Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02385787 2002-03-26
WO 02/11238 PCT/FRO1/02383
1
Réflecteur hyperfréquence actif à bipolarisation,
notamment pour antenne à balayage électronique
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.
II est connu de réaliser des antennes comportant un réflecteur
hyperfréquence actif. Ce dernier, par ailleurs nommé « reflect array » dans la
littérature angfo-saxonne, est un réseau de déphaseurs commandables
électroniquement. Ce réseaû s'étend dans un plan et comporte un réseau
d'éléments à contrôle de phase, ou réseau phasé, 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, l'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.
3o 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,
CA 02385787 2002-03-26
WO 02/11238 PCT/FRO1/02383
2
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 fa 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.
~5 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
oeuvre
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
2o 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 ;
25 - 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 ;
30 - la figure 5, par une vue en coupe, les couches constitutives
possibles d'un réflecteur selon l'invention ;
- la figure 6, un -mode de réalisâtion possible des réseaux de
guides d'un réflecteur selon l'invention ;
- la figure 7, un mode de réalisation complémentaire permettant
35 notamment de réduire le taux d'ondes stationnaires.
CA 02385787 2002-03-26
WO 02/11238 PCT/FRO1/02383
3
La figure- 1 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
s 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, l'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 1 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
2o 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
2s la polarisation horizontale. Les ondes hyperfréquence 3 incidentes
pénètrent
dans les guides. Chaque guide 21, 22 est court-circuité par un déphaseur tel
que décrit par exemple dans la demande de brevet français n° 97 01326,
commandabfe selon deux à quatre bits ou plus.
so La figure 3 illustre de façon schématique une cellule de
déphasage. Celle-ci 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-méme au moins deux semi-conducteurs D~, D2, par exemple des diodes,
s5 à deux états. Les fils conducteurs et les diodes sont placés sur un support
CA 02385787 2002-03-26
WO 02/11238 PCT/FRO1/02383
4
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 fonde 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
2o 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 fa 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
3o 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
s5 horizontale Ox et l'ensemble des lignes s'étend selon la direction
CA 02385787 2002-03-26
WO 02/11238 PCT/FRO1/02383
verticale Oy. Pour une méme 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,
s 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
~s 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 ~, et 0,3 ~. (~, = longueur de l'onde 3) respectivement en
so 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 méme ligne est alors par exemple égale ?~ et la distance h
entre les médianes 41, 42, 43, 44 de deux lignes consécutives est par
exemple de ~,/2. A titre d'exemple, pour une onde hyperfréquence 3 à
a5 10 GHz, les dimensions intérieures d'un guide d'onde sont 1,8 cm et 0,9 cm,
CA 02385787 2002-03-26
WO 02/11238 PCT/FRO1/02383
6
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. II 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 D~, D2, les
fils conducteurs qui les portent et les circuits de connexion associés. Les
o 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 s~ étant de l'ordre de 2,5. Une deuxième couche 52 comporte les
circuits de commande 55 des diodes Da, 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
2o commandes aux circuits hyperfréquence. Enfin, une troisième couche 53,
disposée en regard des circuits hyperfréquence D~, D~ 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
so 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
CA 02385787 2002-03-26
WO 02/11238 PCT/FRO1/02383
7
guides d'onde. Ces trous métallisés 61, 62 traversent donc fioute !a troisième
couche 53. !!s se prolongent dans (a couche hyperfréquence 51 pour
atteindre le plan conducteur 56. Ils permettent ainsi par ailleurs de
découpler
électromagnétiquement chaque circuit de déphasage 32, 33, D~, D2 de ses
voisins en formanfi un blindage électromagnétique. II n'y a alors pas de
propagation d'onde d'une cellule â 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 circuïts 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 circuifis. Ils sonfi 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'alimenfiation efi la
~5 commande des circuits hyperfréquence. Ces firous 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 e9 de la
couche de guide d'onde est par exemple de l'ordre d'un centimètre. II faut
2o par exemple prévoir des creux dans cette couche 53 de guides pour loger les
diodes D~, D2 de la couche hyperfréquence 51. Avantageusement, le poids
d'un réflecteur selon l'invention est faible en raison du faible poids des
dififérentes couches. Par ailleurs, malgrë la couche de guides d'ondes, le
réflecfieur 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 guïdes 21, 22 comporte un ïris 71 d'ouverture
rectangulaire, Pensemble étant fermé par une lame diélectrique 72. Dans ce
34 mode de réalisation, la couche de guides d'ondes 53 peut être recouverte
d'une couche formant (es iris, l'ensemble étant fermé par une couche
diélectrique.
Un réflecteur selon l'invention peut être utilisé pour différents types
s5 d'antennes. i( peut être utilisé comme l'illustre la figure 1 pour former
une
CA 02385787 2002-03-26
WO 02/11238 PCT/FRO1/02383
ô
antenne du type z< reflect array o. 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.
