Brevet FR2478820A1 — publié le 19810925

La présente invention a pour objet un équipe- ment de mesure de l'affaiblissement différentiel et du déphasage entre deux ondes de polarisations orthogonales. Elle trouve une application en télécommunications et éga- lement en radionavigation. Les précipitations atmosphériques qui affec- tent les liaisons radioélectriques (notamment les liai- sons travaillant à une fréquence supérieure à 10 GHz) af- faiblissent davantage les ondes à polarisation horizonta- le que les ondes à polarisation verticale. La mesure de l'affaiblissement différentiel de ces ondes permet d'obtenir un certain nombre d'indica- tions sur les caractéristiques de la pluie et, partant, sur les conditions de propagation. En outre, elle permet de déterminer la loi de répartition des évanouissements sur l'une des polarisations quand on connaît la loi sur l'autre. La mesure du déphasage entre deux ondes à pola- risations horizontale et verticale après un trajet dans l'atmosphère libre présente également de l'intérêt pour l'étude des possibilités de réception en diversité. Dans l'art antérieur, pour mesurer la différen- ce d'affaiblissement ou le déphasage, entre des ondes de polarisations horizontale et verticale, on utilisait deux émetteurs calés sur deux fréquences voisines et deux ré- cepteurs accordés sur ces fréquences, l'un des couples émetteur-récepteur travaillant sur une onde à polarisa- tion horizontale et l'autre sur une onde à polarisation verticale. Ce système présente un inconvénient majeur dû au fait que la dérive des émetteurs et des récepteurs peut, dans certains cas, entraîner des erreurs qui sont du même ordre que les grandeurs à mesurer. L'invention résout ce problème en adoptant le principe d'une seule voie de mesure. Ce principe se heur- te évidemment à une difficulté puisque l'unicité des moyens mis en oeuvre semble difficilement compatible avec la dualité des ondes en présence. Cette difficulté est surmontée selon l'invention, par l'utilisation d'un émet- teur unique qui engendre une onde inclinée sur la verti- cale et d'un récepteur unique qui comprend une double antenne de réception apte à prélever les deux composantes horizontale et verticale de l'onde transmise et un cir- cuit de mesure de l'affaiblissement qui travaille en al- ternance sur chacune de ces deux composantes. L'utilisation d'un seul émetteur et d'un seul récepteur évite toute erreur de mesure. En effet, une baisse de puissance à l'émission n'entraîne aucune diffé- rence d'intensité à la réception entre les deux champs à polarisations verticale et horizontale; de même pour une variation de la sensibilité du récepteur. Le seul inconvénient du système de l'invention est naturellement une baisse de moitié du niveau de cha- que voie de mesure, par rapport au niveau que l'on ob- tiendrait avec deux émetteurs indépendants, mais ceci est aisément compensé par amplification des signaux. Selon une autre caractéristique de l'inven- tion, les circuits de mesure de l'affaiblissement et du déphasage sont du type hétérodyne et utilisent le même oscillateur local pour la génération des signaux à fré- quence intermédiaire. De façon plus précise, l'invention a pour objet un équipement de mesure de l'affaiblissement différentiel et du déphasage entre deux ondes polarisées rectiligne- ment selon deux directions orthogonales, cet équipement comprenant un organe d'émission et un organe de récep- tion, caractérisé en ce que: A) - l'organe d'émission comprend un émetteur unique ali- mentant une antenne apte à rayonner une onde polari- sée rectilignement selon une direction non parallèle aux deux dites directions orthogonales; B) - l'organe de réception comprend: a) - une première antenne de réception apte à capter une onde de polarisation rectiligne parallèle à l'une des deux dites directions, cette première antenne étant suivie d'un premier diviseur pos- sédant une première branche de sortie et une seconde branche de sortie, b) - une seconde antenne de réception apte à capter une onde de polarisation rectiligne parallèle à l'autre direction, cette seconde antenne étant suivie d'un second diviseur possédant une pre- mière branche de sortie et une seconde branche de sortie, c) - un circuit de mesure d'un affaiblissement dif- férentiel, ce circuit possédant deux entrées reliées respectivement aux premières branches de sortie du premier et du second diviseurs, ce circuit comprenant un aiguilleur de voie à deux entrées reliées respectivement aux deux en- trées du circuit de mesure et à une sortie, un récepteur à une entrée reliée à la sortie de l'aiguilleur et à une sortie, ce récepteur étant du type hétérodyne et comprenant un os- cillateur local, un commutateur de voies à-une entrée reliée à la sortie du récepteur et à deux sorties, une horloge commandant en syn- chronisme l'aiguilleur de voie et le commuta- teur de voies, un premier enregistreur relié à l'une des sorties du commutateur, un second en- registreur relié à l'autre sortie, un organe de mesure de la différence des signaux enregistrés par les deux enregistreurs, d) - un circuit de mesure de déphasage, ce circuit possédant deux entrées reliées respectivement aux deuxièmes branches de sortie du premier et du second diviseurs, et comprenant deux mélan- 247887? geurs de fréquence à deux entrées, l'une reliée à l'une des entrées dudit circuit de mesure de déphasage et l'autre à l'oscillateur local du récepteur du circuit de mesure de l'affaiblis- sement, et un moyen de mesure du déphasage en- tre les signaux délivrés par les deux dits mé- langeurs. L'invention s'applique à la mesure d'ondes de polarisations orthogonales de directions quelconques, mais de préférence et pour les raisons indiquées plus haut, on s'attache aux ondes de polarisations verticale et horizontale. Dans ce cas alors: - l'antenne de l'émetteur est apte à rayonner une onde polarisée à 450 de la verticale, - la première antenne de réception est apte à recevoir une onde polarisée verticalement, - la seconde antenne de réception est apte à recevoir une onde polarisée horizontalement. De toute façon, les caractéristiques et avanta- ges de l'invention apparaîtront mieux après la descrip- tion qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins sur lesquels - la figure 1 représente le schéma synoptique d'un équipement conforme à l'invention, - la figure 2 représente le schéma synoptique d'un circuit de mesure de l'affaiblissement différentiel, - la figure 3 illustre un mode particulier de réalisation d'un récepteur utilisé dans le circuit de la figure précédente, - la figure 4 représente le schéma synoptique d'un circuit de mesure du déphasage. L'équipement représenté sur la figure 1 com- prend essentiellement un organe d'émission 10 et un orga- ne de réception 20. L'organe d'émission 10 comprend un émetteur unique 12 alimentant une antenne 14 apte à rayonner une onde polarisée rectilignement selon une direction qui est de préférence à 450 de la verticale. L'organe de réception 20 comprend a) - une première antenne de réception 22H, apte à capter une onde de polarisation rectiligne horizontale, cette première antenne étant suivie d'un circuit di- viseur 24H à deux branches de sortie 241H et 242H, b) - une seconde antenne de réception 22V, apte à capter une onde de polarisation rectiligne verticale, cette seconde antenne étant suivie d'un circuit diviseur 24V à deux branches de sortie 241V et 242V; c) - un circuit 30 de mesure d'affaiblissement différen- tiel; ce circuit possède deux entrées 32H et 32V reliées respectivement aux branches de sortie 241H et 241V des diviseurs 24H et 24V, la liaison s'ef- fectuant de préférence par l'intermédiaire de circu- lateurs 34H et 34V; ce circuit étant du type hété- rodyne il comprend, à cette fin, un oscillateur lo- cal 36; la structure du circuit 30 sera détaillée sur les figures 2 et 3; d) - un circuit 40 de mesure de déphasage; ce circuit possède deux entrées 42H et 42V reliées respective- ment aux branches de sortie 242H et 242V des divi- seurs 24H et 24V, la liaison s'effectuant là encore de préférence par l'intermédiaire de circulateurs 43H et 43V; le circuit 40 comprend deux mélangeurs de fréquence 44H et 44V à deux entrées, l'une reliée à l'une des entrées 421I, 42V et l'autre à l'oscilla- teur local 36 appartenant au circuit 30 de mesure de l'affaiblissement; les signaux délivrés par les deux dits mélangeurs 44H et 44V sont appliqués à un moyen 46 de mesure de leur déphasage; la structure de ce moyen sera détaillée sur la figure 4. Le circuit 30 de mesure de l'affaiblissement différentiel est représenté schématiquement sur la figure 2. Il comprend: - un aiguilleur de voie 50 à deux entrées reliées respec- tivement aux deux entrées 32H et 32V et à une sortie, - un récepteur 52 à une entrée reliée à la sortie de l'aiguilleur 50 et à une sortie, ce récepteur étant du type hétérodyne et comprenant l'oscillateur local 36 dont il a été question plus haut, - un commutateur de voies 54 à une entrée reliée à la sortie du récepteur et à deux sorties, - une horloge 56 commandant en synchronisme l'aiguilleur de voie 50 et le commutateur de voies 54, - un premier enregistreur 58H relié à l'une des sorties du commutateur, - un second enregistreur 58V relié à l'autre sortie, - et enfin, un organe 60 de mesure de la différence d'in- tensité des signaux enregistrés par les deux enregis- treurs 58H et 58V. Le récepteur 52 est représenté en détail sur la figure 3. Il comprend successivement un circulateur 62, un mélangeur 64 relié à l'oscillateur local 36, un pre- mier filtre 66 centré sur la fréquence intermédiaire ob- tenue après le mélangeur 62, un amplificateur 68, un se- cond filtre 70, un diviseur 72, un modulateur en anneau 74, un circuit 76 de régénération de fréquence intermé- diaire disposé entre le diviseur 72 et le mélangeur 74, et une chaîne d'amplificateurs 78/1, 78/2, 78/3 dont l'un au moins est logarithmique. De type hétérodyne, ce récepteur est conçu pour avoir un gain de conversion constant. La fréquence inter- médiaire est choisie basse (à 15 MHz par exemple) pour diminuer les pertes de transmission entre la partie hy- perfréquence et la partie détection. La nécessité d'une grande dynamique de mesure conduit à choisir une détec- tion linéaire. De plus, la linéarité de la détection per- met une simplification importante du travail de dépouil- lement des résultats. Cette détection linéaire est obte- nue grâce au modulateur en anneau 74 attaqué simultané- ment sur ses deux entrées par des signaux en phase déli- vrés par le diviseur 72. On évite par là l'emploi d'un deuxième oscillateur local. Le récepteur décrit mesure alternativement, à la cadence d'environ 200 fois par seconde, le champ hori- zontal et le champ vertical. La période de mesure, fixée par une horloge, est choisie très petite vis-à-vis des temps de fluctuation du phénomène à mesurer et très gran- de vis-à-vis de toutes les constantes de temps du récep- teur. En ce qui concerne maintenant le second aspect de la mesure, relatif au déphasage entre les signaux dé- livrés par lés deux mélangeurs 44H et 44V, le circuit utilisé est représenté sur la figure 4. Il comprend deux amplificateurs 80H et 80V travaillant à la fréquence in- termédiaire (15 MHz dans l'exemple pris plus haut) suivis de deux amplificateurs à niveau de sortie constant 82E et 82V, suivis de deux circuits limiteurs à déclenchement à seuil 84H, 84V, réunis à un circuit 86 qui mesure l'angle de déphasage entre les deux signaux, la mesure étant en- registrée par un appareil 88. Le fonctionnement de ce circuit est le suivant. Les signaux d'entrée à la fréquence intermédiaire sont ramenés à un niveau convenable par les amplificateurs 80H et 80V pour être véhiculés par deux coaxiaux. Les cir- cuits 82E et 82V ont pour r8le de délivrer des signaux de niveau constant. De cette manière, une variation de 70 dB du niveau d'entrée n'engendre pratiquement aucune varia- tion de l'amplitude des signaux appliqués aux limiteurs 84H et 84V. Ces derniers possèdent un seuil de bascule- ment de l'ordre de 200 mV crête à crête. Ils délivrent des signaux rectangulaires de fréquence égale à la fré- quence intermédiaire, les fronts d'impulsions étant dé- terminés par les instants o la tension sinusoïdale d'en- trée atteint ce seuil. L'émetteur n'est pas illustré en détail car il est de tout type connu. Il peut fonctionner par exemple à la fréquence de 13 GHz. 247887C En ce qui concerne les antennes, celle de l'or- gane d'émission peut comprendre un cornet assurant une polarisation rectiligne inclinée à 450 de la verticale et illuminant un réflecteur parabolique. A la réception, on peut utiliser deux cornets placés au centre d'un réflec- teur parabolique et orientés l'un pour recevoir la compo- sante horizontale et l'autre pour recevoir la composante verticale. A titre purement indicatif, on peut utiliser les composants du commerce suivants: - aiguilleur de voie: MH 16901 de THOMSON, - mélangeur: 70119 de ANAREN, - amplificateur: WATKINS-JOHNSON type Al/A5/A5, - mélangeur: série 750 de TEKELEC, - commutateur de voie: 190 BF de SILICONIX DG, - horloge: 4047 de RCA, - limiteurs (84H, 84V): MC 1651 de MOTOROLA, - circuit de mesure de déphasage (86): MC 12040 de MOTOROLA. Avec le matériel décrit, il a été possible de déceler des différences de 0,5 dB d'affaiblissement sur les deux composantes du champ reçu'pour un trajet en at- mosphère libre de 17,5 km. Aucune dérive de niveau n'a été constatée pendant six mois d'exploitation malgré des variations importantes dans les conditions atmosphéri- ques sur le trajet emprunté. Ces performances démontrent la validité et l'intérêt du principe de réception alter- née dans la mesure-de l'affaiblissement selon l'inven- tion. Le système de l'invention peut être utilisé en radionavigation, car il permet de mesurer l'écart d'orientation d'une antenne de réception embarquée par rapport à une direction de référence et d'effectuer une correction par une méthode de zéro. La double possibilité de mesurer l'amplitude et la phase donne à la mesure un caractère redondant. REVENDICATIONS 1. Equipement de mesure de l'affaiblissement différentiel et du déphasage entre deux ondes polarisées rectilignement selon deux directions orthogonales, cet équipement comprenant un organe d'émission et un organe de réception, caractérisé en ce que A) - l'organe d'émission (10) comprend un émetteur unique (12) alimentant une antenne apte (14) à rayonner une onde polarisée rectilignement selon une direction non parallèle aux deux dites directions orthogona- les; B) - l'organe de réception (20) comprend: a) - une première antenne de réception (22H) apte a capter une onde de polarisation rectiligne pa- rallèle à l'une des deux dites directions, cet- te première antenne étant suivie d'un premier diviseur (24H) possédant une première branche de sortie (241H) et une seconde branche de sor- tie (242H); b) - une seconde antenne de réception (22V) apte à capter une onde de polarisation rectiligne pa- rallèle à l'autre direction, cette seconde an- tenne étant suivie d'un second diviseur (24V) possédant une première branche de sortie (241V) et une seconde branche de sortie (242V); c) - un circuit (30) de mesure d'un affaiblissement différentiel, ce circuit possédant deux en- trées (32H, 32V) reliées respectivement aux premières branches de sortie (241H, 241V) du premier (24H) et du second (24V) diviseurs, ce circuit comprenant un aiguilleur de voie (50) à deux entrées reliées respectivement aux deux entrées du circuit de mesure et à une sortie, un récepteur (52) à une entrée reliée à la sor- tie de l'aiguilleur et à une sortie, ce récep- teur étant du type hétérodyne et comprenant un oscillateur local (36), un commutateur de voie (54) à une entrée reliée à la sortie du récep- teur et à deux sorties, une horloge (56) com- mandant en synchronisme l'aiguilleur de voie (50) et le commutateur de vcie (54), un premier enregistreur (581) relié à l'une des sorties du commutateur, un second enregistreur (58V) re- lié à l'autre sortie, un organe de mesure (60) de la différence des signaux enregistrés par les deux enregistreurs, d) - un circuit (40) de mesure de déphasage, ce cir- cuit possédant deux entrées (42H, 42V) reliées respectivement aux deuxièmes branches de sor- tie (242H, 242V) du premier et du second divi- seurs, et comprenant deux mélangeurs de fré- quence (44H, 44V) à deux entrées, l'une reliée à l'une des entrées dudit circuit de mesure de déphasage et l'autre à l'oscillateur local (36) du récepteur du circuit de mesure de l'affai- bl-issement, et un moyen (86) de mesure du dé- phasage entre les signaux délivrés par les deux dits mélangeurs. 2. Equipement selon la revendication 1, carac- térisé en ce que: - l'antenne (14) de l'émetteur (10) est apte à rayonner une onde polarisée à 450 de la verticale, - la première antenne de réception (22H) est apte à rece- voir une onde polarisée horizontalement, t - la seconde antenne de réception (22V) est apte à rece- voir une onde polarisée verticalement.