Brevet FR2643720A1 — publié le 19900831

Dispositif de test d'une source de puissance rayonnée hyperfréquence L'invention concerne un dispositif de test d'une source de puissance rayonnée hyperfréquence. La constante évolution des systèmes de télécommunication en termes de capacité (nombre de canaux) et de puissance conduit à la définition de tests de plus en plus complexes au niveau de l'ensemble des composants afin de garantir un fonctionnement correct desdits systèmes, au cours d'une mission spatiale par exemple. Ainsi sont apparues comme nécessaires les vérifications des caractéristiques radioélectriques des systèmes d'antennes à très forte puissance. Les tests de.multipactor ou d'intermodulations passives se font en mode rayonné et le plus souvent sous vide. De façon pratique, on se contente d'effectuer ces séquences de tests au niveau de la source primaire complète pour laquelle les densités de puissance sont les plus importantes. Les ensembles rayonnants, couramment utilisés pour les applications de satellite de télévision directe ou de télécommunication sont du type cornet conique ou elliptique, lisse ou corrugué, ou bien du type multisources : les sources élémentaires pouvant être des ouvertures cylindriques, hexagonales ou encore des cornets pyramidaux. Le problème principal de ces séquences de tests consiste à trouver des solutions à- l'absorption des puissances électromagnétiques rayonnées. Cette absorption devant être réalisée - de façon totale et sûre, - sans perturber les tests en cours (nécessité d'éviter toute onde réfléchie rentrant à nouveau dans la source qui viendrait perturber ou la mesure ou le fonctionnement des tubes de puissances), - dans une enveloppe de coût raisonnable en ce qui concerne les moyens à mettre en oeuvre pour réaliser l'absorption d'énergie. A titre indicatif et pour situer la nature du problème, on rappelle que le module du vecteur Poynting porte la densité de puissance. Celui-ci est donné par la formule | P (6 = pu x G (e, ) 1 4 fr R2 Couramment, il n'est pas rare d'avoir à opérer sous les conditions suivantes . Puissance totale P T 1000 W et plus, . G (4, p) : diagramme de la source primaire par rapport à l'isotrope en puissance présentant un gain maximum d'environ 20 dB. .On .obtient ainsi pour diverses distances paramétrées R, les densités maximales du faisceau incident émis par la source primaire en W/cm2 R L 50 cm 100 cm 150 cm 200 cm (dP/ds) 3.18 .795 .353 .198 w/cm2 Les absorbants de l'art connu pouvant fonctionner sous vide, ne produisant ni particules, ni dégazage, sont des absorbants de type résonnants à monter sur une surface conductrice. Leurs capacités, sans dommage, sont toutefois limitées . puissance maximale admissible d'environ 0.10 W/cm2 à 0.25 W/cm2. Leur emploi de façon directe ne peut se faire qu'au moyen d'une très grande enceinte : distance source primaire / fond de l'enceinte de l'ordre de 2 mètres et plus. Une telle solution, si elle est envisageable dans le principe, est peu souhaitable en raison d'un coût prohibitif pour la mise en oeuvre - enceinte trop grande, - système de pompage surdimensionné, - surface d'absorbants trop importante. L'objet de la présente invention consiste à proposer une solution qui intègre les trois critères précédemment décrits et qui soit en outre facilement adaptable à toute nouvelle géométrie - soit de la source primaire a tester, - soit de la configuration de l'enceinte. L'invention propose à cet effet un dispositif de test d'une source de puissance rayonnée hyperfréquenee, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de transformation du faisceau collimaté émis par la source en un faisceau éclaté de type toroïdal. Plus précisément, ces moyens de transformation comprennent un réflecteur, ce réflecteur et la source étant disposés dans une enceinte. Ainsi avantageusement, pour une même géométrie d'enceinte, en utilisant de tels moyens de transformation on diminue fortement les densités de puissance vues par les parois de l'enceinte. Dans une première réalisation les moyens de transformation comprennent un éclateur linéaire ou cône 10 dont on optimise l'implantation dans une enceinte 14. Dans une autre réalisation ces moyens de transformation comprennent un éclateur 10 à courbure variable. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles - la figure 1 illustre schématiquement le dispositif de l'invention - la figure 2 illustre schématiquement une première réalisation du dispositif de l'invention - la figure 3 illustre le fonctionnement du dispositif représenté à la figure 2 - la figure 4 illustre schématiquement une seconde réalisation du dispositif de l'invention. Comme représenté schématiquement sur la figure 1, par le biais d'une surface réfléchissante 10, appelée "éclateur" dans la suite de la description, on transforme un faisceau primaire initial collimaté ll, issu d'une source 12, en un faisceau éclaté de type toroïdal 13, à l'intérieur d'une enceinte 14. Par ce processus, on bénéficie d'un double effet - réduction de la directivité/isotrope G2 (e, +) du faisceau réfléchi par rapport à l'incident, - augmentation du trajet des rayons. Ceci a pour but de minimiser globalement la fonction G2 (e, +)/R qui intervient directement dans l'évaluation des densités de puissance sur les surfaces des parois de l'enceinte 14. Le processus de génération de la surface 10 peut en outre facilement prendre en compte des contraintes de nature géométrique - taille et dimensions maximales de l'enceinte, - distance source 12 sommet de l'éclateur 10, - dimension de l'éclateur 10. L'optimisation de la géométrie de l'éclateur 10 repose sur les quatre données suivantes - Diagramme primaire de la source 12 à tester, - Dimensions géométriques de l'enceinte 14 disponible, - Densité maximum de puissance sur le type d'absorbant retenu, - Nécessité pour les rayons à forte densité d'avoir des angles d'incidence voisins de la normale de l'absorbant ( |i| lil ( 300). En se référant à la figure 1, la méthode de calcul de la surface 10 repose sur l'application des lois de l'optique géométrique pour des surfaces réfléchissantes procurant des faisceaux non collimatés. Les éléments de base du calcul sont la distribution de rayonnement primaire 11, P1 (e), qui est une donnée, la distribution secondaire 13, P2 (e), qui est un parametre, ainsi que la.distance entre le centre de phases de la source 12 au sommet 0 de l'éclateur 10. En utilisant le principe de conservation d'énergie que l'on normalise aux bornes du problème, on obtient les relations suivantes : P1 (e) de = K P2 (+) df soit En utilisant cette relation, on obtient ainsi numériquement + comme fonction de e. Le profil du réflecteur 10, qui transforme la distribution primaire P1 (e) en la distribution P2 (+) est obtenu lui aussi de façon purement numérique. En appliquant des éléments de géométrie différentielle, on obtient l'équation de l'éclateur en coordonnées polaires. Soit On peut à présent considérer deux possibilités de réalisations de l'invention. On pourra bien évidemment remplacer certains paramètres sans pour autant sortir du cadre de l'invention : ces descriptions n'étant données qu'à titre préférentiel. Dans une première réalisation, représentée à la figure 2, le dispositif proposé consiste en un éclateur linéaire, ou cône 10, dont on optimise l'angle d'inclinaison ainsi que l'implantation dans l'enceinte 14. Les méthodes de l'optique géométrique permettent de caractériser de façon complète les rayons réfléchis en polarisation, amplitude et phase. C'est par le calcul des propriétés des surfaces que l'on caractérise et optimise de façon complète la densité de puissance sur la paroi de l'enceinte 14 et que l'on vérifie, aussi, la comptabilité de la puissance émise par la source avec la tenue des matériaux absorbants. Le développement de ces méthodes, bien connues de l'homme de l'art, ne sera pas exposé ici. La figure 3 expose le principe de fonctionnement optique du système linéaire. Le faisceau incident émis par la source primaire 12 est à symétrie de révolution et se trouve caractérisé par sa largeur 0 à -adb. on obtient alors, après réflexion sur l'éclateur 10, un faisceau éclaté 13 qui est un faisceau toroïdal de révolution. Tandis que le premier faisceau 11 est collimaté, c'est-à-dire s'étend dans le domaine des angles solides au voisinage de zéro typiquement de zéro à e, le faisceau secondaire 13, lui, s'étend dans un domaine solide variant de go à fM et les rayons réfléchis semblent être émis par le cercle, lieu des points S' : images de la source S par le cane 10. L'éclatement est d'autant plus efficace que l'on passera d'un faisceau collimaté à un faisceau qui ne l'est plus. Il est donc immédiat que ces conditions sont remplies lorsqu'on impose aux rayons réfléchis de se trouver ré-émis dans la direction des plus grands angles solides, c'est-à-dire au voisinage de La condition d'éclatement vers les plus grands angles solides se trouve confirmée par la deuxième approche qui sert de base de comparaison entre les diverses configurations exposées : cette deuxième approche est celle du critère des surfaces équipuissantes. Si l'on prend à titre d'exemple un faisceau 11 de 20 dB de gain caractérisé par sa largeur -10- dB de 350. Dans la géométrie de 1' enceinte représentée sur la figure 2 c'est-à-dire une longueur L = 75 cm un diamètre D1 = 57 cm, un diamètre D2 = 400 mm, et une distance SF = 121 cm, si ce faisceau 11 est rayonné dans 1' enceinte sans éclateur, la densité maxi de puissance au point F, pour une puissance rayonnée de 1000 W, est de 0.54 W/cm2. L'ensemble du faisceau jusqu'à -3 dB couvre un domaine angulaire d'environ 19 20, son étalement sur la paroi du fond de l'enceinte 2 correspond à un rayon a d'environ 20,17 cm. Une surface de 1275 cm reçoit, dans ce cas, la moitié de la puissance rayonnée par l'antenne, 2 ce-qui donne une densité moyenne de 0.39W/cm Si dans l'enceinte 14 on dispose, selon l'invention, un éclateur 10 conique à 450, comme sur la figure 2, on s'aperçoit à l'évidence que, pour un trajet de rayon principal SO + OP pratiquement identique au précédent, la surface de projection du faisceau jusqu'à -3 dB est considérablement plus grande que la précédente. Dans un plan de coupe, les rayons réfléchis semblent être émis par la source visuelle par S'. Du fait de l'utilisation d'une surface conique linéaire le faisceau réfléchi a le meme étalement angulaire que le principal. La surface de projection devient donc une bande cylindrique. On obtient pour notre cas d'application où 1SF = ISOl + 2 lOPI = 121 cm, une surface de 3613 cm , montrant à l'évidence que la meme puissance est étalée sur une surface presque 3 fois plus grande 2 cette surface présentant une densité moyenne de 0.138 W/cm au lieu de 0.39 W/cm- dans le cas précédent en rayonnement direct. On s'aperçoit ainsi que de nouveaux paramètres peuvent être utilisés pour réaliser la fonction désirée. En effet, le changement de diamètre de 1' enceinte a un impact immédiat sur les surfaces d'étalement. Sans changer la longueur de l'enceinte L 75 cm, si l'on 2 passe le diamètre de celle-ci à 75 cm, on obtiendrait alors S = 6228 cm 2 soit 0.08 W/cm. Une réduction n'est pas possible sans le renvoi à 450 selon l'invention. Dans le cadre de la description précédente, on s'aperçoit que le faisceau réfléchi a le meme étalement que le faisceau fM 90 = O, le gain sur les surfaces provenant uniquement de la condition des grands angles solides. On peut gagner un rapport de surface considérable si au lieu d'utiliser une surface conique linéaire comme représentée sur la figure 2, on envisage de donner à la surface 10 une courbure variable, en forme d'obus par exemple, qui étale les rayons réfléchis dans le domaine *. Ainsi, au lieu de transformer le faisceau incident (17050 à -10 dB) de 90 à 107050, on peut calculer une surface 10 qui étale ce faisceau de 600 à 1500 par exemple, de façon à utiliser de façon optimale l'ensemble des parois cylindriques. La figure 4 présente un exemple de géométrie type de l'éclateur-étaleur. Son profil est obtenu de façon purement numérique et suit l'ensemble des conditions suivantes - Optimisation de l'étalement en assurant un faisceau réfléchi dont la distribution en puissance est aussi plate que possible et donc une directivité minimale pour le faisceau toroïdal ainsi généré. - Optimisation des longueurs des trajets des rayons en intégrant les contraintes de géométrie de l'enceinte ainsi que le fonctionnement des matériaux absorbants (condition d'angles d'incidences). - Optimisation en termes de réflexion multiple de façon à n'avoir que des rayons de niveaux très faibles qui retournent vers la source. Dans le cas de la figure 4, la conformation du réflecteur 10 aboutit à une transformation d'une gaussienne de -10 dB, de zéro à 17050 en une gaussienne de 600 à 1500 dont le niveau quasi-uniforme varie de O à -2 dB. On obtient ansi un étalement presque uniforme de la puissance pour le faisceau réfléchi. Le faisceau incident à demi-puissance se trouve étalé sur une longueur b de 60 cm correspondant ainsi à une 2 surface de plus de 10000 cm . La densité moyenne sur cette zone correspond à 0.046 W/cm2. Pour une même géométrie d'enceinte, on montre que l'on a pu gagner ainsi un facteur d'au moins 8 sur les densités de puissance vues par les parois entre un système comportant un dispositif éclateur optimisé et un dispositif n'en comportant pas. Dans ces cas de configuration, qui ne sont donnés qu'à titre d'exemple l'éclateur linéaire 10 permet de baisser ces densités d'un facteur 3, l'éclateur 10 "optimise à réflecteur conformé permet, quant à lui, d'abaisser ces densités d'un facteur au moins égal à 8, ce qui permet de rendre marginal le problème de la tenue des matériaux absorbants utilisés. La géométrie de l'enceinte peut là aussi faire l'objet d'une évaluation paramétrique de façon à réaliser la mission générale proposée. Comme précédemment, de nouveaux paramètres peuvent etre exploités à profit dans le cas de la solution avec éclateur. Le passage à un diamètre d'enceinte à 75 cm conduit par exemple à des densités moyennes de l'ordre de 0.03 W/cm sans pour autant entrainer des modifications ou des coûts importants au dispositif de test. Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et que lton pourra remplacer ses éléments constitutifs par des éléments équivalents sans, pour autant, sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1/ Dispositif de test d'une source de puissance rayonnée hyperfréquence, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (10) de transformation du faisceau collimaté (11) émis par la source (12) en un faisceau éclaté (13). 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ces moyens de transformation comprennent un réflecteur (10) et en ce que la source (12) et ce réflecteur (10) sont disposés dans une enceinte (14). 3/ Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que la surface utile de ce réflecteur (10) est obtenue en utilisant les lois générales de l'optique. 4/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la surface de ce réflecteur (10) est à symétrie de révolution autour d'un axe qui est également l'axe du faisceau collimaté (11). 5/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la surface de ce réflecteur (10) est un cône linéaire de révolution dirigé vers la source (12). 6/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la surface de ce réflecteur (10) présente une courbure variable telle que l'orientation de la normale varie. 7/ Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la surface de ce réflecteur (10) à la forme d'un obus dirigé vers la source (12).