EP0019510B1 - Joint tournant multivoies pour équipement de détection électromagnétique - Google Patents
Joint tournant multivoies pour équipement de détection électromagnétique Download PDFInfo
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- H01P1/068—Movable joints, e.g. rotating joints the relative movement being a rotation with an unlimited angle of rotation the energy being transmitted in at least one ring-shaped transmission line located around the axis of rotation, e.g. "around the mast" rotary joint
Definitions
- the present invention relates to a multi-channel rotary joint for electromagnetic detection equipment.
- the electromagnetic detection equipment generally known by the name of Radar and which includes so-called secondary radars generally comprises an antenna which rotates in bearing and also sometimes in elevation.
- a rotary joint which is placed in the feed path of the antenna.
- the invention therefore relates to a rotary joint, that is to say in fact to a device intended to transmit high frequency energy between two circuits, in general without mechanical contact and in rotation with respect to one another. the other.
- Rotary joints have been described in the literature and a relatively abundant description can be found in chapter 7 of volume 9 of the MIT (Massachussets Institute of Technology) collection "Microwave transmission circuits". However, these rotary joints are not very well suited to modern radar equipment where for conditions of good functioning it is necessary to have between the antenna and the receiver and transmitter, a relatively high number of distinct channels, number of the minimum order of 4 to 5.
- a primary radar associated with a secondary radar whose antenna is mounted on the antenna of the primary radar where it is necessary to provide for the main or primary radar, a transmit channel, a sum receive channel and at least a difference reception channel and for the secondary radar, a interrogation channel, possibly a control channel for suppressing the secondary lobes, a sum response channel, a channel suppressing the secondary lobes and a difference channel for establishing the crevice.
- Document FR-A-1,191,485 describes a rotary joint intended for transmitting several radioelectric signals corresponding to several channels between fixed cables and rotating elements.
- This joint has a fixed structure and a mobile structure, cylindrical and coaxial.
- the different channels are arranged one above the other in a so-called “stacking" arrangement.
- each channel the energy transmission takes place by capacitive coupling between a continuous cylindrical input ring, integral with the fixed structure, and a continuous cylindrical output ring, integral with the movable structure and opposite the 'entry ring.
- the circumference of the rings, along which the radioelectric energy propagates is necessarily large compared to the wavelength, for simple reasons of mechanical feasibility. It follows that the phase of the high frequency signal is not constant at all points of these rings and that, depending on the rotation of the mobile structure in front of the fixed structure, there will be variations in the amplitude and in the phase of the transmitted signals making such a device unsuitable for its use.
- Document FR-A-1 202 276 partially improves the previous one as to the mentioned drawback of the phase shift of the signal along the coupling rings. It poses the problem of a "capacitive coupling ... which varies according to the relative positions of the bands during the rotational movement" (page 2, column 2, line 35 and following) and proposes a solution which consists, having as before, a cylindrical entry ring (strip 11) and a cylindrical exit ring (strip 12) facing it, dividing the conductive strips into several elements and connecting capacitors to each other. Two coupled strips are thus obtained made up of disjoint conductive elements.
- the technical problem which the present invention seeks to solve is that of coupling between two rings, one fixed and the other mobile, without damaging the output signal by the harmful effect of the phase variations of the microwave wave. along these rings, and without, however, arriving at a system as complicated and bulky as that of the aforementioned document.
- Figure 1 shows schematically in partial vertical section, a multi-way rotary joint according to the invention. This joint is limited by the entry guide 12 of the main track transmitting the signals from the main radar in the most probable case where this joint is used with a main radar-secondary radar system, and the exit guide 13.
- the outlet guide 13 is movable around the axis of rotation 2, relative to the fixed inlet guide 12 and at 1, there is the main track of the joint.
- the other tracks which are annular are located around the main track in horizontal planes.
- the fixed guide 12 is fixed a metal body 14, having on its dimension parallel to the axis of rotation of the joint, a U-shape, one of the walls 14 of which has bosses 16 serving to support a dielectric layer 17 itself serving as a support for the fixed rings of the different tracks, rings marked with 18, 19, 20 and 180, 190, 200 for example if we consider 3 annular tracks in addition to the main track.
- the wall 15 is moreover pierced with holes allowing passage to baluns 21, 22, 23.
- a similar arrangement is made for the mobile part of the seal which comprises a metal body having two branches 24, 25 fixed to the mobile guide 13.
- the wall 24 is pierced with holes allowing passage to baluns 26, 27, 28 for example and comprises bosses 29, 30 serving as support for a dielectric layer 31 itself serving as support for the movable rings 32, 33, 34 and 320, 330, 340. It can be seen that the dielectric layers 17 and 31 face each other.
- Figure 2 shows in horizontal section, the seal according to the invention particularly showing how an annular track is formed.
- Each annular track has two concentric rings and each ring is constituted by two concentric transmission lines in: broken regularly; the interruptions such as 35, 36, 350, 360, 39, 40 determine on each line, circular segments which are arranged in such a way that there is partial overlapping of the segments from one line to another, ensuring continuity electrical required.
- the input ring thus comprises two transmission lines 18, 180 situated on either side of a dielectric layer 17.
- the interruptions which are created in each of the lines are very clearly seen, such as 35, 36 on line 18 and 350, 360 on line 180. It is noted that the interruptions of the second line are found substantially opposite the middle of the sections of the first line.
- the output ring movable relative to the input ring, also consists of two interrupted transmission lines 32, 320 arranged one relative to the other, on either side of a layer of dielectric 31, like the lines of the first ring.
- the signals are transmitted between the two rings capacitively.
- balun 21 associated with the line of transmission 18 and an output balun 26 associated with the transmission line 180.
- the baluns are made necessary by the fact that the lines being normally closed on themselves, the phases at the points of attack 39-40 must be reversed to ensure continuity of currents on the lines.
- FIG. 1 shows three annular paths, but it is easy to have from 5 to 6. Their realization, for example, is relatively easy.
- the fixed parts and the mobile parts of the rings are advantageously produced according to the printed circuit technique.
- the lines 18-180, 19-190 and 20-200 are deposited 7 on either side of a dielectric layer 17 fixed on the metal bosses 16 of the fixed body 14 of the joint. It is the same for lines 32-320, 33-330 and 34-340 fixed on either side of a dielectric strip 31 fixed on the metal bosses 29-30 of the movable body 12 of the joint.
- the input and output baluns are also produced in printed circuits held by the metal walls 15 and 24 of the joint because they are connected through these walls, by rods 37, 38 to lines 18 and 32 respectively.
- the thickness of the layers is substantially on the order of 1 to 2/10 mm, the air gaps on the order of 1 to 2 mm, the total height of a ring being substantially equal to 10 millimeters.
- the length of the discontinuous strands of the lines is of the order of an eighth of the wavelength, a substantially optimal length.
- the arrangement of the channels according to the invention comprises an adaptation system not described which is intended to compensate for the residual parasitic capacities.
- the system exhibits good rotational stability, the residual variation of the amplitude being less than 0.1 dB and the residual variation of the phase being less than the degree.
- a multi-way rotary joint has thus been described, having a relatively large number of annular tracks located one above the other around the main track of the joint, each track comprising a fixed ring and a movable ring, formed one and the other. Another, by two interrupted transmission lines, arranged in such a way that the signals are transmitted from one ring to the other by capacitive coupling.
Landscapes
- Waveguide Connection Structure (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
- Near-Field Transmission Systems (AREA)
- Manipulator (AREA)
Description
- La présente invention concerne un joint tournant multivoies pour équipment de détection électromagnétique. Les équipements de détection électromagnétique connus généralement sous le nom de Radar et qui englobent les radars dits secondaires comportent généralement une antenne qui tourne en gisement et également quelquefois en site. Pour éviter que la rotation de l'antenne n'entraîne la rotation de tout l'équipement on prévoit ce que l'on a appelé un joint tournant qui se place dans la voie d'alimentation de l'antenne.
- L'invention est donc relative à un joint tournant, c'est-à-dire en fait à un dispositif destiné à transmettre de l'énergie haute fréquence entre deux circuits, en général sans contact mécanique et en rotation l'un par rapport à l'autre.
- Des joints tournants ont été décrits dans la littérature et on en peut trouver une description relativement abondante dans le chapitre 7 du volume 9 de la collection du MIT (Massachussets Institute of Technology) "Microwave transmission circuits". Cependant ces joints tournants ne sont pas très bien adaptés aux équipements radar modernes où pour des conditions de bon fonctionnement il est nécessaire de disposer entre l'antenne et les récepteur et émetteur, d'un nombre relativement élevé de voies distinctes, nombre de l'ordre de 4 à 5 au minimum. Ceci est particulièrement le cas d'un radar primaire associé à un radar secondaire dont l'antenne est montée sur l'antenne du radar primaire où il faut prévoir pour le radar principal ou primaire, une voie émission, une voie réception somme et au moins une voie réception différence et pour le radar secondaire, une voie interrogation, éventuellement une voie de commande de suppression des lobes secondaires, une voie de réponse somme, une voie suppression des lobes secondaires et une voie différence pour établir le crevasse.
- Avec un joint tournant ressortissant à l'art antérieur du type "Door Knob" par exemple, il n'est pas possible d'avoir plus de trois voies coaxiales. En effet la limitation provient de diamètre extérieur du joint qui doit être bien inférieur à la longueur d'onde. Pour une longueur d'onde de l'ordre de 30 cm, le diamètre qui doit être inférieur à À/n est de l'ordre de 10 cm.
- Le document FR-A-1 191 485 décrit un joint tournant destiné à transmettre plusieurs signaux radioélectriques correspondant à plusieurs voies entre des câbles fixes et des éléments tournants.
- Ce joint comporte une structure fixe et une structure mobile, cylindriques et coaxiales. Les différentes voies sont disposées les unes au-dessus des autres dans une disposition dite "d'empilement".
- Dans chaque voie la transmission d'énergie se fait par couplage capacitif entre un anneau d'entrée cylindrique continu, solidaire de la structure fixe, et un anneau de sortie cylindrique continu, solidaire de la structure mobile et en vis-à-vis de l'anneau d'entrée.
- Le transfert d'énergie se fait effectivement à chaque étage par couplage, mais le signal recueilli sur l'anneau mobile est inutilisable pour la raison suivante.
- La circonférence des anneaux, le long de laquelle se propage l'énergie radioélectrique est nécessairement grande devant la longueur d'onde, pour de simples raisons de faisabilité mécanique. Il en résulte que la phase du signal haute fréquence n'est pas constante en tous points de ces anneaux et que, en fonction de la rotation de la structure mobile devant la structure fixe, il se produira des variations dans l'amplitude et dans la phase des signaux transmis rendant un tel dispositif impropre à son usage.
- Le document FR-A-1 202 276 perfectionne en partie le précédent quant à l'inconvénient mentionné du déphasage du signal le long des anneaux de couplage. Il pose en effet le problème d'un "couplage capacitif ... qui varie en fonction des positions relatives des bandes pendant le mouvement de rotation" (page 2, colonne 2, ligne 35 et suivantes) et propose une solution qui consiste, ayant comme précédemment un anneau d'entrée cylindrique (bande 11) et un anneau de sortie cylindrique (bande 12) lui faisant face, à partager les bandes condùctrices en plusieurs éléments et à connecter entre elles des condensateurs. On obtient ainsi deux bandes couplées constituées d'éléments conducteurs disjoints.
- Mais, dès que l'on veut fractionner en plus de deux parties ces bandes pour tendre vers la dimension de À/8, on se heurte au problème de l'alimentation en énergie (pour la bande d'entrée) et au problème de la récupération d'énergie (pour la bande de sortie) de tous ces petits éléments conducteurs disjoints.
- Ce document propose alors d'avoir autant de points d'alimentation que de paires d'éléments conducteurs disjoints dans une bande (page 3, colonne 1, lignes 8 à 12; page 3, colonne 1, lignes 39 à 42; page 3, colonne 2, lignes 1 à 3; résumé, point A, deux dernières lignes).
- Si ce document pose le problème des variations de phase néfastes le long des deux anneaux couplés et lui propose une solution consistant à fractionner ces anneaux, à intercaler des condensateurs, et à les alimenter en autant de points qu'il y a de paires d'éléments fractionnés, il conduit à un dispositif de réalisation compliquée, encombrante (nombreuses arrivées d'énergie) et prohibitive pour des joints tournants destinés à transmettre des fréquences très élevées et à avoir plusieurs voies auxiliaires "empilées".
- Le problème technique que cherche à résoudre le présente invention est celui de réaliser le couplage entre deux anneaux, l'un fixe et l'autre mobile, sans détériorer le signal de sortie par l'effet néfaste des variations de phase de l'onde hyperfréquence le long de ces anneaux, et sans, pour autant, arriver à un système aussi compliqué et encombrant que celui du document précité.
- Suivant l'invention, un joint tournant multivoies pour équipement de détection électromagnétique comportant une voie centrale principale cylindrique entourée de voies auxiliaires annulaires disposées les unes au-dessus des autres, chaque voie auxiliaire comportant un anneau d'entrée fixe formant ligne pour l'énergie qui'il reçoit d'une source hyperfréquence et un anneau de sortie mobile couplé capacitivement à l'anneau d'entrée et délivrant l'énergie qu'il reçoit à un dispositif de sortie tournant avec lui, chacun de ces deux anneaux comportant plusieurs éléments conducteurs disjoints est caractérisé en ce que, pour chaque voie auxiliaire:
- l'anneau fixe d'entrée comporte deux lignes de transmission annulaires, interrompues, et couplées capacitivement, alimentées en un seul endroit par l'énergie à transmettre à l'anneau mobile, et dans lesquelles la propagation est telle que tous leurs points sont sensiblement en phase,
- une première de ces deux lignes de transmission comportant des éléments conducteurs disjoints répartis autour de l'anneau et séparés par des intervalles petits devant la dimension des éléments conducteurs qu'ils séparent,
- l'énergie à transmettre étant appliquée, par un dispositif symétrisuer d'entrée entre deux éléments conducteurs voisins de ladite première ligne de transmission.,
- et la deuxième de ces deux lignes de transmission comportant des éléments conducteurs disjoints et répartis autour de l'anneau en vis-à-vis des intervalles séparant les éléments conducteurs de ladite première ligne de transmission;
- l'anneau mobile de sortie comporte deux lignes de transmission annulaires, interrompues et couplées capacitivement de manière analogue à la ligne bifilaire de l'anneau d'entrée, le dispositif symétriseur d'entrée étant remplacé par un dispositif symétriseur de sortie.
- D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaitront au cours de la description qui suit d'un exemple de réalisation d'un joint tournant multivoie annulaire, donnée à l'aide des figures qui représentant:
- - La figure 1, une vue en coupe verticale du joint suivant l'invention,
- - la figure 2, une coupe horizontale du joint de la figure 1.
- La figure 1 représente de façon schématique en coupe verticale partielle, un joint tournant multivoies suivant l'invention. Ce joint est limité par le guide d'entrée 12 de la voie principale transmettant les signaux du radar principal dans le cas le plus probable où ce joint est utilisé avec un système radar principal-radar secondaire, et le guide de sortie 13.
- Le guide de sortie 13 est mobile autour de l'axe de rotation 2, par rapport au guide d'entrée fixe 12 et en 1, on a la voie principale du joint. Les autres voies qui sont annulaires se trouvent disposées autour de la voie principale dans des plans horizontaux. Au guide fixe 12, se trouve fixé un corps métallique 14, présentant sur sa dimension parallèle à l'axe de rotation du joint, une forme en - U, dont une des parois 14 présente des bossages 16 servant de support à une couche diélectrique 17 servant elle même de support aux anneaux fixes des différentes voies, anneaux repérés par 18, 19, 20 et 180, 190, 200 par exemple si l'on considère 3 voies annulaires en plus de la voie principale. La paroi 15 est de plus percée de trous laissant le passage à des symétriseurs 21, 22, 23.
- Une disposition semblable est réalisée pour la partie mobile du joint qui comporte un corps métallique présentant deux branches 24, 25 fixé au guide mobile 13. La paroi 24 est percée de trous laissant le passage à des symétriseurs 26, 27, 28 par exemple et comporte des bossages 29, 30 servant de support à une couche de diélectrique 31 servant elle-même de support aux anneaux mobiles 32, 33, 34 et 320, 330, 340. On constate que les couches diélectriques 17 et 31 se font face.
- La figure 2, représente en coupe horizontale, le joint suivant l'invention montrant particulièrement comment une voie annulaire est constituée.
- Chaque voie annulaire comporte deux anneaux concentriques et chaque anneau est constitué par deux lignes de transmission concentriques in:er- rompues de façon régulière; les interruptions telles que 35, 36, 350, 360, 39, 40 déterminent sur chaque ligne, des segments circulaires qui sont disposés de façon telle qu'il y a recouvrement partiel des segments d'une ligne à l'autre, assurant la continuité électrique nécessaire.
- L'anneau d'entrée comporte ainsi deux lignes de transmission 18, 180 situées de part et d'autre d'une couche de diélectrique 17. Sur la figure 2 on voit de façon très nette les interruptions qui sont créées dans chacune des lignes, telles que 35, 36 sur la ligne 18 et 350, 360 sur la ligne 180. On remarque que les interruptions de la deuxième ligne se trouvent sensiblement vis-à-vis du milieu des tronçons de la première ligne.
- L'anneau de sortie, mobile par rapport à l'anneau d'entrée, est également constitué par deux lignes de transmission interrompues 32, 320 disposées l'une par rapport à l'autre, de part et d'autre d'une couche de diélectrique 31, comme les lignes du premier anneau. La transmission des signaux entre les deux anneaux se fait de façon capacitive.
- En choisissant de façon appropriée le coefficient de couplage entre les deux lignes c'est-à-dire la capacité mutuelle Cm entre les deux lignes, on peut démontrer par un calcul aisé, en écrivant les équations décrivant la propagation le long du système de lignes qui a été défini que tous les points des lignes sont en phase les uns avec les autres.
- Sur cette figure 2 on notera la présence à l'entrée E et à la sortie S du système, d'un symétriseur d'entrée 21 associé à la ligne de transmission 18 et d'un symétriseur de sortie 26 associé à la ligne de transmission 180. Les symétriseurs sont rendus nécessaires par le fait que les lignes étant normalement fermées sur elles-mêmes, les phases aux points d'attaque 39-40 doivent être inversées pour que la continuité des courants soit assurée sur les lignes.
- On constate ainsi que de par la dispositions réciproque des lignes dans les anneaux et donc des anneaux l'une par rapport à l'autre, la phase de l'amplitude des signaux à transmettre est uniforme en chaque point et est indépendante de la position angulaire des deux anneaux. Les signaux dans une voie annulaie sont donc transmis pratiquement sans perte.
- On constate d'après la figure 1 que plusieurs voies annulaires peuvent être envisagées, suitées les unes au-dessus des autres autour de la voie principale du joint, sans que leur nombre soit limité par des contraintes mécaniques comme dans l'art antérieur. La figure 1 montre trois voies annulaires, mais il est aisé d'en disposer de 5 à 6. Leur réalisation, à titre d'exemple, est relativement aisée. Les parties fixes et les parties mobiles des anneaux sont avantageusement réalisées suivant la technique des circuits imprimés. Les lignes 18-180, 19-190 et 20-200 sont déposées 7 de part et d'autre d'une couche de diélectrique 17 fixée sur les bossages métalliques 16 du corps fixe 14 du joint. Il en est de même des lignes 32-320, 33-330 et 34-340 fixées de part et d'autre d'une bande diélectrique 31 fixée sur les bossages métalliques 29-30 du corps mobile 12 du joint. Les symétriseurs d'entrée et de sortie sont également réalisés en circuits imprimés maintenus par les parois 15 et 24 métalliques du joint car connectes à travers ces parois, par des tiges 37, 38 aux lignes 18 et 32 respectivement. L'épaisseur des couches est sensiblement de l'ordre de 1 à 2/10 mm, les entrefers de l'ordre de 1 à 2 mm, la hauteur totale d'un anneau étant sensiblement égale à 10 millimètres.
- On peut ajouter que la longueur des brins discontinus des lignes est de l'ordre du huitième de la longueur d'onde, longueur sensiblement optimale.
- On notera également que la disposition des voies suivant l'invention comporte un système d'adaptation non décrit qui est destiné à compenser les capacités parasites résiduelles. En tout état de cause, le système présente une bonne stabilité à la rotation, la variation résiduelle de l'amplitude étant inférieure à 0,1 dB et la variation résiduelle de la phase étant inférieure au degré.
- On a ainsi décrit un joint tournant multivoies, présentant un numbre relativement important de voies annulaires situées les unes au-dessus des autres autour de la voie principale du joint, chaque voie comportant un anneau fixe et un anneau mobile, constitués l'un et l'autre,par deux lignes de transmission interrompues, disposées de façon telle que les signaux sont transmis d'un anneau à l'autre par couplage capacitif.
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