EP0762529B1 - Polariseur à iris pour source primaire d'antenne - Google Patents
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- 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.
- the polarizer is of the iris type, that is to say that it has inside a waveguide section a succession of regularly reactive elements spaced. These reactive elements are often conductive strips symmetrically entering the waveguide section and located in transverse planes, that is to say perpendicular to the longitudinal axis.
- An object of the invention is therefore a polarizer free of these disadvantages thanks to a simple possibility of adjustment and adaptation to a given frequency band.
- an iris polarizer for source antenna primary of the type including a waveguide section longitudinal with a succession of regularly reactive elements spaced apart forming irises and acting as capacitive susceptances or inductive according to the direction of the linear polarization of the field electric inside said waveguide section, as defined in the revendications.
- Figure 1 schematically represents a primary source known antenna such as those mentioned above.
- This source 1 includes a transition 2 to a section of waveguide 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. We prefer often use irises although screw solutions or quartz blades by example can be used.
- the iris solution is more efficient, better suited to large powers and above all requires fewer elements than the other reactive element solutions because an iris can have both capacitive and inductive susceptibility, hence a greater simplicity.
- An iris may consist of two conductive flaps penetrating at inside the guide symmetrically 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) of so that it rotates 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 depending on the polarization direction of the field electric.
- the iris comprises two conducting flaps 51 and 52 in a plane transverse to guide 3 and entering the guide of a given height h.
- susceptance B VS is capacitive.
- the susceptance B L is inductive.
- guide section 3 is rotated 45 ° by compared to the electric field having the direction of figure 2a or 2b, one can consider the incident wave as decomposable into two components orthogonal of the same amplitude, one of which is parallel to the edges of the iris and the other perpendicular to these same edges. If the polarizer requires these two components a 90 ° differential phase shift, we obtain at output a wave with circular polarization.
- the dimensions of the guide (side d of a square guide for example) and sinking h of the irises are provided.
- a sinking law for the different irises which can be a law in cosine or according to a distribution of Tchebychev and which allows to minimize the TOS in the operating band.
- Figure 3 shows the variations in capacitive susceptances (BC curve) and inductive (BL curve) of all the irises as a function of the frequency.
- the capacitive susceptance is inversely proportional to the wavelength in the guide.
- 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 whose sinking h n is determined from d : the sinking h n of the irises obeys a law which can be a Chebyshev 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 °.
- the screws for example inside the guide are arranged towards one end of the guide 3, where the irises are the least depressed, so 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 plane P and the orthogonal plane P 'passing through the longitudinal axis 32 have been shown on the cross 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 FIG. 10 a dispersion towards the high frequencies of the capacitive and inductive suceptances due to the irises and a lower slope for the inductive susceptance.
- the invention is in no way limited to the examples of realization described.
Landscapes
- Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)
- Polarising Elements (AREA)
- Waveguide Aerials (AREA)
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 entraíne 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 polariseur de ce type où des vis sont utilisées à la place des
iris mais où les mêmes problèmes se retrouvent est décrit, par exemple,
dans le brevet américain US 4 672 334. Ce brevet décrit un polariseur
comportant pour chaque bande de fréquences, dans une section de guide
d'ondes, une paire de rangées de vis conductrices diamétralement
opposées. L'enfoncement de ces vis peut être réglé pour optimiser
seulement certaines grandeurs du polariseur.
Un polariseur à iris est décrit dans le brevet soviétique
XP002003899 où aucun moyen de réglage après fabrication
n'est inclu.
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
longitudinale 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, tel que défini dans
les revendications.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et
avantages apparaítront 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 entraínée 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 B C 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 Tchebychev 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 :
Bcn Yo = K 1 (hn ,d) . 1 λg (d, f)
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 :
BLn Yo = K 2 (hn , d) . λg (d, f)
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 :
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 :
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 T sur 90°.
La première condition, appliquée au deuxième terme de la
relation (1), conduit à la détermination de la dimension d du guide :
2d2 = λgmax.λgmin
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, accroít 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 Tchebychev 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 accroítre 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)
- Polariseur à iris pour source primaire d'antenne du type incluant une section de guide d'ondes (3) longitudinale 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, en complément desdits iris, 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, de manière à minimiser le taux d'ellipticité de l'onde à la sortie du polariseur.
- 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.
- 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 longitudinale, 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.
- 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.
- 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,|dimension optimale qui rend égal le taux d'ellipticité obtenu aux deux extrémités de ladite bande de fréquence, lesdites vis (30, 31) sont disposées dans ledit plan médian.
- 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, dimension optimale qui rend égal le taux d'ellipticité obtenu aux deux extrémités de ladite bande de fréquence, lesdites vis (30, 31) sont disposées dans le plan (P') contenant ledit axe de symétrie et orthogonal audit plan médian (P).
- 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).
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Country Status (3)
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