Brevet FR2548786A1 — publié le 19850111

PROCEDE ET APPAREILLAGE DE RELEVE DE DIAGRAMMES D'ANTENNES EN CHAMP PROCHE La présente invention concerne un procédé et un appareillage de relevé de diagrammes d'antennes en champ proche. On sait que le champ rayonné à grande distance r par une antenne peut se mettre sous la forme suivante: (E)(, @) >ti 2 rlr AUA) ( 1) ca r o r S é e rprtsenen L les coordonnées sphériques d'un point de l'espae, A la longueur d'onde du rayonnement emis et K une constante. La foncion 1 à,0) permet de caractériser en amplitude et en phase les proptilths da rayonnement de l'antenne. On d&signe g 6 nérailement par diagramnes de rayonnement de l'antenne les co-rbes représentant la répartiticn dans l'espace de l'ténergie rayonnge Lorsque la puissance émise par l'antenne est de 7 Watt, le dia Mrcav de rayonnement est la foaction i A (O)12 pour une valeur particulière de 4 ou 1 E () 1 pour une valeur particulière de O^ Une antenne utilisée an émission ou en réception conservant les memes propriî Ls de directivitéi ces diagrammes de rayonnement peuvent tre relevées expér ientlament au imoyen d'un montage comprenant une antenne d'Amission engendrant un rayoanement dont les fronts d'ondes sont sphériques, une antenne à essayer fonctionant en réception et -2 recevant le champ électromagnétique de l'antenne d'émission et un positionneur de l'antenne à essayer dans ce champ A condition de placer l'antenne d'émission à une distance suffisamment grande de l'antenne à essayer, la relation ( 1) donne une bonne approximation du champ rayonné, 5 car les fronts d'ondes sphériques pouvant être considérés comme des fronts d'ondes plans au voisinage de l'antenne à essayer. On admet généralement que cette condition est satisfaite si r > 2 L 2/X o: r est la distance entre les deux antennes, L est la plus grande dimension de l'antenne à essayer, et X est la longueur d'onde. Pour les grandes antennes, ceci conduit à utiliser des bases de mesures de très grandes dimensions Par exemple, une antenne à 10 G Hz de 15 3 mitres de hauteur doit être essayée dans une base de mesure d'au moins 600 mètres de long. Depuis quelques années, de nouveaux procédés de mesure ont été proposés pour relever les diagrammes de rayonnement en champ proche (r veut déterminer le diagramme. La société Scientific Atlanta a proposé d'effectuer des relevés 25 directs en utilisant une antenne émettrice de dimensions plus grandes que les dimensions de l'antenne à essayer L'antenne est un cornet situé au foyer d'un grand réflecteur parabolique et l'illuminant Dans ce cas, l'onde émise est plane et homogène au niveau de l'antenne à essayer; tout se passe comme si les deux antennes étaient très éloignées. La difficulté de cette méthode réside dans la fabrication de l'antenne d'émission notamment du réflecteur, compte tenu des précisions 5 qui lui sont imposées Actuellement, ce procédé est coûteux et ne permet pas d'effectuer des relevés sur des antennes de dimensions supérieures à 1,2 mètre. La société PLESSEY a décrit dans la demande de brevet français FR-A2434497 une variante de cette solution dans laquelle on remplace le 10 grand réflecteur parabolique de l'antenne d'émission par une grande lentille en matériau diélectrique léger du type mousse polyuréthane. Cette lentille est, semble-t-il, moins coûteuse que le réflecteur de Scientific Atlanta; cependant, elle produit une onde plane moins homogène au niveau de l'antenne à essayer et la bande passante 15 d'utilisation est certainement plus réduite du fait de la nécessité d'utiliser des revêtements absorbants pour éviter les réflexions sur les dioptres de la lentille Par ailleurs, les limitations en dimensions sont au moins aussi contraignantes Pour une antenne à essayer de 1,2 mètre, il faudrait utiliser une lentille de 2 mètres de diamètre et de 20 plus de 1, 2 mètre d'épaisseur. On peut égrlement, d'après l'art antérieur, effectuer un relevé en champ proche et le faire suivre de calculs permettant de corriger au niveau de l'antenne à essayer, les effets dus à la courbure des ondes Emises Le relevé d'un diagramme de rayonnement est effectué en deux 25 étapes qui vont être rappelées en relation avec les Figs 1 et 2. -4 Première étape: L'émetteur à radio-fréquence 1 alimente l'antenne 2 dont le rayonnement, constitué de fronts d'ondes de forme sphérique, est reçu par l'antenne à essayer 3 disposée à une distance R de l'antenne 2. 5 L'antenne 3 est tenue par un positionneur 4 qui est commandé en azimut p et en site e par le calculateur 5 Le signal reçu par l'antenne 3 dans ses positions successives est détecté en amplitude et en phase par le détecteur cohérent 6 Le détecteur 6 est relié au calculateur 5 et ce + dernier reçoit donc des signaux représentant les valeurs du champ E(R, 10 6, P) relevé en fonction des deux angles e et p pour une valeur particulière de R Les mesures sont enregistrées sous forme numérique et stockées en mémoire dans un tableau à deux dimensions: E (ei, j). Deuxième étape: Calcul des diagrammes de rayonnement corrigés des effets de champ proche. On suppose provisoirement que l'antenne 3 est l'antenne d'émission et l'antenne 2 l'antenne de réception L'antenne d'émission 3 est supposée fixe et l'antenne de réception 2 se déplace sur une sphère de 20 centre O en coordonnées azimut et site. On sait que si l'on connatt le champ électromagnétique rayonné en tous les points d'une surface fermée quelconque qui entoure l'antenne, il est possible de calculer le champ en n'importe quel point de l'espace à l'extérieur de la surface en utilisant la relation de KIRCHHOFF. 2548786 ->r f > (r') G | E> (r') ( 2) (Cf Principles of Optics par Max BORN et Emil WOLF, Pergamon Press 1959, page 376, formule ( 7)), o S est la surface qui entoure l'antenne, r et r' sont les vecteurs qui 5 définissent les positions des points situes respectivement à l'extérieur et sur la surface S. n est le vecteur unitaire normal S en r' exp (-jk lr- r') 4 ir Ior-r YI k 2-. Si 51 est la partie de la surface S qui est vue à partir du point r, lorsque la surface S est suffisament éloignée de l'antenne pour que les champs sur S, ou en dehors puissent etre représentés par l'appro> imation óte l'optique gëométrique, la relation de KIRCHHOFF peut etre écrite sous la forme simplifiée: (r) = (r') G d S ( 3) -e 6 2548786 Lorsque la surface S est une sphèra de centre 0, de rayon RP, et 51 (Fig 2) la moitié de cette sphère et pour les points r très éloignés de l'antenne ( r >" R), la relation de KIRCHHOFF s'écrit: o k f m (-> >) exp -i k Rn u m R 2 zinu Oddp ( 4) Ir 4 ' '-ll r SI O et P étant les angles d'azimut et de site qui définissent la position d'un point sur la sphère (donc d S -R 2 sin Od Od, u étant le vecteur unitaire de direction r). Bien que la relation ( 4) ait été établie en supposant que 3 et 2 sont respectivement des antennes d'émission et de réception et que la 10 première est fixe et la seconde mobile sur une sphère de rayon R, cette relation reste vraie quand 3 et 2 sont respectivement des antennes de r&ception et d'émission et la première est mobile autour du point O etla seconde fixe. On voit que la méthode de l'art antérieur qui vient d'être décrite 15 comprend le calcul par un calculateur d'une transformée intégrale bidimensionnelle Elle permet de relever des diagrammes de rayonnement sur de très grandes antennes Cependant, plus l'antenne est grande, plus le volume de la mémoire du calculateur doit être important et plus le temps de calcul est long Cette méthode est particulièrement pénalisante 20 lorsque l'on veut relever un seul diagramme du type {A (M)I 2 pour une valeur de imposée ou |A (I)12 pour une valeur de e imposée En -7 effet, le calcul des corrections exige que l'on effectue le relevé de toutes les valeurs de la fonction à deux dimensions E (e, p). L'objet de l'invention est un procédé de mesure de diagrammes d'antennes dans lequel la transformée intégrale bidimensionnelle à 5 résoudre par un calculateur est remplacée par une transformée intégrale unidimensionnelle, l'antenne d'émission servant à illuminer l'antenne à essayer étant une antenne de structure particulière émettant des ondes dont les surfaces équiphases sont des cylindres. L'invention va être maintenant décrite en détail en relation avec 10 les dessins annexés dans lesquels: la Fig 1 représente sous la forme d'un diagramme de blocs le procédé et l'appareillage de relevé de diagrammes d'antennes de l'art antérieur; elle a été commentée dans l'entrée en matière; la Fig 2 représente un diagramme géométrique relatif à l'art 15 antérieur de la Fig 1; elle a été commentée dans l'entrée en matière; la Fig 3 représente le procédé et l'appareillage de relevé de diagrammes d'antennes de l'invention; et la Fig 4 représente l'antenne d'émission de l'appareillage de relevé de diagrammes d'antennes conformes à l'invention. Sur la Fig 1, l'antenne à essayer 3 était déplacée en site et en azimut par le positionneur 4 Comme les mouvements des antennes sont relatifs, il est équivalent de déplacer l'antenne d'émission 2 sur une sphère de rayon R, l'antenne de réception 3 restant fixe Dans le cas de l'invention, l'antenne à essayer 13 est seulement déplacée angulairement 25 en azimut, par le positionneur 14 On obtient un résultat équivalent si l'antenne d'émission 12 est déplacée sur un cercle de rayon R autour de l'antenne 13 restant fixe et que l'antenne 12 fonctionne en réception et -8 l'antenne 13 en émission La sphère de rayon R est remplacée par un cylindre de section droite circulaire de rayon R et dont les points ont comme coordonnées (P et z La relation ( 3) de Kirchhoff se transforme en deux intégrales à une variable -> L A f z I E (W, z) dz ( 6) () = fz O Dans ces relations: L' est la longueur de l'ouverture de l'antenne, E (W, z) est le champ émis par l'antenne 13 en un point quelconque 10 du cylindre de section droite circulaire de rayon R et dont l'axe passe par 0, _(P) représente-le champ total capté par l'antenne 12. La première intégrale était prise sur un demi-cercle c et la seconde selon la hauteur du cylindre Lorsque l'antenne 12 comporte un 15 réflecteur en forme de cylindre parabolique (Fig 3), de faible hauteur, elle fournit directement la transformée intégrale t (p) sous forme d'un signal analogique en effectuant la sommation en phase des champs E (p, z) sur la surface d'ouverture de l'antenne, c'est-à-dire approximativement sur un segment de droite. La transformée ( 5) est du type: C> t (q) cos ( 1 j exp l-j 2 W R Rcos (' -w)l dcp et peut s'écrire -> A( D) = j. -> d-P ( p) représente le champ mesuré sur l'antenne ( 12) et C (t (p) 10 le noyau de la transforme intégrale qui est fonction des paramètres R et À. en posant 2 ir & (a) cos a e R cÀ S a pour ct E 2 l 2 C (a) = o pour) o p F 2 l - Les fonctions C(a) ne dépendant que des conditions d'essai, on voit ainsi que A est une convolution entre t et C Le théorème de convolution indique que la transformée de Fourier d'un produit de convolution est égale au produit des transformées de Fourier. A = * C par suite TF lÀ>l= TF lEt x TF lCl On calcule la fonction C(a) pour des valeurs discrètes séparées de A/2 R pour un nombre d'échantillons M = 4 r R/À. C 10 On calcule donc la transformée de Fourier (u) de C(a) On calcule donc la transformée de Fourier Y (u) de C(ai) t (u) = TF lC (a)l ( 7) puis on garde en mémoire les N premiers échantillons de la fonction t (u) avec N = 2 X L / À o L est la plus grande dimension des antennes qui seront essayées dans la base de mesure. On calcule la transformée de Fourier de C( P): G(u) = TF lE (c P)l -> puis: (u) = G(u) t (u) enfin: A(b) = TF: (u) enfin: A() = TF, ': (u) ( 8) ( 9) ( 10) La fonction A( 0)2 calculée à partir de la relation ( 10) représente alors le diagramme de rayonnement de l'antenne corrigé des effets de champ proche. Bien que les relations ( 5) à ( 10)aient été établies en considérant 5 que les antennes 13 et 12 sont respectivement des antennes d'émission et de réception et que la première est fixe et l'autre mobile sur un cylindre de rayon R, ces relations restent vraies quand 13 et 12 sont respectivement des antennes de réception et d'émission et que la première tourne sur un axe perpendiculaire au plan médiateur de la 10 seconde antenne qui reste fixe. En se référant maintenant à la Fig 3, le numéro de référence Il désigne un émetteur à radiofréquence, 12 une antenne d'émission, 13 l'antenne de réception à essayer et 14 un positionneur Ce positionneur est commandé par le circuit de commande 18, ce qui fait tourner à site 15 constant l'antenne 13 autour d'un axe vertical Oz perpendiculaire au plan médiateur de l'antenne d'émission 12, par valeurs discrètes d'azimut p Le récepteur 16 reçoit les valeurs de -> c(p) pour P = Pl' 2 ' Ces valeurs sont stockées en mémoire 26 et le transformateur de Fourier 19 effectue la transformation de Fourier ( 8) et fournit la fonction G(u) pour les valeurs de u = u 1, u 2, u N, Le générateur de fonction 20 fournit les valeurs de la fonction C(a) pour les valeurs de a = a 1 ' a 2 C a M et le transformateur de Fourier 21 fournit la fonction (u) pour les veurs u 1, u 2 i, 1 tue jeucié 5 % i- u (équation ( 7)) Les N premières valeurs de ?(u) sont mises en mémoire dans la mémoire 22. Le circuit multiplicateur 24 effectue les produits G(u) x t(u) -p (équation ( 9)) et fournit la fonction X(u) Enfin,'le transformateur de Fourier inverse 25 fournit la fonction A(o) pour les valeurs 01 ' 2 N' La Fig 4 représente l'antenne d'émission 12 du type "Pill Box" qui permet d'obtenir directement (" à partir de E (P, z) (équation ( 6)) Elle émet un faisceau étroit d'ondes dont les surfaces 10 équiphases au niveau de' l'antenne à essayer sont des cylindres. L'antenne 12 comporte un réflecteur dont la forme est un cylindre parabolique 30 alimenté par un guide d'onde 31. On r décrit la Fig 3 en supposant que l'axe du cylindre fictif est vertical et que l'angle de rotation de l'antenne 13 est l'angle 15 d'azimut On pourrait également faire tourner l'antenne en B autour du même axe pour relever la fonction t ( 9). L'invention s'applique aux relevés des diagrammes de rayonnement d'antennes radioélectriques et aux relevés des indicatrices d'émetteurs ou de récepteurs acoustiques. Feulie r R E V E N D I C A T I O N S 1 Procédé de relevé de diagrammes d'antennes en champ proche comprenant les étapes suivantes: l'illumination d'une antenne de réception à essayer par une antenne d'émission située à une distance de l'antenne à essayer trop courte pour que l'onde émise par l'antenne d'émission ait un front d'onde plan à l'endroit de l'antenne-a essayer; le déplacement angulaire P de l'antenne à essayer; la réception du signal capté par l'antenne à essayer, ledit signal dépendant de la position angulaire P de l'antenne; la résolution d'une équation intégrale faisant intervenir la forme des fronts d'ondes captés par l'antenne à essayer; caractërisé en ce que l'antenne d'émission est une antenne émettant un faisceau dont les fronts d'ondes sont des cylindres a section droite circulaire; transformateur de Fourier ( 21) recevant des signaux caractéristiques de la distance R entre les antennes et la longueur d'onde à du rayonnement émis par l'antenne ( 12), des moyens ( 24) de multiplier entre elles et terme à terme les transformées de Fourier obtenues et un transformateur 15 de Fourier inverse ( 25) fournissant la fonction A (i). 4 Appareillage de relevé de diagrammes d'antennes en champ proche selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'antenne d'émission ( 12) est une antenne comportant un réflecteur ( 30) en forme de cylindre parabolique.