Brevet FR2525823A1 — publié le 19831028

DISPOSITIF D'EXCITATION D'UNE SOURCE DE REVOLUTION RAINUREE HYPERFREQUENCE BI-BANDE. La présente invention concerne un dispositif d'excitation d'une source de révolution rainurée hyperfréquence, autrement appelée corruguée, fonctionnant dans deux bandes de fréquences éloignées. Ces sources rainurées à bandes éloignées, par exemple X et KU ou KA de fréquences centrales 9, 17 et 35 G Hz, sont utilisées de manière particulièrement intéressante dans les systèmes radar bi- bande pour lesquels le faisceau étroit du diagramme de rayonnement en bande haute est exploité pour la poursuite des cibles à site bas. Après un bref rappel sur les sources rainurées, leur réalisation et leur fonctionnement, seront décrits leurs dispositifs d'excitation actuellement connus et leurs inconvénients. Par source rainurée ou corruguée, on entend un guide d'onde, généralement à section circulaire constante ou croissante, qui présente des rainures transversales de profondeur déterminée et qui sont espacées les unes des autres d'une distance do, appelée aussi période de la source rainurée. Il existe également des sources rainurées dites bi-périodiques possédant deux types de rainures alternées. Afin de mieux comprendre le fonctionnement d'un guide rai- nuré, on va rappeler la notion de mode suivant lequel se propage l'énergie électromagnétique, c'est-à-dire de configuration de champs électrique E et magnétique H dans le guide C'est de cette confi- guration que dépend le rayonnement du guide Dans un guide de révolution à paroi interne lisse, les modes existant sont du type transverse électrique TE ou transverse magnétique TM bien connus. Dans un guide de révolution dont la paroi interne comporte des rainures, les modes se propageant sont du type hybride, c'est-à-dire que ce sont des combinaisons linéaires de deux modes TE et TM, de même vitesse de phase Mais avant d'entrer plus avant dans le détail, précisons tout d'abord la notion d'équilibre hybride Un point de fonctionnement d'un guide, défini par une fréquence f et une constante de propagation B, est appelé point d'équilibre hybride quand, pour toute section droite de ce guide, il présente les caractéristiques suivantes: le champ électromagnétique s'annule sur les bords intérieurs de la source rainurée; le champ est scalaire, décrit par un paramètre réel; il est de révolution; le rapport entre le champ électrique IEI et le champ magnétique 1 Hl est constant en tout point d'une section droite du guide rainuré et égal à l'impédance de l'onde se propageant dans le vide, impédance caractéristique 9 de la propagation de l'onde en espace libre: JEI = 9 Pour ces points d'équilibres hybrides, les diagrammes de rayon- nement des sources corruguées possèdent les mêmes propriétés, présentant notamment l'avantage d'avoir des lobes latéraux faibles puisque le champ électromagnétique s'annule sur les bords des sources et une égalité des diagrammes dans les plans E et H Un autre avantage très intéressant, il n'y a pas de polarisation croisée dans les diagrammes de rayonnement. Or ces points d'équilibre hybride sont des points de fonction- nement très particuliers d'un guide rainuré, l'ensemble de tous les points de fonctionnement constituant les courbes de dispersion du guide qui représentent les différents modes de propagation hybrides. Ces modes hybrides déjà définis plus haut répondent, pour exister dans un guide, à certaines conditions aux limites, c'est-à-dire au niveau de la paroi interne du guide, notamment à celle-ci: les composantes électrique E ( 9 et magnétique H (ô situées dans une section droite du guide et perpendiculaires au rayon de celle-ci, sont égales à zéro Or dans un guide d'onde, c'est précisément la composante H q non nulle qui induit des courants longitudinaux le long de la paroi interne C'est pourquoi, afin de remplir la condition H T = O, il faut supprimer ces courants en plaçant des obstacles sur la paroi interne du guide, des rainures par exemple qui empêchent toute circulation de courant. La figure 1 est un exemple de courbes de dispersion d'une source rainurée simple, ne comportant qu'un seul type de rainures. Ces courbes de dispersion représentent la constante de propagation B de l'onde se propageant dans le guide rainuré en fonction de la constante de propagation k de l'onde dans le vide ou espace libre La courbe CI représente le mode hybride EH,1, la courbe C 2 le mode hybride HE 11 qui présentent chacun un point d'équilibre hybride, référencé respectivement Pl et P 2 Autour d'un point d'équilibre hybride, la bande passante de fonctionnement est inférieure à l'octave La périodicité des courbes est de 2 d, d étant la période des rainures dans le guide. La figure 2 représente les courbes de dispersion d'une source rainurée bipériodique, fonctionnant dans deux bandes de fréquence différentes, éloignées l'une de l'autre (X et KU) L'alternance de deux séries de rainures permet de coupler entre eux les modes des sources rainurées simples Cette alternance favorise l'apparition d'équilibres hybrides On constate que les courbes de dispersion C 3, C 4 et C 5 correspondant à la bande de fonctionnement la plus basse ont une période S 2 environ deux fois plus petite que celle des courbes de dispersion C 1 et C 2 correspondant à la même bande de fonctionnement pour un guide rainuré simple, dont la période de répétition d des rainures est deux fois plus petite que celle d' de la source bi-périodique De nouveaux points d'équilibre hybride P 3, P 4 et P 5 apparaissent d'une part dans la bande la plus basse, traduisant ainsi une meilleure stabilité et d'autre part dans la bande la plus haute (P 6 et P 7). Les dispositifs d'excitation actuellement connus pour ces sour- ces rainurées sont constitués par un guide circulaire lisse débou- chant directement dans l'embouchure de ces sources Les dimensions de ce guide d'excitation doivent être suffisamment petites pour que ne se propage que le mode fondamental TE Il, dont les lignes de champ électrique, dans une section droite du guide, représentées sur la figure 3 b sont les plus proches de celles du mode hybride se propageant dans une source rainurée, le mode hybride H Eil par exemple, représenté sur la figure 3 a On voit que ces lignes sont presque rectilignes et parallèles entre elles au centre du guide, mais s'incurvent vers les bords Cette courbure des lignes de champ montre que l'adaptation entre le guide lisse d'excitation et le guide rainuré n'est pas parfaite Pour améliorer cette adaptation, on donne plus ou moins empiriquement aux premières rainures des guides corrugés des valeurs différentes de celles assignées par la théorie des structures rainurées. Pour les sources rainurées fonctionnant dans une seule bande de fréquences, ce dispositif d'excitation au moyen d'un guide lisse n'excite que le mode hybride H Eil, tous les autres modes possibles étant évanescents à la fréquence nominale. Pour les sources rainurées fonctionnant dans deux bandes de fréquences éloignées, plusieurs modes hybrides parasites sont excités en même temps que le mode hybride utile Lorsque les deux bandes de fréquence sont suffisamment rapprochées, le rapport entre les fréquences centrales étant de 1,5 ou 1,6, ces modes parasites sont évanescents dans ces deux bandes et ne perturbent pas le fonctionnement normal de la source. Mais en ce qui concerne les sources fonctionnant dans des bandes éloignées (X et KU ou KA), c'est-à-dire dont le rapport des fréquences centrales est supérieur ou égal à deux, plusieurs modes parasites propagatifs peuvent coexister avec le mode utile re- cherché et sont même générés en présence du seul mode fonda- mental TEII dans le guide lisse d'excitation En effet, le mode T Eil incident se décompose en une série infinie de modes dans la source corruguée, modes dont les deux ou trois premiers sont propagatifs en bande haute. En plus de cet inconvénient électrique, il y a d'une part celui que présente le montage successif des deux guides lisses d'exci- tation, attribués chacun à une des deux bandes de fonctionnement. D'autre part, lorsqu'une source doit fonctionner simultanément dans deux bandes de fréquences éloignées avec des modes hybrides, le montage réalisé, représenté par exemple sur la figure 4, est très encombrant Une telle source est constituée de deux sources rainu- rées monobandes 40 et 41, excitées chacune selon un procédé connu, un guide lisse par exemple 42 et 43 La source 40 rayonnant dans la bande de fréquences la plus basse présente de plus grandes dimen- sions que l'autre, 41 Elles sont placées de sorte que leurs axes respectifs A O et A 1 de propagation soient perpendiculaires On dispose un filtre spatial 44 de fréquence à la sortie des deux sources, à 45 * des deux axes A O et A 1 Ce filtre 44 laisse passer l'onde en bande basse et réfléchit à 90 l'onde en bande haute Une telle source bi-bande est encombrante et coûteuse. La présente invention a pour objet la réalisation d'un dispositif d'excitation d'une source rainurée hyperfréquence fonctionnant dans deux bandes de fréquence éloignées exempt des inconvénients de l'art antérieur qui viennent d'être mentionnés, inconvénients élec- triques et mécaniques. Suivant, l'invention un dispositif d'excitation d'une source de révolution rainurée hyperfréquence, fonctionnant dans deux bandes de fréquences éloignées est caractérisé en ce qu'il est découplé mécaniquement de ladite source. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante, illustrée par les figures qui l'accompagnent et qui sont outre les figures 1 déjà décrites se rapportant à l'art antérieur: la figure 5: un dispositif d'excitation selon l'invention vu en coupe selon un plan contenant la direction de propagation des ondes dans la source rainurée et un plan perpendiculaire; les figures 6 et 7: des diagrammes de rayonnement d'une source rainurée bi-bande respectivement selon l'art antérieur et selon l'invention. Le but de l'invention est, du point de vue électrique, de ne plus assujettir le champ électrique, lors de son passage du dispositif d'excitation à la source rainurée elle-même, aux conditions aux limites sur la paroi interne du guide notamment à l'orthogonalité du champ E sur les parois internes du guide Comme l'a montré la figure 3 b, qui est une coupe d'un guide lisse suivant une section droite, les lignes de champ s'incurvent sur le bord intérieur du guide de sorte que, si le dispositif d'excitation est un guide lisse, les lignes de champ génèrent ainsi les modes parasites indésirables dans la source rainurée C'est pourquoi selon l'invention la source rainurée bi-bande est excitée en espace libre c'està-dire par des moyens découplés mécaniquement de ladite source Par ce découplage mécanique entre le dispositif d'excitation et la source rainurée, cette dernière est excitée par rayonnement en zone proche, dite zone de Rayleigh, pour laquelle l'énergie émise par le dispositif d'excitation reste canalisée sans effet de dispersion Si le dispositif d'excitation est un guide circulaire de diamètre D et si la longueur d'onde de fonctionnement est A, la zone de Rayleigh, définie en sortie du guide le long de l'axe de propagation de celui-ci, D 2 a une longueur limite égale a La figure 5 représente un exemple de réalisation de l'inven- tion, vu en coupe longitudinale La source 1 rainurée hyperfréquence fonctionnant dans deux bandes de fréquences est constituée par un cornet de révolution, rainuré, excité par deux moyens découplés mécaniquement de ladite source et d'axes de propagation respectifs A et A' perpendiculaires Le cornet I comporte deux séries de rainures 2 et 3 alternées, sur sa paroi interne Ces rainures se répètent selon une période D'. Le moyen d'excitation en bande basse de la source rainurée 1 est constitué par un guide lisse 5 de section droite circulaire, placé à une distance d de l'embouchure 4 de la source 1, inférieure à la limite de la zone de Rayleigh du guide L'axe de propagation de ce guide est confondu avec celui à ' de la source rainurée 1 Ce guide rayonne selon le mode TE 11, par exemple, dont la configuration du champ électromagnétique est la plus proche de celle du mode hybride utile en bande basse. Le moyen d'excitation en bande haute est, dans le cas repré- senté, un cornet corrugué 6, rayonnant selon un mode proche du mode hybride en bande haute Il est placé de sorte que son axe de propagation ú " soit perpendiculaire à l'axe du guide 5, à une distance d' de ce dernier inférieure à la limite de la zone de Rayleigh de ce cornet 6. Afin de pouvoir être excitée par ces deux moyens succes- sivement ou simultanément, un filtre spatial 7 de fréquences est placé entre eux et la source rainurée 1, à 45 des axes A et L '. Ainsi, l'onde en bande basse traverse ce filtre 7 pour exciter l'embouchure 4 de la source bi-bande l et l'onde en bande haute subit une réflexion de 90 sur ce filtre pour exciter à son tour la source 1 Ce filtre spatial de fréquence permet de réunir en un seul faisceau d'ondes électromagnétiques au moins deux faisceaux de fréquences différentes issus de deux sources séparées. Mais la figure 5 n'est qu'un exemple non limitatif de réali- sation de l'invention En effet, les deux moyens d'excitation peuvent être des guides lisses, ou des guides rainurés et avoir une section droite ou rectangulaire De même, le moyen d'excitation en bande basse n'est pas obligatoirement dans l'axe de l'embouchure de la source rainurée, et peut être perpendiculaire à celui-ci Si l'on place plus volontiers ce moyen dans l'axe de la source, c'est pour des raisons d'encombrement, puisqu'il a généralement de plus grandes dimensions que le moyen d'excitation en bande haute Cela permet donc d'utiliser un filtre spatial plus petit Ce filtre spatial 7, qui sépare les ondes électromagnétiques d'angle d'incidence moyen dé- terminé et situées dans des bandes de fréquences différentes, peut être à diélectrique multicouche ou un simple réseau polarisateur à fils parallèles si les deux moyens d'excitation émettent des ondes à polarisations rectilignes orthogonales Des dispositions plus éla- borées sont possibles, notamment périscopiques, lorsque la source rainurée elle-même doit effectuer une rotation. Cependant, dans tous les cas de réalisation de l'invention, les distances d et d', en sortie des moyens d'excitation de la source rainurée, sont choisies de façon à obtenir un couplage optimal entre eux et la source rainurée, c'est-à-dire de façon à ce que l'énergie émise par les deux moyens d'excitation soit transmise le plus complètement possible à l'embouchure de la source rainurée La bande passante d'une telle source bi-périodique est d'un octave, comme pour une source rainurée simple. Les avantages de l'invention, sont les suivants Tout d'abord du point de vue électrique, les problèmes de transition exponentielle entre guide lisse d'excitation et guide rainuré sont supprimés puis- qu'il n'est plus nécessaire d'ajuster les premières rainures, les lignes de champ excitatrices entrant dans le guide rainuré dans les meilleures conditions de configuration géométrique et de couplage. De plus, puisqu'il n'y a plus de problème de transition entre guides, on peut avantageusement utiliser des guides à section droite rectan- gulaire, à l'intérieur desquels se propage leur mode fondamental TE,0, dont les lignes de champ rectilignes conviennent bien à l'excitation d'une source corruguée, y apportant ainsi une nette amélioration Ensuite du point de vue mécanique, l'invention permet une simplification de réalisation puisque le contour du guide d'exci- tation est indépendant de celui de l'embouchufe de la source rainurée Pour une meilleure adaptation encore, on peut utiliser des guides rectangulaires d'ouverture évasée devenant ainsi des cornets sectoraux Dans ce cas l'impédance d'onde correspond mieux à celle du guide rainuré et corrélativement la zone de Rayleigh s'en trouve élargie autorisant ainsi une meilleure exploitation du principe Pour la bande haute, il peut même être avantageux d'utiliser un cornet rainuré excitateur, lui-même alimenté par le dispositif classique, afin de mieux éliminer les modes parasites. Du point de vue encombrement, on peut constater sur les figures 4 et 5 qui sont à la même échelle, que la source bi-bande de l'invention présente un encombrement plus faible que la source bi- bande de l'art antérieur, puisque cette source inventive a environ les mêmes dimensions que la source bande basse de l'art antérieur. En ce qui concerne les diagrammes de rayonnement, les figures 6 et 7 témoignent de l'amélioration notable apportée par le dispositif d'excitation, objet de l'invention. Les diagrammes de ces deux figures concernent une source corruguée à bandes éloignées (X et KU) constituée par un guide à rainures alternées de diamètre 52,5 mm ( 2,9 > en KU) Le dispositif d'exci- tation est un guide lisse à section circulaire de même section que le guide rainuré, comportant des lamelles sur sa paroi interne pour en rectifier les lignes de champ Sur la figure 6, on constate la mauvaise qualité des diagrammes électrique et magnétique lorsque le dispositif d'excitation le guide lisse est accolé à la source rainurée selon l'art connu Des modes parasites se combinent avec le mode utile et entraînent de grandes disproportions entre les plans E et H. La figure 7 est relative à l'excitation en espace libre, selon l'invention, le guide lisse étant distant de 62 mm de la source rainurée Les diagrammes représentés se confondent presque avec ceux théoriques du mode utile hybride, les divergences s'expliquant par la présence résiduelle de modes parasites qu'une excitation par un guide à section rectangulaire éliminerait aisément. REVENDICATIONS 1 Dispositif d'excitation d'une source hyperfréquence rainurée de révolution, fonctionnant dans deux bandes de fréquences éloi- gnées dont le rapport des fréquences centrales est supérieur ou égal à 2 caractérisé en ce qu'il est découplé mécaniquement de ladite source ( 1). 2 Dispositif d'excitation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux moyens d'excitation ( 5 et 6) correspondant chacun à une bande de fréquences de fonctionnement d'axes de propagation (Él et 13 ") respectivement confondu et perpendiculaire à l'axe ('4 ') de la source rainurée ( 1), et un moyen de filtrage spatial de fréquences ( 7), placé à l'intersection de ces deux axes (ô et IX) suivant une de leur bissectrice, les deux moyens d'excitation ( 5 et 6) étant découplés mécaniquement de celle-ci de sorte que les ondes qu'ils rayonnent vers l'embouchure ( 4) de ladite source ( 1) restent canalisées dans la zone de Rayleigh de chacun d'eux et qu'ils présentent de plus un couplage optimal avec la source ( 1). 3 Dispositif d'excitation selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'excitation ( 5 et 6) sont des guides d'ondes ou des cornets à paroi interne lisse ou corruguée. 4 Dispositif d'excitation selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens d'excitation ( 5 et 6) sont des guides d'ondes ou des cornets à section droite circulaire ou rectangulaire. Dispositif d'excitation selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'excitation ( 5 et 6) fonctionnant respec- tivement dans la bande de fréquences la plus basse et la bande la plus haute ont respectivement leurs axes de propagation ( Aet 1 ") confondu et perpendiculaire à l'axe de propagation (A') de la source ( 1). 6 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le filtre spatial de fréquences ( 7) laisse passer l'onde rayonnée par le moyen d'excitation en bande basse ( 5) et fait subir une réflexion de 9 g O à l'onde rayonnée par le moyen d'excitation en bande haute ( 6) 11- 7 Dispositif d'excitation selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'excitation ( 5 et 6) fonctionnant respec- tivement dans la bande de fréquences la plus haute et la bande la plus basse ont respectivement leurs axes de propagation ( t et 1 ') perpendiculaire et confondu à l'axe de propagation ( /') de la source ( 1) . 8 Système radar fonctionnant dans deux bandes de fréquence éloignées, utilisant une source hyperfréquence rainurée excitée par un dispositif selon l'une des revendications précédentes.