Brevet FR2094145A1 — publié le 19720204

La présente invention concerne un système rayonnant à réseau phasé que l'on peut diriger électroniquement et qui comprend plusieurs éléments rayonnants 9le premier de ces éléments rayonnants étant commandé par une source d'énergie à 5 fréquence radioélectrique. La technique connaît deux formes de réseaux d'antenne à balayage ou direction électronique» Le plus ordinaire est le réseau alimenté en parallèle dans lequel l'énergie à rayonner à partir d'une source commune est divisée en portions et où 10 chaque portion est décalée en phase par un déphaseur indépendant avant d'être rayonnée par un élément du réseau. Pour modifier la direction du lobe principal du système d'antenne , le déphasage introduit par chaque déphaseur doit être modifié simultanément d'une quantité différentes en rapport cependant 15 avec les autres déphasages suivant une relation mathématique précise. Ainsi, les déphaseurs doivent être commandés par un programmateur,habituellement un ordinateur, pour commander les phases d'énergie rayonnée par les éléments. L'autre forme d'antenne ,que l'on peut caractériser en manière de contraste comme 20 antenne alimentée en série ,fait intervenir l'emploi d'une série de déphaseurs dont chacun ajoute son propre accroissement de décalage de phase à celui des déphaseurs qui le précèdent dans la série. Chaque élément de la série est alors alimenté à partir d'un point situé entre des déphaseurs adjacents. Pour 25 opérer le balayage, chaque déphaseur est modifié dans une même mesure, ce qui simplifie grandement l'appareil nécessaire pour les commander.Cependant, le problème qui se pose pour fournir suffisamment de puissance aux éléments le long de la série et le problème d'égaler la puissance rayonnée par chaque élément, 30 en sorte que le dernier élément du réseau rayonne une puissance égale à celle rayonnée par le premier , font intervenir tant de difficultés que l'on a fait peu d'usage des réseaux alimentés en série. Ces problèmes sont résolus par la présente invention en 35 adoptant une particularité consistant en ce que chaque élément rayonnant successif du réseau est commandé par un oscillateur bloqué dont la fréquence de fonctionnement est commandée par un 71 20794 2 2094145 signal d'injection , ce signal d'injection étant obtenu par des circuits d'interconnexion et un appareil de couplage à partir d'un signal qui commande l'élément rayonnant précédent du réseau. 5 Un développement de l'invention est relatif à la diffé rence de phase entre les signaux rayonnés à partir d'éléments rayonnants successifs , nécessaire pour diriger le faisceau de sortie du système rayonnant qui est commandé par la différence entre la fréquence de chaque signal d'injection et la fréquence 10 de marche naturelle de l'oscillateur bloqué respectif associé. D'autres développements de l'invention se rapportent aux points suivants s - L'oscillateur bloqué qui comprend une diode IMPATT( abréviation de Impact Ionization Avalanche and Transit Time , c'est- 15 à-dire "diode à avalanche à ionisation par impact et à temps de transit" que l'on appellera ci-après "diode IMPATI ). - La fréquence de marche naturelle de l'oscillateur bloqué, qui est commandée par un courant de polarisation appliqué à la diode IMPATT pour diriger le faisceau sortant du système 20 rayonnant. - L'appareil de couplage comprenant un coupleur directionnel pour dériver un signal d'injection d'un signal qui commande l'élément rayonnant précédent. -Les circuits d'interconnexion qui comprennent un circula-25 teur pour isoler le signal d'entrée d'injection du signal de sortie de l'oscillateur bloqué . - Un oscillateur bloqué supplémentaire faisant encore partie •des circuits d'interconnexion et qui est monté entre l'appareil de couplage et le premier oscillateur bloqué pour augmenter le 30 déphasage possible entre les signaux rayonnés à partir d'éléments rayonnants successifs. Suivant la présente invention, on utilise plusieurs oscillateurs bloqués, suivant une configuration nouvelle qui élimine l'inconvénient des deux genres de systèmes précédemment 35 connus ,tout en conservant certains avantages de chacun d'eux , mais ressemblant cependant davantage au système d'alimentation en série. L'invention est basée sur la constatation du fait que 71 20794 3 2094145 la phase de sortie de l'oscillateur bloqué à injection dépend de la différence entre sa fréquence de résonance naturelle et la fréquence injectée.Le terme de fréquence de résonance naturelle ,tel qu'il est utilisé ici, se rapporte à la fréquence 5 en marche libre pour laquelle l'oscillateur bloqué fonctionnerait dans son état de non blocage ,c'est-à-dire en l'absence d'un signal d'injection. Les signaux rayonnés par les éléments successifs du réseau sont produits par une série d'oscillateurs bloqués à injection, chacun commandé par ou bloqué sur 10 un échantillon du signal qui alimente l'élément rayonnant pré -cèdent. La puissance rayonnée par chaque élément est celle qui est -produite par chaque oscillateur individuel ,en sorte que si les oscillateurs sont sensiblement identiques, ces puissances sont égales. Le faisceau peut être dirigé en variant soit la 15 fréquence injectée , soit la fréquence de résonance naturelle des oscillateurs individuels en modifiant les paramètres qui commandent la fréquence naturelle de la forme d'oscillateur particulière envisagée. Suivant une forme de réalisation préférée, on utilise des oscillateurs à diodesIMPATT à cause de 20 leur simplicité, de la facilité avec laquelle on peut les bloquer par injection et à cause du domaine étendu dans lequel on peut faire varier leur fréquence naturelle par la commande d'un courant de polarisation. Des coupleurs directionnels et des circulateurs sont utilisés pour obtenir un échantillon de 25 l'élément rayonnant précédent ,pour le faire servir à l'oscillateur suivant et pour obtenir un degré élevé d'isolement entre eux. Sur les dessins î - La figure 1 est un schéma fonctionnel montrant un 30 arrangement d'antenne à balayage suivant la technique antérieure , que l'on a indiqué en vue des explications et des comparaisons; - la figure 2 est un schéma fonctionnel représentant un système d'antenne dirigé électroniquement ,suivant l'invention; 35 - la figure 3 représente une variante de la figure 2; - la figure 4est donnée à titre d'explication et illustre les propriétés d'un oscillateur bloqué à injection tel qu'il 71 20794 4 2094145 est utilisé dans le système de la figure 1 ; et - la figure 5 est un schéma d'un oscillateur à diode IMPATT ,suivant une forme de réalisation préférée de l'invention. 5 En se reportant plus particulièrement à la figure 1, on y voit un système de réseaux en série ,de la technique antérieure, donné à titre de comparaison. Un réseau d'éléments rayonnants directifs également espacés ,11,12,13 et 14, est montré alimenté par une source d'énergie à fréquence radio-10 électrique 15. Le dispositif rayonnant 11 est alimenté par un signal E sin ut ayant même phase que la source 15 ,tandis que chacun des systèmes rayonnants ou radiateurs successifs est alimenté par le précédent,par l'intermédiaire d'un dispositif à retard de phase 16 qui ajoute un retard de phase de ip ,si 15 bien que les signaux rayonnés par les radiateurs successifs sont E sin (wt - ), E sin (ut - 2 V), etc. Pourvu que les éléments rayonnants soient identiques, alimentés uniformément, et qu'il n'y ait pas d'interaction entre eux, on sait que la différence de phases f entre les éléments voisins ,1'écartement 20 d entre eux et l'angle de direction Q qui détermine la direction de la propagation, sont liés par l'a relation où X est la longueur d'onde. En modifiant *p dans chaque dis-25 positif retardateur de phase 16, on fait donc varier la direction de propagation .Cependant, dans un système simple tel que celui de la figure 1, il est évident que les éléments ne sont pas alimentés uniformément ,et il faut certaines dispositions pour soutenir la puissance des éléments suivants par rapport 30 aux éléments antérieurs. Alors que ceci semblerait relativement facile ,lorsqu'on ne fait intervenir qu'un petit nombre de radiateurs, le problème devient beaucoup plus compliqué lorsqu'il y a beaucoup d'éléments et que le danger de surcharge des éléments antérieurs de la série est important. 35 En se reportant à présent à la figure 2, on voit que les éléments rayonnants successifs 12,13, 14 sont alimentés chacun suivant l'invention par des oscillateurs bloqués à injec- 71 20794 5 2094145 tion respectifs,21,22 et 23, dont chacun a les propriétés qui seront décrites ci-après à propos de la figure 4. Comme à la figure 1,1e premier élément rayonnant 11 est commandé par la source à fréquence radioélectrique 20 ayant une fréquence an-5 gulaire w ,de préférence par l'intermédiaire d'un circulateur terminé 25 fournissant l'isolement de la source 20 à l'égard de réflexions quelconques. Une partie du signal provenant de la source 20 ,telle qu'elle est fournie à l'élément rayonnant 11, est échantillonnée par des moyens convenables quelconques, 10 par exemple par un coupleur directionnel 26, dont le trajet d'échantillonnage est relié à un circulateur 27. La sortie de l'oscillateur 21 est dirigée par le circulateur 27 vers l'élément rayonnant 12 et toutes les réflexions sont dissipées dans la quatrième lumière terminée du circulateur 27. Ainsi, le 15 circulateur 27 sert à séparer et à isoler le signal d1injection et le signal de sortie de l'oscillateur 21 et à isoler les éléments rayonnants voisins. De même,les coupleurs directionnels 28 et 30 et les circulateurs 29 et 31 sont respectivement associés de façon semblable aux oscillateurs 22 et 23 20 et aux éléments rayonnants 13 et 14. La fréquence de résonance naturelle des oscillateurs 21, 22 et 23 est commandée par une information appropriée qui leur est fournie par des connexions 32. Pour expliquer cela, on suppose que l'information de commande se trouve sous forme 25 d'un courant de polarisation. Ainsi, suivant l'invention, les courants indiqués par sont réglés pour produire une fréquence de marche naturelle pour les oscillateurs 21, 22 et 23, différant de la fréquence Aco de la fréquence w de la source 20. Il sera visible que cette différence peut être positive 30 ou négative. En se reportant maintenant à la figure 4, on voit que les propriétés des oscillateurs bloqués à injection,21,22,23 suivant l'invention, s'y trouvent représentés. Le bloc 41 représente un 71 20794 6 2094145 nisée ou bloquée par un autre signal appliqué au dispositif, à fréquence différente de la précédente, mais contenue dans ce que l'on appelle la "gamme de blocage "de la fréquence de marche naturelle. A cette fin, l'oscillateur 41 peut être un 5 oscillateur à transistor ou à tube à vide ,un klystron réflex , un oscillateur à tube à onde progressive rétrograde ou un ma-gnétron. Il peut s'agir aussi d'un des oscillateurs développés qui utilise des diodes d'état solide» Suivant la forme de réalisation préférée de l'invention, l'oscillateur 41 peut être 10 un oscillateur utilisant une diode IMPATT ,comme décrite dans le document "The IMPATT Diode — A Solid State Microwave Generator " ,45 Bell Laboratories Record 144, mai 1967. Un tel oscillateur a une fréquence de résonance naturelle déterminée par le courant de polarisation qui traverse la diode , 15 comme représenté par le courant fourni par l'entrée 42. Lorsque l'oscillateur est synchronisé par un signal d'injection E sin wt tel qu'il est fourni par l'entrée 43, la sortie 44 sera un signal qui a même fréquence w que le signal d'injection mais qui est déplacé de celui-ci par un déphasage f qui dépend 20 directement de Au suivant la relation sin V = H» q\Z?7~* où Q est le facteur de qualité du circuit extérieur de l'oscillateur , Pi est la puissance injectée et P est la puissance de 25 sortie de l'oscillateur. Ainsi, en changeant la grandeur du courant de polarisation appliqué à 1*oscillateur,on produit l'effet d'un décalage de phase du signal engendré,par rapport au signal injecté. La figure 5 montre le schéma d'une forme particulière 30 d'oscillateur à diode IMPATT ayant les propriétés décrites à la figure 4 . La diode IMPATT 35, lorsqu'elle est polarisée dans sa région de résistance négative, par la source de~ polarisation 34, est équivalente à un varactor ayant une capacité C en parallèle avec une résistance négative -R. Si l'inductance 35 36 de valeur L et la charge (représentée par la résistance 37 et dont la valeur est égale à -R)sont ajoutées en parallèle aux bornes de la diode 35, on forme un oscillateur ayant une 71 20794 7 2094145 fréquence de résonance naturelle égale à ^\/LG. Si la charge 37 n'est pas proprement de la valeur convenable,la capacité de couplage 38 peut être ajoutée pour transformer la résistance de charge vue par la diode avec très peu d'effet sur la fré-5 quence de l'oscillateur. La capacité 39 représente le circuit de découplage nécessaire entre la source de polarisation 34 et le circuit à fréquence radioélectrique. Aussi bien l'entrée de signal injecté pour le blocage que la sortie de puissance se font sur la résistance 37 ; ainsi, on comprend la nécessité 10 des propriétés de découplage des circulateurs tels que ceux que montre la figure 2. En modifiant la grandeur de la polarisation provenant de la source 34 , on change la valeur de la capacité 0 et par conséquent la fréquence de résonance naturelle de l'oscillateur. 15 En s'exprimant à partir des paramètres définis ci-dessus, la variation maximale de Aw , soit au-dessus, soit en dessous de la fréquence de blocage permise,suivant l'invention, est définie par 20 ^ (3> La gamme complète ou ce que définirait deux fois l'équation (3) est connue comme gamme de blocage de l'oscillateur.La diode 35 de l'oscillateur serait mise en fonctionnement à la saturation pour éviter une variation de puissance avec le changement de 25 courant de polarisation. A la figure 2, par conséquent, les oscillateurs successifs produisent des signaux de sortie E sin(wt -f ), E sin (ut -2 On dirige le faisceau en faisant varier le courant de 71 20794 8 2094145 polarisation pour tous les oscillateurs 21 à 23 simul tanément, tandis que le premier oscillateur 20 fonctionne à une fréquence fixe on Ceci fait quef varie simultanément dans toutes les sorties en maintenant ainsi le rapport convenable 5 de phases entre les éléments rayonnants. En variante, le courant de commande I sur le conducteur 33 qui va sur le premier to oscillateur 20 peut être modifié tout en conservant la fréquence libre naturelle des oscillateurs subséquents 21,22 et 23 à une valeur constante. Alors que ceci fait varier u, on 10 fait varier Au dans une proportion beaucoup plus grande et tant que la variation est réduite à la gamme de blocage ,on modifiey> dans chaque oscillateur subséquent. Ainsi, on peut réaliser la direction par une commande appliquée seulement au premier oscillateur 20. 15 A part la restriction de la gamme de blocage,on remar quera que le déphasage maximal 71 20794 9 2094145 la description qui précède traite de l'invention à propos d'un signal transmis non modulé ,comme on pourrait en trouver dans un radar.Il sera clair cependant que s'il est nécessaire d'introduire de la modulation sur le faisceau 5 dirigé, toute forme appropriée de modulateur peut être introduit en série avec chaque élément rayonnant , en sorte que chaque oscillateur devienne la source de puissance Iccale de son modulateur particulier. 71 20794 10 2094145 REVENDICATIONS 1.- Système rayonnant à réseau phasé ,pouvant être dirigé électroniquement , qui comprend plusieurs éléments rayonnants , le premier élément rayonnant de l'ensemble étant 5 commandé par une source d'énergie à fréquence radioélectrique, caractérisé en ce que chaque élément rayonnant suivant (12, 13» 14) du réseau est commandé par un oscillateur bloqué (21, 22,23,221)dont la fréquence de fonctionnement est commandée y par un signal d'injection, le signal d'injection étant obtenu 10 par un appareil de couplage (26,28,30) et des circuits d'interconnexion (27,29,31,121,127,227) d'un signal commandant l'élément rayonnant respectif précédent (11,12,13) du réseau 2,- Système rayonnant suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la différence de phase entre les signaux 15 rayonnés par les éléments rayonnants successifs (11,14) nécessaire pour diriger le faisceau de s ortie à partir du système rayonnant, est commandée par la différence entre la fréquence de chaque signal d'injection et la fréquence de marche naturelle de l'oscillateur bloqué respectif associé (21-23). 20 3.- Système rayonnant suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'oscillateur bloqué (21-23) est une diode IMPATT (35). 4.- Système rayonnant suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la fréquence de marche naturelle de l'oscilla- 25 teur bloqué (21-23) est commandée par un courant de polarisation appliqué à la diode IMPATT pour diriger le faisceau de sortie à partir du système rayonnant. 5.- Système rayonnant suivant l'une quelconque des revendications 1,2,3 et 4, caractérisé en ce que l'appareil de 30 couplage (26,28,30) comprend un coupleur directionnel (26, 28,30)pour dériver un signal d'injection d'un signal qui commande l'élément rayonnant précédent (11,12,13). 6.- Système rayonnant suivant l'une quelconque des revendications 1,2,3,4,5, caractérisé en ce que le circuit 35 d'interconnexion comprend un circulateur (27,29,31) pour isoler le signal d'injection d'entrée du signal de sortie de l'oscillateur bloqué (21-23). 71 20794 n 2094145 7.- Système rayonnant suivant l'une quelconque des revendications 1,2,3,4,5,6, caractérisé en ce que le circuit d'interconnexion comprend encore un oscillateur bloqué supplémentaire (121) monté entre l'appareil de couplage (26) et le premier oscillateur bloqué (221) pour augmenter le déphasage disponible entre les signaux rayonnés par les éléments rayonnants successif s (11,12).