Brevet FR2581268A1 — publié le 19861031

EMETTEUR HYPERFREQUENCE DE PUISSANCE La présente invention est relative aux émetteurs d'ondes électromagnétiques dans la bande des hyperfréquences. Elle vise notamment un émetteur propre à émettre des impulsions dans cette bande de fréquence avec des puissances qui peuvent être relativement élevées, par exemple plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de watts. A cet égard, elle peut trouver une utilisation dans les dispositifs de radars et tous autres dispositifs dans lesquels une émission de puissance est nécessaire. On connait depuis longtemps des émetteurs de puissance fonctionnant en hyperfréquence qui sont constitués par des tubes amplificateurs thermo-ioniques. Un inconvénient bien connu de ces tubes réside dans leur encombrement, leur poids et la complexité de leur alimentation . Un autre inconvénient est leur relatif manque de fiabilité. En outre leur temps de mise en oeuvre est relativement important ce qui dans certaines applications constitue une gêne. Pour ces raisons, on a cherché à remplacer les tubes amplificateurs par des circuits à composants électroniques solides. Ces derniers sont en effet supérieurs sur le plan de la légèreté et de la fiabilité de fonctionnement. Malgré les progrès réalisés dans ce domaine, ces composants électroniques présentent cependant le défaut de ne permettre individuellement d'atteindre que des niveaux de puissance relativement peu élevés. En conséquence, losquton utilise ce type de dispositif, il est nécessaire Je combiner les énergies produites à partir de plusieurs de ces composants pour atteindre le niveau d'émission recherché. On connait à cet égard les structures à cavité résonnante, telles que le combinateur de Kurokawa ou le combinateur de Harp dans lesquels sont montées une multiplicité de diodes du type à avalanche et connues sous le nom de IMPATT (voir par exemple par l'article de la revue MSN d'octobre 1980, chapitre SOURCES intitulé "IMPATTs Combine to Power systems" par GlennThoren pp. 11U CL 145 et notamment page 120) - Dans le combinateur de Harp les diodes sont montées à l'intérieur d'une cavité cylindrique selon une disposition de révolution autour de l'axe du cylindre.Ces diodes peuvent être excitées en synchronisme de façon à produire à l'intérieur de la cavité résonnante une impulsion qui se propage en mode TMONO L'impulsion hyperfréquence résultante peut être prélevée au centre de la cavité résonnante par couplage sur un guide d'ondes ou sur une ligne coaxiale. L'inconvénient de ce type de dispositif est que, plus l'on désire élever la puissance, plus le nombre de diodes IMPATT doit être élevé et plus, par conséquent, le mode de résonance doit être élevé et le volume de la cavité résonnante important. Il en résulte des difficultés, tant sur le plan de la réjection des modes pa rasitesque sur le plan de l'encombrement. Une autre solution proposée réside dans l'utilisation d'une structure non résonnante. On connait ainsi un système à lentille de propagation électromagnétique réalisée sous la forme biplaque (microstrip) et qui comprend une multiplicité d'entrées à sa périphérie,à chacune desquelles est connecté un oscillateur a diodes IMPATT (voir par exemple "Radial Symmetric N-way TEM-Line IMPATT. Diode Combining Arrays" par Dean Peterson dans IEEE VOL MTT 30 NO 2, Février 1982 -pp. 163 à 173) La lentille comprend un port central selon un axe autour duquel les connexions des oscillateurs sont réparties de façon symétrique. Ce port permet de recueillir la somme des impulsions de puissance produites par les différents oscillateurs. Un tel dispositif, s'il permet de s'affranchir des problèmes soulevés par les dispositifs de Kurokawa ou de Harp présente cependant l'inconvénient d'une direc tivité insuffisante entre les différentes voies notamment lorsque le nombre de celles-ci est élevé. En effet, les signaux produits par chaqueoscillateur sont susceptibles de venir perturber les oscillateurs voisins. Il est en effet difficile d'obtenir un découplagesuffisamment efficace entre les différentes voies de propagation. Ce découplage est notamment nécessaire lorsqu'on cherche à synchroniser l'ensemble des oscillateurs sur un même signal de référence. L'invention vise un émetteur hyperfréquence de puissance fonctionnant à l'aide de générateurs d'impulsions à l'état solide qui ne présente pas ces inconvénients. A cet effet, l'invention a pour objet un émetteur hyperfréquence de puissance, du type comprenant un ensemble de générateurs d'impulsions de puissance hyperfréquence et un dispositif de sommation à lentille propre à produire sur sa sortie une impulsion résultant de la su pérposition des impulsions admises sur ses entrées en provenance desdits générateurs, caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième dispositif à lentille pour distribuer des impulsions de synchronisation auxdits oscillateurs à partir d'une commande de synchronisation commune. Chaque générateur est relié à la lentille de sommation et à la lentille de distribution du signal de synchronisation par un dispositif de couplage n'admettant le passage des signaux que de la lentille de distribution vers le générateur et du générateur vers la lentille de sommation. Grâce à ce système, chaque générateur, qui peut consister en un oscillateur à unediode ou en un combinateur à résonance,du type Kurokawa par exemple, esi tries efficacement découplé par rapport aux autres générateurs. En effet, le dispositif de couplaye en lui-même empêche les remontées de signaux en pr La directivité entre chaque voie de générateurs et la sortie du sommateur est donc doublement garantie. En même temps et pour la même raison, on évite également que des remontées en provenance d'un générateur ne se produisent en direction d'un autre générateur par le biais de la lentille de distribution du signal de synchronisation. Cela résulte du fonctionnement monodirectionnel des dispositifs de couplage et du decouplage naturel entre voies à l'intérieur du diviseur. Selon un mode de réalisation, le dispositif de couplage de chaque générateur est constitué par un circulateur. Selon un autre mode de réalisation, on peut utiliser un coupleur à deux voies déphasées, par exemple du type O,it. Un générateur respectif est connecté à chacune de ces voies, l'entrée du coupleur étant reliée à l'une des sorties de la lentille de distribution et sa sortie étant raccordée à une entrée respective de la lentille de sommation. La lentille de sommation est avantageusement une lentille du type équiphase, équi-amplitude, dans laquelle tous les signaux admis à un instant donné sur ses entrées parviennent rigoureusement avec la même phase et la même amplitude sur sa sortie. La lentille de distribution des signaux de synchronisation peut être avantageusement réalisée sur le même modèle. Selon une forme de réalisation d'une telle lentille, on utilise un dispositif du type de Luneberg comprenant un boitier creux de révolution définissant une chambre dans laquelle est enfermée une lentille diélectrique de révolution coaxiale. Une pluralité de vois d'accès dans un sens sont ménagées symétriquement autour de l'axe de la lentille et aboutissent au voisinage de sa périphérie, tandis qu'une voie d'accès dans l'autre sens est prévue au centre du boitier. On a obtenu avec ce type de lentille d'excellents résultats. Un avantage de la disposition selon l'invention est que chacune des lentilles peut permettre la transmission, dans un encombrement relativement restreint, d'un nombre de voies qui peut atteindre des valeurs très élevées afin d'assurer la superposition d'un grand nombre d'impulsions élémentaires. Les générateurs de ces impulsions élémentaires peuvent être eux-mêmes places relativement à l'écart par rapport à ces lentilles auxquelles ils peuvent être reliés par des cables coaxiaux (ou des guides d'ondes). L'aménagement d'un émetteur de puissance mettant en oeuvre les principes de l'invention se trouve donc facilité par rapport à celui des dispositifs antérieurs ainsi que son implantation dans des systèmes qui l'utilisent. Les explications qui vont suivre avec la description d'exemples non limitatifs sont données en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 représente de façon schématique une forme de réalisation de l'invention; la figure 2 représente une variante de l'invention; la figure 3 illustre, vue en coupe transversale, une forme de lentille applicable à l'invention; la figure 4 est une vue en plan de la lentille de la figure 3; la figure 5 illustre une forme de réalisation d'un générateur d'impulsions utilisable dans la mise en oeuvre de l'invention; la figure 6schématise la disposition d'un émetteur de puissance selon l'invention dans un système radar. Sur la figure 1, un émetteur de puissance 10 com prend une batterie de 32 oscillateurs 12-1 à 12-32 capables de produire par exemple chacun une impulsion de 25 watts pendant environ 1 microseconde de durée. La fréquence d'oscillation est de 10 à 20 GHz selon la bande de fonctionnement choisie pour l'émetteur. Chacun de ces oscillateurs comprend une voie d'entréesortie 14-1 à 14-32 qui est connectée à un port respectif 16 d'un circulateur 15-1 à 15-32. Ces circulateurs sont constitués selon les principes bien connus dans le domaine des hyperfréquences. Chaque circulateur 15-1 à 15-32 reçoit sur une entrée respective 17 un signal de synchronisation en provenance d'une sortie respective d'une lentille électromagnétique 20 à une entrée 21 et 32 sorties 18-1 à 18-32. Chaque circulateur 15-1 à 15-32 possède également une voie de sortie 23 connectée à une entrée respective 24-1 à 24-32 d'une lentille de sommation à 32 voies et possédant un port de sortie 26 où est disponible l'impulsion de puissance produite. Dans 11 exemple choisi de 32 impulsions élémentaires d'environ 24 watts chacune, la puissance de cette impulsion peut être d'environ 600 watts, compte tenu des pertes dans les circuits et notamment dans le sommateur à lentille 25, si ces impulsions sont parfaitement synchronisées. Cette synchronisation s'effectue par l'envoi d'un signal de synchronisation sur l'entrée 21, de quelques dizaines de watts par exemple, et qui est divisé en 32 impulsions de commande synchrones sur les sorties 18-1 à 18-32 de la lentille distributrice 20.Chacune de ces impulsions de commande, transmise par le circulateur respectif 15-1 -à 15-32, provoque une impulsion de puissance de l'oscillateur correspondant 12-1 a 12-32 pendant une durée correspondante. Ces impulsions de puissance sont transmises par le circulateur 15-1 à 15-32 à la lentille de sommation 25. Cette dernière assure la propagation équiphase et équi-amplitude des impulsions vers la sortie 26. Chacun des circulateurs 15-1 à 15-32 s'oppose à la transmission en sens inverse des signaux dont il assure l'acheminement entre la lentille de distribution 20, les oscillateurs respectifs 12-1 à 12-32 et le sommateur 25 avec une efficacité d'environ 20 db. En outre, chacune des lentilles possède une faculté de découplage naturel de 20 à 30 db entre chacune de ses voies. Il en résulte que la remontée de signaux produits par un des oscillateurs 12-1 à 12-32 vers un autre de ces oscillateurs, soit par le canal de la lentille sommatrice 25, soit par le canal de la lentille distributrice 20, est très fortement atténuée. Chacun des oscillateurs 12-1 à 12-32 peut être réalisé comme représenté en 12 sur la figure 5. Dans un tube coaxial à gaine externe 30 est monté un conducteur 32 formant l'âme du coaxial qui est relié par un transformateur d'impédance 34 à unediode 36 dont l'autre borne est reliée, comme le tube 30, à la masse M. La diode 36 est une diode du type connu sous le nom de IMPATT tel qu'évo que par exemple dans llarticle intitulé THE SOLID STATE TRANSMITTER : IT IS HERE TODAY, paru dans la revue MILITARY ELECTRONICS - COUNTER MEASURES de novembre 1979. Il s'agit d'un semi-conducteur de puissance fonctionnant selon le principe de l'avalanche losque sa tension inverse atteint un seuil prédéterminé et permettant d'obtenir un fort courant. La tige 32 est polarisée par un coaxial d'alimentation 35 dont l'âme est reliée par une inductance 37 à la tige 32. L'extrémité de cette tige est reliée au port d'entrée-sortie 14 de l'oscillateur 12 par un condensateur 38. Pour réaliser les lentilles 20 et 25, on peut avantageusement utiliser un dispositif du type lentille de Luneberg modifié comme il va être indiqué ci-après. De tels dispositifs sont en général caractérisés par le fait que, lorsqu'un signal est admis sur leur entrée, il se propage en direction de l'ensemble des sorties, de telle façon qu'apparaissent sur l'ensemble de leurs sorties des signaux en concordance de phase et d'égale amplitude. Une telle lentille 50 (figures3 et 4) comprend un boîtier métallique 52 ménageant une cavité cylindrique 54 au plancher 55 de laquelle est ménagé, dans sa partie centrale , un socle circulaire 56. Un plateau également circulaire 58 clepe du sommet 60 du boîtier métallique 52 et fait face au socle 56.Sur le socle 56 est fixée la face plate d'une lentille de ré volution- plan convexe 62 réalisée en un matériau diélectrique usinable tel que le matériau désigné sous la dénomination de polytétrafluoréthylène (TEFLON,marque de fabrique). -Dans sa paroi supérieure 62, le boîtier 52 comprend dans cet exemple 16 ouvertures circulaires 64 forées dans une direction axiale et présentant une sy métrie de révolution par rapport à l'axe du boîtier 52. A l'intérieur de chacune passe une tige de direction axiale 65 pénétrant à l'intérieur de la cavité 54 et se terminant en 66 au voisinage de la périphérie de la lentille plan convexe 62. Face à cette extrémité 66 est monté, sur le plancher 55, un plot respectif 67 présentant une face 68 inclinée vers l'extérieur du boîtier. A son extrémité opposée 69 chaque tige peut être connectée à un câble coaxial. Dans un exemple de réalisation 32 ouvertures désignées par la référence 64 permettent d'établir 32 connexions d'entrée ou de sortie selon le type de la lentille, où le diamètre du boîtier 52 est d'environ 140 mm pour 15 à 20 mm d'épaisseur. La disposition des tiges 65, et des plots 67 et de la lentille diélectrique 62 est choisie de façon à assurer un bon couplage entre les différentes voies d'accès réalisées par les tiges 65 et la lame d'air d'épaisseur variable ménagée entre la lentille 62 et la base du plateau 58 pour la transmission de l'énergie en mode TEM. pans l'axe du plafond 60 du boîtier 52 est également forée une ouverture 70 dans laquelle passe une tige 72 dont l'extrémité inférieure 73 se trouve au voi sinage du sommet de la lentille 62. A son autre -extré- mité 74, cette tige peut être connectée à une ligne coaxiale. Elle fournit ainsi un accès central à la lentille 50 propre à fonctionner en sens inverse des accès périphériques ménagés par les ouvertures 64 et les tiges 65. La lentille 50 permet une concentration des énergies sur le plot ou la tige centrale 72 dans le cas où elle est utilisée comme sommateur pour recueillir une impulsion de forte puissance.On obtient ainsi, grâce à ce système, une lentille de sommation ainsi qu'une lentille de distribution d'énergie applicable à lwinven- tion et fonctionnant sur un mode de propagation à constante répartie par opposition aux systèmes dits a constante localisée" tels que les lentilles biplaques ou triplaques par exemple décrites dans le Brevet français NO 80 13265 déposé le 13 Juin 1980 au nom de ELECTRONIQUE MARCEL DASSAULT. Selon une autre formule de réalisation de l'invention (figure 2), un sommateur à lentille 100 présente, par exemple, 16 voies d'entrée 101-1 à 1o1-16 et une voie de sortie de puissance 102. Chacune de ces entrées est reliée à une sortie 103-1 à 103-16 d'un coupleur respectif 105-1 à 105-16. Ces coupleurs sont du type connu sous le nom de "coupleur 3 db hybride,ou "0,#". Ces coupleurs sont constitués de façon identique. Le coupleur 105-1 par exemple comprend une entrée 106-1 connectée à une sortie respective 107-1 d'une lentille aistributrice de signal de synchronisation 108 ali mentée sur son entrée 109 par une commande de synchronisation. Le coupleur 105-1 comprend également deux ports ou voies, 110-1, dite voie 0, et 111-1 dite voie E , auxquelles sont respectivement relies par des 2 lignes coaxiales deux oscillateurs 115-1 et 116-1. Ces oscillateurs peuvent être constitués comme représenté sur la figure 5 de façon à fournir 25 watts par impulsion .L'agencement d'un coupleur tel que 105-1 est tel que le signal de synchronisation qu'il reçoit de la lentille 108 est transmis avec un déphasage de # entre son port 110-1 et son port 111-1. Les impulsions de puissance qu'il reçoit en retour sur chacun de ces ports sont décalées de ff et parviennent en phase sur sa sortie 10 > 1 2 où elles se superposent. Ces impulsions doubles sont en- suite sommées dans la lentille 100 pour produire une impulsion de sortie d'environ 600 watts au-port 102 dans les mêmes conditions que précédemment. Ce mode de réalisation, comme celui de la figure 1, présente l'avantage d'un excellent découplage entre voies. On a représenté schématiquement sur la figure 6 l'organisation générale d'un système de radar 120 comprenant un étage de puissance 122 constitué selon l'une des formes de réalisation décrites en référence aux figures 1 et 2. La sortie 123 de l'étage de puissance est connectée par un duplexeur 124 à une antenne 125 de radar. Le duplexeur 124 réalise également la liaison entre 11 antenne 125 et un récepteur 126.L'Otage de puissance est alimenté par un étage de bas niveau 128 constitué par exemple à l'aide de transistors à effet de champ FET 130 alimentés par une source de signal de synchronisation 132 correspondant à la fréquence d1émis- sion, (à travers un modulateur d'impulsion non représenté), Le système selon l'invention permet de produire des impulsions de forte puissance en hyperfréquence, sans nécessiter l'utilisation de tubes. Il peut faire l'objet de variantes, en particulier en vue d'accroître sa puissance. A cet effet, on peut par exemple remplacer des oscillateurs tels que 12 de la figure 5 par des combinateurs à résonance fonctionnant en mode Tao10 pouvant comporter de deux à six diodes IMPATT, par exemple du type Kurokawa ou Harp évoqué précedemment. D'autres types de lentilles pourraient en principe être egalement utilisés pour réaliser la sommation et la distribution d'impulsions. Toutef=ois, on a oDte- nu des résultats particulièrement efficaces avec des lentilles du type Luneberg telles que décrites en référence aux fleures 3 et 4. Des ajustages en phase des signaux reçus ou transmis sur les ports multiples de ces lentilles sont bien entendu possibles selon les besoins. il est préférable que tous les élements d'oscillateurs soient identiques, de façon que tous les signaux produits aient un comportement symétrique à l'intérieur de la lentille de sommation et viennent se superposer rigoureusement en phase à la sortie de cette dernière. REVENDICATIONS 1.- Emetteur hyperfréquence de puissance du type comprenant un ensemble de générateurs (12-1 à 12-32) d'impulsions de puissance hyperfréquence et un dispositif de sommation à lentille (25) pour produire sur sa sortie(26) une impulsion résultant de la superposition des impulsions de puissance élémentaire admises sur ses entrées (24-1 à 24-32) en provenance de ces générateurs, caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième dispositif à lentille (20) pour distribuer des impulsions de synchronisation (21) auxdits générateurs (12-1 à 12-32) à partir d'une commande de synchronisation commune (21). 2.- Emetteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque générateur (12-1 à 12-32) est relié à la lentille de sommation (25) et à la lentille de distribution(20) par un dispositif de couplage (15-1 à 15-32) respectif qui n'admet le passage des signaux que de la lentille de distribution (20) vers le générateur (12) et du générateur (12) vers la lentille de sommation (25). 3.- Emetteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de couplage est un circulateur (15-1 à 15-32) connectant chaque générateur (12-1 à 12-32) aux deux lentilles (20,25). 4.- Emetteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de couplage est un coupleur à voies déphasées (105-1 à 105-16) possédant une voie d'entrée (106-1 à 106-16) connectée à une sortie respective de la lentille de distribution (108), une voie de sortie #103-1 à 103-16) connectée à une entrée respective de la lentille de sommation (100) et deux voies décalées en phase (110-1 à 110-16 et 111-1 à 111-16) à chacune desquelle; est connecté un générateur d'impulsions respectif. 5.- Emetteur selon 11 une des revendications précéden tes, caractérisé en ce que chaque générateur comprend au moins un oscillateur basé sur un composant actif à l'état solide tel qu'une diode du type à avalanche. 6.- Emetteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque générateur comprend un oscillateur combinant les oscillations de plusieurs composants actifs à l'état solide. 7.- Emetteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la lentille de sommation et/ou la lentille de distribution est une lentille du type Luneberg comprenant un bottier de révolution enfermant, dans une chambre, une lentille diélectrique de révolution, ce boîtier présentant une pluralité de voies d'accès dans un sens réparties à la périphérie du boîtier et une voie d'accès dans l'autre sens au centre du boîtier. 8.- Dispositif de lentille électromagnétique pour la propagation équiphase et équi-amplltude de signaux entre une voie d'accès dans un sens et une pluralité de voies d'accès dans l'autre sens, du type comprenant un boîtier de révolution enfermant, dans une chambre,unelenti#le diélectrique de révolution et présentant une pluralité de voies d'accès à l'intérieur de cette chambre réparties à la périphérie de cette lentille, caractérisé en ce que les dites voies d'accès périphériques sont propres à fonctionner dans un sens et qu'elle comprend une voie d'accès dans l'autre sens aboutissant dans ladite chambre au centre de ce boîtier, au voisinage du sommet de la lentille diélectrique.