Antenne cylindrique à balayage électronique

Description

[0001] La présente invention concerne une antenne cylindrique à balayage électronique. Elle s'applique par exemple pour équiper des mâts, notamment de navires.

[0002] Les antennes à balayage électronique, généralement de forme plane, sont peu adaptées pour effectuer des applications panoramiques circulaires, à moins de les équiper d'un dispositif mécanique de rotation. Une autre solution consiste à juxtaposer plusieurs panneaux d'antennes plan pour couvrir les 360°. Ces solutions sont complexes ou coûteuses à mettre en oeuvre. Pour ces raisons notamment, elles ne sont pas ou peu adaptées à des applications, telles que par exemple, des antennes de télécommunication marine installées en haut des mâts.
Un document EP-A-1 139 484 divulgue des déphaseurs pour une antenne à balayage électronique, ces déphaseurs pouvant être disposés sur une surface cylindrique. Des documents US-A-4 247 858 et US-A-2 807 018 divulguent des antennes à fentes rayonnantes, ces fentes étant disposées en cylindre.

[0003] Un but de l'invention est notamment de permettre une réalisation simple d'une antenne cylindrique. A cet effet, l'invention a pour objet une antenne cylindrique à balayage électronique comportant au moins :

• un ensemble de guides rayonnants disposés en cylindre, produisant le faisceau d'antenne ;
• un réseau de coupleurs 3dB en guide d'onde dont les entrées sont éclairées par un ensemble de sources hyperfréquence, la sortie d'un coupleur étant couplée à l'entrée d'un guide rayonnant ;
• un réseau de paires de cellules de déphasage couplées chacune à un coupleur 3dB, une onde entrante issue des sources hyperfréquence étant déphasée selon un déphasage commandable Δϕ, le décalage angulaire du faisceau d'antenne étant fonction de ce déphasage.

[0004] Avantageusement, les sources hyperfréquence sont disposées sur un pourtour cylindrique à l'intérieur du cylindre formé par l'ensemble des guides rayonnants de façon à ce que chaque source éclaire une partie du réseau de coupleurs, les sources hyperfréquence étant activées successivement.
Les sources hyperfréquence sont des cornets reliés à un dispositif d'aiguillage de lignes hyperfréquence, chaque cornet alimenté par une ligne.

[0005] Avantageusement, le dispositif d'aiguillage est par exemple un dispositif de type SP8T. Ce commutateur peut être réalisé à base de MEMS.
Dans un mode de réalisation, l'onde incidente entrant dans l'entrée d'un coupleur se répartit en deux ondes, ces deux ondes se réfléchissant chacune sur une cellule de déphasage avec des phases identiques et se recomposant en une onde résultante déphasée sortant par la sortie du coupleur juxtaposée à l'entrée.
Les cellules de déphasage comportent par exemple des diodes, le déphasage appliqué étant fonction de l'état des diodes.
Dans un autre mode de réalisation, les cellules de déphasage comportent par exemple des MEMS accordables, le déphasage appliqué étant fonction de l'impédance des MEMS, cette impédance étant commandable.
Les sources hyperfréquences sont par exemple disposées sur une paroi cylindrique intérieure, les sources éclairant les coupleurs dans l'espace disponible entre la paroi intérieure et les guides rayonnants.
Les guides rayonnants sont par exemple des guides à fente.

[0006] L'invention a notamment pour principaux avantages qu'elle présente de faibles pertes, qu'elle est simple à mettre en oeuvre, qu'elle est compacte et qu'elle est économique.

[0007] 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, une antenne cylindrique selon l'invention ;
• la figure 2, un guide rayonnant et son déphaseur associé utilisés dans une antenne selon l'invention ;
• la figure 3, par une vue éclatée un mode de réalisation possible d'un déphaseur utilisé dans une antenne selon l'invention ;
• les figures 4a, 4b et 4c des modes de réalisation possibles du réseau de déphaseurs mis en oeuvre dans une antenne selon l'invention ;
• la figure 5, un mode d'éclairement des déphaseurs par des sources hyperfréquence ;
• la figure 6, une illustration du rayonnement produit par une source hyperfréquence entre les parois intérieure et extérieure d'une antenne selon l'invention ;
• la figure 7, un exemple de réalisation d'un dispositif d'aiguillage d'une onde hyperfréquence entre les différentes sources réparties autour du cylindre formant l'antenne.

[0008] La figure 1 présente l'allure générale d'une antenne 1 selon l'invention. Cette dernière comporte une série de guides rayonnants 2 disposés parallèlement et formant un cylindre. Ces guides rayonnants 2 sont alimentés par un réseau de déphaseurs 3 lui-même illuminé par des sources hyperfréquence 4, 4' réparties circulairement. Le réseau de déphaseurs 3 est disposé à la base du cylindre. Les sources 4 sont par exemple fixées sur un support intérieur 5. Pour répondre à des exigences de rigidité mécanique, les guides sont par exemple fixés sur une armature 6 concentrique de la précédente 5. Un groupement 7 de guides rayonnants 2 contigus produit un faisceau d'antenne 8. Ce faisceau est produit par les guides illuminés par une source hyperfréquence 4', via les déphaseurs du réseau 3, les autres sources 4 étant inactives. Les sources hyperfréquences 4 sont activées successivement de façon à faire tourner le faisceau d'antenne 8. Le mode d'alimentation des sources 4, 4' ainsi que la commande des déphaseurs produisant les mouvements du faisceau d'antenne 8 seront décrits par la suite.

[0009] La figure 2 illustre un guide rayonnant 2 et son déphaseur associé 21. Le guide rayonnant est par exemple un guide résonnant à fentes 22. Le déphaseur comporte une entrée 27 et une sortie 28. L'entrée 27 reçoit l'onde 23 émise par une source hyperfréquence 4. Cette entrée 27 est donc disposée en regard de cette source 4. La sortie 28 du déphaseur est disposée en regard du guide rayonnant 2. L'onde 24 sortant du déphaseur, et déphasée, pénètre dans le guide à fentes pour rayonner de façon connue. Les fentes du guide 2 peuvent être disposées sur son petit côté ou sur son grand côté, les fentes étant orientées vers l'extérieur du cylindre. A son extrémité opposée au déphaseur 21, le guide peut être fermé sur un court-circuit hyperfréquence, dans ce cas il fonctionne en résonance. Le guide 2 participe à la formation du faisceau d'antenne 8 lorsque son déphaseur associé 21 est illuminé par une source 4. Comme il a été indiqué précédemment, la rotation du faisceau autour du cylindre se fait en activant successivement les sources hyperfréquence 4. Cela forme par exemple un balayage en azimut.
Pour effectuer un dépointage en site 29, il est possible de jouer sur la fréquence d'émission. Dans ce cas, les guides en mode résonnant sont remplacés par des guides en mode progressif. Dans ce cas, un guide est alors fermé sur une charge hyperfréquence. Un décalage de 1% dans la bande de fréquence par exemple, peut ainsi induire un décalage de l'ordre de 1 degré.

[0010] La figure 3 détaille par une vue éclatée un mode de réalisation possible du déphaseur 21 de la figure 2. Ce déphaseur est composé d'un coupleur 3db en guide d'onde 34 et d'une paire de cellules de déphasage 35, 36. Le coupleur 3dB est associé à la paire de cellules de déphasage fonctionnant en réflexion, la sortie du coupleur étant disposée en regard des cellules de déphasage. En particulier l'onde incidente E issue d'une source hyperfréquence 4, passant par l'entrée 27 du coupleur 34, se répartit en deux ondes incidentes E1, E2 vers les deux cellules de déphasage 35, 36. Ces deux cellules réfléchissent ces ondes incidentes avec des déphasages identiques. Les ondes réfléchies S1, S2 entrent dans le coupleur 34 pour se recomposer entre elles. L'onde résultante S émerge alors de la sortie 28 du coupleur, juxtaposée à l'entrée 27, avec un déphasage Δϕ par rapport à l'onde incidente E. L'onde résultante de sortie S pénètre dans le guide à fente 2. De façon connue, une valeur du déphasage Δϕ appliqué sur l'onde incidente et réfléchie dans le guide d'onde 2 crée un décalage angulaire donné du faisceau d'antenne 8. Ce décalage est effectué dans un plan perpendiculaire à l'axe 20 des guides d'onde, donc par exemple en azimut. Le balayage électronique 10 du faisceau d'antenne 8 est effectué de façon connue en faisant varier le déphasageΔϕ. Ce balayage électronique 10 se superpose à la rotation du faisceau d'antenne 8 autour du cylindre formant l'antenne.

[0011] Les figures 4a et 4b illustrent un mode de réalisation possible du réseau de déphaseurs 3, la figure 4b étant une vue partielle de la figure 4a. Plus particulièrement ces figures présente un mode de réalisation du réseau formé par les cellules de déphasage 35, 36 des déphaseurs 21. Ces cellules sont par exemple implantées sur un circuit imprimé circulaire 41 ayant une largeur donnée Lc. Deux cellules 35, 36 affectées à un même déphaseur sont contiguës et disposées radialement. Deux paires de cellules sont séparées radialement par une zone 42. Cette zone est par exemple une piste conductrice imprimée. Sa largeur, non constante, correspond sensiblement à la largeur des parois d'un coupleur 3dB. Les coupleurs 3dB sont par exemple soudés sur ces zones 42. Le circuit imprimé 41 est par exemple fixé sur une structure mécanique non représentée, de forme circulaire. Cette structure supporte aussi par exemple la paroi intérieure 5.
Chaque cellule de déphasage 35, 36 comporte un circuit hyperfréquence et un plan conducteur sensiblement parallèle au circuit hyperfréquence. Le circuit hyperfréquence et le plan conducteur peuvent être avantageusement réalisés dans le circuit imprimé 41 qui est alors de type multicouche. Le plan conducteur a notamment pour fonction de réfléchir les ondes E1, E2 décrites précédemment, puis le circuit hyperfréquence réalise le déphasage.
Les cellules de déphasage 35, 36 sont par exemple réalisées à l'aide de diodes comme décrit dans la demande de brevet français publiée sous le numéro 2 807 213. Dans ce cas, le déphasage Δϕ appliqué dépend de l'état des diodes.
Les déphasages peuvent aussi être réalisés par des inductances ou des capacités variables. A cet effet, il est possible d'utiliser des circuits MEMS accordables. Les circuits en technologies MEMS (systèmes micro-électromécaniques) conjuguent la micro-électronique des semi-conducteurs et la technologie du micro-usinage, permettent la réalisation de systèmes sur une puce. Ainsi, dans le cadre de l'invention il est possible d'utiliser des circuits MEMS accordables tels que décrit par exemple dans l'article de C.M. Tasseti, G. Bazin-Lissorgues, J.P. Gilles, P. Nicole, "New Tunable MEMS Inductors Design for RF and Microwave Applications", Conférence MEMSWAVE' 2003, 2 - 4 Juillet 2003, Toulouse, France. Dans ce cas le circuit hyperfréquence des cellules de déphasage 35, 36 comporte donc les MEMS précités. Le déphasage appliqué dépend alors de l'impédance présentée par ces MEMS, cette impédance, inductive ou capacitive, étant commandable.
Un avantage par rapport à des déphaseurs à diodes est d'obtenir un pas plus fin au niveau des déphasages Δϕ appliqués aux ondes incidentes. Avec des déphaseurs à diodes, il est possible d'atteindre une commande sur 4 bits, soit un pas de 1/2⁴ = 1/16. Des cellules à déphasage à base de MEMS accordables permettent d'obtenir une commande équivalente à 6 bits par exemple, soit un pas de 1/2⁶ = 1/64. Une diminution du pas de déphase Δϕ permet notamment de diminuer les rayonnements parasites. Les circuits de commande des cellules de déphasage ne sont pas représentés sur les figures 4a et 4b. Ces circuits peuvent être par exemple implantés sur la face arrière du circuit imprimé supportant les cellules de déphasage. Ce circuit imprimé peut être avantageusement du type multicouche pour permettre le passage de liaisons électriques entre les cellules de déphasage et leurs circuits de commande.

[0012] La figure 4c illustre un mode de réalisation possible de l'ensemble des coupleurs 3dB 21 qui viennent se coupler au circuit imprimé 41. Ces coupleurs 21 couplés chacun à une paire de cellules déphasage 35, 36 peuvent former une seule pièce 45 circulaire. Cette pièce est alors rapportée sur le circuit imprimé 41. Les guides 34 constituant les coupleurs sont par exemple usinés dans une même pièce métallique. Les guides d'onde rayonnant 2 sont ensuite disposé en regard des guides d'onde formant les sorties des coupleurs 3dB.

[0013] La figure 5 illustre le mode d'éclairement des déphaseurs par les sources hyperfréquence 4. Plus particulièrement, la figure 5 illustre l'éclairement des entrées 27 des déphaseurs par une source 4. Cette source comporte par exemple un cornet 51. Ce cornet est lui-même alimenté par une onde hyperfréquence. Il s'agit de l'onde hyperfréquence à émettre, elle-même préalablement amplifiée. Le cornet 51 rayonne cette onde vers les déphaseurs. Le rayonnement 52 produit par la source 4 éclaire les déphaseurs 21 sur une longueur C, cette longueur étant circulaire comme l'illustre la représentation de cette longueur sur la figure 4a. La source hyperfréquence voisine de la source 4 représentée sur la figure 5 produit un rayonnement qui éclaire les déphaseurs sur une longueur C1. Cette longueur chevauche la longueur C précédente comme l'illustre la figure 4a.

[0014] La figure 6 illustre par une vue en perspective le rayonnement de la figure 5. La source 4 fixée en haut de la paroi interne 5 éclaire l'espace libre entre la paroi cylindrique interne 5 et la paroi formée des faces non rayonnantes des guides d'onde 2. Plus particulièrement, la source 4 éclaire les entrées 27 des déphaseurs 21. Les ondes émises par la source 4 entrent donc dans les déphaseurs 21, sont déphasées puis pénètrent dans les guides d'onde 2 dont les entrées sont reliées aux sorties 28 des déphaseurs.
Les sources hyperfréquence 4, notamment les cornets 51, sont par exemple reliées à un aiguilleur hyperfréquence. Cet aiguilleur comporte une entrée qui reçoit l'onde à émettre et plusieurs sorties reliées chacune à un cornet.

[0015] La figure 7 illustre un exemple de dispositif d'aiguillage hyperfréquence qui peut avantageusement être utilisé. Ce dispositif d'aiguillage est par exemple un commutateur 71 du type SP8T comportant une entrée et huit sorties. Ce commutateur de type SP8T peut être réalisé à base de diodes PIN ou à base de MEMS. Le commutateur 71 comporte une entrée 72 et huit sorties 73. L'entrée 72 et les sorties 73 sont par exemple adaptées pour se connecter à des lignes hyperfréquence de type coaxial. Une telle ligne relie chaque cornet 51 au commutateur 71.
L'onde entrante dans le commutateur est ainsi successivement commutée vers les différentes sorties. De la sorte, les cornets disposés tout autour du cylindre intérieur sont successivement alimentés comme décrit précédemment.

[0016] Le cylindre formant une antenne selon l'invention peut avoir une base formant un cercle comme illustré par les figures. Il peut néanmoins avoir une base ne formant pas un cercle. Dans ce cas, les formes des réseaux de cellules de déphasages, notamment le circuit imprimé 41, et des réseaux de coupleurs sont adaptés.
Une antenne selon l'invention, de forme cylindrique, peut facilement s'intégrer au mât d'un navire par exemple, l'antenne étant alors disposée autour du mât.
Un autre avantage d'une antenne selon l'invention est notamment la simplicité technologique. Les différents modes de réalisation illustrés par les figures ont montré la simplicité technologique ainsi que les types de composants utilisés.
Cette antenne présente aussi de faibles pertes en raison des composants utilisés qui introduisent eux-mêmes peu de pertes.
En ce qui concerne les dimensions, la longueur des guides rayonnants 2 peut être de l'ordre de 30 centimètres par exemple et le diamètre du cylindre peut être de l'ordre d'un mètre. Il en résulte une antenne relativement compacte et peu encombrante.

Revendications

1. Antenne cylindrique à balayage électronique, comportant

- un réseau de coupleurs 3dB en guide d'onde (21) dont les entrées (27) sont éclairées par un ensemble de sources hyperfréquence (4), la sortie (28) d'un coupleur étant couplée à l'entrée d'un guide rayonnant (2) ;

- un réseau de paires de cellules de déphasage (35, 36) couplées chacune à un coupleur 3dB, une onde entrante (E) issue des sources hyperfréquence (4) étant déphasée selon un déphasage commandable (Δϕ), le décalage angulaire du faisceau d'antenne (8) étant fonction de ce déphasage (Δϕ), caractérisée en ce qu'elle comporte au moins :

- un ensemble de guide rayonnants (2) disposés en cylindre, produisant le faisceau d'antenne (8) ;

les sources hyperfréquence (4) étant disposées sur un pourtour cylindrique (5) à l'intérieur du cylindre formé par l'ensemble des guides rayonnants (2) de façon à ce que chaque source (4) éclaire une partie (7, C) du réseau de coupleurs (21), les sources hyperfréquence (4) étant activées successivement, les sources hyperfréquence (4) étant des cornets (51) reliés à un dispositif d'aiguillage de lignes hyperfréquence, chaque cornet alimenté par une ligne.

2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif d'aiguillage est un dispositif de type SP8T.

3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le commutateur est réalisé à base de MEMS.

4. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'onde incidente (E) entrant dans l'entrée (27) d'un coupleur (21) se répartit en deux ondes (E1, E2), ces deux ondes se réfléchissant chacune sur une cellule de déphasage (35, 36) avec des phases identiques et se recomposant en une onde résultante (S) déphasée sortant par la sortie (28) du coupleur juxtaposée à l'entrée (27).

5. Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que les cellules de déphasage comportent des diodes, le déphasage appliqué étant fonction de l'état des diodes.

6. Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que les cellules de déphasage comportent des MEMS accordables, le déphasage appliqué étant fonction de l'impédance des MEMS, cette impédance étant commandable.

7. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les sources hyperfréquences (4) sont disposées sur une paroi cylindrique intérieure (5), les sources éclairant le coupleur (21) dans l'espace disponible entre la paroi intérieure (5) et les guides rayonnants (2).

8. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les guides rayonnants (2) sont des guides à fente.

Claims

1. Cylindrical electronic sweep antenna, comprising

- an array of 3 dB couplers in waveguide (21) form, the inputs (27) of which are lit by a set of hyperfrequency feeds (4), the output (28) of a coupler being coupled to the input of a radiating guide (2);

- an array of pairs of phase-shifting cells (35, 36), each coupled to a 3 dB coupler, an incoming wave (E) from the hyperfrequency feeds (4) being phase-shifted by a controllable phase shift (Δϕ), the angular offset of the antenna beam (8) being dependent on this phase shift (Δϕ), characterized in that it comprises at least:

- a set of radiating guides (2) arranged in cylinder form, producing the antenna beam (8);

the hyperfrequency feeds (4) being arranged on a cylindrical circumference (5) inside the cylinder formed by the set of radiating guides (2) so that each feed (4) lights a part (7, C) of the array of couplers (21), the hyperfrequency feeds (4) being activated in turn, the hyperfrequency feeds (4) being horns (51) linked to a hyperfrequency line switching device, each horn supplied by a line.

2. Antenna according to Claim 1, characterized in that the switching device is an SP8T-type device.

3. Antenna according to Claim 2, characterized in that the switch is MEMS-based.

4. Antenna according to any one of the preceding claims, characterized in that the incoming wave (E) entering the input (27) of a coupler (21) is split into two waves (E1, E2), these two waves each being reflected on a phase-shifting cell (35, 36) with identical phases and being recombined into a resultant phase-shifted wave (S) leaving via the output (28) of the coupler juxtaposed to the input (27).

5. Antenna according to Claim 4, characterized in that the phase-shifting cells comprise diodes, the applied phase shift being dependent on the state of the diodes.

6. Antenna according to Claim 4, characterized in that the phase-shifting cells comprise tunable MEMS, the applied phase shift being dependent on the impedance of the MEMS, this impedance being controllable.

7. Antenna according to any one of the preceding claims, characterized in that the hyperfrequency feeds (4) are arranged on an internal cylindrical wall (5), the feeds lighting the coupler (21) in the available space between the internal wall (5) and the radiating guides (2).

8. Antenna according to any one of the preceding claims, characterized in that the radiating guides (2) are slotted guides.

Ansprüche

1. Zylindrische Antenne mit elektronischer Abtastung, die aufweist:

- ein Netz von 3dB-Wellenleiter-Kopplern (21), deren Eingänge (27) von einer Gruppe von Höchstfrequenzquellen (4) beleuchtet werden, wobei der Ausgang (28) eines Kopplers mit dem Eingang eines strahlenden Wellenleiters (2) gekoppelt ist;

- ein Netz von Paaren von Phasenverschiebungszellen (35, 36), die je mit einem 3dB-Koppler gekoppelt sind, wobei eine von den Höchstfrequenzquellen (4) stammende, eintretende Welle (E) gemäß einer steuerbaren Phasenverschiebung (Δϕ) phasenverschoben ist, wobei die Winkelverschiebung des Antennenstrahls (8) von dieser Phasenverschiebung (Δϕ) abhängt,

dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens aufweist:

- eine Gruppe von zylinderförmig angeordneten, strahlenden Wellenleitern (2), die den Antennenstrahl (8) erzeugen;

wobei die Höchstfrequenzquellen (4) auf einem zylindrischen Umfang (5) innerhalb des von der Gruppe der strahlenden Wellenleiter (2) geformten Zylinders so angeordnet sind, dass jede Quelle (4) einen Teil (7, C) des Netzes von Kopplern (21) beleuchtet, wobei die Höchstfrequenzquellen (4) nacheinander aktiviert werden, wobei die Höchstfrequenzquellen (4) Hornstrahler (51) sind, die mit einer Umlenkvorrichtung von Höchstfrequenzleitungen verbunden sind, wobei jeder Hornstrahler von einer Leitung gespeist wird.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkvorrichtung eine Vorrichtung vom Typ SP8T ist.

3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter auf der Basis von MEMS hergestellt wird.

4. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einfallende Welle (E), die in den Eingang (27) eines Kopplers (21) eintritt, sich in zwei Wellen (E1, E2) aufteilt, wobei diese zwei Wellen sich je auf einer Phasenverschiebungszelle (35, 36) mit gleichen Phasen reflektieren und sich in einer phasenverschobenen resultierenden Welle (S) wieder zusammensetzen, die durch den dem Eingang (27) benachbarten Ausgang (28) des Kopplers austritt.

5. Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebungszellen Dioden aufweisen, wobei die angewendete Phasenverschiebung vom Zustand der Dioden abhängt.

6. Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenverschiebungszellen abstimmbare MEMS aufweisen, wobei die angewendete Phasenverschiebung von der Impedanz der MEMS abhängt, wobei diese Impedanz steuerbar ist.

7. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höchstfrequenzquellen (4) auf einer inneren zylindrischen Wand (5) angeordnet sind, wobei die Quellen den Koppler (21) in dem Raum beleuchten, der zwischen der Innenwand (5) und den strahlenden Wellenleitern (2) verfügbar ist.

8. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlenden Wellenleiter (2) Schlitzleiter sind.

Dessins