Réflecteur hyperfréquence actif pour antenne à balayage électronique

Abstract

 L'invention a pour objet un réflecteur hyperfréquence actif à balayage électronique, susceptible d'être illuminé par une source d'onde hyperfréquence pour former une antenne.
Le réflecteur actif selon l'invention comporte un ensemble de cellules élémentaires comportant chacune un circuit hyperfréquence déphaseur (D) disposé devant un plan conducteur. Le déphaseur comporte des fils conducteurs (F) disposés sur un support (30), les fils comportant chacun au moins deux éléments semi-conducteurs (D1, D2) à deux états, diodes par exemple, et étant connectés à des conducteurs (CD) permettant de commander l'état des diodes indépendamment l'une de l'autre, chacune des diodes pouvant être dans l'état passant ou bloqué ; on obtient ainsi quatre états possibles et les caractéristiques géométriques et électriques de la cellule sont telles qu'à chacun de ces états correspond une valeur de déphasage donnée de l'onde hyperfréquence reçue. Enfin, entre les cellules sont prévus des moyens de découplage hyperfréquence (74, 75) qui consistent notamment à former entre deux cellules voisines, des guides d'ondes dont les parois sont parallèles à la polarisation de l'onde et dont l'espacement est tel qu'il interdit la propagation de l'onde.

Description

[0001] L'invention a pour objet un réflecteur hyperfréquence actif à balayage électronique, susceptible d'être illuminé par une source d'onde hyperfréquence pour former une antenne.

[0002] Les antennes à balayage électronique sont couramment constituées d'un ensemble d'éléments rayonnants émettant une onde hyperfréquence dont la phase est électroniquement commandable, indépendamment pour chaque élément ou groupe d'éléments. Une antenne dont le faisceau est capable de balayer l'espace selon deux directions orthogonales (2D) nécessite un grand nombre d'éléments rayonnants ; leur coût, celui des déphaseurs et de l'électronique associés rend en général ce type d'antenne très onéreux.

[0003] Le but de l'invention est de permettre la réalisation d'une antenne à balayage électronique 2D pour un coût qui soit sensiblement inférieur, à performances comparables, à celui des antennes connues.

[0004] A cet effet, l'antenne selon l'invention est constituée d'une source d'onde hyperfréquence polarisée linéairement, éclairant un réflecteur actif hyperfréquence. Le réflecteur actif selon l'invention comporte un ensemble de cellules élémentaires comportant chacune un circuit hyperfréquence déphaseur disposé devant un plan conducteur. Le déphaseur comporte des fils conducteurs disposés sur un support, les fils comportant chacun au moins deux éléments semi-conducteurs à deux états, diodes par exemple, et étant connectés à des conducteurs permettant de commander l'état des diodes indépendamment l'une de l'autre, chacune des diodes pouvant être dans l'état passant ou bloqué ; on obtient ainsi quatre états possibles et les caractéristiques géométriques et électriques de la cellule sont telles qu'à chacun de ces états correspond une valeur de déphasage donnée. Enfin, entre les cellules sont prévus des moyens de découplage hyperfréquence qui consistent notamment à former entre deux cellules voisines, des guides d'ondes dont les parois sont parallèles à la polarisation de l'onde et dont l'espacement est tel qu'il interdit la propagation de l'onde.

[0005] D'autres objets, particularités et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple et illustrée par les dessins annexés, qui représentent :

• la figure 1, le schéma général de l'antenne selon l'invention ;
• la figure 2, un schéma vu de dessus du réflecteur actif selon l'invention ;
• la figure 3, le schéma vu en coupe d'un mode de réalisation du réflecteur actif ;
• la figure 4, un mode de réalisation d'un circuit hyperfréquence utilisé dans le réflecteur actif ;
• la figure 5, le circuit équivalent du circuit hyperfréquence précédent ;
• la figure 6, un mode de réalisation pratique d'un élément de découplage des cellules entre elles ;
• la figure 7, un autre mode de réalisation du circuit hyperfréquence, permettant de réaliser une antenne bi-polarisation.

[0006] Sur ces différentes figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments.

[0007] La figure 1 illustre schématiquement le principe utilisé par l'antenne selon l'invention.

[0008] L'antenne est formée par une source S d'onde hyperfréquence O₁ à polarisation linéaire, parallèle à une direction OY prédéfinie, qui illumine un réflecteur actif RA situé dans un plan, par exemple XOY contenant la direction OY.

[0009] Le réflecteur RA est représenté schématiquement figure 2, vu de dessus (dans le plan XOY).

[0010] Il se compose d'un ensemble de cellules élémentaires C, disposées côte à côte et séparées par des zones 20, utilisées pour le découplage hyperfréquence des cellules. Chaque cellule est capable de réfléchir l'onde qu'elle reçoit avec une valeur de phase commandable électriquement, selon un processus décrit plus loin.

[0011] 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 O₂ (figure 1) dans la direction souhaitée.

[0012] La figure 3 est une vue schématique en coupe (dans un plan YOZ normal au plan XOY) d'un mode de réalisation du réflecteur actif RA.

[0013] Le réflecteur RA se compose d'un circuit hyperfréquence CH, recevant l'onde incidente O₁, par exemple sensiblement plan, et d'un plan conducteur CC, disposé sensiblement parallèlement au circuit CH, à une distance d prédéfinie de ce dernier.

[0014] Le plan conducteur CC a pour fonction de réfléchir les ondes hyperfréquences. Il peut être constitué par tout moyen connu, par exemple des fils parallèles ou un grillage, suffisamment serrés, ou un plan continu. Le circuit CH et le plan CC sont de préférence réalisés sur deux faces d'un support diélectrique 32, du type circuit imprimé.

[0015] Le réflecteur RA comporte encore, de préférence sur le même circuit imprimé 32, qui est alors un circuit multicouche, le circuit électronique (composants et interconnexions) nécessaire à la commande des valeurs de phase. Sur la figure, on a représenté un circuit multicouche dont la face avant 30 porte le circuit CH, la face arrière 31 porte des composants électroniques 132, et les couches intermédiaires forment le plan CC et par exemple deux plans PI d'interconnexion des composants 132 au circuit CH.

[0016] La figure 4 représente un mode de réalisation du circuit hyperfréquence CH.

[0017] Le circuit CH est constitué de déphaseurs élémentaires D réalisés sur la surface 30 et séparés par des zones de découplage. Chaque déphaseur D, associé avec la partie correspondante du plan conducteur CC, forme une des cellules élémentaires C de la figure 2.

[0018] Un D comporte un ou plusieurs fils F (un seul sur la figure 4), sensiblement parallèles à la direction OY et portant chacun au moins deux éléments semi-conducteurs à deux états, D₁ et D₂, par exemple des diodes, par exemple connectées en opposition, par exemple par leur cathode. La tension d'alimentation des diodes D₁ et D₂ est amenée par des conducteurs de commande sensiblement parallèles entre eux et perpendiculaires aux fils F, repérés CD. Ils sont au moins trois, ou quatre comme représenté sur la figure, de sorte à assurer la commande des diodes indépendamment l'une de l'autre.

[0019] Les déphaseurs D sont entourés de zones conductrices disposées vers leur périphérie, repérées 74 dans une direction parallèle à OX et 75 dans une direction parallèle à OY, utilisées pour le découplage comme expliqué plus loin.

[0020] Les conducteurs CD sont reliés au circuit électronique porté par le réflecteur, par l'intermédiaire de trous 40 métallisés (41) réalisés au niveau des zones conductrices 75 mais bien entendu électriquement isolés de ces dernières (par exemple pour une interruption 43 de la zone 75).

[0021] Pour la clarté des figures, la surface des différents conducteurs, par exemple réalisés sous forme de dépôts métalliques sur la surface 30, est représentée hachurée bien que non vue en coupe.

[0022] Pour décrire le fonctionnement d'une cellule, il est tout d'abord nécessaire de considérer le circuit équivalent d'un déphaseur D, tel que représenté figure 5.

[0023] L'onde hyperfréquence incidente, de polarisation (vecteur champ électrique) rectiligne et parallèle à OY et aux fils F, est reçue sur des bornes B₁ et B₂ et rencontre quatre capacités C_O, C_I1, C_I2, C_I3 en série, connectées en parallèle sur les bornes B₁ et B₂. La capacité C_O représente la capacité linéique de découplage entre les conducteurs CD extrêmes et les zones conductrices 74 ; la capacité C_I1 est la capacité linéique entre les conducteurs CD entourant la diode D₁, la capacité C_I3, la capacité linéique entre les conducteurs CD centraux, et la capacité C_I2, l'équivalent de C_I1 pour la diode D2.

[0024] Aux bornes de la capacité C_I1 est connectée la diode D1, également représentée par son schéma équivalent. Ce dernier est constitué d'une inductance L₁, inductance de la diode D₁ compte tenu de son fil (F) de connexion, en série avec :

• soit une capacité C_i1 (capacité de jonction de la diode) en série avec une résistance R_i1 (résistance inverse),
• soit une résistance R_d1 (résistance directe de la diode), selon que la diode D₁ est en sens inverse ou direct, ce qui est symbolisé par un interrupteur 2_1.

[0025] De la même manière, aux bornes de la capacité C_I2 est connectée une diode D₂ représentée par son schéma équivalent. Ce dernier est analogue à celui de la diode D₁, ses composants portant un indice 2.

[0026] La tension de sortie hyperfréquence est prise entre des bornes B₃ et B₄, bornes des capacités C₀, C_I1, C_I2 et C_I3.

[0027] Le fonctionnement du déphaseur D est expliqué ci-après en considérant, dans une première étape, le comportement d'un tel circuit en l'absence de la diode D₂ et des conducteurs CD centraux, ce qui revient sur le schéma équivalent de la figure 5 à supprimer le bloc D₂ ainsi que les capacités C_I2 et C_I3.

[0028] Lorsque la diode D1 est polarisée en direct, la susceptance (B_d1) du circuit de la figure 5 (modifié) s'écrit :

où Z est l'impédance de l'onde incidente et ω est la pulsation correspondant à la fréquence centrale de la bande de fonctionnement du dispositif.

[0029] On choisit par exemple les paramètres du circuit pour avoir B_d1 ≅ 0, c'est-à-dire que, en négligeant sa conductance, le circuit soit adapté ou, en d'autres termes, qu'il soit transparent à l'onde hyperfréquence incidente, n'introduisant ni réflexion parasite, ni déphasage (dφ_d1 = 0). Plus précisément, on choisit :

ce qui conduit à B_d1 ≅ 0, quelle que soit notamment la valeur de la capacité C_i1.

[0030] Lorsque la diode D₁ est polarisée en inverse, la susceptance (B_r2) du circuit s'écrit :

[0031] La capacité C_I1 étant fixée précédemment, il apparaît qu'on peut ajuster la valeur de la susceptance B_r1 par action sur la valeur de la capacité C_i, c'est-à-dire le choix de la diode D₁.

[0032] Si maintenant, dans une deuxième étape, on prend en considération l'existence de la diode D₂ et des conducteurs CD centraux, on voit que, par un raisonnement analogue, on obtient deux autres valeurs distincts pour la susceptance, selon que la diode D₂ est polarisée en direct ou en inverse.

[0033] Il apparaît ainsi qu'un déphaseur D peut présenter quatre valeurs différentes pour sa susceptance B_D (notées B_D1, B_D2, B_D3 et B_D4) selon la commande (polarisation directe ou inverse) appliquée à chacune des diodes D₁ et D₂. Ces valeurs sont fonction des paramètres du circuit de la figure 5, c'est-à-dire des valeurs choisies pour les paramètres géométriques (dimensions, formes et espacements des différentes surfaces conductrices) et électriques (caractéristiques électriques des diodes) du déphaseur.

[0034] Si, maintenant, on étudie le comportement de l'ensemble de la cellule, c'est-à-dire le déphaseur D et le plan conducteur CC, on doit tenir compte de la susceptance due au plan CC, ramenée dans le plan du déphaseur et notée B_CC, qui s'écrit :

où λ est la longueur d'onde correspondant à la pulsation ω.

[0035] La susceptance B_C de la cellule est alors donnée par :

[0036] II suit que la susceptance B_C peut prendre quatre valeurs distinctes (notées B_C1, B_C2, B_C3 ,et B_C4) correspondant respectivement aux quatre valeurs de B_D, la distance d représentant un paramètre supplémentaire pour la détermination des valeurs B_C1 - B_C4.

[0037] On sait par ailleurs que le déphasage (dϕ) imprimé par une admittance (Y) à une onde hyperfréquence est de la forme :

[0038] Il apparaît ainsi que, en négligeant la partie réelle de l'admittance d'une cellule, on a :

   et qu'on obtient quatre valeurs possible (d_ϕ1 - d_ϕ4) de déphasage par cellule, selon la commande appliquée à chacune des diodes D₁ et D₂. Les différents paramètres sont choisis pour que les quatre valeurs d_ϕ1 - d_ϕ4 soient équiréparties, par exemple mais non obligatoirement : 0, 90°, 180°, 270°.

[0039] Il est à noter qu'on a décrit ci-dessus le cas dans lequel on choisit les paramètres du circuit pour que les susceptances nulles (ou sensiblement nulles) soient telles qu'elles correspondent aux diodes polarisées dans le sens direct, mais qu'on peut bien entendu choisir un fonctionnement symétrique dans lequel les paramètres sont déterminés pour annuler sensiblement les susceptances B_r ; plus généralement, il n'est pas nécessaire que l'une des susceptances B_d ou B_r soit nulle, ces valeurs étant déterminées pour que la condition d'équirépartition des déphasages d_ϕ1-d_ϕ 4 soit remplie.

[0040] Par ailleurs, dans le cas où une cellule comporte plus d'un fil F chargé de diodes, le fonctionnement et la détermination des paramètres sont du même type, sous réserve de modifier corrélativement le circuit équivalent et de tenir compte de l'interaction entre les fils à diodes.

[0041] Le réflecteur actif selon l'invention comporte encore des moyens de découplage entre les cellules C.

[0042] L'onde hyperfréquence reçue par les cellules est polarisée linéairement, parallèlement à la direction OY. Il est souhaitable que cette onde ne se propage pas d'une cellule à l'autre, dans la direction OX. Pour éviter une telle propagation, l'invention prévoit de disposer une zone conductrice 75 sensiblement en forme de bande, réalisée par dépôt métallique sur la surface 30 par exemple, entre les cellules, parallèlement à la direction OY. Cette bande 75 forme, avec le plan réflecteur CC qui est en dessous, un espace du type guide d'onde dont la largeur est la distance d. Selon l'invention, on choisit la distance d pour qu'elle soit inférieure à λ/2, sachant qu'une onde dont la polarisation est parallèle aux bandes ne peut pas se propager dans un tel espace. En pratique, le réflecteur selon l'invention fonctionne dans une certaine bande de fréquences et on choisit d pour qu'elle soit inférieure à la plus petite des longueurs d'onde de la bande. Bien entendu, il est nécessaire de tenir compte de cette contrainte lors de la détermination des différents paramètres pour la fixation des déphasages d_ϕ1 - d_ϕ4. En outre, la bande 75 doit avoir une largeur e, selon la direction OX, suffisante pour que l'effet décrit précédemment soit sensible. En pratique, la largeur e peut-être de l'ordre de λ/15.

[0043] Par ailleurs, il peut être créé de façon parasite dans une cellule, une onde dont la polarisation serait dirigée selon la direction OZ (normale aux directions OX et OY). Il est également souhaitable d'éviter sa propagation vers les cellules voisines.

[0044] Pour ce qui est des cellules voisines dans la direction OX, on peut utiliser comme représenté figure 4 les trous métallisés 40-41 de connexion des conducteurs CD au circuit électronique de commande. En effet, ceux-ci étant parallèles à la polarisation de l'onde parasite, ils sont équivalents à un plan conducteur formant blindage s'ils sont suffisamment rapprochés (à une distance l'un de l'autre très inférieure à la longueur d'onde de fonctionnement du réflecteur), donc nombreux, pour les longueurs d'onde de fonctionnement du réflecteur. Si cette condition n'est pas remplie, on peut bien entendu former des trous métallisés supplémentaires, n'ayant pas de fonction de connexion Il est à noter que ces trous métallisés 40-41 sont préférentiellement réalisés au niveau des bandes 75 afin de ne pas perturber le fonctionnement des cellules.

[0045] Enfin, pour ce qui est des cellules voisines dans la direction OY, on peut soit utiliser des trous métallisés analogues aux trous 40-41 mais alignés selon la direction OX, soit disposer une surface conductrice continue dans le plan XOZ, comme illustré sur la figure 6, où on a représenté des plaques 61 s'étendant parallèlement au plan XOZ à partir du plan CC (l'intersection de ces plaques 61 avec la surface 30 forme les zones 74 de la figure 4). Ces plaques peuvent avantageusement se prolonger au delà de la surface 30, sur une hauteur qui n'est pas critique, qui peut être par exemple inférieure à λ/10, égale à λ/10 ou à quelques multiples de λ/10, pour améliorer le découplage.

[0046] La figure 7 représente un autre mode de réalisation du circuit hyperfréquence CH, permettant de réaliser une antenne bipolarisation.

[0047] Sur cette figure, on a représenté en perspective une seule cellule C. Le circuit déphaseur porté sur la surface 30 du substrat 32 est maintenant constitué de deux fils F₁, F₂, portant chacun deux éléments semi-conducteurs tels que des diodes (D₁₁, D₂₁, D₁₂, D₂₂), reliés par exemple à un même conducteur central 71 lui-même relié par un trou métallisé 72 au circuit électronique de commande du réflecteur. Chacun des fils à diode agit ici sur les seules ondes dont la polarisation a une composante qui leur est parallèle, selon le même processus que celui qui a été décrit précédemment, sous réserve de tenir compte des différences dans la géométrie des conducteurs.

Revendications

1. Réflecteur hyperfréquence actif, susceptible de recevoir une onde électromagnétique polarisée linéairement selon une première direction donnée (OY), caractérisé par le fait qu'il comporte un ensemble de cellules élémentaires (C) disposées l'une à côté de l'autre sur une surface,

chaque cellule comportant un circuit hyperfréquence déphaseur (D) et un plan conducteur (CC) disposé sensiblement parallèlement au circuit hyperfréquence, à une distance (d) prédéfinie de ce dernier, inférieure à la moitié de la plus petite longueur d'onde de la bande de fonctionnement du réflecteur,

le circuit déphaseur comportant un support diélectrique (32), au moins d'un fil électriquement conducteur (F) sensiblement parallèle à la direction donnée, disposé sur le support et portant au moins deux éléments semi-conducteurs (D₁, D₂) à deux états, le fil étant connecté à des conducteurs de commande (CD) des éléments semi-conducteurs, sensiblement normaux aux fils (F), les conducteurs de commande étant au moins au nombre de trois pour commander l'état des éléments semi-conducteurs indépendamment l'un de l'autre, et deux premières zones conductrices (74) disposées vers la périphérie de la cellule, sensiblement parallèlement aux conducteurs de commande,

les caractéristiques géométriques et électriques de la cellule étant telles qu'à chacun des états des éléments semi-conducteurs correspond une valeur de déphasage donnée (d_ϕ1, d_ϕ2, d_ϕ3, d_ϕ4) de l'onde électromagnétique qui est réfléchie par la cellule,

le réflecteur comportant en outre un circuit électronique de commande de l'état des éléments semi-conducteurs, relié aux conducteurs de commande, et des moyens de découplage hyperfréquence entre le cellules, ces moyens comportant deuxième zone conductrice (75) disposée entre chaque cellule, parallèlement à la direction donnée, qui forme avec le plan conducteur un espace guidé où l'onde ne peut pas se propager.

2. Réflecteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le support diélectrique (32) est du type circuit imprimé multicouche dont une première face (30) porte le circuit hyperfréquence, une première couche intermédiaire porte le plan conducteur et la deuxième face (31) porte des composants du circuit de commande.

3. Réflecteur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le support diélectrique (32) comporte en outre au moins une deuxième couche intermédiaire (PI) portant des interconnexions du circuit de commande.

4. Réflecteur selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé par le fait qu'il comporte des trous métallisés (40, 41), réalisés dans le support diélectrique (32), dans une deuxième direction (OZ), sensiblement normale à la première direction, à une distance l'un de l'autre très inférieure à la longueur d'onde électromagnétique, certains au moins de ces trous métallisés assurant la liaison entre le circuit de commande et les conducteurs de commande.

5. Réflecteur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les trous métallisés (40, 41) sont réalisés dans la deuxième zone conductrice (75) mais sans contact électrique avec cette dernière.

6. Réflecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les premières zones conductrices (74) se prolongent par des plans conducteurs (61) sensiblement perpendiculaires à la première direction (OY), s'étendant au moins entre le plan conducteur (CC) et le circuit déphaseur (D).

7. Réflecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les éléments semi-conducteurs sont des diodes.

8. Antenne hyperfréquence à balayage électronique, caractérisée par le fait qu'elle comporte un réflecteur (RA) selon l'une des revendications précédentes et une source d'onde hyperfréquence(s), illuminant le réflecteur.

Dessins