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Mesure de l'onde incidente dans un guide d'ondes.
L'invention concerne un procédé perfectionné de mesure de ou de réponse à l'onde incidente dans un guide d'ondes ou d'autres lignes de transmission d'un type pouvant, à certains moments, contenir des ondes stationnaires incidentes et réflé- chies. Quoique l'invention ait été spécialement étudiée pour les guides d'ondes et y soit particulièrement applicable, et bien qu'elle soit spécialement décrite et expliquée en se référant à un guide d'ondes, les principes généraux de l'inven- tion peuvent s'appliquer à d'autres types de lignes de trans- mission. Les représentations et explications qui vont suivre ne limiteront donc pas le cadre de l'invention, conformément à l'exposé ci-dessus.
On a utilisé jusqu'ici au moins deux types généraux
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d'appareils pour l'indication continue du niveau de puissance incidente dans un guide d'ondes. Un de ces procédés utilise un couplage directionnel avec un appareil de mesure inséré dans ou couplé à ce couplage directionnel, ce qui constitue un appareil de bonne précision, mais encombrant et compliqué.
L'autre type d'appareil de mesure pour guide d'ondes utilise un sondeur glissant, ou autre couplage, qui a lé désavantage d'exiger un grand nombre de lectures, en différents points le long du guide, et de longs calculs, avant d'obtenir la mesure de niveau désirée, et qui suppose une exécution de la plus grande précision de l'ordre du millième de pouce (0,025 mm) ou moins, même si on se contente d'une approximation raisonnable.
Le but principal de la présente invention est de créer un nouveau moyen pour déterminer de façon instantanée ou continue l'amplitude d'une onde incidente de longueur d'onde connue dans une ligne de transmission, telle qu'un guide d'ondes, cette détermination étant indépendante de la phase de l'onde stationnaire, et, pour de petites valeurs de rapport d'onde stationnaire, pratiquement indépendante de l'amplitude de l'onde stationnaire.
Conformément µ l'invention, deux détecteurs pratique- ment identiques sont couplés pratiquement dans les mêmes condi- tions à une ligne de transmission, telle qu'un guide d'onde, en deux points pratiquement distants l'un de l'autre le long de la ligne de transmission, de (2n+l) , où n est un nombre entier et /\ la longueur d'onde dans la ligne; ils sont associés à un dispositif répondant à la somme des sorties unidirection- nelles des deux détecteurs. Les endroits de couplage des détecteurs sont quelconques le long de la ligne, pourvu qu'ils soient distants l'un de l'autre d'un nombre impair de quarts de longueur d'onde.
Une forme préférée de l'invention est représentée à ti- tre d'exemple au dessin annexé.
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La figure 1 est une représentation schématique d'un mesureur de guide d'ondes conforme à l'invention, et la figure 2 est une courbe à laquelle on se réfère dans l'exposé.
La figure 1 représente un guide d'ondes 3 qui peut transmettre de l'énergie en n'importe quel mode d'excitation.
Cette énergie aura d'habitude une longueur d'onde constante connue A dans le guide, quoique l'invention ne soit pas limitée par une telle condition. Deux dispositifs de couplage sont représen- tés sous la forme de détecteurs à cristal Pl et P2 avec sonde, écartés entre eux d'un nombre impair de quarts de longueur d'onde, c'est-à-dire /4, 3/4, 5/4, ou semblables. La nature de ces dispositifs de couplage dépendra de la nature de propa- gation des ondes dans le guide. Dans le mode de propagation TEo1, qui est le mode le plus courant, les dispositifs de coupla- ge seront simplement des sondes 4 pénétrant légèrement à l'inté- rieur du guide d'ondes, le degré de pénétration déterminant le degré de couplage.
Les extrémités extérieures des sondes 4 sont reliées aux détecteurs à cristal 5 qui produisent une tension de sortie unidirectionnelle aux bornes de sortie 6 et 7 du cristal. Une des sondes, telle que Pl est isolée du guide d'onde, tandis que l'autre sonde P2 a une de ses bornes, 6', mise à la masse du guide, comme indiqué en 8, cette connexion de masse constituant en fait un court-circuit pour le courant continu, et un circuit ouvert pour les radio-ondes, comme indiqué schématiquement par l'insertion d'un circuit équivalent à une self de choc haute fréquence 9, dans la connexion de masse 8.
Conformément à l'invention, les deux tensions de sortie unidirectionnelles des deux sondes Pl et P2 sont réunies en série, et la sortie combinée résultante est mesurée par un appareil de mesure quelconque 10, tel qu'un micro-ampèremètre.
Si la fréquence, et donc la longueur d'onde A, de
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l'onde radio-électrique est déterminée, les deux sondes P1 et P2 peuvent être fixées à une distance relative fixe. Si la longueur d'onde est variable, il faudra régler la position d'une des sondes le long du guide pour l'adapter à la longueur d'onde de l'onde dont il faut mesurer le niveau de puissance.
Dans tous les cas, les deux sondes de détection P1 et P2 doivent être réglées séparément de façon que leur débit soit le même, pour un niveau de puissance donné, ce qui peut se faire en règlant les extrémités du guide d'onde de façon qu'il n'y ait pas d'ondes réfléchies, et en réglant les degrés de couplage des deux sondes en ajustant la profondeur de pénétration des sondes respectives dans le guide d'onde.
Dans n'importe quelle section droite ou emplacement de sonde dans un guide d'ondes sans pertes, il y a deux composantes de tension, notamment une tension incidente:
EMI4.1
- ( e 1- -px) (1) V i - At.."""""". 1 et une tension réfléchie:
EMI4.2
- ( e 2+ PX) (2) où B = - constante de phase du guide....(3) /\= la longueur d'onde dans le guide, et x = la distance le long du guide, mesurée du bout d'entrée.
La tension totale ou réelle dans cettessection droite ou emplacement de sonde est:
EMI4.3
V= Vi+ Vr - A . (61-X) + Bt. t (e 2+ TX) ........ (4) l'amplitude de cette tension est: 1 vI = VA2+ B2+ 2 AB cos (B1 92- 2x) ...............(5)
Si la première sonde P1 se trouve à une distance x de l'entrée du guide d'onde, et si elle répond à la puissance, ou au carré de l'amplitude de.-la tension, comme c'est le cas d'un cristal fonctionnant dans la partie quadratique de
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sa caractéristique, la réponse en tension unidirectionnelle de la sonde détectrice peut s'écrire:
EMI5.1
Pl = k LA2 + B2+ 2 AB cos (Ol -62- 2 $xyz ........
(6)
Si la seconde sonde P2 est décalée de la première sonde Pl d'une distance égale à un nombreimpair , ( 2 n+1), de quarts de longueur d'onde, #/4, le long du guide, n étant un nombre entier (y compris zéro théoriquement), l'angle ssx doit être remplacé par ssx + (2n + 1)Ò2], et si la seconde sonde P2 a le même coëfficient de réponse k, sa réponse en tension unidirectionnelle sera:
EMI5.2
P2 = k .A2+ B2+ 2AB cos[617 G 2- 2px + ( 2 n+ l)1fJ} = k [A2 + B2 - 2AB cos (e 1- C - 3 x) .......
(7)
On remarque immédiatement que la somme des réponses des sondes est égale à
Pl + P2 = 2 k (A2+B2) ...........................(8) Cela signifie que la réponse globale des sondes ( P1 + P2 ) est indépendante de la phase (#2-#1+ 2f>x ) de l'onde réflé- chie Vr par rapport à l'onde incidente Vi, et est aussi in- dépendante de la position x des sondes détectrices le long du guide d'onde. A et B représentent les amplitudes des compo- santes de tension incidente et réfléchie, respectivement, et par conséquent A2 et B2 sont proportionnels aux puissances incidente et réfléchie, respectivement.
En supposant qu'il faille obtenir une réponse à A2, ou puissance incidente, pratiquement indépendante de la posi- tion des sondes ou des phases relatives des ondes incidente et réfléchie dans le guide d'onde, la réponse de double sonde (P1 + P2 ) est toujours fonction de ( A2 + B2 ), c'est-à-dire, de la somme des amplitudes des puissances
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incidente et réfléchie, comme l'indique l'équation (8), tandis que la réponse d'une sonde unique Pl placée au hasard le long du tube variera entre une puissance maximum: Pmax = k ( A2+B2 + 2AB) = k (A + B) 2 (9) et une puissance minimum :
Pmin=k ( A2 + B2 - 2AB ) = k (A-B)2 ..............(10) suivant la valeur de l'angle de phase (#1-#2) 2ssx, à l'endroit x de localisation de la sonde, comme l'indique l'équation (6).
Dans la grande majorité des cas, les guides d'onde sont soumis à deux conditions, et l'invention s'applique particulièrement, sans y être limitée, aux guides qui sont soumis à ces deux conditions, au moins dans l'intervalle ( 2 n + 1) #/4 entre les deux sondes P1 et P2. La première condition est que le guide d'onde est pratiquement sans pertes, hypothèse admise lors de l'établissement de l'équation (1).
La seconde condition est que le rapport de puissance d'onde stationnaire PSWR, ou le rapport d'onde stationnaire, en puis- sance, soit faible, habituellement inférieur à 2, et généra- lement inférieur à 3 .
La rapport de puissance d'onde stationnaire PSWR est égal au carré du rapport de tension d'onde stationnaire
EMI6.1
défini par le rapport entre la tension maxima (A + B) et la tension minima (A - B) le long du guide d'onde. Il s'en - suit :
EMI6.2
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On peut ainsi calculer la précision de la mésure de la puissance d'entrée A2 donnée par (A2 + B2), par compa- raison aux mesures de puissance maxima et minima que l'on peut obtenir avec une sonde unique mobile, comme le montre le tableau suivant :
EMI7.1
<tb> I; <SEP> II <SEP> : <SEP> III <SEP> IV <SEP> V <SEP> : <SEP> VI <SEP> VII: <SEP> VIII <SEP> IX
<tb>
EMI7.2
#|m # # . # 111*1 * ii ---...* , .... :(A2+F)/A2 : (1 +VII) 2 : (I-UTI)2 = .
######### #####e...
: - : : : :rJ2 1 if : (Pj+)/2kA B/A (+22AB)/:(A2+ A)/A2 'PStR 1/ PSWR ( -7 2 ( PS'W-1)2 =III/ItT v= I + V = V T Pmax/k A 2 -Pin/2 .
######### *#*# # # ## # # # * .#*##.. . il # #! l ## il .#!. % . ##11# ## # .1 I#-T r... - ...-i i# . # #!# 11.... -----a... zum¯, il *1 ;0 ;l.al4 ;0 .1.000 :0 1.00 1.00
EMI7.3
<tb> 1.2 <SEP> :1.0954 <SEP> : <SEP> . <SEP> 0091 <SEP> 4.37 <SEP> .0021;1.002 <SEP> .0441; <SEP> 1. <SEP> 09 <SEP> . <SEP> 91
<tb>
<tb> :1.5 <SEP> :1.2247 <SEP> : <SEP> .0505 <SEP> 4.95 <SEP> .0102:1.010 <SEP> .1010; <SEP> 1. <SEP> 21 <SEP> .81
<tb>
EMI7.4
######## :1.75:1.3229 .1043 :5.40 : .0193:1.019 ..1389: 1.30 : .74 :2 :1.4142 .1716 :5.83 .0294:1.029 .1715: 1.37 : .69
EMI7.5
<tb> :3 <SEP> :1.73205: <SEP> .5359 <SEP> :7.46 <SEP> : <SEP> .0718:1.072 <SEP> : <SEP> .268: <SEP> 1. <SEP> 61 <SEP> :
<SEP> .54 <SEP>
<tb>
EMI7.6
# ## # # La colonne VI de ce tableau, que la mesure par sonde double donnera le niveau de puissance incidente A2 avec une erreur de moins de 2% ( ce qui est une précision supérieure à celle des instruments de mesure courants), quand le rapport de puissance d'onde stationnaire PSWR est aussi élevé que 1,75 ( ce qui dépasse le rapport obtenu dans la plupart des guides d'ondes). Pour le même PSWR = 1,75, les colonnes VIII et IX donnent des mesures de puissance maxima et minima par sonde unique de 130% et74% de la valeur réelle de la puissance incidente A2.
Le fonctionnement du nouveau dispositif est aussi illustré par les courbes de la figure 2; la valeur instantanée de la tension de l'onde incidente est donnée par Vi, à un instant donné, l'amplitude de cette tension étant portée sur le diagramme pour différents points ss x le long du guide d'onde,
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la tension étant donnée par des chiffres arbitraires, et la longueur du guide étant exprimée en degrés et longueurs d'onde #. Les amplitudes des tensions instantanées de l'onde réfléchie, en différents points le long du guide, sont données à la figure 2 par la courbe Vr. en supposant le cas où le niveau maximum de tension B de l'onde réfléchie est, par rapport au niveau maximum de tension A de l'onde incidente, dans le rapport de 1,1 à 8.
On suppose que l'onde réfléchie Vr est déphasée en avant par rapport à l'onde incidente V., de l'angle (#2- #1) L'amplitude de la réponse de sonde, exprimée en va- leurs moyennes, efficaces ou de pointe, des ondes incidente et réfléchie, donnée par l'équation (5), est représentée à la figure 2 par la courbe V, qui représente aussi la racine carrée de la réponse de l'une ou l'autre des deux sondes, telle que P1, par exemple. La valeur de la réponse due à l'ensemble des deux sondes P1 et P2 jumelées, est indiquée, à la figure 2, par la ligne droite A2 + B2 , conformément à l'équation (8).
REVENDICATIONS
1. Dispositif de mesure de ou de réponse à l'onde incidente dans une ligne de transmission à haute fréquence d'un type pouvant, à certains moments, contenir des ondes station- naires réfléchies et incidentes, ces ondes stationnaires ayant une longueur d'onde fixe déterminée ,\ la ligne de trans- mission ayant un point d'entrée et un point de sortie, carac- térisé en ce que deux détecteurs pratiquement identiques sont couplés de manière pratiquement identique à la ligne de trans- mission en deux points de couplage intermédiaires entre le point d'entrée et le point de sortie, les deux points de couplage étant écartés l'un de l'autre pratiquement de ( 2n + 1) # le long de la ligne de transmission, n étant un nombre entier
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quelconque,
chacun des détecteurs produisant une tension unidirectionnelle dépendant de la grandeur d'une quantité donnée dans la ligne de transmission en son point de couplage, et en ce que les bornes de sortie des deux détecteurs sont mises en série entre elles et avec un dispositif de réponse (10), qui peut répondre à la somme des sorties unidirectionnelles des deux détecteurs.
2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la ligne de transmission est un guide d'ondes.
3. Procédé de mesure de la somme de la puissance moyenne de l'onde incidente et de la puissance moyenne de l'onde réfléchie, dans une ligne de transmission telle qu'un guide d'ondes, caractérisé en ce qu'on obtient deux mesures de puis- sances redressées en deux points différents écartés l'un de l'autre d'une distance égale à un nombre impair de quarts de longueur d'onde, et en ce qu'on obtient une réponse à la somme des deux mesures de puissances ainsi obtenues.
4. Dispositif pour la mesure de la puissance dans un guide d'onde, en substance comme décrit ci-dessus avec référence au dessin annexé.