EP0595726A1 - Déphaseur d'ondes électromagnétiques et application à une antenne à balayage électronique - Google Patents

Déphaseur d'ondes électromagnétiques et application à une antenne à balayage électronique Download PDF

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EP0595726A1
EP0595726A1 EP93402667A EP93402667A EP0595726A1 EP 0595726 A1 EP0595726 A1 EP 0595726A1 EP 93402667 A EP93402667 A EP 93402667A EP 93402667 A EP93402667 A EP 93402667A EP 0595726 A1 EP0595726 A1 EP 0595726A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
phase
shifting
optical
shifting panel
phase shifter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP93402667A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Alain Thomson-Csf Friedrich
Claude Thomson-Csf Chekroun
Jacques Thomson-Csf Dorey
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thomson CSF SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thomson CSF SA filed Critical Thomson CSF SA
Publication of EP0595726A1 publication Critical patent/EP0595726A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/44—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 electric or magnetic characteristics of reflecting, refracting, or diffracting devices associated with the radiating element
    • H01Q3/46—Active lenses or reflecting arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • 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 invention relates to a phase shifter of electromagnetic waves (microwave) and its application to an antenna with electronic scanning and more particularly an antenna with electronic scanning with optical control.
  • Electronic scanning antennas are known in the art. They consist of a set of phase-shifting elements which, receiving a microwave wave, each act separately on the phase of the microwave wave. Each phase-shifting element transmits a wave which can be phase-shifted with respect to the waves transmitted by the other phase-shifting elements.
  • the set of phase-shifting elements can be considered as a set of elementary microwave sources emitting beams phase-shifted between them. The interference of the different waves emitted gives rise to a wave front whose direction of propagation depends on the relative phase shifts of the different elementary sources. This operation is well known in the art of electronic scanning antennas.
  • phase shifting elements can be analog, each phase shifting element then being able to induce a continuously variable phase shift on command and therefore being able to take any value between 0 and 1 t.
  • phase shifting elements can also be digital. Each phase shift element can then induce discrete phase shift values. Depending on the design of the phase shifting elements, each of them can induce 2 phase shift values (0 and for example) or 3 phase shift values (0 and 2 for example), etc.
  • a phase-shifting element can consist of a "iris" phase-shifting element.
  • the phase shifter then comprises, between two conductive lines, a diode which can be made conductive or blocking, according to the polarization which is applied to it.
  • a microwave wave then sees in the phase shifting element, an inductive element or a capacitive element.
  • the invention relates to a phase shifter and a scanning antenna using such a phase shifter which overcomes this drawback.
  • the invention therefore relates to an electromagnetic phase shifter comprising two electrically conductive lines and at least one phase shifter element oriented in a determined direction located between the two conductive lines and connected to these conductive lines, characterized in that the element phase shifter comprises at least one photoconductive element and the electromagnetic wave propagates in a non-collinear direction with said determined direction.
  • the invention also relates to a phase-shifting panel characterized in that it comprises several phase-shifters arranged side by side, the homologous elements of the different phase-shifters being parallel to one another.
  • the invention provides means for optical addressing of the photoconductive elements.
  • phase-shifting diode panel as described in French Patent Application 69 35239.
  • Such a panel comprises (see FIG. 1) several phase-shifting elements each consisting of a diode D1 to D4.
  • Each diode is controlled by control wires such as L1 and L'1 for the diode D1.
  • control wires such as L1 and L'1 for the diode D1.
  • the diodes and the connection wires connecting them to the control wires are aligned in a direction XX 'so that the direction of the electric field E of an electromagnetic H wave to be processed by the phase shift panel is parallel to this direction XX '.
  • the control wires make it possible to conduct or block each diode individually. It is shown that in the blocked state, the diodes present, at an incident wave, a capacitive circuit. On the other hand, in the on state, they have an impedance comprising an inductance. Different diode circuits therefore make it possible to induce different phase shifts on an incident wave. By adjusting these phase shifts according to a determined law (a progression for example), it is possible to obtain a deflection of the beam passing through the diode assembly. This is what is shown diagrammatically in FIG. 1 where the resulting wavefront has been deviated by an angle a and therefore the direction of propagation of the wave E 'is deviated by an angle 0.
  • the invention overcomes the problems of connectors related to the control of the diodes.
  • a phase shifting element comprises a photoconductive element which, when illuminated by an optical beam, is made conductive.
  • FIG. 2 represents such a phase-shifting element comprising a conductive element CO and a photoconductive element PH.
  • the photoconductive element is capable of being made conductive by the beam O.
  • the conductive element CO is oriented in a determined direction and the direction of propagation of the electromagnetic wave H is not collinear with the direction of orientation of the CO element.
  • the conductive element CO is oriented parallel to the electric field E of the electromagnetic wave H to be treated.
  • connection wires L1, L'1 contained in the same plane as the conductive element CO and perpendicular to this conductive element. These connection wires L1, L'1 make it possible to connect the phase-shifting element to a voltage source or to a load impedance not shown.
  • phase-shifting panel is done as shown in FIG. 3, by combining in parallel between conductors A1, A'1 phase-shifting elements. Several lines of phase shifting elements are thus arranged on the path of the electromagnetic wave H.
  • the invention provides for selectively controlling each photoconductive element PH by an optical beam O.
  • the phase-shifting element may comprise almost only the photoconductive element which is then preferably of elongated shape.
  • the photoconductive element is made of semiconductor material.
  • the semiconductor Under illumination of an optical radiation, there is creation in the semiconductor of a number of photocarriers which locally is given by the formula:
  • This formula is local, in the sense that it only concerns an area whose dimensions are much smaller than the diffusion length of the carriers, and the optical absorption length.
  • the number of photocreated carriers can be 5.10 16 / cm 3 .
  • the skin depth is given by the formula (fn) 2 to 10 GH for a number of carriers of 10 21 the skin depth is 0.3 wm, for 100 GHz, it is 0.03 ⁇ m for the same number of electrons. For 5 10 16 carriers; the skin depth will be 5 ⁇ m.
  • FIG. 2b represents an alternative embodiment according to which the surface of the photoconductor receiving the optical beam O is etched in the form of an array to form a polarizer.
  • a phase-shifting panel as shown in FIG. 3 is in the form of a grid, each phase-shifting element of which has a half wavelength dimension.
  • the configuration of such a grid defines the coupling mode (capacitive or inductive) with the hyper wave.
  • each phase-shifting element comprises a photoconductive element and a conductive element.
  • the switching properties of the photoconductor are mainly used here.
  • the lens (or the phase plane) is preconfigured using metal segments, the photoconductive zones are located at the interconnections, they are possibly delimited to take account of the diffusion of the carriers.
  • the use of an electronic switching point makes it possible to integrate memory functions (flip-flop, point Si c memory) this possibility makes it possible to envisage the impulse operation of the light source and a scanning with two orthogonal mirrors to scan a laser.
  • the invention also provides for associating an electroluminescent memory point with a photoconductor and using the bistability of this system (reset to zero by removing the voltage).
  • phase shifting element is then as shown in FIGS. 5a and 5b.
  • a photoconductive element PH comprises a photoconductive element PH1 and an electroluminescent element EL1.
  • a permanent control voltage V is applied to the conductors A1 andnl.
  • the photoconductive element PH1 When the photoconductive element PH1 is illuminated, its resistance decreases. The voltage across the EL1 electroluminescent element increases. The electroluminescent element EL1 emits light which illuminates the photoconductive element PH1 and which then keeps its resistance value low.
  • the phase shifting element such as that of FIG. 5a, remains in the controlled situation. To return it to the initial position, it suffices to delete the control voltage V.
  • Such a device can be controlled by a light pulse, the duration of which need only be sufficient to control the electroluminescent element.
  • FIG. 5c represents a phase-shifting element comprising a transistor Tr, the control circuit of which comprises a photoconductive element PH.
  • a microwave line is in series with the transistor Tr.
  • phase-shifting elements of a phase-shifting panel can be produced on one face 10 of a dielectric plate DI (FIG. 6a). This plate is transparent to microwave waves and the phase shift panel operates in transmission.
  • the face 11 can also support any other means of reflection, other than a metallization ME, such as a reflection network (network of metallic wires).
  • a reflection network network of metallic wires
  • Figure 6c shows another alternative embodiment according to which the face 11 supports a second phase-shifting panel. This allows either to increase the phase shift combinations, the microwave wave successively seeing two layers of phase shifting elements; or to provide the phase-shifting panel of the face 10 to phase-shift an electric field oriented in one direction and the phase-shifting panel of the face 11 to phase-shift the orthogonal electric field.
  • a phase shifting element can also consist of a stack of several photoconductive elements.
  • FIG. 7 represents a phase-shifting element comprising on either side of a support DI (dielectric for example) of the photoconductive PHI and PHII layers.
  • the thickness of the DI support is provided equal to a microwave half-length to be treated.
  • Such an element can be optically controlled by beams FI, FII coming from sources located on either side of the phase shifter element. It can also be controlled by beams from sources located on the same side with respect to the phase shifting element, the DI support then being transparent to optical control waves.
  • the device according to the invention is optically controlled, when several phase-shifting elements are deposited to form a phase-shifting panel, it is advisable to provide a system for selectively controlling each phase-shifting element.
  • the addressing of the different points can be done on the different photoconductive switching points using a double vertical and horizontal scanning system (mirrors, XY photoacoustic or electrooptic deflectors). It is then possible to provide a controllable storage function near the switching point.
  • the laser SO illuminates a first mirror M1 movable around an axis of rotation parallel to an axis OX.
  • the light is reflected on a second M2 movable mirror around an axis of rotation parallel to an OY axis perpendicular to the OX axis.
  • the phase shift panel DPH is located parallel to the axis OXY so that the beam from the SO laser scans the entire surface of the phase shift panel.
  • the mirrors M1 and M2 can also be produced in the form of photoacoustic deflectors DA1, DA2 which make it possible to explore the phase-shifting panel at a rate of 10 ns per point for example. These deflectors are shown in Figure 9.
  • FIG. 10 shows an addressing system using a spatial light modulator MSL
  • this modulator comprises a set of elementary modulators which can be individually controlled.
  • each elementary modulator makes it possible, according to the command it receives, to retransmit all or part of the light coming from the source SO, to a determined zone of the phase-shifting panel DPH and in particular to a particular phase-shifting element of the phase-shifting panel.
  • each element of the MSL spatial modulator is associated with an element of the phase shift panel.
  • the MSL spatial modulator is a liquid crystal screen which thus makes it possible to display the control state of the phase shift panel.
  • the dimensions of the spatial light modulator could be 50 x 50 mm, as could the phase shift panel.
  • Each of these devices may consist of 100 x 100 elements of dimensions 0.5 x 0.5 mm approximately.
  • the lens array can be realized in holography.
  • the optical power required to switch a photoconductor is more directly accessible by direct laser impact.
  • the direct addressing of an element to be made conductive, for example using photoacoustic deflectors can be limited in number of points and in precision.
  • the solution shown in FIG. 11 solves these problems, because it uses a spatial modulator MSL as a reconfigurable mask projected on the lens network L2. Photoacoustic deflection used only to deflect the laser beam. This solution requires the integration of a memory function at the photoconductive pixel level.
  • the system of FIG. 11 comprises a cylindrical lens L1 making it possible to illuminate, using the source SO, the electroacoustic deflector DA which performs a deflection in an X or Y direction.
  • a lens L3 makes it possible to increase the divergence of the scanning acousto-optics.
  • the MSL spatial modulator is thus swept by a light sheet whose deflection can be rapid.
  • a L2 concentration lens or a lens array focuses the beams from the MLS modulator on the DPH phase shifting panel.
  • the lighting system of the phase shift panel can comprise an array of lasers emitting from the surface.
  • the powers can be 10 5 W / cm 2 with a small angle of divergence (1 degree for example).
  • Such a system does not require lenses. This situation is favorable for lighting the photoconductor from the front face.
  • the attack voltage is of the order of a volt, ie a hundred Watts in the worst case.
  • the invention can advantageously be applied to antennas with electronic scanning in the millimeter and submillimetric range.
  • the invention has as an application the production of antennae with electronic scanning in reflection.
  • These antennas are in the form of a thin metallized dielectric layer on one side, and etched with periodic patterns on the other side.
  • the elementary pattern is formed by an iris phase shifter in a short-circuited thin guide; the guide being formed by lines of metallized holes (the latter condition not always being necessary).
  • the losses of the phase shifter being a function of the microwave resistance when the photodiodes are conductive and the tangent of silicon leakage when the photodiodes are not conductive:
  • the other two parameters necessary for the phase shifter settings are the iris capacity and the self.
  • Networking therefore makes it possible to constitute an antenna with electronic scanning in reflection.
  • the short-circuit plane is replaced by a network of "tight" continuous wires with a pitch of ⁇ g / 10, which corresponds substantially to a distance of 100 ⁇ m.
  • a microwave source corresponds to a monopulsed horn and placed at a distance F / D - - 1 (F distance from the source, D dimension of the lens).
  • the "optically” controlled lens allows the focusing of the wave and the deflection of the wave over an angular opening corresponding to a 120 ° cone, the spacing between sources being very close to ⁇ 2 ( ⁇ in air).
  • the antenna can be bipolarized, by replacing the iris pattern, with a generalized pattern as shown in FIG. 14.
  • Each phase-shifting element has four photoconductive elements Di1, Di'1, Di2, Di'2. These elements are produced on one face of a substrate. Each element such as Di1 is connected to conductive pads C1, C'l which allow connections to be made through the substrate to conductors located on the other face of the substrate and equivalent to the conductors L1, L'1 in FIG. 1 .
  • the elements Di1, Di'1 make it possible to process a component of the direction of polarization of the microwave wave.
  • the elements Di2, Di'2 make it possible to process the orthogonal component of the direction of polarization.
  • the central element EC is a capacitive adaptation element.
  • Figures 15 and 16 show an alternative embodiment of the phase shifter of Figure 14.
  • a conductive pad is common to two photoconductive elements, the pad Ci1 is common to the elements Di'1 and Di'2 for example, the pad Ci2 for the elements Di'1 and Di2, etc ...
  • Each interconnection is connected to one end of a load impedance, or to conductors such as conductors L1 and L'1 in FIG. 2a.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

Ce déphaseur d'ondes électromagnétiques comprend au moins un élément déphaseur (CO, PH) compris entre deux lignes conductrices (L1, L'1). L'élément déphaseur est orienté selon une direction déterminée et comporte un élément photoconducteur (PH) qui est rendu conducteur sur commande par un faisceau optique (O). L'onde électromagnétique (H) se propage selon une direction non colinéaire avec la direction d'orientation de l'élément déphaseur. Applications : Commande d'antenne à balayage. <IMAGE>

Description

  • L'invention concerne un déphaseur d'ondes électromagnétiques (hyperfréquences) et son application à une antenne à balayage électronique et plus particulièrement une antenne à balayage électronique à commande optique.
  • Les antennes à balayage électronique sont connues dans la technique. Elles sont constituées d'un ensemble d'éléments déphaseurs qui, recevant une onde hyperfréquence, agissent chacun séparément sur la phase de l'onde hyperfréquence. Chaque élément déphaseur retransmet une onde qui peut être déphasée par rapport aux ondes transmises par les autres éléments déphaseurs. L'ensemble des éléments déphaseurs peut être considéré comme un ensemble de sources élémentaires hyperfréquences émettant des faisceaux déphasés entre eux. L'interférence des différentes ondes émises donne lieu à un front d'onde dont la direction de propagation dépend des déphasages relatifs des différentes sources élémentaires. Ce fonctionnement est parfaitement connu dans la technique des antennes à balayage électronique.
  • La commande des éléments déphaseurs peut être analogique, chaque élément déphaseur pouvant alors induire un déphasage continûment variable sur commande et pouvant donc prendre toute valeur entre 0 et 1t.
  • La commande des éléments déphaseurs peut également être numérique. Chaque élément déphaseur peut alors induire des valeurs discrètes de déphasage. Selon la conception des éléments déphaseurs, chacune d'eux pourra induire 2 valeurs de déphasage (0 et par exemple) ou 3 valeurs déphasage (0, 2 et par exemple), etc.
  • Selon une technique connue, un élément déphaseur peut être constitué d'un déphaseur à "iris". Le déphaseur comporte alors, entre deux lignes conductrices, une diode pouvant être rendue conductrice ou bloquante, selon la polarisation qui lui est appliquée. Selon la polarisation directe ou inverse de la diode, une onde hyperfréquence voit alors dans l'élément déphaseur, un élément inductif ou un élément capacitif. Ainsi, selon la polarisation de la diode on est capable d'induire deux déphasages différents sur une onde hyperfréquence.
  • L'inconvénient des systèmes existants est qu'il nécessite un câblage de commande des différentes diodes relativement important résultant du nombre de diodes (10 à 20.000 voire plus).
  • L'invention concerne un déphaseur et une antenne à balayage utilisant un tel déphaseur permettant de pallier cet inconvénient.
  • L'invention concerne donc un déphaseur d'onde électromagnétique comprenant deux lignes conductrices de l'électricité et au moins un élément déphaseur orienté selon une direction déterminée situé entre les deux lignes conductrices et connecté à ces lignes conductrices, caractérisé en ce que l'élément déphaseur comprend au moins un élément photoconducteur et que l'onde électromagnétique se propage selon une direction non colinéaire avec ladite direction déterminée.
  • L'invention concerne également un panneau déphaseur caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs déphaseurs disposés côte à côte, les éléments homologues des différents déphaseurs étant parallèles entre eux.
  • De plus, l'invention prévoit des moyens d'adressage optiques des éléments photoconducteurs.
  • Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent :
    • - la figure 1, un panneau déphaseur connu dans la technique ;
    • - les figures 2a, 2b, un dispositif déphaseur selon l'invention ;
    • - la figure 3, un panneau déphaseur selon l'invention ;
    • - les figures 4a et 4b, un exemple de réalisation d'un élément déphaseur comportant un élément mémoire;
    • - la figure 5, un exemple de réalisation d'un élément déphaseur comportant un phototransistor;
    • - les figures 6a à 6b, des exemples de réalisation d'un panneau déphaseur selon l'invention ;
    • - la figure 7, une variante de réalisation d'un élément déphaseur selon l'invention ;
    • - les figures 8 et 9, des dispositifs d'adressage d'un panneau déphaseur par déviation d'un faisceau optique ;
    • - la figure 10, un dispositif d'adressage d'un panneau déphaseur à l'aide d'un modulateur spatial ;
    • - la figure 11, une variante de réalisation découlant des dispositifs des figures 8 à 10 ;
    • - la figure 12, un dispositif de commande optique d'un panneau déphaseur à l'aide d'un réseau de lasers à émission par la surface ;
    • - les figures 13a à 13d, des figures explicatives d'un exemple de réalisation numérique ;
    • - les figures 14, 15 et 16, des variantes d'association d'éléments déphaseurs.
  • Dans la technique, il est connu de réaliser un panneau déphaseur à diodes comme cela est décrit dans la Demande de Brevet français 69 35239. Un tel panneau comporte (voirfigure 1) plusieurs éléments déphaseurs constitués chacun d'une diode D1 à D4. Chaque diode est commandée par des fils de commande tels que L1 et L'1 pour la diode D1. De façon préférentielle, les diodes et les fils de connexion les reliant aux fils de commande sont alignés selon une direction XX' de telle façon que la direction du champ électrique E d'une onde H électromagnétique à traiter par le panneau déphaseur soit parallèle à cette direction XX'.
  • Les fils de commande (L1, L'1) permettent de rendre conductrice ou bloquée chaque diode individuellement. On démontre qu'à l'état bloqué, les diodes présentent, à une onde incidente, un circuit capacitif. Par contre à l'état passant, elles présentent une impédance comportant une inductance. Différents circuits à diodes permettent donc d'induire sur une onde incidente des déphasages différents. En réglant ces déphasages selon une loi déterminée (une progression par exemple), on peut obtenir une déviation du faisceau traversant l'ensemble de diode. C'est ce qui est schématisé sur la figure 1 où le front d'onde résultant à été dévié d'un angle a et donc la direction de propagation de l'onde E' est déviée d'un angle 0.
  • L'invention permet de s'affranchir des problèmes de connectiques liés à la commande des diodes.
  • Selon l'invention, un élément déphaseur comporte un élément photoconducteur qui, lorsqu'il est éclairé par un faisceau optique, est rendu conducteur.
  • Par exemple, la figure 2 représente un tel élément déphaseur comprenant un élément conducteur CO et un élément photoconducteur PH. L'élément photoconducteur est susceptible d'être rendu conducteur par le faisceau O. L'élément conducteur CO est orienté selon une direction déterminée et la direction de propagation l'onde électromagnétique H n'est pas colinéaire avec la direction d'orientation de l'élément CO. Pour un fonctionnement maximum de l'élément déphaseur, l'élément conducteur CO est orienté parallèlement au champ électrique E de l'onde électromagnétique H à traiter.
  • L'ensemble est connecté entre deux fils de connexion L1, L'1 contenus dans un même plan que l'élément conducteur CO et perpendiculaires à cet élément conducteur. Ces fils de connexion L1, L'1 permettent de connecter l'élément déphaseur à une source de tension ou à une impédance de charge non représentées.
  • La réalisation d'un panneau déphaseur se fait comme représenté en figure 3, en associant en parallèle entre des conducteurs A1, A'1 des éléments déphaseurs. Plusieurs lignes d'éléments déphaseurs sont ainsi disposés sur le trajet de l'onde électromagnétique H. L'invention prévoit de commander sélectivement chaque élément photoconducteur PH par un faisceau optique O.
  • Selon une variante de réalisation, selon les dimensions de l'élément déphaseur, celui peut ne comporter quasiment que l'élément photoconducteur qui est alors de préférence de forme allongée.
  • Selon un mode de réalisation préféré de l'invention l'élément photoconducteur est en matériau semiconducteur. Sous éclairement d'un rayonnement optique, il y a création dans le semiconducteur d'un nombre de photoporteurs qui localement est donné par la formule :
    Figure imgb0001
  • Cette formule est locale, dans le sens où elle ne concerne qu'une zone dont les dimensions sont bien inférieures à la longueur de diffusion des porteurs, et à la longueur d'absorption optique.
  • Dans cette formule on a :
    • puissance optique/énergie du photon. Par exemple : puissance optique : 1W/cm2
    • énergie du photon : h ν = 1,6 10-19 α : coefficient d'absorption 104 cm-1
    • Ge à lev:GaAs à 1;5ev; Si à 2 ev; η: efficacité quantique : typiquement de 10 % pour GaAs 50 Si
    • τ : durée de vie des porteurs photocrées qui est ajustable de 10-9 à 10-3 et dépend de la pureté (chiffre typique pour le Si = 10-3)
  • Par exemple, le nombre de porteurs photocréés peut être de 5.1016/cm3.
  • La profondeur de peau est donnée par la formule (fn)2 à 10 GH pour un nombre de porteurs de 1021 la profondeur de peau est de 0.3 wm, pour 100 GHz, elle est de 0.03 µm pour le même nombre d'électrons. Pour 5 1016 porteurs ; la profondeur de peau sera de 5 µm.
  • Les paramètres ajustables afin d'augmenter n le nombre de photoporteurs sont :
    • - la puissance optique
    • - la longueur d'onde, versus le matériau pour augmenter l'efficacité quantique
    • - le taux de recombinaison (qui joue aussi sur la longueur de diffusion (Dτ)- 1/2)
  • D étant la constante de diffusion.
  • Avec un taux de recombinaison de l'ordre de 103 pour le silicium intrinsèque par exemple, la longueur de diffusion devient de l'ordre de 1.5 mm (D = 2.5 10-3 donc (Dτ) - 1/2 = 1.5 10-3) ce qui veut par ailleurs dire qu'en une milliseconde, on remplit avec 1016 porteurs un carré de 1.5 mm de côté.
  • Il est possible de limiter artificiellement la taille du plot photoactivé par lithographie (quelques dizaines de microns). Il est aussi possible de jouer sur les recombinaisons aux bords pour changer les temps de réponse et de déclin de la photoconductivité.
  • La figure 2b représente une variante de réalisation selon laquelle la surface du photoconducteur recevant le faisceau optique O est gravée sous forme d'un réseau pour former un polariseur. On obtient, ainsi en gravant des réseaux différents, certains points photoconducteurs qui sont commandés par de la lumière polarisée selon une direction et d'autres points qui sont commandés par de la lumière polarisée selon une direction orthogonale. On double ainsi le nombre de points de commande indépendants.
  • On peut aussi prévoir des éléments photoconducteurs de largeurs de bandes interdites différentes donc sensibles à des photons d'énergies différentes ce qui permet de multiplier les degrés de liberté du système.
  • Un panneau déphaseur tel que représenté en figure 3 se présente sous la forme d'une grille dont chaque élément déphaseur à pour dimension une demie longueur d'onde.
  • La configuration d'une telle grille (pas, largeur des traits, coupures) défini le mode de couplage (capacitif ou inductif) avec l'onde hyper.
  • A partir de cette configuration générale, l'invention prévoit différents modes de réalisation.
  • Selon un autre mode de réalisation qui correspond à la figure 3, chaque élément déphaseur comporte un élément photoconducteur et un élément conducteur.
  • On utilise ici essentiellement les propriétés de commutation du photoconducteur.
  • Avec un silicium très pur, on peut avoir un saut d'au moins quatre ordres de grandeurs. On pré-configure à l'aide de segments métalliques la lentille (ou le plan des phases), les zones photoconductrices sont situées aux interconnexions, elles sont éventuellement délimitées pour tenir compte de la diffusion des porteurs.
  • On peut aussi utiliser des phototransistors aux noeuds des réseaux pour avoir des résistivités locales plus faibles, il est vraisemblable qu'une "stratégie" de ce genre ne pourra pas être compatible avec des changements de polarisation du champ électrique hyperfréquence (lignes d'alimentations des transistors) sauf à considérer une double galette.
  • L'utilisation d'un point de commutation électronique permet d'intégrer des fonctions mémoires (bascule, point Si c mémoire) cette possibilité permet d'envisager le fonctionnement impulsionnel de la source lumineuse et un balayage avec deux miroirs orthogonaux pour balayer un laser. L'invention prévoit également d'associer un point mémoire électroluminescent à un photoconducteur et d'utiliser la bistabilité de ce système (remise à zéro par suppression de la tension).
  • Un tel élément déphaseur est alors tel que représenté figures 5a et 5b.
  • Un élément photoconducteur PH comporte un élément photoconducteur PH1 et un élément électroluminescent EL1.
  • Une tension permanente de commande V est appliquée aux conducteurs A1 etnl. Lorsqu'on éclaire l'élément photoconducteur PH1, sa résistance diminue. La tension aux bornes de l'élément électroluminescent EL1 augmente. L'élément électroluminescent EL1 émet de la lumière qui éclaire l'élément photoconducteur PH1 et qui garde alors sa valeur de résistance faible. L'élément déphaseur, tel que celui de la figure 5a, reste dans la situation commandée. Pour le faire revenir en position initiale, il suffit de supprimer la tension de commande V.
  • On voit donc qu'un tel dispositif peut être commandé par une impulsion lumineuse dont il suffit que la durée soit suffisante pour commander l'élément électroluminescent.
  • La figure 5c représente un élément déphaseur comportant un transistor Tr dont le circuit de commande comporte un élément photoconducteur PH. Une ligne hyperfréquence est en série avec le transistor Tr.
  • Les éléments déphaseurs d'un panneau déphaseur peuvent être réalisés sur une face 10 d'une plaque de diélectrique DI (figure 6a). Cette plaque est transparente aux ondes hyperfréquences et le panneau déphaseur fonctionne en transmission.
  • Selon la figure 6b, on peut métalliser la face 11 de la plaque DI opposée à la face 10. Les ondes hyperfréquences se réfléchissent sur cette métallisation et le panneau déphaseur fonctionne en réflexion.
  • La face 11 peut également supporte tout autre moyen de réflexion, autre qu'une métallisation ME, tel qu'un réseau de réflexion (réseau de fils métalliques).
  • La figure 6c, représente une autre variante de réalisation selon laquelle la face 11 supporte un deuxième panneau déphaseur. Cela permet soit d'augmenter les combinaisons de déphasages, l'onde hyperfréquence voyant successivement deux couches d'éléments déphaseurs ; soit de prévoir le panneau déphaseur de la face 10 pour déphaser un champ électrique orienté selon une direction et le panneau déphaseur de la face 11 pour déphaser le champ électrique orthogonal.
  • Un élément déphaseur peut également être constitué d'un empilement de plusieurs éléments photoconducteurs.
  • Notamment, la figure 7 représente un élément déphaseur comportant de part et d'autre d'un support DI (diélectrique par exemple) des couches PHI et PHII photoconductrices. On prévoit l'épaisseur du support DI égale à une demi-longueur hyperfréquence à traiter.
  • Un tel élément peut être commandé optiquement par des faisceaux FI, FII provenant de sources situées de part et d'autre de l'élément déphaseur. Il peut également être commandé par des faisceaux provenant de sources situées d'un même côté par rapport à l'élément déphaseur, le support DI étant alors transparent aux ondes optiques de commande.
  • Le dispositif selon l'invention étant commandé optiquement, lorsqu'on dépose plusieurs éléments déphaseurs pour constituer un panneau déphaseur, il convient de prévoir un système permettant de commander sélectivement chaque élément déphaseur.
  • On va maintenant décrire différents systèmes d'adressages optiques d'un panneau déphaseur.
  • L'adressage des différents points, avec par exemple un laser, peut se faire sur les différents points de commutation photoconducteurs en utilisant un double système de balayage vertical et horizontal (miroirs, déflecteurs XY photoacoustiques ou électrooptiques). On peut alors prévoir une fonction de mémorisation commandable près du point de commutation.
  • Comme cela est représenté par la figure 8, le laser SO éclaire un premier miroir M1 mobile autour d'un axe de rotation parallèle à un axe OX. La lumière est réfléchie sur un deuxième miroir M2 mobile autour d'un axe de rotation parallèle à un axe OY perpendiculaire à l'axe OX. Le panneau déphaseur DPH est situé parallèlement à l'axe OXY de façon que le faisceau provenant du laser SO balaie toute la surface du panneau déphaseur.
  • Les miroirs M1 et M2 peuvent être également réalisés sous forme de déflecteurs photoacoustiques DA1, DA2 qui permettent d'explorer le panneau déphaseur à une cadence de 10 ns par point par exemple. Ces déflecteurs sont représentés en figure 9.
  • La figure 10 représente un système d'adressage à l'aide d'un modulateur spatial de lumière MSL, ce modulateur comporte un ensemble de modulateurs élémentaires commandables individuellement. De préférence, chaque modulateur élémentaire permet, selon la commande qu'il reçoit, de retransmettre tout ou partie de la lumière provenant de la source SO, vers une zone déterminée du panneau déphaseur DPH et notamment vers un élément déphaseur particulier du panneau déphaseur. De cette façon, à chaque élément du modulateur spatial MSL est associé un élément du panneau déphaseur.
  • Selon un mode de réalisation, le modulateur spatial MSL est un écran à cristal liquide qui permet ainsi d'afficher l'état de commande du panneau déphaseur.
  • De plus, il est possible de prévoir entre le modulateur spatial MSL un réseau de lentilles LE permettent de focaliser chaque faisceau issu d'un élément du modulateur vers un élément du panneau déphaseur. La réalisation d'un tel réseau de lentilles est connu dans la technique.
  • A titre d'exemple, les dimensions du modulateur spatial de lumière pourront être de 50 x 50 mm de même que le panneau déphaseur. Chacun de ces dispositifs pourra être constitué de 100 x 100 éléments de dimensions 0,5 x 0,5 mm environ.
  • Le réseau de lentilles peut être réalisé en holographie.
  • Selon l'invention on prévoit également de combiner un éclairement par balayage et par l'intermédiaire d'un modulateur spatial de lumière.
  • La puissance optique nécessaire pour commuter un photoconducteur est plus directement accessible par impact direct laser. L'adressage direct d'un élément à rendre conducteur, par exemple à l'aide de déflecteurs photoacoustiques peut être limité en nombre de points et en précision. La solution représentée en figure 11 résout ces problèmes, car elle utilise un modulateur spatial MSL comme masque reconfigurable projeté sur le réseau de lentilles L2. La déflexion photoacoustique servant seulement à défléchir le faisceau laser. Cette solution nécessite l'intégration d'une fonction mémoire au niveau du pixel photoconducteur.
  • Le système de la figure 11 comporte une lentille cylindrique L1 permettant d'éclairer à l'aide de la source SO, le déflecteur électroacoustique DA qui effectue une déflexion selon une direction X ou Y. Une lentille L3 permet d'augmenter la divergence du balayage acousto-optique. Le modulateur spatial MSL est ainsi balayé par une nappe lumineuse dont la déflexion peut être rapide. Une lentille de concentration L2 ou un réseau de lentille focalise les faisceaux issus du modulateur MLS sur le panneau déphaseur DPH.
  • Selon une variante de réalisation représentée en figure 12, le système d'éclairement du panneau déphaseur peut comporter un réseau de lasers émettant par la surface. Avec des éléments de dimension 10 x 10 f.lm, les puissances peuvent être de 105 W/cm2 avec un angle de divergence faible (1 degré par exemple).
  • Un tel système ne nécessite pas de lentilles. Cette situation est favorable pour éclairer par la face avant le photoconducteur.
  • Un autre facteur important est le faible courant de seuil de ce type de laser, il est de l'ordre de 1 mA. Pour une matrice de 105 lasers, il faut donc 100A, la tension d'attaque est de l'ordre du volt, soit la centaine de Watts dans le pire des cas.
  • Avec un laser à émission surfacique, il est possible d'avoir deux longueurs d'ondes d'émission différentes. Il sera donc possible d'adresser séquentiellement deux couches de photoconducteurs de gaps différents, situés l'un sur l'autre, le grand gap étant devant.
  • L'invention peut être appliquée avantageusement aux antennes à balayage électronique dans le domaine millimétrique et submillimétrique.
  • Les principales simplifications étant :
    • - l'absence de composants hyperfréquences tels que les diodes PIN
    • - l'absence de circuits de commande des déphaseurs avec leurs connectiques associées qui sont les éléments essentiels contribuant fortement au prix des antennes à balayage électronique.
  • L'invention a comme application la réalisation d'antennes à balayage électronique en réflexion. Ces antennes se présentent sous forme d'une mince couche diélectrique métallisée sur une face, et gravée de motifs périodiques sur l'autre face. Le motif élémentaire est formé d'un déphaseur à iris dans un guide mince court- circuité ; le guide étant formé par des lignes de trous métallisés (cette dernière condition n'étant pas toujours nécessaire).
  • En se reportant aux figures 13a à 13d, on va décrire un exemple numérique du système.
  • Le schéma simplifié en ligne d'un déphaseur est représenté en figure 13a.
    Figure imgb0002
    L'admittance normalisée dans le plan de sortie étant :
    Figure imgb0003
    et le coefficient de réflexion :
    Figure imgb0004
    en choisissant la longueur 1, et les valeurs de B selon l'état du déphaseur, on obtient l'état de phase du déphaseur:
    Figure imgb0005
  • Le schéma équivalent du réseau peut être représenté par la figure 13b.
  • On montre par exemple, que dans les conditions :
    • L CiL jω2= 1 lorsque la photodiode n'est pas conductrice et
    • L Cl ω2 = 1 lorsque la photodiode est conductrice.
  • D'autre part, les pertes du déphaseur étant fonction de la résistance hyperfréquence lorsque les photodiodes sont conductrices et de la tangente de fuite du silicium lorsque les photodiodes ne sont pas conductrices :
    Figure imgb0006
    Figure imgb0007
  • Ces deux paramètres avec la capacité de la diode équivalente vont dimensionner les éléments caractéristiques du semiconducteur choisi.
  • Considérons une coupure sur un semiconducteur de type silicium comme cela est représenté sur la figure 13c.
  • Pour déterminer la capacité hyperfréquence équivalente, il nous faut considérer l'effet de peau λo qui dépend du dopage du semiconducteur.
    Figure imgb0008
    • wa : mobilité ambipolaire
    • n;: charge par unité de volume/cm3
    • e: charge de l'électron
    • ER: constante diélectrique du silicium
    • fc : fréquence de l'onde hyperfréquence incidente
  • Pour déterminer la résistance hyperfréquence équivalente, il nous faut également considérer l'effet de peau, différent du fait des charges photoélectriques injectées.
    Figure imgb0009
    • µβ: mobilité ambipolaire
    • nd : charge injectées par unité de volume
  • Les deux autres paramètres nécessaires aux réglages du déphaseur étant la capacité d'iris et la self.
  • La capacité d'iris étant donnée par les formules classiques :
    Figure imgb0010
    et la self L = 0.0033 liZ
    • L : self en nano henry
    • li : longueur en nm (dans ces conditions li = d)
      • * avec un W/1 = 1 (W = 1 semble nécessaire pour l'homogénéité du pixel)
      • * avec un substrat de dopage N = 1015/cm3 µa= 1000 cm2/VS, on trouve une capacité C=0.03 10-12 picofarad avec un nombre de charges injectées N = 1018/cm3, µB = 250 cm2/VS, la résistance hyperfréquence est de R = 6,7 Ω
      • * Avec 1w/cm2, on crée 51016 porteurs, avec un laser pointé, on peut atteindre des puissances optiques de 103w/cm2 (laser de 100 mw). On peut donc obtenir un chiffre de 1018 porteurs.
      • * On peut aussi garder la mobilité d'origine, soit 1000 cm2/VS.
  • Avec ces valeurs R = 3.5 ohms.
  • La mise en réseau permet donc de constituer une antenne à balayage électronique en réflexion.
  • Pour permettre la commande optique des déphaseurs selon l'invention on remplace le plan de court-circuit, par un réseau de fils continus "serrés" au pas de λg/10, ce qui correspond sensiblement à une distance de 100 µm. Cette distance doit être choisie de telle manière qu'elle corresponde à un sous multiple de la distance entre diodes. Cette condition fixe W = 1 = 50 µm (dimension de chaque élément déphaseur).
  • Une source hyperfréquence, correspond a un cornet monopulsé et placé à une distance F/D - - 1 (F distance de la source, D dimension de la lentille).
  • La lentille pilotée "optiquement" permet la focalisation de l'onde et la déflexion de l'onde sur une ouverture angulaire correspondant à un cône de 120°, l'espacement entre sources étant très proche deλ 2 (λ dans l'air).
  • Nous résumons à titre d'exemple des performances d'une antenne selon l'invention :
    • - Dimension 10 cm x 10 cm
    • - Bande de fréquence 94 GHz + 4 GHz
    • - Gain 39 dB
    • - Couverture angulaire cône 120°
    • - Gain dans la couverture G = Go Cos1.50
    • - Lobes secondaires :
      • 1er lobe 25 dB
      • Diffus - 10 dB
    • - Temps de commutation (dépendant de l'optique)
  • L'antenne peut être à bipolarisation, en remplaçant le motif à iris, par un motif généralisé tel que représenté en figure 14.
  • Chaque élément déphaseur possède quatre éléments photoconducteurs Di1, Di'1, Di2, Di'2. Ces éléments sont réalisés sur une face d'un substrat. Chaque élément telle que Di1 est connectée à des plots conducteurs C1, C'l qui permettent de réaliser des connexions à travers le substrat vers des conducteurs situés sur l'autre face du substrat et équivalents aux conducteurs L1, L'1 de la figure 1.
  • Les éléments Di1, Di'1 permettent de traiter une composante de la direction de polarisation de l'onde hyperfréquence.
  • Les éléments Di2, Di'2 permettent de traiter la composante orthogonale de la direction de polarisation.
  • L'élément central EC est un élément d'adaptation capacitif.
  • Les figures 15 et 16 représentent une variante de réalisation du déphaseur de la figure 14. Dans cette variante, un plot conducteur est commun à deux éléments photoconducteurs, le plot Ci1 est commun aux éléments Di'1 et Di'2 par exemple, le plot Ci2 pour les éléments Di'1 et Di2, etc...
  • Les plots diamétralement opposés sont interconnectés par des interconnexions IX1, IX2. Chaque interconnexion est connectée à une extrémité d'une impédance de charge, ou à des conducteurs tels que les conducteurs L1 et L'1 de la figure 2a.

Claims (29)

1. Déphaseur d'onde électromagnétique comprenant deux lignes conductrices de l'électricité et au moins un élément déphaseur orienté selon une direction déterminée, situé entre les deux lignes conductrices et connecté à ces lignes conductrices, caractérisé en ce que l'élément déphaseur comprend au moins un élément photoconducteur et que l'onde électromagnétique se propage selon une direction non colinéaire avec ladite direction déterminée.
2. Déphaseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un élément conducteur situé en série avec l'élément de commutation.
3. Déphaseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lignes conductrices sont parallèles et que l'élément de commutation est situé selon une direction perpendiculaire aux lignes conductrices.
4. Déphaseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux lignes conductrices sont placées entre deux plans parallèles comportant des éléments conducteurs et isolés des lignes conductrices.
5. Déphaseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les plans parallèles comportent des surfaces conductrices.
6. Déphaseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte également un élément électroluminescent connecté en série avec l'élément photoconducteur et associé à l'élément photoconducteur de façon à ce que la lumière qu'il émet éclaire l'élément photoconducteur et en ce qu'une source de tension de commande est connectée aux lignes conductrices.
7. Déphaseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif mémoire électronique associé à chaque élément photoconducteur.
8. Déphaseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lignes conductrices et l'élément photoconducteur sont situés sur une première face principale d'une plaque en matériau diélectrique.
9. Déphaseur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'une deuxième face principale de la plaque diélectrique opposée à la première face supporte des moyens de réflexion hyperfréquence.
10. Déphaseur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de réflexion comportent une surface métallisée.
11. Déphaseur selon l'une des revendications 3 ou 9, caractérisé en ce que les moyens de réflexion comportent un réseau de fils conducteurs parallèles à la direction de l'élément photoconducteur.
12. Déphaseur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'une deuxième face principale de la plaque diélectrique opposée à la première face supporte deux autres lignes conductrices et autre élément photoconducteur connecté à ces deux lignes électriques.
13. Déphaseur selon la revendication 12, caractérisé les lignes électriques de la première face sont orthogonales à celles de la deuxième face et en ce que l'élément photoconducteur de la première face est perpendiculaire à celui de la deuxième face.
14. Panneau déphaseur caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs déphaseurs selon l'une quelconque des revendications précédentes, disposés côte à côte des éléments homologues des différents déphaseurs étant parallèles entre eux.
15. Panneau déphaseur selon la revendication 14, caractérisé en ce que les différents déphaseurs sont réalisés sur une même plaque en matériau diélectrique.
16. Panneau déphaseur selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte une source optique commune à tout ou partie du panneau et permettant de commander les déphaseurs.
17. Panneau déphaseur selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comporte entre la source optique et le panneau déphaseur au moins un dispositif de déflexion optique permettant de faire balayage la surface des éléments photoconducteurs du panneau déphaseur à l'aide du faisceau optique.
18. Panneau déphaseur, selon la revendication 17, caractérisé en ce que le dispositif de déflexion optique comporte au moins un miroir.
19. Panneau déphaseur selon la revendication 17, caractérisé en ce que le dispositif de déflexion optique comporte au moins un dispositif de déflexion acousto-optique.
20. Panneau déphaseur selon la revendication 18, caractérisé en ce que le dispositif de déflexion optique comporte deux miroirs en série sur le chemin du faisceau optique, les deux miroirs étant mobiles autour d'axes orthogonaux l'un de l'autre de façon à réaliser avec le faisceau, un balayage de la surface du panneau déphaseur selon deux axes de coordonnées.
21. Panneau déphaseur selon la revendication 19, caractérisé en ce que le dispositif de déflexion comporte, en série sur le chemin du faisceau optique, deux dispositifs acousto-optiques permettant de réaliser des déflexions selon des directions orthogonales.
22. Panneau déphaseur selon l'une des revendications 18 ou 19, caractérisé en ce que le faisceau optique a une section de forme allongée et que le dispositif de déflexion permet une déflexion selon une direction perpendiculaire à la plus grande dimension de la section du faisceau.
23. Panneau déphaseur selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comporte un modulateur spatial de lumière placé entre la source optique et le panneau déphaseur.
24. Panneau déphaseur selon la revendication 23, caractérisé en ce que le modulateur spatial comporte autant d'éléments images que le panneau déphaseur comporte de déphaseurs.
25. Panneau déphaseur selon la revendication 23, caractérisé en ce que le faisceau optique a une section de forme allongée et en ce qu'il comporte un dispositif de déflexion optique permettant de défléchir le faisceau perpendiculairement à la plus grande dimension de la section du faisceau, de façon à explorer la surface du modulateur spatial de lumière.
26. Panneau déphaseur selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte un réseau de sources optiques commandables indépendamment et associées chacune à un déphaseur du panneau déphaseur.
27. Panneau déphaseur selon la revendication 26, caractérisé en ce que le réseau de sources optiques est un réseau de lasers à émission par la surface ou de diodes électroluminescentes.
28. Panneau déphaseur selon la revendication 26, caractérisé en ce qu'il comporte un réseau de lentilles à raison d'une lentille par source optique et permettant de focaliser chacune la lumière sur un déphaseur.
29. Panneau déphaseur selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux éléments photoconducteurs orientés selon une première direction et deux éléments photoconducteurs orientés selon une deuxième direction.
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