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Submitted on 1 Jan 1958
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Dispositif d’étude de polarisation par diffraction des
ondes électromagnétiques centimétriques
A. Mevel, J. Mevel
To cite this version:
133 A
DISPOSITIF
D’ÉTUDE
DE POLARISATIONPAR DIFFRACTION DES ONDES
ÉLECTROMAGNÉTIQUES
CENTIMÉTRIQUES
Par Mme A. MEVEL et J.MEVEL,
Faculté des Sciences de Rennes.
Résumé. 2014 Les auteurs ont construit un appareil semi-automatique qui permet de déterminer l’état de
polarisation
d’une onde diffractée se propageant dans l’espace libre. Le principe est celui del’analyseur
tournant, la détermination des axes del’ellipse
depolarisation
s’effectue à l’aide d’une présentation oscillographique. Après avoir calculé la forme des courbes correspondant aux diverses valeurs de l’ellipticité, on indique le schéma de fonctionnement de l’appareil, puis on.décrit, avec plus de détails, les divers éléments originaux qui le constituent. On présente enfin un
enregistrement d’oscillogramme obtenu à l’aide de ce
dispositif.
Abstract. 2014 A semi-automaticapparatus for measuring polarization of scattered waves in free space was constructed. It is a rotating analyser which permits détermination of polarization
ellipses by means of an oscillograph. We compute the curves corresponding to various values of ellipticity, then we show the block diagram of the apparatus. We describe in detail the various original components of the system and give a
sample
of theoscillographic
patterns obtained.PHYSIQUE
PHYSIQUE APPLIQUÉE TOME 19, DÉCEMBRE 1958, PAGE 133 A.
Introduction. --
L’appareillage
que nous allonsdécrire est destiné à
compléter
undispositif
d’étudede la diffraction des ondes
centimétriques déjà
réalisé etpublié
par l’un de nous[2].
Rappelons
que ce
montage
( fig.1) comprend
unsystème
émet-teur créant le
champ
d’ondesplanes polarisées
rectilignement
où l’ondispose
les corpsdiffringents
et unsystème récepteur permettant
de mesurerl’intensité et la
phase
de la radiationprésente
entout
point
duchamp.
FIG. 1. -
Principe d’un appareillage d’étude
’
de la diffraction des ondes
centimétriques.
Mais intensité et
phase
ne caractérisent pascom-plètement
une ondeélectromagnétique,
il est deplus
nécessaire dedéfinir
son état depolarisation.
L’objet
de cet article est de décrire undispositif
semi-automatique qui
permet
de déterminerrapi-dement l’orientation et la
grandeur
des axes del’ellipse
caractérisant lapolarisation.
Quelques
études ontdéjà
été effectuées à‘cesujet,
citons lestravaux de BOHNERT
[1]
sur les antennes pour ondeselliptiques.
Principe
de la méthode. ---Rappelons qu’en
optique,
deuxprocédés principaux
sont utiliséspour déterminer les
ellipses
depolarisation :
laméthode du maximum et celle de
l’analyseur
àpénombre.
Lapremière
consiste à suivre les varia-tions d’éclairement au cours d’une rotationcom-plète
d’un nicolanalyseur,
laseconde,
à rétablirl’égalité
d’éclairement de deuxplages
corres-pondant
à la radiation incidente que l’on a fait tournersymétriquement
par rapport auplan
del’analyseur.
L’analogue
hertzien del’analyseur
àpénombre
estl’appareil
à deux sondes utilisé par de nombréux auteurs[3].
Très commode pour l’étude desphéno-mènes
qui
sepassent
dans desguides circulaires,
ce134 A
dispositif s’adapte
mal aux recherches dediffrac-tion du fait de son encombrement et de la nécessité
de le munir d’un cercle
gradué
que l’on doit tourner à la main etqu’il
est difficile de ne pasplacer_dans
le
champ
d’expériences.
FIG. 2. -
Principe
del’analyseur
tournant.Nous avons fixé notre choix sur
l’analyseur
tournant. L’inconvénient de ce
procédé
est lemanque de
précision
despointés angulaires,
nous y avons remédié enremplaçant
lerepérage
desextrema par l’estimation de la
symétrie
dudia-gramme
polaire
d’intensités reçues parl’analyseur
tournant,
au cours de sa rotation. Laprécision
FiG. 3. - Calcul de l’intensité reçue par
l’analyseur.
FIG. 4. - Intensité
reçue par le cornet en
fonction
del’ellipticité (graduation
par 10°).atteint
alors,
pour une radiationrectiligne,
environle
demi-degré.
Comme c’est aussi l’ordre de gran-deur des erreurs dudispositif
électromécanique
associé à
l’appareil,
nous n’avons pas cherché àl’améliorer.
Le
principe
de laprésentation
dudiagramme
polaire
sur écranoscillographique
est le suivant(fig. 2) :
Le cornet C transmet au détecteur Dl’énergie
hyperfréquence
qu’il
capte.
Mais leguide
les conditions
d’emploi,
que les ondespolarisées
rectilignement
dont lechamp
électrique
estparal-lèle au
petit
côté duguide.
L’ensemble constituedonc un
analyseur.
Une bobineplate
b reliéeinva-riablement au
guide,
reçoit
le courant détecté. Elletourne en face des deux bobines fixes
b’,
b",
rectan-gulaires
entre elles et avec l’axe du cornet. Ces deuxdernières sont connectées aux deux
paires
deplaques
d’unoscillographe cathodique.
Le
champ
à hautefréquence produit
par le sys-tèmeémetteur,
est modulé à 1 000 Hz par dessignaux rectangulaires [2].
Enconséquence,
la tensionapparaissant
aux bornes du cristaldétec-teur est formée de créneaux dont les
composantes
alternatives sont transmises par les bobines. Achaque
instant,
les tensionsapparaissant
auxbornes de b’ et b" seront
proportionnelles
auxcom-posantes
horizontales et verticales de l’intensitéFIG. 5. -
Dispositif
pour la mesured’ellipticité
de la radiation diffractée.recueillie par le cornet. Le mouvement du
spot
surl’écran sera donc une
sinuscïde, qui balaye
uneaire,
dont la frontièrereprésente
lediagramme
des intensités reçues par le cornet au cours de sarota-tion. Comme cette sinuscïde a une
fréquence
biensupérieure
à celle dubalayage
(2
000 foisenviron),
l’impression
produite
sera celle d’une surfacecon-tinue limitée par une courbe nette
( fig.1.4).
Relevés
oseillographiques
correspondant
auxdiverses
ellipticités
des radiations. -- Unevibra-tion
elliptique
est caractérisée par la direction desaxes de
l’ellipse
et par leur rapportappelé
«ellip-ticité ».
Supposons
- cequi
ne diminue pas lagénéralité
~ que le
grand
axe del’ellipse
soit vertical( fig.
3).
Représentons
laposition
du cornet par la trace CC’sur le
plan
del’ellipse
de laperpendiculaire
augrand
côté duguide
- c’est-à-dire du vecteurchamp
électrique
qui
est reçu par le cornet.L’am-plitude
de la vibration détectéeest,
comme on lesait, représentée
par laprojection
del’ellipse
depolarisation
sur la trace del’analyseur.
Soit 1Y la
perpendiculaire
à CC’ de coefficientangulaire m
= tg
a. Lestangentes
DC,
D’C’,
àl’ellipse, parallèles
à à sontreprésentées
parl’équa-tion
globale :
On en déduit que
136 A
ce
qui
donne pour l’intensité(le
détecteur étantquadratique)
La
figure
4représente
larépartition
d’intensité pour diverses valeurs del’ellipticité, le .grand
axeétant
supposé
vertical. On constate que laposition
des axes est très bien définie par les minimacorres-pondant
à la direction 0°lorsque
e0,8.
Ensuitela
précision
diminuebeaucoup.
Ceci est vraiquel
que soit leprocédé
d’analyse
utilisé(y compris
lesystème
àpénombre).
Réalisation du
dispositif
( fig:
1 et5).
- Pourfaciliter la
compréhension,
les divers éléments ontété
groupés
en 6 ensembles. Enfait,
dans lemon-tage
réel,
les divers groupess’interpénètrent
plus
ou moins.
1. SYSTÈME ÉMETTEUR. - La
source est un
klystron QK
291(fréquence
30 000MHz,
puis-sance 40
milliwatts).
Une tension en créneauxà 1 000 Hz la module à 100
%.
Unsystème
deguides
et d’éléments de mesure transmetl’énergie
duklystron
au cornet émetteurqui
la rayonne.2. CHAMP D’EXPÉRIENCES. - A 40 centimètres
environ en avant du cornet
émetteur,
lechamp
obtenu est
plan
et uniforme dans unerégion
circu-laire d’environ 25 cm de
diamètre,
centrée surl’axe du
système.
C’est dans cet espace que l’ondispose
les corpsdiffringents
à étudier.3. SYSTÈME RÉCEPTEUR. - Le cornet
récepteur
est monté sur un chariot
qui
sedéplace
sur desglissières rectilignes, placées
de manière que lacourse du cornet soit une droite horizontale
per-pendiculaire
à l’axe dusystème
et lecoupant.
L’énergie captée
par le cornet estdirigée
parguides
sur un détecteur. La tension continue
produite
(modulée
à 1 000 Hz et surmodulée à0,5
Hz par la rotation del’analyseur)
est transmise par contacts tournants àl’appareillage
de mesure de l’inten-sitéI,
de laphase
1>,
et de lapolarisation
cp.De
plus,
unselsyn
introduit àchaque
instant dans le mêmesystème
laposition
angulaire
du cornet que fait tourner un moteurdiphasé.
4 et 5. APPAREILLAGE DÉTERMINANT
1,
1> ET cp ET PANNEAU DE MESURE. - Cedispositif
comprend
deux voies
correspondant
à la détermination de1,
et 1> d’une
part,
de cp d’autrepart.
a)
Appareillage
commun aux deux voies.-L’énergie
provenant
dusystème récepteur
est transmise à unamplificateur
à bande étroite(15
Hz à 3dB)
centrée sur 1 000Hz,
puis
détectée. A lasortie de ce
dernier,
on recueille unsignal continu,
modulé à
0,5
Hz,
variable de 0 à0,1
volt.b)
VoieI,
1>. - Pour déterminer I et1>,
onlaisse le cornet immobile et l’on mesure ou
enre-gistre
la tensionprovenant
del’amplificateur
[2],
ou la tension d’interférence avec un
signal
dephase
connue(1».
Nous renvoyons pour tous détails à la référence[2].
c)
Voie cp. - Pour déterminer l’état depolari-sation,
on fait tourner le cornet et l’on transmet lesignal
continu sortant del’amplificateur
à unmodulateur en anneau. Ce dernier fournit une diff é-rence de
potentiel
alternative defréquence
350 Hzproportionnelle
à la tension continue d’entrée.Après
filtrage
etamplification,
cesignal
alternatifest
envoyé
dans la bobine fixe d’un résolveur dont les bobines mobilesrectangulaires
sont reliées auxdeux
paires
deplaques
d’unoscillographe
catho-dique.
Sur l’écran àlongue rémanence,
on voit sedessiner la courbe de
polarisation.
Le
synchronisme
entre les rotations du cornet etdu
résolveur est obtenu à l’aide d’un servomoteur que nous décrironsplus
loin.6. COMMANDES DE POSITION DU CHARIOT. - Le
déplacement
du chariot est commandé àpartir
d’unpupitre
situé en dehors duchamp
d’expé-riences. Une télé-indication par
selsyns
permet
derepérer
à tout instant laposition
du cornet lelong
de satrajectoire.
De cettemanière,
onpeut
effec-tuer commodément tous les
réglages
sansjamais
risquer
deperturber
lechamp
d’expériences.
Description
des élémentsprincipaux
dusystème.
- 1. ANALYSEUR
TOURNANT. - Il est constitué
(fig. 6)
par unpetit
cornet relié parguides
à uneFIG. 6. -
Analyseur tournant.
tête détectrice. Un
adaptateur d’impédances
et unpiston
de court-circuit deconception
classique
complètent
ledispositif.
L’un des
guides
intermédiaires del’analyseur
(fig.
7)
est monté à l’intérieur de roulements àbilles,
cequi
permet
de faire tournerl’appareil
autour de son axe. Ce
guide
porte
également
unengrenage d’entraînement et deux
bagues
dont l’une est reliée à la masse et l’autre isolée. La sortiedeux frotteurs fixes
permettent
de transmettre les tensions détectées àl’amplificateur.
La matière des contacts a une
grande
influencesur la tension de bruit
qui
yapparaît.
C’estpour-quoi
nous avonsfabriqué
lesbagues
En bronzerecouvert
d’argent
parbrasure,
les balais sontformés de lames en bronze au
bérylium
portant
des masselottesd’argent,
si bien que le contacts’effec-Fie. 7. -
Dispositif
d’entraînement del’analyseur tournant.
tue
argent
surargent.
Dans ces conditions la tensiondé souffie
qui
yprend
naissance estnégligeable.
2. MODULATEUR EN ANNEAU. - La tensioncon-tinue modulée à
0,5
@Hzqui apparaît
à la sortie del’amplificateur
détecteur doit être transformée en unsignal
alternatif pour être transmise par lerésolveur. De
plus,
il est intéressant que lerapports
des deux tensions soit constant(modulation
linéaire).
Comme lafréquence
porteuse
est basse(350
Hz),
onpeut
utiliser le modulateur en anneaubasé sur la variation de résistance d’une diode au
germanium
en fonction de la tension continuequi
FIG. 8. -
Caractéristiques statiques
des diodes modulatrices.
lui est
appliquée
(fig. 8).
Constituons avecquatre
diodes
identiques
un circuit enpont
(fig. 9) :
lestransformateurs utilisés ont un
rapport
unité et lespoints
milieux sontsupposés
parfaitement
équi-librés.
Si les
points
A et B sont au mêmepotentiel,
continu,
le circuit constitue unpont
de Wheatstoneéquilibré,
aucune tensionn’apparaît
autransfor-mateur de sortie.
Si nous
appliquons
une différence depotentiel
continue entre A et
B,
le courant passe dans lesenroulements des transformateurs et atteint les
diodes. Deux d’entre elles sont parcourues dans le
sens
conducteur,
les deux autres en sens inverse.Il en résulte que la résistance des deux
premières
décroît,
tandis que celle des deux autres croît. Lepont
est alorsdéséquilibré
et une tensionapparaît
à la sortie. Une inversion du sens de la différence de
potentiel
entre A et Bproduit
undéphasage
de nà la sortie.
FIG. 9. - Principe du modulateur en anneau.
La linéarité du
montage
pour les faiblessignaux
est illustrée par lafigure
10qui
représente
legain
1de conversion du
système
pour diverses valeurs de,
la tension alternative d’entrée.
Le
dispositif
réel estreprésenté figure 11,
avecles
portions
intéressantes desétages
de sortiede
l’amplificateur
détecteur. On voit que l’entrée dumodulateur en anneau s’effectue à l’aide d’une
cathode suiveuse différentielle fournissant le
signal
continu sous
basse impédance
etpermettant
d’équi-librer le
montage.
La sortie du modulateur est reliée à un filtre
passe-bas
defréquence
de coupure 400Hz, qui
élimine les
harmoniques
pouvant
résulter de lam’odulation. La tension sinusoïdale obtenue est
amplifiée
par undispositif
àgain
constant et138 A
FIG. 10. -
Caractéristiques de conversion du modulateur.
FIG. 11. - Modulateur
en anneau.
3. SERVOMÉCANISMES DE ROTATION DU
RÉSOL-VE UR. - La rotation d’antenne
(fig. 12)
est effec-tuée par un moteurdiphasé
spécial,
dont la vitesse est à peuprès
proportionnelle
aux tensionsappli-quées.
Unpotentiomètre
permet
de la fairevarier,
et même del’inverser,
cettedisposition
s’est avérée très commode pour les mesures.L’engrenage
fixé au cornet tournantentraîne,
avec un
rapport
unité,
unselsyn
émetteur dont lesenroulements fixes sont connectés à ceux d’un
selsyn récepteur.
Ce dernier est relié au rotor du résolveur par des engrenages de rapport 1.Quand
les bobines mobiles des deuxselsyns
sontparallèles,
aucune tension
n’apparaît
aux bornes du rotor durécepteur,
si elles font unangle,
ilapparaît
unedifférence de
potentiel
dont lagrandeur
et laphase
sont fonction de lagrandeur
et du sens dudécalage.
Ce
signal
d’erreur est introduit dans unampli-ficateur dont la sortie est connectée à un moteur
diphasé
identique
à celuiqui
assurela
rotationd’antenne. Le sens des connexions est tel que le
signal
d’erreur tende à s’annuler. Il en résulte queles axes restent
toujours
parallèles.
La
conception
del’amplificateur
relève d’unetechnique classique (fig. 13).
Le filtre situé à l’entrée sert à la stabilisation.4. AFFICHAGE ET COMMANDE DE LA POSITION DU
CHARIOT. - Pour les études de
diffraction,
il est nécessaire de connaître avecprécision
laposition
du chariot le
long
de satrajectoire
et depouvoir
leguider-sans
entrer dans lechamp d’expériences.
Sondéplacement
est commandé(fig.
5)
par unevis
reliée,
par des réducteurs devitesse,
à un moteursynchrone
que l’onpeut
faire tourner dans l’un ouFIG. 12. - Servomécanisme d’entraînement du
résolveur.
l’autre sens. Comme nous l’avons montré
ailleurs
[2],
le moteursynchrone
permet
derendre,
par l’intermédiaire duparamètre
temps,
lesdépla-cements du
papier
d’unenregistreur proportionnels
à la course du chariot.L’affichage
s’effectue par unsystème
deselsyns.
Comme ces
appareils
sont d’uneprécision limitée,
nous utilisons l’artifice du
procédé
accrochage-précision,
qui
consiste àemployer
deuxselsyns
dont l’un fait un tour
complet
pour la course totale duchariot,
et le second 18 tours pour ce mêmedéplacement.
Nous n’insistons pas sur les détails de réalisation duprocédé qui
estclassique.
Conclusion. -- Nous
présentons
unoscil-logramme (fig. 14) enregistré
sur un seulbalayage
et relatif àl’analyse
d’une vibration incidenteFIG. 13. -
Servo-amplificateur.
écran à très
longue
rémanence(écran
à doublecouche
type
P7 muni d’unfiltre jaune),
lafigure
reste visiblependant
une durée deplus
de 20secondes,
cequi
permet
d’éliminerstatisti-quement
toute trace desouille.
L’appareil
est destiné à des études de diffraction par des corps doués depouvoir rotatoire,
étudesqui
ferontl’objet
depublications
ultérieures.Manuscrit reçu le 7 jvillet 1958.
FIG. 14. -
Analyse d’une vibration rectiligne.
BIBLIOGRAPHIE
[1] BOHNERT (J. I.), « Measurements on elliptically
pola-rized antennas. » Proc. Inst. Radio Engrs, 1951, 39,549.
[2] MEVEL (J.), Un dispositif pour l’étude expérimentale de la diffraction des ondes centimétriques. » J.
Phy-sique Rad., 1957, 18, 45 A.