EP0004215A1

EP0004215A1 - Source hyperfréquence multimode, et antenne monopulse comportant une telle source

Info

Publication number: EP0004215A1
Application number: EP79400100A
Authority: EP
Inventors: François Salvat; Jean Bouko; Claude Coquio
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1978-02-24
Filing date: 1979-02-16
Publication date: 1979-09-19
Also published as: EP0004215B1; DE2967598D1; FR2418551B1; US4241353A; FR2418551A1

Abstract

Source hyperfréquence multimode mixte plan E, plan H constituée par une structure multimode plan E en cornet (13) dans l'ouverture de laquelle sont disposés parallélement au champ électrique, des barreaux (14, 15) ou des lamelles métalliques (141, 151). Les barreaux ou lamelles constituent des discontinuités au niveau desquelles est généré un mode impair du type H30, l'ensemble de la source devenant aussi une structure multimode plan H. Application à la réalisation d'antennes multimodes dans lesquelles les sources primaires sont d'un encombrement réduit.

Description

La présente invention appartient au domaine des sources hyperfréquences multimodes, et à celui des antennes dites monopulse qui comportent de telles sources.
Dans des antennes monopulse,, plusieurs diagrammes de rayonnement sont mis en oeuvre simultanément et leurs formes interviennent directement dans les performances globales du système radar utilisant de telles antennes. Les techniques monopuls exploitent en effet simultanément plusieurs diagrammes issus du même aérien ; en exploitation dite d'amplitude par exemple, on distingue d'une part un diagramme à symétrie paire ou diagramme somme servant de référence et d'autre part, des diagrammes à symétrie impaire ou diagramme "différence" donnant des signaux d'écarts en site et gisement par rapport à l'axe de l'antenne.
En exploitation dite de "phase", les signaux d'écarts angulaires sont obtenus par la comparaison de la phase entre deux diagrammes possédant la même loi d'amplitude. Il faut d'ailleurs noter qu'il est possible de passer d'un mode d'exploitation à l'autre par l'intermédiaire d'un système de coupleurs de sorte que dans la suite de la description, seul le cas de l'exploitation d'amplitude sera considéré.
Dans ces divers modes d'exploitation, les diagrammes mis en oeuvre sont représentés mathématiquement par des fonctions orthogonales ce qui entraîne le découplage des voies correspondantes. Par contre, les diverses caractéristiques de rayonnement de ces diagrammes, caractéristiques qui interviennent directement dans les performances du système ne sont pas indépendantes a priori, mais sont liées par des relations de contraintes dépendant de la structure de l'antenne. Ces caractéristiques sont le gain et le niveau des lobes latéraux en voie somme et voies différence, la pente au voisinage de l'axe et le gain des lobes principaux en voies différence.
Pour une structure d'antenne donnée, le problème posé revient à rechercher une optimisation entre les facteurs qui ont été cités, tout en respectant entre eux la hiérarchie imposée par les fonctions du système considéré. On en déduit que toute structure possède un domaine d'optimisation mais précisément les structures classiques d'antenne ont montré leurs limites dans le cas des techniques monopulse. De fait,_;il s'est avéré impossible dans les antennes monopulse classiques de contrôler de façon indépendante les diagrammes somme et les diagrammes différence, d'effectuer un contrôle correct de la forme de la loi d'illumination de la source primaire, qui est important, principalement dans la construction d'antennes à faible bruit pour la radioastronomie et les télécommunications spatiales. La technique monopulse classique a également montré ses limites dans l'application aux antennes de télécommunications par diffusion troposphérique, où l'on effectue la diversité entre les voies "somme" et "différence".
Pour remédier à ces limitations, on a développé ce qui a été appelé les sources multimodes qui ont été utilisées dans les antennes appelées également multimodes.
Une source multimode appelée également modeur est capable par la structure qui lui est donnée d'engendrer des modes propagatifs directs avec des phases et des amplitudes contrôlables permettant d'obtenir une illumination désirée dans son ouverture.
De façon générale un modeur est une structure formée de guides d'ondes comportant des discontinuités destinées à engendrer des modes supérieurs.
Une étude de tels modeurs peut être trouvée, entre autres, dans le brevet français 1 290 275, dont on prendra la figure 1, qui concerne une structure multimode mixte constituée par la réunion d'un modeur plan E et d'un modeur plan H, comme figure 1, représentative de l'art antérieur.
Une telle structure permet d'obtenir le contrôle indépendant des diagrammes somme et différence dans le plan E et dans le plan H. Toutefois un tel contrôle ne se fait pas simultanément dans les plans E et H mais successivement dans les plans E puis H.
La structure de la figure 1 est constituée par deux modeurs plans ME1 et ME2 placés côte à côte et séparés par une cloison verticale commune. Chacun de ces modeurs est excité par deux couples de guides 1, 10 et 2,20 qui reçoivent le mode fondamental, et qui débouchent chacun dans un guide 3,30 de longueur L1 entre les plans PO et P1. Le plan PO est ce qu'on appelle un plan de discontinuité au niveau duquel se forment des modes supérieurs, propagatifs ou évanescents, la longueur L1 et les dimensions des guides 3,30 étant telles que seuls les modes désirés, en l'occurrence par exemple, les modes impairs H11 et E11 et les modes pairs H12 et E12, se propagent jusqu'à l'ouverture du modeur E ainsi constitué, c'est-à-dire le plan P₁, le mode fondamental d'excitation étant le mode H10.
A partir du plan P1, on trouve des modeurs plan H, qui vont réaliser les lois de répartition désirées dans le plan horizontal sans déformer les lois de répartition réalisées dans le plan vertical par les modeurs E, ME1 et ME2.
Des lamelles métalliques 4,40, 5,50, 6,60 disposées horizontalement dans un guide 8,80 de longueur L2 prolongeant les guides 3 et 30 au delà du plan P1, définissent 4 couples de guides plats horizontaux, adjacents par leur petit côté, qui sont excités selon les lois de répartition définies par les modeurs.ME1 et ME2. Les lamelles horizontales se prolongent au delà du plan P2, dans un guide 7 ayant la forme d'un cornet, de longueur L3.
L'ensemble compris entre les plans P1 et P3 constitue des modeurs plans H superposés, le plan P2 étant le plan de discontinuité où se forment les modes supérieurs. L'ouverture de la structure mixte, qui se trouve dans le plan P3,rayonne suivant une loi globale d'illumination produit des lois d'illumination partielles obtenues dans le plan vertical et dans le plan horizontal.
Des sources multimodes conformes à celle qui vient d'être décrite sont utilisées dans des antennes, pourtant elles présentent l'inconvénient d'avoir un encombrement longitudinal important gênant dans la réalisation de certaines antennes pour lesquelles l'accroissement des performances principalement en bande passante, entraîne une augmentation de l'inertie préjudiciable au fonctionnement des servo-mécanismes.
La présente invention a pour objet la définition d'une source multimode qui échappe aux inconvénients rappelés ci-dessus et qui présente un encombrement nettement moindre que la source de l'art antérieur.
Suivant l'invention, la structure multimode comprend un élément de guide d'onde formant cavité se terminant en cornet, au moins quatre guides d'onde d'alimentation, répartis de façon à former au moins deux couples de guides horizontaux et deux couples de guides verticaux et au moins deux barreaux ou lamelles métalliques disposées dans l'ouverture rayonnante de la structure.
Une telle structure, dont les dimensions longitudinales sont nettement inférieures à celle d'une structure de l'art antérieur présente l'avantage d'avoir une bande passante de fonctionnement plus large.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit d'un exemple de réalisation, donné à l'aide des figures qui représentent en plus de la figure 1 illustrant une réalisation de l'art antérieur :

- la figure 2, une structure mixte de modeur plan E et plan H suivant l'invention ;
- la figure 3, une variante dans laquelle on utilise des lamelles ;
- la figure 4, une représentation du modeur dans le plan E ;
- la figure 5, la loi d'illumination du modeur dans le plan E ;
- la figure 6, une représentation du modeur dans le plan H ;
- la figure 7, la loi d'illumination du modeur dans le plan H en l'absence de barreaux ;
- la figure 8, la loi d'illumination du modeur dans le plan H en présence des barreaux.

Dans l'introduction à la présente description, on a en se rapportant à une réalisation d'un modeur mixte plan E, plan H relevant de l'art antérieur, indiqué les inconvénients qu'un tel modeur présente dans l'utilisation qui doit en être faite comme source primaire d'une antenne multimode pour laquelle on demande un accroissement des performances, principalement en bande passante. Dans ce cas, le modeur de par ses dimensions et son poids, principalement lorsque l'endroit de son implantation est déjà prévu, nécessite un déplacement du réflecteur d'antenne dans un sens tel, que l'inertie de l'ensemble tend à augmenter qui agit de façon préjudiciable sur les servo-mécanismes en particulier..
La diminution de la longueur du modeur selon l'invention supprime cette contrainte et permet de réaliser l'antenne multimode à performances. Cette diminution d'encombrement avec un poids réduit est particulièrement intéressante pour la construction d'antennes de type Cassegrain montées sur tourelles où se posent des problèmes accrus d'inertie dus à la limitation de l'espace disponible entre le réflecteur et l'axe site.
En se reportant à la figure 2, on va décrire la structure d'un modeur mixte plan E, plan H conforme à l'invention.
Un tel modeur comprend principalement un guide d'onde 12 formant cavité se prolongeant par un cornet 13 dont l'embouchure constitue l'ouverture rayonnante du modeur. La longueur totale du modeur ainsi défini est égale à L et les dimensions de son ouverture rectangulaire sont, a pour la grande dimension et b pour sa petite dimension, ici verticale. Un certain nombre de guides d'alimentation sont prévus, quatre en l'occurrence repérés par 9, 10, 90, 100. La répartition de ces guides est identique à celle des guides d'alimentation de la structure mixte de la figure 1. Les guides 9 et 10 sont adjacents l'un à l'autre par une paroi commune verticale 11. Ils sont disposés dans un plan horizontal supérieur, alors que les guides 90 et 100 adjacents par une paroi verticale 110, sont disposés dans un plan horizontal inférieur.
Groupés de la sorte, les guides constituént l'alimentation d'un modeur plan H.
Ces guides peuvent être groupés deux à deux verticalement constituant des guides d'excitation 9,90 et 10,100 de deux modeurs plan E.
Dans le plan de l'ouverture 16 ou plan π sont disposés, dans l'exemple décrit deux barreaux métalliques à une distance c l'un de l'autre inférieure à la dimension a toutefois. On notera que les barreaux cylindriques mentionnés peuvent être remplacés par les lamelles, 140, 150 telles que dessinées sur la figure 3.
Les guides d'alimentation débouchent dans la cavité 12, dans un plan π1, qui est un plan de discontinuité au niveau duquel se forment des modes supérieurs du mode d'excitation transmis par les guides, mode d'excitation qui est généralement le mode fondamental.
Le fonctionnement du modeur mixte décrit à l'appui de la figure 2 va être étudié dans ce qui suit.
On notera toutefois dès l'abord, que dans le plan E, la source décrite fonctionne comme un modeur plan E, classique, c'est-à-dire de l'art antérieur.
On reprendra, mais de façon simplifiée, l'expression mathématique des champs obtenus sur l'ouverture rayonnante, telle que déjà donnée dans le brevet cité dans l'introduction ou dans d'autres articles déjà parus.
La longueur L du modeur suivant l'invention est choisie de façon que la mise en phase des modes H10 et EH12, se fasse sur l'ouverture 16 pour la fréquence centrale. On rappellera que le mode EH12 représente d'une manière commode les modes E12, et H12,créés dans le plan de discontinuité π1, à partir du mode fondamental H10 d'excitation. Ces modes E12 et H12 ont même fréquence de coupure et même vitesse de phase et leur superposition peut être considérée comme un mode unique.
Le champ sur l'ouverture 16 en voie somme est de la forme :
et en voie différence :
T'₁ et T'₃ représentent respectivement les amplitudes relatives aux modes H10 et EH12.
Pour faciliter la compréhension de ce qui précède, on a représenté figure 4 la structure du modeur suivant l'invention dans le plan E, et figure 5 la loi d'illumination obtenue dans l'ouverture 16 dans le plan E. L'amplitude résultante du champ 19 est la somme de l'amplitude du mode E12, courbe 17, représentant la fonction cos 2
et de l'amplitude du mode fondamental H10, courbe 18.
A l'aide des figures 6, 7 et 8 on va expliquer le fonctionnement du modeur suivant l'invention, en plan H.
La figure 6 représente le modeur dans le plan H, perpendiculaire au plan E avec des éléments nécessaires tirés de la figure 2. On y voit en particulier l'ensemble des guides d'alimentation 9 et 10, adjacents l'un à l'autre par la paroi 11, situé dans un plan horizontal que l'on a appelé supérieur._
Le champ sur l'ouverture en voie somm est de la forme
et en voie différence
T1 et T3 représentent respectivement les amplitudes relatives au mode fondamental H10 et au mode H30 généré dans l'embouchure du cornet 13 par les barreaux 14 et 15. En fait, le mode H30 est déjà généré dans le plan de discontinuité π2 à la jonction du guide droit 12 et du cornet 13, mais il est alors évanescent. Il devient propagatif dans le cornet, au delà d'un plan repéré par π3, mais avec un niveau très faible.
Il est intéressant de déterminer le rapport de mode
dans l'expression du champ sur l'ouverture en voie somme.
Les conditions aux limites, imposent que le champ électrique E soit nul sur les barreaux. Si on pose
c étant la distance séparant les deux barreaux 14 et 15, on aura la valeur du champ S_H du point
c'est-à-dire au centre de l'ouverture, soit ::
on en déduit :
La loi d'illumination sur l'ouverture s'écrit alors :
En jouant sur l'écartement des barreaux 14 et 15, on modifie le rapport de mode α et par conséquent la loi d'illumination dans l'ouverture.
Dans la réalisation du modeur, les barreaux doivent avoir un diamètre relativement faible, inférieur au dixième de la longueur d'onde. Quant à l'emplacement des barreaux on peut admettre que l'on a :
On peut remplacer les barreaux par des lamelles métalliques sans modifier les résultats. Si leur largeur est voisine de 3/4 leur présence ne désadapte pas le cornet. De toute façon, pour éviter une désadaptation du cornet due à la présence des barreaux, on prévoit dans ce cas de disposer un second couple de barreaux 14 - 15 identiques aux premiers mais situés à λ/4 derrière dans l'embouchure du cornet.
La figure 7 montre l'illumination sur l'ouverture en l'absence des barreaux ou des lamelles tandis que la figure 8 montre cette illumination lorsque les barreaux ou lamelles sont présents. La courbe 20 donne l'amplitude résultante du champ dans l'ouverture du modeur dans le plan H.
On peut déduire de ce qui précède, le fonctionnement du modeur mixte complet.
Les lois d'illumination sur l'ouverture sont les suivantes :

ou encore

expression dans lesquelles
est le rapport de mode dans le plan E.
On a ainsi décrit une structure de modeur mixte plan E, plan H qui présente un encombrement longitudinal inférieur à celui du modeur mixte de l'art antérieur, constitué par un modeur plan E, une transition et un modeur plan H. L'encombrement longitudinal se trouve réduit d'environ 2,5 à 3 fois par rapport au modeur de l'art antérieur. Dans le modeur suivant l'invention de plus et au contraire du modeur suivant l'art antérieur, le contrôle des lois d'illumination dans les deux plans est fait simultanément.
L'examen des expressions précédentes, montre que dans le plan E, la bande passante n'est pas modifiée par rapport à celle d'une source multimode classique, telle - que celle de l'art antérieur ; elle est de l'ordre de 10 %.
En plan H, la bande passante est supérieure à celle obtenue avec une source multimode classique. La bande passante obtenue est de l'ordre de 15 % contre 7 % à peu près. Ceci est dû à ce que le mode supérieur est généré dans l'ouverture même du modeur, la mise en phase étant constante quelle que soit la fréquence.
De plus, la forme évasée du cornet en plan H, donne une phase quadratique à la loi d'illumination se traduisant par un diagramme primaire ayant une ouverture constante dans la bande des fréquences à couvrir.
Des mesures expérimentales ont montré par ailleurs que le centre de phase en plan E se trouve sur l'ouverture du cornet relevé en zone de_ Franhauffer. En plan H, ce centre de phase se trouve dans le plan des barreaux. Ceci conduit à une illumination du système optique utilisé qui donne un gain maximum et des lobes latéraux minimum.
On a ainsi décrit une structure de modeur mixte plan E et plan H de dimensions réduites et performances accrues dans laquelle les modeurs E et H sont confondus.

Claims

1. Source hyperfréquence multimode comportant une structure multimode plan E réalisant la fonction dite E, une transition et une structure multimode plan H, réalisant la fonction dite H, l'ouverture de la structure plan H constituant l'ouverture de la source hyperfréquence multimode, alimentée à l'entrée de la structure plan E par un groupement de guides d'ondes excités dans le mode fondamental, la source présentant une dimension longitudinale somme des dimensions des éléments qui la constituent et produisant dans sont ouverture des lois d'illumination plan E, plan H contrôlables indépendamment mais successivement, caractérisée en ce que la structure multimode plan E se termine en cornet évasé avec une ouverture dans laquelle on dispose, parallèlement au champ électrique au moins deux obstacles du genre barreau ou lamelle métallique, au niveau desquels se crée un mode supérieur impair propagatif du type H30, cette structure multimode plan E constituant ainsi une structure mixte plan E, plan H de longueur réduite, dans l'ouverture de laquelle les lois d'illumination plan E, plan H sont contrôlables indépendamment mais simultanément.

2. Source hyperfréquence multimode suivant la revendication 1, caractérisée en ce que sa dimension longitudinale est celle d'une structure plan E.

3. Source hyperfréquence multimode suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le mode impair du type H30 étant excité dans l'ouverture même de la source, la mise en phase est constante quelle que soit la fréquence et la bande passante est augmentée.

4. Source hyperfréquence suivant la revendication 3, caractérisée en ce que la bande passante est de l'ordre de 15 %.

5. Source hyperfréquence suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les barreaux introduits dans l'ouverture de la source parallèlement au champ électrique de l'onde émise sont disposés symétriquement par rapport à l'axe de l'ouverture et sont séparés par une distance c inférieure à la longueur de l'ouverture telle que 0 < a - c <

.

6. Source hyperfréquence suivant l'une des revendications 1 ou 5, caractérisée en ce qu'un deuxième couple de barreaux située à λ/4 en amont du premier permet l'adaptation de la source.

7. Source hyperfréquence suivant l'une des revendications 1, 5 ou 6, caractérisée en ce que les lamelles introduites dans l'ouverture de la source ont une largeur de l'ordre de λ/4.

8. Source hyperfréquence multimode suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'ouverture pyramidale de la structure donne une loi de phase quadratique stabilisant l'ouverture des diagrammes de rayonnement en plan H.

9. Source hyperfréquence multimode suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les centres de phase coïncident en plan E et en plan H.

10. Antenne multimode comportant comme source primaire, une source hyperfréquence multimode de faible encombrement, suivant les revendications 1 à 9.