Brevet FR2581255A1 — 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 métallique de largeur variable, un plan conducteur réflecteur parallèle au petit coté du guide d'onde et des moyens piézoélectriques de faire varier la distance entre le plan réflecteur et ce petit caté. Outre un déphaseur à guide d'onde métallique et à commande piézoélectrique, l'invention concerne des antennes à guide d'onde métallique et à diagramme variable ou à balayage de lobe dans lesquels 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 Harold 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 coté 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. On connait par le brevet FR-A-2509095 un dispositif déphaseur en guide d'ondes rectangulaire métallique caractérisé en ce qu'il comporte, disposée au voisinage d'au moins une de ses parois, une rangée de fils alignés faiblement distants, parallèles au petit c6té du guide, lesdits fils portant chacun des interrupteurs contrôlables, tels que des diodes et des moyens de polarisation électrique étant prévus pour ouvrir ou fermer lesdits interrupteurs selon le déphasage recherché. 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 10 /cm à 70 GHz. En outre ce type de dispositif ne peut pas être utilisé pour créer un déphasage continûment variable. En effet, pour de faibles polarisations des diodes (donc faible déphasage), la zone intrinsèque se comporte comme un diélectrique à très fortes pertes. Sommaire de l'invention -3- Conformément à l'invention, le déphaseur à guide d'onde métallique et à paroi conductrice de position variable comprend une surface réflectrice plane ou incurvée portée par une pièce en matériau piézoélectrique et ce matériau piézoélectrique est activé par une tension de commande, ce qui détermine la position de la paroi conductrice dans le 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 /4, 2 cm pour un déplacement de la paroi conductrice de 300 microns - Les pertes d'insertion sont extrêmement faibles. Brève description des dessins L'invention va être maintenant décrite en détail en relation avec les dessins annexes dans lequels:- - la Fig.1 représente la section droite d'un guide métallique rectangulaire; - la Fig.2 représente un déphaseur pour micro-ondes et notamment pour ondes millimétriques conforme à l'invention; - la Fig.3 représente une antenne à guide d'onde métallique et à largeur rendue variable par moyens piézoélectriques; - les Figs.4a, 4b et 5 représentent une "biplaque piézoélectrique" et la courbe de déformation en fonction de la tension de cette biplaque; - la Fig.6 représente une antenne à guide d'onde métallique et à largeur rendue variable par des moyens piézoélectriques différents de ceux de la Fig.3; -4 - - la Fig.7 représente un déphaseur programmé dans lequel la tension d'activation des disques piézodiélectriques est asservie à une valeur de consigne du déphasage; et - les Figs.8a et 8b représentent une variante de réalisation du déphaseur des figures 2a et 2b. Description détaillée des réalisations préférées En se référant à la Fig.1, on a représenté la section droite d'un guide d'onde rectangulaire dont le petit c6té peut prendre une position variable entre deux limites dans lesquelles la largeur du guide est respectivement a et a'. Les courbes C1 et C2 représentent l'amplitude du champ électrique E pour les deux largeurs a et a'. Si le guide travaille en mode TE0-, la constante de phase de l'onde guidée B8 est dans les cas limités g 360_ g ( /mm) = 360 1 -(o/2a)2 (1) et Bg(/mm) =!30l-(Xo/2a') (2) ] 5 e t Os7a ce qui traduit un déphasage: ass (O/am) =36" 2 - 2 Ag (o L /1_-- j (3) 9 2a 2aT2 Si le changement de la largeur du guide est effectué sur une longueur L du guide, on obtient un déphasage total égal à: --(4 [AB84= ABg(0/mm) x L(mm) (4) En se référant aux Figs.2a et 2b un guide d'onde métallique 10 repose par un de ses petits côtés sur deux cales 11 et 11' en matériau isolant. Ces cales reposent elles-mêmes sur le rebord 12 d'un bottier rectangulaire 13. Dans ce boîtier est logé un - 5 -- empilement de rondelles ou disques en céramique piézoélectrique 14. Ces rondelles sont connectées aux p8les d'une source de tension continue variable 15. A la rondelle la plus haute est fixée, par exemple par collage, une plaque 16 en matériau conducteur. Une ouverture est pratiquée dans le petit c8té du guide, en regard de la plaque 16. Cette plaque est guidée par une bride conductrice 17.Selon la tension d'activation de l'empilement piézoélectrique 14 la position de la plaque varie entre une position o sa face avant est coplanaire avec le petit c6té du guide et une position o cette face avant est en avant ou en arrière du plan de ce petit côté. On peut convertir le déphaseur à guide métallique de la Fig.2 en antenne en disposant, le long du guide métallique, des moyens de perturbation de l'onde guidée qui forment des éléments rayonnants. La Fig.3 représente une antenne. Sur un grand côté du guide d'onde métallique -21 sont formées des fentes 22 également espacées et séparées par des intervalles 23. Ces fentes constituent des perturbations rayonnantes. Le diagramme d'un tel réseau de fentes dépend ainsi qu'il est connu du nombre de fentes élémentaires N, de l'espacement entre fentes exprimé en longueur d'onde n et du déphasage entre fentes adjacentes p. Le diagramme de rayonnement est représenté par la fonction: N,n sin N (up wn cos a) p sin p - n cos --- Si 6 est l'intervalle entre fentes, le déphasage entre fentes adjacentes est : 2w(6/X) -6- Si l'on fait varier Ag grâce à une plaque conductrice 24, on g obtient une variation du déphasage entre fentes et par suite un balayage de lobe. Dans les dispositifs des Figs.2 et 3, la plaque conductrice de réglage de la longueur d'onde guidée est déplacée 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 de microns. Un empilement de 40 rondelles piézoélectrique 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.4a et 4b et dont la caractéristique "déformation-tension" est donnée par la Fig.5. L'emploi de biplaques permet d'assurer des translations de la plaque conductrice de quelques dizaines à quelques centaines de !5 microns. La biplaque se compose de deux rondelles ou disques piézoélectriques 31 et 32 (Figs.4a et 4b) alimentés en opposition. Quand elle est activée la biplaque prend par exemple la forme représentée sur la Fig.4b. Au centre de la rondelle 32 est fixée, par exemple par collage (point de colle 36), une plaque plane conductrice 33 de réglage de la longueur d'onde guidée. Le mouvement du plan conducteur reste une translation comme dans les antennes précédemment décrites, bien que le mouvement de la biplaque soit une transformation d'une surface plane en une surface subtantiellement sphérique, convexe ou concave. Cependant on peut profiter de la déformation de la biplaque pour obtenir une surface 258 1255 -7 déformable, en métallisant la face de la céramique qui forme la paroi mobile. La Fig.5 représente la flèche en mm. d'une rondelle de 50 mm de diamètre en fonction de la tension d'alimentation en volts. La Fig.6 représente une antenne en guide à fentes dans laquelle le déphasage d'un élément rayonnant au suivant est le même pour tous les éléments mais peut varier. Des fentes 34 sont formées sur le guide d'onde métallique 35. La translation de la plaque 33 est égale à la flèche de la 1 biplaque 3132 constituée de deux éléments parallélépipédiques de matériau piézoélectrique. Pour fixer les idées, on suppose que l'antenne de la Fig.6 a les caractéristiques suivantes: fréquence 94 GHz guide standard en bande W a = 2,54 mm b = 1,27 mm a-a' = 300 pm Bg1= 3600 pour L= 42 mm dimension de la biplaque piézoélectrique. Longueur: 50 mm, Largeur ---: 1,26mm.- flèche maximale 300 pm tension d'excitation maximale 700 V. nombre de fentes; 21 longueur de l'antenne 71 mm distribution d'amplitude de l'antenne suivant la loi de Taylor avec-30dB aux extrémités. rendement de l'antenne - 83% largeur du lobe principal à 3d-- 4 niveau des lobes secondaires z -30dB Si l'on fait varier la tension d'excitation de la biplaque on obtient un balayage électronique de lobe. Avantageusement pour conserver la symétrie de la structure d'antenne on dispose dans le guide deux parois mobiles, respectivement sur les deux petits c6tés en regard, et on fait varier les tensions d'excitation en phase. La Fig.7 est analogue à la Fig.3 mais on trouve en plus deux antennes 37 et 38 en forme de tige qui pénètrent dans le guide 10 et sont situées à une distance prédéterminée l'une de l'autre, un centimètre par exemple. Les antennes sont reliées à un détecteur de phase 39. La sortie de ce détecteur de phase est reliée à un amplificateur opérationnel 40 qui reçoit d'autre part une tension de consigne d'une source de tension 41. La sortie de l'amplificateur opérationnel 40 commande un amplificateur à haute tension 42 interposé entre la source 15 et l'empilement de rondelles piézodiélectriques 14. On peut ainsi commander le déphasage du déphaseur à guide métallique et commande piézoélectrique. La figure 8 est-une variant-e-de-réalisation--du-déphaseur de la - figure 2. Une biplaque parallélépipédique 31, 32 dont la face métallisée 33' prend sous l'effet d'une tension de commande une forme concave ou convexe, est disposée dans le guide d'onde métallique 10. Les deux éléments de la biplaque sont alimentés en opposition et la face métallisée 33' peut prendre la forme convexe représentée sur la figure 8a, ou la forme concave contraire. - 9 - Dans les formes de réalisation du déphaseur décrites et dans les applications envisagées le plan conducteur mobile est parallèle à l'un des petits côtés du guide et les fentes rayonnantes transformant le déphaseur en antenne sont disposées sur un des grands côtés. Mais, pour certaines applications il est avantageux d'utiliser un plan conducteur mobile parallèle à un des grands c6tés du guide, les fentes rayonnantes étant disposées sur le petit c8té. - 10 - REV E N D I C A T I 0 N S I - Déphaseur pour micro-ondes et ondes millimétriques comprenant un guide d'onde métallique (10); au moins un plan conducteur (16) mobile, parallèle à un des côtés dudit guide; des moyens de déplacement dudit plan par rapport au guide entre une position dans laquelle ledit plan coincide avec ledit coté du guide et une position dans laquelle ledit plan est en avant ou en arrière du côté du guide; caractérisé en ce que lesdits moyens de déplacement comprennent une pièce en matériau piézoélectrique (16, 31-32) portant ledit plan conducteur et une source de courant variable (15) faisant varier au moins une dimension de ladite pièce. 2 - Déphaseur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le guide d'onde métallique comprend des perturbations spacialement périodiques le transformant en antenne et que ledit plan conducteur est déplaçable par rapport à la zone du guide présentant lesdites perturbations. 3 - Déphaseur conforme à la revendication 2 caractérisé en ce que lesdites perturbations périodiques sont des fentes (22) dans ledit guide d'onde métallique. 4 - Déphaseur conforme à l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la pièce en matériau piézoélectrique est un empilement d'éléments en matériau piézoélectrique dont l'épaisseur varie sous l'effet d'une tension de commande, un élément extrême de l'empilement portant le plan conducteur. 258 1255 - 11 - - Déphaseur conforme à l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la pièce en matériau piézoélectrique est une biplaque formée de deux éléments piézoélectriques excités en opposition dont la courbure varie sous l'effet d'une tension de commande, un des éléments de la biplaque portant fixé à son centre le plan conducteur. 6 - Déphaseur conforme à l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la pièce en matériau piézoélectrique est une biplaque formée de deux éléments piézoélectriques excités en opposition dont la courbure varie sous l'effet d'une tension de commande, la face extrême d'un des éléments de la biplaque étant métallisée et prenant sous l'effet de la tension de commande une forme substantiellement sphérique, cette face métallisée formant le petit c6té du guide. 7 - Déphaseur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesurer le déphasage de l'onde guidée entre deux pointes du guide d'onde métallique, des moyens de comparer ce déphasage à une valeur de consigne et un amplificateur de la tension d'activation de la pièce en matière piézodiélectrique ledit amplificateur étant commandé par le signal-sortant--des-moyens--- de comparaison.