Brevet FR2691840A1 — publié le 19931203

i DISPOSITIF DE COMPRESSION D'IMPULSIONS, NOTAMMENT EN EMISSION HYPERFREQUENCE La présente invention concerne un dispositif de compression d'impulsions, notamment en émission hyperfréquence. Elle s'applique notamment à des radars de détection de cibles furtives Plus généralement, elle s'applique à tous les radars dont la fonction nécessite l'émission de fortes puissances crête pendant des impulsions de très courte durée. Pour lutter par exemple contre des cibles furtives, il est nécessaire d'émettre des impulsions de durée plus courte que les temps de réaction, eux-mêmes très courts, de ces cibles furtives Il faut alors par exemple comprimer les impulsions émises dans un rapport 10 environ, à puissance émise moyenne constante Cela peut conduire à comprimer par exemple des impulsions d'une durée de 100 ns à 1 MW de puissance crête en impulsions d'une durée de ns environ à 10 MW de puissance crête. La compression analogique d'impulsions modulées en fréquence est une technique bien connue en réception La compression à l'émission et à fort niveau de puissance a déjà été réalisée Une réalisation est notamment décrite dans l'article "SLED: A METHOD OF DOUBLING SLAC'S ENERGY" de Z.D Farkas, H A Hogg, G A Loew et P B Wilson, Stanford Linear Accelerator Center, Stanford University, 1974 Le dispositif décrit utilise le temps de remplissage d'une cavité résonante comme retard au front avant de l'impulsion par rapport au front arrière Cette méthode est limitée par les surtensions dues à la résonance, par les pertes dans la cavité et par les forts champs électriques proportionnels à la surtension de la cavité. En raison du gain limité de cette structure, un autre dispositif appelé "Binary Power Compressor", a été étudié Il est décrit dans l'article "Binary Peak Power Multiplier and its application to Linear Accelerator Design" de Z Farkas IEEE Trans MTT 34 - 1986, page 1036 Il utilise deux voies d'amplification en parallèle, l'une des voies est retardée par rapport à l'autre avant recombinaison en phase et réduction par deux de la durée d'impulsion. Pour réduire de façon importante la durée des impulsions, il est donc nécessaire d'utiliser un nombre important de tronçons de ce type, ce qui complique le dispositif et le rend encombrant et coûteux. L'invention a pour but de pallier les inconvénients précités, notamment en permettant de comprimer des impulsions de façon importante avec de fortes puissances crête possibles. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de compression d'impulsions, les impulsions étant modulées en fréquence, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une ligne de transmission dont la fréquence de coupure varie le long de son axe de propagation, un signal non transmis étant réfléchi, et des moyens de séparation d'une onde incidente et d'une onde réfléchie, chargés par la ligne de transmission et recevant les impulsions à comprimer qui se réfléchissent le long de la ligne de transmission, la variation de la fréquence de coupure et la modulation de fréquence des impulsions à comprimer étant accordées. L'invention a pour principaux avantages qu'elle est peu encombrante, qu'elle est simple à mettre en oeuvre et qu'elle permet des taux de compression importants. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent: la figure la, un schéma de base explicitant le fonctionnement d'un dispositif selon l'invention; la figure 1 b, un exemple de réalisation de ligne à structure périodique; la figure lc, un diagramme de fréquence de la ligne précitée; la figure 2 a, un exemple théorique d'impulsion à comprimer; la figure 2 b, l'impulsion précédente comprimée; la figure 3 a, le synoptique d'un premier mode de réalisation possible d'un dispositif selon l'invention; la figure 3 b, un exemple d'impulsion à comprimer; la figure 3 c, l'impulsion précédente comprimée; la figure 4, une structure possible pour une ligne utilisée dans un dispositif selon l'invention; la figure 5, un deuxième mode de réalisation possible d'un dispositif selon l'invention. La figure la représente un schéma de base explicitant le fonctionnement d'un dispositif selon l'invention Un signal 1 impulsionnel, par exemple hyperfréquence, pénètre dans une première ligne de propagation 2 de longueur Il En sortie de cette première ligne de propagation est placée une deuxième ligne de propagation 3 de longueur 12, à structure périodique, de période p. Un exemple de réalisation de ce type de ligne à structure périodique appelé ligne en guide replié est illustré par la figure lb Dans une ligne de propagation, un guide d'onde hyperfréquence par exemple, de section rectangulaire, sont disposées des plaques métalliques 4 parallèlement à la section de la ligne, c'est-à-dire perpendiculairement à son axe de propagation Ces plaques métalliques 4 sont fixées alternativement d'un côté 311 et de l'autre côté opposé 312 de la ligne 3 en laissant un espace entre leur extrémité et le côté de la ligne auquel elles ne sont pas fixées. De même, ces plaques métalliques 4 sont fixées à l'un et à l'autre côtés 314, 315 adjacents aux deux côtés précédents 311, 312 La période p de la structure de la ligne 3 est par exemple définie par la distance entre deux plaques métalliques 4 successives fixées de la même façon sur la ligne 3. Le dispositif selon l'invention utilise la propriété de réflexion des ondes que possède pour certaines fréquences une structure périodique, du type par exemple de celle de la figure 1 b. Cette réflexion, définie notamment par les lois de Bragg ou de Brillouin, se produit lorsque la réflexion, sur chaque cellule, les plaques métalliques 4 par exemple, de la structure, devient cumulative dans une certaine bande de fréquence. La figure lc illustre par un diagramme la relation entre la fréquence transmise f à travers une telle ligne à structure périodique et le nombre d'onde ô, égal à 2-/X 1, de propagation dans la structure, X étant la longueur d'onde guidée dans la structure Le diagramme de la figure lc définit la bande passante de la ligne En particulier, cette bande passante est bornée vers les fréquences basses par une fréquence fc constituant une fréquence de coupure de la ligne, lorsque P est un multiple de 2 ir/L o L est égal à la période p précitée Lorsque la fréquence du signal 1 est inférieure à la fréquence fc à l'entrée du dispositif de la figure la, l'impulsion se réfléchit à l'entrée 5 de la ligne 3 à structure périodique A la sortie de la première ligne 2, l'impulsion réfléchie 6 est retardée de Il X = 2 par rapport à son instant d'entrée dans cette première vi ligne, o Il est la longueur de la première ligne de transmission 2, à structure non périodique par exemple, et va la vitesse de propagation de l'énergie du signal 1 dans cette première ligne. Lorsque la fréquence du signal f est supérieure à la fréquence de coupure fc, et inférieure à la fréquence de coupure supérieure dans le cas d'un diagramme du type de la figure lc par exemple, la ligne à structure périodique 3 propage le signal 1 comme cela est représenté par des pointillés 7 sur la figure la La ligne à structure périodique 3 étant par exemple ouverte à l'extrémité opposée à celle reliée à la première ligne 2, le signal 3 se réfléchit à cette extrémité. A la sortie de la première ligne 2, le signal 1 se trouve alors retardé I 11 12 de Y = 2 + 2 o Il et va représentent les mêmes grandeurs que précédemment et 12 et v 2 représentent respectivement la longueur de la ligne à structure périodique 3 et la vitesse de propagation de l'énergie du signal 3 dans cette ligne. Il est donc possible de créer ainsi un retard différent selon la fréquence du signal appliqué. Le schéma de base d'un dispositif selon l'invention présenté par la figure la correspond en fait à une ligne de transmission unique dont la fréquence de coupure varie dans le sens de son axe de propagation Dans le cas de la figure la, cette fréquence de coupure ne prend que deux valeurs, elle est par exemple très faible sur la longueur Il, de façon à laisser passer tous les signaux mis en jeu, et elle prend la valeur fc au niveau de l'entrée de la structure périodique Ainsi, dans un cas théorique illustré par la figure 2 a, o une impulsion est modulée de façon à contenir deux signaux successifs 51 et 52 représentés en fonction du temps t, le signal S, ayant une fréquence supérieure à celle du signal 52, il est possible de définir une période de la ligne à structure périodique 3 de façon à obtenir une fréquence de coupure f 1 inférieure à la fréquence du signal S, mais supérieure à celle du signal 52 Ensuite, compte tenu des vitesses de propagation va et v 2 précitées, il est possible de définir les longueurs Il et 12, elles aussi précitées, pour retarder le signal S, par rapport au signal 52 de façon à ce qu'il soit superposé au signal 52 en sortie de la ligne globale constituée des lignes 2, 3 à fréquences de coupure différentes comme le montre la figure 2 b o le mélange des deux signaux n'a pas été représenté mais uniquement leurs dispositions temporelles A condition que la ligne possède en sortie des moyens, non représentés, de séparation d'une onde incidente et d'une onde réfléchie, un circulateur hyperfréquence par exemple, il est possible de récupérer en sortie de cette ligne une impulsion dont la largeur T 2 est réduite par rapport à la longueur Tl de l'impulsion entrante. La figure 3 a représente le synoptique d'une réalisation possible d'un dispositif selon l'invention L'impulsion à comprimer arrive par une ligne 31 à l'entrée 32 de moyens 33 de séparation d'une onde incidente et d'une onde réfléchie, un circulateur hyperfréquence par exemple Les moyens de séparation 33 sont chargés par une ligne de transmission 34 de structure analogue à la ligne à structure périodique 3 de la figure la Les moyens de séparation 33 peuvent être chargés par la ligne 34 par l'intermédiaire d'une ligne de transmission 35 ou bien avoir une ouverture directement fermée par la ligne 34 Les impulsions à comprimer peuvent avoir par exemple une fréquence de récurrence radar comprise entre quelques kilohertz et quelques centaines de kilohertz Ces impulsions sont modulées, par exemple, par un signal hyperfréquence Pour la réalisation du dispositif selon l'invention, la structure de la ligne 34 et la modulation des impulsions sont adaptées pour comprimer ces dernières La ligne 34 reliée aux moyens de séparation 33 a une structure analogue à la ligne 3 de la figure la mais sans que cette structure soit nécessairement périodique Selon l'invention, la ligne 34 a une structure telle que sa fréquence de coupure, basse par exemple, varie le long de son axe de propagation Dans ce sens, elle est analogue à la ligne globale de la figure la constituée des deux lignes 2, 3 o la variation de fréquence de coupure se fait à la transition des deux lignes Dans le cas du dispositif de la figure 3 a, cette variation est adaptée à la modulation des impulsions à comprimer En particulier, si cette modulation est linéaire, la variation de la fréquence de coupure le long de l'axe de propagation de la ligne 34 est elle aussi linéaire. La figure 3 b illustre une impulsion de durée Tl dont la modulation est linéaire En début d'impulsion la fréquence du signal contenu dans l'impulsion est égale à une valeur fl, la fréquence des signaux suivants variant linéairement jusqu'à la fréquence du signal de fin d'impulsion ayant une valeur f 2, f 2 étant inférieure à fl La fréquence de coupure basse le long de la ligne 34 peut donc varier par exemple linéairement de la valeur f 2 à son extrémité d'entrée à la valeur fa à son autre extrémité La longueur de la ligne 34 est par exemple calculée de façon à ce que tous signaux successifs constituant l'impulsion à comprimer se superpose au dernier signal de fréquence f 2 en sortie de la ligne 34 La loi de variation de la fréquence de coupure, basse par exemple, le long de l'axe de propagation de la ligne 34 et la loi de modulation de fréquence de l'impulsion à comprimer sont donc accordées de façon que tous les signaux successifs constituant l'impulsion se retrouvent, après réflexion, en synchronisme du côté du port d'entrée de la ligne 34. Les impulsions comprimées sont alors obtenues en sortie 36 des moyens de séparation 33 La figure 3 c illustre une impulsion comprimée de durée T 2 obtenue par exemple par la compression de l'impulsion de durée Tl de la figure 3 b Cette impulsion comprimée est constituée du mélange des signaux de fréquences différentes retardés les uns par rapport aux autres. Dans l'exemple de réalisation décrit par les figures 3 a, 3 b et 3 c, les fréquences de coupure utilisées sont des fréquences de coupure basse de la bande passante évoluant le long de l'axe de propagation de la ligne 34 Il est possible d'utiliser les fréquences de coupure haute de cette bande passante, dans ce cas, le signal à comprimer est modulé de telle façon que la fréquence des signaux qu'il contient croisse à partir du début de l'impulsion au lieu de décroître comme dans l'exemple de réalisation décrit. Il n'est pas nécessaire que la modulation de fréquence de l'impulsion à comprimer soit linéaire Néanmoins, une telle modulation facilite la réalisation d'un dispositif selon l'invention. La variation de la fréquence de coupure le long de l'axe de la ligne 34 peut être obtenue de plusieurs manières Dans une ligne à structure périodique telle que celle de la figure lb, la fréquence de coupure dépendant de la période ou du pas p entre deux groupes de plaques métalliques consécutifs et identiques, une solution pour faire varier cette fréquence de coupure consiste à faire varier ce pas p La ligne ne présente alors plus une structure proprement périodique mais conserve néanmoins ses propriétés de réflexion, la bande passante évoluant avec le pas p Une autre solution consiste par exemple à faire varier la hauteur ou la largeur de la ligne de transmission 34 Toujours dans le cas d'une ligne du type de la figure ib, il est possible de faire varier la géométrie des plaques métalliques 4 tout en conservant leur disposition périodique Il est aussi possible de faire varier à la fois cette disposition et la géométrie des plaques métalliques 4. La figure 4 présente un autre mode de réalisation de la ligne 34 de transmission à fréquence de coupure variable Des plaques métalliques ou vannes 41 sont disposées le long de la ligne 34, un guide de section rectangulaire par exemple, perpendiculairement à son axe de propagation Les vannes 41 sont toutes fixées sur un même côté 341 de la ligne et centrées par exemple sur le milieu de ce côté La variation de la fréquence de coupure le long de cette ligne peut être réalisée en faisant varier le pas entre les vannes 41 ou en faisant varier leur hauteur D'autres modes de réalisation sont possibles pour cette ligne 34, cette ligne peut notamment être réalisée en matériau diélectrique dont la géométrie varie en fonction de l'axe de propagation de la ligne. La figure 5 présente un autre mode de réalisation possible d'un dispositif selon l'invention Celui-ci est constitué d'un coupleur 3 d B 51 ayant une entrée 52 par laquelle entrent les impulsions à comprimer, une sortie 53 délivrant les impulsions comprimées et deux branches 54, 55 dans lesquelles passent les signaux entrant par l'entrée 52, les signaux passant dans chacune des branches ayant une même amplitude, égale à 1/ NP 2 fois moitié de celle des signaux d'entrée, d'o l'appellation de coupleur 3 d B, et étant en quadrature Les branches 54, 55 du coupleur 51 sont chacune chargées par une ligne 56, 57 dont la fréquence de coupure varie le long de l'axe de propagation Ces lignes 56, 57 sont par exemple analogues à celle de la figure Ilb, mais avec un pas variable entre les plaques métalliques 58 ou avec une dimension variable de ces plaques, ces variations étant adaptées à la modulation de fréquence des impulsions à comprimer Ces lignes pourront aussi être analogues à celle présentée par la figure 4 Les branches 54, 55 du coupleur 51 possèdent des terminaisons 59, 60 qui permettent de les adapter à l'entrée des lignes 56, 57, car la section d'entrée de ces dernières est réduite par la présence des plaques métalliques 58 Le fonctionnement du dispositif de la figure 5 utilise les propriétés du coupleur 51 et des lignes 56, 57 qui lui sont associées, le coupleur jouant notamment le rôle des moyens de séparation d'une onde incidente et d'une onde réfléchie Une impulsion à comprimer entre par l'entrée 52 du coupleur 51 puis se divise en deux impulsions en quadrature et d'égale amplitude, égale à 1/ V fois de l'amplitude de l'impulsion entrante, une des impulsions ainsi créées se propageant dans une branche 54 et l'autre impulsion dans l'autre branche 55 Puis elles pénètrent dans les lignes 56, 57 par l'intermédiaire des terminaisons 59, 60 Ces impulsions se propagent et se réfléchissent à l'intérieur des lignes 56, 57 comme cela a été décrit précédemment dans la ligne 34 du dispositif de la figure 3 a En particulier, si l'impulsion à comprimer est modulée linéairement en fréquence, la fréquence de coupure varie linéairement le long des lignes 56, 57 selon des méthodes précédemment décrites Dans le cas du dispositif de la figure 5, les structures des lignes 56, 57 sont de préférence identiques Après réflexion dans ces lignes 56, 57, leur structure ayant été adaptée à la modulation de fréquence de l'impulsion entrant dans le coupleur 51 dans le but de comprimer celle- ci de façon analogue par exemple à la ligne 34 du dispositif de la figure 3 a, les deux impulsions présentes à la sortie des branches sont comprimées L'impulsion s venant d'une branche 54 se divise en deux impulsions en quadrature et d'égale amplitude, l'une retournant vers l'entrée 52 du coupleur et l'autre se propageant vers la sortie 53 du coupleur. De même l'impulsion venant de l'autre branche 55 se divise de la même façon Les deux impulsions étant préalablement d'égale l O amplitude et en quadrature, les impulsions se propageant vers l'entrée 52 se retrouvent en opposition de phase et de même amplitude donc s'annulent alors que les impulsions se propageant vers la sortie 53 du coupleur, en phase, se recombinent pour constituer l'impulsion initiale comprimée. Le dispositif de la figure 5 permet, notamment grâce au coupleur, de comprimer des impulsions de forte puissance et peut donc être avantageusement utilisé pour la compression d'impulsions en émission hyperfréquence, pour des applications radar par exemple. Les exemples de dispositifs présentés s'appliquent à des ondes électromagnétiques hyperfréquence mais leur principe peut s'appliquer à d'autres types d'ondes. REVENDICATIONS 1 Dispositif de compression d'impulsions, les impulsions étant modulées en fréquence, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une ligne de transmission ( 34, 56, 57) dont la fréquence de coupure (fc) varie le long de son axe de propagation, un signal non transmis étant réfléchi, et des moyens de séparation ( 33, 51) d'une onde incidente et d'une onde réfléchie, chargés par la ligne de transmission ( 34, 56, 57) et recevant les impulsions à comprimer qui se réfléchissent le long de la ligne de transmission, la variation de la fréquence de coupure (fc) et la modulation de fréquence des impulsions à comprimer étant accordées. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la modulation de fréquence est linéaire. 3 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la ligne de transmission ( 34, 56, 57) est constituée d'un guide d'onde de section rectangulaire o sont disposées des plaques métalliques ( 4, 58) parallèlement à la section du guide, fixées alternativement d'un côté ( 311) et de l'autre côté opposé ( 312) du guide et fixées à l'un ( 314) et à l'autre ( 315) des deux côtés adjacents aux côtés précédents ( 311, 312), laissant un espace entre une extrémité non fixée d'une plaque ( 4, 58) et un côté ( 314, 315). 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la ligne de transmission ( 34) est constituée d'un guide d'onde de section rectangulaire o sont disposées sur un côté ( 341) des plaques métalliques ( 41) parallèlement à la section du guide. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la variation de la fréquence de coupure (fc) le long de l'axe de propagation de la ligne ( 34, 56, 57) est obtenue en faisant varier le pas de distance entre les plaques métalliques ( 4, 41, 58). 6 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la variation de la fréquence de coupure (fo) est obtenue en faisant varier la géométrie des plaques métalliques ( 4, 41, 58). 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la variation de la fréquence de coupure (fc) est obtenue par variation de la section de guide. 8 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de séparation ( 33) sont constitués par un circulateur hyperfréquence. 9 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens de séparation sont constitués d'un coupleur ( 51), le coupleur ( 51) ayant deux branches ( 54, 55) chargées chacune par une ligne de transmission ( 56, 57) dont la fréquence de coupure (fc) varie le long de l'axe de propagation.