Brevet FR2581254A1 — publié le 19861031

Domaine de l'invention La présente invention concerne un déphaseur pour micro-ondes et plus particulièrement un tel déphaseur en ondes millimétriques comprenant un guide d'onde diélectrique, un plan conducteur réflecteur parallèle à l'un des c6tés du guide d'onde et des moyens piézoélectriques de faire varier la distance entre le plan réflecteur et le guide. Outre un déphaseur à guide d'onde diélectrique et à commande piézoélectrique, l'invention concerne des antennes à guide d'onde diélectrique et à diagramme variable ou à balayage de lobe dans lesquelles le déphaseur comporte des perturbations périodiques. Description de l'art antérieur On sait par l'article "Electronic Phase Shifter for Millimeter-Wave Semiconductor Dielectric Integrated Circuits" par liarold JACOBS et Metro M. CHREPTA, IEEE, Vol. MTT-22, N 4, Avril 1974, que la présence d'un plan métallique sur une face d'un guide diélectrique transforme ce dernier en guide image. Cet article contient un calcul approché par la méthode de MARCATILLI pour évaluer la constante de propagation dans le guide dans les deux états extrêmes: guide totalement diélectrique (plan conducteur infiniment éloigné) et guide image (plan conducteur posé sur un côté du guide). Aucun calcul n'a été fait dans cet article sur le cas général, montrant la variation de la constante de propagation dans le guide en fonction de la distance du plan conducteur au guide diélectrique. - 2- On a cherché à obtenir une variation de la constante de propagation par une commande électronique en utilisant des barrettes de diodes PIN régulièrement espacées et intégrées sur un c8té du guide d'onde diélectrique. Quand les diodes sont polarisées en direct, les zones intrinsèques des diodes PIN se comportent comme un plan conducteur et quand les diodes sont polarisées en inverse, c'est-à-dire sont nonconductrices, elles simulent un état dans lequel aucun plan conducteur n'est présent: des dispositifs à guide d'onde diélectrique et à barrettes de diodes PIN ont été décrits dans l'article précité et dans l'article "Metal Walls in Close Proximity to a Dielectic Wlaveguide Antenna" par Kenneth L. KLOH, IEEE, Vol. MTT-29, N 9, Septembre 1981, pages 962-966. Le principe consistant à simuler la présence ou l'absence du plan conducteur par des diodes PIN est théoriquement bon. Cependant, en pratique, malgré l'injection des porteurs dans la zone intrinsèque des diodes, celles-ci ne sont pas parfaitement conductrices surtout en ondes millimétriques. C'est ce qui explique le résultat décevant obtenu avec ces déphaseurs: un déphasage limité à 35 /cm à 70 GHz. En outre ce type de dispositif ne peut pas etre utilisé pour créer un déphasage continûment variable. En effet, pour de faibles polarisations de la diode (donc faible déphasage), la zone intrinsèque se comporte comme un diélectrique à très fortes pertes. Sommaire de l'invention Conformément à l'invention, le déphaseur à guide d'onde diélectrique et à plan réflecteur de position variable par rapport audit guide comprend une surface réflectrice plane portée par un matériau piézoélectrique et ce matériau piézoélectrique est activé par une tension de commande, ce qui détermine la position du plan réflecteur par rapport au guide. Le déphaseur de l'invention présente plusieurs avantages: - Le déphasage est parfaitement réciproque. - Le déphasage par unité de longueur du guide est très grand. Autour de la fréquence de 94 GHz, on peut obtenir un déphasage de 360 /cm pour un déplacement du plan réflecteur de 20 microns dans le cas d'un guide diélectrique de forte permittivité relative (Er 1O). - Les pertes d'insertion sont extrêmement faibles. Un guide diélectrique isolé (alumine-air par exemple) présente des pertes d'insertion de l'ordre de 15 à 20 dB/m autour de 94 GHz, ce qui correspond-à des pertes de l'ordre de 0,15 à 0,2 dB/cm. - La modulation d'amplitude est négligeable. Lors de la variation du déphasage de 0 à 360 , les pertes d'insertion varient peu à cause des pertes très faibles du dispositif. - Le dispositif présente une grande souplesse dans le choix de la pente du déphasage en fonction du déplacement du plan réflecteur. Cette pente peut être de 360 /cm/20 microns dans le cas d'un guide diélectrique isolé (alumine-air) et de 360 /cm/300 microns quand on utilise un diélectrique de permittivité relativement faible( téflon par exemple). Brave description des dessins L'invention va être maintenant décrite en détail en relation avec les dessins annexés, dans lequels: - la Fig.1 représente la section rectangulaire d'un guide d'onde image diélectrique alumine-air ainsi que le plan réflecteur de position variable; - 4 - - la Fig.2 représente des courbes de dispersion du guide de la figure 1 donnant les variations de k /k du mode fondamental en z o fonction de bk pour plusieurs valeurs prédéterminées de t/b; O - la Fig.3 représente la variation du déphasage à 94 GHz par unité de longueur en fonction de la distance entre la face du guide et le plan réflecteur; - la Fig.4 représente les pertes d'insertion en décibels par mètre en fonction de la hauteur ou petit c6té du guide pour une longueur d'onde À donnée et plusieurs valeurs de la distance 1 "guide-plan-réflecteur"; - la Fig.5 représente l'impédance en fonction de la hauteur du guide ou petit côté pour différentes valeurs de la distance "guide-plan réflecteur"; - la Fig.6 représente un déphaseur à guide d'onde diélectrique et à commande piézoélectrique conforme à l'invention; - la Fig.7 représente un réseau d'antenne à guide d'onde diélectrique dont la forme du diagramme et la position du lobe sont commandées par des éléments piézoélectriques, conformément à l'invention; - la Fig.8 est une antenne à guide d'onde diélectrique et à 2O perturbations constituées par des corrugations périodiques; le balayage du lobe est commandé par des rondelles de céramiques piézoélectrique conformément à l'invention; - les Figs.9a, 9b et 10 représentent une "'biplaque piézoélectrique" et la courbe de déformation en fonction de la tension de cette biplaque; - les Figs.lla et 11b représentent des antennes à diagramme variable commandé par biplaque piézoélectrique; et - 5 - - la Fig.12 représente un réseau d'antennes à lobe effilé dans deux directions rectangulaires; - la Fig.13 représente un diviseur de puissance variable commandé par un déphaseur conforme à l'invention; et - la Fig.14 représente une variante de réalisation du réseau d'antennes de la figure 12. Description détaillée des réalisations préférées. On considère (Fig.l) un guide d'onde diélectrique de section rectangulaire a x b et un plan réflecteur parallèle à un grand coté 0 du guide et à une distance t de ce grand c8té. Un calcul rigoureux utilisant la méthode de raccordement des champs permet de tracer les courbes de dispersion donnant k /k z o (constante de propagation normalisée) en fonction de bk o (ko = 2T/0o.À est la constante de propagation dans l'air, b la hauteur du barreau de diélectrique) et l'on prend comme paramètre t, épaisseur de la lame d'air entre le diélectrique et le plan réflecteur. Les courbes obtenues sont indiquées sur la Fig.2 Les pertes d'insertion en décibels par mètre, représentant la somme des pertes diélectriques et conductrices, en fonction de bkO pour différentes valeurs de t/b, sont représentées sur la Fig.4. L'impédance définie par V2/2P en fonction de bk avec t/b o comme paramètre, est indiquée sur la Fig.5. Les grandeurs V et P sont définies par les relations suivantes: V = fC E (x = 0) dy o y 1 * P 2 ff Re(E H - E H) dxdy o: E: champ électrique suivant Oy Y - 6 - E: champ électrique suivant Ox, x H: champ magnétique conjugué suivant Ox H: champ magnétique conjugué suivant Ox x H:champ magnétique conjugué suivant Oy Y C: paramètre introduit dans la méthode de calcul par raccordement des champs (généralement C 4 b) P: puissance transportée par le guide S: surface de la section droite du guide Re désigne la partie réelle d'une quantité complexe. On peut déduire des courbes de dispersion de la Fig.2 le déphasage par unité de longueur en fonction du paramètre t/b pour une valeur donnée de bk. Pour un guide image isolé donné, on o peut tracer la courbe de déphasage par unité de longueur en fonction de t pour une fréquence de fonctionnement donnée (Fig.3). Prenant l'exemple d'une guide image isolé constitué par un barreau d'alumine dans l'air fonctionnant autour de 94 GHz, on a tracé la courbe de déphasage At/cm en fonction de t pour deux valeurs de bk: 0,75 (b = 0, 38 mm) et 0,90 (b = 0,45 mm). On o constate que A = 360 /cm est obtenu avec une variation de l'épaisseur de la lame d'air de 10 microns à 50 microns par exemple. Le déphasage par unité de longueur est donné par la relation suivante: A = Ikz (tk) k-(t2) k (t1) et k (t2) désignant respectivement la constante de Z propagation correspondant à une épaisseur de la lame d'air de t1 et t2. A s'exprime en radians par centimètre si k est en z -7- radians par centimètre. Si l'action de la lame d'air est exercée sur une longueur t de guide image isolé, le déphasage correspondant sera égal à: frd 2.(cm) Ikz (tl) - k (t2)1 Les pertes d'insertion et la variation d'impédance d'un tel dispositif quand le déphasage varie de 0 à 360 vont être évaluées en prenant par exemple, le cas o b = 0,45 mm à 94 GHz. Pour t = 10 microns, on a t/b = 2,22% et pour t = 50 microns, on a t/b = 11,11%. Les courbes de la Fig.4 montrent que les pertes d'insertions varient de 25 dB/m à 10 dB/m, ce qui donne des pertes variant de 0,25 à 0,1 dB/cm; ces pertes d'insertion sont tout à fait négligeables. Ceci montre qu'un déphaseur réalisé suivant l'invention n'introduit pratiquement pas de modulation d'amplitude quel que soit le déphasage. Quand à l'impédance définie par V2/2P, pour un déphasage variant de 0 à 360 , elle passe de 90n à 140Q, soit une variation autour de la valeur moyenne de 22% (Fig.5). En se référant à la Fig.6, un guide d'onde 10 en matériau diélectrique ou semi conducteur (AsGa) repose sur deux cales 11 et 11' en matériau diélectrique de faible permittivité. Ces cales reposent elles-mêmes sur le rebord 12 d'un bottier rectangulaire 13. Dans ce bottier est logé un empilement de rondelles en céramique piézoélectrique 14. Ces rondelles sont connectées aux pôles d'une source de tension continue variable 15. A la rondelle la plus haute est fixé, par exemple par collage, un plan réflecteur 8 - 16 biseauté en 17. Selon la tension d'activation de l'empilement piézoélectrique le réflecteur varie d'une position éloignée du guide d'onde 10 à une position dans laquelle il est plaqué contre la grande face du guide d'onde 10. Les parties effilées 17 sont prévues pour tenir compte de la variation d'impédance avec la distance "guide-plan réflecteur". Si le déphaseur d'ondes millimétriques est connecté à un guide d'onde métallique en mode TE01, on peut utiliser la transition "guide métalliqueguide diélectrique" de la Fig.6. Cette transition comprend un rétrécissement en pente douce 18 de la hauteur du guide métallique 20 suivi d'un élargissement 18' également en pente douce de cette même hauteur. Ce rétrécissement et cet élargissement forment une structure en double pyramide tronquée qui ménage une fente rectangulaire 19 dans le guide métallique. C'est dans cette fente qu'est inséré le guide diélectrique. La fente est légèrement supérieure à la hauteur du guide diélectrique pour permettre un débattement d'au plus quelques centaines de microns. Le guide diélectrique se trouve ainsi excité en mode Eyl,1. On peut convertir le déphaseur à guide diélectrique de la Fig.6 antenne ou en réseau d'antennes en disposant, le long du guide diélectrique, des moyens de perturbation de l'onde guidée qui forment des éléments rayonnants. La Fig.7 représente un réseau d'antennes. Sur le guide d'onde diélectrique 21 sont formées des bandes conductrices 22 également espacées et séparées par des intervalles diélectriques 23. Ces bandes constituent des perturbations rayonnantes. Le diagramme d'un tel réseau de bandes dépend ainsi qu'il est connu du nombre d'éléments rayonnants N, de l'espacement entre éléments mesuré en - 9 - longueur d'onde n et du déphasage entre éléments rayonnants adjacents p. Le diagramme de rayonnement est représenté par la fonction: N,n sin N (rp - 7n cos a) = p sin (rp - rn cos a) Si 6 est l'intervalle entre bandes, le déphasage entre bandes adjacentes est = 2(/zz) Si l'on fait varier X grâce à un plan conducteur, on Z obtient une variation du déphasage entre bandes et par suite un balayage de lobe. Les bandes conductrices forment trois groupes 22, 22', 22" dont les espacements entre bandes sont respectivement 6,5',,". Trois plaques conductrices planes 24, 24', 24" sont montées sur des empilements de rondelles en céramique piézoélectrique 25, 25', 25". Ces empilements sont activés par des sources de courant continu variable 26, 26', 26". Par un réglage approprié des sources de courant, on obtient soit un changement de diagramme du réseau d'antennes soit un balayage de lobe. La Fig.8 représente une antenne à guide d'onde diélectrique 27 dans lequel les perturbations rayonnantes sont des corrugations 28 du guide 27. Le système de réglage du plan conducteur 29 est le 2O m9me que dans la Fig.6; c'est-à-dire comprend des rondelles 14 en matériau piézoélectrique. Le réseau d'antennes dans la Fig.7 est à trois plans conducteurs indépendants de réglage de la longueur d'onde guidée et le réseau d'antennes de la Fig.8 est à un seul plan conducteur. - 10 - Bien entendu le nombre de plans conducteurs de réglage indépendants dépend des diagrammes d'antennes que l'on veut obtenir. Dans les dispositifs des Figs.6, 7 et 8, le plan conducteur de réglage de la longueur d'onde guidée est déplacé en translation grâce à des empilements de rondelles de céramique piézoélectriques. Pour fixer les idées, l'ordre de grandeur de la translation est de quelques dizaines à quelques centaines de microns. Un empilement de rondelles piézoélectriques d'épaisseur totale de 8 cm permet d'obtenir un déplacement de 20 pm pour une tension d'activation de 700 Volts. On va maintenant décrire l'emploi de "biplaques piézoélectriques" qui sont représentées sur les Figs.9a et 9b et dont la caractéristique "déformation-tension" est donnée par la Fig.10. La biplaque se compose de deux rondelles ou disques piézoélectriques 31 et 32 (Figs.9a et 9b), ou de deux portions de rondelles formant deux éléments parallélépipédiques, alimentées en opposition. Quand elle est activée la biplaque prend par exemple la forme représentée sur la Fig.9b. La surface supérieure de la rondelle 31 est métallisée en 33' ce qui constitue le plan conducteur de réglage de la longueur d'onde guidée. Le mouvement du plan conducteur n'est plus une translation comme dans les réseaux d'antennes précédemment décrits. Le mouvement est une transformation d'une surface plane en une surface subtantiellement sphérique, convexe ou concave. La Fig.10 représente la flèche en mm. d'une biplaque de 50mm de diamètre en fonction de la tension d'alimentation en volts. La Fig.11a représente une antenne dans laquelle le déphasage d'un élément rayonnant au suivant est différent et variable. Des - il - bandes 34 sont formées sur le guide d'onde diilectrique 35. La surface conductrice 33' est constituée par la surface métallisée, de forme substantiellement concave, de la face supérieure d'une biplaque parallélépipédique 31-32 qui est montée sur une colonnette 37 et est alimentée par la source de courant continu 30. La figure 11b représente une antenne dans laquelle le déphasage d'un élément rayonnant au suivant est le même et est variable. La surface conductrice est constituée d'une plaque métallique 33 collée au centre d'une biplaque 31-32 alimentée par la source de courant continu 30. La Fig.12 représente un réseau d'antennes dans lequel la finesse et la direction du lobe principal peuvent être réglées selon deux coordonnées rectangulaires différentes. Sur la Fig.12, un générateur d'ondes millimétriques 40 alimente plusieurs guides d'ondes diélectriques 41, 42, 43, 44. Ces guides sont identiques et parallèles: ils sont alimentés en phase grâce à des déphaseurs 51, 52, 53. Sur chaque guide d'onde diélectrique sont formées, par métallisation, des bandes conductrices 54, 55, 56, 57. Sur un bâti 45, sont fixés aux sommets d'un triangle équilatéral des empilements de rondelles piézoélectriques 46, 47, 48 et sur les rondelles supérieures est fixée une - plaque conductrice 49. Une source de tension continue variable permet de régler les hauteurs des empilements piézoélectriques 46, 47, 48. La plaque 49 est généralement horizontale mais grâce aux empilements de hauteur variable, elle peut prendre n'importe quelle inclinaison dans n'importe quelle direction. Ces inclinaisons sont évidemment très faibles. - 12 - En variant la plaque 49 est diélectrique et, au centre du triangle équilatéral, est montée entre la plaque 49 et les guides diélectriques une biplaque dont la rondelle supérieure métallisée, jouant le r6le de plan réflecteur, peut prendre une forme sphérique convexe ou concave. Cette biplaque peut être partout distante des guides d'onde ou être en contact avec eux à certains endroits et pas à d'autres. La source de tension continue permet alors de faire varier la flèche de la biplaque piézoélectrique. On peut ainsi régler le diagramme du réseau d'antennes ou, le diagramme restant sensiblement le même, effectuer un balayage du lobe. La Fig.14 représente une variante de réalisation du réseau d'antennes de la figure 12. Les antennes, constituées de guides d'onde diélectriques 71, 72, 73, 74, 75 et d'un plan conducteur 76 supporté par un disque biplaque 77, sont alimentées par l'intermédiaire d'un répartiteur de puissance 70 et d'un ensemble de déphaseurs 78, 79, 80, 81. L'ensemble de déphaseurs est constitué de guides d'onde diélectriques et d'un plan métallique 82 porté par un disque biplaque 83 dont les caractéristiques électriques peuvent être identiques ou différentes de celles de la biplaque 77. Les deux biplaques 77 et 83 sont supportées par un socle 84. Le plan métallique 82 est conformé pour que les longueurs 1' g2' ú 3....n du plan en regard des guides d'onde soient telles que: L2 = 2ú1 ú3 = 3L1 ún-1 = (n-l)t1 -]3 - afin d'assurer une distribution des phases 1 2. n linéaire telle que: 2 = 241 3 = 31 n-1 = (n-l)>1 Les plaques 76 et 82 se déplacent parallèlement à leur position de repos pour assurer respectivement - un balayage de lobe de chacune des antennes, dans le plan E parallèle à l'axe longitudinal desdites antennes. - et un balayage dans un plan H orthogonal à E. Par deux commandes électriques indépendantes des biplaques 77 et 83 on peut alors obtenir un balayage de lobe de type balayage de télévision. Bien que l'invention ait été décrite dans le cas d'un guide d'onde diélectrique rectangulaire, elle peut s'appliquer à des guides d'onde diélectriques de forme quelconque ayant au moins une paroi plane, la paroi mobile métallique portée par les moyens piézoélectriques étant plus ou moins rapproché de ladite paroi plane (guide à section droite demi-cylindrique). L'invention s'applique aussi à la réalisation de diviseur de puissance variable représenté schématiquement en figure 13. Le diviseur de puissance (60) est alors constitué d'un coupleur 3dB en Y (61) et d'un coupleur 3dB hybride (62) reliés entre eux au moyen de deux déphaseurs ajustables 63 et 64 conformes à l'invention. - 14 - R E V E N D I C AT IONS 1 - Déphaseur pour micro-ondes et ondes millimétriques comprenant un guide d'onde diélectrique (10); un plan conducteur (16) mobile parallèle à un c6té dudit guide; des moyens de déplacement dudit plan par rapport au guide entre une position éloignée du guide et une position en contact avec le guide, caractérisé en ce que les moyens de déplacement comprennent une pièce de matériau piézoélectrique (14, 31-32) portant ledit plan conducteur et une source de courant variable (15, 30) faisant varier au moins une dimension de ladite pièce. 2 - Déphaseur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le guide d'onde diélectrique comprend des perturbations spatialement périodiques le transformant en antenne et en ce que le plan conducteur est déplagable par rapport à la zone du guide présentant lesdites perturbations. 3 - Déphaseur conforme à la revendication 2 caractérisé en ce que lesdites perturbations sont des bandes conductrices (22) sur le -guide d'onde diélectrique. 4 - Déphaseur conforme à la revendication 2 caractérisé en ce que lesdites perturbations sont des corrugations du guide d'onde diélectrique. - Déphaseur conforme à l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la pièce de matériau piézoélectrique est un empilement d'éléments en matériau piézoélectrique et en ce que l'élément extrême de l'empilement porte le plan conducteur. - 15 - 6 - Déphaseur conforme à l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la pièce de matériau piézoélectrique est une biplaque piézoélectrique composé de deux éléments piézoélectrique activés par des champs électriques égaux et opposes et que l'un des éléments porte le plan conducteur. 7 - Déphaseur conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que le plan conducteur est constitué par métallisation d'une face d'un élément de la biplaque piézoélectrique. 8 - Déphaseur conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que le guide d'onde diélectrique comprend plusieurs groupes de perturbations spatialement périodiques (22, 22', 22"), les espacements entre les perturbations des différents groupes étant différents qu'il y a autant de plans conducteurs que de groupes de perturbations et que chaque plan conducteur est indépendamment déplaçable par rapport à un groupe de perturbations. 9 - Réseau d'antennes comprenant une multiplicité de guides (41, 42, 43, 44, 71, 72, 73, 74, 75) d'onde diélectriques comportant des perturbations selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, les guides d'onde étant coplanaires et parallèles, caractérisé en ce qu'il comprend un plan conducteur (49, 76) porté par au moins une piece en matériau piézoélectrique. - Réseau d'antennes caractérisé en ce que la plaque métallique (49) est portée par trois empilements de rondelles piézoélectriques (46, 47, 48) commandés individuellement. 11 - Réseau d'antennes selon la revendication 9 caractérisé en ce que les guides d'onde sont alimentés par l'intermédiaire d'un ensemble de déphaseurs variables constitué de guides d'onde - 16 - diélectrique (78, 79, 80, 81) et d'une plaque métallique (82) portée par une pièce en matériau piizoélectrique.