Brevet FR2659808A1 — publié le 19910920

- Procédé pour appliquer des retards discrets à un signal, dispositif et système d'antenne hyperfréquence appliquant ce procédé La présente invention concerne l'application de retards discrets à un signal, notamment à un signal électrique d'hyperfréquence, ce dernier étant éventuellement modulé par un signal porteur d'information Elle s'applique notamment dans un système d'antenne à réseau. Un dispositif connu pour appliquer de tels retards comporte un émetteur optique modulable en intensité pour recevoir un signal à retarder constituant un signal dentrée et pour fournir en réponse une onde optique porteuse modulée par ce signal d'entrée, une fibre optique retardatrice pour recevoir cette onde et pour la guider en lui appliquant un retard, un récepteur pour recevoir cette onde en sortie de cette fibre optique retardatrice et pour fournir un signal de sortie représentatif de la modulation qui l'affectait, et des moyens pour commander le retard appliqué à cette onde. On constitue ainsi ce que l'on appelle généralement une "ligne à retard variable" Le besoin de tels dispositifs optoélectroniques dans le domaine des hyperfréquences a été souvent évoqué comme cela résulte de divers documents connus qui sont indiqués en fin de la présente description, en particulier du document numéroté 1. Les variations du temps de propagation de l'onde porteuse dans une telle ligne peuvent être discrètes grâce à une commutation de fibres de diverses longueurs. On utilise pour cela des commutateurs électro-optiques permettant de changer de fibre retardatrice à l'aide d'une commande électrique. Si l'on utilise un seul étage de commutation le nombre des fibres retardatrices d'un dispositif ainsi constitué est égal à celui des retards différents que l'on veut obtenir (voir document 2) Il est plus petit si l'on connecte plusieurs étages de commutation en serie (voir document 3) Mais il reste important si le nombre des retards est important. La présente invention a notamment pour but de diminuer le nombre des fibres retardatrices nécessaires pour pouvoir appliquer un nombre -2- donné de retards différents à un signal électrique. Et, dans ce but, elle a notamment pour objet un procédé consistant à mettre le signal à retarder sous la forme d'une onde optique guidée recevant un retard commandable, et caractérisé par le fait qu'on commande la direction de polarisation de cette onde avant de l'injecter dans un guide biréfringent qui lui applique ledit retard. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire ci-après comment la présente invention peut être mise en oeuvre, étant entendu que les éléments et dispositions mentionnés et représentés ne le sont qu'à titre d'exemples non limitatifs. La figure 1 représente une vue d'ensemble d'un dispositif retardateur selon la présente invention. La figure 2 représente un schéma par blocs d'un système d'antenne à réseau selon cette même invention. On va tout d'abord, en se référant à cette figure, indiquer de manière générale diverses dispositions qui peuvent être préférées pour la réalisation d'un dispositif salon l'invention et qui sont adoptées dans le dispositif donné en exemple Certaines de ces dispositions sont communes à ce dispositif et à un dispositif connu par les documents numérotés 2 et 3, alors que d'autres sont propres à l'invention. Selon une telle disposition commune le dispositif retardateur comporte un émetteur optique 2 recevant un signal d'entrée 4 à retarder qui est par exemple un signal électrique ou électromagnétique d'hyperfréquence Cet émetteur émet en réponse une onde optique modulée en amplitude par ce signal d'entrée La modulation peut éventuellement être réalisée dans un modulateur distinct associé à un laser émetteur Le dispositif retardateur comporte en outre au moins un étage de commutation comportant lui-même: un organe retardateur pour recevoir ladite onde optique et pour lui appliquer un retard pouvant présenter sur commande deux valeurs différentes, et un organe de commutation pour recevoir un signal de sélection de retard Sl correspondant à cet étage et pour commander en réponse le -3- retard appliqué par l'organe retardateur. Ce dispositif comporte encore un récepteur optique 8 pour recevoir l'onde optique ayant traversé au moins cet étage de commutation et pour fournir en réponse un signal de sortie 10 présentant au moins ledit retard par rapport au signal d'entrée. Dans un cas typique d'application de la présente invention ces signaux d'entrée et de sortie présentent une même forme, c'est-à-dire plus spécifiquement celle de signaux radioélectriques d'hyperfréquences. Selon une disposition propre à la présente invention l'organe retardateur est constitué par une seule fibre retardatrice Bl C' est une fibre optique biréfringente C'est-à-dire qu'elle présente deux directions principales transversales constituant une direction lente X et une direction rapide Y de sorte que deux ondes optiques de même fréquence polarisées selon ces directions lente et rapide se propagent dans cette fibre avec des vitesses relativement petite et grande en constituant une onde lente et une onde rapide, respectivement Cette onde lente reçoit ainsi un retard supplémentaire par rapport à cette onde rapide L'organe de commutation comporte alors au moins un commutateur de polarisation Cl qui est placé en entrée de la fibre retardatrice Bl et qui est commandé par le signal de sélection de retard 51 de manière à polariser ladite onde optique selon la direction lente ou la direction rapide de cette fibre Ledit retard supplémentaire constitue ainsi un retard commandé qui peut être appliqué ou non selon le signal de sélection de retard. Selon une dite disposition commune le dispositif comporte une succession d'étages de commutation Cl-Bl, C 2-B 2, C 3-B 3 qui sont connectés en série pour appliquer à ladite onde optique une succession correspondante de retards d'étages Chacun de ces derniers comporte un retard d'étage minimal et un retard d'étage commandé pouvant être présent ou absent selon la valeur dudit signal de sélection de retard correspondant Ces retards d'étage commandés appartiennent à une progression géométrique de raison X telle que R, R 2 = YX R 1,R 3 = () R On réalise ainsi un dispositif retardateur a commande numérique. Selon une dite disposition propre lesdites fibres retardatrices -4- Bl, B 2, B 3 desdits étages de commutation sont identiques les unes aux autres sauf quant à leurs longueurs, et ces longueurs sont proportionnelles auxdits retards d'étage commandés et appartiennent par conséquent à une progression géométrique correspondant à celle de ces retards et telle que L 1, L 2 = YX L 1, L 3 = (y)2 L 1. Dans l'exemple représenté le dispositif retardateur comporte un premier, un deuxième et un troisième étages de commutation comportant eux mêmes, respectivement, des organes de commutation Cl, C 2 et C 3 commandés par des signaux de sélection de retards Si, 52 et 53, et des fibres retardatrices Bl, B 2 et B 3 présentant des longueurs L 1, L 2 et L 3 pour appliquer des retards commandés R 1, R 2 et R 3. Le nombre de ces étages pourrait cependant être plus grand, un étage de rang N comportant une fibre retardatrice de longueur L = ()n L pour appliquer un retard commandé R = ()nl R 1. Conformément à la figure le dispositif donné en exemple comporte, outre les éléments précédemment mentionnés, une fibre optique pour raccorder l'émetteur optique 2 aux étages de commutation tels que Bl-Cl situés à distance de cet émetteur Cette fibre est du type dit à maintien de polarisation. Les organes de commutation tels que Cl sont réalisés en optique intégrée Ils reçoivent une onde optique qui a été polarisée linéairement par l'émetteur 2 lui-même mais qui pourrait l'avoir été en aval de cet émetteur Ils sont constitués par des convertisseurs de polarisation TE-TM tels par exemple que ceux décrits dans le document numéroté 4 Ils pourraient cependant aussi recevoir une onde optique comportant deux composantes présentant l'une une polarisation TE et l'autre une polarisation TM, et sélectionner de manière commandée l'une ou l'autre de ces composantes pour l'injecter dans les fibres retardatrices telles que Bl. Ces fibres retardatrices sont choisies pour présenter une forte biréfringence, avec un écart d'indice approchant un millième On peut consulter à ce sujet le document numéroté 5. A titre d'exemple une fibre biréfringente présentant un écart d'indice de 5 10-4 et une longueur de 60 m permet d'introduire un retard commandé équivalent à 3 cm de propagation dans le vide. -5- La présente invention a encore pour objet un système d'antenne à réseau. Le principe de tels systèmes est connu depuis longtemps (voir document 1) Pour l'émission ils sont constitués d'un réseau de sources rayonnantes constituant des antennes élémentaires et alimentées en énergie hyperfréquence par l'intermédiaire de déphaseurs Si la variation de phase le long du réseau suit une progression linéaire, une onde plane est formée Son orientation est fonction des déphasages Le plus grand déphasage nécessaire dépend de la dimension du réseau Il peut varier d'une à plusieurs longueurs d'ondes hyperfréquences. Pour de nombreuses raisons, en particulier le poids et l'encombrement, les guides d'ondes ou câbles coaxiaux peuvent être remplacés par des liaisons optiques pour assurer la distribution du signal hyperfréquence à l'intérieur du système (voir document 1) Le déphasage peut être réalisé soit sur des ondes optiques, soit dans le domaine hyperfréquence Les techniques optiques permettent potentiellement un gain de poids et des retards plus importants indépendants de la fréquence hyperfréquence ce qui est avantageux dans des systèmes à large bande. Un système d'antenne à réseau fonctionne aussi en réception dans ce cas, c'est la direction d'observation qui est sélectionnée par le choix des déphasages. Selon la présente invention de tels déphasages peuvent, aussi 2 S bien en émission qu'en réception, être réalisés sous la forme de dits retards commandés appliqués par des dispositifs retardateurs qui sont tels que celui précédemment décrit et qui constituent lesdits déphaseurs. De manière générale un système d'antenne à réseau selon la présente invention peut comporter les éléments suivants qui sont connus pour les fonctions indiquées: Un réseau d'antennes élémentaires 50 A, 50 B pour émettre ou recevoir des ondes radioélectriques libres d'hyperfréquences en recevant ou en fournissant des signaux électriques d'hyperfréquences correspondant à ces ondes, respectivement De telles antennes sont par -6- exemple des antennes réceptrices 50 A, 50 B etc (voir fig 2). Un circuit central pour émettre ou recevoir lesdits signaux électriques d'hyperfréquences vers ou à partir desdites antennes élémentaires, respectivement Un tel circuit est par exemple le circuit récepteur 52. Et des lignes composites correspondant respectivement auxdites antennes élémentaires pour transmettre chacune un signal électrique d'hyperfréquence avec un retard commandé entre ladite antenne élémentaire correspondante et ledit circuit central De telles lignes composites sont représentées à titre d'exemple sur la figure 2 dans le cas d'un système d'antenne utilisé en réception. Conformément à cette figure un premier élément d'antenne 50 A applique, par l'intermédiaire d'un amplificateur hyperfréquence 51 A, un dit signal d'entrée à un dispositif retardateur 54 A, qui fournit un signal de sortie hyperfréquence retardé par rapport au signal d'entrée. Après amplification dans un amplificateur commandable 55 A ce signal de sortie est appliqué au circuit central 52. L'ensemble des éléments 51 A, 54 A et 55 A constitue une première dite ligne composite. Un deuxième élément d'antenne et une deuxième ligne composite correspondante comportent des éléments analogues désignés par les mêmes numéros de référence mais avec la lettre B au lieu de la lettre A. D'autres éléments d'antenne et lignes composites ne sont pas représentés. Les retards appliqués par les dispositifs 54, 54 B etc sont commandées par des signaux de commande numériques 56 A, 56 B etc qui sont fournis par un processeur 58 en fonction de la direction d'observation souhaitée, et qui comportent chacun plusieurs chiffres binaires Ces chiffres sont constitués par des signaux de sélection de retards tels que Sl,52 et 53. Si la fréquence desdits signaux électriques est par exemple de 10 G Hz un dispositif retardateur tel que 54 A peut constituer un déphaseur -7numérique binaire à trois bits constitués par des signaux tels que 51, 52 et 53 Il comprend pour cela trois fibres retardatrices telles que B 1, B 2 et B 3 présentant un écart d'indice de 5 10-4 et des longueurs de 30 m, 15 m, et 7,5 m respectivement. La grande bande passante potentielle des commutateurs de polarisation utilisables dans les dispositifs retardateurs de ce système d'antenne permet de commuter très rapidement la direction d'émission (ou de réception) vers plusieurs cibles (ou émetteurs). Elle permet aussi d'asservir une direction moyenne de pointage en utilisant une méthode de modulation de direction analogue à celle utilisée en optique pour les miroirs à adaptation de phase. Les document auxquels il a été fait référence ci-dessus sont 'les suivants: l/Proceedings SPIE, vol 886, session 7 et 8, pp 213-255 ( 1988) 2/M Kondo, K Komatsu, Y Ohta, S Suzuki, K Nagashima, and H Goto. Proceedings I 00 C'83, p 437-439 ( 1983). 3/R A Soref, Applied Optics 23, pp 3736-37 ( 1984). 4/S Thaniyavarn, Appl Phys Letters 47, pp 674-677 ( 1985). 5/J Noda, K Okamoto an Y Sasaki, J Light Technology, LT 4, pp 1071 1089 ( 1986). -8 - REVENDICATIONS 1/ Procédé pour appliquer des retards discrets à un signal, consistant à mettre ce signal sous la forme d'une onde optique guidée recevant un retard commandable, et caractérisé par le fait qu'on commande la direction de polarisation de ladite onde optique avant de l'injecter dans un guide biréfringent qui lui applique ledit retard. 2/ Dispositif pour appliquer des retards discrets à un signal, ce dispositif comportant: un émetteur optique ( 2) recevant un signal d'entrée ( 4) à retarder et émettant une onde optique modulée en amplitude par ce signal d'entrée, et au moins un étage de commutation comportant lui-même un organe retardateur pour recevoir ladite onde optique et pour lui appliquer un retard pouvant présenter sur commande deux valeurs différentes, et un organe de commutation pour recevoir un signal de sélection de retard ( 51) correspondant à cet étage et pour commander en réponse le retard appliqué par ledit organe retardateur, ledit dispositif retardateur comportant encore un récepteur optique ( 8) pour recevoir ladite onde optique ayant traversé au moins ledit étage de commutation et pour fournir en réponse un signal de sortie ( 10) présentant au moins ledit retard par rapport audit signal d'entrée, ce dispositif étant caractérisé par le fait que ledit organe retardateur inclue une fibre retardatrice (Bl) unique qui est une fibre optique biréfringente présentant deux directions principales transversales constituant une direction lente (X) et une direction rapide (Y) de sorte que deux ondes optiques de même fréquence polarisées selon ces directions lente et rapide se propagent dans cette fibre avec des vitesses relativement petite et grande en constituant une onde lente et une onde rapide, respectivement, cette onde lente recevant un retard supplémentaire par rapport à cette onde rapide, ledit organe de commutation comportant au moins un commutateur de polarisation (Cl) qui est placé en entrée de ladite fibre retardatrice (Bl) et qui est commandé par ledit signal de sélection de retard (Sl) -9- de manière à polariser ladite onde optique selon ladite direction lente ou ladite direction rapide de cette fibre, ledit retard supplémentaire constituant ainsi un retard commandé qui peut être appliqué ou non selon ledit signal de sélection de retard. 3/ Dispositif selon la revendication 2 comportant une succession desdits étages de commutation (Cl-Bl, C 2-B 2, C 3-B 3) connectés en série pour appliquer à ladite onde optique une succession correspondante de retards d'étages, chacun de ces derniers comportant un retard d'étage minimal et un retard d'étage commandé pouvant être présent ou absent selon la valeur dudit signal de sélection de retard correspondant, ces retards d'étage commandés appartenant à une progression géométrique de raison Y (Rie R 2 = 1 X R,R 3 () R 1), de manière à réaliser un dispositif retardateur à commande numérique, ce dispositif étant caractérisé par le fait que lesdites fibres retardatrices (Bl, B 2, B 3) desdits étages de commutation sont identiques les unes aux autres sauf quant à leurs longueurs, ces longueurs étant proportionnelles auxdits retards d'étage commandés et appartenant par conséquent à une progression géométrique correspondant à celle de ces retards (L, L = X 1, = ( L 4/ Dispositif selon la revendication 2 dans lequel ledit récepteur optique ( 8) fournit ledit signal de sortie ( 10) sous la même forme que celle que présente ledit signal d'entrée ( 4). / Système d'antenne à réseau comportant: un réseau d'antennes élémentaires ( 50 A, 50 B) pour émettre ou recevoir des ondes radioélectriques d'hyperfréquences en recevant ou en fournissant des signaux électriques d'hyperfréquences correspondant à ces ondes, respectivement, un circuit central ( 52) pour émettre ou recevoir lesdits signaux électrique d'hyperfréquences vers ou à partir desdites antennes élémentaires, respectivement, et des lignes composites ( 51 A-54 A-13 A, 51 B-54 B-13 B) correspondant respectivement auxdites antennes élémentaires pour transmettre chacune un dit signal électrique d'hyperfréquence entre ladite antenne élémentaire correspondante et ledit circuit central, chacune de ces lignes composites comportant elle-même un dispositif retardateur ( 54 A, 54 B) pour appliquer un retard commandé audit signal électrique transmis par cette ligne, ledit système d'antenne étant caractérisé par le fait que ledit dispositif retardateur est un dispositif selon l'une quelconque des revendications 2, 3 et 4.