WO1991013473A1 - Radiateur en cornets pour ondes electromagnetiques - Google Patents

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WO1991013473A1
WO1991013473A1 PCT/EP1991/000368 EP9100368W WO9113473A1 WO 1991013473 A1 WO1991013473 A1 WO 1991013473A1 EP 9100368 W EP9100368 W EP 9100368W WO 9113473 A1 WO9113473 A1 WO 9113473A1
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Emmanuel Rammos
Mats Rustan Andersson
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Agence Spatiale Europeenne
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/08—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices
    • H01P5/10—Coupling devices of the waveguide type for linking dissimilar lines or devices for coupling balanced lines or devices with unbalanced lines or devices

Definitions

  • the present invention relates to a horn radiator comprising a horn closed at one end by a bottom wall, and a probe having an L-shape inside the horn, a branch of the probe extending parallel to the longitudinal axis of the horn over a predetermined distance from the bottom wall, which longitudinal branch is extended by a transverse branch which extends in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the horn.
  • a conventional radiator for electromagnetic waves consists of a probe connected to the core of a coaxial cable and penetrating a waveguide laterally at a distance equal to a quarter of the wavelength of the wall of the waveguide.
  • a drawback of this device is that it cannot be used in a high temperature environment, since the coaxial cables available on the market can only withstand a limited temperature. This is for example the case of the antennas of the Hermès space shuttle which, in certain cases, provide local thermal protection of the spacecraft.
  • this spacecraft leaves its orbit and re-enters the atmosphere, its envelope is brought to very high temperatures, and the coaxial cables which are connected to the antennas can be brought to high temperatures and it would be desirable that the cables are located behind the antenna.
  • lateral probes Another drawback of the lateral probes is that they cannot be used for feeding waveguides very close to each other as is the case in a network of waveguides. In this case it is possible to feed the waveguide by means of a loop antenna penetrating longitudinally into the waveguide through the bottom wall. However, this arrangement has considerably less electrical transmission properties than the radial probe.
  • the present invention aims to provide a radiator capable of working in network or high temperature configurations.
  • a horn radiator comprising a horn closed at one end by a bottom wall, and a probe having an L-shape inside the horn, a branch of the probe s' extending parallel to the longitudinal axis of the horn over a predetermined distance from the bottom wall, which longi ⁇ tudinal branch is extended by a transverse branch which extends in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the horn, which radiator is remarkable in that the longitudinal branch of the probe is decent on the longitudinal axis of the horn, and is connected through the bottom plate to the central conductor of a coaxial cable.
  • the probe can pass through the bottom plate of the horn and be connected to the central conductor of a coaxial cable.
  • the bottom plate can also form the mass plate of a triplate line in which the end of the probe is connected to a central conductor embedded in a dielectric material and the bottom plate can also be fixed on a printed circuit board.
  • two probes are arranged in planes perpendicular to each other, the two probes being connected to two outputs of a differential circuit creating a phase shift of 90 degrees between the output signals.
  • the differential circuit can be printed on a plate fixed to the base of the horn or be mounted on a support plate on which is mounted at least one other differential circuit connected to a similar device.
  • the invention makes it possible to produce radiators of simple construction, which have the following main advantages:
  • FIG. 1 is a sectional view of an exemplary wave radiator according to the invention
  • FIG. 2 is a front view of the device shown in FIG. 1,
  • the exemplary device shown in Figures 1 and 2 comprises a horn 1, of circular section, having one end closed by a bottom plate 2 pierced with an opening 3. At its opposite end, the horn 1 is extended here by a radiating horn 4.
  • a probe 5 having an L-shaped profile.
  • the longitudinal branch 51 of the probe extends parallel to the longitudinal axis of the horn 1 in an offset position relative to said longitudinal axis.
  • the transverse branch 52 of the probe extends radially in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the horn 1.
  • the longitudinal branch 51 of the probe 5 forms, with the side wall of the horn 1, a microwave transmission line.
  • the end 6 of the longitudinal branch of the probe is intended to be connected to the central conductor of a coaxial cable.
  • the longitudinal branch 51 passes through the bottom wall 2 in the opening 3.
  • the probe is coated in a dielectric compound 7 intended to provide it with mechanical support.
  • the dielectric material must be able to be easily worked in order to allow the characteristic parameters of the probe 5 to be granted.
  • the dielectric material can advantageously consist of a powder of dielectric spherules. An improvement in the stationary wave rate can be obtained if necessary by adapting the impedance of the opening by means of a metallic iris or of dielectric foam placed in the horn 1.
  • the probe 5 is characterized by four characteristic parameters: its height H, its length 1 ⁇ , its width d and the spacing D between the probe and the side wall of the horn.
  • the spacing D and the width d are chosen so that the transmission line formed by the probe has the same impedance as the coaxial cable, for example 50 ohms or any other suitable value.
  • the adaptation takes into account the dimensions of the horn and the probe as well as the reflection of the opening of the horn in the case where the device is used as a radiating element.
  • the height H and the length 1 are chosen so as to obtain the best standing voltage wave rate on the frequency band of interest.
  • the probe 5 consists of a round metallic element.
  • the probe can however also be made up, for example, of a metal part with flat faces having a non-uniform thickness.
  • the probe 5 could be produced by depositing metal on a block of dielectric material that has been cut out beforehand.
  • the probe 5 can be mounted in various ways. In Figure 1 it passes through the bottom plate 2 to be connected, outside the horn 1, to the central conductor of a coaxial cable.
  • the probe can also be fixed on the bottom wall 2 of the wave horn 1 with a connection means for the external connection to the central conductor of a coaxial cable.
  • the bottom wall 2 forms the ground plate of a three-plate line 10 in which the probe connected directly to a probe connected to a central conductor 8 embedded in a dielectric compound 9.
  • the bottom plate of the horn 1 could also consist of a printed circuit board.
  • FIG. 4 schematically represents a horn 1 with double circular polarization.
  • Two probes 5A and 5B are arranged inside the horn 1.
  • the transverse branches of these two probes extend in two planes perpendicular to each other, the ends 6 of the two probes then being connected to two outputs of a circuit differential 11 (circuit known per se) creating a phase shift of 90 degrees between the signals applied to the two probes 5A and 5B so as to decouple them.
  • FIG. 5 schematically represents an embodiment of a wave radiator with double circular polarization in which the differential circuit 11 is produced on a printed circuit board fixed to the base of the horn 1 and constituting the bottom plate of the cornet.
  • the probes and the differential circuit can advantageously be produced in a single piece, which makes it possible to eliminate the welded junctions (such as the junctions 6 in FIG. 4) which are often the source of passive intermodulation products. .
  • Circular polarization can be improved by creating an asymmetry in the horn, either by adopting both an asymmetrical shape with respect to its longitudinal axis, or by placing, for example, a septum between the probes.
  • FIG. 6 represents an exemplary embodiment in which several horns 1 are mounted on a support plate 12 carrying several printed differential circuits 11. On the plate 12 are fixed the probes 5A and 5B of each horn with circular polarization. Each horn 1 consists of a cylinder, made of aluminum for example, fixed to the support plate by enveloping two probes 5A and 5B.

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

A l'intérieur d'un cornet (1) fermé à une extrémité par une paroi de fond (2) s'étend une sonde (5) en forme de L, laquelle sonde a une branche longitudinale (51) parallèle à l'axe longitudinal du cornet (1) et une branche transversale (52) qui s'étend dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal du cornet (1). La branche longitudinale (51) s'étend depuis la paroi de fond (2) du cornet (1) sur une longueur (H) prédéterminée à une distance (D) prédéterminée de la paroi latérale du cornet (1) et elle est connectée à travers la plaque de fond (2) du cornet au conducteur central d'un câble coaxial. La branche transversale (52) de la sonde a une longueur (L) et une largueur (d) prédéterminées, les valeurs des paramètres (H, D, L, et d) étant choisies de manière à produire le meilleur taux d'onde stationnaire de tension. L'invention est avantageusement utilisée sur les engins spatiaux par exemple.

Description

RADIATEUR EN CORNET POUR ONDES ELECTROMAGNETIQUES
La présente invention concerne un radiateur en cornet comprenant un cornet fermé à une extrémité par une paroi de fond, et une sonde ayant une forme en L à l'intérieur du cornet, une branche de la sonde s'éten¬ dant parallèlement à l'axe longitudinal du cornet sur une distance prédéterminée à partir de la paroi de fond, laquelle branche longitudinale se prolonge par une branche transversale qui s'étend dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal du cornet.
Un radiateur pour ondes électromagnétiques classique est constitué par une sonde connectée à l'âme d'un câble coaxial et pénétrant dans un guide d'ondes laté¬ ralement à une distance égale à un quart de la lon- gueur d'onde de la paroi de fond du guide d'ondes. Un inconvénient de ce dispositif est qu'il ne peut être utilisé dans un environnement à haute température, car les câbles coaxiaux disponibles sur le marché ne peu¬ vent supporter qu'une température limitée. C'est par exemple le cas des antennes de la navette spatiale Hermès qui, dans certains cas, assurent localement la protection thermique de l'engin. Or, lorsque cet engin spatial quitte son orbite et rentre dans l'atmosphère, son enveloppe est portée à des températures très éle- vées, et les câbles coaxiaux qui sont raccordés aux antennes peuvent être portés à des hautes températures et il serait souhaitable que les câbles soient situés derrière l'antenne. Un autre inconvénient des sondes latérales est qu'elles sont inutilisables pour l'alimentation de guides d'ondes très rapprochés les uns des autres comme c'est le cas dans un réseau de guides d'ondes. Dans ce cas il est possible d'alimenter le guide d'ondes au moyen d'une antenne en boucle pénétrant longitudinalement dans le guide d'ondes par la paroi de fond. Toutefois, cette disposition présente des propriétés de transmission électrique considérablement moins bonnes que la sonde radiale.
La présente invention a pour but de proposer un radia¬ teur capable de travailler dans des configurations en réseau ou à haute température.
Cet objectif est atteint conformément à l'invention, par un radiateur en cornet comprenant un cornet fermé à une extrémité par une paroi de fond, et une sonde ayant une forme en L à l'intérieur du cornet, une branche de la sonde s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal du cornet sur une distance prédéterminée à partir de la paroi de fond, laquelle branche longi¬ tudinale se prolonge par une branche transversale qui s'étend dans un plan perpendiculaire à l'axe longitu- dinal du cornet, lequel radiateur est remarquable en ce que la branche longitudinale de la sonde est décen¬ trée par rapport à l'axe longitudinal du cornet, et est connectée à travers la plaque de fond au conduc¬ teur central d'un câble coaxial.
Divers modes d'exécution sont possibles. Par exemple, la sonde peut traverser la plaque de fond du cornet et être connectée au conducteur central d'un câble co¬ axial. La plaque de fond peut également former la plaque de masse d'une ligne triplaque dans laquelle l'extrémité de la sonde se trouve connectée à un conducteur central noyé dans une matière diélectrique et la plaque de fond peut aussi être fixée sur une plaquette à circuit imprimé.
Dans un mode de réalisation particulier, deux sondes sont disposées dans des plans perpendiculaires entre eux, les deux sondes étant connectées à deux sorties d'un circuit différentiel créant un déphasage de 90 degrés entre les signaux de sortie. Le circuit diffé¬ rentiel peut être imprimé sur une plaquette fixée à la base du cornet ou être monté sur une plaque de support sur laquelle est monté au moins un autre circuit différentiel connecté à un dispositif similaire. Un mode d'exécution intéressant consiste à réaliser les sondes d'une pièce avec le circuit différentiel, ce qui a pour avantage d'éliminer les jonctions soudées et ainsi réduire les produits d'intermodulation passi¬ ve qui interfèrent avec les signaux de communication.
L'invention permet de réaliser des radiateurs en cor¬ net de construction simple qui présentent les avanta¬ ges principaux suivants :
a) les accès d'entrée et de sortie sont aisément et directement accessibles car ils sont placés derriè¬ re le radiateur,
b) la réalisation des ondes permet une grande souples- se dans la sélection des dimensions de l'ouverture des radiateurs,
c) ils assurent un rendement de transmission élevé,
d) comme déjà mentionné plus haut, l'absence de con- tacts soudés entraîne l'absence de produits d'in¬ termodulation passive.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit, accompagnée des dessins dans lesquels :
- la figure 1 est une vue en coupe d'un radiateur d'ondes exemplaire conforme à l'invention,
- la figure 2 est une vue de face du dispositif montré à la figure 1,
- les figures 3 à 6 illustrent quelques exemples typi¬ ques de modes de réalisation conformes à l'invention.
Le dispositif exemplaire représenté aux figures 1 et 2 comprend un cornet 1, de section circulaire, ayant une extrémité fermée par une plaque de fond 2 percée d'une ouverture 3. A son extrémité opposée, le cornet 1 se prolonge ici par un pavillon rayonnant 4.
A l'intérieur du cornet 1, à partir de la plaque de fond 2, s'étend une sonde 5 ayant un profil en L. La branche longitudinale 51 de la sonde s'étend parallè¬ lement à l'axe longitudinal du cornet 1 en une posi¬ tion décentrée par rapport audit axe longitudinal. La branche transversale 52 de la sonde s'étend radiale- ment dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal du cornet 1.
La branche longitudinale 51 de la sonde 5 forme, avec la paroi latérale du cornet 1, une ligne de transmis¬ sion hyperfréquences. L'extrémité 6 de la branche lon¬ gitudinale de la sonde est destinée à être connectée au conducteur central d'un câble coaxial. Dans l'exem¬ ple de la figure 1, la branche longitudinale 51 tra- verse la paroi de fond 2 dans l'ouverture 3. La sonde est enrobée dans un composé diélectrique 7 destiné à lui assurer un support mécanique. Le matériau diélec¬ trique doit pouvoir être facilement travaillé afin de permettre d'accorder les paramètres caractéristiques de la sonde 5. Le matériau diélectrique peut avanta¬ geusement être constitué d'une poudre de sphérules diélectriques. Une amélioration du taux d'onde sta- tionnaire peut être obtenue si nécessaire en adaptant l'impédance de l'ouverture au moyen d'un iris métalli- que ou en mousse diélectrique disposé dans le cornet 1.
La sonde 5 est caractérisée par quatre paramètres caractéristiques : sa hauteur H, sa longueur 1^, sa largeur d et l'écartement D entre la sonde et la paroi latérale du cornet. L'écartement D et la largeur d sont choisies de manière que la ligne de transmission formée par la sonde ait la même impédance que le câble coaxial, par exemple 50 ohms ou toute autre valeur convenable. L'adaptation tient compte des dimensions du cornet et de la sonde ainsi que de la réflexion de l'ouverture du cornet dans le cas où le dispositif est utilisé comme élément rayonnant. La hauteur H et la longueur 1 sont choisies de manière à obtenir le meilleur taux d'onde stationnaire de tension sur la bande de fréquences intéressante.
Dans le mode de réalisation exemplaire des figures 1 et 2, la sonde 5 est constituée d'un élément métalli- que rond. La sonde peut cependant aussi être consti¬ tuée par exemple d'une pièce métallique à faces planes ayant une épaisseur non uniforme. Dans un mode d'exé¬ cution particulier, la sonde 5 pourrait être réalisée par dépôt de métal sur un bloc de matériau diélectri- que préalablement découpé. La sonde 5 peut être montée de diverses manières. Dans la figure 1 elle traverse la plaque de fond 2 pour être connectée, à l'extérieur du cornet 1, au conduc¬ teur central d'un câble coaxial. La sonde peut aussi être fixée sur la paroi de fond 2 du cornet d'ondes 1 avec un moyen de connexion pour le raccordement exté¬ rieur au conducteur central d'un câble coaxial. La figure 3 représente par exemple un mode d'exécution dans lequel la paroi de fond 2 forme la plaque de masse d'une ligne triplaque 10 dans laquelle se fixe directement la sonde connectée à un conducteur central 8 noyé dans un composé diélectrique 9. La plaque de fond du cornet 1 pourrait aussi consister en une pla¬ quette à circuit imprimé.
La sonde réalisée et montée conformément à l'invention permet de réaliser non seulement des radiateurs d'on¬ des à polarisation linéaire mais également, et tout aussi simplement, des radiateurs à polarisation circu- laire. La figure 4 représente de façon schématique un cornet 1 à double polarisation circulaire. Deux sondes 5A et 5B sont disposées à l'intérieur du cornet 1. Les branches transversales de ces deux sondes s'étendent dans deux plans perpendiculaires entre eux, les extré- mités 6 des deux sondes étant alors connectées à deux sorties d'un circuit différentiel 11 (circuit connu en soi) créant un déphasage de 90 degrés entre les si¬ gnaux appliqués aux deux sondes 5A et 5B de manière à découpler celles-ci.
La figure 5 représente schématiquement un mode d'exé¬ cution d'un radiateur d'ondes à double polarisation circulaire dans lequel le circuit différentiel 11 est réalisé sur une plaquette à circuit imprimé fixée à la base du cornet 1 et constituant la plaque de fond du cornet. Les sondes et le circuit différentiel peuvent avanta¬ geusement être réalisés en une seule pièce, ce qui permet d'éliminer les jonctions soudées (telles que les jonctions 6 de la figure 4) qui sont souvent à l'origine de produits d'intermodulation passive.
En utilisant deux sondes de dimensions différentes, il est également possible de créer une polarisation cir¬ culaire unique dans le cornet sans nécessiter de cir- cuit différentiel.
La polarisation circulaire peut être améliorée en créant une dissymétrie dans le cornet, soit en adop¬ tant pour celui-ci une forme dissymétrique par rapport à son axe longitudinal, soit en plaçant par exemple un septu entre les sondes.
Un avantage particulièrement intéressant de l'inven¬ tion est qu'elle permet de monter aisément plusieurs cornets d'ondes 1 sur une plaque de support 12 avec un faible écartement entre les cornets 1, ce qui rend l'invention apte à réaliser des réseaux de cornets d'ondes compacts. La figure 6 représente un mode de réalisation exemplaire dans lequel plusieurs cornets 1 sont montés sur une plaque de support 12 portant plusieurs circuits différentiels imprimés 11. Sur la plaque 12 sont fixées les sondes 5A et 5B de chaque cornet à polarisation circulaire. Chaque cornet 1 est constitué d'un cylindre, en aluminium par exemple, fixé sur la plaque de support en enveloppant deux sondes 5A et 5B.
Dans une telle construction, il est possible de réali¬ ser un réseau compact de cornets d'ondes de section polygonale quelconque, par exemple carrée ou rectangu- laire, en formant les cornets au moyen de bandes d'aluminium ou de matière plastique renforcée de fi¬ bres de carbone, notamment, disposées en treillis et fixées d'une manière quelconque sur la plaque de sup- port 12.
Les exemples décrits dans ce qui précède sont des exemples donnés à titre illustratif et l'invention n'est nullement limitée à ces exemples. Toute modifi- cation, toute variante et tout agencement équivalent doivent être considérés comme compris dans le cadre de 1'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Radiateur à cornet pour ondes électromagnétiques, comprenant un cornet (1) fermé à une extrémité par une paroi de fond (2) , et une sonde (5) ayant une forme en L à l'intérieur du cornet, une branche (51) de la sonde s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal du cornet sur une distance prédéterminée à partir de la paroi de fond (2), laquelle branche longitudinale (51) se prolonge par une branche transversale (52) qui s'étend dans un plan perpendiculaire à l'axe longitu- dinal du cornet, caractérisé en ce que la branche longitudinale (51) de la sonde est décentrée par rapport à l'axe longitudi¬ nal du cornet (1), et est connectée à travers la plaque de fond (2) au conducteur central d'un câble coaxial.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la branche longitudinale (51) de la sonde (5) traverse la plaque de fond (2) du cornet (1) et se trouve connectée au conducteur central du câble coaxial.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaque de fond (2) du cornet forme la plaque de masse d'une ligne triplaque (10) dans laquelle l'extrémité de la sonde (5) se trouve connectée à un conducteur central (8) noyé dans une matière diélec¬ trique (9) .
4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaque de fond (2) du cornet consiste en une plaquette à circuit imprimé sur laquelle est fixée la sonde.
5. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caracté¬ risé en ce qu'il comprend deux sondes disposées dans des plans perpendiculaires entre eux, les deux sondes étant connectées à deux sorties d'un circuit différen- tiel (11) créant un déphasage de 90 degrés entre les signaux de sortie.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit différentiel (11) est imprimé sur une plaquette fixée à la base du cornet.
7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les sondes (5A, 5B) et le circuit différentiel (11) sont réalisés en une pièce.
8. Dispositif selon la revendication 5 ou 6 , caracté¬ risé en ce que le circuit différentiel (11) est monté sur une plaque de support (12) sur laquelle est monté au moins un autre circuit différentiel connecté à un dispositif similaire.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendica¬ tions précédentes , caractérisé en ce que la sonde ( 5 ) est une pièce à faces planes, ayant une épaisseur non uniforme.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendica¬ tions précédentes, caractérisé en ce que la sonde (5) est enrobée d'un matériau diélectrique (7).
11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la sonde (5) est formée par dépôt de métal sur un bloc de matière diélectrique.
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