Brevet FR2477785A1 — publié le 19810911

La présente invention appartient au domaine des sources hyperfréquences multimodes, ainsi qu'à celui des antennes dites monopulse, qui comportent de telles sources. Dans les antennes monopulse, plusieurs diagrammes de rayon- nement sont mis en oeuvre simultanément et leurs formes inter- viennent directement dans les performances globales du système radar utilisant de telles antennes. Les techniques monopulse exploi- tent en effet simultanément plusieurs diagrammes issus du même aérien; en exploitation dite d'amplitude par exemple, on distingue d'une part un diagramme à symétrie paire ou diagramme "sommet' servant de référence et d'autre part, des diagrammes à symétrie impaire ou diagrammes "différence" donnant des signaux d'écar- tométrie en site et gisement par rapport à l'axe de l'antenne. En exploitation dite de "phase", les signaux d'écartométrie angulaire sont obtenus par la comparaison de la phase entre deux diagrammes possédant la même loi d'amplitude. Il faut d'ailleurs noter qu'il est possible de passer d'un mode d'exploitation à l'autre par l'intermédiaire d'un système de coupleurs, de sorte que dans la suite de la description, seul le cas de l'exploitation d'amplitude sera considéré. Dans ces divers modes d'exploitation, les diagrammes mis en oeuvre sont représentés mathématiquement par des fonctions ortho- gonales, ce qui entraîne le découplage des voies correspondantes. Par contre, les diverses caractéristiques de rayonnement de ces diagrammes, caractéristiques qui interviennent directement dans les performances du système ne sont pas indépendantes a priori, mais sont liées par des relations de contrainte dépendant de la structure de l'antenne. Ces caractéristiques sont le gain et le niveau des lobes latéraux en voie somme et voies différence, la pente au voisinage de l'axe et le niveau des lobes principaux en voie différence. Pour une structure d'antenne donnée, le problème posé revient à rechercher une optimisation entre les facteurs qui ont été déjà cités, tout en respectant entre eux la hiérarchie imposée par les fonctions du système considéré. On en déduit que toute structure possède un domaine d'optimisation mais précisément les structures classiques d'antennes ont montré leurs limites dans le cas des techniques monopulse. De fait il s'est avéré impossible dans les antennes monopulse classiques de contrôler de façon indépendante les diagrammes somme et les diagrammes différence, d'effectuer un contrôle correct de la forme de la loi d'illumination de la source primaire, qui est important, principalement dans la construction d'antennes à faible bruit pour la radio-astronomie et les télécom- munications spatiales. La technique monopulse classique a égale- ment montré ses limites dans l'application aux antennes de télécom- munications par diffusion troposphérique o l'on effectue la diver- sité entre les voies somme et différence. Pour remédier à ces limitations on a développé ce qui a été appelé les sources multimodes qui ont été utilisées dans les antennes appelées également multimodes. Une source multimode appelée aussi modeur est capable par la structure qui lui est donnée, d'engendrer des modes propagatifs directs avec des phases et des amplitudes contrôlables permettant d'obtenir une illumination désirée dans son ouverture. De façon générale, un modeur est une structure formée de guides d'ondes comportant des discontinuités au niveau desquelles des modes supérieurs sont engendrés. Une étude de tels modeurs peut être trouvée entre autres, dans le brevet français 1 290 275 dont on prendra la figure 1, qui concerne une structure multimode mixte constituée par la réunion d'un modeur plan E et d'un modeur plan H comme figure 1, représentative de l'art antérieur. Une telle structure permet d'obtenir le contrôle indépendant des diagrammes somme et différence dans le plan E et dans le plan H. Toutefois un tel contrôle ne se fait pas simultanément dans les plans E et H mais successivement dans ces plans. La structure de la figure 1 est constituée par deux modeurs plans ME1, ME2 placés côte à côte et séparés par une cloison verticale commune. Chacun de ces modeurs est excité par deux couples de guides 1, 10 et 2, 20 qui reçoivent 'le mode fondamental et qui débouchent dans un guide 3, 30 de longueur LI entre les plans PO et PI. Le plan PO est ce qu'on appelle le plan de discontinuité au niveau duquel se forment des modes supérieurs, propagatifs ou évanescents, la longueur LI et les dimensions des guides 3, 30 étant telles que seuls les modes désirés, en l'occurrence par exemple, les modes impairs HII et Ell et les modes pairs H12 et E12, se propagent jusqu'à l'ouverture du modeur E ainsi constitué, c'est-à- dire le plan PI, le mode fondamental étant le mode HIO. A partir du plan PI, on trouve des modeurs plan H qui vont réaliser les lois de répartition désirées dans le plan horizontal sans déformer les lois de répartition réalisées dans le plan vertical par les modeurs plan E, ME1 et ME2. Des lamelles métalliques 4, 40 - 5, 50 - 6, 60 disposées horizontalement dans un guide 8, 80 de longueur L2 prolongeant les guides 3 et 30 au-delà du plan Pl, définissant quatre couples de guides plats horizontaux adjacents par leur petit côté, qui sont excités selon les lois de répartition définies par les modeurs MEI et ME2. Les lamelles horizontales se prolongent au- delà du plan P2 dans un guide 7 ayant la forme d'un cornet de longueur L3. L'ensemble compris entre les plans PI et P3 constitue des modeurs plan H superposés, le plan P2 étant le plan de discontinuité o se forment des modes supérieurs. L'ouverture de la structure mixte, qui se trouve dans le plan P3 rayonne suivant une loi globale d'illumination, produit des lois d'illumination partielles obtenues dans le plan vertical et dans le plan horizontal. Des sources multimodes conformes à celle qui vient d'être décrite sont utilisées dans des antennes de radars, plus particu- lièrement dans des radars de poursuite, mais elles présentent l'inconvénient d'avoir un encombrement longitudinal important, gê- nant dans la réalisation de certaines antennes pour lesquelles l'accroissement des performances, principalement en bande pas- sante, entraîne une augmentation de l'inertie, préjudiciable au fonctionnement des servomécanismes. Des études ont été entreprises par la Demanderesse pour définir des sources multimodes échappant aux inconvénients qui viennent d'être signalés et en particulier une structure d'un modeur mixte plan E, plan H a été définie dans laquelle outre une diminution des dimensions de la source a été obtenue une augmentation de la bande passante dans le plan H. La figure 2 donne une vue d'un tel modeur, dans lequel, l'augmentation de la bande passante est obtenue par la présence dans l'ouverture du cornet 13 de barreaux ou lamelles métalliques 14-15, 140-150, disposes de façon adéquate parallèlement au champ électrique de l'onde émise. Suivant Pinvention, on réalise une structure de source multi- mode échappant aux inconvénients de l'art antérieur, dans laquelle on définit des moyens déterminant un accroissement de la bande passante des signaux transmis, principalement dans le plan E. Suivant l'invention, la structure multimode comprend un élé- ment de guide d'onde formant cavité se terminant en cornet, au moins quatre guides d'ondes d'alimentation répartis de façon à former deux couples de guides horizontaux et deux couples de guides verticaux, et un obstacle profilé situé dans la zone o s'effectue la jonction guides d'alimentation-cavité. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention appa- raîtront au cours de la description d'exemples de réalisation, donnés à l'aide des figures qui, outre la figure 1 utilisant une réalisation de l'art antérieur représentent: - la figure 2, une structure mixte du modeur plan E et H dans laquelle sont montrés des moyens visant à augmenter la bande passante dans le plan Hi; - la figure 3, un modeur plan E classique en coupe; - la figure 4, le modeur plan E de la figure 3 en plan; - la figure 5, des courbes représentant les modes présents à la sortie des guides d'alimentation du modeur; - la figure 6, la loi d'illumination dans le plan d'ouverture du modeur; - la figure 7, le modeur plan E suivant l'invention en coupe; - la figure 8, le modeur de la figure 7 en plan; la figure 9, une vue en perspective du modeur plan E suivant l'invention; - la figure 10, une variante de l'obstacle suivant l'invention; - et la figure 11, un schéma aidant à comprendre le calcul de l'angle optimum de l'obstacle inséré dans le modeur. Dans l'introduction à la présente invention, on a rappelé en se reportant à une réalisation d'un modeur mixte plan E, plan H relevant de l'art antérieur, les inconvénients qu'un tel modeur présente dans Putilisation qui doit en être faite comme source primaire d'une antenne multimode, de poursuite de préférence, pour laquelle on demande un accroissement des performances principa- lement en bande passante. On a rappelé également une réalisation de la Demanderesse apportant une solution au problème posé, tout d'abord dans un gain de poids et de dimensions, permettant d'utiliser l'antenne dans un emplacement imposé à l'avance et de volume relativement faible, dans lequel le déplacement du réflecteur ten- drait à augmenter l'inertie de l'ensemble, augmentation agissant de façon préjudiciable sur les servomécanismes en particulier, et ensuite dans une augmentation de la bande passante dans le plan H. En se reportant aux figures 3 et 4, on rappelle la constitution et le fonctionnement d'un modeur plan E, telle qu'il apparaît dans la réalisation de la figure 2, par exemple; ce modeur comprend, vtu en coupe figure 3 et en plan figure 4, quatre guides d'alimentation 9, , 90, 100 adjacents deux à deux le long d'une paroi 11 pour les guides supérieurs et 110 pour les guides inférieurs. Ces guides d'alimentation débouchent dans la cavité 12 au niveau d'un plan P dit de discontinuité. Le plan d'ouverture de la cavité est S. Les dimensions a, b, c représentent respectivement la hauteur des guides d'alimentation, parallèlement au champ électrique E, la hauteur de la cavité 12, c'est-à-dire du modeur plan E considéré et la largeur du modeur. Les quatre guides d'alimentation étant alimentés en phase dans le mode fondamental TE 10 (ou H 10) il y a création au niveau du plan de discontinuité P d'un mode supérieur hybride EM 12 composé du mode TE 12 et du mode TM 12. On a représenté figure 5 les diagrammes de ces modes dans le plan P et figure 6, la loi d'illumination dans le plan de l'ouverture S du modeur, résultant de la superposition des modes TE 10 et EM 12. On sait calculer le rapport/3, du mode hybride EM 12, au mode fondamental, rapport qui s'écrit: sin 211 a /3 = 2 b (1) 271 a et qui est indépendant de la fréquence, aussi bien en amplitude qu'en phase. On sait calculer également, dans le plan S de l'ouverture du modeur plan E considéré le déphasage entre les modes soit: I f=?- [î2b. 2.(+)21 (2) On constate que la mise en phase des modes considérés sur l'ouver- ture du modeur plan E, c'est-à-dire dans le plan S est fonction de la fréquence. Suivant l'art antérieur, en jouant sur la longueur L du modeur, on peut s'arranger pour qu'à la fréquence centrale de la bande de fonctionnement, le déphasage différentiel soit égal à, ce qui entraîne que la mise en phase rigoureuse n'est possible que pour une seule fréquence. L'obtention d'une bande passante relativement large n'est ainsi pas possible dans de bonnes conditions car lorsque l'on s'éloigne de la fréquence centrale de la bande, le centre de phase de la source que constitue le modeur considéré, varie; situé approximativement au point G pour la fréquence centrale, il s'en écarte au-delà du plan S pour des fréquences décroissantes et en- deçà du plan S pour des fréquences croissantes. La variation de ce centre de phase provoque une mauvaise illumination sur l'ouverture et un mauvais diagramme de rayonnement de la source avec apparition de lobes latéraux importants et un élargissement du lobe principal traduisant une perte de gain, pour les fréquences crois- santes et un rétrécissement pour les fréquences décroissantes, autrement dit pour une direction fixe (O)la largeur du diagramme varie avec la fréquence. On peut donner l'expression mathématique du diagramme de rayonnement dans le plan E de la source de la figure 3, soit: sinu -I2+( 1) U2 D E u. 23 avec: u = 'Wb singe, Q étant l'angle du diagramme de rayonnement. par rapport à la source. Cette formule permet de déterminer le diagramme de rayonnement primaire et définir les niveaux de recoupement sur le réflecteur éclairé par la source. On peut à partir de ce qui précède déterminer les conditions dans lesquelles, suivant l'invention, la source que constitue le modeur plan E présentera une bande passante augmentée, sans présenter les inconvénients du modeur de l'art antérieur. Pour élargir la bande de fonctionnement en fréquence, il est donc nécessaire que l'amplitude du diagramme rayonné dans un angle GO, subisse peu de variations en fonction de la fréquence. L'étude des relations 1 et 3 montre que le rapport 1 3 1 du mode hybride EM12 au mode fondamental TE 10 doit augmenter avec la fréquence. La mise en phase des modes EM 12 et TE 10 doit rester constante dans l'ouverture du modeur, et ce dans toute la bande considérée; l'étude de la relation (2) montre que cette constance est obtenue si le plan dans lequel s'opère la génération du mode hybride EM 12 semble se déplacer vers la gauche sur la figure lorsque la fréquence croit et donc vers la droite dans le cas contraire. La figure 7 représente en coupe, et la figure 8, en plan, le modeur plan E suivant l'invention comportant des moyens lui per- mettant de remplir les conditions exposées dans ce qui précède. On retrouve sur la figure 7, presque tous les éléments qui ont été décrits à l'appui de la figure 3. Les références pour ces éléments sont donc conservées. Ceci vaut également pour la figure 8. Le modeur plan E suivant l'invention comporte une cavité 12 dont l'ouverture se trouve dans le plan S, derrière lequel peut être placé un modeur plan H, qui constituera avec le modeur plan E une source mixte hyperfréquence, plan E, plan H; dans cette cavité débouchent, dans l'exemple décrit, quatre guides 9, 10, 90 et 100, adjacents deux par deux, le long d'une paroi 11 pour les guides en position supérieure 9 et 10, 110 pour les guides en position inférieure et 100. Cependant, alors que dans le modeur de l'art antérieur le passage des guides d'alimentation à la cavité 12 se faisait le long d'un plan P dit de discontinuité, parallèle au champ électrique e suivant l'invention, on dispose sur une partie de ce plan P, entre les guides d'alimentation supérieurs et inférieurs, un obstacle profilé 17 dont la forme et les dimensions déterminent une action différente suivant la fréquence, sur les modes créés dans la zone o se trouve l'obstacle. Cette forme est telle que l'obstacle fait saillie à l'inté- rieur de la cavité 12 avec une section décroissante. La figure 9 représente vue de profil, une forme préférée de l'obstacle 17 introduit dans le modeur. Suivant l'invention, cet obstacle est un pavé de section droite trapézoïdale dont la grande base 18 se trouve dans le plan P, plan au niveau duquel débouchent les guides d'alimentation du modeur, dans la partie située entre les guides supérieurs 9-10 et inférieurs 90-100. La petite base 19 se trouve à une distance 1 du plan P, à l'intérieur de la cavité 12 et à une distance a, de la paroi de la cavité, distance mesurée parallè- lement au champ électrique r Cette distance est variable quand on passe de la petite à la grande base. Les côtés du pavé 17, entre la grande et la petite base déterminent un angle o( avec la direction D perpendiculaire au plan P. Les autres dimensions du modeur sont comme pour celui de l'art antérieur b et c. Le fonctionnement de la source, que constitue le modeur plan E, suivant l'invention est le suivant, que l'on peut suivre en se reportant figure 7. Etant donné la forme de l'obstacle dont une des bases se trouve dans le plan dit de discontinuité P, les modes supérieurs, principalement le mode hybride EM 12 ne sont pas créés au niveau du plan P, mais dans des plans de court-circuit différents suivant les fréquences auxquelles on travaille. Ainsi, dans les fréquences basses, le plan d'excitation du mode hybride EM 12 se trouve en PB, qui se trouve être le plan de la petite base du pavé trapézoïdal 17. La longueur de mise en phase est alors LB, longueur entre le plan PB et le plan de l'ouverture S du modeur. Le module du rapport de mode a l'expression suivante: 2_sin 2 taB 2 a B T (4) Aux fréquences hautes, le plan d'excitation du mode hybride EM 12, se trouve en PHI position intermédiaire entre le plan P et le plan PBI La longueur de mise en phase est LH, distance entre le plan PH et le plan de l'ouverture S. Le module de rapport des modes prend l'expression suivante: lirVaH IAI= 2- (5)Les conditions qui ont été énoncées pour que le modeur fonctionne à large bande passante, que le rapport de mode lei augmente avec la fréquence et que le déplacement du plan d'exci- tation du mode hybride EM 12 se fasse vers la gauche, c'est-à-dire vers la source, pour des fréquences croissantes, entraînant LH plus grand que LB sont ainsi remplies. On peut déterminer par le calcul, une valeur optimale de l'angle cx pour que les conditions précédentes soient réalisées dans une large bande de fréquences, cet angle o( pouvant varier théori- quement entre 0 et 90 . Pour ce faire, on calcule la valeur du module et de l'argument de l'expression /3 représentant le rapport du mode supérieur au mode fondamental au niveau de la discon- tinuité. La figure 11 aide à comprendre comment se fait ce calcul. Cette figure 11 reprend la figure 7, dans sa partie supérieure au- dessus de l'axe longitudinal zz du modeur. L'obstacle 17 n'est évidemment que partiellement représenté, son profil est repéré par les lettres C B A O'. La distance de l'obstacle à la paroi du modeur dans lequel il est introduit, à l'aplomb du plan P est désignée par a0, tandis que cette distance à l'aplomb du plan PB est désigné par aB, représentée par le segment AO. On définit une donnée qui représente la variation de la phase du mode fondamental en fonction de la fréquence. Dans le calcul proposé, on négligera les modes supérieurs évanescents EM 14, EM 16, etc. qui apparaissent aux discontinuités dans les plans PB et P. On écrit tout d'abord les équations de raccordement des champs électriques des divers modes propagatifs de la source. Le champ électrique en amont du plan QO' appelé PB éga- lement, a pour expression, pour le mode TE 10: elkj dans laquelle = aB tg 0 mode sous forme complexe. Si l'on intègre les expressions du champ dans le plan OO', soit le plan PB on a fa eiki b 0 dx J A (1 + Pcos 2àdx 2 elk6 cos l' x dx et3 Pa pour expression = la b ja e dx (6) qui est de la formel 3jeiY. On déduit de l'expression (6) que le module de |/3J croît avec la fréquence, que la phase varie avec la fréquence et que si le modeur a une longueur bien définie, telle que les différents modes se retrouvent en phase sur l'ouverture S, cette phase décroît, tendant à réduire la variation du déphasage diffé- rentiel entre le mode EM 12 et le mode TE 10 dans la bande de fréquence d'utilisation. Les tableaux suivants donnent les résultats établis pour un modeur classique et un modeur suivant l'invention. Le premier tableau I donne dans une première colonne le niveau de recoupement NR et dans une deuxième colonne le déphasage différentiel A? entre les modes pour, successivement la fréquence haute FH, la fréquence médiane FM et la fréquence basse FB, ceci pour un modeur classique présentant une bande passante relative de 10 %, une valeur u l' b sin 'Dr comprise entre 3,3 et 3,7 et / 0,8, l'angle F0 étant l'angle de recoupement sur le réflecteur de l'antenne. NR y FH -12,3 dB -170 I FM -10,5 dB (a FB - 9 dB + 230 Le deuxième tableau 11, rend compte des résultats obtenus avec le modeur suivant l'invention, qui constitue une source à bande large. NR 1Sp FH -10,3 dB -70 Il FM - 9,5 dB 0 FB 6 9 dB + 9 On constate d'après ces tableaux que pour un modeur classique (tableau 1) la variation du niveau de recoupement NR est de l'ordre de 3 dB, 3, pour une bande relative de 10 % quand on passe de la fréquence haute à la fréquence basse de la bande, tandis que pour un modeur suivant l'invention (tableau II) cette variation est ramenée à 1 dB,3, prouvant que la bande relative est augmentée. De même, le déphasage différentiel passe de 400 pour le modeur classique à 16 pour le modeur suivant l'invention, indice également d'une bande augmentée. De fait la bande passante relative est alors de l'ordre de % au moins. On en déduit également que pour une valeur du module du rapport de mode I,3 | comprise entre 0,8 et 8,88, la valeur optimale de l'angle cX se situe aux alentours de 50 dans une fourchette de 7 100. La figure 10 présente une variante du pavé 17 introduit dans un modeur E. Ce pavé présente, par rapport au pavé décrit à l'appui des figures précédentes, un profil modifié. Celui-ci 20 n'est plus un segment de droite, mais présente une courbure convexe, pouvant tendre jusqu'à l'exponentielle. Les résultats obtenus sont du même ordre que ceux de la version décrite, avec une légère tendance à être supérieurs; toutefois la réalisation mécanique d'un tel pavé est un peu plus difficile. On a ainsi décrit une source hyperfréquence multimode, cons- tituée par un modeur E présentant une bande passante relative augmentée par rapport à celle d'un modeur classique. Suivant l'invention on a également décrit une source hyperfréquence multi mode constituée, par un modeur mixte plan E, plan H, pour laquelle les bandes passantes sont augmentées à la fois dans le plan E et le plan H. Une telle source est telle de la figure 2, dans laquelle le modeur E comporte le pavé 17. La figure 7 montre en coupe une telle source mixte, suivant l'invention, le cornet 13 avec les barres métalliques 14, 140, 15 et 150 étant disposé à la sortie de la cavité 12 du modeur E. L'ouverture de la source mixte est désignée par 16. REVENDICATIONS 1. Source hyperfréquence multimode comportant une structure mul- timode plan E réalisant la fonction dite E, une transition et une structure multimode plan H réalisant la fonction dite H, l'ouverture de la structure plan H constituant l'ouverture de la source hyper- fréquence multimode alimentée à l'entrée de la structure plan E par un groupement de guides d'ondes excités dans le mode fondamental, la source présentant une dimension longitudinale somme des dimen- sions des éléments qui la constituent et produisant dans son ouver- ture des lobes d'illumination plan E, plan H contrôlables indépen- damment mais successivement, caractérisée par le fait que la structure plan E, comporte à son entrée, un obstacle profilé, faisant saillie dans la cavité que constitue le modeur dont la forme et les dimensions sont telles que la position du plan de discontinuité dans lequel les modes supérieurs propagatifs sont créés varie avec la fréquence, entraînant une variation concomitante de la longueur de mise en phase dans le modeur et le maintien du centre de phase de la source dans le plan (S) de l'ouverture du modeur dans une grande bande de fréquences. 2. Source hyperfréquence multimode suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que l'obstacle profilé est un pavé à section trapézoïdale dont la grande base se trouve dans le plan d'entrée de la structure plan E et là petite base, dans un plan parallèle au plan d'entrée à une distance déterminée de ce dernier, ledit plan (P8) étant le plan d'excitation du mode hybride EM 12 aux fréquences basses. 3. Source hyperfréquence multimode suivantl'une des revendications 1 ou 2, caractérisée par le fait que l'obstacle présente un profil courbe convexe dans sa partie située entre le plan d'entrée du modeur E considéré et le plan d'excitation du mode hybride aux fréquences basses. 4. Source hyperfréquence multimode suivant la revendication 1, caractérisée par le fait que le modeur E se termine en cornet évasé avec une ouverture dans laquelle sont disposés, parallèlement au champ électrique, au moins deux obstacles du genre barreaux ou lamelles métalliques créant un mode supérieur pair propagatif de type H 30, l'ensemble devenant une structure mixte plan E, plan H de longueur réduite, de grande bande passante dans le plan E et dans le plan H, les lois d'illumination plan E, plan H étant contrôlables dans l'ouverture de ladite source, indépendamment mais simul- tanément. 5. Source hyperfréquence suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que l'angle OC que fait le profil (20) du pavé (17) avec l'axe longitudinal du modeur a une valeur optimale de l'ordre de 50 à 101 près. 6. Source hyperfréquence suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que la bande passante relative est supérieure ou égale à 15 % dans le plan E comme dans le plan H. 7. Antenne hyperfréquence caractérisée par le fait qu'elle comprend une source hyperfréquence multimode conforme à l'une des reven- dications 1 à 6.