EP0762529A1 - Polariseur à iris pour source primaire d'antenne - Google Patents

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EP0762529A1
EP0762529A1 EP96401830A EP96401830A EP0762529A1 EP 0762529 A1 EP0762529 A1 EP 0762529A1 EP 96401830 A EP96401830 A EP 96401830A EP 96401830 A EP96401830 A EP 96401830A EP 0762529 A1 EP0762529 A1 EP 0762529A1
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EP
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polarizer
irises
screws
waveguide section
guide
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Jean-Yves Morineau
Serge Bazzani
Bernard Jamet
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Thales SA
Original Assignee
Thomson CSF SA
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/165—Auxiliary devices for rotating the plane of polarisation
    • H01P1/17—Auxiliary devices for rotating the plane of polarisation for producing a continuously rotating polarisation, e.g. circular polarisation
    • H01P1/173—Auxiliary devices for rotating the plane of polarisation for producing a continuously rotating polarisation, e.g. circular polarisation using a conductive element

Definitions

  • the present invention relates to an iris polarizer for primary antenna source.
  • an antenna which can operate either in linear polarization or in circular polarization. This is particularly the case for antennas used in air traffic control.
  • a circular polarization more particularly makes it possible to overcome, to a large extent, disturbances due to rain.
  • An essential element of the antenna is then the polarizer used in the primary source, which makes it possible to switch from one polarization to the other while ensuring, in the case of circular polarization, a differential phase shift of substantially 90 ° between the components of the electric field.
  • the polarizer is of the iris type, that is to say that it includes, inside a waveguide section, a succession of regularly spaced reactive elements. These reactive elements are often conductive strips symmetrically penetrating into the waveguide section and located in transverse planes, that is to say perpendicular to the longitudinal axis.
  • these can have a capacitive or inductive susceptance.
  • the electric field When the electric field is at 45 ° with respect to the irises, it can be broken down into two orthogonal components equal in amplitude.
  • An optimized differential phase shift on an operating frequency band can be obtained by very precisely defining the parameters of the polarizer.
  • some of these are very difficult to define by calculation, which leads to successive embodiments of the polarizer for developing and optimizing it experimentally. This is of course long and costly.
  • the production methods being complex, it is difficult to hold the manufacturing tolerances during mass production resulting in performance degradation.
  • An object of the invention is therefore a polarizer free from these drawbacks thanks to a simple possibility of adjustment and adaptation to a given frequency band.
  • an iris polarizer for primary antenna source of the type including a waveguide section comprising a succession of regularly spaced reactive elements forming irises and acting as capacitive or inductive susceptances depending on the direction of the linear polarization of the electric field inside said waveguide section, characterized in that provision is made in said waveguide section for adjustable elements having a susceptance which is essentially of a given type, capacitive or inductive, so as to center the operating frequency band of said polarizer while maintaining the differential phase shift of said polarizer substantially equal to 90 ° in said frequency band.
  • Figure 1 schematically shows a known primary antenna source such as those mentioned above.
  • This source 1 comprises a transition 2 towards a waveguide section 3 of a polarizer.
  • the waveguide can be of section square, rectangular or circular.
  • the simplest solution that has been shown here is the circular section.
  • This waveguide section 3 comprises a succession of reactive elements 5 which are irises. It is often preferred to use irises although solutions with screws or quartz blades for example can be used.
  • the iris solution is more efficient, better suited to high powers and above all requires fewer elements than the other solutions with reactive elements because an iris can have both capacitive and inductive susceptances, hence greater simplicity.
  • An iris may consist of two conductive flaps penetrating inside the guide symmetrically with respect to the longitudinal axis of the guide and arranged in a transverse plane perpendicular to this axis.
  • the waveguide section 3 can be rotated by a geared motor assembly 4 (hence the advantage of a circular guide) so as to rotate it by 45 °.
  • Section 3 is followed by a transformer 6 then a phase shifter 7 connected to a horn 8.
  • Figures 2a and 2b show the equivalent diagram of an iris 5 for a square or circular guide according to the direction of polarization of the electric field.
  • the iris comprises two conductive flaps 51 and 52 in a plane transverse to the guide 3 and penetrating into the guide of a given height h.
  • the direction of the electric field (represented by an arrow) is perpendicular to the edges of the iris.
  • the susceptance B c is capacitive.
  • the susceptance B L is inductive.
  • the guide section 3 is rotated by 45 ° relative to the electric field having the direction of FIG. 2a or 2b, we can consider the incident wave as decomposable into two orthogonal components of the same amplitude, one of which is parallel at the edges of the iris and the other perpendicular to these same edges. If the polarizer imposes a differential phase shift of 90 ° on these two components, a wave with circular polarization is obtained at the output.
  • the dimensions of the guide (side d of a square guide for example) and the depression h of the irises must be defined.
  • a sinking law for the different irises is provided which can be a cosine law or according to a Tchebycher distribution and which makes it possible to minimize the TOS in the operating band.
  • FIG. 3 shows the variations of the capacitive (BC curve) and inductive (BL curve) susceptances of all the irises as a function of the frequency.
  • B cn is the capacitive susceptance
  • Yo the characteristic susceptance of the guide
  • ⁇ g the wavelength in the guide as a function of the dimensions of the guide and the frequency
  • K 1 (h n, d) a constant depending on the dimensions of the guide and iris depression.
  • the capacitive susceptance is inversely proportional to the wavelength in the guide.
  • B Ln Yo K 2 (( h not , d ) . ⁇ g (( d, f )
  • This value is proportional to the wavelength in the guide.
  • the first term depends on the size of the guide and the depth of the iris; the second term depends on the size of the guide and the frequency.
  • FIG. 6 represents the diagram of a polarizer according to the invention.
  • This polarizer comprises a waveguide section (3), circular in the example described, of diameter d determined approximately.
  • irises 5 are placed, the sinking h n of which is determined from d : the sinking h n of the irises obeys a law which can be a Tchebycher distribution to obtain the best possible TOS in the band. The whole is adjusted to also obtain a differential phase shift substantially equal to 90 °.
  • adjustable screws arranged in pairs 30, 31 symmetrical with respect to the longitudinal axis of symmetry 32, this in order to avoid the generation of higher modes.
  • the longitudinal spacing between two adjacent pairs is substantially equal to (2n + 1) ⁇ g / 4 for the center frequency of the operating band so as to obtain a good adaptation, this assuming that there are at least two pairs of screws .
  • the screws for example inside the guide, are arranged towards one end of the guide 3, where the irises are the least depressed, so as to guarantee the best power handling.
  • the screws have been arranged in the median plane P of the irises containing the axis 32, that is to say the plane of the figure for the longitudinal section.
  • the traces of the plane P and of the orthogonal plane P 'passing through the longitudinal axis 32 have been shown on the transverse section passing through the screws 30 of FIG. 6.
  • FIGS. 10 to 12 illustrate the case where the section of the waveguide 3 and therefore the dimension d are too large.
  • the solid lines correspond to the results in the absence of screws.
  • We end up here with a shift towards the low frequencies.
  • curves BC and BL of figure 10 a dispersion towards the high frequencies of the capacitive and inductive suceptances due to the irises and a weaker slope for the inductive susceptance.
  • the invention is in no way limited to the embodiments described.

Landscapes

  • Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)
  • Polarising Elements (AREA)

Abstract

L'invention concerne un polariseur à iris pour source primaire d'antenne.
Le polariseur comporte dans une section de guide d'ondes (3) une succession d'iris d'enfoncement variable, qui peuvent produire un déphasage différentiel de 90° sur deux composantes orthogonales du champ électrique de façon à obtenir une onde à polarisation circulaire.
Pour optimiser le polariseur sans avoir à changer les dimensions du guide, on introduit des paires de vis de réglage (30, 31) soit dans le plan médian (P) des iris, soit dans le plan orthogonal (P').
L'invention s'applique notamment aux sources primaires pour antennes radar.

Description

  • La présente invention se rapporte à un polariseur à iris pour source primaire d'antenne.
  • Dans de nombreux cas, on souhaite pouvoir disposer d'une antenne pouvant fonctionner soit en polarisation linéaire, soit en polarisation circulaire. C'est notamment le cas des antennes utilisées dans le contrôle du trafic aérien. Comme on le sait, l'utilisation d'une polarisation circulaire permet plus particulièrement de s'affranchir, dans une large mesure, des perturbations dues à la pluie. Un élément essentiel de l'antenne est alors le polariseur utilisé dans la source primaire, qui permet de commuter d'une polarisation à l'autre en assurant, dans le cas de la polarisation circulaire, un déphasage différentiel sensiblement de 90° entre les composantes du champ électrique.
  • Généralement et notamment pour les puissances importantes, le polariseur est du type à iris, c'est-à-dire qu'il comporte à l'intérieur d'une section de guide d'ondes une succession d'éléments réactifs régulièrement espacés. Ces éléments réactifs sont souvent des bandes conductrices pénétrant symétriquement dans la section de guide d'ondes et situées dans des plans transversaux c'est-à-dire perpendiculaires à l'axe longitudinal.
  • Suivant l'orientation du champ électrique par rapport aux iris, ceux-ci peuvent présenter une susceptance capacitive ou inductive. Lorsque le champ électrique est à 45° par rapport aux iris, on peut décomposer celui-ci en deux composantes orthogonales égales en amplitude. En prévoyant convenablement la disposition des iris, leur nombre et les dimensions du guide, on peut obtenir un déphasage différentiel entre ces deux composantes égal à 90° d'où une onde à polarisation circulaire en sortie du polariseur. Un déphasage différentiel optimisé sur une bande de fréquence de fonctionnement peut être obtenu en définissant de manière très précise les paramètres du polariseur. Or certains de ceux-ci sont très difficiles à définir par le calcul, ce qui entraîne des réalisations successives de polariseur pour mettre au point et optimiser celui-ci de manière expérimentale. Ceci est bien entendu long et coûteux. De plus, les procédés de réalisation étant complexes, on éprouve des difficultés à tenir les tolérances de fabrication lors des fabrications en série d'où une dégradation des performances.
  • Un objet de l'invention est donc un polariseur exempt de ces inconvénients grâce à une possibilité simple de réglage et d'adaptation à une bande de fréquence donnée.
  • Selon l'invention, il est prévu un polariseur à iris pour source primaire d'antenne du type incluant une section de guide d'ondes comportant une succession d'éléments réactifs régulièrement espacés formant des iris et agissant comme des susceptances capacitives ou inductives selon la direction de la polarisation linéaire du champ électrique à l'intérieur de ladite section de guide d'ondes, caractérisé en ce qu'il est prévu de disposer dans ladite section de guide d'ondes des éléments ajustables présentant une susceptance qui est essentiellement d'un type donné, capacitif ou inductif, de manière à recentrer la bande de fréquence de fonctionnement dudit polariseur tout en maintenant le déphasage différentiel dudit polariseur sensiblement égal à 90° dans ladite bande de fréquence.
  • L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints où :
    • la figure 1 est le schéma d'une source primaire d'antenne connue avec un polariseur à iris ;
    • les figures 2a et 2b représentent des diagrammes explicatifs ;
    • les figures 3 à 5 sont des courbes relatives à un polariseur à iris optimisé ;
    • la figure 6 est un schéma en coupe longitudinale et transversale d'un polariseur selon l'invention ;
    • les figures 7 à 9 sont des courbes relatives au polariseur de la figure 6 lorsque le guide d'ondes a une section trop faible ; et
    • les figures 10 à 12 sont des courbes relatives au polariseur de la figure 6 lorsque le guide d'ondes a une section trop grande.
  • La figure 1 représente schématiquement une source primaire d'antenne connue telle que celles mentionnées ci-dessus.
  • Cette source 1 comprend une transition 2 vers une section de guide d'ondes 3 d'un polariseur. Le guide d'ondes peut être de section carrée, rectangulaire ou circulaire. La plus simple solution qui a été représentée ici est la section circulaire. Cette section de guide d'ondes 3 comporte une succession d'éléments réactifs 5 qui sont des iris. On préfère souvent utiliser des iris bien que des solutions à vis ou lames de quartz par exemple puissent être utilisées. Cependant la solution à iris est plus performante, mieux adaptée aux puissances importantes et surtout nécessite moins d'éléments que les autres solutions à éléments réactifs car un iris peut présenter à la fois des susceptances capacitive et inductive, d'où une plus grande simplicité.
  • Un iris peut être constitué de deux volets conducteurs pénétrant à l'intérieur du guide de manière symétrique par rapport à l'axe longitudinal du guide et disposés dans un plan transversal perpendiculaire à cet axe.
  • La section de guide d'ondes 3 peut être entraînée en rotation par un ensemble moto-réducteur 4 (d'où l'avantage d'un guide circulaire) de façon à la faire tourner de 45°. La section 3 est suivie d'un transformateur 6 puis d'un déphaseur 7 relié à un cornet 8.
  • Les figures 2a et 2b représentent le schéma équivalent d'un iris 5 pour un guide carré ou circulaire selon la direction de polarisation du champ électrique. L'iris comprend deux volets conducteurs 51 et 52 dans un plan transversal au guide 3 et pénétrant dans le guide d'une hauteur h donnée.
  • Dans le cas de la figure 2a, la direction du champ électrique (représenté par une flèche) est perpendiculaire aux bords de l'iris. Dans ce cas, la susceptance Bc est capacitive.
  • Par contre, dans le cas de la figure 2b où le champ électrique est parallèle aux bords de l'iris, la susceptance BL est inductive.
  • Si maintenant on fait tourner de 45° la section de guide 3 par rapport au champ électrique ayant la direction de la figure 2a ou 2b, on peut considérer l'onde incidente comme décomposable en deux composantes orthogonales de même amplitude dont l'une est parallèle aux bords de l'iris et l'autre perpendiculaire à ces mêmes bords. Si le polariseur impose à ces deux composantes un déphasage différentiel de 90°, on obtient en sortie une onde à polarisation circulaire.
  • Pour optimiser le déphasage différentiel sur une bande de fréquences de fonctionnement donnée, on doit définir les dimensions du guide (côté d d'un guide carré par exemple) et l'enfoncement h des iris. En général on prévoit une loi d'enfoncement pour les différents iris qui peut être une loi en cosinus ou selon une distribution de Tchebycher et qui permet de minimiser le TOS dans la bande de fonctionnement.
  • La figure 3 montre les variations des susceptances capacitive (courbe BC) et inductive (courbe BL) de l'ensemble des iris en fonction de la fréquence.
  • Pour l'iris de rang n dont l'enfoncement est hn, la susceptance capacitive est donnée par : B cn Yo = K 1 h n , d . 1 λ g d , f
    Figure imgb0001
      où Bcn est la susceptance capacitive, Yo la susceptance caractéristique du guide, λg la longueur d'onde dans le guide fonction des dimensions du guide et de la fréquence et K1 (hn, d) une constante dépendant des dimensions du guide et de l'enfoncement de l'iris. La susceptance capacitive est inversement proportionnelle à la longueur d'onde dans le guide.
  • De même la susceptance inductive BLn de l'iris est donnée par : B Ln Yo = K 2 ( h n ,d ).λ g ( d,f )
    Figure imgb0002
  • Cette valeur est proportionnelle à la longueur d'onde dans le guide.
  • Les constantes K1 et K2 sont difficiles à déterminer analytiquement.
  • Cependant par approximation dans le cas du guide carré et en supposant que h est très petit par rapport à d et λg, on peut déterminer le déphasage différentiel d'un simple iris par la relation approchée :
    Figure imgb0003
  • Le premier terme dépend de la dimension du guide et de l'enfoncement des iris ; le deuxième terme dépend de la dimension du guide et de la fréquence. On peut généraliser cette relation et le déphasage différentiel introduit par l'ensemble des N iris s'écrit alors :
    Figure imgb0004
  • La variation de ce déphasage avec la fréquence est représentée sur la figure 4 et celle du taux d'ellipticité en décibels est représentée sur la figure 5. Pour optimiser le polariseur, il faut minimiser le taux d'ellipticité dans la bande de fonctionnement (ici entre 2,6 et 3,6 GHz) d'une part en égalant les performances aux deux fréquences extrêmes et d'autre part en ajustant l'enfoncement des iris de façon à centrer la variation du déphasage différentiel ΦT sur 90°.
  • La première condition, appliquée au deuxième terme de la relation (1), conduit à la détermination de la dimension d du guide : 2d 2 = λgmax.λgmin
    Figure imgb0005
        où λgmax et λgmin sont les longueurs d'onde dans le guide pour les valeurs extrêmes de fréquence de la bande.
  • Lorsque l'on veut donc réaliser un polariseur dans une bande de fréquence donnée, il faut d'abord choisir la dimension d selon la relation (2). Mais, comme on l'a vu, cette détermination découlant de celle des constantes K1 et K2 n'est qu'approximative. Seule, une série de réalisations expérimentales permet de préciser ces facteurs, ce qui, comme on l'a déjà dit, accroît les coûts.
  • Pour remédier à cela, la figure 6 représente le schéma d'un polariseur selon l'invention. Ce polariseur comporte une section de guide d'ondes (3), circulaire dans l'exemple décrit, de diamètre d déterminé approximativement. Dans ce guide, sont placés des iris 5 dont l'enfoncement hn est déterminé à partir de d : l'enfoncement hn des iris obéit à une loi qui peut être une distribution de Tchebycher pour obtenir le meilleur TOS possible dans la bande. Le tout est ajusté pour obtenir également un déphasage différentiel sensiblement égal à 90°.
  • En complément des iris, sont prévues des vis ajustables disposées par paires 30, 31 symétriques par rapport à l'axe de symétrie longitudinal 32, ceci afin d'éviter la génération de modes supérieurs. L'espacement longitudinal entre deux paires adjacentes est sensiblement égal à (2n+1) λg/4 pour la fréquence centrale de la bande de fonctionnement de façon à obtenir une bonne adaptation, ceci supposant qu'il y a au moins deux paires de vis.
  • Enfin les vis par exemple à l'intérieur du guide sont disposées vers une extrémité du guide 3, là où les iris sont le moins enfoncés, de façon à garantir la meilleure tenue en puissance. Dans le cas de la figure 6, les vis ont été disposées dans le plan médian P des iris contenant l'axe 32, c'est-à-dire le plan de la figure pour la coupe longitudinale. Les traces du plan P et du plan orthogonal P' passant par l'axe longitudinal 32 ont été représentées sur la coupe transversale passant par les vis 30 de la figure 6.
  • On peut supposer que, dans un premier cas, la valeur d du guide 3 est trop faible. Les figures 7 à 9 illustrent ce cas.
  • En l'absence des vis 30, 31, on obtient les courbes en trait plein. On voit immédiatement qu'on aboutit à un décalage de la bande de fonctionnement vers les fréquences élevées (cf. figure 9 courbe e).
  • En observant les courbes BC et BL de la figure 7 qui représentent les variations des susceptances capacitive et inductive, on remarque que le déphasage différentiel dans les basses fréquences est essentiellement dû à l'effet inductif des iris qui présente une grande dispersion. L'adjonction de vis conformément à la figure 6, c'est-à-dire dans le plan P, comme représenté à droite de la figure 7, apporte un effet capacitif qui s'ajoute aux susceptances capacitives des iris. On peut alors diminuer l'enfoncement des iris ce qui réduit l'effet inductif et donc la dispersion (cf les courbes BC' et BL' en pointillé de la figure 7). En jouant sur l'enfoncement des vis et des iris, on obtient une courbe de déphasage différentiel optimisée (courbe Φ' sur la figure 8) et une bande de fréquence de fonctionnement recentrée (courbe e' de la figure 9).
  • De la même façon, les figures 10 à 12 illustrent le cas où la section du guide d'ondes 3 et donc la dimension d sont trop grandes. Les courbes en trait plein correspondent aux résultats en l'absence de vis. On aboutit ici à un décalage vers les fréquences basses. Ici, on observe (courbes BC et BL de la figure 10) une dispersion vers les fréquences hautes des suceptances capacitive et inductive dues aux iris et une pente plus faible pour la susceptance inductive. Pour y remédier on prévoit des vis 30, 31 ajustables disposées dans le plan P' (Fig. 6) comme représenté à droite de la figure 10.
  • Les courbes en pointillé des figures 10 à 12 traduisent les résultats obtenus. L'action des vis diminue le déphasage apporté par les susceptances inductives, ce qui permet d'augmenter l'enfoncement des iris pour accroître la pente de la courbe BL' (figure 10). On peut ainsi optimiser le déphasage différentiel et recentrer la bande de fonctionnement, comme le montre la courbe e' de la figure 12.
  • Il est clair que l'invention permet ainsi de réaliser un polariseur pour une bande de fonctionnement donnée sans avoir à rechercher expérimentalement par une succession de fabrications les dimensions optimales du guide.
  • Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux exemples de réalisation décrits. Notamment, il serait possible de remplacer les vis ajustables par d'autres éléments réactifs, tels que des barreaux, ayant une susceptance essentiellement capacitive ou essentiellement inductive. De même, selon le mode de réalisation envisagé, on peut utiliser différents types de vis et notamment des vis classiques s'il n'y a pas de problèmes liés aux fortes puissances.

Claims (7)

  1. Polariseur à iris pour source primaire d'antenne du type incluant une section de guide d'ondes (3) comportant une succession d'éléments réactifs (5) régulièrement espacés formant des iris et agissant comme des susceptances capacitives ou inductives selon la direction de la polarisation linéaire du champ électrique à l'intérieur de ladite section de guide d'ondes, caractérisé en ce qu'il est prévu de disposer dans ladite section de guide d'ondes des éléments ajustables (30, 31) présentant une susceptance qui est essentiellement d'un type donné, capacitif ou inductif, de manière à recentrer la bande de fréquence de fonctionnement dudit polariseur tout en maintenant le déphasage différentiel dudit polariseur sensiblement égal à 90° dans ladite bande de fréquence.
  2. Polariseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits éléments ajustables sont constitués par des vis ou des barreaux dont la profondeur de pénétration dans la section de guide (3) est réglable.
  3. Polariseur selon la revendication 2, dans lequel lesdits éléments réactifs (5) sont constitués chacun par deux volets conducteurs pénétrant symétriquement d'une hauteur donnée (hn) à l'intérieur de la section de guide (3) dans un plan transversal à la section de guide, caractérisé en ce que lesdits éléments ajustables sont constitués par au moins deux paires de vis (30, 31) réglables en hauteur, les vis de chaque paire étant disposées symétriquement par rapport à l'axe de symétrie longitudinal (32) de la section de guide d'ondes (3) et la distance entre les deux paires suivant ledit axe étant sensiblement égale à un multiple impair du quart de la longueur d'onde dans la section de guide à la fréquence centrale de ladite bande de fréquence de fonctionnement.
  4. Polariseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la tête des vis (30, 31) à l'intérieur de la section de guide est de forme sphérique.
  5. Polariseur selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la dimension transversale (d) de la section de guide d'ondes (3) dans le plan médian (P) des iris contenant ledit axe de symétrie (32) étant inférieure à la dimension optimale pour la bande de fréquence de fonctionnement désirée, lesdites vis (30, 31) sont disposées dans ledit plan médian.
  6. Polariseur selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que, la dimension transversale (d) de la section de guide d'ondes (3) dans le plan médian des iris contenant ledit axe de symétrie étant supérieure à la dimension optimale pour la bande de fonctionnement désirée, lesdites vis (30, 31) sont disposées dans le plan (P') contenant ledit axe de symétrie et orthogonal audit plan médian (P).
  7. Polariseur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits éléments ajustables (30, 31) sont disposés vers une des extrémités de ladite section de guide d'ondes (3).
EP19960401830 1995-09-01 1996-08-27 Polariseur à iris pour source primaire d'antenne Expired - Lifetime EP0762529B1 (fr)

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