FR2812457A1 - Reflecteur hyperfrequence actif a bi-polarisation, notamment pour antenne a balalyage electronique - Google Patents
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Abstract
La pr esente invention concerne un r eflecteur hyperfr equence actif à balayage electronique à bipolarisation, susceptible d'être illumin e par une source d'onde hyperfr equence pour former une antenne.Le r eflecteur comporte deux r eseaux de guide d'ondes (21, 22) imbriqu es, le fond de chaque guide etant ferm e par un circuit de d ephasage r ealisant la r eflexion et le d ephasage de l'onde qu'elle reçoit, un r eseau etant destin e à recevoir une polarisation et l'autre r eseau etant destin e à recevoir une polarisation perpendiculaire à la pr ec edente.
Description
La présente invention concerne un réflecteur hyperfréquence actif à
balayage électronique à bipolarisation, susceptible d'être illuminé par une
source d'onde hyperfréquence pour former une antenne.
Il est connu de réaliser des antennes comportant un réflecteur hyperfréquence actif. Ce dernier, par ailleurs nommé " reflect array " dans la littérature anglo-saxonne, est un réseau de déphaseurs commandables électroniquement. Ce réseau s'étend dans un plan et comporte un réseau d'éléments à contrôle de phase, ou réseau phase, disposé devant des moyens réflecteurs, constitués par exemple par un plan de masse métallique formant plan de masse. Le réseau réflecteur comporte notamment des cellules élémentaires réalisant chacune la réflexion et le déphasage, variable sur commande électronique, de l'onde hyperfréquence qu'elle reçoit. Une telle antenne apporte une grande agilité de faisceau. Une source primaire, par exemple un cornet, disposée devant le réseau réflecteur émet vers ce
dernier les ondes hyperfréquence.
Un but de l'invention est notamment de permettre la réalisation d'une antenne à balayage électronique utilisant un réseau réflecteur actif et fonctionnant selon deux polarisations indépendantes. A cet effet, I'invention a pour objet un réflecteur hyperfréquence actif, susceptible de recevoir une onde électromagnétique comportant deux réseaux de guide d'ondes imbriqués. Le fond de chaque guide est fermé par un circuit réalisant la réflexion et le déphasage de l'onde qu'elle reçoit, un réseau étant destiné à recevoir une polarisation et l'autre réseau étant destiné à recevoir une
polarisation perpendiculaire à la précédente.
Un mode de réalisation peut être tel que - un premier réseau comporte plusieurs ensembles de guides alignés, une ligne s'étendant selon une direction Ox et l'ensemble des lignes s'étendant selon une direction perpendiculaire Oy, pour une même ligne, les centres C de deux guides consécutifs étant séparés d'une distance d, deux lignes consécutives étant séparées d'une distance h, selon Oy, et décalées l'une par rapport à l'autre de la distance d/2, selon Ox; le deuxième réseau comporte plusieurs ensembles de guides alignés de la même façon que dans le premier réseau, les lignes étant décalées angulairement de 90 par rapport à celles du premier réseau; un guide d'un réseau est uniquement contigu à des guides de
l'autre réseau.
L'invention a également pour objet une antenne à balayage électronique comportant un réflecteur tel que défini précédemment. Cette antenne peut être par exemple du type " Reflect Array " ou du type Cassegrain. L'invention a notamment pour avantage qu'elle permet d'obtenir un réflecteur compact et de faible poids, qu'elle est simple à mettre en ceuvre
et qu'elle est économique.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront
à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui
représentent: - la figure 1, un exemple de réalisation d'une antenne à balayage électronique à réflecteur hyperfréquence actif; - la figure 2, une illustration du principe de réalisation d'un réflecteur selon l'invention; - la figure 3, un exemple de réalisation d'une cellule de déphasage; - les figures 4a, 4b et 4c, une illustration d'un mode d'imbrication possible des réseaux de guides d'un réflecteur selon l'invention; - la figure 5, par une vue en coupe, les couches constitutives possibles d'un réflecteur selon l'invention; - la figure 6, un mode de réalisation possible des réseaux de guides d'un réflecteur selon l'invention; - la figure 7, un mode de réalisation complémentaire permettant
notamment de réduire le taux d'ondes stationnaires.
La figure I illustre de façon schématique un exemple de réalisation d'une antenne à balayage électronique à réseau réflecteur actif en regard d'un repère orthonormé Oxyz. Dans cet exemple de réalisation, la distribution hyperfréquence est par exemple du type dit optique, c'est-à-dire par exemple assurée à l'aide d'une source primaire illuminant le réseau réflecteur. A cet effet, I'antenne comporte une source primaire 1, par exemple un cornet. La source primaire 1 émet des ondes hyperfréquence 3 vers le réseau réflecteur actif 4, disposé dans le plan Oxy. Ce réseau réflecteur 4 comporte un ensemble de cellules élémentaires réalisant la réflexion et le déphasage des ondes qu'elles reçoivent. Ainsi, par commande des déphasages imprimés à l'onde reçue par chaque cellule, il est possible ainsi qu'il est connu, de former un faisceau hyperfréquence dans la direction souhaitée. Avec un réflecteur selon l'invention, la source primaire I peut être
à double polarisation.
La figure 2 illustre le principe de réalisation d'un réflecteur selon l'invention. Ce dernier comporte deux réseaux de guides d'onde 21, 22 imbriqués. Ces guides sont vus selon F, c'est-à-dire selon une vue de face du réflecteur 4. La figure représente donc notamment la section des guides
dans le plan Oxy, les parois des guides s'étendant dans la direction Oz.
Chaque guide appartient à une cellule élémentaire telle qu'évoquée précédemment. Un premier réseau de guides 21 est destiné à recevoir la polarisation verticale et un second réseau de guides 22 est destiné à recevoir la polarisation horizontale. Les ondes hyperfréquence 3 incidentes pénètrent dans les guides. Chaque guide 21, 22 est courtcircuité par un déphaseur tel que décrit par exemple dans la demande de brevet français n 97 01326,
commandable selon deux à quatre bits ou plus.
La figure 3 illustre de façon schématique une cellule de déphasage. Celleci comporte donc un guide 21, 22 et un circuit de
déphasage 31, ce dernier étant disposé au fond du guide dans le plan Oxy.
Un circuit déphaseur 31 comporte au moins un fil conducteur 32, 33 portant lui-même au moins deux semi-conducteurs D1, D2, par exemple des diodes, à deux états. Les fils conducteurs et les diodes sont placés sur un support diélectrique 34 dont la face opposée comporte un plan conducteur réfléchissant l'onde hyperfréquence. Ce plan conducteur est par exemple au contact électrique des parois du guide 21, 22. Une cellule élémentaire 31 réalise donc la réflexion et le déphasage de l'onde hyperfréquence 3 qu'elle reçoit pour la composante de l'onde dont la polarisation est sensiblement parallèle aux fils conducteurs 32, 33. A titre d'exemple, la cellule telle qu'illustrée par la figure 3 agit sur une onde polarisée selon la direction Oy parallèle à la direction des fils conducteurs 32, 33 de la cellule. En polarisation horizontale, seuls les guides destinés à recevoir cette polarisation sont actifs, les autres étant court-circuités. De même, en polarisation verticale, seuls les guides destinés à recevoir cette polarisation
sont actifs, les autres étant court-circuités.
Les figures 4a, 4b et 4c illustrent un mode d'imbrication possible des deux réseaux de guides. La figure 4a présente trois guides 21 du premier réseau, représentant une maille, destinés par exemple à recevoir la polarisation verticale. La figure 4b présente trois guides 22 du second réseau, représentant une maille, destinés par exemple à recevoir la polarisation horizontale. En tout état de cause, les deux réseaux sont destinés à recevoir des ondes de polarisations croisées, le deuxième réseau de guides 22 étant affecté à une polarisation perpendiculaire à la polarisation du premier réseau de guides 21. La section de chaque guide comporte un point milieu C. Cette section étant angulaire, le point milieu C est l'intersection de ses deux lignes médianes. Les sections des guides sont représentées dans le plan Oxy du réflecteur. A titre d'exemple on considère que l'axe Ox correspond à la direction d'une première polarisation. De même, on considère que l'axe Oy correspond à la direction de la deuxième polarisation, croisée par rapport à la précédente. Pour simplifier et à titre d'exemple, on pourra assimiler par la suite la direction Oy à la direction
verticale et la direction Ox à la direction horizontale.
La figure 4a présente donc un premier réseau de guides 21 destinés à recevoir les polarisations verticales. Le réseau comporte plusieurs ensembles de guides alignés. Une ligne de guides s'étend selon la direction horizontale Ox et l'ensemble des lignes s'étend selon la direction verticale Oy. Pour une même ligne, les centres C de deux guides 21 consécutifs sont séparés d'une distance d. Deux lignes consécutives sont séparées d'une distance h, selon Oy, et décalées l'une par rapport à l'autre de la distance d/2, selon Ox. En d'autres termes, deux lignes médianes 41, 42 consécutives sont distantes de h, les lignes médianes étant les lignes médianes des guides prises selon Ox. Entre deux lignes consécutives, il y a
un décalage de d/2 des points milieu des guides.
La figure 4b présente le second réseau de guides 22 destinés à recevoir la polarisation horizontale. La disposition des guides est similaire à
celle du réseau de la figure 4a, mais avec une rotation de l'ensemble de 90 .
Dans ce cas, les lignes s'étendent le long de l'axe Oy et l'ensemble de lignes s'étend le long de l'axe Ox. Pour une même ligne, les centres C de deux guides 22 consécutifs sont séparés d'une distance d. Deux lignes consécutives sont séparées d'une distance h, selon Ox, et décalées l'une par rapport à l'autre de la distance d/2, selon Oy. En d'autres termes, deux lignes médianes 43, 44 consécutives sont distantes de h, les lignes médianes étant les lignes médianes des guides prises selon Oy. Entre deux lignes
consécutives, il y a un décalage de d/2 des points milieu des guides.
La figure 4c définit l'imbrication des deux réseaux de guides en montrant comment un guide 22 d'un réseau est positionné par rapport aux guides 21 de l'autre réseau. Ce guide 22 est uniquement contigu à des guides 21 de l'autre réseau. Dans le cas de la figure 4c, le guide 22 est contigu à quatre guides 21 de l'autre réseau. Le point milieu C de ce guide 22 est aligné avec les points milieu des deux paires de guides 21 encadrant le guide 22. On obtient ainsi un maillage tel qu'illustré par la figure 2. Les dimensions intérieures des guides d'onde 21, 22 sont par exemple de 0, 6 X et 0,3 X (X = longueur de l'onde 3) respectivement en longueur et en largeur, la longueur des guides s'étendant le long des lignes des réseaux. La distance d entre les points milieu C de deux guides consécutifs d'une même ligne est alors par exemple égale X et la distance h entre les médianes 41, 42, 43, 44 de deux lignes consécutives est par exemple de 2/2. A titre d'exemple, pour une onde hyperfréquence 3 à 10 GHz, les dimensions intérieures d'un guide d'onde sont 1,8 cm et 0,9 cm, et les distances d et h sont respectivement 3 cm et 1,5 cm. Ce maillage permet notamment un dépointage du faisceau réfléchi par le réflecteur 4 sur
un cône d'environ 60 .
La figure 5 présente par une vue en coupe les couches constitutives possibles d'un réflecteur selon l'invention. Il comporte au moins trois couches 51, 52, 53. Une première couche 51 comporte les circuits hyperfréquence de déphasage, c'est-à-dire notamment les diodes D1, D2, les fils conducteurs qui les portent et les circuits de connexion associés. Les circuits hyperfréquence sont par exemple supportés par un substrat 54. Sur la face opposée aux circuits hyperfréquence, ce substrat est recouvert d'une couche métallisée 56, formant un plan conducteur, qui a notamment pour fonction de réfléchir les ondes hyperfréquence 3. En bande X, l'épaisseur eh du substrat est par exemple de l'ordre de 3 mm, la constante diélectrique relative $r étant de l'ordre de 2,5. Une deuxième couche 52 comporte les circuits de commande 55 des diodes D1, D2 des déphaseurs. Cette couche assure par ailleurs la connexion entre les circuits de commande et les diodes. A cet effet, elle a par exemple la structure d'un circuit imprimé multicouche comportant des plans d'interconnexions des circuits de commandes aux circuits hyperfréquence. Enfin, une troisième couche 53, disposée en regard des circuits hyperfréquence D1, D2 comporte les deux
réseaux de guides d'onde.
La figure 6 présente un mode de réalisation possible de la couche de guides d'ondes 53. Ce mode de réalisation est notamment facile à mettre en oeuvre. Les parois des guides 21, 22 sont réalisées par des trous métallisés 61, 62 orientés selon la direction Oz. Ces trous métallisés pourraient être remplacés par des fils conducteurs, c'est-à-dire des conducteurs électriques rectilignes, orientés selon la direction Oz. Les guides ainsi réalisés ont par exemple des parties de parois communes, c'est-à-dire que des trous métallisés 63, 64 sont communs à deux guides. Dans ce cas, deux guides voisins ont des trous métallisés en commun. Les trous métallisés sont réalisés dans une plaque en matériau diélectrique d'épaisseur eg, cette épaisseur constituant la longueur des guides. Les trous métallisés sont suffisamment rapprochés pour jouer le rôle de parois de guides d'onde. Ces trous métallisés 61, 62 traversent donc toute la troisième couche 53. Ils se prolongent dans la couche hyperfréquence 51 pour atteindre le plan conducteur 56. Ils permettent ainsi par ailleurs de découpler électromagnétiquement chaque circuit de déphasage 32, 33, D1, D2 de ses voisins en formant un blindage électromagnétique. Il n'y a alors pas de propagation d'onde d'une cellule à l'autre. Avantageusement, certains trous métallisés 61, 64 peuvent se prolonger dans la couche 52 comportant les circuits de commande. Ces trous qui se prolongent permettent notamment de relier électriquement les circuits de commande aux diodes des circuits déphaseurs de la couche hyperfréquence 51. Ces trous métallisés 61, 64 véhiculent ainsi la commande des diodes ainsi que l'alimentation électrique des circuits. Ils sont par exemples reliés aux différents plans d'interconnexion de la couche de commande 52. A titre d'exemple, les trous métallisés 61, 64 représentés en noir sont utilisés par ailleurs pour l'alimentation et la commande des circuits hyperfréquence. Ces trous 61, 64 traversent
notamment le plan conducteur 56 sans contact électrique avec ce dernier.
Les autres trous 62, 63 s'arrêtent par exemple au niveau de ce plan conducteur 56, en contact électrique avec ce dernier. L'épaisseur eg de la couche de guide d'onde est par exemple de l'ordre d'un centimètre. Il faut par exemple prévoir des creux dans cette couche 53 de guides pour loger les diodes D1, D2 de la couche hyperfréquence 51. Avantageusement, le poids d'un réflecteur selon l'invention est faible en raison du faible poids des différentes couches. Par ailleurs, malgré la couche de guides d'ondes, le
réflecteur reste toujours compact.
La figure 7 illustre un mode de réalisation complémentaire permettant notamment de réduire le taux d'ondes stationnaires (TOS) actif dans les guides. L'entrée des guides 21, 22 comporte un iris 71 d'ouverture rectangulaire, l'ensemble étant fermé par une lame diélectrique 72. Dans ce mode de réalisation, la couche de guides d'ondes 53 peut être recouverte d'une couche formant les iris, I'ensemble étant fermé par une couche diélectrique. Un réflecteur selon l'invention peut être utilisé pour différents types d'antennes. Il peut être utilisé comme l'illustre la figure 1 pour former une antenne du type " reflect array ". De même, il peut être utilisé dans une antenne du type Cassegrain. Dans ce dernier cas, la source primaire est placée au centre du réflecteur et illumine un réflecteur auxiliaire. Ce dernier
illumine à son tour, par réflexion, le réflecteur selon l'invention.
Un réflecteur ou une antenne selon l'invention sont simples à mettre en oeuvre. Ils sont aussi économiques, car les composants et les technologies utilisés sont bons marchés. L'invention apporte par ailleurs tous les avantages liés à la bipolarisation. Une antenne selon l'invention peut ainsi par exemple être utilisée pour des mesures de polarimétrie sur des cibles, notamment en émettant selon une polarisation et en recevant sur l'autre polarisation. Elle peut être utilisée dans des applications de
télécommunication, par exemple bi-bande.
Claims (10)
1. Réflecteur hyperfréquence actif, susceptible de recevoir une onde électromagnétique (3), caractérisé en ce qu'il comporte deux réseaux de guide d'ondes (21, 22) imbriqués, le fond de chaque guide étant fermé par un circuit de déphasage (31) réalisant la réflexion et le déphasage de l'onde qu'elle reçoit, un réseau étant destiné à recevoir une polarisation et l'autre réseau étant destiné à recevoir une polarisation perpendiculaire à la précédente.
2. Réflecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que: - un premier réseau comporte plusieurs ensemble de guides (21) alignés, une ligne s'étendant selon une direction Ox et I'ensemble des lignes s'étendant selon une direction perpendiculaire Oy, pour une même ligne, les centres C de deux guides (21) consécutifs étant séparés d'une distance d, deux lignes consécutives étant séparées d'une distance h, selon Oy, et décalées l'une par rapport à l'autre de la distance d/2, selon Ox; - le deuxième réseau comporte plusieurs ensemble de guides (22) alignés de la même façon que dans le premier réseau, les lignes étant décalées angulairement de 90 par rapport à celles du premier réseau; - un guide (22) d'un réseau est uniquement contigu à des guides
de l'autre réseau.
3. Réflecteur selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisée en ce qu'il comporte au moins trois couches: une couche (51) comportant les circuits de déphasage; - une couche (52) comportant les circuits de commande (55) des circuits de déphasage, cette couche assurant par ailleurs la connexion entre les circuits de commande et les diodes; - une couche (53), disposée en regard des circuits de déphasage comportant les deux réseaux de guides d'onde (21, 22).
4. Réflecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les parois de guides d'onde (21, 22) sont réalisées par des conducteurs électriques rectilignes rapprochés (61, 62, 63, 64) traversant la couche (53)
et orientés perpendiculaires au plan (Oxy) des circuits de déphasage.
5. Réflecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les guides (21, 23) traverse par ailleurs la couche (51) comportant les circuits de déphasage, les conducteurs assurant le découplage hyperfréquence entre
circuits de déphasages voisins.
6. Réflecteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que des conducteurs pénètrent dans la couche (52) de commande pour véhiculer des signaux de commande vers la couche (51) comportant les circuits de déphasage.
7. Réflecteur selon l'une quelconque des revendications 4 à 6,
caractérisé en ce que les conducteurs sont des trous métallisés.
8. Réflecteur selon l'une quelconque des revendications
précédentes, caractérisé en que le circuit de déphasage (31) comporte au
moins un fil conducteur (32, 33) portant lui-même au moins deux semi-
conducteurs (D1, D2) à deux états, les fils conducteurs et les semi-
conducteurs étant placés sur un support diélectrique (34) dont la face opposée comporte un plan conducteur réfléchissant l'onde hyperfréquence, le circuit de déphasage réfléchissant et déphasant l'onde qu'il reçoit pour la composante de l'onde dont la polarisation est sensiblement parallèle aux fils conducteurs.
9. Antenne hyperfréquence à balayage électronique, caractérisée en ce qu'elle comporte un réflecteur (4) selon l'une quelconque des
revendications précédentes et une source d'onde hyperfréquence (1)
illuminant le réflecteur.
10. Antenne hyperfréquence à balayage électronique, caractérisée
en ce qu'elle comporte un réflecteur (4) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 pour former une antenne de type Cassegrain, une
source d'onde hyperfréquence étant située sensiblement au centre du réflecteur (4) pour illuminer un réflecteur auxiliaire, lequel illumine le réflecteur (4) par réflexion.
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