Brevet FR2614136A1 — publié le 19881021

DISPOSITIF DE COMMANDE OPTIQUE D'UNE ANTENNE A BALAYAGE L'invention concerne un dispositif de commande optique d'une antenne à balayage et plus particulièrement un dispositif permettant de contrôler par ses moyens optiques le diagramme de rayonnement d'une antenne radar émettant par exemple dans la bande de fréquence 1 - 12 GHz. Le dispositif proposé assure en particulier la fonction de balayage angulaire du faisceau radar à partir du contrôle de la phase de chaque élément de l'.antenne. L'invention est applicable aux antennes à balayage électronique dont chaque élément rayonnant est v.ommandé électroniquement indépendamment de façon à obtenir un balayage pour l'antenne. Le balayage électronique permet de mdifier la position du faisceau de balayage. Le balayage du faisceau doit être effectué rapidement comparé au temps de répétition du radar. Pour obtenir ce balayage rapide la.ommande électronique, selon un procédé connu dans la technique, consiste à agir sur les phases respectives des commandes des divers éléments rayonnants. Il convient donc d'effectuer une *ommande de phase rapide. Pour cela, un déphaseur hyperfréquence est associé à chaque élément d'antenne. Ces déphaseurs présentent 2r l'inconvénient de consommer beaucoup de courant et d'être encombrant. L'invention concerne un dispositif de commande opt ique des éléments d'antenne permettant d'éviter l'utilisation de ces déphaseurs hyperfréquences. L'invention concerne donc un dispositif de command,, optique d'une antenne à balayage comprenant un réseau d'éléments d'antenne, les différents éléments étant arrangés selon un ordre déterminé et commandés chacun par un générateur hyperfréquences, caractérisé en ce qu'il comporte également: - une source lumineuse émettant simultanément,1u moins deux faisceaux colinéaires de fréquences différentes 2 6 1 4 1 3 6 - des moyens de transmission optiques déterminant autant de chemins optiques qu'il y a de générateurs hyperfréquences, arrangés selon le même ordre déterminé que celui des éléments d'antenne, chaque chemin optique ayant une entrée recevant les deux faisceaux émis par la source laser et le retransmettant à une sortie, et chaque chemin optique de rang déterminé (2 par exemple) ayant une longueur supérieure à celle di, chemin optique de rang inférieur selon l'exemple pris; - un ensemble de photodétecteurs, chaque photolétecteur étant couplé optiquement à une sortie d'un chemin optique, détectant l'intensité lumineuse provenant de cette eortie et fournissant à un générateur hyperfréquence un signal de commande d'intensité dont la fréquence traduit le battement dû aux deux fréquences des deux faisceaux émis par la source laser. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans les description qui,a suivre faite en se reportant aux figures annexées qui représentent: - la figure 1, une représentation simplifiée d'une antenne à balayage électronique selon l'art connu; - la figure 2, un diagramme de fonctionnement d'unr antenne à balayage électronique selon l'art connu - la figure 3, un dispositif de commande optique, selon l'invention, d'une antenne à balayage électronique; - la figure 4, un dispositif de commande optique plus complet d'une antenne à balayage électronique; -la figure 5, un exemple de réalisation d'un modulateur utilisé dans un dispositif de commande optiqu ô selon l'invention; - la figure 6, une variante de réalisation d'un dispositif de commande optique, selon l'invention, d'une antenne à balayage électronique; - la figure 7, une autre variante de réalisation d'un dispositif de commande optique, selon l'invention, d'une antenne à balayage électronique. - la figure 8, une variante de réalisation du dispositif de commande optique de la figure 3 applicable également aux autres exemples de réalisation. En se reportant aux figures 1 et 2, on va toul d'abord décrire de façon générale un dispositif de commandle d'une antenne à balayage électronique. La figure i représente unréseau linéaire d'éléements E1 à EN d'antennes dont le lobe principal d'émission est dirigé dans une direction telle que le plan d'onde rayonnée fait un angle e avec le plan du réseau d'antenne. Ce diagramme de rayonnement résulte d'une commande individuelle de chaque élément de l'antenne par une loi linéaire de phase (x) 2 x x x e Dans cette formule on a X = longueur d'onde émise, e = angle que fait le plan d'onde rayonnée avec le plan du X réseau d'éléments d'antennes, = longueur d'une partie du réseau d'antenne pour laquelle on obtient un déphasage de 2 Â1 radians. En pratique, l'émission du faisceau autour d'une direction sera obtenue en limitant l'excursion de phase à l'intervalle 0-211 et en commandant chaque antenne él]mentaire par des incréments d'amplitude 21/N, N étant le ncmbre de niveaux de quantification de la loi de phase. Comme cela est représenté en figure 2, pour une série d'éléments E1 à EN on obtient une loi de commande de phase dans laquelle la,ommande de chaque é, ment est déphasée de 211/N par rapp ort aux éléments volsl: s. Il en est de même pour une aut re série d'éléments E'l à E'N. Ces techniques d'adressage basées sur une fonction d'échantillonnage de la distribution spatiale de la phase permettent donc le contrôle du diagramme de rayonnement du réseau d'antennes et assurent en particulier les fonc tions de 2 6 1 4 1 3 6 déflexion et/ou de focalisation du faisceau. Ces principes nécessitent donc la mise en oeuvre de réseaux de dûphaseurs hyperfréquences induisant par exemple, pour N = 4. les déphasages 0; Â/4; 31/4; 2 ÂT. Ces réseaux de déphaseurs hyperfréquences sont encombrants, coûteux et nécessitent une forte consomniation de courant électrique. C'est pourquoi l'invention concerne un dispcitif de commande de phase à faisceaux optiques permettant d'éviter les inconvénients des systèmes connus. La figure 3 représente un exemple de réalisation du dispositif selon l'invention. Ce dispositif comporte: - une source laser SL émettant simultanément deux faisceaux colinéaires à fréquence w 0 et w 1 = w 0 + à w. - un ensemble de N modulateurs spatiaux M1, M,....MN) parallèles entre eux et distants les uns des autres d'une distance d. Chaque modulateur spatial est constitué dle n x n cellules dont la réflectivité peut. être commandée par l'intermédiaire de tensions Vx V appliquées Fur des xy électrodes de lignes et colonnes; - un miroir semi-réfléchissant MS1 permet de réfl,úchir les deux faisceaux émis par la source laser vers les modulateurs; - un réseau de n x n photodétecteurs recevPnt, par l'intermédiaire du miroir semi-réfléchissant MS, les signaux optiques à fréquences w 0, w 1 ayant subi respe tivement les déphasages p 0et p1 tels que =0 =, 2 d (N- 1) Cç 1 2 d (N 1) I c 2 6 1 4 1 3 6 Dans ces formules, c représente la vitesse de la lumière, d représente la distance entre deux modulateurs et N le nombre de modulateurs. - un réseau de n x n générateurs hyperfréquences commandés par le signal issu de chaque photodétecteur. En particulier la phase du signal de battement entre les deux faisceaux à fréquence w 0 et w 1 servira de pilote aux phases relatives entre les n x n éléments de l'antenne. Comme cela est représenté sur la figure 3, chaque modulateur M1 à MN réfléchit une partie des faisceaux reçus de la source SL vers un photodétecteur P1 à PN, tandis qiiu'il laisse passer vers le modulateur suivant le reste des faisceaux. Par exemple, le modulateur M1 réfléchit une partie des faisceaux et transmet le reste de la lumière vers les modulateurs lM2 à MN. Les photodétecteurs P1 à PN reçoivent des faisceaux lumineux ayant subi des déphasages plus ou moins importants dus à la distance parcourue par les faisceaux lumineux selon le modulateur qui a réfléchi la lumière. Le signal reçu par chaque photodétecteur dû au I attement des ondes à fréquences w 0 et s'écrit i = z[ e Jeo (t-z/c) e 3Jw1(t- z/c)] Dans cette formule on a: t = temps à un instant donné, z = distance parcourue par la lumière à l'instant t. c = vitesse de la lumière. Le photocourant détecté iph résultant de ce! attement d'ondes est pro %ortionnel au carré de i iph a IlI Le photocourant iph est donc proportionnel à iph a I + cos [ w.t - àw. z] c 2 6 1 4 136 La phase cp du signal hyperfréquence à fréquence A w est donc fonction de la distance parcourue par les faisceaux Issus de la source SL est donc déterminé par la distance d entre modulateurs spatiaux: = 2r Aw z/c Si on choisit, comme représenté sur la figure 2, N niveaux de phase, la distance d entre modulateurs spatiaux M11 à MN conduisant à un incrémant de 2Â/N, vaut c d - 21TAw Selon le schéma de principe de la figure 3, le déphasage P P N p étant le numéro d'ordre du modulateur spatial P. Un exemple de réalisation d'un modulateur spatial a été représenté en figure 5. Il comporte une matrice d'éléments commandés par des électrodes de lignes et de colonnes. Dans cette matrice à n lignes et m colonnes, un seul point de croisement est commandé pour réfléchir la lumière. Les autres points de croisement sont commandés pour la transmettre. Le modulateur spatial assure donc une réflexion contrôlée de l'onde incidente en un seul point de coordonnées -Y sous l'action de tensions appliquées Vx et Vy. Le nonbre de points m x n correspond au nombre d'éléments de l'antenne soit 3 S m.n dans le cas o la distance entre éléments est de l'.rdre de 0,6 À: S surface de l'antenne A: longueur d'onde d'émission. On peut également prévoir d'avoir un nombre n de lignes égal au nombre de colonnes. On a alors n2 3 S i2 La réalisation des modulateurs spatiaux peut faire appel à divers effets physiques. Les effets physiques utilisables pour la réalisation d'une telle fonction sont les suivants: variation d'indice dans les cristaux liquides conduisant à une variation de réflectivité de l'interface substra' cristal liquide ( A n - 0,2). - électroréflectance dans les matériaux semicondu en particuliers dans les structures à multi-puits quantiques. On peut également prévoir plusieurs groupes d'éléments d'antenne commandé chacun sur un déphasage de 211 Sur la figure 4 par exemple, on a représenté deux groupes d'éléments d'antenne E1 à EN et E'l à E'N commandés par deux groupes de photodétecteurs P1 à PN et P'l à P'N chaque groupe étant commandé par un même ensemble de modulateurs spati ux M1 à MN. En se reportant à la figure 6, on va maintenant dé,rire une variante de réalisation du dispositif de l'invention. Dans cette configuration, tous les modulateurs spatiaux M1, M2 à MNL- sont éclairés simultanément par transmission à partir de lames semitransparentes MT1, MT2,... MTN et d'une source laser unique émettant sur les deux fréquences w 0 et ( 1- Les lames semi-transparentes sont parallèles alignées selon la direction des faisceaux émis par la source SL. A chaque modulation M1 à MN est associé une lame semi-transpareute MT 1 à MTN. Le modulateur spatial fonctionne par variation locale de transmission, contrôlée sous l'action de tensions appliquées VX et Vy. Un certain nombre de ces dispositifs e::istent à partir des effets suivants: - biréfringence induite dans les cristaux liquides nématiques adressés par TFT, diffusion contrôlée dans les cristaux liquides smecl iques, - déformation locale de membrane, - blréfringence induite par effet magnéto- optique. Suivant les dispositifs utilisés les temps de corlmutation d'un point élémentaire varient de T = 10 ns (magnéto-optique, semi-conducteur.. .) A T 10 ms (cristaux liquides). A chaque modulateur spatial M1 à MN est associé un autre miroir semi-transparent MU1 à MUN situé de l'autre côté du modulateur spatial par rapport aux miroirs semi-traisparents MT1 à MTN. Les miroirs semi-transparents MU1 à "UN sont parallèles et alignés selon une même direction de façon à renvoyer la lumière vers les photodétecteurs P1 à PN dont les sorties sont connectées aux générateurs hyperfréquen, es G1 à GN non représentés. La commande des modulateurs M1 à MN est telle qui chaque modulateur transmet une partie des faisceaux lumineux. émis par la source, vers un seul photodétecteur. Les photodétecteurs P1 à PN reçoivent des faisceaux lumineux ayant parcourus des chemins différents, la longueur des trajets augmentant avec les numéros d'ordre 1 i N des photodétecteurs P1 à PN. Les différences de trajets et de ce fait les positions respectives des modulateurs sont pré 'us pour obtenir, entre deux modulateurs voisins, un déphasage de 211/N soit un déphasage de 211 entre le modulateur M1 et le m >dulateur MN. En se reportant à la figure 7, on voit que selon lune autre variante de réalisation de l'invention, le systèmen de la figure 6 est également applicable en utilisant des modlulateurs fonctionnant en réflexion. Les modulateurs M1, M2,... MN sont alignés dans un même plan selon une même direction. La source lumineuse SL émet les deux faisceaux lumineux colinéaires de fréquences w 0 2 6 1 4 1 3 6 et w 1 vers un miroir semi-réfléchissant MW. Celui-ci retransmet les deux faisceaux selon une direction paraqlèle à la direction d'alignement des modulateurs M1 à MN. A chaque modulateur M1 à MN est associé un miroir semi-réfléchis ant MV1 à MVN. Les miroirs MV1 à MVN sont alignés selon la direction des faisceaux et chacun d'eux réfléchit une partie des faisceaux lumineux vers le modulateur associé. Chaque modulateur est commandé de façon qu'une seule de ces zones (ou parl ie de sa surface) réfléchisse une partie des faisceaux vers le miroir associé. Le miroir associé réfléchit cette partie de faisceau vers un photodétecteur P1,... PN, à travers Il miroir semi-réfléchissant MW. C'est ainsi que le modula leur M1 réfléchit une partie des faisceaux de fréquences 0 vers le photodétecteur P1 et le modulateur MN en réfléchit une autre partie vers le photodétecteur PN. Pour des fréquences inférieures à 4 GHz (bande S), les deux ondes w 0 et w 1 sont facilement générées à partir d'une cellule acousto-optique commandée par ur signal hyperfréquence A L = w 1 w O' L'absorption ultrasonoi e limite l'emploi de ces cellules pour les fréquences plus éleves (4 à 12 GHz). Dans ce domaine, on peut obtenir l'écart de f réquence souhaité par: - association de cellules de Bragg, - battement entre deux modes d'une même cavité laser (laser gaz; laser semiconducteur) , - battement entre deux lasers monofréquences indépendants présentant un écart de fréquence égal à a w (Lasers semiconducteurs). Une amél -ration intéressante au dispositif cousiste à utiliser un réseau de n2 fibres optiques monomodes de même longueur pour la transmission du signal vers le réseau de photodétecteurs. Ces fibres rendent la partie émi:sion de l'antenne indépendante du processeur optique assurant le contrôle des déphasages. En appliquant cette disposition au système de la figure 3, on obtient un système tel que représenté en figure 8 dans lequel les différentes parties de faisceaux lumineux réfléchies par les modulateurs MI, M2,.. MN sont retransmises par des fibres F1, F2,.. FN aux photodétecteurs P1, P2,. .PN. Compte tenu de la..DTD: description qui précède, les différentes fibres Fl, F:2,... FN doivent avoir la même longueur à moins que l'on désire qu'elles introduisent des déphasages, dans lequel cas on les prévoiera de longueurs différentes. A titre d'exemple non limitatif, on va maintenant dnner un exemple numérique de réalisation permettant d 'illustrer l'invention. On dispose d'une antenne de surface S = 10 m2 La fréquence de détection doit être à f = 5 GHz soit une longueur d'onde émise par l'antenne de X = 6 cm. Le nombre d'éléments de l'antenne, pour un espacement des éléments égal à 0,6 À, est 2 -2 n = 3 S À Dans l'exemple de réalisation de la figure 3, si "n prend quatre niveaux de phase (N = 4), la distance d entre modulateurs spatiaux est kX C d = 2 2E d- + 2NAF d 2 + 0,75 (cm) La puissance optique à la réception pour la détection de battements entre les deux ondes lumineuses à fréquence w O et w 1 tel que: Aw = l = 5 GHz et pour un rapport signal/bruit = S/B = 30 dB a pour valeur: p = 10 p w. 3G La puissance ïaser émise sur les fréquences w et c doit être 2 6 1 4 1 3 6 Z614136 il 2p PL = ngPo soit: PL = 100 mW Pour obtenir la différence de fréquence. on utilise donc un translateur de fréquence ayant deux cellules de Bragg en LiNbO3 fonctionnant à 2,5 GHz. Les modulateurs spatiaux seront chacun sous forme d'une matrice de points avec un nombre de point égal à 100 >100. La dimension de chaque point pourra être de 30 x 30]um. Le dispositif de commande de balayage d'une antenne ainsi décrit présente les avantages suivants: - Contrôle de la phase du signal hyperfréquence pal retards optiques programmables sur des modulateurs spatiaux. Le dispositif évite donc l'emploi de déphaseurs hyperfréq,ences et de leurs systèmes d'alimentation. - Les modulateurs spatiaux éclairés par la soui ce laser peuvent être remplacés par des réseaux bidimensionels de lasers semiconducteurs. - Il est possible de faire varier les fréquences wo0et w 1 du faisceau incident (agilité de fréquence). Il est bien évident que la description qui précède n'a été faite qu'à titre d'exemple non limitatif. D'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention et les valeurs numériques n'ont été fournies uniquement que pour illustrer la description. 2 6 1 4 1 3 6 REVENDICATIONS l.Dispositif de commande optique d'une antenne à balayage comprenant un réseau d'éléments (El,... EN) d'antenne (A) les différents éléments étant arrangés selon un ordre détrrminé et commandés chacun par un générateur hyper! réquence (Gl,... GN), caractérisé en ce qu'il comporte également une source lumineuse (SL) émettant simultanément au moins deux faisceaux colinéaires de fréquences différentes ( O, 1), - des moyens de transmissions optiques déterminant autant de chemins optiques (Cl,... CN) qu'il y a de générateurs hyperfréquences (G1,... GN), arrangés selon le même ordre déterminé que celui des éléments d'antenne (El,... EN), chaque chemin optique ayant une entrée recevant les deux faisceaux émis par la source laser et le retransmettant à une sortie, et chaque chemin optique de rang déterminé (C2 par exemple) ayant une longueur supérieure à celle du chemin optique de rang inférieur (C1 selon l'exemple pris); - un exemple de photodétecteurs (Pl,....PN), chaque photodétecteur étant couplé optiquement à une sortie d'un chemin optique, détectant l'intensité lumineuse provenant le cette sortie et fournissant à un générateur hyperfréquence ((I à GN) un signal de commande d'intensité dont la fréquence t raduit le battement dû aux deux fréquences des deux faisceaux émis par la source laser (SL). - 2. Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de transmission comprennent autant de modulateurs spatiaux (M1,...MN) à réflectivité contrôlée qu'il y a de chemins optiques, les différents modulateurs recevant les deux faisceaux émis par la source laser, chaque modulateur (Ml,...MN) réfléchissant les deux faisceaux vers un photodétecteur (Pl,... PN). 3. Dispositif de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce que les distances séparant les différents 26 1 4 1 3 6 modulateurs (M1,....MN) de la source lumineuse (SI,) étant différentes. 4. Dispositif de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un miroir semi-réf1chissant (MS1) recevant, d'une part, les deux faisceaux lumineux provenant de la source lumineuse (SL) et les retransmet tant aux modulateurs et, d'autre part, les faisceaux réfléchis par les modulateurs et les retransmettant aux photodétecteurs. 5. Dispositif de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce que les modulateurs sont des modul teurs de forme plane disposés parallèlement. 6. Dispositif de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque modulateur comporte une cellule à cristal liquide. 7. Dispositif de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque modulateur est un dispositif à biréfringence induite par effet magnéto-optique. 8. Dispositif de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque modulateur est un dispositif en matériaux semiconducteurs dont les propriétés de réflexion sont commandés électriquement. 9. Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de transmission comportent pour chaque chemin optique (Cl,... CN) une fibre optique (F1,... FN). 10. Dispositif de commande selon la revendic.ttion 1, - caractérisé en ce que les moyens de transmission comportent autant de modulateurs spatiaux (M'1,...M'N) à transmission contrôlée qu'il y a de chemins optiques, chaque modulateur recevant les deux faisceaux provenant de la source lumineuse (SL) et les retransmettant vers un photodétecteur. 11. Dispositif de commande selon la revendication 10, caractérisé en ce que les différents modulateurs sont disposés selon une direction, la source lumineuse (SL) émettant lesdits faisceaux lumineux parallèlement à cette direction, le: moyens de transmission comportant en outre une première série de miroirs semi-réfléchissants (MT1,... MTN) disposés selon la direction desdits faisceaux lumineux, chaque miroir (MT1,...MTN) étant associé à un modulateur de faç,In à lui transmettre une partie des deux faisceaux lumineux. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de transmission comportent une deuxième série de miroirs seml-réfléchissants (MU1,... MUN) associés,-hacun à un modulateur, disposés selon une direction parallèle auxdltes directions précédentes, et réfléchissant les faisceaux lumineux traversant chaque modulateur vers un photodétecteur. 13. Dispositif de commande selon la revendication 2, caractérisé en ce que les modulateurs sont disposés selon une direction, la source lumineuse (SL), émettant lesdits faisceaux lumineux parallèlement à cette direction, les moyens de transmission comportant une série de miroirs semi-réfléhissants (MV1,... MVN) disposés selon la direction desdits faisceaux lumineux, chaque miroir (MV1....MVN) étant associé à un modulateur de façon à lui transmettre perpendiculairement une partie des deux faisceaux lumineux.