A NNALES DE L ’ UNIVERSITÉ DE G RENOBLE
R ENÉ R EULOS
Antennes à polarisation circulaire et antennes à cavité résonnante
Annales de l’université de Grenoble, tome 23 (1947-1948), p. 359-369
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Antennes
àpolarisation circulaire
et
antennes
àcavité résonnante
par René REULOS
(Grenoble).
1
L’ONDE A POLARISATION CIRCULAIRE
DANS LA
RADIO-DÉTECTION
L’onde à
polarisation
circulaireprésente
desavantages
évidents.Sa structure
symétrique qui
nepossède
aucunplan privilégié, s’adapte
très rationnellement auxdispositifs
de révolution tels que les miroirsparaboloïdaux,
cequi permet
d’utiliser effectivementtoute leur
surface,
et d’obtenir un meilleurpouvoir
directif.Si le milieu traversé ou les
surfaces
réfléchissantes ont une structure défavorisant une descomposantes
del’onde,
l’autre com-posante
seratoujours
reçuequelle
que soit l’orientation de sonplan
de
polarisation, propriété
intéressante dans laradio-détection,
etqui
permet
en outre d’utiliser de telsdispositifs
à l’étude despropriétés analysantes
des milieux traversés.Enfin,
undispositif
émettant uneonde tournant dans un certain sens ne
peut
pas recevoir l’onde tournant en sensinverse, propriété qui peut
être mise àprofit
danscertains cas
particuliers.
Je fus amené à étudier dès
1938,
le moyen d’obtenir des ondescentimétriques
àpolarisation circulaire,
en vued’expériences
sug-gérées
par des théoriesphysiques
récentes. M.GuTTON, Directeur
duLaboratoire National de
Iladio-Électricité,
m’ouvrit très aima-blement ses
portes
et mit à madisposition
sesparaboloïdes
et sesnouveaux
magnétrons
SFH de 25 watts sur lalongueur
d’ondede 16 centimètres.
Lorsque
la guerrearriva, j’étais
en posses- sion de deux moyens pour arriver au but queje
m’étaisassigné,
soit :
Obtenir un «
pinceau »
àpolarisation circulaire,
bien défini et nondivergent,
utilisant tout lerayonnement
de l’émetteur élémentaireet
analogues
aux «pinceaux »
lumineux desprojecteurs optiques.
L’un utilisait un
paraboloïde qui
n’était pas de révolution : le«
paraboloide spiroïdal
»(fig. 1),
alimenté directement par uneFig. 1.
antenne
monophasée,
ledéphasage
étant assuré par la forme héli- coïdale du réflecteur.L’autre transformait une onde à
polarisation rectiligne
en uneonde â
polarisation circulaire,
à l’inlériezar d’rznguide
d’onde, dontla section
présente
deux axes desymétrie,
ledéphasage
étant assurépar la différence de vitesse des deux
composantes
de l’onde incidente suivant legrand
axe et lepetit
axe.Ces deux
dispositifs
sont inclus dans un brevetfrançais,
n"2482,
déposé
secrètement, au début de l’année1940.
LE PARABOLOIDE SPIROIDAL
Le
paraboloïde spiroïdal
est la surfaceengendrée
par uneparabole
de
foyer
et d’axefixe,
dont la distance focale varieproportion-
nellement à
l’angle
que fait leplan
de laparabole génératrice,
avecun
plan
de référence pas- sant par l’axe(fig. 2).
Au bout d’un tour com-
plet,
un redan vient rac-corder
mécaniquement
lesdeux «
spires )) voisines,
pour assurer la
rigidité
duréflecteur.
Les sections de la surface
par un
pian passant
par l’axe sont donc desparaboles (fig. 3),
les sections par un
plan perpendi-
culaire à l’axe sont des
spirales
d’A 1’-rhimède
(fig. 1.).
L’antenne est
disposée
aufoyer
commun de toutes les
paraboles
suivant l’axe commun de
celles-ci,
elle est accordée sur unelongueur
d’onde
correspondant
au pas du mi-roir,
defaçon
que la distance focale FS s’accroisse d’unedemi-longueur
d’ondepour L un tour
complet.
Cette quan-lité varie donc entre les limites
La
disposition
axiale de l’an-tenne
dirige
au mieux son rayon- nement sur la surface du miroirqui
est utilisée au maximum. Iln’y
a donc pas de
rayonnement
directen raison du
diagramme
bien connude l’antenne unitilaire, et toute
1 énergie
de l’oscillateur est utilisée.Quant
auxpolarisations,
elles secomposent
efficacement et d’une manière rationnelle. Eneffet,
les ondes élémentairesenvoyées
parles tranches
opposées
dumiroir,
dans la direction de l’axe de celui-ci, atteignent
unplan perpendiculaire
à l’axe avec une différence de marcheégale
à unedemi-longueur d’onde, mais,
comme d’autrepart,
leurs deux directions forment unangle
ir, leschamps
sonl doncen
phase
et se raccordent suivant l’axe au lieu de « s’affronter » comme cela seproduirait
avec undispositif
de révolution.De
plus,
cette différence dephase
variantproportionnellement
àl’angle
o, lechamp électrique
reste constant et tourne avec la vitesse M.La discontinuité
géométrique
n’entraîne de ce fait aucune disconti- nuitéphysique
dans lacomposition
desphases,
les ondesprovenant
des deux tranches voisines ainsi
raccordées, présentant
une différencede marche
égale
à unelongueur
d’onde.La guerre me détournant des
expériences projetées, j’ai songé
àutiliser les ondes
décimétriques
àpolarisation
circulaires sur lesappareils
de détectionélectromagnétique.
J’ai commencé à réaliser le
paraboloïde spiroïdal,
bienqu’il
soitd’une réalisation
plus
difficile que leguide,
parcequ’il pouvait s’adapter
immédiatement sur le radar de la S. F. R. et améliorer sespossibilités.
Il fallait toutefois trouver un ouvrier
capable
d’emboutir avecprécision
unprototype
d’une forme délicate à réaliser.’M.GAUTHIER,
Directeur du Service de Recherches à la SociétéAlais, Froges
etCamargue,
le fit réaliser aimablement dans ses ateliers de Cham-béry.
Le travail fut exécuté à deuxexemplaires,
au millimètreprès,
par un habile
tôlier,
M. DELABORDE. Ceréflecteur,
accordé sur lalongueur
d’onde de 10centimètres,
devait être alimenté par lemagnétron
M. 10, de la S. F.R., qui
venait de sortir. Il était donc réalisé avec uneprécision
de),/ i oo (alors qu’on
se contente souvent de)V3o).
Lafigure
ireprésente
le miroir une fois terminé auxenvirons de
Chambéry (on aperçoit
au fond la Dent duChat).
Mon
projet
intéressa la Marine Nationalequi
mit à madisposition
les crédits pour la réalisation d’un radio-détecteur à
magnétron,
surondes de 10
centimètres,
àpolarisation
circulaire.Ces miroirs connurent des vicissitudes. Emmenés au cours de l’avance
allemande,
àGrenoble, puis
dans la direction de Bordeaux dansl’espoir
de lesembarquer,
la route nous futcoupée
et nousnous arrêtâmes à Uzès. Placés sur la
voiture,
ils étaientpris
pour363
une
coupole blindée,
terrorisèrent lespopulations
et nous suscitèrent des difficultés de lapart
desgendarmes.
Nous n’eûmes finalement d’autres ressources que de les ramener dans leur lieud’origine
et deles cacher. L’un fut dissimulé dans un
grenier,
l’autreimmergé
dans le Lac du
Bourget.
La
fig.
5représente
unprojet
de relai utilisable en télévision. Leparaboloïde
est intéressant par suite de son peu deprofondeur
et deson alimentation par l’arrière. Il est caréné en forme de sphère
ou
d’ellipsoïde
àl’aide
d’un «équateur )) métallique
et de deux sommets dialec-triques, jouant
le rôle des vitres bom- bées dans lesphares
«aérodynamiques
»,afin de diminuer la
prise
du vent.En
radiodétection,
il nécessite l’em-ploi
de deuxmiroirs,
s’enroulant en sensinverse. Cet inconvénient est bien res-
treint
depuis qu’on
saitproduire
avecune
puissance
suffisante des ondes de 3 centimètres et mêmeplus
courtes. L’en-combrement et le
poids
dus au miroirsupplémentaire
sont alors peuimpor-
tants devant l’encombrement et le
poids
total de
l’appareil.
Par contre, la solu- tion des deux miroirsprésente l’avantage
non
négligeable
d’éliminer totalement l’interaction directe de l’émetteur sur lerécepteur,
et depermettre
ainsi le fonc-tionnement simultané des deux appa-
reils, disposition
utile pour certainesapplications.
Il
reste laquestion
de fabrication. Si la forme hélicoïdalerepré-
sente une difficulté dans la réalisation d’un
prototype,
il n’en estplus
de même lors d’une fabrication ensérie,
paremboutissage
oushupage,
une fois que la matrice est réalisée.Seule
l’expérience permettra
de le comparer auxdispositifs
pour- suivant le même but. Réalisé avec une avanceconsidérable,
il res-tera de toutes
façons
lepremier
aérien directif pour ondes rotativescentimétriques.
364
LE
DÉPHASAGE
DANS UN GUIDE D’ONDELe deuxième
dispositif comportait
une source ondulatoire àchamp
tournant. Cette source était considérée comme un oscilla-teur
polyphasé,
somme d’oscillateursmonophasés (deux
parexemple)
alimentés par un seulgénérateur monophasé,
la diffé-rence de
phase
s’obtenant enfaisant parcourir
destrajets
de duréesinégales
auxénergies
de hautefréquence
alimentant les deux oscillateurs. Pour laréalisation,
onpouvait
évidemment créer cette différence de marche enemployant
deux feeders : un recti-ligne,
l’autre enroulé en hélice(ligne
àpropagation ralentie),
mais ilm’avait semblé que le
guide
d’onde étaitplus adapté
auxhyper- fréquences,
etje
m’étais arrêté à la solution consistant à effectuer ledéphasage
dans un seul et mêmeguide d’onde,
en utilisant lapropriété
des
guides
depouvoir
propager des ondes de mêmefréquence
à desvilesses
différentes.
On a enprincipe
le choix entre les trois ondes fondamentalesEoHo et Hi,
mais les deuxpremières
nes’y prêtent guère
à cause de leur structuretrop symétrique qui
nepermet
pasune
polarisation
circulaire. Reste l’onde11, polarisée rectilignement,
dont la vitesse de
propagation
est influencée très curieusement par laforme
de la section du tube. Eneffet,
à la suite des travaux deSouTHwoRTH~),
M. Léon BlULLouiN avaitmontrée)
que l’onde appe- lée alorsHl
se propage dans unguide rectangulaire
à des vitesses diffé-rentes suivant que le
champ magnétique
estparallèle
augrand
ouau
petit
côté. Plusprécisément,
lalongueur
du côtéparallèle
auchamp électrique
est sans effet sur la vitesse depropagation,
alorsque celle-ci est influencée par la dimension du côté
parallèle
auchamp magnétique.
Elleaugmente
à mesure que le côtédiminue,
pour devenir infinie pour une dimension limite dite « de coupure o au-dessous delaquelle
l’onde nepeut plus
se propager.Ainsi,
deux ondesHs
de mêmefréquence,
d’intensitéségales ; polarisées
àangle droit,
l’uneparallèlement
augrand
côté du rec-tangle,
l’autreparallèlement
aupetit
côté, sepropagent
à des vitessesinégales
etprennent
une différence dephase qui
va enaugmentant
pour atteindre 45" au bout d’un certain parcours facile à calculer
d’après
les indications de M. BRILLOUIN. Lapolarisation qui
étaitrectiligne l’entre, parallèle
à la bissectrice des côtés, est devenue(1) G. C. Southworth, Bell .Svs. Tech. JOl1rlWl. Anil ig36.
(2) Léon Brillrmin, Rl’nlle Générale de l’Électricité. ’J’). août 1936.
circulaire,
lechamp électniclue
et lechamp magnétique
restentconstants
en intensité et tournent à lafréquence
de fonde. Le pro-blème était résolu.
Des résultats
analogues
sont obtenus avec unguide
de sectionlégèrement ovale,
pourvu que cette sectionprésente
deuxplans
desymétrie orthogonaux.
Lecylindre
à sectionelliptique
estégalement
accessible au
calcul
Pratiquement,
leguide rectangulaire
et leguide
à section ovale donnent des résultatscomparables.
Pour transformer cette onde enonde
plane,
leplus simple
est certainement de la laisser sortir dansune antenne
dialectrique,
ou dans un cornet dont on améliore lepouvoir directif par
une lentilleélectromagnétique
à cellules carréesou
hexagonales.
A
peine plus compliqué
que leparaboloïde spiroïdal,
ledispositif
basé sur le
déphasage
dans unguide
d’ondeprésente l’avantage
d’émettre aussi bien l’onde tournant dans un sens que l’onde tour-
nant en sens
inverse,
parsimple
rotation d’unquart
de tour de lasonde excitatrice autour de l’axe du tube. Il en résulte que le même
appareil
recevra l’onde écho(qui
tourne en sensinverse)
à conditionde
disposer
la sonderéceptrice oi-thogonalement
à la sondeémettrice,
mais décalée bien entendu de une
longueur
d’onde sur l’axe dutube pour éviter un chevauchement
impossible
à réaliser. Ces deux sondes étantorthogonales
sont sans réaction l’une sur l’autre cequi
permet
lefonctionnement
simultané cle l’émettelll’ et durécepteur, avantage qui
se trouve inclus dans leprincipe
même dudispositif
etsur
lequel
a insisté M. Walter Wan ROBERTSC) qui
en acompris
tout
l’intérêt,
Au début de l’année
1943, j’ai
pu faireparvenir
enAmérique,
unrapport
sur mes travaux sur les ondes à PolarisationCirculaire,
préfacé
par le Professeur Charles FABRY. Ce texte, acheminé par les soins de l’Ambassade des Etats-Unis a été transmis au deuxième Bureau du Ministère de la Marine. Je n’ai pas suquelle
suite lui aété
donnée,
mais aux Etats-Unis oùles
services de documentation fonctionnent trèssérieusement,
il estprobable
que les techniciensen ont eu connaissance. Il faut toutefois attendre
jusqu’en 1946
ladescription
d’un aérien àpolarisation
circulaire(basé
sur ceprincipe
du
déphasage
dans unguide d’onde) (~). Depuis,
desdispositifs
(J) Léon 13rillouin, n° 94 (ln Bulletin clc l~c Société française des Électriciens, oct. t( .) ~l 8.
(’~) Walter Van Roberts, « Rotarv wave Radar Electronics. Jnillet 1946,
366
hélicoïdaux ont été
proposés (’’).
On a maintenantl’impression
que les ondes àpolarisation
circulaire ont éveillé l’intérêt. Il est mêmeposssible
que l’on voies’élargir
leurchamp d’application.
Il
ANTENNES A CAVITÉ
RÉSONNANTE
L’antenne
classique
est constituée par un réseau de fils conducteursqui
a pour but deguider l’énergie
hautefréquence,
de la source auxdifférentes
parties
du réseau, et dedissiper
cetteénergie
dansl’espace
par
rayonnement.
Toutes lesparties
de l’antenne concourentgéné-
ralement au
rayonnement,
cequi
n’est pastoujours
unavantage,
eton s’est efforcé
parfois
d’enrouler certains conducteurs poursupprimer
leur
rayonnement
tout en leur conservantl’impédance
voulue. Deplus,
la faible surface du fil entraîne une résistanceohmique, qui
estloin d’être
négligeable.
Ayant
eul’occasion,
dèsig3g,
de m’intéresser auproblème
desondes
dirigées, j’ai
eu l’idée deséparer
nettement les fonctions ali- mentation etrayonnemeut
d’une antenne, et de constituer celle-ci par un caisson résonnant dont une faceporte
des oscillateursdisposés
aux mailles d’un filet tracé sur la
paroi
considérée, ces oscillateurs étant alimentés par l’onde circulant à l’intérieur du caisson. Les caissons etguide
d’onde nerayonnent
pas et c’est là le moyen de réaliser le butpoursuivi.
Des antennes construites sur ce
principe
sont évidemment destinéesaux ondes
centimétriques
oudécimétriques, toutefois,
le faible encombrement d’un caissoncomparé
à un cornet ou à unmiroir, permettrait
d’utiliser les caissons pour deslongueurs
d’onde pour les-quelles
les autresdispositifs
directifs sont vraimenttrop
encombrants.On sait
qu’un
caissonmétallique,
c’est-à-dire àparois conductrices, peut
être lesiège
d’ondes stationnaires. Leslignes
de force deschamps électrique
etmagnétique
dessinent alors des cellules de tourbillonstout à fait
analogues
aux tourbillons cellulairesd’origine thermique
observés dans les fluides. Les oscillateurs
puiseront
doncl’énergie
endes
points homologues,
noeuds d’intensité duchamp électro-magné- tique.
Le caisson le
plus simple
est d’abord le tubecylindrique
fermé(’) Harold A. Wheeler, Hetical Autennas for circular polarization.
367
aux deux bouts. Il
peut
donner lieu à ungrand
nombre derégimes
différents,
mais ce sont lesrégimes
fondamentauxqui
sont les seulsintéressants,
et enparticulier
les ondesEo
etII~
décrites dèsi c~36
par M. G. C. SOUTHWORTH.
Ces
ondes se retrouvent d’ailleurs dans l’étudedéjà
citée de M. Léon BRILLOUIN sur les tubes à sectionrectangulaire.
Le
parallélépipède rectangle
est d’uneréalisation
et d’un calculfacile. Les cellules vibratoires
peuvent appartenir
à desrégimes
variés. La usure 6 donne
l’aspect
desrégimes
fon-damentaux. Les traits
pleins représentent
leslignes
deforce du
champ électrique,
les
pointillés représentent
celles du
champ magné- tique.
Les oscillateurs
peuvent
ètre de
petites
antennesdemi-ondes
appelées (assez improprement) doublets,
alimentées au moyen de son- des ou boucles et
puisant - l’énergie
dans le caisson à la manière d’une racine.Ce
dispositif
al’avantage
de tirer
partie
de presquetous les
régimes vibratoires,
et même depouvoir
redresser lapola-
risation,
mais nous avons vu tout de suitequ’il
seraitplus élégant
de laisser sortir
l’énergie
par desimples
ouverturespratiquées
dans laparoi
du caisson. Ces ouvertures ou fenêtrespeuvent
êtreallongées,
en forme de
fente,
elles sont alors nécessairementplacées perpendi-
culairement,
au courantélectrique
circulant dans laparoi
afin dese
polariser
tel undiélectrique
ou un aimant danslequel
on apratiqué
un trait de scie.Ainsi,
ce n’est pas seulement le tracé deslignes
de force duchamp électrique qu’il importe
de connaître, mais surtout celui deslignes
de courant circulant dans la
paroi,
de sorte que, sauf dans les cassimples,
une étudeexpérimentale
dudispositif
estpréférable.
De toutes
façons,
lalongueur
d’onde à l’intérieur du caisson estgénéralement supérieure
à celle de l’onde de mêmefréquence
dansFig. 6.
lignes de force du champ électrique.
lignes de force du champ magnétique.
368
1 espace librc,
de sorte que la distance entre les fenêtres pourra êtresupérieure
à cettelongueur d’onde,
d’où la formation éventuelle dans lediagramme
derayonnement
defeuilles latérales que l’on
supprimerait lorsqu’on
lejuge nécessaire,
en bordant la fenêtre par un rayonnagequi
auraitpour effet d’accroître la dirictivité des oscillateurs élémentaires et, par ce
fait,
desupprimer
les feuillesjugées
indési-rables. Le même résultat serait atteint
beaucoup plus
efficacement parl’emploi
d’antennes
dialectriques.
La figure ’7 représente un caisson
parallélépipédique,
alimenté en sonmilieu,
sur saparoi
antérieure.Il est
remarquable
par son peu d’encombrement.La
figure
8représente
unréseau linéaire
disposé
sur untube
cylindrique ;
il donneune
portion
d’ondecylindrique,
transfor-mable en onde
plane
dans uncylindre
àsection
parabolique.
La
figure
9représente
un réseau d’an-tennes
dialectriques
alimentées par un caisson résonnant.On
peut
aussi don-ner au caisson la forme d’un
cylindre plat
àsection
elliptique,
ali-mente en un de ses
foyers.
La
figure
10repré-
sente un caisson coni- que, fermé par une ca-
lotte
sphérique,
dont le centre est le sommet du cône. Il est alimenté369
en son sommet par un
guide,
c’est donc un cornet dont l’embouchureest fermée. Les fenêtres sont
disposées
sur des cerclesconcentriques.
Elles
peuvent
êtres réunies et former des zonesanalogues
aux ciblesde tir. La fenêtre centrale est
circulaire,
l’écartement des zones esttel que les ondes élémentaires
qui s’échappent,
secomposent
utile-ment dans la direction de
propagation.
On les obtient donc encoupant
lasphère
par desplans perpendiculaires
à l’axe dudispositif
et distants d’une
demi-longueur d’onde,
lepremier
de cesplans
étant
tangent
à lasphère
Ils’agit
là de dimensions extrêmes des zones ouvertes. On nepeut qu’améliorer
la définition du faisceauen les rétrécissant un peu, c’est-à-dire en
élargissant
les zones réflé-chissantes de
part
et d’autre de leur section moyenne. On serait tenté de comparer cedispositif
aux écrans zonés del’optique.
Il y acependant
des différencesprofondes
car les écrans zonés sontplans
et ont des zones opaques tandis que le
dispositif
décrit est en réalitéun caisson résonnant à
parois
réfléchissantes.Les
dispositifs
décrits sont calculables sansgrande difficulté,
ilsne diffèrent que
par la forme du résonateur.Seul, l’usage permettra
de les sélectionner. Ils sont séduisants par leur
simplicité,
leurréalisation
facile,
et certainsmodèles,
par leur peu deprofondeur.
Conçus
dès194o
en vue de la défense duterritoire,
cesdispositifs
ne
purent
être réalisés sous le contrôle del’occupant.
Toutepubli-
cation eut été
imprudente,
tel futégalement
l’avis duDoyen FORTRAT qui s’exprima
en termes voilés dans la notequ’il
adressa au CentreNational de la Recherche
Scientifique,
enjuillet 194 1,
et dont il arévélé le sens
par la
suite(6).
Le brevet était
prêt
dès1940.
Sondépôt
fut différé par suite de l’invasion.Après l’Armistice,
il était à craindre que le secret des brevets nepuisse
êtresauvegardé.
Ce n’estqu’en 1943, lorsque
cette menace était
pratiquement
écartée et ledébarquement attendu,
que le brevet fut enfin
déposé,
sous le nO481.328.
Après
lalibération,
invité à Londres à la « Radiolocation Conven- tion »,j’ai appris
que leprincipe
de l’émission par fentes avait été découvert à peuprès
simultanément par nos amisanglais (’)
et réa-lisé sous le nom de « Slot Aerial », ce
qui
confirmait mon intuition.(Parvenu aux Annales le 8 mars t948.)
(6) Attestation du 13 mai 194G.
(~) H. G. Booker.
24