Brevet FR2711798A1 — publié le 19950505

DISPOSITIF COMPACT ET PORTABLE POUR MESURER LE COEFFI- CIENT DE REFLEXION D'UNE STRUCTURE EXPOSEE A UN RAYON- NEMENT HYPERFREQUENCE. DESCRIPTION L'invention concerne un dispositif permet- tant de mesurer le coefficient de réflexion d'une structure telle qu'une structure composite ou monoli- thique non métallique, lorsque cette structure est exposée à un rayonnement hyperfréquence. Un tel dispositif de mesure peut notamment être utilisé afin de vérifier la transparence radio- électrique d'une structure telle que la structure d'un radôme protégeant un radar embarqué sur un aéronef. D'autres applications de ce dispositif peuvent toute- fois être envisagées sans sortir du cadre de l'inven- tion. Les radômes qui assurent la protection des radars équipant les aéronefs peuvent subir, au sol comme en vol, des chocs susceptibles de les endommager. Ils peuvent notamment être heurtés par un engin lorsqu'ils se trouvent au sol. Ils peuvent aussi être heurtés par des oiseaux ou par la foudre quand l'aéro- nef est en vol. Les radômes endommagés font l'objet de ré- parations visant à leur rendre leur intégrité. Cepen- dant, si ces réparations rendent aux radômes leur inté- grité mécanique, elles entraînent parfois une modifica- tion de la transparence au rayonnement émis par le radar dans la zone réparée. Cette modification peut se traduire par une erreur sur la position et/ou la dis- tance d'un obstacle, ou, à l'extrême, par la non détec- tion d'un obstacle. Il est donc souhaitable de pouvoir disposer d'un dispositif de mesure permettant de contrôler la transparence radioélectrique des radômes après que ceux-ci aient été réparés. Un tel dispositif pourrait en outre être utilisé afin de contrôler la transparence radioélectrique des radômes neufs lors de leur fabrica- tion. Pour effectuer de telles mesures, il est connu d'utiliser une chambre anéchoïque dans laquelle on introduit le radôme. Cependant, il s'agit d'une procédure lourde et coûteuse qui ne permet pas d'ef- fectuer le contrôle en atelier ou sur le terrain. On connaît également des dispositifs de mesure utilisés en laboratoire, connus sous le nom d'analyseurs de réseaux vectoriels, qui permettent de déterminer simultanément l'amplitude et la phase du coefficient de réflexion d'une structure exposée à un rayonnement hyperfréquence. Ces dispositifs, qui fonctionnent dans une large gamme de fréquences, sont lourds (15 à 20 kg) et encombrants. Ils se prêtent donc mal à une utilisation en atelier ou sur le terrain. De plus, du fait de l'encombrement et du poids d'un tel dispositif, l'applicateur hyperfréquence servant à émettre le rayonnement hyperfréquence vers la structure à contrôler et à recevoir les ondes réflé- chies par cette structure, doit être dissocié du reste du dispositif et relié à celui-ci par un cordon hyper- fréquence aussi souple que possible et de longueur suffisante pour que l'on puisse déplacer l'applicateur hyperfréquence sur toute la surface de la structure à contrôler. Cependant, ce cordon hyperfréquence est source de problèmes car il comporte à ses extrémités des connecteurs fragiles et toute torsion appliquée à ce cordon provoque des distorsions de la phase des signaux hyperfréquence qu'il transmet. Les mesures effectuées peuvent, de ce fait, être entachées d'er- reurs parfois importantes sur la phase du signal. Le document US-A-3 025 463 décrit un dispo- sitif permettant de mesurer l'amplitude et la phase du coefficient de réflexion d'une structure à contrôler. Dans la première forme de réalisation dé- crite, il s'agit d'un dispositif portable qui comprend un générateur haute fréquence unique relié directement par un guide d'ondes à un applicateur haute fréquence. Dans le guide d'ondes, une partie de l'onde incidente et une partie de l'onde réfléchie sont prélevées pour être acheminées jusqu'à un mélangeur qui en calcule la différence. Des systèmes de réglage manuels permettent de modifier l'amplitude de la fraction de l'onde inci- dente dirigée vers le mélangeur et la phase de la frac- tion de l'onde réfléchie dirigée vers ce même mélan- geur. Ces réglages sont effectués de façon à annuler le signal reçu par le détecteur. Les valeurs correspondan- tes sont alors représentatives de l'amplitude et de la phase du coefficient de réflexion de la structure. Si ce dispositif est totalement portable, sa mise en oeu- vre est particulièrement longue et évidemment inadaptée à un contrôle industriel. Dans la deuxième forme de réalisation dé- crite dans le document US-A-3 025 463, le dispositif de mesure est équipé d'un circuit additionnel permettant d'annuler de façon automatique le signal reçu par le détecteur. Cependant, il s'agit d'un dispositif sensi- blement plus lourd et plus volumineux, qui comprend une partie fixe et une partie mobile reliées l'une à l'au- tre par un câble. Ce câble sert à véhiculer des signaux électriques mais aussi des rayonnements hyperfréquence, de telle sorte qu'on retrouve ici les inconvénients dus à la présence d'un cordon hyperfréquence souple et relativement long, déjà signalés dans le cas des analy- seurs de réseaux vectoriels. L'invention a précisément pour objet un dispositif permettant de mesurer à la fois l'amplitude et la phase du coefficient de réflexion d'une structure exposée à un rayonnement hyperfréquence, en évitant toute erreur sur la phase et sans pénaliser la facilité de manutention et d'utilisation à des fins industriel- les. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un dispositif de mesure du coeffi- cient de réflexion d'une structure exposée à un rayon- nement hyperfréquence, comprenant: - un premier générateur de rayonnement hyperfréquence, émettant à une première fréquence donnée; - au moins un applicateur hyperfréquence apte à être plaqué sur la structure; - une ligne rigide de transmission hyperfréquence reliant le générateur à l'applicateur; - des moyens de mesure de l'amplitude et de la phase du coefficient de réflexion; - des moyens de dérivation placés dans la ligne de transmission et reliant celle-ci aux moyens de me- sure; caractérisé par le fait qu'il comprend de plus: - un deuxième générateur de rayonnement hyperfréquence, émettant à une deuxième fréquence donnée, qui diffère de la première fréquence fixe d'une basse fréquence donnée; - des premiers moyens mélangeurs, pour établir un si- gnal de référence à ladite basse fréquence, à partir de signaux issus des premier et deuxième généra- teurs; - des deuxièmes moyens mélangeurs, pour établir un signal de mesure à ladite basse fréquence, à partir de signaux issus des moyens de dérivation et du deuxième générateur; et par le fait que les premier et deuxième générateurs, l'applicateur hyperfréquence, les premiers et deuxièmes moyens mélangeurs, les moyens de dérivation et la ligne de transmission hyperfréquence forment un dispositif portable, relié aux moyens de mesure par des câbles souples basse fréquence. Les appareils montés sur le dispositif por- table permettent de transformer le signal de référence hyperfréquence issu du premier générateur de rayonne- ment hyperfréquence ainsi que le signal de mesure hyperfréquence réfléchi par la structure à contrôler en signaux basse fréquence. Ces signaux basse fréquence sont transmis aux moyens de mesure par deux câbles souples basse fréquence dont la torsion éventuelle est sans incidence sur la précision des mesures et notam- ment sur la phase du signal mesuré, quelle que soit la longueur des câbles. On réalise ainsi des mesures fia- bles et reproductibles. De plus, les appareils montés sur le dispo- sitif portable sont des appareils légers et peu encom- brants qui rendent ce dispositif portable aisé à mani- puler et favorisent, par conséquent, une utilisation industrielle du dispositif de mesure, notamment dans le cadre du contrôle des radômes neufs ou ayant subi des réparations. Dans une forme de réalisation préféren- tielle de l'invention, le dispositif portable comprend de plus: - un premier diviseur de puissance placé sur la ligne de transmission hyperfréquence, en amont des moyens de dérivation, prélevant une fraction de puissance déterminée du rayonnement hyperfréquence émis par le premier générateur, pour la transmettre aux premiers moyens mélangeurs; et - un deuxième diviseur de puissance placé sur une deuxième ligne de transmission hyperfréquence reliant le deuxième générateur aux deuxièmes moyens mélan- geurs et prélevant la même fraction de puissance dé- terminée du rayonnement hyperfréquence émis par le deuxième générateur pour la transmettre aux premiers moyens mélangeurs. De préférence, les diviseurs de puissance prélèvent la moitié de la puissance des rayonnements hyperfréquence émis par le premier et le deuxième géné- rateurs. Dans la forme de réalisation préférentielle de l'invention, les moyens de dérivation comprennent un circulateur assurant la transmission à l'applicateur hyperfréquence du rayonnement hyperfréquence en prove- nance du premier générateur et la transmission au deuxième moyen mélangeur du rayonnement hyperfréquence réfléchi par la structure et capté par l'applicateur hyperfréquence, et interdisant toute autre transmis- sion. Afin d'améliorer la compacité du dispositif portable, l'applicateur hyperfréquence est de préfé- rence connecté directement sur les moyens de dériva- tion. Avantageusement, les moyens de mesure comprennent des moyens de détection qui déterminent l'amplitude et la phase du coefficient de réflexion. Ces moyens de détection peuvent être constitués par un voltmètre vectoriel ou par un détecteur d'amplitude et de phase, appelé communément détecteur I/Q. De plus, lesdits moyens de mesure comprennent des moyens d'enre- gistrement et d'exploitation de l'amplitude et de la phase déterminées par les moyens de détection. On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation préférentielle de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels la figure unique représente schématiquement un dispositif conforme à l'invention, apte à mesurer le coefficient de réflexion d'une structure exposée à un rayonnement hyperfréquence. Comme l'illustre schématiquement la figure unique, le dispositif de mesure selon l'invention comprend un dispositif portable 10 ainsi que des moyens de mesure incluant des moyens de détection 12 tels qu'un voltmètre vectoriel ou un détecteur I/Q, et des moyens 14 d'enregistrement et d'exploitation des infor- mations délivrées par les moyens de détection 12. Le dispositif portable 10 est relié aux moyens de détec- tion 12 par des câbles souples basse fréquence 16 et 17, dont la longueur peut être quelconque. Le dispositif portable 10 inclut un premier générateur 18 de rayonnement hyperfréquence constitué par exemple par un oscillateur hyperfréquence apte à émettre un rayonnement hyperfréquence. La fréquence fl de ce rayonnement dépend de la structure S dont on désire effectuer le contrôle. Dans le cas o cette structure est constituée par un radôme de protection d'un radar, cette fréquence f1 sera avantageusement la fréquence du radar, c'est-à-dire, par exemple, une fréquence d'environ 9 à 10 GHz. Le premier générateur 18 de rayonnement hyperfréquence est relié par une ligne de transmission hyperfréquence 22 à un applicateur hyperfréquence constitué par exemple par un cornet hyperfréquence 20 monté sur le dispositif portable 10. La ligne de trans- mission hyperfréquence 22 est constituée par un guide d'ondes de très petite longueur ou une ligne coaxiale rigide. Sur la ligne de transmission hyperfréquence 22, le rayonnement hyperfréquence est transmis du pre- mier générateur 18 au cornet hyperfréquence 20 au tra- vers de moyens de dérivation constitués par exemple par un circulateur 24. De façon plus précise, le circulateur 24 permet de transmettre en totalité à sa sortie 2, sur laquelle est raccordé le cornet hyperfréquence 20, le rayonnement hyperfréquence admis à son entrée 1, sur laquelle est raccordé le premier générateur 18, et de transmettre en totalité à sa sortie 3, sur laquelle est raccordée une ligne de mesure hyperfréquence 26, le rayonnement hyperfréquence qui lui parvient par la sortie 2, tout en interdisant toute autre transmission. La ligne de mesure hyperfréquence 26 est équipée d'un atténuateur hyperfréquence 27. Le rayonnement hyperfré- quence réfléchi par la structure S et capté par le cornet hyperfréquence 20 constitue un signal de mesure qui est donc renvoyé par le circulateur 24 dans la ligne de mesure hyperfréquence 26 et l'atténuateur hyperfréquence 27. Afin de réduire autant que possible la lon- gueur de la ligne de transmission hyperfréquence 22, le cornet hyperfréquence 20 est connecté directement sur le circulateur 24. Un premier diviseur de puissance 28 est également placé sur la ligne de transmission hyperfré- quence 22 entre le premier générateur 18 et le circula- teur 24. Ce premier diviseur de puissance 28 permet de prélever une fraction de la puissance du rayonnement hyperfréquence émis par le premier générateur 18, pour la diriger dans une ligne de référence hyperfréquence 30. Cette fraction du rayonnement hyperfréquence émise par le générateur 18 et dirigée vers la ligne de réfé- rence hyperfréquence 30 constitue un signal de réfé- rence auquel peut être comparé le signal de mesure capté par le cornet hyperfréquence 20 et dirigé vers la ligne de mesure hyperfréquence 26 par le circulateur 24. Avantageusement, le diviseur de puissance 28 pré- lève la moitié de la puissance du rayonnement hy-per- fréquence émis par le premier générateur 18, pour la diriger vers la ligne de référence hyperfréquence 30. Conformément à l'invention, le dispositif portable 10 comporte de plus des moyens permettant de transformer en signaux basse fréquence les signaux hyperfréquences que constituent le signal de mesure admis dans la ligne de dérivation hyperfréquence 26 et le signal de référence admis dans la ligne hyperfré- quence 30. Plus précisément, ces moyens permettent de transformer le signal de mesure hyperfréquence et le signal de référence hyperfréquence en signaux dont la fréquence f0 est suffisamment basse pour qu'ils puis- sent être transportés par les câbles souples 16 et 17 sans risque de distorsion de leur phase du fait d'une torsion de ce câble. A cet effet, une fréquence f0 comprise entre 60 et 200 MHz est satisfaisante. Les moyens précités, assurant la transfor- mation du signal de mesure et du signal de référence en signaux basse fréquence, comprennent un deuxième géné- rateur 32 de rayonnement hyperfréquence, également constitué par un oscillateur hyperfréquence monté dans le dispositif portable 10. Ce deuxième générateur 32 émet un rayonnement hyperfréquence à une fréquence donnée f2 égale à la fréquence fl du rayonnement émis par le premier générateur 18, augmentée ou diminuée d'une basse fréquence f0 donnée, correspondant à la basse fréquence des signaux que l'on désire transmettre par les câbles souples 16 et 17. La fréquence f2 du rayonnement hyperfréquence émis par le deuxième généra- teur 32 est donc égale à fl + f0. Le rayonnement hyperfréquence émis par le deuxième générateur 32 est véhiculé par une deuxième ligne de transmission hyperfréquence 36. Un deuxième diviseur de puissance 34, placé dans cette deuxième ligne de transmission 36, prélève une fraction de puis- sance déterminée, identique à celle prélevée par le premier diviseur de puissance 28, du rayonnement hyper- fréquence émis par le deuxième générateur 32. Cette fraction de puissance est donc avantageusement égale à la moitié de la puissance du rayonnement émis par le deuxième générateur 32. La ligne de mesure hyperfréquence 26 ainsi que la deuxième ligne de transmission hyperfréquence 36 sont raccordées sur des premiers moyens mélangeurs hyperfréquence 38, à l'intérieur du dispositif portable 10. Afin d'optimiser le fonctionnement des premiers moyens mélangeurs 38 la ligne hyperfréquence 26 est équipée de l'atténuateur hyperfréquence 27. Ces pre- miers moyens mélangeurs 38 reçoivent donc le signal de mesure hyperfréquence, à la fréquence fl, en provenance de la ligne de mesure hyperfréquence 26, et le signal hyperfréquence à la fréquence f2 en provenance de la ligne hyperfréquence 36. Les moyens mélangeurs 38 restituent à leur sortie un signal dont l'amplitude et la phase sont proportionnelles au signal de mesure mais dont la fréquence est égale à la différence entre les fréquences f2 et fl. Le signal de mesure issu des moyens mélangeurs 38 est donc un signal à la fréquence fo, c'est-à- dire un signal basse fréquence. Par conséquent, ce signal basse fréquence peut être trans- mis aux moyens de détection 12 par le câble souple 16 sans risque d'erreur sur la phase du fait d'une torsion de ce câble, même si celui-ci est de grande longueur. D'une manière comparable, la ligne de réfé- rence hyperfréquence 30 ainsi que la ligne hyperfré- quence 40 issue des moyens de dérivation 34 sont rac- cordées sur des deuxièmes moyens mélangeurs hyper-fré- quence 42, à l'intérieur du dispositif portable 10. Ces moyens mélangeurs 42 ont les mêmes caractéristiques que les moyens mélangeurs 38. Cela signifie qu'ils resti- tuent à leur sortie un signal de référence dont l'am- plitude et la phase sont proportionnelles au signal de référence hyperfréquence circulant dans la ligne de référence hyperfréquence 30, mais dont la fréquence est égale à la fréquence fo. Le signal de référence sortant des moyens mélangeurs 42 est donc un signal basse fré- quence qui peut, lui aussi, être acheminé jusqu'aux moyens de détection 12 par le câble souple 17 sans risque d'erreur sur sa phase malgré une éventuelle torsion de ce câble. Les moyens de détection 12, qui reçoivent les signaux basse fréquence de mesure et de référence transmis par les câbles souples 16 et 17, déterminent, à partir de ces signaux et d'une manière connue, l'am- plitude et la phase du coefficient de réflexion de la structure S. Lorsque les moyens de détection 12 sont constitués par un voltmètre vectoriel, celui-ci comporte avantageusement un écran sur lequel sont affi- chées les valeurs de l'amplitude et de la phase ainsi déterminées. Les moyens 14 d'enregistrement et d'exploi- tation des valeurs déterminées par les moyens de détec- tion 12 comprennent un calculateur. Ce calcula-teur enregistre les valeurs mesurées de l'amplitude et de la phase. Il assure en outre, à l'aide d'un logiciel approprié, le traitement et l'interprétation de ces valeurs, pour les présenter sous une forme aisément exploitable. Lors de la mise en oeuvre du dispositif selon l'invention, on procède successivement à un cali- brage de l'appareillage, à une première mesure avec un réflecteur placé sur la face opposée de la structure à contrôler et à une deuxième mesure en remplaçant le réflecteur par une charge absorbant les micro-ondes. Le calibrage est effectué en plaçant direc- tement le cornet hyperfréquence 20 devant le réflec- teur. Le réflecteur, constitué par exemple par une feuille métallique, est ensuite plaqué sur la face opposée de la structure. Cela peut notamment être obtenu en créant un joint périphérique étanche entre le réflecteur et la structure, à l'aide de mastic, et en faisant le vide dans la zone étanche ainsi formée entre le réflecteur et la structure à contrôler. La mesure en présence du réflecteur est ensuite effectuée en plaçant le cornet hyperfréquence devant la région concernée de la structure. Le réflecteur est ensuite retiré et rempla- cé par une feuille constituant la charge absorbant les micro-ondes. Cette feuille est mise en place de la même manière que le réflecteur, c'est-à-dire par dépression. La mesure en présence de la charge est alors réalisée en replaçant le cornet hyperfréquence 20 devant la région concernée. Dans le cas o le contrôle concerne une région réparée d'un radôme, on effectue successivement les mesures en présence d'un réflecteur et en présence d'une charge dans cette région réparée. Les mêmes mesu- res sont aussi effectuées dans une autre région, non réparée du radôme, ayant sensiblement la même courbure et la même finition de surface que la région réparée. Le dispositif de mesure selon l'invention permet ainsi de faire un contrôle sur site, sans dis- torsion de la composante phase du signal, conformément à l'objectif visé. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure du coefficient de réflexion d'une structure exposée à un rayonnement hyperfréquence, comprenant: - un premier générateur (18) de rayonnement hyperfré- quence, émettant à une première fréquence don- née (fl); - au moins un applicateur hyperfréquence (20) apte à être plaqué sur la structure; - une ligne rigide de transmission hyperfréquence (22) reliant le générateur à l'applicateur; - des moyens de mesure (12,14) de l'amplitude et de la phase du coefficient de réflexion; - des moyens de dérivation (24) placés dans la ligne de transmission et reliant celle-ci aux moyens de me- sure; caractérisé par le fait qu'il comprend de plus: - un deuxième générateur (32) de rayonnement hyperfré- quence, émettant à une deuxième fréquence donnée qui diffère de la première fréquence fixe (fl) d'une basse fréquence (fo) donnée; - des premiers moyens mélangeurs (42), pour établir un signal de référence à ladite basse fréquence, à par- tir de signaux issus des premier et deuxième généra- teurs (18,32); - des deuxièmes moyens mélangeurs (38), pour établir un signal de mesure à ladite basse fréquence, à partir de signaux issus des moyens de dérivation (24) et du deuxième générateur (32); et par le fait que les premier et deuxième générateurs (18,32), l'applicateur hyperfréquence (20), les pre- miers et deuxièmes moyens mélangeurs (42,38), les moyens de dérivation (24) et la ligne de transmission hyperfréquence (22) forment un dispositif portable (10), relié aux moyens de mesure (12, 14) par des câbles souples basse fréquence (16,17). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le dispositif portable (10) comprend de plus: - un premier diviseur de puissance (28) placé sur la ligne de transmission hyperfréquence (22), en amont des moyens de dérivation (24), prélevant une fraction de puissance déterminée du rayonnement hyperfréquence émis par le premier générateur (18), pour la trans- mettre aux premiers moyens mélangeurs (42); et - un deuxième diviseur de puissance (34) placé sur une deuxième ligne de transmission hyperfréquence (36) reliant le deuxième générateur (32) aux deuxièmes moyens mélangeurs (38) et prélevant la même fraction de puissance déterminée du rayonnement hyperfréquence émis par le deuxième générateur (32) pour la trans- mettre aux premiers moyens mélangeurs (42). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ladite fraction de puis- sance déterminée est égale à la moitié de la puissance des rayonnements hyperfréquence émis par le premier et le deuxième générateurs (18,32). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les moyens de dérivation comprennent un circulateur (24) assurant la transmission à l'applicateur hyperfréquence du rayonnement hyperfréquence en provenance du premier générateur (18) et la transmission aux deuxièmes moyens mélangeurs (38) du rayonnement hyperfréquence réfléchi par la structure (S) et capté par l'applicateur hyper- fréquence (20), et interdisant toute autre transmis- sion. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'applicateur hyperfréquence (20) est connecté directe- ment sur les moyens de dérivation (24). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les moyens de mesure comprennent des moyens de détec- tion (12) qui déterminent l'amplitude et la phase du coefficient de réflexion. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les moyens de mesure comprennent de plus des moyens (14) d'enregistrement et d'exploitation de l'amplitude et de la phase détermi- nées par les moyens de détection (12).