Brevet FR2074758A1 — publié le 19711008

La présente invention concerne les antennes d'éléments rayoriaits et des moyens pour faire varier les déphasages entre élément, du type corortar en association avec chaque élément rayonnant une source d'énergie ultra haute fréquence. Dans les antennes réseau à éléments modulaires actifs connus Jusqu'ici, la synchronisation des différentes sources est effectuée à partir d'une source pilote au moyen d'un système de connexion semblable aux dispositifs de division de puissance des antennes à alimentation unique, système notablement complexe. L'invention précisément pour objet de s'affranchir de ce système de connexion. À cet effet, suivant l'invention, une antenne d'énission réception à balayage électronique du type comportant une source pilote de synchronisation à faible puissance et un ensemble de modules, comportant chacun au rotins un élément rayonnant, un déphaseur et un oscillateur ultra hz.ute fréquence ou hyperfréquence, lesdites sources élémentaires étant synchronisées par la source pilote, est caractérisée en ce que à l'émission ladite source pilote est couplée auxdits modales par l'intermédiaire d'un élément rayonnant vers les modules et en ce que, à la réception, l'énergie captée par lesdits modules est rayonnée vers un élément rayonnant commun éventuellement confondu avec le premier, des moyens étant prévus dans chaque module pour, à l'émission capter le rayonnement pilote et pour à la réception rayonner vers l'élé- ment commun l'énergie reçue. Suivant un premier mode de réalisation ladite synonronisa- tion est effectuée directement par injection, le signal pilote capté par le module étant injecté dans ltoscillateur élémentaire. Suivant un second mode de réalisation chaque nodule comporte une boucle de phase qui asservit l'oscillateur élémentaire au signal pilote capté par le module. Le plus généralement, quoique non essentiellement, l'énergie de synchronisation et l'énergie rayonnée par l'antenne seront propagées en polarisations croisées pour assurer un meilleur découplage, le découplage étant encore amélioré en focalisant en deux points distincts l'onde d'illumination des modules et les zendes rayonnées par les modules vers le récepteur. L'invention sera @ iSU- comprise à la lecture de la descrrnr tion qui suit en se reportant aux figures parmi lesquellas Les figures 1, 2, 3, 4 sont des schéma du principe d'un poste d'émission-réception ultra haute fréquence comportant une anten ne réseau à alimentation modulaire synchronisée par illumination suivant l'invention La figure 5 est une vue en perspective partielle de la figure 1 ; Les figures 6, 7 et 8 sont des sohérias de principe d'un pre@ mier mode de mise en oeuvre de l'invention ;; La figure 9 est un schéma de principe d'un second mode de mise en oeuvre de l'invention Les figures 10 et 11 sont des exemples de détails de réalisa- tion d'une antenne suivant le schéma de principe de 7 figure 6 La figure 12 est un exemple de détails de réalisation d' antenne suivant le schéma de principe de la figure 9. Sur toutes les figures les mêmes références sont utilisées pour repérer des éléments identiques. La figure 1 représente le schéma de principe d'un poste d'émission-réception d'ultre haute fréquence associé à une antenne À constituée par un réseau à deux dimensions de pn modules (p et n nombres entiers) a11, a12... ap1...apn comportant chacun une source d'oscillations ultra haute fréquence, par exemple une diode avalanche, un déphaseur, et eu moins un élément rayonnants L'émetteur-E de faible puissance à diode avalanche par exemple est couplé à travers un duplexeur TR à un élément rayonnant 9 ou source primaire qui illumine l'ensemble des modules pour assurer la synchronisation des diverses sources modulaires.Les limites de ce rayonnement pilote sont représentées par les flèche P1 P2. Le rayonnement de antenne À est compris entre les plans le traces &alpha; 1, &alpha; 2 inclinés par rapport à l'axe de l'antenne en fonction du gradient de phase entre les différentes sources modulaires. On n'a pas représenté ici pour ne pas surcharger les figures, les connexions de commande des divers déphaseurs et d'alimentation en puissance des sources mod-alaires. À la réception, l'onde incidente, captée par l'antenne et réfléchie par celle-ci sous forme d'une onde focalisée en l'énergie de cette onde est transmise par le duplexeur au récepteur R. De préférence l'illumination source S-antenne h et viole versa, et le rayonnement de l'antenne A vers l'espace seront effectués en des modes croisés par exemple respectivement en polarisations verticale et horizontale : chaque module comporte alors au moins deux éléments rayonnants, par exemple un dipôle vertical et un dipôle horizontal. La figure 5 est une vue en perspective partielle de la figure 1 dans ce cas ; chaque élément aiJ (i = 1,2 .. p,j = 1,2 .. n) comporte deux dipôles dvij, dhij croisés. La figure 2 est un autre schéma à principe permettant une réalisation plus compacte La liaison source S -antenne A, est ici réalisé par un système à double réfection et changement de polarisation : à l'émission, le rayonnement pilote, en polarisation verticale par exemple, délimité par les droites P11, P12 est réfléchi suivent P2r, P22, par un reflecteur semi-transparent ST, transparent aux ondes en polarisation horizontale.Les émetteurs modulaires synchronisés par le rayonnement P21, P22 rayonnent en polarisation horizontale suivant &alpha; 1 &alpha; 2. Dans les deux schémas de principe précédents où les modules fonctionnent uniquement en réflexion, l'illurination des modules est effectuée par l'avant du réseau, d'où nécessité, pour éviter que le rayonnement de la source masque le rayonnement utile, de placer celle-ci en offset (figure 1) ou d'utiliser un réflecteur auxiliaire (figure 2). Ce problème de masque ne se pose pas dans le cas d'un réseau de modules fonctionnant en transmission, comme représenté figu- re 3 ; lc source S est alors placée à l'arrière de l'antenne t. On peut dans tous les cas supprimer 1 duplexeur en focali- sant le rayonnent reçu sur une source S distincte de 5, ce qui peut être réalisé simplement en ajustant les dephasazes des divers modules suintant le brevet français n I 460 030. la Ligure 6 est le schéma de principe le plus général d'un module dans le cas d'une synchronisatiorl par injection et découplage par utilisation de polarisations c-roisées respectivement pour les rayonnements source primaire-module (et vice versa) et pour le rayonnement utile. On suppose pour fixer les idées que l'antenne rayonne en polarisation horizontale ; son couplage à la source primaire est alors effectué en polarisation verticale. A cet effet, le module comporte un dipôle vertical V6 qui, à l'émission, est excité par l'élément rayonnant primaire non représenté, et figuré en S sur les figures précédentes. Ce dipôle est couplé à l'une des bornes d'un circulateur C6 à trois portes à travers un déphaseur variable 06. La borne suivante du circulateur (dans le sens de circulation de celui-ci) est couplée à l'oscillateur élémentaire O6 auquel est donc injecté, avac sa phase convenable, le signal de synchronisation du pilote. L'onde produite par l'oscillateur O6 est disponible sur la troisième portes circulateur qui est couple au dipôle horizontal 116. h la réception, le signal capté par ce dernier et entrant dans le circulateur par sa troisième porte; ressort par la premiers porte d'où il est transmis au déphaseur puis au dipôle vertical V6 qui le rayonne vers la source S. Pour ne pas surcharger la figure les connexionsde commande et d'alimentation du déphaseur et de ltoscillateur ne sont pas représentées, non plus que sur les fifres suivantes. La figure 7 représente un modrie fonctionnant stir le princi- pe de celui de la figure 6, dans lequel l'atténuation des signaux de réception dans le déphaseur est compensée : à cet effet le cir- culateur Ce est remplacé par un circulateur à quatre portes C7, la porte supplémentaire étant placée entre celles couplées au dipôle H6 et au déphaseur ; un amplificateur TDA fonctionnant en réflexion, par exemple une diode tunnel, est couplé à cette quatrière porte.Il peut être utile aussi d'utiliser deux oscilla te-urs de puissance différents en cascade, ce qui peut d'amélio- rar le rapport puissance utile sur puissance d'injection : on utilisera alors un circulateur ayant une porte supplémentaire en- tre celles couplées à l'oscillateur O6 et au dipôle H6, un second oscillateur étant couplé à cette porte supplémentaire. La figure 8 représente le schéma de principe dans le cas où l'on a à la fois l'amplification à la réception et l'augmentation de puissance à l'émission : on utilise alors un circulateur C8, à cinq portes couplées respectivement, dans le sens de circulation au déphaseur D6, à l'oscillateur 06 > à un second oscillateur 08, au dipôle H6 et à l'amplificateur iDT, L'isolement entre les circuits couplés aux différentes ports peut être amélioré, si nécessaire, en utilisart un circulateur b nombre de portes supérieur, les lignes couplées à ces portes supplémentaires étant courtcircuitées. On a représenté le dipôle H6 perpendiculaire au dipôle de couplage V6 et à proximité de celui-ci ; dans le cas où les dipO- les sont illuminés par l'arrière (figure 8) le chanten-nt de po larisation n'est plus indispensable et le dipôle H6 peut être remplacé par un dipôle V62 parallèle à V6 comLe représentd en pointillé figure 6. La synchronisation des modules par illumination peut aussi entre réalisée par asservissement en phase au moyen d'une boucle le module est alors un peu plus complexe, mais la précision de la synchronisation est meilleure, et la puissance pilote est réduite. On a représenté figure 9 le schéma de principe d'un module synchronisé par illunination avec boucle ds phase, avec les hypothèses suivantes - module illuminé par l'arrière - rayonnement utile en polarisation verticale - couplage de l'antenne avec les circuits d'éiuission-réception en polarisation verticale à l'émission, en polarisation horizontale à la réception (ces hypothèses ne sont évidemment pas essentielles, les modes de rayonnement pouvant être différents). Le module comporte alors essentiellement - un dipôle de couplage vertical V91, et un dipôle de couplage horizontal Hg. - un oscillateur 09. - une boucle de phase PH qui asservit l'onde de l'oscillateur O9 à l'onde pilote rayonnée par la source primaire (non représentée ici) et captée par le dipôle V1. - un dipôle vertical V92, de rayonnement proprement dit, qui est couplé alternativement à l'oscillateur 09 à l'émission, et au dipôle H9 à la réception. - un dispositif de commutation émission-réception SW, par exemple à diodes, couplé d'une part au dipôle 92 d'autre part au dipôle H9. - un circuit PA d'amplification et whangement de fréquence du s@ gnai reçu placé entre la sortie réception du commutateur oi3 et le dipôle H9, - et des circuits de couplage Cg et G10 de l'oseillateur 09, respectivement au circuit d'asservissement en phase PH au circuit d'amplificatieur PA et au commutateur SW d émisaion-@écep- tion. L'asservissement en phase peut être réalisé par exemple cumme indiqué sur la figure : deux de-tecteurs d'amplitude - phase D91 et D92, comportant des limiteurs d'entrée non représentés, reçoivent d'une part une faible partie du signal de 1 @oscillateur 09, par le coupleur C9 (par exemple 3mw pour un oscillateur de 1 Watt) et d'autre part le signal pilote, ce dernie étant déphasé de # /2 avant d'attaquer le détecteur 91.Un additionneur pondérateur L effectue une somme pondérée des signaux de sortie des détecteurs, somme qui constitue le signal de commande de l'osei lateur 9, les coefficients de pondératicn de &alpha; et ss étant défi nis en fonction de la direction de rayonnement désirée. En effet si Un et U2 sont les signaux de sortie des détec- teurs de phase,qui sont des fonctions continues dont les zéros et les maximum et minimum coîncident avec ceux des fonctions sin 4 et cos 4 et sont effectivement identiques à celles-ci si les escillateurs sont sinusoïdaux, on a, à l'erreur d'asservissement près &alpha; cos # + ss sin # = O # étant la phase entre l'oscillateur pilote et l'oscillateur 09. de circuit X pourra être réalisé de toute façon connue, par exemple deux ensembles de résistances identiques et deux commu- tateurs à diodes ou M.C.S. Le cotiplage par illumination en réception nécessite que le circuit d'amplification PA permette l'amplification dans la bande d'émission. Â cet effet, le module comprend un ampl ficateur paramétrique PÀ placé en série entre le commutateur SW et le dipôle Hg. L'cntrée de pompe de l'amplificateur est couplée à la sortie d'un doubleur de fréquence H, l'oscillateur 09 étant couplé, en réception à celui-ci par un coupleur ou commutateur Cioe Si F e est la fréquence d'émission égale à la fréquence pilote, pendant le cycle de réception on enverra sur les oscillateurs des modules un signal de fréquence légèrement différente Fe - # de façon qu'après transposition dans l'amplificatieur paramétrique P.A., le signal à fréquence F. + 2 t renvoyé vers le récepteur diffère de 2 de la fréquence d'émission, ce qui assure un meilleur découplage. doit Autre choisi suffisamment faible pour que la fréquence F + 2 t soit comprise dans la bande passante des circuits. Par exemple # /Fe = 0,5 %* Les schémas de principe qui vieiinent d'être décrits sont susceptibles de diverses réalisations mettant en jeu les techniques connues. À titre d'exemple, on 8. représenté figures 1G et 11 d'une part et figure 12 d'autre part, deux réalisations préférées respectivement du schéma de la figure 6 et de celui de la figure 9. La figure 10 représente en perspective un module ij synchronisé par injection en supposant transparent le guide métallique 1 qui constitue son enveloppe. Il comporte une plaquette de céramique 101 dite "microstrip" , dont la face arrière m métallisée constitue la masse. Un cylindre de ferrite C61 traversant la plaque dans son épaisseur constitue avec l'anneau métallisé C62 le circulateur C6. Une tee imprimée102 constitue la connexion du circulateur au dipôle vertical Vg, dont la partie inférieure est mise à la masse. Le dipôle horizontal H5 est connecté, par une autre âme imprimée,à une autre porte du circulateur, la troisième porte étant connectée également par une âme imprimée à l'oscillateur à diode intégré 06. Un panneau métallique 103 constitue le court circuit des dipôles. Pour ne pas surcharger la figure on n'a représenté que sym boliquement,par un carré,le déphaseur D6 placé entre le dipôle vertical V6 et le circulateur, la figure Il montrant en détail, en vue en plan le déphaseur constitué d'un ensemble 11 de diodes P.I.N. auxquelles sont associés des circuits de commande intégrés 111 et 112. La figure 12 est une vue en plan d'un module ai synchroni- sé par une boucle de phase. Le dipôle vertical de couplage à l'émission V91 est couplé par des âmes imprimées de longueurs différant de > /4 (X étant la longuour d'onde utile) aux mélangeurs intégrés D91 et 92 représentés symboliquement par des rectangles. L'oscillateur 9 constitue par exemple d'une diode avalanche et et d'un varactor cie commande 092 est couplé aux deux mélangeurs par une des branches du coupleur Cg. Les sorties des me-- langeurs sont couplées à la logique à diodes représentée symbo- liquement par un rectangle en L. Deux diodes PIN sur l'autre voie de sortie du coupleur C9 constituent le commutateur C10 dont l'une des sorties est couplée au circulateur à ferrite qui constitue le duplexeur 5W couplé au dipôle d'émission réception V92. La sortie "réception" du duplexeur est couplée à l'amplificateur paramétrique PA dont l'entrée de pompe est couplée au commutateur CtO à travers le doubleur à varactor N. Des stubs de réjection groupes en s assurent le filtrage des différentes fréquences parasites. La sortie de l'amplificateur paramétrique est couplée au dipôle horizontal H9. Pour plus de précisions sur la réalisation des divers elé- avents imprimés et intégrés on pourra se reporter par exemple à l'article de Arnold, Bichara, Eberlé et Report, dans Microwave Journal, Juillet 1968, pages 45 à 51. Dans ce qui précède, on ne s'est pas étendu sur les valeurs des déphasages introduits. Ce n'est en effet pas un objet de l'invention, les déphasages étant de façon connue déterrninés à l'émission par l'orientation désirée du faisceau et à la réception égaux ou non à ceux de l'émission, suivant que l'on a choir si de focaliser le ray-onnement de l'antenne vers les circuits de réception au même point que czihui de focalisation du rayonne- ment du pilote vers l'antenne, ou en un point différent. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisations décrits et représentés uniquement à titre d'exemples, REVENDICATIONS 1. Antenne d'émission-réception à balayage électronique du type comportant une source pilote de synchronisation à faible puissance et un ensemble de modules, comportant chacun au moins un élément rayonnant, un déphaseur et un oscille-teur ultra haute Fréquence, lesdites sources élémentaires étant @yachrenisées p la source pilote, caractérisée en ce que à l'émissionladite s ce pilote est couplée auxdits modules par l'intermédiaire d'un élément rayonnant vers les modules '3t en ce que, à la réception énergie captée par lesdits modules est rayonnée vers un rayonnant commun éventuellement confondu avec ie premier, moyens étant prévus dans chaque module pour, à l'émission, capter le rayonnement pilote et pour à a réception rayonner vers l'élément commun l'énergie recue. 2. Antenne suivant la revendication 1 caractérisëe en ce que le rayonnement capté par chaque module à l'émission est injecté dans l'oscillateur du module. 3. Antenne suivant la revendication -2 caractérisée en ce que chaque module comporte un premier dipôle ayant une première orien- tation prédéterminée, adaptée-a la réception de l'onde pilote et au rapyonnement vers l'élément commun, un circulateur à trois per- tes, ledit déphaseur étant couplé entre ledit premier dipôle et l'une des portes, la porte suivante étant couplée au dit oscilla teur, et un second dipôle couplé à la troisième porte 4.Antenne suivaiit la revendication 3 caractérisse en ce que le second dipôle est orienté perpendiculairement au premier, l'élément rayonnant l'énergie de la source vers les modules étent disposé à l'avant de l'antenne. 5. Antenne suivant la revendication 7 caractérisée en ce que le second dipôle est oriente parallèlement au premier, î'él-- ment rayonnant l'énergie de la source vers les modules étant disposé a l'arrière de l'antenne. 6. Antenne suivant l'une quelconque des revendications 3 à 5 caractérisée en ce que le circulateur comporte une porte supplémentaire entre celles couplées au second dipôle et au déphaseur et en ce qu'un amplificateur est couplé à ladite porte supplémen- taie. 7. Antenne suivant l'une quelconque des revendications 3 à 5 caractérisée en ce que le circulateur comporte une porte supplémentaire entre celles couplées à l'oscillateur et au second dipô- le et en ce qu'un oscillateur supplémentaire est couplé à cette porte. 8. Antenne suivant la revendication 1 caractérisée en ce que l'oscillateur de chaque module est asservi par une boucle de phase au rayonnement capté par le module pendant lfémissioil. 9. Antelule suivant la revendication 8 caractérisée en ce que l'élément r & onnant couplant la source aux modules et l'élément rayonnant commun sont adaptés à des polarisations croisées, et en ce que chaque module comporte un premier dipôle, adapté à la réception du rayonnement pilote, une boucle de phase asservissant l'oscillateur au rayonnement pilote, un second dipôle, un amplificateur paramétrique et un troisième dipôle, perpendiculaire au premier, couple à la sortie de l'amplificateur paramétrique, un doubleur de fréquence dont la sortie est couplée à l'entrée de pompe de l'amplificateur, des moyens pour coupler le second di ble alternativement à l'oscillateur et à l'entrée de signal de l'amplificateur et pour coupler l'oscillateur au second di -ble et su coupleur. 10. Antenne suivant la revendication 9 caractérisée en ce que le second dipôle est parallèle au premier. 11. Antenne suivant la revendication 8 ou la revendication 9 ou la revendication 10, caractérisée en ce que la boucle de ?hase comporte deux détecteurs amplitude phase dont les premier res entrées sont couplées, l'une directement, l'autre à travers un déphaseur de oet'/2 , au premier dipôle, et dont les sorties alimentent une logique à diodes qui commande l'oscillateur.