EP0213646A1 - Modular microwave antenna units and antenna comprising such units - Google Patents
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- EP0213646A1 EP0213646A1 EP86200959A EP86200959A EP0213646A1 EP 0213646 A1 EP0213646 A1 EP 0213646A1 EP 86200959 A EP86200959 A EP 86200959A EP 86200959 A EP86200959 A EP 86200959A EP 0213646 A1 EP0213646 A1 EP 0213646A1
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q21/00—Antenna arrays or systems
- H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
- H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
- H01Q21/064—Two dimensional planar arrays using horn or slot aerials
Definitions
- the invention relates to a unitary microwave antenna module for the reception or emission of a rectilinearly polarized wave, comprising radiating elements in the form of horns and a supply network composed of waveguides of rectangular section connected to on the one hand to the horns and on the other hand between them so that for each horn the total length of the feeding path is the same.
- the invention also relates to a microwave antenna comprising such unit modules.
- the invention finds its application, for example, in the production of flat antennas for the reception of television broadcasts retransmitted by artificial satellites.
- An antenna comprising radiating elements in the form of horns supplied by waveguides is known from patent DE 2641711.
- This document describes a linear antenna module, consisting of a row of horns machined from a fiberglass block, the surfaces are metallized.
- This row of horns is supplied on the one hand by a main line and on the other hand by individual lines connected to the main line.
- the main line is of rectangular section, machined in aluminum and can be filled with a dielectric material. It is carried out so as to form in the plane of the electric field E a stepped power divider allowing the waveguides which ensure the individual connection of the horns to the main line to be supplied with equal power.
- Each of these waveguides is formed by a laminated structure comprising a dielectric material interposed between two layers of copper, the edges of this structure being metallized.
- the length of the individual feed guides, as well as their connection point to the main line, are chosen so that for each horn, the length of the feed path composed of the main line and the individual feed line, is the same.
- Such a structure is provided to allow phase differences in the feeding of the horns to be corrected by shortening some of the individual feeding lines.
- the antenna module described in the cited document is of linear form, with series supply, which makes it very difficult to feed the horns exactly in phase and therefore it is essential to carry out a adjustment of the length of the individual supply lines to improve this result.
- the solution proposed by the cited document to solve this problem leads to a complex antenna shape, as well as assembly and adjustment that are too delicate to be carried out for example during mass production.
- this antenna must have particular properties.
- the wave is circularly polarized if the end of the electric field vector É describes a circle in the plane perpendicular to the direction of propagation.
- the polarization is right circular when E turns clockwise for an observer looking in the direction of propagation.
- the polarization is left circular in the other case.
- a circularly polarized wave can be broken down into two linearly polarized waves, perpendicular to each other and phase shifted by ⁇ n72.
- the antenna intended for the envisaged application can therefore be produced according to the following principle: the two perpendicular components, due to the emission by the satellite of a circularly polarized wave, are picked up and then composed with the appropriate phase shift ( ⁇ 7T / 2 depending on whether we are dealing with a right or left circular polarization).
- This principle supposes the use in front of the antenna of a depolarizing radome.
- This radome is designed in such a way that it delays one of the components of the circularly polarized wave, thus causing the necessary phase shift.
- the two linear polarization waves are thus in phase and their vector composition gives a linearly polarized wave which can be received by an antenna with a single linear polarization.
- this module is characterized in that at least one wall of the openings of the horns also includes a fin.
- the present invention also proposes a microwave antenna characterized in that it comprises a multiple number of four of such unit modules supplied to each other by a planar arborized network of the same type as the network distributed inside each module and in the same plane as the latter, so that all the horns of the antenna are supplied with a signal respectively of the same amplitude and of the same phase.
- this antenna is characterized in that it consists of two plates, the surfaces of which are electrically conductive, the horns being formed in the thickness of the first plate, the openings of the horns opening onto the first face of this plate and the mouths on the second face, the guide supply network being formed by grooves made on the first face of the second plate, these grooves constituting three of the four faces of the guides and the application of the second face of the first plate on the first face of the second plate forming the fourth face of the guides and the connections with the horns.
- this antenna is characterized in that it consists of two plates, the surfaces of which are electrically conductive, the horns being formed in the thickness of the first plate, the openings of the horns opening onto the first face of this plate and the mouths on the second face, the guide supply network being formed by hollow grooves made on this second face and constituting three of the four faces of the guides, the second plate having a first planar face, and the application of the second face of the first plate on the first face of the second plate forming the fourth face of the guides and the connections with the horns.
- the antenna produced according to the present invention offers numerous advantages. First of all, it has losses as low as possible because it is entirely supplied by waveguides excluding any dielectric other than air.
- the antenna can be produced using only two plates, metallic or even only metallized, by a very simple manufacturing process.
- This manufacturing process is all the more simple as the waveguide sections and the branches of the T power dividers are linear, that the elbows are at right angles, and that the patterns formed by the horns are repetitive, as well as the patterns of the fins.
- the antenna thus produced has excellent mechanical qualities. It is particularly solid, resistant to weathering and aging.
- this antenna has great technical qualities. It can operate in the hyper frequency domain, for example 12 GHz and over a very wide frequency band.
- the radiating element of a unitary antenna module consists of a horn 1 whose opening has a square section on side A.
- the opening of the horn is placed parallel to a reference plane P defined by the direction of propagation of the electric field E and magnetic field H in the environment outside the antenna, and the sides of the square opening of the horn are placed either parallel to the electric field E , or parallel to the magnetic field H of the medium outside the antenna.
- the mouth 4 of the horn 1 is connected to the wave guide 3 by an elbow 2.
- the wave guide 3 and the internal mouth 4 have a rectangular section with sides a and b such that a> b,
- the electric field E propagates parallel to side b and the magnetic field H spreads parallel to side a.
- the waveguide 3 is placed so that the dimension a of its section is parallel to the reference plane P and the dimension b perpendicular. Under these conditions, the electric field E propagates in the guide 3 perpendicular to the reference plane P, and the magnetic field ⁇ propagates parallel to the reference plane P.
- the guide 3 is said to be "plane H ".
- the angle of the elbow 2 connecting the mouth 4 to the guide 3 is therefore in a plane parallel to a plane Q, the plane Q being defined as perpendicular to the plane P and parallel to one of the sides of the openings of the horns . In operation, in the bend 2, this plane is parallel to the vector E .
- Elbow 2 can be called "plane elbow r".
- the plane Q is defined, in operation, by the magnetic field E and the perpendicular oz to the plane P, as shown in Figure 10a.
- the antenna module according to the invention consists of four horns, the openings of which form a pattern repeated by simple translation, along two axes parallel to the sides, with the same pitch, in a plane parallel to the reference plane P, as it is shown in Figure 2a, in perspective, seen from above.
- planar supply network is therefore called "plan H".
- this network is of the so-called "tree-like" type.
- the horns are fed by two symmetrically with respect to a plane parallel to the plane Q, to form two groups of two identical radiating elements. Then the two groups thus formed are supplied symmetrically, with respect to a plane parallel to a plane Q ', this plane Q' being defined as perpendicular both to the reference plane P and to the plane Q as shown in FIG. 10a. .
- the plane Q ' is defined by the magnetic field H and the perpendicular oz to the plane P.
- the supply symmetry of two horns can be obtained by a planar network such as elbows 5 whose angle is located in the plane of the network connect the individual feed guides 3 of these horns to a power divider 6 in the shape of a T in the same plane.
- the plane of symmetry of the system formed by the two horns, the two elbows 2, the two individual guides 3, the two elbows 5 and the power divider 6, is a plane parallel to Q, the trace of which is the l "on the figure 3.
- the supply symmetry of the two groups of two horns thus formed is obtained by connecting the waveguides 8 from the power dividers 6 by a T-shaped power divider 7 located in the plane of the network.
- This power divider 7, output 9, and the guide sections 8 admit as plane of symmetry a plane parallel to Q ′ whose trace is J'J "in FIG. 3.
- the length of the feeding path is exactly the same and the horns are fed perfectly in phase.
- all the waveguide sections are rectilinear and in a plane parallel to that of the openings of the horns.
- a microwave antenna can be formed from a multiple of four of such unit modules supplied to each other by a planar arborized network of the same type as the network distributed inside each module and in the same plane as the latter.
- the antenna can include the number of radiating elements necessary to obtain the desired gain for the antenna and all the radiating elements.
- nants of the antenna are however supplied by signals of the same amplitude and of the same phase respectively, making it possible to obtain perpendicular to the plane P a maximum radiation and therefore a maximum gain in accordance with the recommendations of the CCIR.
- the following example is given to show that the antenna according to the invention can have technical characteristics suitable for the reception of television broadcasts relayed by artificial satellite.
- the guide supply network provided with the fins is shown in perspective in FIG. 2c.
- Curve C is the envelope of the radiation diagram
- curve C2 is the envelope of the cross-polarization diagram.
- the antenna In addition to the fact that the antenna must be able to be manufactured in a cheap manner, its efficiency must be high: for this, it is therefore necessary to optimize the radiating element and minimize losses in the circuit.
- FIG. 4a represents in cross section, a waveguide 30 provided with a fin 20, placed on the wall 32 of dimension a.
- the fin 20 has a thickness S and leaves an opening of dimension b ′ between its end and the wall 31 opposite the wall 32.
- the electromagnetic field can be considered as the result of the wave moving from one edge to the other of the guide at the wavelength ⁇ c .
- FIG. 4c represents the equivalent diagram of FIG. 4b for n even, and FIG. 4d for n odd.
- Z represents the impedance in the cavity 41 and Z 2 represents the impedance in the cavity 42, ⁇ 1 and ⁇ 2 are the associated electrical lengths:
- FIG. 4a The general appearance of the electric field lines is given in FIG. 4a.
- the fins are placed in the guide supply circuit as shown in FIG. 2c.
- the ratio (b / a) we therefore have the value of a.
- the pairs of values (s / a -b '/ b) are determined such that the desired cutoff frequency f c is obtained (for example 10 GHz).
- f c the desired cutoff frequency
- the overall reflection coefficient will then be, as a first approximation, the sum of all the reflections seen in each discontinuity, weighted of course by the appropriate phase shift, that is to say: with y m , propagation constant in the section considered, this relation can then be put in the following simple form: with: (The formula (10) is obtained by considering discontinuities of very low height compared to the wavelength and by neglecting the influence of the modes of higher order).
- a transition 49 between a fin guide 30 and a guide 50 is shown in Figure 5b.
- the length of the rung 48 formed by the fin 20 is obtained from the resolution of equation (10) and depends on the choice of H.
- the impedance of the fin guide it is possible to vary either the width of the fin, its height or the dimensions of the guide.
- the first solution was chosen: variation of the height of the fin for the quarter-wave transition.
- the problem is to go from a fin guide (single or double) to free space.
- the shape of the fins inside the horn must be such that the cut-off frequency remains lower than the operating frequency band while retaining sufficient adaptation.
- the adaptation depends on the dimensions of the inlet guide, the opening and the length of the horn.
- the different parameters of a horn are given in FIGS. 6a to 6d.
- the gain of a pyramid horn can be calculated as a function of the gains of plane side horns (E) and (H).
- the expected gain is of the order of 9 dB. assuming therefore that the formulation (14) can apply to our case, we should expect a decrease in gain for the horn with fins (s) compared to the pyramid horn.
- the profiles P s and P 6 represent the pseudo-double fins and the profile P 7 is the theoretical appearance of the single fin horn having the same behavior.
- the technique of the pseudo-double fin has the advantages of symmetrizing the radiation diagram in the "E" plane (the diagram of the element alone nevertheless remains slightly asymmetrical), and of reducing mutual coupling.
- Table 1 summarizes the preferred values of the dimensions of the various elements of the antenna in the embodiment described above.
- the waveguide supply network is designed in a plane parallel to the plane of the cone openings, it is possible to make the entire antenna in the form of a planar antenna using only two plates . These plates can be metallic and machined, or even molded plastic whose surfaces are metallized.
- the antenna consists of two plates 100 and 110, the main faces 101 and 102 for the plate 100, and the main faces 103 and 104 for the plate 110 are parallel to the reference plane.
- the plate 100 comprises a multiple number of four of unit modules of four horns placed in an adjacent manner, so that all the horns are deduced from each other by a translation of the same pitch in the two directions parallel to the sides of the square openings .
- the horns are shaped in the thickness of the plate 100 so that the openings are flush with the face 101 and so that the mouths 4 are flush with the face 102, the thickness of the plate 100 being provided equal to the height of the horns (see Figures 4a and 5a).
- the plate 110 comprises the elbows 2 and the planar feed network of the antenna formed by grooves made in the hollow on the face 103 of this plate.
- the grooves have a width a and a depth b and constitute three of the faces of the grating waveguides.
- the application of the face 103 of the plate 110 on the face 102 of the plate 100 forms the fourth face of the rectangular section waveguides of the supply network and connects the horns to the network thus formed.
- the plate 110 must have a thickness slightly greater than the quantity b, which gives for the total thickness of the planar antenna thus formed a value slightly greater than the quantity of b + h.
- the antenna consists of two plates 200 and 210, the main faces 201 and 202 for the plate 200, and the main faces 203 and 204 for the plate 210 are parallel to the reference plane P.
- the plate 200 comprises the unit modules placed adjacent to each other, as in the embodiment described above.
- the horns are shaped in the thickness of the plate 200 so that the openings are flush with the face 201 and so that the mouths are in the thickness of the material forming the plate 200.
- the latter is provided with a thickness equal to the height h of the horns increased by the value of the dimension b of the guides.
- the antenna feed network is ready ticked on the face 202 of the plate 200 in the form of hollow grooves of width a and depth b, and of elbows 2 making it possible to connect the mouths of the horns to the grooves.
- the plate 210 is a simple blade with parallel faces. The application of the face 203 of the plate 210 on the face 202 of the plate 200 forms the fourth face of the waveguides of the supply network.
- the antenna used according to one of the embodiments described above is therefore particularly simple and inexpensive to manufacture. It can be made in large series. It has great mechanical strength and does not require adjustment during assembly.
- the plates can also be held opposite one another by screws.
- this antenna does not include a dielectric, the losses are as low as possible, and on the other hand it is extremely resistant to aging.
- this antenna is of low volume and low weight. It is therefore particularly easy to set up and its support is then inexpensive.
- Such an antenna is therefore extremely well suited for general public use for the reception of television broadcasts retransmitted by satellites. Indeed in such a reception system the antenna is an important element for two reasons: firstly the quality of reception depends directly on the characteristics of the antenna and secondly, the cost of the antenna and its support as well as the cost of installation and pointing to the satellite largely define the final cost of the reception system.
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Abstract
Module unitaire d'antenne hyperfréquences pour la réception ou l'émission d'une onde polarisée rectilignement, comportant des éléments rayonnants en forme de cornets et un réseau d'alimentation composé de guides d'onde de section rectangulaire connectés d'une part aux cornets et d'autre part entre eux de telle manière que pour chaque cornet la longueur totale du trajet d'alimentation est la même, caractérisé en ce que : - il comprend quatre cornets adjacents dont les ouvertures carrées forment un motif bidimensionnel dans un plan parallèle à un plan de référence P, - le réseau d'alimentation en guide d'onde est du type dit "planaire" du fait qu'il est distribué dans un plan parallèle au plan P, la grande dimension a de la section des guides étant parallèle à ce plan P, - le réseau d'alimentation en guide est du type dit "arborisé" du fait que les cornets sont alimentés au moyen de diviseur de puissance (7,8) en forme de T, dont les branches sont rectilignes et symétriques, - au moins une paroi des guides parallèle à la dimension a comporte une ailette (20) dans le plan de symétrie. Application : Antenne plane 12 GHzUnit microwave antenna module for receiving or transmitting a rectilinearly polarized wave, comprising radiating elements in the form of horns and a supply network composed of waveguides of rectangular section connected on the one hand to the horns and on the other hand between them in such a way that for each horn the total length of the feeding path is the same, characterized in that: - it comprises four adjacent horns whose square openings form a two-dimensional pattern in a plane parallel to a reference plane P, - the waveguide supply network is of the so-called "planar" type because it is distributed in a plane parallel to the plane P, the large dimension a of the section of the guides being parallel in this plane P, - the guide supply network is of the so-called "tree-like" type because the horns are supplied by means of a T-shaped power divider (7,8), the branches of which are straight and symmetrical , - at least u ne wall of the guides parallel to dimension a has a fin (20) in the plane of symmetry. Application: 12 GHz planar antenna
Description
L'invention concerne un module unitaire d'antenne hyperfréquences pour la réception ou l'émission d'une onde polarisée rectilignement, comportant des éléments rayonnants en forme de cornets et un réseau d'alimentation composé de guides d'onde de section rectangulaire connectés d'une part aux cornets et d'autre part entre eux de telle manière que pour chaque cornet la longueur totale du trajet d'alimentation est la même.The invention relates to a unitary microwave antenna module for the reception or emission of a rectilinearly polarized wave, comprising radiating elements in the form of horns and a supply network composed of waveguides of rectangular section connected to on the one hand to the horns and on the other hand between them so that for each horn the total length of the feeding path is the same.
L'invention concerne également une antenne hyperfréquences comprenant de tels modules unitaires.The invention also relates to a microwave antenna comprising such unit modules.
L'invention trouve son application, par exemple, dans la réalisation d'antennes planes pour la réception d'émissions de télévision retransmises par satellites artificiels.The invention finds its application, for example, in the production of flat antennas for the reception of television broadcasts retransmitted by artificial satellites.
Une antenne comportant des éléments rayonnants en forme de cornets alimentés par des guides d'onde est connue du brevet DE 2641711. Ce document décrit un module linéaire d'antenne, constitué d'une rangée de cornets usinés dans un bloc en fibre de verre dont les surfaces sont métallisées. Cette rangée de cornets est alimentée d'une part par une ligne principale et d'autre part par des lignes individuelles connectées à la ligne principale. La ligne principale est de section rectangulaire, usinée dans l'aluminium et peut être emplie d'un matériau diélectrique. Elle est réalisée de manière à former dans le plan du champ électrique
Mais une telle antenne présente de nombreux inconvénients. Tout d'abord, elle présente obligatoirement des pertes très élevées car la propagation des ondes dans un milieu diélectrique tel que celui qui constitue la structure stratifiée des lignes d'alimentation individuelles des cornets est toujours sujette à des pertes élevées même si le diélectrique est de très bonne qualité. L'introduction d'un matériau diélectrique identique dans la ligne principale augmente encore les pertes. A cela s'ajoute le fait que le prix d'un matériau diélectrique de bonne qualité est toujours très élevé et augmente considérablement le coût de l'antenne.However, such an antenna has many drawbacks. First of all, it necessarily has very high losses because the propagation of the waves in a dielectric medium such as that which constitutes the layered structure of the individual supply lines of the horns is always subject to high losses even if the dielectric is very good quality. The introduction of an identical dielectric material in the main line further increases the losses. Added to this is the fact that the price of a good quality dielectric material is always very high and considerably increases the cost of the antenna.
Ensuite, le module d'antenne décrit dans le document cité est de forme linéaire, à alimentation en série, ce qui fait qu'il est effectivement très difficile d'alimenter les cornets exactement en phase et qu'il est donc indispensable de réaliser un ajustage de la longueur des lignes d'alimentation individuelles pour améliorer ce résultat. Il reste cependant difficile d'alimenter tous les cornets exactement en phase si une large bande de fréquence de fonctionnement est requise. De plus, la solution proposée par le document cité pour résoudre ce problème, conduit à une forme d'antenne complexe, ainsi qu'à un montage et un ajustage trop délicats pour être réalisés par exemple lors d'une fabrication en grande série.Then, the antenna module described in the cited document is of linear form, with series supply, which makes it very difficult to feed the horns exactly in phase and therefore it is essential to carry out a adjustment of the length of the individual supply lines to improve this result. However, it remains difficult to supply all the horns exactly in phase if a wide operating frequency band is required. In addition, the solution proposed by the cited document to solve this problem, leads to a complex antenna shape, as well as assembly and adjustment that are too delicate to be carried out for example during mass production.
En outre pour l'application à la réception d'émissions de télévision relayées par satellites, cette antenne doit présenter des propriétés particulières.In addition, for the application to the reception of television programs relayed by satellites, this antenna must have particular properties.
On rappelle qu'une telle antenne doit pouvoir recevoir une polarisation circulaire, droite ou gauche selon le satellite émetteur.Remember that such an antenna must be able to receive circular polarization, right or left depending on the transmitting satellite.
On sait que la polarisation d'une onde électromagnétique est définie par la direction du champ électrique
Par contre, l'onde est polarisée circulairement si l'extrémité du vecteur champ électrique É décrit un cercle dans le plan perpendiculaire à la direction de propagation. La polarisation est circulaire droite lorsque
Une onde polarisée circulairement peut être décomposée en deux ondes polarisées linéairement, perpendiculaires entre elles et déphasées de ± n72.A circularly polarized wave can be broken down into two linearly polarized waves, perpendicular to each other and phase shifted by ± n72.
L'antenne destinée à l'application envisagée peut donc être réalisée selon le principe suivant : les deux composantes perpendiculaires, dues à l'émission par le satellite d'une onde polarisée circulairement, sont captées puis composées avec le déphasage approprié (± 7T/2 selon que l'on a affaire à une polarisation circulaire droite ou gauche).The antenna intended for the envisaged application can therefore be produced according to the following principle: the two perpendicular components, due to the emission by the satellite of a circularly polarized wave, are picked up and then composed with the appropriate phase shift (± 7T / 2 depending on whether we are dealing with a right or left circular polarization).
La mise en oeuvre de ce principe suppose l'utilisation devant l'antenne d'un radôme dépolariseur. Ce radôme est conçu de telle sorte qu'il retarde l'une des composantes de l'onde polarisée circulairement provoquant ainsi le déphasage nécessaire. Les deux ondes de polarisation linéaire se trouvent ainsi en phase et leur composition vectorielle donne une onde polarisée linéairement pouvant être reçue par une antenne à une seule polarisation linéaire.The implementation of this principle supposes the use in front of the antenna of a depolarizing radome. This radome is designed in such a way that it delays one of the components of the circularly polarized wave, thus causing the necessary phase shift. The two linear polarization waves are thus in phase and their vector composition gives a linearly polarized wave which can be received by an antenna with a single linear polarization.
On rappelle en outre que, pour l'application envisagée, l'antenne doit répondre aux normes formulées par le CCIR (Comité International de Radiocommunication). Ces conditions sont les suivantes
- -la bande de fréquence doit se situer entre 11,7 et 12,5 GHz ;
- -le diagramme de rayonnement de l'antenne doit être enveloppé sous un gabarit selon lequel une atténuation de 3 dB du lobe principal correspond à une ouverture e du faisceau de 2°, exprimée par la relation :
- 6.3dB = 2° qui est l'ouverture du faisceau à mi- puissance, et selon lequel les lobes secondaires sont atténués de 30 dB à 12° ;
- -le rapport entre gain de l'antenne G et la température de bruit T en degré Kelvin doit être :
G/T ≧ 6 dB. °K-'
- -the frequency band must be between 11.7 and 12.5 GHz;
- -the antenna radiation diagram must be wrapped in a template according to which a 3 dB attenuation of the main lobe corresponds to a beam opening e of 2 °, expressed by the relation:
- 6. 3dB = 2 ° which is the aperture of the beam at half power, and according to which the secondary lobes are attenuated by 30 dB at 12 °;
- the ratio between gain of the antenna G and the noise temperature T in degrees Kelvin must be:
G / T ≧ 6 dB. ° K- '
Ainsi, pour l'application envisagée, il est d'importance que :
- -l'antenne soit facile à réaliser et d'un faible coût afin de permettre une commercialisation grand-public,
- -l'antenne soit d'un encombrement réduit et facile à monter, par exemple sur un toit, afin que le coût de l'installation ne vienne pas augmenter hors de proportion le coût de l'antenne,
- -les qualités techniques de l'antenne répondent aux normes conseillées par le CCIR, et en particulier que les lobes secondaires de réseau soient évités.
- -the antenna is easy to carry out and of a low cost in order to allow a general public marketing,
- the antenna is compact and easy to mount, for example on a roof, so that the cost of the installation does not come to increase out of proportion the cost of the antenna,
- -the technical qualities of the antenna meet the standards recommended by the CCIR, and in particular that the secondary network lobes are avoided.
C'est pourquoi la présente invention propose un nouveau module d'antenne hyperfréquences qui réponde à ces conditions.This is why the present invention proposes a new microwave antenna module which meets these conditions.
Selon la présente invention, ces problèmes sont résolus par un module unitaire d'antenne, tel que décrit dans le préambule, caractérisé en ce que :
- -il comprend quatre cornets adjacents dont les ouvertures carrées forment un motif bidimensionnel dans un plan parallèle à un plan de référence P,
- -le réseau d'alimentation en guide d'onde est du type dit "planaire" du fait qu'il est distribué dans un plan parallèle au plan P, la grande dimension ade la section des guides étant, parallèle à ce plan P,
- -le réseau d'alimentation en guide est du type dit "arborisé" du fait que les cornets sont alimentés au moyen de diviseurs de puissance en forme de T dont les branches sont rectilignes et symétriques,
- -au moins une paroi des guides, parallèle à la dimension a, comporte une ailette.
- it comprises four adjacent horns, the square openings of which form a two-dimensional pattern in a plane parallel to a reference plane P,
- the waveguide supply network is of the so-called "planar" type because it is distributed in a plane parallel to the plane P, the large dimension of the section of the guides being, parallel to this plane P,
- the guide supply network is of the so-called "arborized" type because the horns are supplied by means of T-shaped power dividers whose branches are rectilinear and symmetrical,
- at least one wall of the guides, parallel to the dimension a, comprises a fin.
Dans une autre forme de réalisation, ce module est caractérisé en ce qu'au moins une paroi des ouvertures des cornets comporte également une ailette.In another embodiment, this module is characterized in that at least one wall of the openings of the horns also includes a fin.
La présente invention propose également une antenne hyperfréquences caractérisée en ce qu'elle comprend un nombre multiple de quatre de tels modules unitaires alimentés entre eux par un réseau planaire arborisé du même type que le réseau distribué à l'intérieur de chaque module et dans le même plan que ce dernier, en sorte que tous les cornets de l'antenne sont alimentés par un signal respectivement de même amplitude et de même phase.The present invention also proposes a microwave antenna characterized in that it comprises a multiple number of four of such unit modules supplied to each other by a planar arborized network of the same type as the network distributed inside each module and in the same plane as the latter, so that all the horns of the antenna are supplied with a signal respectively of the same amplitude and of the same phase.
Selon une forme de réalisation, cette antenne est caractérisée en ce qu'elle est constituée de deux plaques, dont les surfaces sont électriquement conductrices, les cornets étant formés dans l'épaisseur de la première plaque, les ouvertures des cornets débouchant sur la première face de cette plaque et les embouchures sur la seconde face, le réseau d'alimentation en guides étant formé par des rainures pratiquées sur la première face de la seconde plaque, ces rainures constituant trois des quatre faces des guides et l'application de la seconde face de la première plaque sur la première face de la seconde plaque formant la quatrième face des guides et les raccordements avec les cornets.According to one embodiment, this antenna is characterized in that it consists of two plates, the surfaces of which are electrically conductive, the horns being formed in the thickness of the first plate, the openings of the horns opening onto the first face of this plate and the mouths on the second face, the guide supply network being formed by grooves made on the first face of the second plate, these grooves constituting three of the four faces of the guides and the application of the second face of the first plate on the first face of the second plate forming the fourth face of the guides and the connections with the horns.
Selon une autre forme de réalisation, cette antenne est caractérisée en ce qu'elle est constituée de deux plaques, dont les surfaces sont électriquement conductrices, les cornets étant formés dans l'épaisseur de la première plaque, les ouvertures des cornets débouchant sur la première face de cette plaque et les embouchures sur la seconde face, le réseau d'alimentation en guides étant formé par des rainures en creux pratiquées sur cette seconde face et constituant trois des quatre faces des guides, la seconde plaque présentant une première face plane, et l'application de la seconde face de la première plaque sur la première face de la seconde plaque formant la quatrième face des guides et les raccordements avec les cornets.According to another embodiment, this antenna is characterized in that it consists of two plates, the surfaces of which are electrically conductive, the horns being formed in the thickness of the first plate, the openings of the horns opening onto the first face of this plate and the mouths on the second face, the guide supply network being formed by hollow grooves made on this second face and constituting three of the four faces of the guides, the second plate having a first planar face, and the application of the second face of the first plate on the first face of the second plate forming the fourth face of the guides and the connections with the horns.
L'antenne réalisée selon la présente invention offre de nombreux avantages. Tout d'abord, elle présente des pertes aussi faibles que possible du fait qu'elle est entièrement alimentée par des guides d'onde excluant tout diélectrique autre que l'air.The antenna produced according to the present invention offers numerous advantages. First of all, it has losses as low as possible because it is entirely supplied by waveguides excluding any dielectric other than air.
Ensuite, de par la forme arborisée du réseau d'alimentation, tous les cornets sont alimentés par des signaux respectivement de même amplitude et de même phase, et ceci sur une large bande de fréquences, sans qu'il soit besoin de prévoir des ajustages.Then, because of the tree-shaped form of the power supply network, all the horns are supplied by signals of the same amplitude and of the same phase, respectively, and this over a wide frequency band, without the need for any adjustments.
En outre, de par la forme planaire du réseau d'alimentation, l'antenne peut être réalisée à l'aide de deux seules plaques, métalliques ou bien seulement métallisées, par un procédé de fabrication très simple. Ce procédé de fabrication est d'autant plus simple que les tronçons de guides d'onde et les branches des T diviseurs de puissance sont linéaires, que les coudes sont à angle droit, et que les motifs formés par les cornets sont répétitifs, ainsi que les motifs des ailettes.In addition, due to the planar shape of the feed network, the antenna can be produced using only two plates, metallic or even only metallized, by a very simple manufacturing process. This manufacturing process is all the more simple as the waveguide sections and the branches of the T power dividers are linear, that the elbows are at right angles, and that the patterns formed by the horns are repetitive, as well as the patterns of the fins.
De plus, l'antenne ainsi réalisée présente d'excellentes qualités mécaniques. Elle est particulièrement solide, résistante aux intempéries et au vieillissement.In addition, the antenna thus produced has excellent mechanical qualities. It is particularly solid, resistant to weathering and aging.
Enfin cette antenne présente de grandes qualités techniques. Elle peut fonctionner dans le domaine des hyper fréquences, par exemple 12 GHz et sur une très large bande de fréquences.Finally, this antenna has great technical qualities. It can operate in the hyper frequency domain, for example 12 GHz and over a very wide frequency band.
Sa directivité et ses performances en gain peuvent même être adaptées à l'application de la réception d'émissions de télévision relayées par satellites. En effet, la présence des ailettes dans les guides et les cornets permet de calculer pour ces guides et cornets des dimensions telles que les lobes de réseau sont évités.Its directivity and its gain performance can even be adapted to the application of the reception of television programs relayed by satellites. Indeed, the presence of the fins in the guides and the horns makes it possible to calculate for these guides and horns dimensions such that the lobes of the network are avoided.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante, illustrée par les figures annexées dont :The invention will be better understood using the following description, illustrated by the appended figures, of which:
- -la figure 1 qui montre en perspective un élément rayonnant d'un module unitaire selon l'invention ;FIG. 1 which shows in perspective a radiating element of a unit module according to the invention;
- -la figure 2a qui montre en perspective un module unitaire selon l'invention ;FIG. 2a which shows in perspective a unit module according to the invention;
- - la figure 2b qui montre en perspective le réseau d'alimentation de ce module ;- Figure 2b which shows in perspective the supply network of this module;
- -la figure 2c qui montre le même réseau d'alimentation muni d'ailettes.FIG. 2c which shows the same supply network provided with fins.
- -la figure 3 qui représente, en coupe parallèlement au plan de référence P, le réseau d'alimentation de ce module, les axes l'l" et J'J" étant respectivement les traces des plans de symétrie du réseau, respectivement parallèles aux plans Q et Q'.FIG. 3 which represents, in section parallel to the reference plane P, the supply network of this module, the axes l'l "and J'J" being respectively the traces of the planes of symmetry of the network, respectively parallel to the plans Q and Q '.
- .-la figure 4a qui représente en coupe un guide à ailettes du réseau d'alimentation,.-Figure 4a which shows in section a fin guide of the supply network,
- - la figure 4b qui représente la moitié d'un tel guide,FIG. 4b which represents half of such a guide,
- -la figure 4c qui représente le circuit équivalent à cette moitié de guide lorsque n, le nombre de mode, est pair,FIG. 4c which represents the circuit equivalent to this guide half when n, the number of modes, is even,
- -la figure 4d qui représente le circuit équivalent à cette moitié de guide lorsque n est impair,FIG. 4d which represents the circuit equivalent to this guide half when n is odd,
- - la figure 5a qui représente une transition entre deux guides d'onde,FIG. 5a which represents a transition between two waveguides,
- -la figure 5b qui représente une telle transition dotée d'une ailette en échelon,FIG. 5b which represents such a transition with a stepped fin,
- -la figure 5c qui représente le diagramme D de rayonnement d'une ouverture rectangulaire dans le plan H et dans le plan E,FIG. 5c which represents the radiation diagram D of a rectangular opening in the H plane and in the E plane,
- -les figures 6a et 6c qui représentent en coupe respectivement parallèlement au plan Q' et parallèlement au plan Q, un élément rayonnant du module unitaire ;FIGS. 6a and 6c which show in section respectively parallel to the plane Q 'and parallel to the plane Q, a radiating element of the unitary module;
- -les figures 6b et 6d qui représentent en coupe respectivement un cornet sectoral plan H et un cornet sectoral ptan & correspondant à l'élément rayonnant du module unitaire,FIGS. 6b and 6d which represent in section respectively a plane sectoral horn H and a sectoral horn ptan & corresponding to the radiating element of the unitary module,
- -la figure 6e qui représente en coupe un cornet pyramidal muni d'une ailette de forme optimisée,FIG. 6e which represents in section a pyramidal horn provided with a fin of optimized shape,
- -la figure 6f qui représente en coupe un cornet pyramidal muni d'une pseudo-double ailette,FIG. 6f which represents in section a pyramidal horn provided with a pseudo-double fin,
- -les figures 7a et 7b qui représentent des portions des deux plaques constituant une antenne selon l'invention, dans une mise en oeuvre,FIGS. 7a and 7b which represent portions of the two plates constituting an antenna according to the invention, in one implementation,
- -la figure 7c qui représente un élément rayonnant de l'antenne dans un autre mise en oeuvre,FIG. 7c which represents a radiating element of the antenna in another implementation,
- -la figure 8 représente la variation du rapport s/a en fonction du rapport b'/b pour une fréquence de coupure fc de 10 GHz,FIG. 8 represents the variation of the ratio s / a as a function of the ratio b '/ b for a cut-off frequency f c of 10 GHz,
- -la figure 9 représente un exemple d'adaptation des diviseurs de puissance,FIG. 9 represents an example of adaptation of the power dividers,
- -les figures 10 qui représentent les coordonnées angulaires d'un point M de l'espace par rapport au plan de référence P,FIGS. 10 which represent the angular coordinates of a point M of the space with respect to the reference plane P,
- -la figure 11 a qui représente l'enveloppe C, du diagramme de rayonnement de l'antenne imposée par les normes CCIR dans l'application de l'antenne à la réception d'émissions de télévision relayées par satellites et l'enveloppe C2 du diagramme de polarisation croisée.FIG. 11 a which represents the envelope C, of the radiation pattern of the antenna imposed by the CCIR standards in the application of the antenna to the reception of television programs relayed by satellites and the envelope C2 of the cross polarization diagram.
- -la figure 11 b qui représente, par rapport à cette enveloppe c,, l'enveloppe des diagrammes de rayonnement théorique obtenus au moyen d'une antenne à simple ailette (C,) et au moyen d'une antenne à pseudo-double ailette (C.).FIG. 11 b which represents, with respect to this envelope c, the envelope of the theoretical radiation diagrams obtained by means of a single-fin antenna (C,) and by means of a pseudo-double-fin antenna (VS.).
Tel que représenté en perspective sur la figure 1, l'élément rayonnant d'un module unitaire d'antenne selon l'invention est constitué d'un cornet 1 dont l'ouverture présente une section carrée de côté A. Lors du fonctionnement de l'antenne, pour permettre la réception ou l'émission d'une onde polarisée linéairement, l'ouverture du cornet est placée parallèlement à un plan de référence P défini par la direction de propagation du champ électrique
L'embouchure 4 du cornet 1 est raccordée au guide d'onde 3 par un coude 2. Le guide d'onde 3 et l'embouchure interne 4 présentent une section rectangulaire de côtés a et b tels que a > b,The
Le champ électrique
Le guide d'onde 3 est placé de telle sorte que la dimension a de sa section est parallèle au plan de référence P et la dimension b perpendiculaire. Dans ces conditions, le champ électrique
L'angle du coude 2 de raccordement de l'embouchure 4 au guide 3 se trouve donc dans un plan parallèle à un plan Q, le plan Q étant défini comme perpendiculaire au plan P et parallèle à l'un des côtés des ouvertures des cornets. En fonctionnement, dans le coude 2, ce plan est parallèle au vecteur
Le module d'antenne selon l'invention est constitué de quatre cornets dont les ouvertures forment un motif répété par simple translation, selon deux axes parallèles aux côtés, avec le même pas, dans un plan parallèle au plan de référence P, comme il est montré sur la figure 2a, en perspective, vu du dessus.The antenna module according to the invention consists of four horns, the openings of which form a pattern repeated by simple translation, along two axes parallel to the sides, with the same pitch, in a plane parallel to the reference plane P, as it is shown in Figure 2a, in perspective, seen from above.
Le réseau d'alimentation de ces quatre comets est montré en perspective sur la figure 2b. Ce réseau est dit "planaire" du fait qu'il est distribué dans un seul plan parallèle au plan de référence P. Tous les guides d'onde raccordant les guides 3 d'alimentation individuelle des cornets entre eux, sont du même type que les guides 3, c'est-à-dire "plan
Le réseau d'alimentation planaire est donc dit "plan
De plus, pour permettre l'alimentation des quatre cornets à l'aide de signaux respectivement de même phase et de même amplitude, ce réseau est du type dit "arborisé". En effet, les cornets sont alimentés par deux de façon symétrique par rapport à un plan parallèle au plan Q, pour former deux groupes de deux éléments rayonnants identiques. Puis les deux groupes ainsi formés sont alimentés de façon symétrique, par rapport à un plan parallèle à un plan Q', ce plan Q' étant défini comme perpendiculaire à la fois au plan de référence P et au plan Q comme il est montré figure 10a. Dans le milieu extérieur à l'antenne en fonctionnement, le plan Q' est défini par le champ magnétique
Comme il est montré figure 2b en perspective et figure 3 en coupe parallèlement au plan P, la symétrie d'alimentation de deux cornets peut être obtenue par un réseau planaire tel que des coudes 5 dont l'angle est situé dans le plan du réseau raccordent les guides d'alimentation individuelle 3 de ces cornets à un diviseur de puissance 6 en forme de T dans le même plan. Le plan de symétrie du système formé par les deux cornets, les deux coudes 2, les deux guides individuels 3, les deux coudes 5 et le diviseur de puissance 6, est un plan parallèle à Q dont la trace est l'l" sur la figure 3.As shown in Figure 2b in perspective and Figure 3 in section parallel to the plane P, the supply symmetry of two horns can be obtained by a planar network such as
La symétrie d'alimentation des deux groupes de deux cornets ainsi formés est obtenue en raccordant les guides d'onde 8 issus des diviseurs de puissance 6 par un diviseur de puissance 7 en forme de T situé dans le plan du réseau. Ce diviseur de puissance 7, de sortie 9, et les tronçons de guide 8 admettent comme plan de symétrie un plan parallèle à Q' dont la trace est J'J" sur la figure 3.The supply symmetry of the two groups of two horns thus formed is obtained by connecting the
Ainsi pour chaque cornet, la longueur du trajet d'alimentation est exactement la même et les cornets sont alimentés parfaitement en phase. De plus tous les tronçons de guide d'onde sont rectilignes et dans un plan parallèle à celui des ouvertures des cornets.Thus for each horn, the length of the feeding path is exactly the same and the horns are fed perfectly in phase. In addition, all the waveguide sections are rectilinear and in a plane parallel to that of the openings of the horns.
Une antenne hyperfréquences peut être formée à partir d'un nombre multiple de quatre de tels modules unitaires alimentés entre eux par un réseau planaire arborisé du même type que le réseau distribué à l'intérieur de chaque module et dans le même plan que ce dernier. De la sorte l'antenne peut comporter le nombre d'éléments rayonnants nécessaires à l'obtention du gain souhaité pour l'antenne et tous les éléments rayonnants de l'antenne sont cependant alimentés par des signaux respectivement de même amplitude et de même phase, permettant d'obtenir perpendiculairement au plan P un rayonnement maximal et donc un gain maximal conformément aux recommandations du CCIR.A microwave antenna can be formed from a multiple of four of such unit modules supplied to each other by a planar arborized network of the same type as the network distributed inside each module and in the same plane as the latter. In this way the antenna can include the number of radiating elements necessary to obtain the desired gain for the antenna and all the radiating elements. nants of the antenna are however supplied by signals of the same amplitude and of the same phase respectively, making it possible to obtain perpendicular to the plane P a maximum radiation and therefore a maximum gain in accordance with the recommendations of the CCIR.
L'exemple suivant est donné pour montrer que l'antenne selon l'invention peut présenter des caractéristiques techniques appropriées à la réception des émissions de télévision relayées par satellite artificiel.The following example is given to show that the antenna according to the invention can have technical characteristics suitable for the reception of television broadcasts relayed by artificial satellite.
Exemple de réalisationExample of realization
On rappelle que :
- pour un ensemble de (M x N) sources séparées entre elles d'une distance définie par les paramètres dx et dy tel que représenté sur la figure 10b, et en posant :
- A(m,n) et Φ(m,n), l'amplitude et la phase de la source d'indices (m,n), la contribution de toutes ces sources au point R, sera :
- for a set of (M x N) sources separated from each other by a distance defined by the parameters dx and dy as shown in FIG. 10b, and by posing:
- A (m, n) and Φ (m, n), the amplitude and the phase of the source of indices (m, n), the contribution of all these sources to point R, will be:
Dans le cas simple où toutes les sources sont équi-amplitudes (A(m,n) = Ao) et équiphases (Φ-(m,n) = Φ0),on peut alors montrer que la contribution au point P s'écrit finalement :
- Ep = Ao exp.jΦ0(sin Mu/Sin u) (sin Nθ/Sin θ)
- avec u = π.(dy/λ). Sin θ. Cos φ
- v = π.(dx/λ). Sin. θ. Sin φ
- Ep = A o exp.jΦ 0 (sin Mu / Sin u) (sin Nθ / Sin θ)
- with u = π. (dy / λ). Otherwise θ. Cos φ
- v = π. (dx / λ). Sin. θ. Sin φ
Le facteur de réseau est défini par :
- Fré seau = Ep.Ep*/(Ep.Ep*)max
- et s'écrit finalement :
- Fréseau = [Sin Mu/M Sin u]'. [Sin Ne /N Sin θ]2
- F re bucket = E p .E * p / (E p * .E p) max
- and finally writes:
- F network = [Sin Mu / M Sin u] '. [Sin Ne / N Sin θ] 2
Dans le plan (yoz), où φ = 0, le maximum du facteur du réseau est obtenu en vérifiant :
- M sin U = sin M u = 0
- c'est-à-dire
- M sin U = sin M u = 0
- that is to say
Ainsi, cette relation fournit la condition que doit remplir l'ensemble des (N x M) sources pour ne pas avoir de lobes de réseaux (lobes d'amplitude égale à celle du lobe principal) : il suffit d'avoir dy tel que :
- dy < λ c'est-à-dire dy/X < 1.
- dy <λ i.e. dy / X <1.
Selon la présente invention, il a été choisi pour former l'antenne, de placer les éléments rayonnants avec un pas d. Il faudra donc que :
- d < λ ou d/λ < 1
- d <λ or d / λ <1
Cette relation établit que pour que les lobes de réseaux soient totalement évités il faudrait que la distance d entre les éléments rayonnants soit inférieure à la longueur d'onde λ propagée dans le guide. Dans le cas contraire, des lobes de réseau apparaissent. Mais ils sont plus ou moins rapprochés du lobe principal selon la valeur du rapport λ/d.This relation establishes that for the lobes of networks to be completely avoided it would be necessary that the distance d between the radiating elements is lower than the wavelength λ propagated in the guide. Otherwise, network lobes appear. But they are more or less close to the main lobe depending on the value of the ratio λ / d.
Selon la présente invention, on voit bien sur la figure 3 que cette relation ne peut être vérifiée que si la dimension a des guides n'est pas trop grande. La solution à ce problème est donc de munir la paroi des guides parallèle à a d'une ailette. Les guides d'onde ainsi constitués ont un encombrement réduit par rapport à un guide d'onde rectangulaire non muni d'ailette de même fréquence de coupure.According to the present invention, it can be seen in FIG. 3 that this relationship can only be verified if the dimension a of the guides is not too large. The solution to this problem is therefore to provide the wall of the guides parallel to a with a fin. The waveguides thus formed have a reduced bulk compared to a rectangular waveguide not provided with a fin of the same cutoff frequency.
Le réseau d'alimentation en guide muni des ailettes est montré en perspective figure 2c.The guide supply network provided with the fins is shown in perspective in FIG. 2c.
Les antennes étant destinées principalement à l'application grand-public TV 12, les conditions qui ' guideront la conception, seront les recommandations du CCIR concernant :
- -la bande de fréquence : 11.7 GHz à 12.5 GHz
- -le gain G ≃ 33 dB
- -L'ouverture θ-3dB ≦ 2°
- - the frequency band: 11.7 GHz to 12.5 GHz
- - G gain ≃ 33 dB
- -The opening θ -3dB ≦ 2 °
Le gabarit qui doit être respecté est montré figure 11 a. La courbe C, est l'enveloppe du diagramme de rayonnement, et la courbe C2 est l'enveloppe du diagramme de polarisation croisée.The template which must be respected is shown in figure 11 a. Curve C is the envelope of the radiation diagram, and curve C2 is the envelope of the cross-polarization diagram.
Outre le fait que l'antenne doit pouvoir être fabriquée d'une façon bon marché, son rendement doit être élevé : pour ceci, il faut donc optimiser l'élément rayonnant et minimiser les pertes dans le circuit.In addition to the fact that the antenna must be able to be manufactured in a cheap manner, its efficiency must be high: for this, it is therefore necessary to optimize the radiating element and minimize losses in the circuit.
La figure 4a représente en coupe transversale, un guide d'onde 30 muni d'une ailette 20, placée sur la paroi 32 de dimension a. L'ailette 20 a pour épaisseur S et laisse une ouverture de dimension b' entre son extrémité et la paroi 31 opposée à la paroi 32.FIG. 4a represents in cross section, a
A la fréquence de coupure fc, le champ électromagnétique peut être considéré comme la résultante de l'onde se déplaçant d'un bord à l'autre du guide à la longueur d'onde λc.At the cutoff frequency f c , the electromagnetic field can be considered as the result of the wave moving from one edge to the other of the guide at the wavelength λ c .
A la coupure, on peut donc traiter ce problème en faisant l'analogie avec deux lignes de transmissions parallèles de largeur infinie court-cir- cuitées en deux points. La coupure du mode TE,o apparaîtra alors à la fréquence pour laquelle la ligne de transmission possède sa résonance du plus faible ordre (pour les modes TEno, la fréquence de coupure du nième mode apparaît à la résonance d'ordre n). Pour l'ordre n impair (voir figure 4d), la résonance doit être du type donnant une impédance infinie au centre (en a/2) ; pour n pair (voir la figure 4c), cette impédance doit être nulle.At the cutoff, we can therefore deal with this problem by making the analogy with two parallel transmission lines of infinite width short-circuited at two points. The TE mode cutoff, o will then appear at the frequency for which the transmission line has its lowest order resonance (for TE no modes, the nth mode cutoff frequency appears at the n order resonance). For the odd n order (see Figure 4d), the resonance must be of the type giving an infinite impedance to the center (in a / 2); for n even (see Figure 4c), this impedance must be zero.
A la fréquence de coupure, on a donc (figures 4c et 4d) les schémas équivalents de la figure 4b où la susceptance Bc représente la discontinuité due à la variation de hauteur (en s/2) ; cette valeur de capacité, fonction de la hauteur de l'ailette, peut être calculée à partir des formules de Marcuvitz - (1) ci-dessous et représente, en fait, les effets des modes supérieurs.At the cutoff frequency, we therefore have (FIGS. 4c and 4d) the equivalent diagrams of FIG. 4b where the susceptance B c represents the discontinuity due to the variation in height (in s / 2); this capacity value, which is a function of the height of the fin, can be calculated from the formulas of Marcuvitz - (1) below and represents, in fact, the effects of the higher modes.
La figure 4c représente le schéma équivalent de la figure 4b pour n pair, et la figure 4d pour n impair.FIG. 4c represents the equivalent diagram of FIG. 4b for n even, and FIG. 4d for n odd.
Z, représente l'impédance dans la cavité 41 et Z2 représente l'impédance dans la cavité 42, θ1 et θ2 sont les longueurs électriques associées :
A partir de la théorie des lignes passives sans pertes et en posant que l'impédance des lignes est proportionnelle à leur hauteur, on définit alors les équations de dispersion permettant de calculer les fréquences de coupure des modes TEno des guides à ailettes.From the passive lossless lines theory and assuming that the impedance of the lines is proportional to the height, we then define the dispersion equations for calculating the cut-off frequencies of TE modes No. finned guides.
Pour n impair :
Pour n pair :
Après résolution de ces équations, on peut constater un léger décalage entre les courbes données par Hopfer dans IRE Transaction MTT - (Octobre 1955) et les résultats obtenus. On peut expliquer ceci par le fait que la formulation de Marcuvitz, dans "Waveguide Handbook" Mac Graw Hill, Book Company (1951), pour le terme capacitif, ne fient pas compte de la proximité des parois métalliques latérales.After solving these equations, we can see a slight difference between the curves given by Hopfer in IRE Transaction MTT - (October 1955) and the results obtained. This can be explained by the fact that the formulation of Marcuvitz, in "Waveguide Handbook" Mac Graw Hill, Book Company (1951), for the term capacitive, does not take into account the proximity of the lateral metal walls.
Whinnery et Jamieson dans "Equivalent circuits for discontinuities in transmission lines" IRE 98 (Février 1944) ont déterminé la valeur de cette capacité en tenant compte des effets de proximité des parois métalliques. Pour notre cas, on obtient une bonne approximation du facteur correctif par la fonction :
- Cotgh (a -s)/2b.
- Cotgh (a -s) / 2b.
En tenant compte de cette correction, les résultats obtenus sont alors en bonne concordance avec les courbes d'Hopfer. Ces courbes montrent que c'est avec un rapport b'/b aussi faible que possible qu'est obtenue la plus grande largeur de bande.Taking this correction into account, the results obtained are then in good agreement with the Hopfer curves. These curves show that it is with a ratio b '/ b as low as possible that the greatest bandwidth is obtained.
Dans le cas d'études de transition entre deux guides, où il est important, voir nécessaire, de connaître en chaque point de la transition la valeur de la fréquence de coupure, les relations (1) sont quasiment inutilisables car elles nécessitent des temps de calcul très longs. On préférera alors une expression analytique approchée mais d'emploi plus aisée.In the case of transition studies between two guides, where it is important, if not necessary, to know at each point of the transition the value of the cutoff frequency, the relationships (1) are almost unusable because they require time to very long calculations. We will therefore prefer an approximate analytical expression but one that is easier to use.
En évaluant l'effet de capacité introduit par la présence de l'ailette dans le guide (proportionnalité entre les surfaces), et en déterminant empiriquement des termes de correction, Hoefer et Burton ("Closed-form expressions for the parameters of finned and ridged waveguides" IEEE MTT, Décembre 1983) aboutissent à l'expression analytique suivante :
- (dans le cas de guide à double ailettes, le terme - (2b) est à remplacer par (b))
- où λc10 est la longueur d'onde de coupure pour le mode TE,..
- (in the case of a double-fin guide, the term - (2b) is to be replaced by (b))
- where λ c10 is the cut-off wavelength for TE mode, ..
Cette formulation est en bonne concordance avec les méthodes numériques pour les variations suivantes des paramètres (b/a, s/a, b'/b)
On voit que la relation (2) est facilement exploitable par un quelconque calculateur et pourra donc être utilisée dans le cas où les dimensions des différents éléments changent continuement - (transitions, adaptation,...).We see that the relation (2) is easily exploitable by any computer and can therefore be used in the case where the dimensions of the different elements change continuously - (transitions, adaptation, ...).
Dans le cas des lignes, on peut définir sans ambiguité une impédance caractéristique Ze = [V-(z)/I(z)].In the case of lines, one can unambiguously define a characteristic impedance Z e = [V- (z) / I (z)].
Ce n'est plus le cas pour les guides d'ondes, en effet les fonctions ψE (ou ψH), remplissant l'équation de propagation [(A2 + k2) ψE,H = 0], ne remplissent pas l'équation de Laplace [Av = 0]. D'autre part, une composante électromagnétique longitudinale existe toujours dans les guides, cette composante étant directement liée à la fonction génératrice correspondante.This is no longer the case for waveguides, indeed the functions ψ E (or ψ H ), fulfilling the propagation equation [(A 2 + k 2 ) ψ E, H = 0], do not fulfill not the Laplace equation [Av = 0]. On the other hand, a longitudinal electromagnetic component always exists in the guides, this component being directly linked to the corresponding generating function.
Malgré tout, dans le but d'introduire une grandeur facilitant les calculs, on a défini trois sortes d'impédances:
Ces différentes impédances satisfont à la relation suivante :
On trouve dans la littérature, en particulier dans les travaux de Mihran ("Closed and open-ridge waveguide" IRE, 37, 640, 1949), les expressions analytiques des impédances Zpv et Zvi à une fréquence infinie fonction de la capacité équivalente à la discontinuité due à l'ailette.We find in the literature, in particular in the work of Mihran ("Closed and open-ridge waveguide" IRE, 37, 640, 1949), the analytical expressions of the impedances Z pv and Z vi at an infinite frequency depending on the equivalent capacity discontinuity due to the fin.
En éliminant cette capacité à l'aide de la relation (1 ), on obtient les relations (5) suivantes :
Dans un guide rectangulaire classique, on montre, qu'en fonction de ses dimensions (a,b), de la conductivité du matériau utilisé (a), l'atténuation n'est donnée par la relation suivante :
où, c étant la vitesse de la lumière,
f et fc représentent respectivement la fréquence de fonctionnement et la fréquence de coupure (fc10 = c/2a).In a classic rectangular guide, we show that, depending on its dimensions (a, b), the conductivity of the material used (a), the attenuation is given by the following relation:
where, c being the speed of light,
f and f c respectively represent the operating frequency and the cut-off frequency (f c10 = c / 2a).
Dans le cas d'un guide rempli d'air, on a :
où a et b sont en cm.In the case of a guide filled with air, we have:
where a and b are in cm.
Cependant selon Cohn ("Properties of ridge waveguide, IRE, 1947), l'atténuation est donnée par la relation :
où K est un facteur de correction que Cohn estime légèrement supérieur à 1.However according to Cohn ("Properties of ridge waveguide, IRE, 1947), the attenuation is given by the relation:
where K is a correction factor that Cohn estimates slightly greater than 1.
Si l'on se réfère à la relation (5) donnant l'impédance tension-courant (Zvi)x, on montre facilement que la relation (7) n'est en fait que la formule de l'atténuation du guide rectangulaire classique pondérée par un facteur de proportionnalité.If we refer to the relation (5) giving the voltage-current impedance (Z vi ) x , we easily show that the relation (7) is in fact only the formula of the attenuation of the classic rectangular guide weighted by a proportionality factor.
Cette relation doit être comparée à la relation présentée par Hopfer (référence citée précédemment) qui donne pour l'atténuation :
a = b/a, y = s/a, = b'/a δ = (1-sla)/2 , k = λc/a e = λc/λ
et P, épaisseur de peau (en mètre) du matériau utilisé.This relation must be compared to the relation presented by Hopfer (reference cited above) which gives for the attenuation:
a = b / a, y = s / a, = b '/ a δ = (1-sla) / 2, k = λ c / ae = λ c / λ
and P, skin thickness (in meters) of the material used.
On . constate que les deux formulations théoriques (7) et (8) aboutissent à des courbes - (non tracées ici) qui présentent un léger écart grandissant avec le rapport f/fc.We . notes that the two theoretical formulations (7) and (8) lead to curves - (not drawn here) which have a slight increasing difference with the ratio f / f c .
On note également que l'accroissement de la largeur de bande avec l'utilisation du guide à ailette se fait au détriment d'une augmentation des pertes.It should also be noted that the increase in bandwidth with the use of the fin guide comes at the expense of an increase in losses.
Il peut être intéressant de connaître la valeur des champs électromagnétiques en tous points de la structure ; ceci pour permettre de calculer la puissance transportée dans le guide ou encore, par exemple, pour rechercher les lieux de polarisation circulaire magnétique (Hz, Hx) pour les applications d'isolateur à résonance.It may be interesting to know the value of the electromagnetic fields at all points of the structure; this is used to calculate the power transported in the guide or, for example, to search for places of circular magnetic polarization (Hz, Hx) for resonance isolator applications.
A l'aide des méthodes décrites précédemment, à aucun moment, on ne peut avoir accès aux composantes du champ électromagnétique. Il est alors nécessaire d'utiliser d'autres techniques : par exemple, utiliser la technique de développement modal employée par Collins et Daly ("Orthogonal mode Theory of Single ridge waveguide", J. Elec- tronics Control (GB), 17, 121, (1964)) ou encore utiliser la technique des différences finies employées par Young et Hohman ("characteristics of ridge waveguides" Appl.Science Res. Section B,8, 321 (1960)). le développement mathématique de ces méthodes nécessite de lourds moyens informatiques, mais permet d'avoir accès à toutes les grandeurs électromagnétiques.Using the methods described above, at no time can one have access to the components of the electromagnetic field. It is then necessary to use other techniques: for example, using the modal development technique used by Collins and Daly ("Orthogonal mode Theory of Single ridge waveguide", J. Electronics Control (GB), 17, 121 , (1964)) or use the finite difference technique used by Young and Hohman ("characteristics of ridge waveguides" Appl.Science Res. Section B, 8, 321 (1960)). the mathematical development of these methods requires heavy computer resources, but allows access to all the electromagnetic quantities.
L'allure générale des lignes de champs électriques est donnée sur la figure 4a.The general appearance of the electric field lines is given in FIG. 4a.
Cette étude théorique préliminaire rapide permet à l'homme du métier de mieux comprendre comment l'antenne selon l'invention est réalisée.This rapid preliminary theoretical study allows those skilled in the art to better understand how the antenna according to the invention is produced.
Les ailettes sont placées dans le circuit d'alimentation en guide comme il est montré figure 2c.The fins are placed in the guide supply circuit as shown in FIG. 2c.
Pour respecter la condition :
- d < λo
- ou d/λo ≃ 0,9
il pourra être choisi, pour 12,1 GHz une distance minimale
- d <λ o
- or d / λ o ≃ 0.9
a minimum distance can be chosen for 12.1 GHz
Comme le montre la figure 3, les dimensions a et b sont liées à la distance inter-éléments. En tenant compte des épaisseurs et 5', nécessaires à la réalisation mécanique (usinage, moulage) de l'ordre de 3 mm au total, on montre que la largeur a, pour ce cas présent, est donnée par :
- a = 19.5 / [2 + b/a] (en mm) ... (9)
- a = 19.5 / [2 + b / a] (in mm) ... (9)
En se fixant le rapport (b/a) on a donc la valeur de a. A l'aide de la relation (2), on détermine les couples de valeurs (s/a -b'/b) tels que l'on obtienne la fréquence de coupure fc désirée (par exemple 10 GHz). Pour chacun de ces couples, on calcule ensuite l'atténuation théorique que l'on obtiendrait à une fréquence, par exemple, égale à 12.1 GHz, ceci à l'aide de la relation (8). On choisit alors les rapports b'/b et sla donnant le minimum d'atténuation.By fixing the ratio (b / a) we therefore have the value of a. Using the relation (2), the pairs of values (s / a -b '/ b) are determined such that the desired cutoff frequency f c is obtained (for example 10 GHz). For each of these couples, we then calculate the theoretical attenuation that we would obtain at a frequency, for example, equal to 12.1 GHz, this using the relation (8). We then choose the ratios b '/ b and sla giving the minimum attenuation.
Un exemple de résultats est donné sur la figure 8.An example of results is given in Figure 8.
On voit sur cette figure que pour un (b/a) égal à 0.45 et une fréquence de coupure de 10 GHz, les dimensions de l'ailette sont :
On notera cependant que sur cette courbe - (figure 8) les valeurs calculées pour des rapports s/a ≦ 0,45 sont erronées du fait de la limitation des formules de Hoefer et Burton. V -Etude de la transition entre le guide à ailette et un guide rectangulaireNote, however, that on this curve - (Figure 8) the values calculated for ratios s / a ≦ 0.45 are erroneous due to the limitation of the formulas of Hoefer and Burton. V -Study of the transition between the fin guide and a rectangular guide
Il est également important d'étudier la transition entre le guide à ailette et un guide rectangulaire.It is also important to study the transition from the fin guide to a rectangular guide.
En imposant une variation linéaire des côtés du guide, il faut trouver une forme de l'ailette telle que celle-ci, par ses dimensions, donne une fréquence de coupure inférieure à la bande de fréquence désirée et donne une bonne adaptation.By imposing a linear variation of the sides of the guide, it is necessary to find a shape of the fin such that this one, by its dimensions, gives a cut-off frequency lower than the desired frequency band and gives a good adaptation.
On peut, pour résoudre ce problème, simuler la transition par une infinité de discontinuités séparées entre elles par une distance Δx.To solve this problem, we can simulate the transition by an infinity of discontinuities separated from each other by a distance Δx.
Cette simulation est illustrée par la figure 5a.This simulation is illustrated in Figure 5a.
Le coefficient de réflexion global sera alors, en première approximation, la somme de toutes les réflexions vues en chaque discontinuité, pondérées bien sûr par le déphasage approprié, c'est-à-dire :
On voit ici tout l'intérêt de la formulation de Hoefer et Burton (relation 2) quant à la détermination de la fréquence de coupure du mode fondamental TE,o. Par un calcul très rapide, on peut donc déterminer en chaque point de la transition la longueur d'onde de coupure (relation 2), l'impédance caractéristique (relation 5) et ainsi évaluer théoriquement l'adaptation espérée par la relation (10).One sees here all the interest of the formulation of Hoefer and Burton (relation 2) as for the determination of the cut-off frequency of the fundamental mode TE, o . By a very fast calculation, we can therefore determine at each point of the transition the cut-off wavelength (relation 2), the characteristic impedance (relation 5) and thus theoretically evaluate the adaptation hoped for by relation (10) .
Cette formule reste très générale et peut être appliquée simplement au calcul de la transition entre deux guides rectangulaires en imposant dans le calcul (s = 0) et (b' = b).This formula remains very general and can be applied simply to the calculation of the transition between two rectangular guides by imposing in the calculation (s = 0) and (b '= b).
Les valeurs calculées à l'aide de la relation - (10) se trouvent être pleinement en accord avec les valeurs données par MATSUMARU (Reflexion coefficient of E-plane tapered waveguides, IRE MTT, 6, 143 (1958)).The values calculated using the relation - (10) are found to be fully in agreement with the values given by MATSUMARU (Reflexion coefficient of E-plane tapered waveguides, IRE MTT, 6, 143 (1958)).
Une transition 49 entre un guide à ailette 30 et un guide 50 est montrée sur la figure 5b. Dans l'exemple de réalisation présenté ici, la longueur de la transition 49 est par exemple :
H = 75 mm
supérieure à la longueur d'onde guidée. La longueur de l'échelon 48 formé par l'ailette 20 est obtenue à partir de la résolution de l'équation (10) et dépend du choix de H.A
H = 75 mm
greater than the guided wavelength. The length of the
Comme l'on désire un diviseur de puissance symétrique, le problème est de passer d'une certaine impédance Zo dans la branche principale à deux branches de division dont l'impédance est la même. Il faut donc utiliser un adaptateur quart d'onde d'impédance Z' ; on a alors la configuration montrée par la figure 9.As we want a symmetrical power divider, the problem is to go from a certain impedance Z o in the main branch to two division branches whose impedance is the same. It is therefore necessary to use a quarter wave adapter with impedance Z '; we then have the configuration shown in FIG. 9.
Avec 1 égal à un quart de la longueur d'onde, on montre facilement que l'impédance Z' doit vérifier la relation (11) suivante :
Pour faire varier l'impédance du guide à ailette, on peut faire varier, soit la largeur de l'ailette, soit sa hauteur ou encore les dimensions du guide.To vary the impedance of the fin guide, it is possible to vary either the width of the fin, its height or the dimensions of the guide.
En incrémentant le paramètre choisi, on calcule alors la fréquence de coupure et la valeur de l'impédance jusqu'à ce que la relation (11) soit vérifiée. Il est alors aisé de déterminer la longueur de la transition quart d'onde (1 = Xg/4) (λg = longueur d'onde dans le guide).By incrementing the selected parameter, the cutoff frequency and the value of the impedance are then calculated until the relation (11) is verified. It is then easy to determine the length of the quarter-wave transition (1 = Xg / 4) (λ g = wavelength in the guide).
Pour les dimensions données par la figure 8, on ne peut pas vérifier la relation (11) en faisant varier la largeur de l'ailette. Par contre, en jouant sur la hauteur de l'ailette, ou la largeur du guide, on peut obtenir l'adaptation théorique.
Dans un souci de réalisation mécanique, c'est la première solution qui a été choisie : variation de la hauteur de l'ailette pour la transition quart d'onde.For the sake of mechanical construction, the first solution was chosen: variation of the height of the fin for the quarter-wave transition.
Il est très difficile d'étudier ces coudes en théorie car il faut tenir compte des couplages avec les modes supérieurs créés par les réflexions multiples dans le coude.It is very difficult to study these elbows in theory because it is necessary to take into account the couplings with the higher modes created by the multiple reflections in the elbow.
Les problèmes des coudes en guide classique sont souvent présentés dans la littérature. Aussi, en supposant que les coudes "à ailettes" se comportent de la même façon que les coudes classiques, on peut admettre aux vues des travaux de Hsu Jui-Pong et Tetsuo Anada ("Planar circuit equation and its practical application to planar type transmission line circuit" IEEE MTT -S Digest, 574 (1983)) que ceux-ci ne devraient pas apporter de fortes désadaptations.The problems of elbows in a classic guide are often presented in the literature. Also, assuming that the "winged" elbows behave in the same way as conventional elbows, we can admit to the views of the work of Hsu Jui-Pong and Tetsuo Anada ("Planar circuit equation and its practical application to planar type transmission line circuit "IEEE MTT -S Digest, 574 (1983)) that these should not bring strong mismatches.
Il est à noter que, vu les lignes de champs électriques (figure 4a), le comportement de ces coudes devrait être légèrement différent. Malgré tout, la perturbation apportée devrait être minime puisque les champs sont concentrés au-dessus de l'ailette.It should be noted that, given the electric field lines (Figure 4a), the behavior of these elbows should be slightly different. Nevertheless, the disturbance brought should be minimal since the fields are concentrated above the fin.
Le problème est de passer d'un guide à ailettes (simple ou double) à l'espace libre. La forme des ailettes, à l'intérieur du cornet doit être telle que la fréquence de coupure reste inférieure à la bande de fréquences de fonctionnement tout en conservant une adaptation suffisante.The problem is to go from a fin guide (single or double) to free space. The shape of the fins inside the horn must be such that the cut-off frequency remains lower than the operating frequency band while retaining sufficient adaptation.
Pour les cornets classiques, l'adaptation est fonction des dimensions du guide d'entrée, de l'ouverture ainsi que de la longueur du cornet. Les différents paramètres d'un cornet sont donnés sur les figures 6a à 6d.For conventional cones, the adaptation depends on the dimensions of the inlet guide, the opening and the length of the horn. The different parameters of a horn are given in FIGS. 6a to 6d.
En pratique, pour que le front d'onde cylindrique émise du centre SH (ou SE) soit considéré comme équiphase, on doit avoir, comme le note Bui-Hai dans "Antennes micro-ondes-Apptication aux faisceaux hertziens" Edition Masson (1978) :
En prenant H égal à 20 mm, on respecte donc bien la relation (13).
Aussi, en première approximation, si l'on considère que l'ouverture du cornet est le seul élément rayonannt, les diagrammes de rayonnement approchés peuvent être déduits de la théorie relative aux ouvertures rectangulaires. Les valeurs relatives de ces diagrammes de rayonnement dans les plans (E) et (H) sont données sur la figure 5c respectivement sur les courbes De et DH pour les valeurs de
Cependant les diagrammes réels peuvent s'éloigner un peu de ces diagrammes théoriques du fait que ces derniers ne tiennent pas compte du déphasage (A) sur l'ouverture et en particulier de la diffraction sur les bords du comet.However the real diagrams can deviate a little from these theoretical diagrams because they do not take into account the phase shift (A) on the opening and in particular the diffraction on the edges of the comet.
-gain du cornet : le gain d'un cornet pyramidal peut être calculé en fonction des gains de cornets sec- toraux plan (E) et (H).- horn gain: the gain of a pyramid horn can be calculated as a function of the gains of plane side horns (E) and (H).
Ce gain peut facilement être évalué à l'aide des tableaux de Braun ("Some data for the design of electromagnetic horns" IEEE trans AP4, 29, - (1956)) et s'écrit:
G = 1,9635.10-3 [Gx.Gy][1/(LE/λ)(LH/λ)]-1/2 ... (14)
- G = 1.9635.10 -3 [G x .G y ] [1 / (L E / λ) (L H / λ)] -1/2 ... (14)
Avec les dimensions définies précédemment pour le cornet à ailette(s) et en supposant que la relation (14) s'applique à ce cas, on peut montrer que le gain théorique, à 12.1 GHz serait de l'ordre de 8.8 dB.With the dimensions defined above for the finned horn (s) and assuming that the relation (14) applies to this case, it can be shown that the theoretical gain, at 12.1 GHz, would be of the order of 8.8 dB.
Dans le cas d'un cornet pyramidal de même ouverture, mais de dimensions 15 x 15 mm à l'entrée, et de même longueur (20 mm), le gain espéré est de l'ordre de 9 dB. en supposant donc que la formulation (14) peut s'appliquer à notre cas, on devrait s'attendre à une diminution de gain pour le cornet à ailette(s) comparé au cornet pyramidal.In the case of a pyramid horn of the same opening, but of
-
-adaotation du cornet : on peut trouver dans les travaux de Walton et sundbey ("Broadband ridged horn design" the microwave journal, 96, (1964)) que la meilleure adaptation d'un cornet à double ailettes est obtenue lorsque l'impédance du "guide à ailettes", le long du cornet, varie suivant les lois suivantes :
- Zo∞: impédance du guide d'excitation à une fréquence infinie Zpv,Z where : impedance of the excitation guide at an infinite frequency Zp v ,
- 377 : impédance du vide,377: vacuum impedance,
- k : constante telle que l'impédance en H/2 soit égale à la demi-somme des impédances d'excitation et de sortie.k: constant such that the impedance in H / 2 is equal to the half-sum of the excitation and output impedances.
- H : hauteur du cornetH: height of the horn
En fait, si l'on se réfère à la relation (15) donnant l'impédance Zpv et si l'on s'impose b' = b et s = a (ce qui est le cas à la sortie du cornet), on trouve que l'impédance de sortie doit être égale à:
Aussi les relations (15) ne seront réalisables que pour un rapport (B/A) égal à 0.5. Pour notre cas, où le rapport (B/A) égal à 1, on devrait alors prendre :
A partir de la forme "optimale", définie au paragraphe précédent, de l'ailette à l'intérieur du comet, on a défini expérimentalement une ailette de telle sorte que l'adaptation du cornet reste satisfaisante tout en minimisant l'effet de dissymétrie dans le plan (E). La comparaison entre la forme théorique P3 de l'ailette et la forme expérimentale P4 est donnée sur la figure 6e.From the "optimal" form, defined in the previous paragraph, of the fin inside the comet, a fin has been defined experimentally so that the adaptation of the horn remains satisfactory while minimizing the effect of asymmetry in the plane (E). The comparison between the theoretical form P3 of the fin and the experimental form P 4 is given in FIG. 6e.
Une solution beaucoup plus intéressante est de symétriser le diagramme de rayonnement, donc de symétriser géométriquement l'élément rayonnant.A much more interesting solution is to symmetricize the radiation diagram, therefore to geometrically symmetrical the radiating element.
Dans ce but, on a réalisé une transition dans le cornet entre une simple ailette vers une double ailette tout en contrôlant l'adaptation (voir figure 6f).For this purpose, a transition was made in the horn between a single fin to a double fin while controlling the adaptation (see Figure 6f).
Les profils Ps et P6 représentent les pseudo- doubles ailettes et le profil P7 est l'allure théorique du cornet simple ailette présentant le même comportement.The profiles P s and P 6 represent the pseudo-double fins and the profile P 7 is the theoretical appearance of the single fin horn having the same behavior.
La technique du pseudo-double ailette présente les avantages de symétriser le diagramme de rayonnement dans le plan "E" (le diagramme de l'élément seul reste néanmoins légèrement dissymétrique), et de diminuer le couplage mutuel.The technique of the pseudo-double fin has the advantages of symmetrizing the radiation diagram in the "E" plane (the diagram of the element alone nevertheless remains slightly asymmetrical), and of reducing mutual coupling.
Par rapport à l'antenne à simple ailette, on constate un léger accroissement de l'angle d'ouverture à 3 dB. L'influence de cet accroissement ne devrait pas être préjudiciable à l'antenne finale : on a tracé sur la figure 11 b l'enveloppe C, des diagrammes de rayonnement plan (H) du C.C.I.R. ainsi que les enveloppes théoriques que l'on obtiendrait avec une antenne comportant dans le plan "H", 32 éléments de type simple C. ou pseudo-double ailettes (C3).Compared to the single fin antenna, there is a slight increase in the opening angle to 3 dB. The influence of this increase should not be detrimental to the final antenna: in Figure 11b, the envelope C is plotted, CCIR planar radiation diagrams (H) as well as the theoretical envelopes that would be obtained with an antenna comprising in the "H" plane, 32 elements of the simple C type. or pseudo-double fins (C 3 ).
Une simulation théorique montre que, dans le plan "H", quel que soit l'élément rayonnant utilisé où la symétrie géométrique existe, le diagramme de rayonnement est symétrique et correspond, de plus, à la théorie.A theoretical simulation shows that, in the "H" plane, whatever the radiating element used where the geometric symmetry exists, the radiation diagram is symmetrical and corresponds, moreover, to the theory.
Dans le pian "E", il faut absolument une structure géométrique symétrique pour arriver à symétriser parfaitement le diagramme de rayonnement, ce qui est le cas pour le cornet à double ailettes.In yaws "E", you absolutely need a symmetrical geometric structure to achieve perfect symmetrization of the radiation diagram, which is the case for the horn with double fins.
Les différentes mesures de gain de l'élément rayonnant simple ou pseudo-double ailettes, ont conduit à des gains compris entre 8 et 9 dB.The different gain measurements of the single or pseudo-double fin radiating element have led to gains of between 8 and 9 dB.
Connaissant le gain de l'élément rayonnant, on peut alors prédire le gain total d'une antenne réseau comportant N éléments rayonnants par la formule suivante :
De plus, on peut noter dans le libre de Buihaï que lorsque l'ouverture du cornet est de section carrée, il est préférable d'utiliser un guide d'excitation de même section.In addition, it can be noted in Buihaï's book that when the opening of the horn is of square section, it is preferable to use an excitation guide of the same section.
Une telle variante permet donc d'augmenter légèrement le gain (voir BRAUN "Some data for the design of electromagnetic horns IEEE Trans. AP 4,29 (1956))Such a variant therefore makes it possible to slightly increase the gain (see BRAUN "Some data for the design of electromagnetic horns IEEE Trans. AP 4.29 (1956))
Comme on l'a vu, on doit s'attendre à des pertes de l'ordre du décibel/mètre pour les dimensions choisies. L'étude expérimentale de cette antenne a permis de mettre en évidence :
- -la nécessité d'avoir un contact électrique parfait tout le long de la ligne sous peine d'augmentation des pertes,
- -la nécessité d'avoir une ligne présentant un état de rugosité faible.
- -the need for perfect electrical contact all along the line under penalty of increasing losses,
- -the need to have a line with a low roughness state.
Le tableau 1 ci-dessous résume les valeurs préférentielles des dimensions des différents éléments de l'antenne dans l'exemple de réalisation précédemment décrit.
Du fait que le réseau d'alimentation en guide d'onde est conçu dans un plan parallèle au plan des ouvertures des cornets, il est possible de réaliser l'antenne entière sous forme d'une antenne plane à l'aide de seulement deux plaques. Ces plaques peuvent être métalliques et usinées, ou encore en plastique moulé dont les surfaces sont métallisées.Because the waveguide supply network is designed in a plane parallel to the plane of the cone openings, it is possible to make the entire antenna in the form of a planar antenna using only two plates . These plates can be metallic and machined, or even molded plastic whose surfaces are metallized.
Selon une première forme de réalisation illustrée par les figures 7a et 7b, l'antenne est constituée de deux plaques 100 et 110 dont les faces principales 101 et 102 pour la plaque 100, et les faces principales 103 et 104 pour la plaque 110 sont parallèles au plan de référence. La plaque 100 comprend un nombre multiple de quatre de modules unitaires de quatre cornets placés de façon adjacente, de manière à ce que tous les cornets se déduisent les uns des autres par une translation de même pas suivant les deux directions parallèles aux côtés des ouvertures carrées. Les cornets sont façonnés dans l'épaisseur de la plaque 100 de manière à ce que les ouvertures affleurent la face 101 et à ce que les embouchures 4 affleurent la face 102, l'épaisseur de la plaque 100 étant prévue égale de la hauteur des cornets (voir figures 4a et 5a). La plaque 110 comprend les coudes 2 et le réseau d'alimentation planaire de l'antenne constitué par des rainures pratiquées en creux sur la face 103 de cette plaque. Les rainures ont pour largeur a et pour profondeur b et constituent trois des faces des guides d'onde du réseau. L'application de la face 103 de la plaque 110 sur la face 102 de la plaque 100 forme la quatrième face des guides d'onde à section rectangulaire du réseau d'alimentation et raccorde les cornets sur le réseau ainsi formé. On notera que la plaque 110 doit présenter une épaisseur légèrement supérieure à la grandeur b, ce qui donne pour l'épaisseur totale de l'antenne plane ainsi constituée une valeur légèrement supérieure à la grandeur de b + h.According to a first embodiment illustrated in Figures 7a and 7b, the antenna consists of two
Selon une seconde forme de réalisation, illustrée par la figure 8, l'antenne est constituée de deux plaques 200 et 210 dont les faces principales 201 et 202 pour la plaque 200, et les faces principales 203 et 204 pour la plaque 210 sont parallèles au plan de référence P. La plaque 200 comprend les modules unitaires placés de façon adjacente, comme dans la forme de réalisation précédemment décrite. Les cornets sont façonnés dans l'épaisseur de la plaque 200 de manière à ce que les ouvertures affleurent la face 201 et à ce que les embouchures se trouvent dans l'épaisseur du matériau formant la plaque 200. Cette dernière est prévue d'une épaisseur égale à la hauteur h des cornets augmentée de la valeur de la dimension b des guides. Le réseau d'alimentation d'antenne est pratiqué sur la face 202 de la plaque 200 sous forme de rainures en creux de largeur a et de profondeur b, et de coudes 2 permettant de relier les embouchures des cornets aux rainures. La plaque 210 est une simple lame à faces parallèles. L'application de la face 203 de la plaque 210 sur la face 202 de la plaque 200 forme la quatrième face des guides d'onde du réseau d'alimentation.According to a second embodiment, illustrated in FIG. 8, the antenna consists of two
L'antenne mise en oeuvre selon l'une des formes de réalisation décrites précédemment est donc d'une fabrication particulièrement simple et peu coûteuse. Elle peut être faite en grande série. Elle est d'une grande solidité mécanique et ne nécessite pas d'ajustage lors du montage. Pour faciliter encore la mise en place des plaques 100 et 110, ou 200 et 210 l'une sur l'autre, il peut être prévu sur ces plaques des picots de positionnement ou tout autre système de repérage et de fixation bien connus de l'homme de l'art. Par exemple les plaques peuvent aussi être maintenues l'une en face de l'autre par des vis.The antenna used according to one of the embodiments described above is therefore particularly simple and inexpensive to manufacture. It can be made in large series. It has great mechanical strength and does not require adjustment during assembly. To further facilitate the positioning of the
Comme cette antenne n'inclut pas de diélectrique, les pertes y sont aussi faibles que possible, et d'autre part elle est extrêmement résistante au vieillissement.As this antenna does not include a dielectric, the losses are as low as possible, and on the other hand it is extremely resistant to aging.
De plus cette antenne est d'un faible volume et d'un faible poids. Elle est donc particulièrement facile à mettre en place et son support est alors peu onéreux.In addition, this antenna is of low volume and low weight. It is therefore particularly easy to set up and its support is then inexpensive.
.Une telle antenne est par conséquent extrêmement bien adaptée à l'utilisation grand public pour la réception d'émissions de télévision retransmises par satellites. En effet dans un tel système de réception l'antenne est un élément important à double titre : en premier lieu la qualité de la réception dépend directement des caractéristiques de l'antenne et en second lieu, le coût de l'antenne et de son support ainsi que le coût d'installation et de pointage vers le satellite définissent en grande partie le coût final du système de réception.Such an antenna is therefore extremely well suited for general public use for the reception of television broadcasts retransmitted by satellites. Indeed in such a reception system the antenna is an important element for two reasons: firstly the quality of reception depends directly on the characteristics of the antenna and secondly, the cost of the antenna and its support as well as the cost of installation and pointing to the satellite largely define the final cost of the reception system.
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