L'ANTENNE EST LE GUIDEROPE

III.1.1 Constitution physique de l'antenne: le guiderope et sa queue vus comme une antenne

Figure 3-1 : Le corps et la queue du guiderope

C'est le guiderope complet qui sert de chemin aux courants haute fréquence, "poussés" par l'impulsion d'émission, ou induits par le champ électromagnétique à la réception. Le guiderope est constitué de deux parties: le corps et la queue. Le corps est une suite de segments tronconiques métalliques dont le diamètre extérieur maximum est de 6 cm. Long de 6,60 m lors de sa première définition, le corps a été raccourci et sa longueur totale n'est que de 5 mètres pour le Modèle d'Identification (MI) fabriqué par le CNES. Les segments sont articulés et s'emboîtent légèrement l'un l'autre, grâce à la forme tronconique (voir figure 3-2).

L'articulation est assurée par une mécanique de rotule, creuse pour laisser passer les liaisons électriques entre les segments. L'articulation doit aussi permettre la continuité électrique d'un segment à l'autre pour les courants électriques Haute Fréquence d'antenne. Ceux ci doivent en effet courir tout le long de la "peau" externe du guiderope. Les courants Haute Fréquence pénètrent peu la surface des métaux. Pour les matériaux constituant l'enveloppe externe du guiderope, Aluminium ou Titane, on peut déterminer l'épaisseur de peau dans laquelle passe l'essentiel du courant à 10 MHz et 100 MHz:

Tableau 3-1: Epaisseur de peau selon le métal et la fréquence

métal / fréquence 10MHz 100MHz

Aluminium 27 microns 8.5 microns

Par sa conception mécanique, l'articulation ne garantit pas en permanence la bonne continuité électrique de surface, d'un segment à l'autre, à cause du jeu mécanique nécessaire de la rotule (voir sur la figure 3-2 ci-dessous). Sur le MI, on a ajouté des tresses métalliques externes de liaison, à titre provisoire. Dans un autre prototype d'articulation, utilisé au Service d'Aéronomie, et fabriqué par la Société STIM, on a prévu 3 petits câbles en acier autour de la rotule. Ces câbles assurent la liaison surface à surface des deux segments successifs. Les courants HF subissent une faible déviation supplémentaire au passage par les câbles. Les essais pratiques ne montrent pas de perturbation à la propagation du courant le long de la structure. Toutefois, la non parfaite conduction à la rotule a une autre conséquence. Elle peut faciliter un couplage avec les liaisons électriques intérieures au guiderope et permettre l'excitation d'un mode interne qui est discuté dans l’Annexe III.

continuité ?

segment N segment N+1

toron

Figure 3-2: Articulation, liaisons électriques et continuité de peau

Globalement, le corps du guiderope peut être vu comme un fil conducteur épais. On doit renforcer la conduction instable des articulations. On ne peut pas insérer de résistances électriques intermédiaires entre les segments pour réaliser une antenne amortie.

Le corps du guiderope est suivi de la queue du guiderope. Celle ci assure d'abord une fonction mécanique. Elle évite au dernier segment du guiderope de battre la surface martienne avec toute l'énergie cinétique. La queue joue donc un rôle de fouet. D'abord simple câble métallique en acier, elle a évolué vers une structure mécanique plus complexe, afin d'éviter qu'elle ne se noue. Dans sa définition pour le MI (Avril 1993), elle est constituée, comme le corps, d'une suite de petits segments, chacun de 5 cm de longueur et de 1.5 cm de diamètre. (INFO+)

Pour former une antenne de type dipôle électrique, on utilise le corps comme un des deux brins, et la queue comme l'autre brin. La queue doit avoir sensiblement la même longueur que le corps. Il faut isoler électriquement la queue du corps, et insérer électriquement au centre les charges émettrice et réceptrice. Ces contraintes instrumentales se sont avérées compatibles avec les fonctions mécaniques prioritaires du guiderope.

Nous avons donc une antenne. C'est un dipôle électrique asymétrique, dont un des brins est un cylindre épais, creux, de longueur 5m ,et de diamètre irrégulier variant de 2 à 6cm. L'autre brin métallique est plus fin, son diamètre varie de 1 à 2 cm. Examinons maintenant comment notre antenne est disposée par rapport au milieu à sonder?

III.1.2 Déploiement de l'antenne à la surface de Mars, portance du ballon, déformation au sol

Le guiderope assure la fonction de lest variable de l'aérostat. Du fait des propriétés thermiques de l'enveloppe du ballon, et de la diminution du rayonnement solaire, lorsque le jour baisse, la portance du ballon diminue. L'aérostat descend progressivement. Quand la queue du guiderope atteint le sol, elle commence à s'y déposer et l'aérostat n'a plus à supporter la masse déposée. Pour une répartition à peu près linéaire de la masse le long du corps du guiderope, il existe une position d'équilibre, à portance donnée. Une certaine masse du guiderope est au sol et le reste soulevé. Si tout le guiderope est déposé, il n'y a plus de réserve de lest. Si le ballon descend encore et touche le sol, il explose. La masse du guiderope a été calculée pour tenir la durée nominale de la mission, 10 jours, avec les écarts entre le jour et la nuit de la portance, la dérive prévue vers le nord de la planète, et la baisse tendancielle du taux de portance par fuite du capital d'hélium du ballon.

Pour une opération en radar, la nuit, le guiderope repose donc partiellement sur le sol, et en fonction du vent, il est traîné au sol (voir la figure 2-4 du chapitre II). La partie soulevée est ainsi plus ou moins inclinée et prend l'allure de la fonction "chaînette" (cosinus hyperbolique). La partie au sol suit, tel un serpent, les aspérités verticales, et avec les fluctuations du vent et des chocs, elle est plus ou moins alignée dans le plan horizontal. Elle peut ainsi prendre des formes typiques, par exemple en "C" en "S".

différents, et nous souhaitons sonder le milieu qui est sous l'antenne.

III.1.3 Utilisation de cette antenne unique pour le radar géophysique

Pour réaliser les objectifs de sondage électromagnétique profond du sous sol, on doit travailler en basse fréquence, et pour obtenir une bonne résolution, on doit utiliser une bande aussi large que possible (voir la description des objectifs dans le chapitre I, et la définition de l’instrument au chapitre II). L'antenne, par ses propriétés rayonnantes, ses "modes", conditionne les performances. Comment utiliser en large bande notre dipôle électrique, tel qu'il est contraint mécaniquement et électriquement?

Nous avons une seule antenne pour assurer les deux fonctions émission et réception. Les petits courants induits (par les champs réfléchis attendus) directement détectables par l'instrument, sans addition cohérente, sont beaucoup plus faibles que ceux qui servent à générer, par l'antenne, le champ de sondage: 200 nA pour les courants induits, contre 500 mA pour les courants inducteurs (voir le Chapitre VII sur la dynamique des champs et signaux). Une telle dynamique linéaire simultanée, de l'ordre de 128 dB, est hors de portée de l'instrumentation électronique courante. Il est donc indispensable de séparer, dans le temps, sur l'antenne, les instants d'émission, des instants de réception des petits signaux. On utilisera notre antenne en mode d'excitation transitoire courte. Pour des raisons de simplicité et de robustesse du procédé, on excite l'antenne avec une impulsion simple, de polarité unique, c'est à dire avec une "bosse" dont on peut, dans une certaine mesure, ajuster l'amplitude et la forme.

Sur une structure rayonnante linéaire, les courants d'excitation du champ se relaxent progressivement, avec une enveloppe temporelle d'allure exponentielle décroissante. La largeur de bande du rayonnement, est inversement proportionnelle à la constante D de décroissance de l’amplitude du courant. Un tel courant décroissant reste toutefois longtemps masquant pour le récepteur. Il faut attendre plusieurs périodes D pour que les courants résiduels réverbérants ne saturent plus le domaine linéaire de la chaîne de réception. Dans notre application, il faut analyser le rayonnement et la réverbération de courant sur l'antenne, et amortir plus vite et complètement cette réverbération afin de réduire la période de saturation du récepteur qui engendre la zone aveugle de la fonction radar.

III.1.4 Résumé: le guiderope constitue au départ une antenne de radar mal connue.

Le dipôle électrique formé de fils fins est pourtant une des antennes les plus simples et la mieux connue dans le domaine fréquentiel. Mais ici, l'antenne est asymétrique, creuse, déformée et mal plaquée sur un diélectrique à faible perte.

Le dipôle électrique fin en milieu homogène a des modes à résonances étroites (Q#10). On veut l'utiliser ici en large bande, en l'excitant par des impulsions simples que l'on veut ensuite amortir de plusieurs ordres de grandeur, dans un temps court.

Il faut aussi connaître le diagramme de rayonnement et tenter de concentrer le sondage vers le bas.

La compréhension de l'antenne, et l'adaptation de l'instrument à cette antenne vont se faire avec trois approches croisées, et confrontées à des résultats déjà publiés:

- des mesures sur l'antenne placée en des sites pertinents. - une approche analytique à la fois fréquentielle et temporelle, - des simulations numériques, parfois irremplaçables.