FR2738400A1 - IRIS POLARIZER FOR PRIMARY ANTENNA SOURCE - Google Patents
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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 deg. 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.The invention relates to an iris polarizer for a primary antenna source. The polarizer comprises in a waveguide section (3) a succession of irises of variable depression, which can produce a differential phase shift of 90 deg. on two orthogonal components of the electric field so as to obtain a circularly polarized wave. To optimize the polarizer without having to change the dimensions of the guide, pairs of adjustment screws (30, 31) are introduced either in the median plane (P) of the irises, or in the orthogonal plane (P '). The invention applies in particular to primary sources for radar antennas.
Description
I La présente invention se rapporte à un polariseur à iris pourThe present invention relates to an iris polariser for
source primaire d'antenne.primary source of antenna.
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, I'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 900 entre les composantes du In many cases, it is desired to have an antenna that can operate either in linear polarization or in circular polarization. This is particularly the case of antennas used in the control of air traffic. As is known, the use of a circular polarization allows more particularly to overcome, to a large extent, the 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 another by providing, in the case of circular polarization, a differential phase difference of substantially 900 between the components of the antenna.
champ électrique.electric field.
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 Generally and particularly for large powers, the polarizer is of the iris type, that is to say that it comprises, within a waveguide section, a succession of regularly spaced reactive elements. These reactive elements are often conductive strips penetrating symmetrically into the waveguide section and located in
des plans transversaux c'est-à-dire perpendiculaires à l'axe longitudinal. transverse planes that is to say perpendicular to the longitudinal axis.
Suivant l'orientation du champ électrique par rapport aux iris, ceux-ci peuvent présenter une susceptance capacitive ou inductive. Lorsque Depending on the orientation of the electric field with respect to the iris, these can have a capacitive or inductive susceptance. When
le champ électrique est à 45 par rapport aux iris, on peut décomposer celui- the electric field is 45 relative to the irises, we can decompose this one
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'o 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'o une dégradation ci in two orthogonal components equal in amplitude. By providing for the arrangement of the irises, their number and the dimensions of the guide, a differential phase difference between these two components equal to 90% of a circularly polarized wave at the output of the polarizer can be obtained. An optimized differential phase shift on an operating frequency band can be obtained by very precisely defining the parameters of the polarizer. But some of these are very difficult to define by calculation, resulting in successive polarizer implementations to develop and optimize it in an experimental manner. This is of course long and expensive. In addition, since the production methods are complex, it is difficult to maintain the manufacturing tolerances during the mass production of a deterioration.
des performances.performs.
Un objet de l'invention est donc un polariseur exempt de ces inconvénients grâce à une possibilité simple de réglage et d'adaptation à An object of the invention is therefore a polarizer free of these disadvantages thanks to a simple possibility of adjustment and adaptation to
une bande de fréquence donnée.a given frequency band.
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 According to the invention, there is provided 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 according to the invention. direction of the linear polarization of the electric field within said waveguide section, characterized in that provision is made in said waveguide section of adjustable elements having a susceptance which is essentially of a given type, capacitive or inductive, so as to recenter the operating frequency band of said polarizer while maintaining the differential phase difference of said polarizer substantially equal to 90 "in said band of
1 5 fréquence.Frequency.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et The invention will be better understood and other characteristics and
avantages apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins The advantages will be apparent from the following description and drawings
joints o: - 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 o-seals: - Figure 1 is a diagram of a known primary antenna source with an iris polarizer; FIGS. 2a and 2b represent explanatory diagrams; FIGS. 3 to 5 are curves relating to an optimized iris polarizer; FIG. 6 is a diagram in longitudinal and transverse section of a polarizer according to the invention; FIGS. 7 to 9 are curves relating to the polarizer of FIG. 6 when the waveguide has a section that is too weak; and FIGS. 10 to 12 are curves relating to the polarizer of the
figure 6 lorsque le guide d'ondes a une section trop grande. Figure 6 when the waveguide has a section too large.
La figure 1 représente schématiquement une source primaire Figure 1 schematically represents a primary source
d'antenne connue telle que celles mentionnées ci-dessus. known antenna such as those mentioned above.
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'o une This source 1 comprises a transition 2 to a waveguide section 3 of a polarizer. The waveguide may be of square, rectangular or circular section. The simplest solution that has been represented 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 screw solutions or quartz plates for example may be used. However, the iris solution is more efficient, better suited to large powers and above all requires fewer elements than other solutions with reactive elements because an iris can present both capacitive and inductive susceptances, hence a
plus grande simplicité.greater simplicity.
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 An iris may consist of two conductive flaps penetrating inside the guide symmetrically with respect to the longitudinal axis of the
guide et disposés dans un plan transversal perpendiculaire à cet axe. guide and arranged in a transverse plane perpendicular to this axis.
La section de guide d'ondes 3 peut être entraînée en rotation par un ensemble moto-réducteur 4 (d'o l'avantage d'un guide circulaire) de façon à la faire tourner de 45 . La section 3 est suivie d'un transformateur 6 The waveguide section 3 can be rotated by a geared motor assembly 4 (hence the advantage of a circular guide) so as to turn it 45 degrees. Section 3 is followed by a transformer 6
puis d'un déphaseur 7 relié à un cornet 8. then a phase shifter 7 connected to a horn 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 Figures 2a and 2b show the equivalent diagram of an iris 5 for a square or circular guide in the direction of polarization of the electric field. The iris comprises two conductive flaps 51 and 52 in a plane
transversal au guide 3 et pénétrant dans le guide d'une hauteur h donnée. transverse to the guide 3 and penetrating into the guide of a given height h.
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 In the case of Figure 2a, the direction of the electric field (represented by an arrow) is perpendicular to the edges of the iris. In this
cas, la susceptance Bc est capacitive. case, susceptance Bc is capacitive.
Par contre, dans le cas de la figure 2b o le champ électrique est In contrast, in the case of Figure 2b where the electric field is
parallèle aux bords de l'iris, la susceptance BL est inductive. parallel to the edges of the iris, the susceptance BL is 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 If now the guide section 3 is rotated with respect to the electric field having the direction of FIG. 2a or 2b, the incident wave can be considered as decomposable into two orthogonal components 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 imposes on these two components a differential phase difference of 90, we obtain at the output
une onde à polarisation circulaire. a circularly polarized wave.
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 To optimize the differential phase difference over a given operating frequency band, it is necessary to define the dimensions of the guide (on the side of a square guide, for example) and the depression h of the irises. In general, a law of depression for the different irises is provided which can be a cosine law or a Chebycher distribution and which allows
minimiser le TOS dans la bande de fonctionnement. minimize the TOS in the operating band.
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] cYO =K,(h,d) g(d Yo 2g(d,f) O Bcn est la susceptance capacitive, Yo la susceptance caractéristique du guide, kg 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 Figure 3 shows the variations of capacitive susceptance (curve BC) and inductive (curve BL) of all iris as a function of frequency. For the iris of rank n whose depression is hn, the capacitive susceptance is given by: B] cYO = K, (h, d) g (d Yo 2g (d, f) O Bcn is the capacitive susceptance, Yo the characteristic susceptance of the guide, kg the wavelength in the guide function of the dimensions of the guide and the frequency and K1 (hn d) a constant depending on the dimensions of the guide and the depression of the iris. is inversely proportional to the wavelength
dans le guide.in the guide.
De même la susceptance inductive BLn de l'iris est donnée par: BL" =K2 (h,,d). 2g(d,f) Yo 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 kg, 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: asT4L > h][Ag 2] (1) 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 In the same way, the inductive susceptance BLn of the iris is given by: BL "= K2 (h ,, d) 2g (d, f) Yo This value is proportional to the wavelength in the guide. K2 are difficult to determine analytically However, by approximation in the case of the square guide and assuming that h is very small compared to d and kg, we can determine the differential phase difference of a simple iris by the approximated relation: The first term depends on the size of the guide and iris depression, the second term depends on the size of the guide and the frequency This general relation can be generalized and the differential phase difference introduced by the set of N iris can be written as follows: asT4L> h] [Ag 2] (1) The variation of this phase shift with the frequency is represented in FIG. 4 and that of the ellipticity ratio in decibels is represented in FIG. 5. To optimize the polarizer, it is necessary to minimize the ellipticity rate in the operating band ent (here between 2.6 and 3.6 GHz) on the one hand by matching the performances at the two extreme frequencies and on the other hand by adjusting the depression of the irises so as to center the variation of the phase shift
différentiel (IT sur 90 .differential (IT over 90.
La première condition, appliquée au deuxième terme de la relation (1), conduit à la détermination de la dimension d du guide: 2d2 = Xgmax.Xgmin (2) o Xgmax et Xgmin sont les longueurs d'onde dans le guide pour The first condition, applied to the second term of relation (1), leads to the determination of the dimension d of the guide: 2d2 = Xgmax.Xgmin (2) where Xgmax and Xgmin are the wavelengths in the guide for
les valeurs extrêmes de fréquence de la bande. extreme frequency values of the band.
Lorsque l'on veut donc réaliser un polariseur dans une bande de So when we want to make a polarizer in a band of
fréquence donnée, il faut d'abord choisir la dimension d selon la relation (2). given frequency, it is first necessary to choose the dimension d according to 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 But, as we have seen, this determination resulting from that of constants K1 and K2 is only approximate. Only a series of experimental achievements can clarify these factors, which, as we have already
dit, accroît les coûts.says, increases costs.
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: I'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 To remedy this, Figure 6 shows 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. In this guide are placed irises 5 whose depression hn is determined from d: the indentation hn iris obeys a law that can be a Chebycher distribution to obtain the best possible TOS in the band. Everything is adjusted to also get a
déphasage différentiel sensiblement égal à 90". differential phase difference substantially equal to 90 ".
En complément des iris, sont prévues des vis ajustables disposées par paires 30, 31 symétriques par rapport à l'axe de symétrie In addition to the irises, there are provided adjustable screws arranged in pairs 30, 31 symmetrical with respect to the axis of symmetry
longitudinal 32, ceci afin d'éviter la génération de modes supérieurs. longitudinal 32, this to avoid the generation of higher modes.
L'espacement longitudinal entre deux paires adjacentes est sensiblement égal à (2n+1) Xg/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 o les iris sont le moins enfoncés, de façon à garantir la meilleure tenue en puissance. Dans le cas de la figure 6, les vis The longitudinal spacing between two adjacent pairs is substantially equal to (2n + 1) xg / 4 for the center frequency of the operating band so as to obtain a good fit, this assuming that there are at least two pairs of screws . Finally the screws for example inside the guide are arranged towards one end of the guide 3, where the irises are the least sunken, so as to ensure the best power handling. In the case of Figure 6, the screws
ont été disposées dans le plan médian P des iris contenant l'axe 32, c'est-à- have been arranged in the median plane P irises containing the axis 32, that is to say
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 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 represented
sur la coupe transversale passant par les vis 30 de la figure 6. on the cross section through the screws 30 of Figure 6.
On peut supposer que, dans un premier cas, la valeur d du guide We can assume that, in the first case, the value d of the guide
3 est trop faible. Les figures 7 à 9 illustrent ce cas. 3 is too weak. Figures 7 to 9 illustrate this case.
En l'absence des vis 30, 31, on obtient les courbes en trait plein. In the absence of the screws 30, 31, the curves in full line are obtained.
On voit immédiatement qu'on aboutit à un décalage de la bande de We immediately see that we end up with a shift of the band of
fonctionnement vers les fréquences élevées (cf. figure 9 courbe e). operating at high frequencies (see figure 9 curve 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 O' sur la figure 8) et une bande de fréquence de fonctionnement recentrée By observing the curves BC and BL of FIG. 7 which represent the variations of the capacitive and inductive susceptances, it is noted that the differential phase shift in the low frequencies is essentially due to the inductive effect of the iris which presents a great dispersion. The addition of screws according to Figure 6, that is to say in the plane P, as shown to the right of Figure 7, provides a capacitive effect that adds to capacitive susceptances iris. We can then reduce the depression of the iris which reduces the inductive effect and therefore the dispersion (cf curves BC 'and BL' in dotted line in Figure 7). By acting on the depression of the screws and irises, an optimized differential phase shift curve (curve O 'in FIG. 8) is obtained and a recentered operating frequency band.
(courbe e' de la figure 9).(curve e 'of Figure 9).
De la même façon, les figures 10 à 12 illustrent le cas o 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 , 31 ajustables disposées dans le plan P' (Fig. 6) comme représenté à In the same way, Figures 10 to 12 illustrate the case where the section of the waveguide 3 and thus the dimension d are too large. The curves in solid lines correspond to the results in the absence of screws. This leads to a shift towards low frequencies. Here, we observe (curves BC and BL of FIG. 10) a dispersion towards the high frequencies of the capacitive and inductive receptions due to the iris and a lower slope for the inductive susceptance. To remedy this, adjustable screws 31 are provided in the plane P '(FIG.
droite de la figure 10.right of 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 The dotted curves of Figures 10 to 12 reflect the results obtained. The action of the screws reduces the phase shift brought by the inductive susceptances, which makes it possible to increase the depression of the irises to increase the slope of the curve BL '(FIG. 10). It is thus possible to optimize the differential phase difference and refocus the operating band, as the
montre la courbe e' de la figure 12. shows the curve e 'of FIG.
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 It is clear that the invention thus makes it possible to produce a polarizer for a given operating band without having to experimentally search through a succession of fabrications for the dimensions
optimales du guide.optimal guide.
Bien entendu, I'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 Of course, the invention is not limited to the embodiments described. In particular, it would be possible to replace the adjustable screws with other reactive elements, such as bars, having a substantially capacitive or essentially inductive susceptance. Similarly, according to the embodiment envisaged, one can use different types of screws and in particular conventional screws if there are no problems related to
aux fortes puissances.to the strong powers.
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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| EP0762529A1 (en) | 1997-03-12 |
| EP0762529B1 (en) | 2001-03-14 |
| FR2738400B1 (en) | 1997-10-03 |
| DE69612052T2 (en) | 2001-09-20 |
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