EP0035929B1 - Source hyperfréquence multimode et antenne comportant une telle source - Google Patents

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EP0035929B1
EP0035929B1 EP81400312A EP81400312A EP0035929B1 EP 0035929 B1 EP0035929 B1 EP 0035929B1 EP 81400312 A EP81400312 A EP 81400312A EP 81400312 A EP81400312 A EP 81400312A EP 0035929 B1 EP0035929 B1 EP 0035929B1
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EP
European Patent Office
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plane
cavity
moder
source
obstacle
Prior art date
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Expired
Application number
EP81400312A
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German (de)
English (en)
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EP0035929A1 (fr
Inventor
François Salvat
Jean Bouko
Claude Coquio
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thomson CSF SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Thomson CSF SA filed Critical Thomson CSF SA
Publication of EP0035929A1 publication Critical patent/EP0035929A1/fr
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00Auxiliary devices
    • H01P1/16Auxiliary devices for mode selection, e.g. mode suppression or mode promotion; for mode conversion
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/06Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens
    • H01Q19/08Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens for modifying the radiation pattern of a radiating horn in which it is located
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q25/00Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns
    • H01Q25/04Multimode antennas

Definitions

  • the present invention belongs to the field of multimode microwave sources, as well as to that of so-called monopulse antennas, which comprise such sources.
  • phase operation the angular deviation signals are obtained by comparing the phase between two diagrams having the same amplitude law. It should also be noted that it is possible to switch from one operating mode to another via a system of couplers, so that in the following description, only the case of the amplitude exploitation will be considered.
  • the various characteristics of radiation of these diagrams characteristics which intervene directly in the performances of the system are not a priori independent, but are linked by stress relationships depending on the structure of the antenna. These characteristics are the gain and the level of the side lobes in the sum track and difference tracks, the slope in the vicinity of the axis and the level of the main lobes in the difference track.
  • the problem posed amounts to seeking an optimization between the factors which have already been mentioned, while respecting between them the hierarchy imposed by the functions of the system considered.
  • the conventional antenna structures have shown their limits in the case of monopulse techniques.
  • the conventional monopulse technique has also shown its limits in the application to telecommunications antennas by tropospheric diffusion where the diversity between the sum and difference channels is carried out.
  • multimode sources which have been used in antennas also called multimodes.
  • a multimode source also called moderator is capable by the structure which is given to it, of generating direct propagative modes with controllable phases and amplitudes making it possible to obtain a desired illumination in its opening.
  • a moderator is a structure formed by waveguides comprising discontinuities at the level of which higher modes are generated.
  • An exemplary embodiment is given in French patent application 2118 848.
  • Such a structure makes it possible to obtain independent control of the sum and difference diagrams in the plane E and in the plane H. However, such a control is not done simultaneously in the planes E and H but successively in these planes.
  • FIG. 1 The structure of FIG. 1 is constituted by plane moderators ME1, ME2 placed side by side and separated by a common vertical partition. Each of these moders is excited by two pairs of guides 1, 10 and 2, 20 which receive the fundamental mode and which open into a guide 3, 30 of length L1 between the planes PO and P1.
  • the plane PO is what is called the discontinuity plane at the level of which higher, propagative or evanescent modes are formed, the length L1 and the dimensions of the guides 3.30 being such that only the desired modes, in this case by example, the odd modes H11 and E11 and the even modes H12 and E12, propagate until the opening of the moder E thus constituted, that is to say the plane P1, the fundamental mode being the mode H10.
  • the set between the planes P1 and P3 constitutes superimposed plane H planes, the plane P2 being the plane of discontinuity where higher modes are formed.
  • the opening of the mixed structure, which is in the plane P3 radiates according to a global law of illumination, produces partial laws of illumination obtained in the vertical plane and in the horizontal plane.
  • Multimode sources conforming to that which has just been described are used in radar antennas, more particularly in tracking radars, but they have the drawback of having a large longitudinal bulk, which is a hindrance in the production of certain antennas for which increased performance, mainly in bandwidth, leads to an increase in inertia, detrimental to the operation of servomechanisms.
  • plane H has been defined in which, in addition to a reduction in the dimensions of the source an increase in bandwidth has been obtained in the H plane.
  • Figure 2 gives a view of such a moderator, in which the increase in bandwidth is obtained by the presence in the opening of the horn 13 of metal bars or lamellae 14-15, 140-150, arranged so adequate parallel to the electric field of the emitted wave.
  • a multimode source structure is produced which escapes the drawbacks of the prior art, in which means defining an increase in the bandwidth of the transmitted signals are defined, mainly in the plane E.
  • the multimode structure comprises a waveguide element forming a cavity ending in a horn, at least four supply waveguides distributed so as to form two pairs of horizontal guides and two pairs of vertical guides, and a profiled obstacle located in the area where the feed guide-cavity junction takes place.
  • a plane moder E as it appears in the embodiment of Figure 2, for example; this moderator comprises, seen in section in FIG. 3 and in plan in FIG. 4, four supply guides 9, 10, 90, 100 adjacent two by two along a wall 11 for the upper guides and 110 for the lower guides. These feed guides open into the cavity 12 at a plane P called discontinuity.
  • the opening plane of the cavity is S.
  • the dimensions a, b, c respectively represent the height of the supply guides, parallel to the electric field ⁇ , the height of the cavity 12, that is to say of the plane E considered and the width of the moderator.
  • the four supply guides being supplied in phase in the fundamental mode TE10 (or H10) there is creation at the level of the discontinuity plane P of a hybrid higher mode EM12 composed of mode TE12 and mode TM12.
  • FIG. 5 shows the diagrams of these modes in the plane P and FIG. 6, the law of illumination in the plane of the aperture S of the moderator, resulting from the superposition of the modes TE10 and EM12.
  • the phasing of the modes considered on the opening of the plane moder E is a function of the frequency.
  • the differential phase shift is equal to ⁇ , which means that the rigorous phasing is only possible for a single frequency corresponding to the wavelength x.
  • Obtaining a relatively wide bandwidth is thus not possible under good conditions because when one moves away from the central frequency of the band, the phase center of the source which constitutes the moder considered, varies ; located approximately at point G for the central frequency, it deviates from it beyond the plane S for decreasing frequencies and below the plane S for increasing frequencies.
  • phase center causes poor illumination at the aperture and a poor radiation pattern of the source with the appearance of large lateral lobes and an enlargement of the main lobe translating a loss of gain, for increasing frequencies and a narrowing for decreasing frequencies, in other words for a fixed direction (9 0 ), the width of the diagram varies with the frequency.
  • Figure 7 shows in section, and Figure 8, in plan, the plane moder E according to the invention comprising means allowing it to fulfill the conditions set out in the foregoing.
  • the plane moder E comprises a cavity 12, the opening of which is located in the plane S, behind which a plane moder H can be placed, which will constitute, with the plane moder E, a mixed microwave source, plane E, plane H ; in this cavity open, in the example described, four guides 9, 10, 90 and 100, adjacent in pairs, along a wall 11 for the guides in the upper position 9 and 10, 110 for the guides in the lower position 90 and 100.
  • FIG. 9 represents a side view, a preferred form of the obstacle 17 introduced into the moderator.
  • this obstacle is a paving stone of trapezoidal cross section whose large base 18 is in the plane P, plane at which the moderator feed guides open, in the part located between the upper guides 9-10 and lower 90-100.
  • the small base 19 is located at a distance 1 from the plane P, inside the cavity 12 and at a distance a, from the wall of the cavity, distance measured parallel to the electric field AND This distance is variable when going from the small to the large base.
  • the sides of the block 17, between the large and the small base determine an angle a with the direction D perpendicular to the plane P.
  • the other dimensions of the moderator are as for that of the prior art b and c.
  • the higher modes mainly the hybrid mode EM12, are not created at the level of the plane P, but in the different short-circuit planes. according to the frequencies at which we work.
  • the excitation plane of the hybrid mode EM12 is found in P B , which happens to be the plane of the small base of the trapezoidal block 17.
  • the phasing length is then L B , length between the plane P B and the plane of the opening S of the moderator.
  • the mode report module has the following expression:
  • the EM12 hybrid mode excitation plane is at P H , the intermediate position between the P plane and the P B plane.
  • the phasing length is L H , distance between the plane P H and the plane of the opening S.
  • the mode report module takes the following expression:
  • Figure 11 helps to understand how this calculation is done.
  • This figure 11 reproduces Figure 7, in its upper part above the longitudinal axis zz of the moderator.
  • Obstacle 17 is obviously only partially represented, its profile is identified by the letters CBA O '.
  • the distance from the obstacle to the wall of the moder in which it is introduced, directly above the plane P is designated by a o
  • this distance above the plane P B is designated by a B , represented by the AO segment.
  • a datum 8 is defined which represents the variation of the phase of the fundamental mode as a function of the frequency.
  • the electric field upstream of the plane 00 'also called P B has for expression, for the mode TE 10: e ik ⁇ in which and Xg guided wavelength is
  • the electric field downstream of the plane 00 has for expression for the mode TE10 and the hybrid mode EM12 mode TE10 + mode EM12: A (1 + ⁇ cos ⁇ x / b) in which A is a normalization factor and ⁇ the mode ratio in complex form.
  • the second table II reports the results obtained with the moder according to the invention, which constitutes a broadband source.
  • FIG. 10 presents a variant of the block 17 introduced into a moder E.
  • This block has, with respect to the block described in support of the preceding figures, a modified profile.
  • the latter 20 is no longer a line segment, but has a convex curvature, which can tend to exponential.
  • the results obtained are of the same order as those of the version described, with a slight tendency to be superior; however, the mechanical production of such a block is a little more difficult.
  • a multimode microwave source has thus been described, constituted by a moder E having a relative passband increased compared to that of a conventional moderator.
  • a multimode microwave source also constituted by a mixed moderator E plane, H plane, for which the bandwidths are increased both in the E plane and the H plane.
  • a source is that of FIG. 2, in which the moderator E includes the block 17.
  • FIG. 7 shows in section such a mixed source, according to the invention, the horn 13 with the metal bars 14, 140, 15 and 150 being disposed at the outlet of the cavity 12 of moderator E.
  • the opening of the mixed source is designated by 16.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Description

  • La présente invention appartient au domaine des sources hyperfréquences multimodes, ainsi qu'à celui des antennes dites monopulse, qui comportent de telles sources.
  • Dans les 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 monopulse 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 diagrammes « différence donnant des signaux d'écartométrie en site et en gisement par rapport à l'axe de l'antenne.
  • En exploitation dite de « phase », les signaux d'écartométrie angulaire 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 contrainte 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 niveau des lobes principaux en voie différence.
  • Pour une structure d'antenne donnée, le problème posé revient à rechercher une optimisation entre les facteurs qui ont été déjà 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'antennes 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 radio-astronomie 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 aussi 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 au niveau desquelles des modes supérieurs sont engendrés. Un exemple de réalisation est donné dans la demande de brevet français 2118 848.
  • Une étude de tels modeurs peut être trouvée également dans le brevet français 2418551 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 ces plans.
  • La structure de la figure 1 est constituée par des modeurs plans ME1, 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 dans un guide 3, 30 de longueur L1 entre les plans PO et P1. Le plan PO est ce qu'on appelle le 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 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 plan 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 quatre 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 plan H superposés, le plan P2 étant le plan de discontinuité où se forment des 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 de radars, plus particulièrement dans des radars de poursuite, mais 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 servomécanismes.
  • Des études ont été entreprises par la Demanderesse pour définir des sources multimodes échappant aux inconvénients qui viennent d'être signalés et en particulier une structure d'un modeur mixte plan E, plan H a été définie dans laquelle outre une diminution des dimensions de la source a été obtenue une augmentation de la bande passante dans le plan H.
  • La figure 2 donne une vue d'un tel modeur, dans lequel, l'augmentation de la bande passante est obtenue par la présence dans l'ouverture du cornet 13 de barreaux ou lamelles métalliques 14-15, 140-150, disposés de façon adéquate parallèlement au champ électrique de l'onde émise.
  • Suivant l'invention, on réalise une structure de source multimode échappant aux inconvénients de l'art antérieur, dans laquelle on définit des moyens déterminant un accroissement de la bande passante des signaux transmis, principalement dans le plan E.
  • Suivant l'invention, la structure multimode comprend un élément de guide d'onde formant cavité se terminant en cornet, au moins quatre guides d'ondes d'alimentation répartis de façon à former deux couples de guides horizontaux et deux couples de guides verticaux, et un obstacle profilé situé dans la zone où s'effectue la jonction guides d'alimentation-cavité.
  • D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description d'exemples de réalisation, donnés à l'aide des figures qui, outre la figure 1 utilisant une réalisation de l'art antérieur représentent :
    • la figure 2, une structure mixte du modeur plan E et H dans laquelle sont montrés des moyens visant à augmenter la bande passante dans le plan H ;
    • la figure 3, un modeur plan E classique en coupe ;
    • la figure 4, le modeur plan E de la figure 3 en plan ;
    • la figure 5, des courbes représentant les modes présents à la sortie des guides d'alimentation du modeur ;
    • la figure 6, la loi d'illumination dans le plan d'ouverture du modeur ;
    • la figure 7, le modeur plan E suivant l'invention en coupe ;
    • la figure 8, le modeur de la figure 7 en plan ;
    • la figure 9, une vue en perspective du modeur plan E suivant l'invention ;
    • la figure 10, une variante de l'obstacle suivant l'invention ; et
    • la figure 11, un schéma aidant à comprendre le calcul de l'angle optimum de l'obstacle inséré dans le modeur.
  • Dans l'introduction à la présente invention, on a rappelé en se reportant à une réalisation d'un modeur mixte plan E, plan H relevant de l'art antérieur, les inconvénients qu'un tel modeur présente dans l'utilisation qui doit en être faite comme source primaire d'une antenne multimode, de poursuite de préférence, pour laquelle on demande un accroissement des performances principalement en bande passante. On a rappelé également une réalisation de la Demanderesse apportant une solution au problème posé, tout d'abord dans un gain de poids et de dimensions, permettant d'utiliser l'antenne dans un emplacement imposé à l'avance et de volume relativement faible, dans lequel le déplacement du réflecteur tendrait à augmenter l'inertie de l'ensemble, augmentation agissant de façon préjudiciable sur les servo-mécanismes en particulier, et ensuite dans une augmentation de la bande passante dans le plan H.
  • En se reportant aux figures 3 et 4, on rappelle la constitution et le fonctionnement d'un modeur plan E, telle qu'il apparaît dans la réalisation de la figure 2, par exemple ; ce modeur comprend, vu en coupe figure 3 et en plan figure 4, quatre guides d'alimentation 9,10,90,100 adjacents deux à deux le long d'une paroi 11 pour les guides supérieurs et 110 pour les guides inférieurs. Ces guides d'alimentation débouchent dans la cavité 12 au niveau d'un plan P dit de discontinuité. Le plan d'ouverture de la cavité est S. Les dimensions a, b, c représentent respectivement la hauteur des guides d'alimentation, parallèlement au champ électrique Ë, la hauteur de la cavité 12, c'est-à-dire du plan E considéré et la largeur du modeur. Les quatre guides d'alimentation étant alimentés en phase dans le mode fondamental TE10 (ou H10) il y a création au niveau du plan de discontinuité P d'un mode supérieur hybride EM12 composé du mode TE12 et du mode TM12. On a représenté figure 5 les diagrammes de ces modes dans le plan P et figure 6, la loi d'illumination dans le plan de l'ouverture S du modeur, résultant de la superposition des modes TE10 et EM12.
  • On sait calculer le rapport p des amplitudes du champ électrique E du mode hybride EM12 au mode fondamental, rapport qui s'écrit :
    Figure imgb0001
    et qui est indépendant de la fréquence, aussi bien en amplitude qu'en phase.
  • On sait calculer également, dans le plan S de l'ouverture du modeur plan E considéré le déphasage entre les modes soit :
    Figure imgb0002
  • On constate que la mise en phase des modes considérés sur l'ouverture du modeur plan E, c'est-à-dire dans le plan S est fonction de la fréquence. Suivant l'art antérieur, en jouant sur la longueur L du modeur, on peut s'arranger pour qu'à la fréquence centrale de la bande de fonctionnement, le déphasage différentiel soit égal à π, ce qui entraîne que la mise en phase rigoureuse n'est possible que pour une seule fréquence correspondant à la longueur d'onde x. L'obtention d'une bande passante relativement large n'est ainsi pas possible dans de bonnes conditions car lorsque l'on s'éloigne de la fréquence centrale de la bande, le centre de phase de la source que consitue le modeur considéré, varie ; situé approximativement au point G pour la fréquence centrale, il s'en écarte au-delà du plan S pour des fréquences décroissantes et en-deçà du plan S pour des fréquences croissantes. La variation de ce centre de phase provoque une mauvaise illumination sur l'ouverture et un mauvais diagramme de rayonnement de la source avec apparition de lobes latéraux importants et un élargissement du lobe principal traduisant une perte de gain, pour les fréquences croissantes et un rétrécissement pour les fréquences décroissantes, autrement dit pour une direction fixe (90), la largeur du diagramme varie avec la fréquence.
  • On peut donner l'expression mathématique du diagramme de rayonnement dans le plan E de la source de la figure 3, soit :
    Figure imgb0003
    avec :
    Figure imgb0004
    0 étant l'angle de la direction de rayonnement par rapport à la source. Cette formule permet de déterminer le diagramme de rayonnement primaire et définir les niveaux de recoupement sur le réflecteur éclairé par la source.
  • On peut à partir de ce qui précède déterminer les conditions dans lesquelles, suivant l'invention, la source que constitue le modeur plan E présentera une bande passante augmentée, sans présenter les inconvénients du modeur de l'art antérieur.
  • Pour élargir la bande de fonctionnement en fréquence, il est donc nécessaire que l'amplitude du diagramme rayonné dans un angle 00, subisse peu de variations en fonction de la fréquence. L'étude des relations 1 et 3 montre que, pour obtenir la mise en phase, le rapport IPI du mode hybride EM12 au mode fondamental TE10 doit augmenter avec la fréquence.
  • La mise en phase des modes EM12 et TE10 doit rester constante dans l'ouverture du modeur, et ce dans toute la bande considérée ; l'étude de la relation (2) montre que cette constance est obtenue si le pian dans lequel s'opère la génération du mode hybride EM12 semble se déplacer vers la gauche sur la figure lorsque la fréquence croît et donc vers la droite dans le cas contraire.
  • La figure 7 représente en coupe, et la figure 8, en plan, le modeur plan E suivant l'invention comportant des moyens lui permettant de remplir les conditions exposées dans ce qui précède.
  • On retrouve sur la figure 7, presque tous les éléments qui ont été décrits à l'appui de la figure 3. Les références pour ces éléments sont donc concervées. Ceci vaut également pour la figure 8.
  • Le modeur plan E suivant l'invention comporte une cavité 12 dont l'ouverture se trouve dans le plan S, derrière lequel peut être placé un modeur plan H, qui constituera avec le modeur plan E une source mixte hyperfréquence, plan E, plan H ; dans cette cavité débouchent, dans l'exemple décrit, quatre guides 9, 10, 90 et 100, adjacents deux par deux, le long d'une paroi 11 pour les guides en position supérieure 9 et 10, 110 pour les guides en position inférieure 90 et 100. Cependant, alors que dans le modeur de l'art antérieur le passage des guides d'alimentation à la cavité 12 se faisait le long d'un plan P dit de discontinuité, parallèle au champ électrique E, suivant l'invention, on dispose sur une partie de ce plan P, entre les guides d'alimentation supérieurs et inférieurs, un obstacle profilé 17 dont la forme et les dimensions déterminent une action différente suivant la fréquence, sur les modes créés dans la zone où se trouve l'obstacle. Cette forme est telle que l'obstacle fait saillie à l'intérieur de la cavité 12 avec une section décroissante.
  • La figure 9 représente vue de profil, une forme préférée de l'obstacle 17 introduit dans le modeur. Suivant l'invention, cet obstacle est un pavé de section droite trapézoïdale dont la grande base 18 se trouve dans le plan P, plan au niveau duquel débouchent les guides d'alimentation du modeur, dans la partie située entre les guides supérieurs 9-10 et inférieurs 90-100. La petite base 19 se trouve à une distance 1 du plan P, à l'intérieur de la cavité 12 et à une distance a, de la paroi de la cavité, distance mesurée parallèlement au champ électrique ET Cette distance est variable quand on passe de la petite à la grande base.
  • Les côtés du pavé 17, entre la grande et la petite base déterminent un angle a avec la direction D perpendiculaire au plan P. Les autres dimensions du modeur sont comme pour celui de l'art antérieur b et c.
  • Le fonctionnement de la source, que constitue le modeur plan E, suivant l'invention est le suivant, que l'on peut suivre en se reportant figure 7.
  • Etant donné la forme de l'obstacle dont une des bases se trouve dans le plan dit de discontinuité P, les modes supérieurs, principalement le mode hybride EM12 ne sont pas créés au niveau du plan P, mais dans les plans de court-circuit différents suivant les fréquences auxquelles on travaille.
  • Ainsi, dans les fréquences basses, le plan d'excitation du mode hybride EM12 se trouve en PB, qui se trouve être le plan de la petite base du pavé trapézoïdal 17. La longueur de mise en phase est alors LB, longueur entre le plan PB et le plan de l'ouverture S du modeur. Le module du rapport de mode a l'expression suivante :
    Figure imgb0005
  • Aux fréquences hautes, le plan d'excitation du mode hybride EM12, se trouve en PH, position intermédiaire entre le plan P et le plan PB. La longueur de mise en phase est LH, distance entre le plan PH et le plan de l'ouverture S. Le module de rapport des modes prend l'expression suivante :
    Figure imgb0006
  • Les conditions qui ont été énoncées pour que le modeur fonctionne à large bande passante, que le rapport de mode |β| augmente avec la fréquence et que le déplacement du plan d'excitation du mode hybride EM 12 se fasse vers la gauche, c'est-à-dire vers la source, pour des fréquences croissantes, entraînant LH plus grand que LB sont ainsi remplies.
  • On peut déterminer par le calcul, une valeur optimale de l'angle a pour que les conditions précédentes soient réalisées dans une large bande de fréquences, cet angle a pouvant varier théoriquement entre 0 et 90°. Pour ce faire, on calcule la valeur du module et de l'argument de l'expression p représentant le rapport du mode supérieur au mode fondamental au niveau de la discontinuité.
  • La figure 11 aide à comprendre comment se fait ce calcul. Cette figure 11 reprend la figure 7, dans sa partie supérieure au-dessus de l'axe longitudinal zz du modeur. L'obstacle 17 n'est évidemment que partiellement représenté, son profil est repéré par les lettres C B A O'. La distance de l'obstacle à la paroi du modeur dans lequel il est introduit, à l'aplomb du plan P est désignée par ao, tandis que cette distance à l'aplomb du plan PB est désignée par aB, représentée par le segment AO. On définit une donnée 8 qui représente la variation de la phase du mode fondamental en fonction de la fréquence.
  • Dans le calcul proposé, on négligera les modes supérieurs évanescents EM 14, EM 16, etc. qui apparaissent aux discontinuités dans les plans PB et P.
  • On écrit tout d'abord les équations de raccordement des champs électriques des divers modes propagatifs de la source.
  • Le champ électrique en amont du plan 00' appelé PB également, a pour expression, pour le mode TE 10 : eikδ dans laquelle
    Figure imgb0007
    Figure imgb0008
    et Xg longueur d'onde guidée est
    Figure imgb0009
  • D'une manière analogue le champ électrique en aval du plan 00' a pour expression pour le mode TE10 et le mode hybride EM12 mode TE10 + mode EM12 : A (1 + β cos πx/b) dans laquelle A est un facteur de normalisation et β le rapport de mode sous forme complexe.
  • Si l'on intègre les expressions du champ dans le plan 00', soit le plan PB on a
    Figure imgb0010
    et β a pour expression
    Figure imgb0011
    qui est de la forme |β|e. On déduit de l'expression (6) que le module de |β| croît avec la fréquence, que la phase varie avec la fréquence et que si le modeur a une longueur bien définie, telle que les différents modes se retrouvent en phase sur l'ouverture S, cette phase décroît, tendant à réduire la variation du déphasage différentiel entre le mode EM 12 et le mode TE 10 dans la bande de fréquence d'utilisation.
  • Les tableaux suivants donnent les résultats établis pour un modeur classique et un modeur suivant l'invention.
  • Le premier tableau 1 donne dans une première colonne le niveau de recoupement NR et dans une deuxième colonne le déphasage différentiel Δϕ entre les modes pour, successivement la fréquence haute FH, la fréquence médiane Fm et la fréquence basse FB, ceci pour un modeur classique présentant une bande passante relative de 10 %, une valeur u = πb/λ sin θ0 comprise entre 3,3 et 3,7 et β≃ 0,8, l'angle θ0 étant l'angle de recoupement sur le réflecteur de l'antenne.
    Figure imgb0012
  • Le deuxième tableau II, rend compte des résultats obtenus avec le modeur suivant l'invention, qui constitue une source à bande large.
    Figure imgb0013
  • On constate d'après ces tableaux que pour un modeur classique (tableau I) la variation du niveau de recoupement NR est de l'ordre de 3 dB, 3, pour une bande relative de 10 % quand on passe de la fréquence haute à fréquence basse de la bande, tandis que pour un modeur suivant l'invention (tableau II) cette variation est ramenée à 1 dB, 3, prouvant que la bande relative est augmentée. De même, le déphasage différentiel passe de 40° pour le modeur classique à 16° pour le modeur suivant l'invention, indice également d'une bande augmentée. De fait la bande passante relative est alors de l'ordre de 15 % au moins. On en déduit également que pour une valeur du module du rapport de mode |β| comprise entre 0,8 et 8,88, la valeur optimale de l'angle a se situe aux alentours de 50° dans une fourchette de ± 10°.
  • La figure 10 présente une variante du pavé 17 introduit dans un modeur E. Ce pavé présente, par rapport au pavé décrit à l'appui des figures précédentes, un profil modifié. Celui-ci 20 n'est plus un segment de droite, mais présente une courbure convexe, pouvant tendre jusqu'à l'exponentielle. Les résultats obtenus sont du même ordre que ceux de la version décrite, avec une légère tendance à être supérieurs ; toutefois la réalisation mécanique d'un tel pavé est un peu plus difficile.
  • On a ainsi décrit une source hyperfréquence multimode, constituée par un modeur E présentant une bande passante relative augmentée par rapport à celle d'un modeur classique. Suivant l'invention on a également décrit une source hyperfréquence multimode constituée par un modeur mixte plan E, plan H, pour laquelle les bandes passantes sont augmentées à la fois dans le plan E et le plan H. Une telle source est celle de la figure 2, dans laquelle le modeur E comporte le pavé 17. La figure 7 montre en coupe une telle source mixte, suivant l'invention, le cornet 13 avec les barres métalliques 14, 140, 15 et 150 étant disposé à la sortie de la cavité 12 du modeur E. L'ouverture de la source mixte est désignée par 16.

Claims (7)

1. Source hyperfréquence multimode constituée :
- d'une part par deux couples de guides d'ondes (9, 10-90, 100) alimentés en un mode fondamental tel que TEIO, les deux guides d'un couple, de hauteur a, étant adjacents le long d'une paroi (11 et 110) et les deux couples étant disposés l'un au-dessus de l'autre et séparés par une distance non nulle, et
- d'autre part par une cavité (12) rectangulaire de hauteur b et de largeur c, dans laquelle débouchent les deux couples de guides (9, 10-90, 100) au niveau d'un plan P dit de discontinuité, et avec laquelle ils constituent un modeur plan E, la distance séparant les deux couples de guides étant égale à (b-2a), caractérisée en ce que, à l'intérieur de la cavité, les bords inférieurs des guides (9, 10) d'un premier couple sont reliés aux bords supérieurs des guides (90, 100) du deuxième couple par un obstacle profilé (17) faisant saillie, dont la section droite rectangulaire décroît continuement du plan (P) de discontinuité entre les guides et la cavité vers l'intérieur de ladite cavité (12), et engendrant une variation de la longueur de mise en phase (L) dans le modeur, le centre de phase (G) de la source restant cependant dans le plan (S) de l'ouverture de la cavité (12) dans une large bande de fréquence de fonctionnement.
2. Source selon la revendication 1, caractérisée en ce que la section droite rectangulaire de l'obstacle profilé (17) décroît linéairement réalisant ainsi un pavé de section droite rectangulaire et de section transversale trapézoïdale dont la grande base (18) se trouve dans le plan (P) de discontinuité et la petite base (19) se trouve dans un plan (PB), parallèle au plan (P) et située à une distance 1 de ce dernier, à l'intérieur de la cavité (12), ledit plan (PB) étant le plan d'excitation du mode supérieur hybride EM12 aux fréquences basses.
3. Source selon la revendication 2, caractérisé en ce que, dans une section transversale, l'angle α, que fait les côtés non parallèles de la section trapézoïdale de l'obstacle profilé (17) avec une direction D perpendiculaire au plan (P) de discontinuité, a une valeur optimale de l'ordre de 50° à ± 10° près.
4. Source selon la revendication 1, caractérisée en ce que la section droite rectangulaire de l'obstacle profilé (17) varie continuement selon une courbe (20) convexe entre le plan P de discontinuité du modeur E et l'extrémité de l'obstacle situé dans un plan (PB) d'excitation des modes supérieurs hybrides aux fréquences basses.
5. Source hyperfréquence multimode comportant un modeur E selon l'une des revendications 1 à 4, associé à un modeur H, caractérisée en ce que le modeur E s'ouvre sur un cornet évasé (13) dans la direction du plan H et dimensionné de façon à pouvoir propager un mode supérieur tel que Hso ; en ce que deux barreaux verticaux (14 et 15) sont disposés dans ce cornet (13), parallèlement à la direction du champ électrique E et symétriquement par rapport au plan vertical passant par le centre de phase (G) de la source, ces éléments créant un mode supérieur pair propagatif du type Hao, et en ce que la source hyperfréquence présente une longueur totale réduite, une grande bande passante dans les plans E et H et des lois d'illumination plan E, plan H contrôlables dans le plan (S) de l'ouverture de la source, indépendamment mais simultanément.
6. Source hyperfréquence suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la bande passante relative est supérieure ou égale à 15 % dans le plan E comme dans le plan H.
7. Utilisation d'une source hyperfréquence multimode selon l'une des revendications 1 à 6, dans une antenne hyperfréquence.
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