Brevet FR3024802A1 — publié le 20160212

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine des sources pour antenne à réflecteur. ETAT DE LA TECHNIQUE On connait des sources pour antenne comprenant un réseau d'éléments rayonnants périphériques, générant une voie différence, disposés en couronne autour d'un guide d'onde central, générant une voie somme. Le diagramme de rayonnement de la voie différence fournit un signal fonction monotone de l'écart d'une cible à l'axe de la source tandis que le diagramme de rayonnement de la voie somme donne un signal maximal dans l'axe de la source. Une fonction d'écartométrie est obtenue en faisant le rapport, d'amplitude et de phase, du diagramme de rayonnement de la voie différence sur le diagramme de rayonnement de la voie somme. De manière connue, il est possible d'extraire un écart angulaire entre la position de la cible et l'axe de la source, à partir des deux signaux reçus simultanément par l'antenne sur ses voies somme et différence. Les pertes ohmiques augmentant avec la pente d'écartormétrie, il est nécessaire d'établir un compromis entre la précision de poursuite et le facteur de mérite d'une antenne. Pour se libérer de ce compromis, il a été proposé d'utiliser un extracteur de modes TE21 qui découple complètement la voie somme et la 25 voie différence. Or, ce système n'étant pas large bande, il n'est pas compatible avec des applications multibande. Il a été également proposé d'utiliser une succession de jonctions orthomodes en guide d'ondes disposées orthogonalement à la partie conique d'un cornet et réparties tout le long du cornet. Cette solution est 30 encombrante et onéreuse car elle nécessite l'ajout de filtres sous la forme de guide d'ondes rectangulaire, ce qui rend la solution en pratique inutilisable pour des antennes de taille moyenne. 3024802 2 Par ailleurs, pour obtenir une pente d'écartométrie convenable, il est nécessaire de créer des faisceaux qui se recoupent à de faibles distances angulaires et qui nécessitent donc de rapprocher les éléments périphériques au plus près du guide d'onde central. Cependant, ce 5 rapprochement a pour conséquence, qu'une partie de la puissance provenant de l'onde se propageant dans le guide d'onde central est captée par les éléments rayonnants périphériques bien que ceux-ci soient initialement destinées à créer la voie différence. En fonction de cette distance de séparation, en moyenne 2 à 3% de la puissance injectée dans 10 le guide d'onde central est transmise vers chaque élément rayonnant périphérique. Au total 15 à 25 % de la puissance est ainsi couplée vers les éléments périphériques et est susceptible d'être transformée en pertes ohmiques altérant le rendement de la source. Ces pertes ohmiques sont impossibles à compenser malgré l'ajout d'amplificateurs faible bruit sur 15 chaque élément rayonnant, ce qui engendre une chute de rendement sur la voie somme et donc une forte diminution du facteur de mérite de l'antenne. RESUME DE L'INVENTION Un but de l'invention est de limiter la puissance couplée entre la 20 voie somme et la voie différence dans une source pour antenne, et ce, sans altérer significativement la bande passante en fréquence de la source. Ce but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à une source pour antenne à réflecteur, comprenant : - une pseudo-cavité, - un premier dispositif d'excitation sigma pour exciter la première cavité selon deux modes TE11 orthogonaux de manière à générer un signal de voie somme via un guide d'onde coaxial, - un deuxième dispositif d'excitation pour exciter la pseudo-cavité selon deux modes TE21 de manière à générer un signal de voie différence par combinaison en quadrature des deux modes TE21, le deuxième dispositif comprenant huit sondes réparties angulairement autour d'un axe principal d'émission de la source, 3024802 3 et un circuit d'alimentation différence pour alimenter les huit sondes d'excitation selon les deux modes TE21, dans laquelle le circuit d'alimentation différence comprend quatre lignes d'alimentation alimentant chacune deux sondes diamétralement 5 opposées, chaque ligne d'alimentation comprenant une branche d'alimentation commune et deux branches d'alimentation terminales chacune raccordée d'une part à la branche d'alimentation commune en un point d'embranchement et d'autre part à une sonde d'excitation respective en un point d'excitation de la sonde, 10 et dans laquelle les branches terminales sont dimensionnées de sorte qu'un couplage du signal de voie somme avec les huit sondes d'excitation de la voie différence génère une onde stationnaire sur les branches d'alimentation terminales, l'onde stationnaire présentant un noeud de champ électrique au point 15 d'embranchement et un noeud de champ magnétique à chacun des points d'excitation des sondes. Dans une telle source, la génération de l'onde stationnaire présentant un noeud de champ électrique au point d'embranchement et un noeud de champ magnétique à chacun des points d'excitation des sondes, a pour 20 effet que le signal de voie somme soit intégralement restitué, sans perte, par les huit sondes, tout en restant en phase avec le signal de voie somme généré, au lieu d'être transmis vers les branches d'alimentation communes de la voie différence. De cette manière, la voie différence se trouve isolée de la voie somme, et les pertes ohmiques sont réduites. 25 L'invention permet en outre d'étendre le fonctionnement de la source pour antenne au fonctionnement simultané sur plusieurs bandes de fréquences. Il est à noter que la présente invention permet de contourner la limite de Stein 30 La limite de Stein (décrite notamment dans Stein, Seymour, "On cross coupling in multiple-beam antennas", Antennas and Propagation, IRE Transactions on , vol.10, no.5, pp.548,557, September 1962, et Johansson, J.F., «Stein's limit for finite and infinite multi-beam arrays», Antennas and 3024802 4 Propagation Society International Symposium, 1989. AP-S. Digest , vol., no., pp.713,716 vol.2, 26-30 June 1989) est une limite théorique qui prédit le rendement maximal atteignable d'une antenne multifaisceaux connaissant uniquement les diagrammes de rayonnement individuels des 5 sources primaires et les distances respectives qui les séparent. Une antenne possédant une fonction de poursuite réalisée à partir d'un élément central (constituant la voie somme) et d'éléments périphériques (constituant la voie différence) est de ce fait une antenne multifaisceaux dont les performances maximales en terme de rendement 10 sont fixées par la limite de Stein, à savoir, le rendement maximal de la voie somme est en effet calculé comme étant l'inverse de la plus grande valeur propre de la matrice de couplage telle que définie dans les articles mentionnés ci-après. La présente invention permet de contourner la limite de Stein en 15 transformant l'énergie couplée, transférée de l'élément central vers les éléments périphériques, en énergie re-rayonnée de telle façon que les ondes électromagnétiques qui y sont associées restent toujours en phase avec l'onde issue de l'élément central garantissant ainsi un rendement supérieur à celui prédit par la limite de Stein. 20 La source peut en outre présenter les caractéristiques suivantes : - la longueur physique de chaque branche d'alimentation terminale est choisie de manière à déphaser l'onde électromagnétique qui se propage dans la branche d'alimentation terminale depuis le point d'embranchement jusqu'au point d'excitation d'une valeur 25 égale à la moitié d'un multiple impair de 180 degrés ; - la longueur physique de chaque branche d'alimentation terminale est choisie de manière à déphaser l'onde électromagnétique qui se propage dans la branche d'alimentation terminale depuis le point d'embranchement jusqu'au point d'excitation d'une valeur 30 égale à 270 degrés ; - la longueur physique de chaque branche d'alimentation terminale est choisie de manière à déphaser l'onde électromagnétique qui se propage dans la branche d'alimentation terminale depuis le 3024802 5 point d'embranchement jusqu'au point d'excitation d'une valeur égale à 450 degrés ; - la source comporte en outre un iris positionné en sortie de la première cavité pour réaliser une adaptation d'impédance et 5 limiter une perte par réflexion du signal de voie somme, l'iris supportant intérieurement le circuit d'alimentation de voie différence, l'iris étant adapté pour empêcher toute propagation du mode TE21 généré par les huit sondes vers le guide d'onde central ; 10 - la source comprend en outre un cornet externe et un cornet interne, le cornet externe et le cornet interne définissant entre eux la pseudo-cavité dans laquelle est générée le signal de voie somme à une première longueur d'onde ; - la source comprend : 15 - un guide d'onde central secondaire, - un troisième dispositif d'excitation pour exciter le guide d'onde central secondaire de manière à générer un signal de voie somme et un signal de voie différence à une deuxième fréquence ; 20 - le guide d'onde central secondaire s'étend à l'intérieur du cornet interne ; - les branches d'alimentation terminales comprennent des lignes ruban ; - le premier dispositif d'excitation sigma comporte un dispositif 25 d'excitation sigma en polarisation linéaire pour exciter la pseudo- cavité selon deux modes TE11 orthogonaux de manière à générer deux signaux de voie somme en polarisation linéaire, et un polariseur coaxial à iris afin de générer un signal de voie somme en polarisation circulaire par combinaison en quadrature des deux 30 modes TE11 en polarisation linéaire ; - le premier dispositif d'excitation sigma en polarisation linéaire comprend une ouverture d'accès coaxial périphérique à l'extrémité du cornet externe, un dispositif de génération du mode 3024802 6 TE11 horizontal et un dispositif de génération du mode TE11 vertical, le dispositif de génération du mode TE11 horizontal et le dispositif de génération du mode TE11 vertical comprennent chacun un connecteur coaxial et deux transitions à nervures, 5 chaque connecteur coaxial étant connecté à deux transitions à nervures antisymétriques par rapport à un plan longitudinal du guide d'onde central. DESCRIPTION DES FIGURES 10 D'autres objectifs, caractéristiques et avantages ressortiront de la description détaillée qui suit en référence aux dessins donnés à titre illustratif et non limitatif parmi lesquels : la figure 1 est une coupe longitudinale en 3 dimensions d'une source bibande conforme à un mode de réalisation de l'invention ; 15 - les figures 2 et 2bis représentent des lignes d'alimentation et des sondes d'excitation du mode TE21 de la source bibande ; - la figure 3 est une vue éclatée de la source bibande ; - la figure 3a est une vue en coupe du dispositif d'excitation large bande des deux modes TE11 orthogonaux ; 20 - la figure 3b est une vue éclatée du dispositif d'excitation large bande de la figure 3a ; - la figure 3c représente le champ électrique dans le dispositif d'excitation large bande de la figure 3a ; - les figure 4 et 6 sont des vues en perspective des circuits 25 imprimés comprenant les lignes d'alimentation, et des sondes ; - la figure 5 est une vue en perspective des lignes d'alimentation ; - la figure 7 est une vue en coupe longitudinale d'une partie de la source incluant une vue agrandie montrant les circuits imprimés incorporés dans l'iris ; 30 - la figure 8 représente schématiquement l'onde stationnaire générée sur les branches d'alimentation terminales d'une ligne d'alimentation ; 3024802 7 - les figures 8a, 8b, 8c et 8d représentent schématiquement l'onde stationnaire générée sur les branches d'alimentation terminales d'une ligne d'alimentation à des instants successifs; - la figure 9 est une vue en perspective d'une source tribande 5 conforme à un autre mode de réalisation de l'invention ; - la figure 10 est une coupe longitudinale en 3 dimensions de la source de la figure 9 ; - la figure 11 est une vue agrandie d'une partie de la figure 10 ; - la figure 12 est une vue en perspective des circuits imprimés 10 comprenant les lignes d'alimentation ; - la figure 13 est un diagramme représentant les pertes par réflexion en décibel (dB) sur la voie somme d'une première bande de fréquence en l'occurrence la bande S, simulées pour une source bibande conforme à l'invention ; 15 - les figures 14 et 15, illustrent les pertes ohmiques additionnées aux pertes par réflexion, en bande S, respectivement sur la voie Somme et sur la voie Différence ; - les figures 16 et 17 représentent les diagrammes de rayonnement de la copolarisation et la contrepolarisation respectivement en bande S et 20 X ; - la figure 18, représente la pente d'écartométrie par rapport à l'angle d'ouverture à -3dB en bande S et en bande X. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 25 En référence aux figures 1 à 8, une source 1 pour antenne à réflecteur présentant un axe A principal d'émission comprend un cornet externe 72 et un cornet interne 71 ayant pour axe commun un axe A principal d'émission. Soient « C » la célérité de la lumière dans le vide et F, 30 la fréquence centrale de fonctionnement du cornet définie par Fc=,IF11..> REVENDICATIONS1. Source (1) pour antenne à réflecteur, comprenant : - une pseudo-cavité (100), - un premier dispositif d'excitation sigma (10) pour exciter la première cavité (100) selon deux modes TE11 orthogonaux de manière à générer un signal de voie somme via un guide d'onde coaxial (400), - un deuxième dispositif d'excitation (20) pour exciter la pseudo- cavité (100) selon deux modes TE21 de manière à générer un signal de voie différence par combinaison en quadrature des deux modes TE21, le deuxième dispositif (20) comprenant huit sondes (8) réparties angulairement autour d'un axe principal (A) d'émission de la source (1), et un circuit d'alimentation différence (25) pour alimenter les huit sondes d'excitation (8) selon les deux modes TE21, dans laquelle le circuit d'alimentation différence (25) comprend quatre lignes d'alimentation (81) alimentant chacune deux sondes (8) diamétralement opposées, chaque ligne d'alimentation (81) comprenant une branche d'alimentation commune (88) et deux branches d'alimentation terminales (89) chacune raccordée d'une part à la branche d'alimentation commune (88) en un point d'embranchement (P3) et d'autre part à une sonde d'excitation (8) respective en un point d'excitation (P1, P2) de la sonde, et dans laquelle les branches terminales (89) sont dimensionnées de sorte qu'un couplage du signal de voie somme avec les huit sondes d'excitation (8) de la voie différence génère une onde stationnaire sur les branches d'alimentation terminales (89), l'onde stationnaire présentant un noeud de champ électrique au point d'embranchement (P3) et un noeud de champ magnétique à chacun des points d'excitation des sondes (P1, P2). 3024 802 19 2. Source selon la revendication 1, dans laquelle la longueur physique de chaque branche d'alimentation terminale (89) est choisie de manière à déphaser l'onde électromagnétique qui se propage dans la branche d'alimentation terminale (89) depuis le point d'embranchement (P3) jusqu'au point d'excitation (P1, P2) d'une valeur égale à la moitié d'un multiple impair de 180 degrés. 3. Source selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la longueur physique de chaque branche d'alimentation terminale (89) est choisie de manière à déphaser l'onde électromagnétique qui se propage dans la branche d'alimentation terminale (89) depuis le point d'embranchement (P3) jusqu'au point d'excitation (P1, P2) d'une valeur égale à 270 degrés. 4. Source selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la longueur physique de chaque branche d'alimentation terminale (89) est choisie de manière à déphaser l'onde électromagnétique qui se propage dans la branche d'alimentation terminale (89) depuis le point d'embranchement (P3) jusqu'au point d'excitation (P1, P2) d'une valeur égale à 450 degrés. 5. Source selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre un iris (11) positionné en sortie de la première cavité (100) pour réaliser une adaptation d'impédance et limiter une perte par réflexion du signal de voie somme, l'iris (11) supportant intérieurement le circuit d'alimentation de voie différence. (25), l'iris (11) étant adapté pour empêcher toute propagation du mode TE21 généré par les huit sondes (8) vers le guide d'onde coaxial (400). 6. Source selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre un cornet externe (72) et un cornet interne (71), le cornet externe (72) et le cornet interne (71) définissant entre eux la pseudo-cavité (100) dans laquelle est générée le signal de voie somme à une première longueur d'onde. 3024802 20 7. Source selon l'une des revendications qui précèdent, comprenant : - un guide d'onde central secondaire (300), - un troisième dispositif d'excitation (30) pour exciter le guide d'onde central secondaire (300) de manière à générer un signal de voie somme et un signal de voie différence à une deuxième fréquence. 8. Source selon les revendications 6 et 7, dans laquelle le guide d'onde central secondaire (300) s'étend à l'intérieur du cornet interne (71). 9. Source selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les branches d'alimentation terminales (89) comprennent des lignes ruban (891). 10. Source selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le premier dispositif d'excitation sigma (10) comporte un dispositif d'excitation sigma en polarisation linéaire (101) pour exciter la pseudo-cavité (100) selon deux modes TE11 orthogonaux de manière à générer deux signaux de voie somme en polarisation linéaire, et un polariseur coaxial à iris (15) afin de générer un signal de voie somme en polarisation circulaire par combinaison en quadrature des deux modes TE11 en polarisation linéaire. 11 Source selon la revendication précédente, dans laquelle le premier dispositif d'excitation sigma en polarisation linéaire (101) comprend une ouverture d'accès coaxial périphérique (76) à l'extrémité du cornet externe (72), un dispositif de génération du mode TE11 horizontal (10a) et un dispositif de génération du mode TE11 vertical (10b), le dispositif de génération du mode TE11 horizontal (10a) et le dispositif de génération du mode TE11 vertical (10b) comprennent chacun un connecteur coaxial (11a, 11b) et deux transitions à nervures (14a, 14b), chaque connecteur coaxial (11a, 11b) étant connecté à deux transitions à nervures (14a, 14b) antisymétriques par rapport à un plan longitudinal du guide d'onde central (200).