Brevet FR2709209A1 — publié le 19950224

DEPILASEUR HYPERFREQUENCE ET APPLICATION A UNE ANTENNE RESEAUX L'invention concerne un déphaseur hyperfréquence et son application à une antenne réseaux. Plus particulièrement l'invention concerne un déphaseur à cristal liquide pour signaux hyperfréquences. Un tel déphaseur est adapté au contrôle de signaux dont la fréquence peut aller typiquement de 1 à 100 GHz. il comporte essentiellement un guide d'onde hyperfréquence rempli d'un matériau électrooptique dont on contrôle la permittivité notamment par des moyens électriques. La plupart des antennes à balayage électronique à Exception des antennes à modules actifs, utilisent des déphaseurs à ferrite ou à diodes (comme les antennes de type "RADANT"), contrôlés magnétiquement. Grâce notamment à leurs faibles pertes d'insertion, les déphaseurs à ferrite ont ravantage de supporter des puissances élevées. Cependant ils présentent les inconvénients d'être lourds, volumineux et relativement sensibles aux variations de températures. Des déphaseurs à diodes PIN sont principalement utilisés dans les antennes actives. ns présentent les avantages d'être légers, peu volumineux et assez insensibles aux variations de température ainsi que les inconvénients de pertes d'insertion plus élevées et donc d'une moins bonne résistance aux puissances élevées. Les déphaseurs à diodes sont essentiellement de deux types. - à commutation. Ils font circuler le signal dans les longueurs différentes de chemin et sont adaptés aux déphasages élevés (x12 ou - à perturbation. Ils ramènent sur la ligne de transmission des impédances variables et sont plutôt destinés aux faibles déphasages (7r/8 ou Le dispositif décrit selon l'invention utilise les propriétés électrooptiques d'un matériau tel qu'un cristal liquide remplissant un guide planaire de type "microstrip". L'invention concerne donc un déphaseur hyperfréquence caractérisé en ce qu'il comprend un guide d'onde hyperfréquence comportant un élément en matériau électrooptique compris entre deux éléments en matériaux de permittivités plus élevées que celles de l'élément en matériau électrooptique, des moyens d'application de champ électrique de polarisation permettant de commander le matériau électrooptique. Plus particulièrement, l'invention concerne un déphaseur hyperfréquence, caractérisé en ce qu'il comprend: - au moins une couche de cristal liquide enserrée entre une premier et une deuxième plaques de permittivités plus élevées que celles du cristal liquide, une première plaque comportant un conducteur ou ligne hyperfréquence capable de transmettre un signal hyperfréquence, - ainsi que des moyens d'application d'un champ électrique de polarisation au cristal liquide. Selon un mode de réalisation préféré, les moyens d'application du champ électrique de polarisation comportent des électrodes situées de part et d'autre du cristal liquide; l'une des électrodes est la ligne hyperfréquence et rautre électrode est située sur la deuxième plaque. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et qui décrit un exemple de réalisation non limitatif de l'invention ainsi que dans les figures annexées qui représentent: - la figure 1, un exemple de base de réalisation du déphaseur selon l'invention - la figure 2, un exemple de vue de dessus du déphaseur de la figure 1; - la figure 3, un autre exemple de réalisation de l'invention en vue de dessus; - la figure 4, un exemple de réalisation à plusieurs déphaseurs du dispositif de l'invention; - la figure 5, un exemple de réalisation du dispositif de l'invention avec des lignes hyperfréquences de différentes longueurs; - les figures 6 et 7, des exemples d'empilement de déphaseurs selon l'invention; - les figures 8a, 8b, une variante de réalisation du dispositif de déphaseurs selon l'invention; - les figures 9a et 9b, d'autres variantes de réalisation du dispositif de déphaseur selon l'invention; - la figure 10, un exemple d'application de l'invention à une commande d'antenne. En se reportant à la figure 1, on va donc décrire tout d'abord un exemple de réalisation de base du déphaseur selon l'invention. Une ligne hyperfréquence 2 (ou microstrip) est déposée sur une plaque de substrat 3 en matériau isolant présentant une permittivité s élevée. La plaque 3 est par exemple en alumine. En outre, une couche de polyimide d'épaisseur h recouvre le substrat ainsi que, très légèrement, la ligne hyperfréquence 2. Cette couche polyimide présente les caractéristiques d'une couche d'accrochage et d'orientation des molécules d'un cristal liquide qui va être mentionné ci-après. Un second substrat 4, par exemple également d'alumine, est métallisé sur l'ensemble de sa surface puis recouvert également d'une couche d'accrochage du cristal liquide de type polyamide. Des cales d'épaisseur 6 (film mylar, plots de polyimide...) sont disposées entre les deux substrats 3 et 4 qui sont ensuite scellés. la cellule ainsi constituée est remplie de cristal liquide 1. Les molécules du cristal liquide sont orientées par les couches de polyimide de sorte que les molécules soient parallèles aux parois, leur axe optique étant, par exemple, orthogonal à la direction de propagation d'une onde hyperfréquence dans la ligne hyperfréquence 2. La ligne hyperfréquence est adaptée à 50 fl de manière à minimiser les réflexions à ses extrémités. Les dimensions des plaques de substrats 3 et 4 sont choisies pour permettre les prises de contact nécessaires. Ainsi sur la figure 2, on voit que le substrat 3 permet des prises de contacts 12, 13 sur la ligne hyperfréquence 2 ainsi que 15 sur l'électrode 5 du substrat 4, celle-ci étant, par exemple, mise à un potentiel nul. Lorsque la ligne est excitée par un signal hyperfréquence de faible amplitude, le champ électrique Ehyp se propageant dans la structure est essentiellement polarisé verticalement (figure 1). Ce champ Ehyp est de plus principalement confiné dans la couche de cristal liquide à cause de la valeur plus élevée de la permittivité relative de alumine (supérieure à celle du cristal liquide). Ainsi, le champ électrique Ehyp est orthogonal à l'axe optique des molécules du cristal liquide 1. L'indice vu par le champ Ehyp est alors no. Au contraire, lorsqu'on superpose, dans la ligne, au champ Ehyp un champ électrique Eo, basse fréquence ou continu, d'amplitude suffisante pour redresser les molécules de cristal liquide, raxe optique des molécules devient parallèle à Ehyp et l'indice vu par le champ est alors ne. L'amplitude du champ Ehyp doit être inférieure à Seuil champ électrique pour lequel les molécules de cristal liquide se redressent. Si la longueur de ligne immergée dans le cristal liquide est 1, le temps T(V0) mis par l'onde associée à Ehyp pour traverser la structure vaut: ssc(VO) = l.n(VO)/c où c : vitesse de la lumière dans le vide VO: potentiel quasistatique appliqué sur la ligne correspond au champ E0 n(VO): indice effectifvu par le champ Ehyp SiVo Vsat: n= Vseuil Si le champ électrique à rentrée de la ligne hyperfréquence 2 est de la forme : Eincident = E1 cos 2itft, le champ électrique Ehyp à la sortie de la ligne est donc de la forme: Ehyp = E1 cos 2#f(t-#(V0)) = E1 cos[2#ft - 2#.f.l.n(f, VO)/c] où fest la fréquence du champ (f#quelques GHz). L'indice effectif n(f,V0) tient compte à la fois de la dépendance en tension mais également de la dispersion en fréquence du cristal liquide et du guide. Des mesures effectuées ont permis de mettre en évidence entre 2 et 18 GHz, une biréfringence #n = |ne - no|~ 0,1. Dans la suite on donne un exemple de réalisation d'un déphaseur fonctionnant à f= 10 G: - L'épaisseur e du cristal liquide est de 20 à 100 m, épaisseur pour laquelle l'alignement est encore homogène. - Les dimensions w et h de la ligne sont choisies de manière à ce que sa résistance soit négligeable et qu'elle présente une impédance caractéristique proche de 50 n. I1 a été montré que pour qu'une ligne hyperfréquence présente une impédance caractéristique Z = 50 n, lorsque la permittivité du milieu cristal liquide est rX il faut que le rapport w/e soit égal à: #r = 2 w/e = 3,4 #r = 5 w/e = 1,7 #r = 10 w/e=1,0 #r = 15 w/e=0,6 (voir document "Microstrip lines and Slotlines" K.C. Gupta, T. Garg, LJ. BaM - ArtechHouse, 1979). Les valeurs de 5r fournies sont des valeurs typiques pour les matériaux cristaux liquides. De plus, l'épaisseur h du conducteur doit satisfaire: p 1/w.h où p est la résistivité du métal constituant la ligne hyperfréquence. Dans le cas, par exemple, d'un dépôt de cuivre, où (p~1,7.10-8 #m) on a h 1 pu (pour 10cm) Ainsi une épaisseur h = 10 llm, facilement réalisable par recharge électrolytique, satisfait ces conditions. - La longueur 1 de ligne nécessaire pour permettre un contrôle de la phase entre O et 21r est donnée par: l=c/An.f Pour An = 0,1 on a ainsi: f= 10 GHz 1=30 cm f= 30 GHz 1=10 cm f= 100 GHz 1= 3 cm Pour f= 10 G, par exemple, la longueur de ligne hyperfréquence n'est pas nécessairement réalisée de manière rectiligne mais peut être plusieurs fois repliée tel que cela est représenté en figure 3. I1 suffit pour cela que les zones courbes, où l'orientation du champ électrique Ehyp par rapport aux molécules de cristal liquide est mal définie, soient déplacées en-dehors de la région remplie par le cristal liquide. Par ailleurs, indépendamment des pertes de transmission liée au cristal liquide, la ligne hyperfréquence présente des pertes métalliques dues à la géométrie (faible épaisseur de diélectrique) qu'on a pu estimer à sensiblement 10 dB/m à 10 GHz. Ce niveau est compatible avec rapplication envisagée. Selon les expériences réalisées, un tel dispositif fonctionne avec une tension de commande VO de l'orientation du cristal liquide qui n'excède pas la dizaine de volts du fait de la faible épaisseur de cristal liquide. Les temps de commutation, dans cette configuration peuvent être de l'ordre de la milliseconde. La figure 4 représente un exemple de réalisation de l'invention comportant plusieurs lignes hyperfréquences 2.1, 2.2, .. 2.n. Sur la figure 4, on a représenté uniquement que la plaque-3 portant les lignes hyperfréquences. La plaque 4 et le cristal liquide 1 n'ont pas été représentés et sont similaires à ceux de la figure 1. Les n lignes hyperfréquences 2.1 à 2.n constituent n déphaseurs commandables indépendamment. Elles sont alimentées chacune par un signal hyperfréquence. Pour les commander différemment il suffit d'appliquer indépendamment à chaque ligne hyperfréquence une tension de commande Eo particulière. Un tel déphaseur à plusieurs lignes hyperfréquences est envisageable sur une plaque de substrat de 10 x 10 cm2. Compte tenu de l'extension latérale des modes de guidés qui peut être de deux fois la largeur des lignes hyperfréquences, par exemple 2w = 200 uni, on peut aisément prévoir plus de 100 déphaseurs sur un même substrat 3. Une variante de réalisation du dispositif de la figure 4 est représentée en figure 5. Selon cette variante, les lignes hyperfréquences ont des longueurs différentes. Plus précisément les longueurs des lignes couplées au cristal liquide sont différentes. Par exemple selon la figure 5, on peut avoir des longueurs de lignes 1.1 à l.n qui diminuent progressivement de la ligne 2.1 vers la ligne 2.n. Dans ces conditions, pour avoir des déphasages différents avec les différentes lignes on peut appliquer un même champ électrique à l'ensemble du cristal liquide. Cela peut se faire en appliquant une même tension entre chaque ligne hyperfréquence et l'électrode 5 située de l'autre côté du cristal liquide. La figure 6 représente un mode de réalisation dans lequel on empile plusieurs dispositifs tels que celui de la figure 4. La commande de ce dispositif se fait en appliquant aux différentes lignes des potentiels qui peuvent être différents pour obtenir différents déphasages. Pour cela on peut appliquer des potentiels identiques à toutes les lignes d'une même plaque et d'avoir des potentiels différents d'une plaque à l'autre. On peut également avoir des potentiels différents sur une même plaque et également différents d'une plaque à l'autre. Selon une autre variante non représentée, l'invention prévoit d'empiler plusieurs dispositifs tel que celui de la figure 5. Les lignes de chaque plaque peuvent être commandées en commun par un même potentiel, chaque potentiel étant différent d'une plaque à l'autre. Enfin selon une autre variante représentée en figure 7, on peut empiler plusieurs dispositifs ayant chacun des lignes hyperfréquences de même longueur mais les longueurs étant différentes d'une plaque à l'autre. Les figures 8a et 8b représentent une structure dite de type "slotine" dans laquelle les lignes 31 et 32 sont suffisamment proches pour que le champ Ehyp soit polarisé parallèlement au substrat. Suivant les tensions continues appliquées sur les quatre électrodes 31, 32, 33, 34 on dispose d'un champ Eo orientant les molécules qui peuvent prendre toutes les orientations dans le plan orthogonal à la direction de propagation du champ Ehyp le long de la ligne 31. Ceci permet de forcer l'alignement des molécules sur le champ continu et donc de bénéficier de temps de réponse qui ne sont plus limités par la relaxation mécanique du cristal liquide lorsqu'on supprime le champ de polarisation appliqué. Un tel déphaseur selon l'invention présente les avantages suivants: - la structure selon l'invention est planaire; - il est possible de réaliser une commande électrique à bas niveau et obtenir une commande analogique des déphasages; - le dispositif obtenu est d'un faible coût grâce à l'utilisation de technologies largement développées dans les techniques de visualisation; - on a un faible encombrement en raison de la valeur élevée de An. Selon une autre variante de réalisation représentée en figure 9a, différentes configurations telles que celles représentées en figure 5 peuvent être réalisées sur une même plaque 3. On a ainsi plusieurs ensembles 41, 42, .. 4n de lignes hyperfréquences sur la même plaque 3. Les différents ensembles sont commandés par des tensions de polarisation V1, V2, Vn de valeurs différentes. Selon la figure 9b, on a réalisé plusieurs ensembles de lignes hyperfréquences 51, 52, ... 5n de longueurs différentes. Dans chaque ensemble les lignes hyperfréquences ont la même longueur. La commande en tension se fait par des générateurs V1 à Vm en nombre égal au nombre de lignes dans chaque ensemble. Le générateur V1 commande la première ligne de chaque ensemble. Le générateur Vm commande la dernière ligne de chaque ensemble. La figure 10 représente un exemple d'application du déphaseur selon l'invention à une commande d'antenne à balayage électronique. Ce système comporte un générateur hyperfréquence 60 émettant un signal hyperfréquence. Un répartiteur (ou diviseur) 61 reçoit sur une entrée ce signal hyperfréquence et le réparti sur plusieurs sorties. A ces sorties est connecté un dispositif déphaseur 62 tel que décrit précédemment, à chaque sortie du répartiteur étant connectée une ligne hyperfréquence du dispositif déphaseur. Chaque ligne hyperfréquence a sa sortie connectée à un filtre 63 qui élimine la tension de commande (Vpol) du dispositif déphaseur. Un amplificateur 64 amplifie le signal hyperfréquence et le transmet à un élément rayonnant de l'antenne 65. REVENDICATIONS 1. Déphaseur hyperfréquence caractérisé en ce qu'il comprend un guide d'onde hyperfréquence comportant un élément en matériau électrooptique (1) compris entre deux éléments (3, 4) en matériaux de permittivités plus élevées que celles de l'élément en matériau électrooptique, des moyens d'application de champ électrique de polarisation permettant de commander le matériau électrooptique. 2. Déphaseur hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend: - au moins une couche de cristal liquide (1) enserrée entre une premier et une deuxième plaques (3, 4) de permittivités plus élevées que celles du cristal liquide, une première plaque (3) comportant un conducteur (2) de ligne hyperfréquence capable de transmettre un signal hyperfréquence, - ainsi que des moyens d'application d'un champ électrique de polarisation au cristal liquide. 3. Déphaseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'application du champ électrique comportent deux électrodes (1, 5) situées de part et d'autre du cristal liquide (1). 4. Déphaseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'une des électrodes est la ligne hyperfréquence (2) et l'autre électrode (5) est située sur la deuxième plaque (4). 5. Déphaseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les faces des plaques (3, 4) en contact avec le cristal liquide (1) sont traitées de telle façon qu'en l'absence d'application de champ électrique au cristal liquide, les molécules de celui-ci ont leur axe optique aligné selon une direction parallèle au plan des plaques. 6. Déphaseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les faces des plaques (3, 4) en contact avec le cristal liquide (1) sont traitées de telle façon qu'en l'absence d'application de champ électrique au cristal liquide, les molécules de celui-ci ont leur axe optique aligné selon une direction parallèle au plan du conducteur (2). 7. Déphaseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le champ du signal hyperfréquence (Ehyp) est orienté perpendiculairement au plan des plaques (3, 4). 8. Déphaseur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte une troisième électrode (32) parallèle à la ligne hyperfréquence (31) pour orienter le champ du signal hyperfréquence (Ehyp) parallèlement au plan des plaques (3, 4). 9. Déphaseur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs électrodes (2.1 à 2.n) situées d'un même côté du cristal liquide, chaque électrode tenant lieu de ligne hyperfréquence et permettant chacune d'appliquer un champ électrique différent d'une électrode à une autre. 10. Déphaseur selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdites lignes hyperfréquences (2.1 à 2.n) sont parallèles entre elles. 11. Déphaseur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les longueurs des lignes hyperfréquences couplées au cristal liquide sont différentes d'une ligne à une autre. 12. Déphaseur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un empilement de plusieurs de dispositifs à cristaux liquides munis desdites lignes hyperfréquences. 13. Déphaseur selon l'une des revendications 9 ou 11, caractérisé en ce qu'il comporte un empilement de plusieurs dispositifs à cristaux liquides munis desdites lignes hyperfréquences. 14. Déphaseur selon la revendication 13, caractérisé en ce que les longueurs des lignes hyperfréquences couplées au cristal liquide sont égales sur une même plaque et différentes d'une plaque à une autre. 15. Déphaseur selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs groupes de lignes hyperfréquences (51 à 5n) de même longueur et de longueurs différentes d'un groupe à l'autre. 16. Déphaseur selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs groupes identiques de lignes hyperfréquences (41 à 4n) de longueurs différentes. 17. Déphaseur selon l'une des revendications 15 ou 16, caractérisé en ce qu'il comporte autant de sources de tensions de polarisation (V1 à Vm) qu'il y a de lignes hyperfréquences de même longueur, chaque source de tension de polarisation étant connectée à des lignes de longueurs différentes. 18. Application à une antenne réseaux de déphaseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins: - un générateur hyperfréquence (60) fournissant un signal hyperfréquence à une entrée de chaque ligne hyperfréquence du déphaseur (62); - des amplificateurs (64) ayant une entrée connectée à une sortie d'une ligne hyperfréquence; - des éléments rayonnants d'antenne (65) connectés chacun à une sortie d'un amplificateur (64); 19. Application à une antenne réseaux selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comporte des filtres (63) situés entre le déphaseur (62) et les amplificateurs (64) pour filtrer toute tension de polarisation du déphaseur.