EP0519772B1 - Antenne hyperfréquence à balayage optoélectronique - Google Patents
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- H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
- H01Q3/2676—Optically controlled phased array
Definitions
- the present invention relates to a microwave antenna using, for the pointing of its beam, a network of elementary reflectors with active elements capable of modifying, at will, under the control of an optical command, the length of the path of penetration of the microwave waves in the network reflectors to generate phase shifts varying from one elementary reflector to another and ensure the pointing of the antenna beam.
- a known antenna of this kind has a reflector produced from a substrate made of a dielectric material with low losses for microwave waves, transparent to light, such as silica oxide SiO2 or crystallized alumina AL2 O3 .
- this substrate On the side exposed to microwave frequencies, this substrate is coated with photoconductive elements insulated from one another by an electrically insulating material, possibly covered with an opaque layer transparent to microwave frequencies, and arranged in a network with a mesh pitch equal to ⁇ / 2 to avoid multiple angles of reflection, ⁇ being the wavelength of the microwaves considered.
- a light-transparent electrode made of an electrically conductive material such as ITO tin oxide.
- the photoconductive elements which can be made of "intrinsic" silicon, that is to say insulating, are lit or not on command through the substrate and the transparent electrode, for example using a plated liquid crystal screen. against the substrate on the transparent electrode and lit by a light source. When lit, they become electrically conductive and reflect microwave waves before they enter the substrate. When they are not lit, they are electrically insulating and pass through the microwave waves which penetrate through the substrate and are reflected on the transparent electrode. If the propagation delay through the thicknesses of the photoconductive elements and of the substrate is close to an odd number of quarter periods of the microwave wave, the phase shift obtained between microwave waves depending on whether they meet an illuminated photoconductive element or a unlit photoconductive element is ⁇ .
- the present invention aims to remedy these difficulties and allow obtaining phase controllers controllable in more than two phase states in a network of reflectors for microwave waves while retaining for the array of reflectors a simple three-layer structure formed of a substrate of dielectric material with low loss transparent to light carrying, on the side exposed to microwave frequencies, an array of photoconductive elements and, on the opposite side, a conductive electrode transparent to the light.
- an optoelectronic scanning microwave antenna provided on the one hand with an array of elementary reflectors with optically controlled phase shifters comprising a substrate made of a dielectric material with low microwave losses, transparent to light, coated on the exposed side at microwave frequencies, a layer of photoconductive elements distributed in a network, and, on the opposite side, a conductive electrode transparent to light, and on the other hand, means for selective illumination of the photoconductive elements capable of passing the latter from an electrically insulating state to a conductive state and vice versa.
- This antenna is remarkable in that the network of photoconductive elements has a mesh which oversamples the mesh of the network of elementary reflectors.
- each elementary reflector groups together n2 photoconductive elements, n being the oversampling rate, a greater or lesser proportion of which is illuminated, which gives it different phase states staggered from a minimum value obtained when all of its photoconductive elements are lit up to a maximum value obtained when all of its photoconductive elements are in the dark.
- the microwave antenna shown in Figure 1 operates around 94 GHz. It comprises a horn 1 which illuminates with a microwave wave a plane array 2 of elementary reflectors placed in front of a liquid crystal screen 3 lit by a light source 4 through a focusing optic 5.
- the network of elementary reflectors is in the form of a flat disc about 10 cm in diameter. It consists of a substrate 20 made of a dielectric material with low microwave losses, transparent to light, such as Silica oxide Si 02 or crystallized alumina AL2 03. On the side facing the horn 1, which is exposed to microwave frequencies, this substrate 20 carries a layer 21 of photoconductive elements such as silicon or gallium arsenide which are isolated from one another and distributed over the surface of the substrate to oversample the mesh of a network of elementary reflectors with the step of ⁇ / 2 here, approximately 1.5 mm. On the side opposite the horn 1, the substrate 20 is coated with a conductive electrode 22 transparent to light which is, for example, made of tin oxide.
- the liquid crystal screen 3 is pressed against the conductive electrode 22 of the substrate 20. It comprises an array of pixels which faithfully reproduce the distribution of the photoconductive elements 21 carried by the substrate 20 and which can be made, on command, either transparent , or opaque in order to selectively cause the lighting of the photoconductive elements placed in their extension.
- the light source 4 can be a network of light-emitting diodes or of lasers providing a power of 30 to 50 Watts continuously at a wavelength of about 0.8 "m.
- FIG. 2 represents the variations of the reflection coefficient under normal incidence and of the phase shift at reflection, as a function of the resistivity, for silicon used as photoconductor. It shows that it is possible to pass from a total reflection to an almost total transmission of microwave waves with silicon whose resistivity varies from about 0.1 ohm.cm to more than 1000 ohm.cm depending on its illumination. It also shows that there is a lighting condition for which the silicon completely absorbs the microwave frequencies. This effect can be used to make the antenna absorbent, therefore stealthy for a detection system.
- FIG. 4 gives an example of distribution of the photoconductive elements on the surface of the substrate 20.
- These oversample the mesh of the network of elementary reflectors at the pitch of ⁇ / 2 represented in solid lines, with a mesh four times finer represented in dotted lines .
- each elementary reflector is formed by a paving of 16 photoconductive elements 1a; ..., 4d which it is possible to illuminate individually via the pixels of the liquid crystal screen in order to make them at will. insulators or conductors.
- a horizontal polarization and a vertical polarization see the same phase shift if the photoconductive surface made conductive has a shape preserved in a rotation of ⁇ / 2.
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
- Liquid Crystal (AREA)
Description
- La présente invention concerne une antenne hyperfréquence utilisant, pour le pointage de son faisceau, un réseau de réflecteurs élémentaires à éléments actifs capables de modifier, à volonté, sous le contrôle d'une commande optique, la longueur du trajet de pénétration des ondes hyperfréquences dans les réflecteurs du réseau pour engendrer des déphasages variant d'un réflecteur élémentaire à l'autre et assurer le pointage du faisceau d'antenne.
- Une antenne connue de ce genre possède un réflecteur réalisé à partir d'un substrat en un matériau diélectrique à faibles pertes pour les ondes hyperfréquences, transparent à la lumière, tel que de l'oxyde de silice SiO₂ ou de l'alumine cristallisée AL₂ O₃. Du côté exposé aux hyperfréquences ce substrat est revêtu d'éléments photoconducteurs isolés entre eux par un matériau électriquement isolant, éventuellement recouverts d'une couche opaque transparente aux hyperfréquences, et disposés en réseau avec un pas de maillage égal à λ/2 pour éviter les angles multiples de réflexion, λ étant la longueur d'onde des hyperfréquences considérées. Du côté opposé, non exposé aux hyperfréquences, il est revêtu d'une électrode transparente à la lumière réalisée en un matériau électriquement conducteur tel que de l'oxyde d'étain ITO.
- Les éléments photoconducteurs, qui peuvent être en silicium "intrinsèque" c'est à dire isolant, sont éclairés ou non sur commande au travers du substrat et de l'électrode transparente, par exemple à l'aide d'un écran à cristaux liquides plaqué contre le substrat sur l'électrode transparente et éclairé par une source lumineuse. Lorsqu'ils sont éclairés, ils deviennent électriquement conducteurs et réfléchissent les ondes hyperfréquences avant qu'elles ne pénètrent dans le substrat. Lorsqu'ils ne sont pas éclairés, ils sont électriquement isolants et se laissent traverser par les ondes hyperfréquences qui pénètrent au travers du substrat et se réfléchissent sur l'électrode transparente. Si le retard de propagation à travers les épaisseurs des éléments photoconducteurs et du substrat est proche d'un nombre impair de quarts de période de l'onde hyperfréquence, le déphasage obtenu entre des ondes hyperfréquences selon qu'elles rencontrent un élément photoconducteur éclairé ou un élément photoconducteur non éclairé est de ¶.
- On réalise ainsi un réseau de réflecteurs élémentaires, avec un maillage au pas de la moitié de la longueur d'onde des hyperfréquences, qui sont capables chacun d'engendrer à volonté des déphasages de 0 ou ¶ sous contrôle d'une commande optique. Cependant, les performances d'une antenne hyperfréquence à balayage concernant le gain, le niveau de lobes secondaires et le diffus nécessitent, en général, pour être acceptables, l'utilisation d'un déphaseur commandable à plus de deux états de phase au niveau de chaque réflecteur élémentaire.
- Pour satisfaire cette exigence, il a été proposé d'empiler des couches de silicium photoconducteur et de substrat diélectrique à faible perte devant l'électrode conductrice transparente pour présenter à l'onde hyperfréquence, au sein de chaque réflecteur élémentaire, différents chemins de longueurs échelonnées qui correspondent à diverses valeurs de déphasage comprises entre 0 et 2¶ et qui sont fonctions de la profondeur dans l'empilement de la première couche de silicium photoconducteur rendue conductrice par éclairement. On rencontre alors des difficultés pour l'illumination sélective des différentes couches de silicium photoconducteur qui se masquent les unes les autres.
- La présente invention a pour but de remédier à ces difficultés et de permettre l'obtention de déphaseurs commandables à plus de deux états de phase dans un réseau de réflecteurs pour onde hyperfréquence tout en conservant pour le réseau de réflecteurs une structure simple à trois couches formée d'un substrat en matériau diélectrique à faible perte transparent à la lumière portant, du côté exposé aux hyperfréquences, un réseau d'éléments photoconducteurs et, du côté opposé, une électrode conductrice transparente à la lumière.
- Elle a pour objet une antenne hyperfréquence à balayage optoélectronique pourvue d'une part, d'un réseau de réflecteurs élémentaires à déphaseurs commandés optiquement comportant un substrat en un matériau diélectrique à faibles pertes en hyperfréquences, transparent à la lumière, revêtu, du côté exposé aux hyperfréquences, d'une couche d'éléments photoconducteurs répartis en réseau, et, du côté opposé, d'une électrode conductrice transparente à la lumière, et d'autre part, de moyens d'éclairement sélectif des éléments photoconducteurs aptes à faire passer ces derniers d'un état électriquement isolant à un état conducteur et réciproquement. Cette antenne est remarquable en ce que le réseau d'éléments photoconducteurs présente un maillage qui suréchantillonne le maillage du réseau de réflecteurs élémentaires. Ainsi, chaque réflecteur élémentaire regroupe n² éléments photoconducteurs, n étant le taux de suréchantillonnage, dont une proportion plus ou moins grande est éclairée ce qui lui procure différents états de phase échelonnés depuis une valeur minimale obtenue lorsque tous ses éléments photoconducteurs sont éclairés jusqu'à une valeur maximale obtenue lorsque tous ses éléments photoconducteurs sont dans l'obscurité.
- D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple. Cette description sera faite ci-après, en regard du dessin dans lequel :
- une figure 1 représente, de manière schématique et partiellement démontée, une antenne hyperfréquence à balayage optoélectronique selon l'invention ;
- une figure 2 est un diagramme qui représente les variations du coefficient de réflexion sous incidence normale et du déphasage à la réflexion, en fonction de la résistivité, pour du silicium utilisé comme photoconducteur ;
- une figure 3 est un diagramme qui représente les variations du déphasage à la transmission et à la réflexion du silicium en fonction de la fréquence et
- une figure 4 illustre un exemple de répartition d'éléments photoconducteurs à la surface d'un réflecteur élémentaire de l'antenne représentée à la figure 1.
- L'antenne hyperfréquence représentée à la figure 1 fonctionne aux environs de 94 GHz. Elle comporte un cornet 1 qui illumine avec une onde hyperfréquence un réseau plan 2 de réflecteurs élémentaires placé devant un écran à cristaux liquides 3 éclairé par une source lumineuse 4 au travers d'une optique de focalisation 5.
- Le réseau de réflecteurs élémentaires se présente sous la forme d'un disque plat d'environ 10 cm de diamètre. Il est constitué d'un substrat 20 en un matériau diélectrique à faibles pertes en hyperfréquences, transparent à la lumière, tel que de l'oxyde de Silice Si 0₂ ou de l'alumine cristallisée AL₂ 0₃. Du côté tourné vers le cornet 1, qui est exposé aux hyperfréquences, ce substrat 20 porte une couche 21 d'éléments photoconducteurs tel que du silicium ou de l'arséniure de gallium qui sont isolés entre eux et répartis à la surface du substrat de manière à suréchantillonner le maillage d'un réseau de réflecteurs élémentaires au pas de λ /2 ici, environ 1,5 mm. Du côté opposé au cornet 1, le substrat 20 est revêtu d'une électrode conductrice 22 transparente à la lumière qui est, par exemple, en oxyde d'étain.
- L'écran à cristaux liquides 3 est plaqué contre l'électrode conductrice 22 du substrat 20. Il comporte un réseau de pixels qui reproduisent fidèlement la répartition des éléments photoconducteurs 21 portés par le substrat 20 et qui peuvent être rendus, sur commande, soit transparents, soit opaques afin de provoquer, de manière sélective, l'éclairage des éléments photoconducteurs placés dans leur prolongement.
- La source lumineuse 4 peut être un réseau de diodes électroluminescentes ou de lasers fournissant une puissance de 30 à 50 Watts en continu à une longueur d'ondes de 0,8 »m environ. L'intensité lumineuse arrivant sur un élément photoconducteur en silicium, lorsque le pixel de l'écran de cristaux liquides qui lui est associé est transparent, est alors suffisante pour rendre ledit élément conducteur.
- La figure 2 représente les variations du coefficient de réflexion sous incidence normale et du déphasage à la réflexion, en fonction de la résistivité, pour du silicium utilisé comme photoconducteur. Elle montre qu'il est possible de passer d'une réflexion totale à une transmission quasi totale des ondes hyperfréquences avec du silicium dont la résistivité varie de 0,1 ohm.cm environ à plus de 1000 ohm.cm en fonction de son éclairement. Elle montre également qu'il existe une condition d'éclairement pour laquelle le silicium absorbe complétement les hyperfréquences. Cet effet peut être utilisé pour rendre l'antenne absorbante, donc furtive pour un système de détection.
- La figure 3 représente la réponse en fréquence du déphasage à la transmission (P=1000 ohm.cm) et à la réflexion (P=0,18 ohm.cm) du silicium. Elle montre que le déphasage à la transmission est pratiquement nul pour une onde hyperfréquence de 94 GHz.
- La figure 4 donne un exemple de répartition des éléments photoconducteurs à la surface du substrat 20. Ceux-ci suréchantillonnent le maillage du réseau de réflecteurs élémentaires au pas de λ/2 représenté en traits pleins, avec un maillage quatre fois plus fin représenté en pointillés. Ainsi, chaque réflecteur élémentaire est formé d'un dallage de 16 éléments photoconducteurs 1a;...,4d qu'il est possible d'éclairer individuellement par l'intermédiaire des pixels de l'écran à cristaux liquides afin de les rendre à volonté isolants ou conducteurs. On peut alors choisir une forme variable de la surface photoconductrice éclairée dans chaque réflecteur élémentaire pour définir une phase variable. Cela revient à l'introduction, dans un guide d'onde hyperfréquence matérialisé par le contour d'un réflecteur élémentaire, d'un iris conducteur qui est équivalent à une susceptance dont on sait calculer la phase en réflexion. Cette susceptance variable peut être la même pour plusieurs polarisations hyperfréquences si celles-ci voient des surfaces équivalentes.
- Par exemple, une polarisation horizontale et une polarisation verticale voient le même déphasage si la surface de photoconducteur rendue conductrice a une forme conservée dans une rotation de ¶/2.
- Dans le cas illustré par la figure 4 où un réflecteur élémentaire est constitué d'un dallage de 16 éléments photoconducteurs 1a,...,4d on peut adopter cinq configurations différentes conservées par une rotation de ¶/2 :
- une première configuration où aucun élément photoconducteur n'est éclairé ;
- une deuxième configuration, qui est celle représentée, où seuls les éléments photoconducteurs en coin 1a, 4a, 4d et 1d sont éclairés ;
- une troisième configuration où les éléments photoconducteurs 2a, 4b, 3d et 1c sont éclairés en plus des éléments photoconducteurs en coin 1a, 4a, 4d, et 1d ;
- une quatrième configuration où tous les éléments photoconducteurs du pourtour 1a, 2a, 3a, 4a, 4b, 4d, 3d, 2d, 1d, 1c, et 1b sont éclairés ;
- une cinquième configuration où tous les éléments photoconducteurs sont éclairés.
- Si les épaisseurs des éléments photoconducteurs et du substrat sont de l'ordre de la moitié de la longueur d'onde des hyperfréquences utilisées on obtient avec les quatre dernières configurations un déphaseur commandé à deux bits indépendant de la polarisation.
- Bien évidemment, on peut adopter un taux de suréchantillonnage moindre par exemple de deux ou trois mais on a alors un moindre choix de configurations ou supérieur mais on se heurte alors à des difficultés de réalisation dues à la petitesse des éléments photoconducteurs et des pixels de l'écran à cristaux liquides qui doivent leur correspondre.
Claims (3)
- Antenne hyperfréquence à balayage optoélectronique pourvue d'une part, d'un réseau (2) de réflecteurs élémentaires commandés optiquement comportant un substrat (20) en un matériau diélectrique à faibles pertes en hyperfréquences, transparent à la lumière, revêtu, du côté exposé aux hyperfréquences, d'une couche (21) d'éléments photoconducteurs répartis en réseau, et, du côté opposé, d'une électrode (22) conductrice transparente à la lumière, et d'autre part, de moyens d'éclairement sélectif (3, 4, 5) des éléments photoconducteurs aptes à faire passer ces derniers d'un état électriquement isolant à un état conducteur et réciproquement, caractérisé en ce que le réseau d'éléments photoconducteurs a un maillage qui suréchantillonne le maillage du réseau de réflecteurs élémentaires.
- Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réseau d'éléments photoconducteurs a un maillage qui suréchantillonne le maillage du réseau de réflecteurs élémentaires avec un taux de suréchantillonnage égal à quatre, chaque réflecteur élémentaire renfermant un dallage de seize éléments photoconducteurs.
- Antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments photoconducteurs appartenant à un réflecteur élémentaire sont éclairés de manière sélective de manière à former des configurations d'éléments conducteurs et électriquement isolants invariantes dans des rotations de ¶/2.
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