engendrer des modes supérieurs à partir du mode fondamental appliqué à l'entrée de la structure, le brevet français n#■1.290.275 déposé par la Demanderesse et sa première addition n° 82.483 décrit det els 15 modeurs dans lesquels un ou plusieurs guides dits d'excitation, filtrant chacun leur mode de propagation fondamental aboutissent à l'entrée d'un guide d'onde dit principal de longueur definie, dont l'extrémité ouverte constitue en principe l'ouverture rayonnante. Ce guide d'onde principal est susceptible de propager divers modes 20 supérieurs et les modes harmoniques sont engendrés en principe au niveau des plans de discontinuités ou aboutissent les guides d'excitation. La figure 1 rappelle ce modeur que l'on peut qualifier de classique. Le guide principal de longueur 1 est référencé par 1 et les guides d'excitation référencés par 2 et 3 débouchent dans le 25 guide principal dans le plan Z = G appelé plan de discontinuité. Les guides d'excitation 2 et 3 étant alimentés dans le mode fondamental, des modes harmoniques naissent au niveau de ce plan de discontinuité et ces modes harmoniques avec le mode fondamental se propagent dans le guide d'onde principal dont les dimensions sont 30 choisies en conséquence,'jusqu'au plan d'ouverture Z = L d'où ils rayonnent. Bien entendu le modeur rappelé dans cette figure 1 est représenté de façon schématique et certains dispositifs non représentés, peuvent lui être adjoints, comme par exemple, des filtres de modes pour éliminer des modes jugés indésirables, des dispositifs 35 d'adaptation associés aux guides d'excitation et également d'autres discontinuités placées intentionnellement pour modifier le rapport des modes créés. Cependant les modes fondamental et harmoniques engendrés suivant ce qui a été rappelé se propagent dans le guide principal 40 avec des vitesses de phase différentes jusqu'à l'ouverture rayonnante 70 46249 - 2 - 2118848 l Z = L . Il en résulte que la combinaison de phase désirée précisément dans le plan de l'ouverture rayonnante n'est obtenue en toute rigueur que pour une seule fréquence. Toutefois si les modes utilisés ne sont pas trop près de la coupure, on peut montrer que l'on peut obtenir 5 des lois d'illumination très stables dans des bandes de fréquence de l'ordre de 10 %. Dans certaines applications, en particulier dans les télécommunications spatiales, il est nécessaire de disposer d'une bande passante de l'ordre de 12 à 14# et l'on envisage d'utiliser une bande passante 10 de 11 ordre de 18$. la présente invention se propose de définir dans la classe des modeurs tels que décrits dans le brevet cité, une structure nouvelle qui fonctionne avec une bande passante nettement plus importante que celle obtenue avec les modeurs sélectifs de l'art antérieur. 15 Suivant l'invention, le modeur à bande passante élargie se caractérise par l'existence d'au moins deux plans de discontinuité séparés par un guide de dimensions telles et débouchant dans un guide principal de dimensions telles également que les modes créés dans lesdits plans de discontinuité se propagent dans lesdits 20 guides de telle sorte que les modes résultants dans le guide principal se trouvent, quelle que soit leur fréquence à l'intérieur d'une bande déterminée, en phase à l'extrémité rayonnante dudit guide principal. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appa-25 raitront au cours de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation donnée à titre non limitatif, à l'aide des figures qui outre la figure 1 relative à l'art antérieur représentent : - la figure 2, une vue schématique d'un modeur conforme à l'invention, 30 -la figure 3, un exemple de mise en oeuvre schématique et simplifiée d'un modeur type E, - la figure 4, un autre exemple de mise en oeuvre de l'invention. Suivant l'invention, l'élargissement de la bande passante d'un modeur dépend de la vitesse de phase des modes propagatifs à 35 l'intérieur de la structure et de sa longueur, déterminés de façon telle que les modes se trouvent en phase dans le plan de l'ouverture rayonnante. la figure 2 présente schématiquement cette nouvelle structure de modeur, où. le guide d'excitation du guide principal est un 40 modeur classique tel que décrit dans le brevet cité. Sur la 70 46249 "5 " 2118848 I figure le^odeur 4 est un modeur plan E dont les guides d'excitation 5 et 6/alimentes tous deux dans le mode fondamental (H01 ) en phase ou en opposition de phase suivant la parité des modes que l'on veut créer dans le guide principal 8 dont les dimensions sont choisies 5 en conséquence. Un autre guide d'excitation 9 en cornet est également représenté avec son plan de discontinuité 10. Ces ensembles d'excitation multimodes débouchent dans le guide principal 1, dont le plan d'entrée 11 constitue un plan de discontinuité. Dans ce guide principal les modes créés au niveau des plans de disconti-10 nuité tels que 7 et 11 par exemple, se combinent en phase et en amplitude, pour donner les modes résultants en phase au niveau de l'ouverture rayonnante, la nouvelle structure présente ainsi deux discontinuités successives situées dans les plans de raccordement des deux guides d'ondes de dimensions différentes. 15 la figure 3 représente une réalisation schématique d'une structure nouvelle multimode, répondant aux caractéristiques précédentes et simplifiée de façon à ce que l'explication de son fonctionnement soit rendue plus aisée. Cette réalisation schématique représente une section longitudinale d'un modeur E mais 1'explica-20 tion qui suit pourrait être faite également avec un modeur H. le choix du type de modeur n'entraîne aucune limitation de l'invention. Cette structure d'un modeur suivant l'invention comporte la partie excitation entre le plan d'entrée 12 et le plan d'une première discontinuité 13. jSntre le plan 13 de la première discontinuité et 25 le plan 14 d'une seconde discontinuité se trouve un guide dit intermédiaire 15. Au delà du plan 14 s'étend le guide principal 16 jusqu'au plan 17 de l'ouverture rayonnante du système. les guides d'excitation 5 et 6 sont supposés alimentés dans le mode fondamental TE10 et l'ensemble des deux discontinuitéssuc- 30 cessives 13 et 14 créent des modes TE12 et TM12 possédant tous deux la même vitesse de phase. Ces deux modes se combinent pour donner naissance au mode mixte EM1 2»Excites en phase dans les plans de discontinuité«• Ces modes TE10 et EM12 se propagent avec leurs vitesses de phase propres et si l'on désire qu'ils se trouvent 35 en phase à l'extrémité du guide principalde longueur dans lequel ils se propagent, il faut que cette longueur 1 réponde à la condition suivante 2% j~~~ ~ ---- = 2te (1 ) où ^ g1 et X g2 sont les longueurs d'on§e guidées des deux modes considérés. Y "bad original] 70 46249 - 4 - ' 2118848 I Dans ces conditions et suivant les dimensions des guides d'onde intermédiaire et principal, on constate qu'aux fréquences basses de la gamme le mode supérieur mixte EM12 est à la coupure dans le guide intermédiaire, et ne devient propagatif qu'au delà de la 5 deuxième discontinuité 14. L'ensemble fonctionne comme un modeur classique à une seule discontinuité.Aux fréquences élevées de la gamme, le mode supérieur mixte est généré au niveau de la première discontinuité 13, se propage dans le guide intermédiaire 15, qui excite le guide principal 16. Au niveau de la deuxième discontinuité me '0 14,/fonction du mode supérieur EM12odt créée qui se combine en amplitude et en phase avec le mode généré par la première discontinuité. Les deux fonctions du mode qui se combinent au niveau de la deuxième discontinuité n'ont pas la même phase et suivant l'égalité (1) la longueur du guide principal est telle que cette égalité est ^5 satisfaite. Dans ces conditions les phases sont devenues égales au niveau de l'ouverture rayonnante où l'on obtient pour cette longueur du guide la loi d'illumination désirée. En fait et suivant la fréquence à laquelle on opère, l'interprétation de l'égalité (1) quand elle est satisfaite, indique que tout se passe comme si 20 le mode résultant EM12 avait été créé dans un plan situé entre les deux plans de discontinuité 13 et 14; Ainsi lorsque la fréquence est relativement basse, le plan de génération du mode résultant est celui de la deuxième discontinuité mais au fur et à mesure que la fréquence de fonctionnement croît, ce plan de génération du mode 25 supérieur tend à ^éloigner du plan de la deuxième discontinuité et à ae déplacer vers le plan de la première discontinuité, la longueur équivalente de la structure selon l'invention croit donc avec la fréquence, la longueur physique du guide principal étant choisie pour la fréquence la plus basse de la gamme. 30 Dans ces conditions on a pu déterminer une largeur de bande de l'ordre de 20% avec des erreurs de phase à l'extrémité rayonnante du guide multimode ne dépassant pas 6°. la figure 4 représente un second exemple de réalisation d'une structure d'antenne multimode généralisant l'exemple décrit pré-35 cédemment. Dans cette structure de modeur plan E également les deux plans de discontinuité 13 et 14 sont toujours présents, mais au niveau du plan de la deuxième discontinuité débouchent des guides d'excitation supplémentaires destinés à créer des modes impairs par exemple EM11. Ces guides supplémentaires18 et 19 sont alors 40 excités en opposition de phase dans le mode fondamental. Une telle gAD ORIGINAL copy 70 46249 .2118848 I - 5 - ' disposition permet de faire des mesures d'écartrométrie dans un système monopulse par détermination de voies différence, le fonctionnement d'une telle structure est semblable à celuLdéjà décrit. Avec basses fréquences de la bande envisagée, le mode supérieur est 5 évanescent au niveau de la première discontinuité 13} ne devenant propagatif qu'au niveau de la seconde discontinuité,Au fur et à mesure que la fréquence croit, tout se passe comme si le mode résultant obtenu dans le guide principal était créé dans un plan se déplaçant de la deuxième discontinuité à la première dans le 10 guide intermédiaire 20, au fur et à mesure que se crée une fonction du mode supérieur au niveau de la première discontinuité► On a prévu, dans cette structure, après la seconde discontinuité, et dans le guide principal 21, des moyens établissant un découplage théoriquement parfait entre les guides supplémentaires 18, 19 et le 15 guide 22 d'excitation des modes pairs. Ces moyens consistent en des plaquettes métalliques 23-24 transversales au champ électrique du mode fondamental. On a ainsi décrit une nouvelle structure multimode à large bande passante qui présente au moins deux discontinuités successives 20 en escalier. On pourra noter à cet égard que la hauteur de ces marches n'est pas quelconque. Elle dépend de la proportion des modes supérieurs à créer pour obtenir le diagramme d'illumination que l'on veut avoir au niveau de l'ouverture rayonnante de la structure. 25 De môme il apparait que le nombre des discontinuités prévues est voie fonction de la largeur de la bande passante désirée. Le nombre de doux discontinuités choisi dans la description n'est pas limitatif et il est possible do prévoir plus de deux discontinuités dans une structure sans que les principes de l'invention 30 soient rendus caducs. Il est également possible, sans sortir du cadre de la présente „ invention,, d'établir les discontinuités dans un modeur plan H et de grouper ion modeur plan E et un modeur plan H. GOPV bad original 70 46249 - 6 - 2118848 « REVBKPIC&TIOKS 1. Antenne multimode à largo bande passante constituée par une ouverture rayonnante à l'extrémité d'un guide multimode dans lequel se propagent en proportions définies des ondes de mode fonda- 5 mental et dos harmoniques, avec superposition de ces modes en phase et en amplitude pour donner une loi d'illumination choisie a priori, cotte structure étant alimentée par un ou plusieurs guides d'excitation dans le mode fondamental et comportant des discontinuités créant les modes supérieurs dans des guides d'ondes dont les dimen-10 sions sont telles que les divers modes créés peuvent s'y propager et se combiner entre eux,caractérisée en ce que ladite structure multimode comporte au moins deux discontinuités successives séparées par un guide d'onde intermédiaire débouchant dans un guide d'onde principal où les divers modes supérieurs créés peuvent se propager 15 avec le modo fondamental de façon telle qu'ils se superposent en amplitude et en phase au niveau de 1'ouverture rayonnante, quelle que soit leur fréquence à l'intérieur d'une large bande de fréquences. 2. Antenne multimode selon la revendication 1f caractérisée en ce que les discontinuités successives présentent un profil dit en 20 marches d'escalier, la hauteur des marches étant fonction de la proportion du mode supérieur que l'on veut créer au niveau desdites marches, la proportion de mode créé s'évaluant par rapport au mode principal. 3. Antenne multimode selon les revendications 1 et 2,caracté-25 risée en ce que la longueur équivalente du guide principal est telle que les ondos de mode supérieur et fondamental qui s'y propagent et se combinent, arrivent en phase à l'extrémité du guide principal, quelle que soit .la fréquence de fonctionnement choisie à l'intérieur d'une large bande. 30 4. Antenne multimode selon la revendication 3fcaractérisée en ce que la longueur équivalente du guide principal de la structure multimode croit avec la fréquence de fonctionnement. 5. Antenne multimode selon la revendication 1, caractérisée en ce que les dimensions du guide intermédiaire sont telles que, 35 pour les fréquences basses de la bande passante, les fonctions de mode supérieur créées, au niveau de la première discontinuité sont évanescentes, seules étant propagatives les fonctions de mode supérieur créées au niveau de la deuxième discontinuité, à l'entrée du guide principal. bad original 70 46249 - 7 - 2118848 ! 6. Antenne multimode selon la revendication 4, caractérisée en ce que pour les fréquences élevées de la bande passante, les fonctions de mode supérieur créées au niveau de la première discontinuité se propagent dans le guide intermédiaire puis dans le guide principal où elles se combinent aux fonctions de mode supérieur créées au niveau de la deuxième discontinuité, les dimensions de la structure étant telles que ces ondes arrivent en phase à l'ouverture rayonnante de ladite structure. r bad original.