Brevet FR2535904A1 — publié le 19840511

JOINT TOURNANTDE PUISSANCE POUR ANTENNE DOUBLE-j BANDE La présente invention concerne les joints tournants de puissance destinés à équiper des antennes fonctionnant simultanément sur deux bandes de fréquences différentes. Les joints tournants équipant les antennes de radar assurent la liaison entre les parties fixes et mobiles de l'aérien Le mode d'excitation des ondes doit nécessairement présenter une symétrie de révolution Les joints tournants sont généralement réalisés en ligne coaxiale rigide ou en guide circulaire. Dans certaines applications particulières, notamment dans les radars de poursuite, 'il est nécessaire de faire fonctionner l'antenne dans deux bandes de fréquences différentes Les fréquences de la bande la plus basse facilitent la désignation de l'objectif et les fréquences de la bande la plus haute permettent d'augmenter le pouvoir discriminateur, ce qui permet par exemple de travailler à des sites bas car ainsi on élimine l'effet image de la cible Les joints tournants utilisés dans les antennes double-bande selon l'art connu sont des joints à conducteurs coaxiaux concentriques Il est évident que ces joints ne permettent pas de travailler à des fréquences appartenant aux bandes KA, X, W car la relation X coaxiaux conduit à des incompatibilités mécaniques. En effet, au delà de 18 ou 20 G Hz, les longueurs d'ondes sont de l'ordre du millimètre, les joints doivent avoir des dimensions trop faibles et ne peuvent être réalisés. Pour remédier à cet inconvénient la présente invention propose un joint tournant de puissance destiné à équiper des antennes double-bande dont les plus hautes fréquences de travail peuvent appartenir aux gammes KA, X, W, le rapport entre les plus hautes fréquences et les plus basses devant au moins être égal à quatre ce qui est couramment le cas, car il est généralement de l'ordre de sept ou huit. La présente invention a donc pour objet un joint tournant de puissance pour antenne double-bande destiné à effectuer une liaison entre les parties fixes et mobiles de l'antenne pour transmettre des ondes électromagnétiques appartenant à deux bandes de fréquences différentes constituant un faisceau composite, caractérisé en ce qu'il comprend un guide d'onde cylindrique hyperfréquence ayant une partie fixe et une partie mobile, aptes à transmettre le faisceau composite, ce guide comportant une première et une deuxième entrée dans sa partie fixe pour recevoir des ondes électromagnétiques appartenant respectivement à une première et à une deuxième bande de fréquence, les ondes de ces deux bandes se propageant dans le-guide et formant le faisceau composite; une première sortie dans sa partie mobile pour délivrer uniquement les ondes de la première bande; et une deuxième sortie dans sa partie mobile pour délivrer uniquement les ondes de la deuxième bande. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description suivante présentée à titre d'exemple non limitatif et faite en regard des figures du dessin annexé sur lequel: la figure 1 est un schéma de réalisation d'un joint tournant conforme à l'invention; la figure 2 est un schéma d'une réalisation particulière du joint et d'un dispositif de focalisation conformément à l'invention; la figure 3 est un schéma d'une variante du dispositif de focalisation; la figure 4 est un schéma de réalisation d'un filtre spatial selon la figure 1; la figure 5 est un schéma d'une vue agrandie d'une partie du réseau métallique selon la figure 4. Dans la description qui suit on utilise les termes de bande haute, ou bande basse et de fréquences hautes ou fréquences basses, il est bien entendu que ces termes sont utilisés uniquement pour distinguer les deux types de bandes de fréquences, ces fréquences étant très élevées et pouvant appartenir aux bandés L, S, C, X, KA, W. Sur la figure 1, on a représenté un joint tournant de puissance conforme à l'invention Ce joint est destiné à transmettre à une antenne, un faisceau composite constitué par deux faisceaux d'ondes électro- magnétiques de fréquences différentes issues de sources différentes Les fréquences à transmettre appartiennent par exemple aux bandes C-KA ou X-KA, ou aux bandes X-W. Ce joint est un circuit hyperfréquence du type guide d'onde cylindrique Il comprend par conséquent une partie cylindrique 1 de rayon r et de longueur L, le rayon r étant déterminé en fonction de la fréquence de coupure du mode d'excitation du guide A titre d'exemple dans la bande basse, si Xc est la longueur d'onde de coupure du mode radial TMO 1, r = 1,64 La largeur L est définie de telle manière que la propa- 2 r 2 gation des fréquences hautes se fasse en zone de "Rayleigh"; L X étant la longueur d'onde la plus élevée des fréquences hautes i La partie cylindrique comporte en fait une partie fixe 2 et une partie mobile 3 Les deux parties sont reliées entre elles par un mécanisme, connu en soi, qui permet d'obtenir un mouvement de rotation autour de l'axe XX' du guide, de l'une des parties par rapport à l'autre. Ce guide 1 comprend, perpendiculairement à chacune de ses extrémités, un tronçon de guide rectangulaire 4 et 5 L'un de ces tronçons 4 permet d'alimenter le guide avec des ondes issues d'une source 52 dont les fréquences appartiennent à la bande basse choisie L'autre tronçon 5 permet d'émettre ces ondes dans la direction donnée par la partie mobile 3 du guide. Les deux sections droites du guide cylindrique 1 sont terminées par une plaque circulaire référencée respectivement 6 et 7 de rayon r Ces plaques 6 et 7 sont des filtres spatiaux de fréquence Le filtre 6 permet d'alimenter le guide avec des ondes issues d'une source 51 dont les fréquences appartiennent à la bande haute choisie Le filtre 7 permet de laisser passer uniquement ces ondes. Les filtres 6 et 7 se comportent comme une paroi transparente pour les fréquences hautes choisies et comme une paroi réfléchissante pour les fréquences basses choisies. Le comportement des filtres spatiaux est à rapprocher de celui des miroirs dichroïques utilisés en optique dont la propriété est d'être transparents aux faisceaux de lumière d'une certaine longueur d'onde et d'être réfléchissants pour des faisceaux de lumière d'une autre longueur d'onde. A l'intérieur du guide 1, les ondes de la bande basse sont guidées, elles se réfléchissent sur les parois du guide alors que les ondes de la bande haute se propagent comme en espace libre Les ondes sont polarisées et la source Si peut émettre un faisceau d'ondes électro- magnétiques à polarisation circulaire ou radiale'conformément aux modes TE O l et TM 01 Ces deux modes sont les seuls à ne pas être perturbés par la rotation de la partie mobile 3 du joint La source 52 émet après transformation un faisceau d'ondes électromagnétiques à polarisation radiale TM 01 Ce mode est excité, de manière connue en soi, au moyen de deux iris placés au niveau de la transition entre les guides rectangulaires 4 et 5 et le guide cylindrique 1 On peut trouver une description de ce mode d'excitation dans la revue intitulée "Microwave Transmission Circuits" de Ragan à la page 387. La figure 2 illustre une réalisation particulière d'un dispositif de focalisation permettant d'alimenter le guide cylindrique dans la bande haute choisie (W par exemple). Le faisceau d'ondes électromagnétiques à polarisation radiale (ou circulaire) émanant de la source Si est dirigé vers un miroir 8 réflé- chissant d'axe optique XX' Ce miroir 8 est positionné pour intercepter les ondes incidentes et réfléchit le rayonnement parallèlement à l'axe XX', 21 selon les-lois de l'optique Le filtre 6, placé dans le plan d'incidence du miroir 8, est transparent pour ces ondes Les ondes électromagnétiques de la bande haute traversent le filtre 6 et sont guidées à l'intérieur de la partie cylindrique 1. La source 52 alimente le guide 1 dans la bande basse par des ondes électromagnétiques à polarisation rectangulaire qui sont transformées en polarisation radiale à l'intérieur du guide rectangulaire 4 Ces ondes sont réfléchies perpendiculairement à leur direction par le filtre 6 considéré pour ces fréquences comme un court-circuit Les deux types d'ondes formant un faisceau composite se propagent indépendamment sans se perturber à l'intérieur du guide. Arrivé à l'autre extrémité du joint le faisceau composite bi- fréquence se décompose Les ondes de la bande basse se réfléchissent sur le filtre 7 et partent dans-une direction perpendiculaire à l'axe optique XX' dans le guide 5 Les ondes de la bande haute traversent le filtre 7 et sont à nouveau réfléchies par un deuxième miroir réfléchissant 9 Ce miroir 9 a le même axe optique XX' que le miroir 8 Il fait converger les ondes en un point F situé sur un axe perpendiculaire à l'axe XX' Le rayonnement est intercepté en ce point par un guide d'onde qui peut, par exemple, être un cornet électromagnétique. Selon cette réalisation particulière les miroirs 8 et 9 sont des ellipsoïdes de révolution situés sur le même axe optique XX' Les deux ellipsoïdes sont dits "confocaux", car l'un des foyers de l'un des ellipso Tdes est situé au sommet de l'autre et inversement, l'autre foyer étant situé au centre de phase des sources Si et 52 Ainsi F 2 est l'un des foyers du miroir 9, c'est aussi le sommet du miroir 8 De même, le foyer F'2 est l'un des foyers du miroir 8, c'est aussi le sommet du miroir 9 Ce montage a pour avantage de présenter de très faibles pertes. La figure 3 illustre une variante de réalisation du dispositif de focalisation conforme à l'invention. Selon cette variante, le dispositif comporte deux lentilles diélec- triques 10, 11, plan convexe et ayant le même axe optique XX' Dans cette réalisation la source d'émission Si est placée au foyer de la lentille , sur l'axe XX' La source de réception S est placée au foyer F de la lentille 11 sur l'axe XX' Les ondes de la bande haute sont transmises suivant la direction XX'. La figure 4 illustre un exemple de réalisation selon un mode préféré de filtre spatial conforme à l'invention Un disque central 12 en matériau diélectrique à faibles pertes porte sur ses deux faces, des réseaux identiques 13 et 14 constitués de disques métalliques admettant le plan d'incidence 15 comme plan de symétrie Les réseaux métalliques 13 et 14 peuvent être obtenus par photogravure ou par usinage à la fraise à partir d'une lame diélectrique 12 métallisée sur ses deux faces Ce disque central 12 est placé entre deux autres disques 16 et 17, les trois disques étant faits du même matériau diélectrique ou de matériaux ayant les mêmes caractéristiques Les couches 12, 16 et 17 de matériau diélec- trique et d'épaisseurs respectives El, E 2 et E 3 sont, dans cet exemple, en polyphénylène. La figure 5 est une vue agrandie d'une partie du réseau métallique utilisé dans l'exemple précédent Des petites plaques carrées métalliques de quelques dizaines de micromètres d'épaisseur et généralement en cuivre sont disposées selon la figure 5 sur chacune des faces de la couche de matériau diélectrique centrale 12 Ces carrés de côté a, séparés les uns des autres d'une distance d peuvent être réalisés, à titre d'exemple, par photogravure ou fraisage d'une couche de matériau diélectrique métallisée sur ses deux faces (les plaques 10 sont rectangulaires lorsque l'angle d'incidence G n'est pas normal à ces plaques). Les dimensions des carrés sont choisies en fonction des fréquences à filtrer La particularité de ce mode de réalisation préféré, est de pouvoir filtrer des ondes électromagnétiques d'une bande donnée, quelle que soit la polarisation de ces ondes. En conclusion, le joint tournant tel qu'il a été décrit permet de transmettre deux faisceaux d'ondes électromagnétiques de fréquences appar- tenant à deux bandes différentes, par exemple C-KA ou KA-X ou X-W. Il n'y a pas de problème de dimensionnement dû aux très hautes fréquences (supérieures à 35 G Hz) comme dans les joints tournants réalisés à l'aide de conducteurs coaxiaux de l'art connu car on utilise un circuit hyperfréquence parfaitement adapté à ces fréquences Ce circuit comporte, en effet, un guide cylindrique 1, ce qui permet notamment d'exciter les ondes de la gamme de fréquence la plus haute (X ou W selon le cas) en mode radial (TM 01) ou circulaire (TE 01), ces deux modes de polarisation étant les seuls à ne pas être perturbés par la rotation de la partie mobile 3 du joint La formation du faisceau composite guidé par la cavité 1 et la séparation des ondes bifréquence sont réalisées au moyen des deux filtres spatiaux 6 et 7. REVENDICATIONS 1 Joint tournant de puissance pour antenne double-bande, destiné à effectuer une liaison entre les parties fixes et mobiles de l'antenne pour transmettre des ondes électromagnétiques appartenant à deux bandes de fréquences différentes constituant un faisceau composite, caractérisé en ce qu'il comprend un guide d'onde cylindrique hyperfréquence ( 1) ayant une partie fixe ( 2) et une partie mobile ( 3), aptes à transmettre le faisceau composite, ce guide comportant une première et une deuxième entrée ( 6, 4) dans sa partie fixe ( 2) pour recevoir des ondes électromagnétiques appartenant respectivement à une première et à une deuxième bande de fréquence, les ondes de ces deux bandes se propageant dans le guide et formant le faisceau composite; une première sortie ( 7) dans sa partie mobile ( 3) pour délivrer uniquement les ondes de la première bande; et une deuxième sortie ( 5) dans sa partie mobile ( 3) pour délivrer uniquement les ondes de la deuxième bande. 2 Joint tournant de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune de ses extrémités est fermée par un filtre spatial de fréquence ( 6, 7), l'un constituant la première entrée ( 6), l'autre cons- tituant la première sortie ( 7). 3 Joint tournant de puissance selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux guides d'ondes rectangulaires ( 4, 5) chacun étant relié 3 l'une des extrémités du guide cylindrique ( 1), perpen- diculairement à l'axe (XX') de ce guide et diamétralement opposés, l'un de ces guides constituant la deuxième entrée ( 4), l'autre constituant la deuxième sortie ( 5). 4 Joint tournant de puissance selon la revendication 2, caractérisé en ce que les filtres spatiaux de fréquence comprennent au moins deux couches ( 16, 17) de matériau diélectrique superposées et des réseaux métalliques ( 13, 14) interposés entre les couches successives de matériau diélectrique. 5 Joint tournant de puissance selon la revendication 4, caractérisé en ce que les réseaux métalliques ( 13, 14) ont la configuration d'un ensemble de carrés conducteurs isolés entre eux, les dimensions de ces carrés étant fonction des fréquences à filtrer. 6 Joint tournant de puissance selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisé en ce que la première entrée ( 6) est alimentée par une source (Si) au moyen d'un dispositif de focalisation ( 8, 10) permettant de réfléchir les ondes dans la direction de l'axe (XX') du guide ( 1). 7 Joint tournant de puissance selon la revendication 4, caractérisé en ce que la première sortie ( 7) alimente la partie mobile de l'antenne à l'aide d'une source (S) par l'intermédiaire d'un dispositif de focalisation ( 9, 11) permettant de réfléchir les ondes dans la direction de la source (S). 8 Joint tournant de puissance selon les revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les dispositifs de focalisation ( 8, 9), ( 10, 11) ont le même axe optique (XX'). 9 Joint tournant de puissance selon l'une quelconque des reven- dications 6 à 8, caractérisé en ce que les dispositifs de focalisation sont constitués par deux miroirs ayant la configuration d'un ellipsoïde de révolution ( 8, 9) dont un des foyers (F 2, F 2 ') de l'un est confondu avec le sommet de l'autre et inversement, les deux autres foyers étant confondus avec les sources (Si, 52). 10 Joint tournant de puissance selon l'une quelconque des reven- dications 6 à 8, caractérisé en ce que les dispositifs de focalisation sont constitués par des lentilles plan convexe ( 10, 11).