Brevet FR2736155A1 — publié le 19970103

DISPOSITIF DE MESURE DE CHAMP ELECTROMAGNETIQUE La présente invention a pour objet un dispositif de mesure des caractéristiques d'un ou plusieurs champs électromagnétiques se propageant par ondes planes en espace libre. Ainsi qu'il est connu, un champ électromagnétique peut être défini, en un point donné, par les grandeurs physiques suivantes - sa polarisation - la densité de puissance superficielle qu'il transporte - sa direction d'arrivée au point considéré. Différents dispositifs sont connus qui permettent de mesurer l'une ou l'autre de ces caractéristiques. Parmi ceuxci, on peut citer - des mesureurs de champ qui fournissent l'amplitude d'un champ à polarisation rectiligne, horizontale ou verticale - des polarimètres qui permettent de mesurer les éléments de définition de l'ellipse de polarisation la plus générale, à savoir l'inclinaison du grand axe de l'ellipse par rapport à un axe de référence, l'aplatissement de l'ellipse et le sens dans laquelle elle est parcourue. Ces dispositifs comportent en général deux antennes à polarisations rectilignes croisées, respectivement verticale et horizontale.Ce type de dispositif présente notamment l'inconvénient de nécessiter la connaissance a priori de la direction d'arrivée du champ pour être orienté convenablement, ce qui peut être réalisé par exemple par la mesure préalable de cette direction à l'aide d'un goniomètre - des goniomètres d'amplitude. Ils sont en général réalisés à l'aide de deux antennes dont les axes ne sont pas parallèles et la direction d'arrivée est donnée à partir de la mesure du rapport des amplitudes des signaux reçus sur les deux antennes.L'inconvénient de cette solution est qu'elle suppose que la polarisation des antennes est indépendante de la direction d'arrivée du champ ; or il s'avère qu'en pratique celleci varie avec le gisement, ce qui conduit à une erreur de mesure non négligeable - des goniomètres de type interféromètrique qui, à l'aide d'au moins deux antennes, permettent d'obtenir la direction d'arrivée du champ électromagnétique. Ici encore, la polarisation des antennes doit être indépendante de cette direction d'arrivée, sous peine de provoquer un déséquilibre de phase faussant la mesure. Ces différents dispositifs ne permettent donc de mesurer que certaines des caractéristiques d'un champ incident, en tolérant des erreurs résultant d'hypothèses imparfaitement tenues sur les autres caractéristiques, supposées connues ou sans objet. La présente invention a pour objet un dispositif appelé polaridensito-goniomètre, permettant de mesurer simultanément toutes les caractéristiques telles qu'énoncées ci-dessus, d'un ou plusieurs champs électromagnétiques, reçus simultanément à la même fréquence ou séquentiellement à des fréquences différentes. La mesure simultanée de tous les paramètres caractérisant le champ (ou les champs) considéré(s) permet ainsi, outre les avantages de rapidité et performances liés à la simultanéité, de ne pas introduire d'erreurs dues à certains paramètres non mesurés et supposés constants, ce qui n'est pas toujours vérifié, mais au contraire de tenir compte de leur valeur réelle dans la détermination des autres paramètres, fournissant ainsi des mesures plus exactes que les dispositifs connus. A cet effet, il comporte principalement - au moins trois antennes permettant de capter le champ à caractériser - des moyens de mesure de l'amplitude, de la fréquence et de la phase relative des signaux captés par chacune des antennes - un extracteur chargé, à partir des données précédentes, de calculer les paramètres recherchés, c'est-à-dire la polarisation, la densité de puissance superficielle et la direction d'arrivée. Plus précisément, ce dispositif de mesure de champ électromagnétique, comporte - un système de n antennes; - des moyens de réception des signaux fournis par les antennes et de mesure de la fréquence des signaux reçus, ainsi que pour chacune des antennes de l'amplitude et de la phase relative des signaux reçus - des moyens de calcul fournissant la polarisation, la densité de puissance et la direction d'arrivée du champ reçu, à partir des mesures précédentes liées par un système de n équations, chacune reliant pour chaque antenne le champ à mesurer à la tension aux bornes de sortie de l'antenne, la hauteur effecive complexe de l'antenne, l'impédance propre de l'antenne, l'impédance de couplage de l'antenne aux n-l autres antennes, l'impédance de charge et la tension aux bornes de sortie des n-l autres antennes, et le coefficient de transmission complexe en tension entre l'antenne et son impédance de charge. D'autres objets, particularités et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante illustrée par les dessins annexés, qui représentent: - la figure 1, le schéma synoptique du dispositif selon l'invention - la figure 2, le schéma d'un mode de réalisation de l'une des voies du dispositif selon l'invention - la figure 3, le déroulement des calculs effectués par l'extracteur du dispositif selon l'invention. Sur ces différentes figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments. La figure 1 représente donc le schéma synoptique général du dispositif selon l'invention. Ce dispositif comporte une pluralité d'antennes dont trois, repérées 11, 12 et 13, sont représentées à titre d'exemple sur la figure. Ces antennes constituent des transducteurs champ-tension et sont destinées à recevoir un ou plusieurs champs électromagnétiques dont on désire mesurer les caractéristiques, et à les convertir en tensions, utilisables par le reste du dispositif. A chacune de ces antennes est relié un ensemble de dispositifs constituant ce qui est appelé dans la suite une voie, assurant la réception et le traitement des signaux reçus afin de mesurer, pour chaque antenne, l'amplitude (A) et la fréquence (F) du signal reçu, ainsi que la phase relative (cp) de ces signaux, c'est-àaire la différence de phase qui existe entre les signaux reçus par les différentes antennes. L'ensemble de ces dispositifs est représenté sur la figure 1 globalement par un bloc 20. Les grandeurs mesurées par le bloc 20 (amplitude A, fréquence F et phase sP pour chacune des antennes) sont fournies à un dispositif 30 appelé extracteur, qui assure le calcul des caractéristiques C recherchées du ou des champs, c'està-dire la polarisation, la densité de puissance et la direction d'arrivée (G) de chacun des champs reçus à partir des grandeurs mesurées précédentes. Afin d'en faciliter l'exposé, on décrit le fonctionnement du dispositif selon l'invention dans le cas d'un seul champ, dont on détecte le gisement dans le plan horizontal. Cette configuration ne nécessite que trois antennes, disposées de la façon suivante - un groupe de deux antennes à polarisations rectilignes croisées, l'une horizontale et l'autre verticale, à centres de phase confondus ; elles peuvent à titre d'exemple être réalisées à l'aide d'un cornet à double polarisation - une troisième antenne, par exemple à polarisation circulaire, dont l'axe est dépointé dans le plan horizontal par rapport à celui des deux antennes. I1 est à noter que, en accroissant le nombre de voies, il est possible de réaliser un dispositif fonctionnant à la fois en site et en gisement, et cela pour plusieurs champs reçus simultanément à la même fréquence. La figure 2 représente schématiquement un mode de réalisation de l'une des voies des moyens 20 de la figure 1, par exemple la voie 1 reliée à la première antenne (11), qui est une antenne à polarisation rectiligne verticale. Cette voie comporte un étage superhétérodyne classique, composé d'un mélangeur 22 recevant d'une part le signal hyperfréquence capté par l'antenne 11, éventuellement par l'intermédiaire d'un préamplificateur hyperfréquence 21, et, d'autre part, une fréquence fournie par un oscillateur local 40, par l'intermédiaire d'un répartiteur équilibré en amplitude et phase (non représenté). En sortie du mélangeur 22, on obtient un signal à fréquence intermédiaire. Le signal à fréquence intermédiaire est le cas échéant amplifié par un pré-amplificateur 23 avant d'être fourni à deux chaînes de traitement distinctes. La première chaîne de traitement est destinée à mesurer l'amplitude du signal reçu. Elle se compose d'un amplificateur logarithmique 24, suivi par un dispositif 25 de mesure de l'amplitude et de numérisation de celleci, qui fournit donc la grandeur numérique A1, amplitude du signal reçu par la première antenne (11). L'autre chaîne de traitement comporte un amplificateur limité 26 fournissant le signal amplifié d'une part à un dispositif de mesure de fréquence 27, qui fournit la fréquence F1 du signal reçu sous forme numérique, et d'autre part à un dispositif 28 de mesure de la phase relative de la voie 1 (phase cp 1) par rapport par exemple à la voie 3, (reliée à la troisième antenne mentionnée plus haut), la phase relative étant notée (P 13- Dans un mode de réalisation, la chaîne logarithmique et la chaîne d'amplification limitée sont intégrées. Ces différentes grandeurs (A1, F1 et cl 913) sont fournies à l'extracteur 30 de la figure 1. Le dispositif de mesure de fréquence (27) est par exemple réalisé à l'aide de compteurs et d'un générateur de fréquence, fournissant une fréquence supérieure à la fréquence intermédiaire (par exemple dix fois supérieure) ; la valeur numérique de la fréquence est obtenue par comptage des périodes du signal de référence pendant au moins une ou, de préférence, plusieurs périodes du signal à la fréquence intermédiaire. Les autres dispositifs représentés sur cette figure 2 sont réalisables par tous moyens connus. Chacune des voies du dispositif selon l'invention est préférentiellement réalisée comme représenté figure 2, I'oscillateur local 40 étant commun à toutes les voies et fournissant le signal à fréquence locale à chacun des mélangeurs, par l'intermédiaire d'un répartiteur équilibré. Dans le cas où l'on dispose de trois voies, les phases relatives obtenues sont par exemple les phases (P 13 (figure 2), 921 et (P32- La figure 3 représente un mode de fonctionnement de l'extrac- teur de la figure 1, dans le cas de la détermination des caractéristiques d'un champ électromagnétique reçu dans le plan horizontal. L'extracteur 30 reçoit donc les amplitudes A1, A2, A3 des trois voies, la fréquence F1, F2, F3 de ces voies et les phases relatives (P21 932 et (P13- Dans une première étape (50), dans le cas où le système comporte plusieurs dispositifs de mesure de fréquence (dans l'exemple décrit, un par voie), I'extracteur vérifie la cohérence des mesures de fréquences. Dans l'étape suivante (51), l'extracteur calcule la quantité r telle que A1 -A2 r=a (1) où a est la base du logarithme utilisé par les amplificateurs logarithmiques tels que 24, A1 est l'amplitude du signal reçu sur la première antenne, à polarisation rectiligne verticale, et A2 est l'amplitude du signal reçu sur la deuxième antenne, à polarisation rectiligne horizontale.On rappelle que r et (P2 1 sont liés à la quantité p par la formule suivante 21 p = r. e où p est le rapport complexe des tensions induites dans les première et deuxième antennes par un champ incident de fréquence donnée, les quantités p, r et p21 étant données pour un même gisement d'arrivée e de ce champ. Lorsque le gisement e est nul, le rapport est égal au coefficient de polarisation rectiligne (P V/H) du champ incident, coefficient qui caractérise un champ de polarisation elliptique quelconque décomposé selon les deux polarisations rectilignes croisées horizontale et verticale.Lorsque le gisement e varie, la différence de phase (P21 ne varie pas mais le module r varie : en effet, le gain en puissance de la deuxième antenne (12) est alors différent du fait qu'elle travaille avec un dépointage différent. On procède ensuite, étape 52, à la division en N intervalles élémentaires de l'ouverture de fonctionnement en gisement du dispositif, chacun des intervalles élémentaires étant centré sur un gisement e. (i = 1, 2 .... N) ; à titre d'exemple, I'intervalle peut être de l'ordre du degré. Pour la première valeur de on calcule ensuite (étape 53) un coefficient de polarisation Pi correspondant au gisement e.. Ce coefficient est égal à où Gi et Go sont les gains en puissance de la deuxième antenne (à où G. etC0 sont les polarisation horizontale) respectivement dans la direction e. et dans la direction e = 0. Dans l'étape suivante (54), on calcule la densité de puissance superficielle d., toujours dans la direction e.. Pour cela, on calcule i i les puissances reçues par les première et deuxième antennes, en multipliant les amplitudes A1 et A2 (mesurées) par la fonction de transfert inverse de la chaîne comportant les amplificateurs loga rithmiques tels que 24 (respectivement T1 et T2) ;on corrige ensuite ces puissances obtenues en divisant le résultat obtenu pour la première antenne (11) par Go et le résultat obtenu pour la deuxième antenne (12) par G i ; enfin, on additionne ces deux quotients et on les multiplie par 4a , ce qui donne l'expression suivante de d. Dans l'étape suivante (55), on calcule le niveau A3 que l'on devrait observer sur la troisième antenne (13) dans la direction 8.. Ce niveau correspondant est obtenu par la formule suivante A3 = T3 [di . 53i . M] (4) où :d. est obtenu lors de l'étape 54 précédente (expression (3) ci dessus) ; S3i est la surface effective de l'antenne 13 dans la i x2 direction 8., cette surface 53i étant égale à 4 47r Gi ;T3 est la fonction de transfert de la chaîne comportant l'amplificateur logarithmique (tel que 24) placé dans la voie 3, et M est le module du coefficient de désadaptation en polarisation, qui est donné par la formule suivante où Pi est donné par l'expression (2) précédente (étape 53), P i est son nombre complexe conjugué, P3i est le coefficient de polarisation V/H de la troisième antenne (13) dans la direction e. et P3i son complexe conjugué. L'étape suivante (56) consiste à comparer le niveau A3 calculé lors de l'étape précédente avec le niveau effectivement mesuré en sortie de la troisième antenne (13). Lorsque la comparaison des deux niveaux A3 montre qu'il y a identité entre le niveau calculé et le niveau mesuré, on en déduit que la direction Gi pour laquelle a été calculé le niveau A3 est la direction réelle d'arrivée du champ électromagnétique. Lorsqu'il n'y a pas identité, on répète la séquence d'étapes à partir de l'étape 53 pour la valeur e. suivante. Dans une variante de réalisation, on effectue les calculs pour toutes les valeurs 8i, on calcule la fonction d'évolution du niveau A3 en fonction de e. et on détermine la direction e réelle par interpolation simple ou multiple, ce qui permet une meilleure précision sur G. Dans une variante de réalisation, on supprime de l'étape 54 (calcul de la densité d) l'opération de multiplication par 4 #/#, ce qui 2 évite lors de l'étape 55 (calcul du niveau A3) de multiplier d par #/4#. Le calcul de la densité d n'est alors achevé (par une multiplication 471 par T2 ) que lorsque la direction O est déterminée. I1 apparaît à ce niveau qu'on dispose donc du gisement e, du coefficient de polarisation P et de la densité de puissance d du champ incident. Dans une étape ultérieure (étape 57 sur la figure), optionnelle, on calcule la norme (W) du champ incident selon la relation suivante w = (2.Z .d)'2 (6) e où Ze est l'impédance d'espace égale à 120# ohms. Enfin, dans une variante de réalisation (étape 58 sur la figure), on procède à un affinage de la valeur e du gisement du champ incident de la façon suivante On dispose des différences de phase P32 et 9139 modulo 2n. On sait que ces différences résultent de la différence de chemin parcouru par le champ incident dans la direction e pour atteindre le centre de phase de la troisième antenne (13) et le centre de phase commun des deux premières antennes Il et 12 (à polarisation rectiligne), de la différence des déphasages liés aux désadaptations de polarisation différentes du champ incident sur les différentes antennes prises en compte, et de la différence ## des phases de transfert dans les antennes considérées, mesurable par étalonnage. On sait en effet qu'entre un champ incident de coefficient de polarisation P et une antenne de réception de coefficient ' (de complexe conjugué P"), le déphasage est donné par A = Arg (1 + PP') étant rappelé qu'on entend par polarisation d'une antenne, à fréquence donnée et dans une direction donnée, la polarisation du champ rayonné à grande distance à la fréquence et dans la direction considérées, lorsque l'antenne fonctionne en régime d'émission. Du coefficient de polarisation précédemment déterminé et de la distance D entre les centres de phase des antennes 11 ou 12 et 13, on détermine la différence de phase vraie (c'est-à-dire non modulo 2#) entre ces deux antennes et qui est de la forme 2n.D. sin e + Arg (1+ PP3) + tf 31 = Arg (1+ ##1*) (7) où P1 est le coefficient de polarisation de la première antenne, p3 celui de la troisième antenne, et 3t désigne leur complexe conjugué. Cela permet de calculer la valeur du nombre k entier qui minimise la valeur absolue de la différence entre l'expression précédente (7) et l'expression suivante (8): #13 + 2ktr (8) Ayant déterminé le nombre k, on écrit que les quantités (7) et (8) sont égales, égalité d'où on extrait , direction d'arrivée du champ, avec la précision d'un interféromètre. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulier décrit cidessus et, en particulier, elle peut comporter plus de trois voies afin de pouvoir travailler également en site et/ou avoir la possibilité d'effectuer des filtrages dans le cas où le nombre de grandeurs mesurées est supérieur au nombre de grandeurs inconnues à déterminer. Généralement, lorsqu'on utilise n antennes distinctes non couplées entre elles, on montre que la force électromotrice (e) induite par le champ incident dans chacune des antennes est de la forme e = #[E.LT*.ej#t] (9) et la tension (v) aux bornes de sortie de l'antenne est V=R [E.LT* . ej#t . RT] (10) ou - le symbole # indique qu'on ne considère que la partie réelle de l'expression complexe qui suit - E.ei wt est l'expression complexe du champ incident, avec où #H (PH est la phase de la composante horizontale du champ et P. le coefficient de polarisation V/H du champ - L représente la hauteur effective complexe de l'antenne considérée, qui est de la forme avec Z, impédance de l'antenne, G son gain, p son coefficient de polarisation, ( la différence de phase qui existe entre le champ rayonné par l'antenne et la tension excitatrice de cette antenne pris respectivement en deux plans de référence (sur la détermination de ces grandeurs, voir l'ouvrage "Test procedures for antennas" ed. IEEE Standard 1979); - LT* représente la matrice transposée complexe conjuguée de L - RT est le coefficient de transmission complexe en tension entre l'antenne et une charge Zch, avec Dans le cas où on utilise n antennes couplées entre elles, les expressions (9) et (10) précédentes sont modifiées par l'existence d'impédances de couplage et deviennent, pour une antenne d'ordre g: où Z est l'impédance propre de l'antenne, Zpq est l'impédance de p pq couplage entre l'antenne d'ordre p et une antenne d'ordre q, Zchq est l'impédance de charge de cette dernière antenne et v q la tension alternative qui existe à ses bornes. A partir de l'expression (12), on obtient un système de n équations dans lesquelles 3 les quantités Zpq et Zchp sont des grandeurs connues par un étatonnage préalable x les quantités L sont des fonctions connues par un étalon p nage préalable de la direction d'arrivée inconnue (déterminée par exemple par le gisement g et le site s); 3 les quantités v p sont les tensions alternatives mesurées aux bornes de n antennes en module et phase relative (modulo 2rr) x la quantité E est le champ à caractériser, défini par - sa direction d'arrivée (g,s) - sa polarisation (P ) - sa norme W; ; - sa phase (PH qui peut ainsi être déterminé complètement à l'aide n antennes, l'extracteur effectuant la résolution du système de n équations. La description faite ci-dessus du dispositif selon l'invention l'a été bien entendu à titre d'exemple non limitatif et les variantes à la portée de l'homme de l'art entrent dans le cadre de l'invention. C'est ainsi par exemple que la chaîne de réception (20) située après chaque antenne a été décrite du type super-hétérodyne, mais peut être remplacée par tout récepteur connu, à compression d'impulsions par exemple. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de champ électromagnétique, caractérisé par le fait qu'il comporte - un système de n antennes (Il, 12, 13 . . .) - des moyens (20) de réception des signaux fournis par les antennes et de mesure de la fréquence des signaux reçus, ainsi que pour chacune des antennes, de l'amplitude et de la phase relative des signaux reçus - des moyens (30) de calcul fournissant la polarisation, la densité de puissance et la direction d'arrivée du champ reçu, à partir des mesures précédentes liées par un système de n équations, chacune reliant pour chaque antenne le champ (E) à mesurer à la tension (vp) aux bornes de sortie de l'antenne, la hauteur (L) effective complexe de l'antenne, l'impédance propre de l'antenne (zip), l'impédance de couplage (Zpq) de l'antenne aux n-l autres antennes, l'impédance de charge (Zchq) et la tension (vq) aux bornes de sortie des n-l autres antennes, et le coefficient de transmission complexe (RT) en tension entre l'antenne et son impédance de charge (Zch) 2. Dispositif selon la revendication I, caractérisé par le fait que le système d'antennes comporte trois antennes (11, 12, 13), deux d'entre elles ayant même axe, même centre de phase et étant à polarisations rectilignes selon deux directions normales, et la troisième antenne ayant un axe différent des deux précédentes, les moyens (30) de calcul fournissant, à partir des mesures précédentes, la polarisation, la densité de puissance et le gisement du champ reçu. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les moyens (20) de réception et de mesure comportent autant de voies que d'antennes, chacune des voies comportant un étage de réception superhétérodyne suivi, d'une part, par un amplificateur logarithmique (24) puis des moyens de mesure d'amplitude (25) et, d'autre part, par un amplificateur limité (26) puis des moyens de mesure de fréquence (27) et des moyens de mesure de phase (28). 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que dans le cas de la mesure d'un champ à direction de propagation horizontale, les moyens (30) de calcul effectuent la séquence de calculs suivante - calcul du module r du coefficient de polarisation du champ reçu - division en N intervalles élémentaires de l'ouverture de fonctionnement en gisement du dispositif - pour chacun des intervalles élémentaires, calcul du coefficient de polarisation (p), de la densité de puissance (d) à partir des deux premières antennes et du niveau (A3) correspondant sur la troisième antenne, puis comparaison avec le niveau mesuré sur cette antenne, une substantielle identité fournissant l'information de gisement. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les moyens de calcul effectuent en outre un affinage du calcul du gisement, du type interférométrique. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les moyens de calcul (30) effectuent en outre le calcul de la norme (W) du champ reçu.