Brevet FR2693039A1 — publié le 19931231

i La présente invention a essentiellement pour objet une panneau atténuateur spatial hyperfréquence à commande électri- que. De façon plus précise, l'invention se rapporte à un pan- neau atténuateur spatial hyperfréquence commandé électriquement susceptible de laisser passer les ondes électromagnétiques émises ou reçues qui le traverse sans atténuation ni déforma- tion importantes lorsqu'il est dans un premier état électrique, et de les bloquer et absorber sensiblement totalement, lorsqu'il10 est dans un second état électrique. On connait déjà, comme décrit au brevet français numéro 79 02918 déposé par le même demandeur le 5 février 1979 pour un "filtre spatial adaptatif hyperfréquence", un dispositif per- mettant d'atténuer ou d'annuler certains lobes secondaires du diagramme de rayonnement d'une antenne hyperfréquence Selon ce brevet, le dispositif est composé de fils conducteurs parallè- les, parallèles au vecteur champ électrique E de l'onde émise par l'antenne, ces fils portant des diodes placées en séries et distribuées selon un pas constant sur chacun des fils Chaque20 fil porteur de diodes est alimenté en courant électrique de po- larisation des diodes dans le sens passant, par l'intermédiaire d'un commutateur qui permet de faire varier les intensités de ce courant continu dans une large gamme de valeurs du microam- père à la dizaine de milliampères En modulant l'amplitude du25 courant traversant ces fils, selon certaines lois, on crée des "trous" dans les directions des lobes secondaires que l'on veut atténuer Ce dispositif est efficace si la direction des ondes que l'on veut atténuer est relativement délimitée Par contre, si plusieurs directions doivent être occultées ou si les plages30 directionnelles sont trop étendues, le dispositif n'est plus efficace et des phénomènes parasites importants sont engendrés qui ne permettent plus une bonne exploitation des résultats. Conformément à la présente invention, le panneau atténua- teur spatial hyperfréquence utilise, comme le dispositif du brevet précité, au moins un réseau de rangées de fils ou tron çons de fils conducteurs parallèles tendus dans un plan sensi- blement parallèle au vecteur champ électrique E desdites ondes électromagnétiques, et lesdits fils sont interrompus de distan- 2 ce en distance par des éléments de résistance contrôlables va- riables tels en particulier que des diodes. Le dispositif selon l'invention se caractérise en ce qu'il comporte au moins deux réseaux de fils précités disposés l'un derrière l'autre à une distance (mesurée en espace libre constante diélectrique = 1) sensiblement égale au quart de la longueur des ondes électromagnétiques que l'on veut absorber ou laisser passer, et lesdits réseaux sont reliés à au moins un commutateur qui induit, au moins lorsque le panneau est absor-10 bant, des courants électriques dont la valeur est déterminée selon une relation définie d'un réseau à l'autre, la valeur de cette relation étant fonction des caractéristiques de construc- tion du panneau. Dans de telles conditions, lorsqu'on commande par le com- mutateur le passage de courants d'intensité importante (par exemple plusieurs milliampères) dans les fils, on a un panneau parfaitement transparent aux ondes électromagnétiques de l'an- tenne (coefficient de réflexion très faible: TOS toutes les ondes en provenance d'une direction dépointée de par exemple 400 par rapport à l'axe d'émission de l'an-_ tenne, sans introduire de perturbation notable du lobe principal.25 En d'autres termes, le panneau de l'invention présente une large dynamique d'atténuation en fonction des courants parcou- rant les fils diodes ( > 20 d B), sans induire de déphasage à la transmission et tout en conservant un coefficient de réflexion faible (TOS Ce panneau atténuateur spatial permet d'envisager toutes sortes d'applications et notamment le blocage des lobes secon- daires d'une antenne à balayage mécanique ou électronique dans la zone autre que celle visée par l'antenne comme il apparaîtra35 plus clairement à l'aide de la description qui suivra. Selon une autre caractéristique de l'invention, les per- formances du panneau sont considérablement améliorées en pré- voyant, transversalement aux réseaux de fils parallèles, et de préférence orientés sensiblement perpendiculairement à eux, des bandes ou pistes métalliques sensiblement continues, séparant lesdits éléments de résistance contrôlable montés sur lesdits fils d'un élément au suivant. Lorsqu'on procède ainsi, on élimine les phénomènes para- sites secondaires de résonance pouvant apparaître entre les fils et les diodes D'autre part, on utilise avantageusement ces pistes pour l'alimentation en courant requis desdits fils, pour obtenir à volonté la transparence du panneau ou au con- traire l'absorption. L'invention vise en outre un procédé d'utilisation d'un tel panneau qui se caractérise en ce que lorsqu'on veut rendre le panneau transparent aux ondes électromagnétiques on fait passer un courant important à travers les réseaux, par exemple de plusieurs milliampères, tandis que lorsqu'on veut rendre le panneau absorbant on y fait passer dans les deux réseaux conju- gués des intensités faibles de courant conjfuouées définies en fonction des caractéristiques de construction du panneau, occul- tant dans cesconditions la plus grande partie des ondes électro- magnétiques émises et/ou reçues qui traversent le panneau sans introduire de perturbation ou modification notables du lobe principal de l'antenne lorsqu'il est dépointé par rapport au panneau. L'invention, sa mise en oeuvre et ses applications appa- raîtront plus clairement à l'aide de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 montre en vue schématique le principe général de construction d'un réseau de fils entrant dans la construction d'un panneau conforme à l'invention; la figure 2 montre comme la figure 1 un schéma d'une variante de réalisation d'un tel réseau, cette vue étant faite selon la direction de la flèche II de la figure 3; la figure 3 est une vue en coupe faite sensiblement suivant le plan III/III de la figure 2; la figure 4 montre, vu de l'autre côté selon la flèche IV de la figure 3 le même réseau; la figure 5 est une vue schématique d'un autre réseau assurant un groupement différent des alimentations des fils 4 porteurs de diodes; la figure 6 montre en vue perspective avec arrachement une réalisation d'un réseau correspondant au schéma de la figu- re 5; 5 la figure 7 montre à plus petite échelle un panneau constitué de deux réseaux juxtaposés du type illustré aux figu- res 5 et 6, le fonctionnement de ce panneau étant commandé par un commutateur électronique; la figure 8 montre une application d'un tel panneau monté sur le radôme de protection d'un radar aéroporté; la figure 9 montre l'effet d'atténuation d'un panneau accordé à une antenne sur ses lobes secondaires. Selon le mode de réalisation illustré à la figure 1, un réseau conforme à l'invention comporte des fils conducteurs électriques 101, 10, 103,, tendus dans un plan sensible- ment parallèlement au vecteur champ électrique E des ondes électromagnétiques que l'on veut absorber ou laisser passer. Sur ces fils conducteurs sont montés en séries de distance en distance des éléments de résistance contrôlable variable tels20 que des diodes 111, 121, 131, 102, 1121 132, D'autre part sont prévues transversalement au réseau de fils parallèles, et de préférence orientées sensiblement perpendiculairement à eux, des bandes ou pistes métalliques repérées 20, 21,,24 Ces pistes métalliques séparent les éléments de résistance con-25 trôlable tels que 11 f, 1121 des éléments adjacents 121, 122, Dans l'exemple illustré, les pistes d'extrémité 20,24 servent respectivement à l'alimentation en courant électrique des fils alimentés en parallèle entre ces deux pistes Le géné-30 rateur éléctrique d'alimentation peut ainsi être simplement branché comme illustré en 30 et 31 respectivement à la piste 20 servant de collecteur d'entrée et à la piste 24 servant de col- lecteur de sortie. Dans ces conditions, il est possible de commander le passage dans le réseau de fils parallèle 101, 1021 103, de courants électrique d'intensité déterminée. Au contraire de ce qui était fait dans le brevet français susmentionné 79 02918 o l'on modulait l'amplitude du courant traversant le réseau des fils, de façon à pouvoir occulter cer- tains lobes secondaires d'une antenne, selon l'invention, on fait passer soit un courant relativement fort (plusieurs milli- ampères) dans le réseau de fils, soit un courant faible (quel- 5 ques microampères). Si en outre on prend le soin, conformément à l'invention, de placer parallèlement à ce réseau, un second réseau analogue (non représenté à la figure 1) séparé du premier réseau d'une distance (mesurée en espace libre, c'est-à-dire avec un coeffi- cient diélectrique égal à 1) sensiblement égale au quart de la longueur d'onde électromagnétique des ondes que l'on veut ab- sorber ou laisser passer, on constate les phénomènes suivants 10 Dans le cas o l'intensité qui traverse les réseaux est relativement importante, de l'ordre de plusieurs milliam- pères, le panneau constitué des deux réseaux ainsi juxtaposés esttransparent auxdites ondes électromagnétiques; tout se passe donc comme si il n'y avait pas de réseaux d'interception; ceci est également vrai s'il n'y a qu'un seul réseau. 20 Si par contre il passe dans les deux réseaux des courants faibles, de l'ordre de quelques microampères, le panneau est très fortement absorbant; il absorbera en général et couramment 99 % de la puissance reçue; cependant, si les cou- rants qui traversent chacun des deux réseaux ont deux valeurs conjuguées spécifiques qui sont fonction des caractéristiques25 de construction de chacun des réseaux, et qui peuvent être dé- terminées par exemple expérimentalement, on constate qu'une antenne hyperfréquence dépointée par exemple de 50 par rapport au panneau ne subira, du fait de la présence du panneau, aucune modification sensible de son spectre d'émission et plus parti-30 culièrement des lobes principaux de l'antenne, les lobes secon- daires correspondant à l'angle de site du panneau par rapport à l'antenne étant par contre pratiquement totalement absorbés. En d'autres termes, en faisant usage d'un panneau constitué de deux réseaux conjugués placés l'un derrière l'autre à une dis-35 tance égale au quart de la longueur d'onde d'émission de l'an- tenne et en faisant passer dans ces réseaux des courants fai- bles d'intensité conjuguée déterminée, on peut neutraliser et occulter toute une région dépointée par rapport à une direction 6 de balayage de l'antenne en interposant simplement entre le centre de l'antenne et les directions que l'on veut occulter un panneau conforme à l'invention. On se reportera maintenant aux figures 2 à 4 dans les- quelles on a illustré un mode de réalisation d'un réseau très semblable à celui de la figure 1, et qui n'en diffère que par le fait que les pistes métalliques intermédiaires 21, 22, 23 sont interrompues de distance en distance, par exemple une fois entre chaque couple de rangées adjacentes de fils tels que 101, 102 ' Seules les pistes extrêmes 20, 24 servant de collecteur de courant sont continues Cette modification améliore une bonne et équi distribution des courants dans les fils De fa- çon cependant que les pistes métalliques intermédiaires 21, 22, 23 formées des troncons juxtaposés 211, 212, 221,2221, soient radioélectriquement continues, on dispose avantageu- sement sur l'autre face de la plaque 1 formant support des ré- seaux de fils et des pistes métalliques des contrepistes 21 ', 22 ', 23 ' qui sont déposées au moins sensiblement comme illustré à la figure 4 en regard des intervalles ou coupures ménagés sur les pistes 21, 22, 23. On se reportera maintenant à la figure 5 dans laquelle on a illustré un autre groupement d'alimentation du réseau de fils tendus parallèlement au vecteur champ électrique E. Dans cet exemple, les fils parallèles sont constitués de tronçons alignés tels que 401, 411, 421 i 1402, 412, 422, 403 etc, 40 n, 41 n, Bien qu'à la figure on ait illustré que cha- que fil est constitué de trois tronçons successifs, il est bien évident que le nombre de ces tronçons peut être quelconque et qu'en pratique il sera beaucoup plus grand.30 Sur chaque tronçon de fils est monté un élément de résis- tance contrôlable tel qu'une diode 501, 511,50 N, 51 n, On remarque que d'une rangée de fils parallèles à la suivante les diodes sont montées en sens inverse. Chaque tronçon de fils est relié, d'une rangée à la sui- vante (les rangées étant disposées parallèlement au vecteur champ électrique E) par un tronçon de piste métallique comme les pistes des figures précédentes Ces tronçons ont été repérés à la figure 5 6001, 6023 61121 61341 65121, 65 n-l,n (dans cette numérotation les nombres indicés rappellent les rangées des fils reliées par le tronçon de piste correspondant). L'alimentation électrique de ces tronçons peut alors se faire simplement au moyen de deux collecteurs respectivement d'entrée 70 et de sortie 71 connectés aux tronçons appropriés tels que 601, 6201 ' 64 1, 60 n, 62 n, 64 n On constate que dans un tel montage toutes les diodes sont montées en série entre deux rangées de pistes adjacentes telles que 60-61, 62-63, 10 Les figures 6 et 7 illustrent une réalisation pratique d'un tel réseau et d'un panneau atténuateur hyperfréquence cons- titué conformément à l'invention de deux tels réseaux juxtapo- sés. Pour ne pas surcharger la figure on n'a repéré que quel- ques tronçons de pistes, diodes, et tronçons de fils, la con- cordance des figures 5 et 6 apparaissant de toute façon claire- ment. Les tronçons de pistes peuvent être constitués dans la pratique par des dépôts métalliques cuivrés de 35 microns d'épaisseur recouverts d'une couche d'or de 11 microns Les collecteurs d'entrée et de sortie de courant tels que 70, 71 sont formés par des pistes métalliques déposées de l'autre côté du panneau diélectrique support 2 qui peut avoir une épaisseur par exemple de 1,2 millimètres et être réalisé en un mélange25 de verre et de téflon, ayant une tangente de perte faible égale -3 à 2 10 et une constante diélectrique de l'ordre de 2,55 à 3000 MHZ. La liaison entre les collecteurs 70 et les tronçons de piste tels que 6001 6201 est réalisée par des trous métallisés 3 pouvant avoir un diamètre de 0,3 millimètre. La distance séparant deux rangées de fils diode peut être de cinq centimètres La distance séparant deux pistes métalli- ques entre lesquelles sont montés les fils diode peut être de 1,5 centimètres, la largeur desdites pistes pouvant être du mô- me ordre de grandeur La distance séparant deux pistes métalli- ques adjacentes non réunies par des fils diode, telles que 61 et 62 par exemple est de préférence réduite par exemple à 0,5 centimètre, l'écartement ayant été exagéré sur le dessin. Les réseaux sont avantageusement constitués par la tech- nique des circuits imprimés, le diamètre des fils déposés pou- vant être de 0,5 millimètre. En utilisation dans une bande de fréquence de 3000 MHZ (bande S) correspondant à une longueur d'onde de l'ordre de centimètres, le panneau sera constitué de deux tels réseaux juxtaposés séparés d'une distance sensiblement égale au quart de la longueur d'onde soit 2,5 centimètres dans l'exemple choi- si.10 Comme diode on utilisera par exemple des diodes PIN 5082-3080 présentant une capacité totale de 0,21 p F à moins V et une tension de claquage supérieure à 350 volts pour un courant de 10 microampères. Dans de telles conditions, pour une bande d'utilisation de 2900 à 3100 MHZ, le panneau pourra présenter deux états: état numéro 1: les réseaux étant alimentés en courant voisin de la saturation Il = I 2 = 20 m A, il est passif lais- sant passer plus de 99 % de l'énergie des ondes électromagnéti-20 ques qui le traversent et sans induire aucune déformation de ces ondes. état numéro 2 les réseaux étant traversés par des courants conjugués Il = 200 microampères et I 2 = 800 microampè- res, le panneau est actif présentant une atténuation supérieure25 à 25 d B, absorbant plus de 99 % de la puissance des ondes élec- tromagnétiques qui le traversent. Les courants en question sont fournis aux réseaux par tout dispositif d'alimentation électronique approprié 4 tel que schématisé à la figure 7. 30 Un tel panneau, comme il apparaît plus clairement à la figure 9 montre que si l'antenne est dépointée par exemple de 500 par rapport au panneau, il n'y a aucune modification sen- sible du spectre d'émission de l'antenne au voisinage du lobe principal, que le panneau soit passif (courbe extérieure) ou35 actif (courbe intérieure) Par contre, quand le panneau est actif, il y a pratiquement absorbtion totale des lobes secon- daires de l'antenne dans la région du panneau situé entre 45 et 90 de l'axe de l'antenne, ce qui se traduit sur la courbe de la figure 9 par l'aire hachurée représentative de l'énergie des 9 ondes absorbées dans cette région. Un tel panneau peut recevoir de nombreuses applications immédiates Par exemple, comme illustré à la figure 8, il peut être monté dans un radôme 5 aéroporté et disposé en partie basse comme schématisé en 6 pour occulter les effets parasites prove- nant de la terre, permettant ainsi un meilleur travail de l'an- tenne 7, effectuant une recherche d'objectif dans le plan de site par exemple entre les positions 7, 7 ' de l'antenne plate ici illustrée L'onde hyperfréquence émise est polarisée liné-10 airement, le vecteur champ électrique E étant dans le plan de site Dans une telle fonction de recherche, le panneau est actif, le passage des courants conjugués de valeur déterminée comme indiqué précédement étant alors appliqué Si l'on veut effectuer une recherche au sol, on rend le panneau passif en faisant passer15 dans les fils diode un courant important (en général le courant de saturation des diodes) rendant le panneau transparent. Le panneau peut également trouver application notamment sur des radars fixes au sol pour éviter des interférences nuisi- bles provenant par exemple d'autres radars voisins ou de cons-20 tructions métalliques proches telles que des hangars qui indui- raient autrement des effets parasites nuisibles. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation illustrés et décrits qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple, l'invention comprenant tous les équiva-25 lents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles- ci sont réalisées suivant son esprit et mises en oeu- vre dans le cadre des revendications qui suivent. Ainsi, notamment, bien qu'on ait décrit l'invention en référence à des panneaux plans, les panneaux peuvent être cour- bés par exemple cylindriquement ou sphériquement sans modifica- tion notamment pour s'adapter à la courbure du radôme de protec- tion de l'antenne. REVENDICATIONS 1 Panneau atténuateur spatial hyperfréquence commandé électriquement susceptible de laisser passer les ondes électro- magnétiques émises ou reçues qui le traversent sans atténuation ni déformation-importantes lorsqu'il est dans un premier état 5 électrique et de les bloquer et absorber sensiblement totale- ment lorsqu'il est dans un second état électrique, ledit pan- neau étant du type utilisant au moins un réseau de rangées de fils ou tronçons de fils conducteurs parallèles tendus dans un plan sensiblement parallèle au vecteur champ électrique E des-10 dites ondes, lesdits fils étant interrompus de distance en distance par des éléments de résistance contrôlables, varia- bles tels en particulier que des diodes, ledit panneau étant caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux réseaux de fils précités 101, 1021 * 401, 411,, 402, 4121 précités disposés15 l'un derrière l'autre à une distance (mesurée en espace libre coefficient diélectrique = 1) sensiblement égale au quart de la longueur des ondes électromagnétiques que l'on veut absorber ou laisser passer, et lesdits réseaux sont reliés à au moins un commutateur 4 qui induit au moins lorsque le panneau est absor-20 bant des courants électriques Il, I 2 dont la valeur est déter- minée selon une relation définie d'un réseau à l'autre, la va- leur de cette relation étant fonction des caractéristiques de construction du panneau. 2 Panneau selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on prévoit, transversalement aux réseaux de fils parallèles, et de préférence orientés sensiblement perpendiculairement à eux, des bandes ou pistes métalliques 20, 21,,60, 61, 62, sensiblement continues formant guides d'ondes séparant électro- magnétiquement lesdits éléments de résistance contrôlables 111,30 112,, 121, 122 501, 5021 51 f, 512 montés sur les- dits fils d'un élément au suivant. 3 Panneau selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits fils sont montés avec leurs éléments de résistance contrôlables sur une face d'un panneau diélectrique 1, 2 de35 qualité appropriée, et lesdites pistes sont montées perpendicu- lairement auxdits fils d'un côté et/ou de l'autre dudit panneau diélectrique. 4 Panneau selon la revendication 2 ou la revendication 3, il caractérisé en ce que lesdites pistes sont en contact électrique avec lesdits fils sur une face dudit panneau diélectrique. 5 Panneau selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites pistes 21, 22, 23 sauf les deux pistes extrêmes 20, 24, d'un réseau qui servent de collecteurs respectivement d'amené- et de sortie de courant de commande sont interrompues de distan- ce en distance, par exemple une fois entre chaque couple de ran- gées adjacentes de fils. 6 Panneau selon l'une des revendications précédentes, ca- ractérisé en ce que lesdits éléments de résistance contrôlables sont montés en séries par groupes, par exemple d'une dizaine à une vingtaine, et lesdits groupes sont alimentés électriquement en parallèle. 7 Panneau selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits groupes sont formés en rangées comprises entre deux pis- tes précitées 6 O-61, 62-63, parallèles adjacentes, lesdites diodes 501, 502 ',511, 512 * sont montées alternativement dans un sens et dans l'autre sur lesdits fils, et chaque piste est formée de tronçons séparés, successifs 600 l, 6023,,60 n20 6112 r 6134 ( qui sont chacun en contact électrique avec deux diodes adjacentes 501,502 sauf en ce qui concerne les tronçons d'extrémités 6001, 60 n, 62 1, 62 n, qui sont en contact avec le collecteur de mise sous tension 70, 71 desdits fils qui ne sont en contact qu'avec la diode d'extrémité 501, 50 n, 511, 51 n25 de la rangée. 8 Panneau selon la revendication 5 ou la revendication 7, caractérisé en ce qu'au droit des coupures formées sur lesdites pistes sont prévus de l'autre côté du panneau de courts tronçons de piste assurant la continuité -radioélectrique de la-piste.30 9 Procédé d'utilisation d'un panneau atténuateur spatial hyperfréquence selon l'une des revendications précédentes, ca- ractérisé en ce que ledit panneau étant associé à une antenne d'émission-réception, lorsqu'on veut rendre le panneau transpa- rent aux ondes électromagnétiques, on fait passer un courant im-35 portant à travers les réseaux, par exemple de plusieurs milliam- pères tandis que lorsqu'on veut rendre le panneau absorbant on y fait passer dans les deux réseaux conjugués des intensités fai- bles de courant conjuguées définies en fonction des caractéris- ques de construction du panneau, occultant dans ces conditions la plus grande partie des ondes électromagnétiques émises et/ou reçues qui traversent le panneau sans introduire de perturbation ou modification notables du lobe principal de l'antenne lors- qu'il est dépointé par rapport au panneau. Application d'un panneau selon l'une des revendica- tions 1 à 8 au radômes protégeant les antennes d'émission et/o réception d'ondes électromagnétiques hyperfréquences en vue d'atténuer les effets de réflexion et brouillage parasites pro- venant d'une région de l'espace dépointée par rapport au lobe principal de l'antenne, caractérisée en ce que ledit panneau est disposé à proximité de l'antenne dans ledit radôme dans la direction de la région dont on veut supprimer les effets.