Brevet FR2509095A1 — publié le 19830107

La présente invention a essentiellement pour objet un procédé électronique et un dispositif permettant de déphaser des ondes hyperfréquence se propageant dans un guide. Il existe actuellement essentiellement deux types de déphaseurs qui sont utilisés dans les antennes à balayage élec- tronique et qui permettent d'obtenir divers déphasages dans un guide d'ondes dont la section est rectangulaire. Le premier type est un guide d'ondes à ferrite dont le déphasage est commandé par l'action de champs magnétiques. Ces déphaseurs supportent des niveaux de puissance compatibles avec leur utilisation dans les antennes à balayage électronique associés aux radars actuels Par contre, ils présentent deux inconvénients majeurs: Le temps de commutation nécessaire au changement d'état du déphaseur est important (de l'ordre de plusieurs cen- taines de microsecondes) ce qui peut, dans certaines applica- tions radar, être très gênant; La précision des valeurs de phase obtenue est moyenne: l'écart type des erreurs de phase sur les différents déphaseurs entrant dans la constitution d'une antenne à balaya- ge électronique peut atteindre 100 Ceci a pour effet de dégra- der les performances de l'antenne en donnan t naissance en par- ticulier à un rayonnement secondaire important. Le deuxième type de déphaseurs utilise des diodes PIN. Ces déphaseurs fonctionnent soit en transmission, soit en réfle- xion Les technologies couramment appliquées font appel à des lignes de transmission de guide d'ondes ou micro-strips (lignes à ruban) Dans tous les cas, les diodes utilisées doivent avoir des tensions d'avalanche très élevées pour que le déphaseur réa- lisé supporte une puissance crête importante nécessaire dans leur utilisation sur des antennes radar à balayage électronique. Dans ces déphaseurs connus, des diodes de qualité particulière- ment soignée sont disposées en faible nombre à des endroits spécifiques calculés ou expérimentés du guide d'ondes Une telle structure présente deux inconvénients essentiels: Les diodes utilisées doivent être très performan- tes (au niveau notamment de la tension d'avalanche) et sont donc très chères La précision du déphaseur reste moyenne, étant donné que les valeurs de déphasage effectives obtenues dépendent des caractéristiques des diodes L'écart type de l'erreur de fa- brication étant directement liée au nombre des diodes utilisées, on observe couramment des décalages de 5 à 100 entre deux dépha- seurs de construction identique, c'est-à-dire faisant appel aux mêmes composants. L'invention a pour objet d'éviter les inconvénients précités de l'art antérieur en permettant d'obtenir un déphaseur très précis, de construction très économique et qui est suscep- tible d'admettre une puissance crête très élevée. Le dispositif déphaseur conforme à l'invention est du type à diodes en guide d'ondes à section fermée, et notamment rectangulaire, pour ondes polarisées linéairement; il se carac- térise en ce qu'il comporte, disposés au voisinage d'au moins une de ses parois, une rangée de fils alignés faiblement dis- tants, parallèles au vecteur champ électrique E des ondes gui- dées, lesdits fils portant chacun des interrupteurs contrôlables, tels que des diodes, et des moyens d'alimentation électriques étant prévus pour ouvrir ou fermer lesdits interrupteurs selon le déphasage recherché Pour une bonne construction, les fils sont distants les uns des autres d'une fraction de longueur d'onde, par exemple de l'ordre d'un dixième de la longueur d'on- de guidée En outre, sur chaque fil sont montés plusieurs inter- rupteurs en série, tels que des diodes de type PIN, de type courant du commerce. L'invention se rapporte en outre à un procédé électro- nique permettant de déphaser d'un angle variable à volonté des ondes polarisées linéairement circulant dans un guide d'ondes à section sensiblement fermée et notamment rectangulaire, le procédé se caractérisant selon l'invention en ce qu'on fait varier électroniquement la largeur apparente du guide d'ondes sur des longueurs variables dudit guide en disposant à l'inté- rieur du guide d'ondes, au voisinage d'au moins une de ses parois des fils alignés faiblement distants, parallèles au vecteur champ électrique E des ondes guidées et porteurs d'interrupteurs contrôlables, tels que des diodes, et l'on ouvre ou ferme les- dits interrupteurs sur certains au moins desdits fils en comman- dant ainsi des variations locales apparentes de la largeur du guide d'ondes induisant des déphasages correspondants Lorsqu'on procède ainsi, et comme il apparaîtra plus clairement de la des- cription qui va suivre, on obtient les différents avantages susmentionnés, le déphaseur étant en outre susceptible de très nombreuses applications. Dans les dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple: la figure 1 montre schématiquement en vue perspecti- ve un guide d'ondes formant déphaseur et réalisé selon l'inven- tion, la figure 2 montre à plus grande échelle et de façon schématique comment peuvent être groupées les diodes PIN utili- sées au voisinage d'une paroi du guide, la figure 3 montre une coupe transversale du guide d'ondes en vue perspective avec arrachement, les figures 4 et 5 sont des schémas électriques ex- pliquant la répartition du champ électrique d'ondes guidées à l'intérieur du guide selon les états commandés des diodes, la figure 6 montre de façon schématique comment peuvent être groupés les fils dans un guide d'ondes rectangulai- re pour obtenir sensiblement tous les déphasages voulus entre 0 et 3600 par petits incréments, la figure 7 est une vue schématique perspective mon- trant la forme équivalente du guide d'ondes lorsque certaines des diodes sont polarisées en direct et d'autres en inverse. On se reportera tout d'abord à la figure 1 dans la- quelle on a illustré un guide d'ondes 1 constitué essentielle- ment d'un tuyau métallique à section rectangulaire de grand côté a et de petit côté ou hauteur h Dans ce guide d'ondes se propage un train d'ondes polarisées linéairement dont la direc- tion du champ électrique E indiqué à la figure est parallèle au petit côté ou hauteur h du guide On a repéré en L la longueur du guide. Selon la réalisation illustrée, la plus grande partie d'une des petites faces latérales de hauteur h du guide est constituée par une plaque métallique 2 rapportée qui en position d'utilisation du guide vient obturer exactement l'ouverture cor- respondante 3 formée dans cette face. Conformément à l'invention, sont disposés au voisinage de cette paroi 2, et à l'intérieur du guide d'ondes lorsque la paroi 2 est appliquée sur le guide (voir notamment figure 3) une rangée 4 de fils alignés faiblement distants dirigés parallèle- ment au vecteur champ électrique E, lesdits fils portant chacun des diodes comme il apparait plus clairement à la figure 2 à la- quelle on se reportera plus précisément De façon pratique, les fils 5, 6, 7,, 10, 11, 12, 13, parallèles alignés sont déposés sur une plaque support 20 avantageusement obtenue par la technique des circuits imprimés Les fils 5, 6, 7,, 10, 11, 12, 13, sont en outre regroupés en familles de nombre de fils différent qui sont alimentés et contrôlés simultanément dans un état passant ou non passant. A la figure 2, chaque fil porte quatre diodes telles que 21, 22, 23, 24 qui sont groupées deux par deux en opposition et qui sont alimentées en une polarité par un fil 25 contenu dans le plan sensiblement médian de la plaque 2 et en l'autre polarité par des fils 26, 27 situés vers les bords de la face 2. Avantageusement, les fils 26, 27 sont reliés à la masse, c'est- à-dire à la paroi métallique 2 du guide, tandis que le fil 25 sert à l'alimentation de contrôle de l'état passant ou non pas- sant des diodes Dans l'exemple illustré à la figure 2, on voit que le fil 25 permet l'alimentation d'une famille de cinq fils parallèles adjacents porteurs de diodes, tandis que de la même façon, un autre fil 28 permet l'alimentation d'une famille de six fils chargés de diodes régulièrement espacés du pas e Dans la réalisation pratique, les groupements seront faits différem- ment et comme illustré par exemple à la figure 6 qu'on décrira plus loin, la figure 2 ayant pour objet de montrer à échelle lisible comment peuvent être montées effectivement-les séries de familles de fils alignés nécessaires au fonctionnement du déphaseur de l'invention. On se reportera maintenant aux figures 4 et 5 pour ex- pliquer le fonctionnement du déphaseur. A la figure 4, on a supposé que certains des fils de la rangée 4 chargés de diodes étaient polarisés en direct par un courant électrique passant du pole + relié à la masse (et donc aux fils d'alimentation 26, 27 - figure 2-), au collecteur 25 relié par un fil 29 à la logique de commande 30 De façon prati- que, le fil 29 pourra traverser(voir figure 3) le petit côté 2 du guide d'ondes par l'intermédiaire d'une traversée capacitive 31 pratiquée au milieu de ce côté Dans cet-état de polarisation des diodes, tout se passe comme si la paroi 2 était reportée vers l'intérieur du guide de la distance d séparant le plan 4 de cette paroi, le champ électrique E se répartissant à l'intérieur du guide comme illustré par la courbe Dans un tel cas, la lon- gueur d'onde guidée du guide d'ondes est donnée par la formule 1 A| 1 O L 2 (ad)11 Au contraire, et comme illustré à la figure 5, si les polarités sont inversées, les diodes sont bloquées Dans une telle situation, tout se passe comme si les fils situés dans le plan 4 en avant de la paroi 2 n'existaient pas, le champ se répartissant comme indiqué à la figure Dans ce cas, la longueur d'onde en mode guidé est donnée par la formule >g = 2 a De ce qui précède, il apparait clairement que selon que les rangées de fils sont coupées (diodes bloquées) ou selon que les rangées de fils sont continues (diodes passantes), on a un guide d'ondes de largeur différente correspondant à une vites- se de propagation différente des ondes, autrement dit à un cer- tain déphasage En effet, lorsque les diodes sont passantes, les fils sont suffisament serrés pour jouer le rôle d'une nouvelle paroi continue De façon pratique, de très bons résultats sont obtenus en choisissant comme pas d'espacement e entre deux fils adjacents une fraction de la longueur d'onde ?g en mode guidé, et par exemple un dixième de cette longueur d'onde. En faisant référence maintenant à la figure 6, on dé- crira une réalisation pratique et son mode de mise en oeuvre. Dans cette réalisation, le guide d'ondes 1 avait une longueur L d'environ 1 mètre une largeur a de 72 millimètres et une hauteur h égale à 34 millimètres. A une distance d = 10 millimètres de la paroi 2 du guide d'ondes étaient montées, selon la technique des circuits imprimés décrite précédemment en relation avec la figure 2,- soixante dix lignes les unes derrière les autres, formant un plan sensiblement continu 4 L'espacement e entre deux fils voi- sins est voisin de 14 millimâtres Les lignes sont groupées en familles repérées 32 à 37, comportant respectivement un, deux, quatre, neuf, dix huit et trente six fils disposés les uns derrière les autres et alimentés dans chaque famille en pa- rallèle et simultanément par des alimentations séparées repérées 38 à 42 selon le principe expliqué ci-dessus en relation avec les figures 3, 4 et 5. Chaque fil porte quatre diodes montées comme expliqué aux figures précédentes par groupes de deux en opposition qui sont des diodes de type HEWLETT-PACKARD 5082 3379 que l'on trouve couramment dans le commerce ayant une tension d'avalanche d'en- viron 300 volts et une capacité inverse de l'ordre de 0,2 pf. Pour une bande de fonctionnement comprise entre 2 300 et 3 500 M Hz, le déphasage obtenu est directement proportionnel au nombre de lignes diodes polarisées en direct, chaque ligne produisant un décalage de 5 Dans ces conditions, les six fa- milles successives produisent des déphasages respectifs de 5, 10, ,-45, 90 ou 1800 En alimentant une ou plusieurs familles en polarisation directe, on peut donc obtenir pratiquement tous les déphasages entre O et 360 par incrément de 5 Eventuellement, on peut rajouter en tête une autre ligne permettant un déphasa- ge supplémentaire de 50 si l'on veut pouvoir couvrir tous les déphasages effectifs entre O et 3600 par incréments de 50 La mesure montre effectivement qu'à 3 000 M Hz, la longueur d'onde guidée à l'intérieur du guide d'ondes est d'environ 140 mm lors- que les diodes sont bloquées, alors qu'elle est de 164-mm lors- que les diodes sont en direct. Dans une bande de fréquence de 2 500 à 3 200 M Hz, soit 25 %, le fonctionnement du déphaseur reste satisfaisant Quels que soient les états de phase, les pertes restent inférieures à 1,5 d B et le taux d'onde stationnaire (TOS) inférieur à 1,5. La tenue en puissance crête mesurée atteint 50 k W avec des diodes dont la tension d'avalanche n'est que de 300 volts. Les principales qualités de ce type de déphaseurssont donc'la largeur de bande de fréquence importante 25 % qu'ils permettent d'utiliser ainsi que la très bonne tenue en puissance. En outre, la réalisation est simple et la fabrication peu co - teuse. Le fait d'utiliser sur chaque fil plusieurs diodes (quatre montées en série dans l'exemple illustré), a pour effet, compte tenu de la capacité des diodes utilisées, de ne pratique- ment pas perturber le mode de propagation de l'onde hyperfré- quence à l'intérieur du guide lorsque les diodes sont en inverse (le montage en série des quatre diodes divisant la capacité appa- rente par quatre) En fait, le déphasage apporté par les diodes en inverse par rapport à un guide d'ondes vide est pratiquement -indécelable En outre, les quatre diodes étant montées en série sur chaque fil, la puissance crête destructive des diodes se trouve augmentée. A la figure 7, on a illustré schématiquement comment se comportait le guide d'ondes 1 lorsqu'il était utilisé quand une partie de ses fils diodes arrières (AR) était polarisée en inverse, tandis qu'une autre partie avant (AV) de ses fils diodes était polarisée en direct Ceci revient à déplacer élec- troniquement la paroi latérale 2 du guide d'ondes sur la partie avant polarisée en direct en la repoussant jusqu'au plan 4 des fils ainsi polarisés L'invention permet donc d'obtenir un guide d'onde à paroi latérale électroniquement déplaçable à volonté sur tout ou partie de sa longueur. Bien entendu, de nombreuses variantes peuvent être apportées aux modes de réalisation illustrés et décrits. C'est ainsi, notamment, que le principe de l'invention peut s'appliquer à des guides d'ondes de sections autres que rectangulaires et pourra permettre de "rétrécir" ou "adapter" le guide d'ondes dimensionnellement. De même, il serait possible de disposer les fils dio- des non pas contre une seule paroi mais par exemple contre les deux parois opposées du guide rectangulaire si l'on veut obtenir des effets semblables avec une moindre longueur de guide. Egalement, le guide peut être rempli en totalité ou partiellement d'un matériau diélectrique qui permettra d'en ré- duire la longueur. L'invention comprend donc tous les équivalents techni- ques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles- ci sont mises en oeuvre selon son esprit. REVENDICATIONS 1 Procédé électronique permettant de déphaser d'un angle variable à volonté des ondes polarisées linéaire- ment circulant dans un guide d'ondes à section sensiblement fer- mée et notamment rectangulaire, caractérisée en ce qu'on fait varier électroniquement la largeur a du guide d'ondes 1 sur des longueurs variables dudit guide en disposant à l'intérieur du guide d'ondes, au voisinage d'au moins une de ses parois 2, des fils alignés faiblement distants parallèles au vecteur champ électrique E des ondes guidées et porteurs d'interrupteurs con- trôlables, tels que des diodes, et l'on ouvre ou ferme lesdits interrupteurs sur certains au moins desdits fils en commandant ainsi des variations locales apparentes de la largeur du guide d'ondes, induisant des déphasages correspondants. 2 Dispositif déphaseur à diodes en guide d'ondes à section fermée et notamment rectangulaire pour ondes polarisées linéairement, caractérisé en ce qu'il comporte, disposés au voi- sinage d'au moins une de ses parois 2, une rangée 4 de fils ali- gnés faiblement distants, parallèles au vecteur champ électrique E des ondes guidées, lesdits fils 5, 6,, 10, 11, portant chacun des interrupteurs contrôlables, tels que des diodes 21, 22, 23, 24, et des moyens d'alimentation électriques 30 étant prévus pour ouvrir ou fermer lesdits interrupteurs selon le dé- phasage recherché. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits fils sont distants les uns des autres d'une frac- tion de longueur d'onde, par exemple de l'ordre d'un dixième de la longueur d'onde guidée - 4 Dispositif selon la revendication 2 ou la revendi- cation 3, caractérisé en ce que sur chaque fil sont montés plu- sieurs interrupteurs en série 21, 22, 23, 24. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que sur chaque fil sont montés en série et alimentés en oppo- sition des groupes en nombre égal de diodes 21, 22, 23, 24, les alimentations se faisant d'une polarité sensiblement dans le plan médian de ladite rangée de fils 4 et de l'autre polarité vers les bords de la face adjacente 2 dudit guide. 6 Dispositif selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que lesdits fils sont regroupés en familles 32, 33, 34, 35, 36, 37 de nombre de fils différents, alimentés et contrôlés simultanément à l'état passant ou non passant. 7 Dispositif selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que lesdits interrupteurs sont des diodes de type PIN courant du commerce, à tension d'avalanche moyenne, par exemple de l'ordre de 300 volts.