Brevet FR2714768A1 — publié le 19950707

i L'invention a pour objet.un dispositif de balayage électroniqueà lentille activeetsource illuminatrice intégrées pour la commande d'un faisceau hyperfréquence. Dans une antenne à balayage électronique composée d'un illuminateur et d'une lentilleactive,certainsphéncmènes bien connus de réflexions multiples peuvent apparaître. En fonction du type d'illuminateurs utilisés, ces réflexions peuvent avoir des conséquences différentes, telles que par exemple: - une augmentation du rayonnement diffus pour une antenne à réflecteur, - l' apparition d'un lobe secondaire pour une antenne dalle. L'amplitude de ces perturbations dépend principale- ment du coefficient de réflexion de l'illuminateur pour les ircidences extérieures au lobe principal. Même pour une antenne réseau dite "magique" (c'est-à-dire réalisée à par- tir de diviseurs de puissance adaptés), le coefficient de réflexion dépend des couplages entre éléments rayonnants. Il n'est donc pas possible de l'annuler pour toutes les incidences. L'invention a pour objet d'éviter ces phénomènes parasites en éliminant les coefficients de couplage de l'illuminateur et de la face d'entrée de la lentille, par introduction des éléments rayonnants de l'illuminateur à l'intérieur de la lentille. De façon pratique, le dispositif de balayage élec- troniqueàlentille activeetsourceilluminatrice intégrées conforme à l'invention se caractérise en ce qu'il comprend: - un empilage de canaux superposés séparés les uns des autres par des plans métalliques minces dirigés sensiblement perpendiculairement au champ électrique E du faisceau traité, - un plan métallique de court-circuit fermant les- dits canaux d'un côté, arrière, et reliant tous lesdits plans de séparation à la masse, - un organe d'illumination ou illuminateur placé dans chaque canal près dudit plan métallique de court circuit, - des organes de déphasage par incréments disposés dans lesdits canaux, les uns derrière les autres, - des moyens radioélectriques associés à chaque illumina- teur pour émettre et recevoir, - des moyens de commande électronique associés à chaque organe de déphasage pour commander chacun de ces organes dans l'un ou l'autre de deux états, actif ou passif. t typedelentilleactiveutilisée est avantageusement du type décrit au brevet de la demanderesse France n 79 27873 du 13 novembre 1979. Dans un tel type de lentil- le o la largeur des canaux est voisine d'une demi-longueur d'onde, un illuminateur particulièrement bien adapté est du type "ligne serpent", chaque illuminateur étant consti- tué de façon pratique par un circuit imprimémétallique sur une barrette support en matériau diélectrique de largeur sensiblement égale à celle des canaux dans lesquels la barrette s'insère. Les organes de déphasage sont avantageusement cons- titués, quant à eux, par des barrettes support en matériau diélectrique de largeur sensiblement égale à celle des canaux dans lesquels la barrette s'insère, lesdites bar- rettes portant,imprimés sur elles, destronçansdefilsmétailiques conducteursorientés, lcrsquelesbarrettes'sontenplace, perpendicu- lairement auxdits plans de séparation, lesdits tronçons étant réunis entre eux en série par des pistes métalliques dirigées perpendiculairement auxdits tronçons, et réparties selon deux lignes parallèles espacées, voisines des tran- ches des barrettes, de façon qu'on passe d'un tronçon au suivant en empruntant une piste métallique de l'une des ' lignes, puis de l'autre, la longueur des pistes étant ain- si sensiblement égale au double de l'espacement entre lesdits tronçons, chaque tronçon portant au moins une diode, et toutes les diodes étant montées dans le même sens sui- vant le trajet électrique continu décrivant en série les pistes et les tronçons d'une barrette. De cette manière, on peut réaliser des dispositifs de balayage électroniqueàlentilJbtiveet source illuminatri- ce intégrées composés a partir d'un très faible nombre d'éléments identiques répétitifs dont le montage en un seul ensemble peut être réalisé très facilement. L'invention, ses objets, et sa mise en oeuvre apparaîtront plus clairement à l'aide de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés dans les- quels: - La figure 1, montre schématiquement en vue perspec- túve et avec arrachements la construction d'un dispositif de balayage électronique à lentille et source illuminatrice intégrées conforme à l'invention. - La figure 2, montre schématiquement un canal de ce dispositif. - La figure 3, montre à plus grande échelle en vue perspective et schématiquement comment sont réalisées les connexions électriques pour la commande électronique des organes de déphasage. - Les figures 4 et 5, sont deux schémas équivalents des éléments électroniques entrant dans la constitution des organes de déphasage et selon deux états différents des diodes commandées. - La figure 6, montre de façon schématique en coupe avec arrachements comment est monté l'élément illuminateur du type ligne serpent en fond de chaque canal. - La figure 7, est une vue de la figure 6 faite selon la flèche VII de cette figure. - La figure 8, montre à plus grande échelle le détail entouré VIII de la figure 6. - Les figures 9 et 10 montrent schématiquement en vue perspective des organes illuminateurs pouvant être utilisés en place des illuminateurs du type ligne serpent précédemment décrits. - La figure 11 montre dans le plan du vecteur E un diagramme somme obtenu pour un dépointage commandé d'environ 10 du faisceau. - La figure 12, montre dans le plan H un diagramme somme et un diagramme différence obtenu à partir d'un dispositif de type général illustré à la figure 1 éclairé par des illuminateurs du type ligne serpent alimentés par le centre. On décrira tout d'abord la construction d'un dispo- sitif conforme à l'invention en faisant référence plus particulièrement aux figures 1 à 3. Le dispositif conforme à l'invention comprend tout d'abord une lentille hyperfréquence permettant de commander le dépointage d'un faisceau d'ondes hyperfréquence dans le plan parallèle au vecteur champ électrique E, lentille dont la construction générale est du type décrit au brevet susmentionné 79 27873. Cette lentille comprend une pluralité de canaux superposés C1, C2, C3... formant un empilage dans le plan perpendiculaire au vecteur champ électrique E. Les canaux sont séparés les uns des autres par des plans métalliques minces PO, P1, P2, P3...' La commande direction- nelle de la lentille est obtenue au moyen d'organes déphaseurs, constitués dans chaque canal par l'arrangement les unes derrière les autres, parallèlement à la direction du vecteur champ magnétique H de barrettes B dont la cons- truction et la commande seront décrits ci-après. Le dispositif comprend d'autre part, à sa partie arrière, repérée AR un plan métallique 10 de court-circuit fermant tous les canaux C de ce côté, les canaux restant évidemment ouverts sur leur partie avant AV pour l'émission et la réception du faisceau. A proximité du plan de court-circuit 10 et en arrière de tous les organes de déphasage constitués par les barret- tes B est disposé dans chaque canal un organe d'illumination ou illuminateur S qui permet "d'éclairer" chaque canal à travers l'arrangement des diffférents organes déphaseurs, constitués par les barrettes B,disposés les uns derrière les autres. Dans l'exemple de construction illustrée à la figure 1, le dispositif comprend 30 canaux empilés les uns au-dessus des autres, dont le seul canal C1 a été repré- senté en entier. Tous ces canaux sont identiques. Chaque canal est constitué (voir figures et 2) par l'arrangement des éléments successifs suivants: - à une distance d'un quart de longueur d'onde du plan de court-circuit 10,un illuminateur S du type ligne serpent, - devant cet illuminateur, neuf organes déphaseurs repérés 1 à 9 (figure 2) constitués chacun par deux barret- tes B, B' conjuguées. Les sept premiers organes de déphasage,tous identi- ques, permettent d'obtenir des déphasages de 45 . La 8ème et la 9ème cellulesDpermettent d'obtenir des déphasages de 22,5 et de 11,25 , respectivement. Il est ainsi possible, en sélectionnant l'état actif ou passif de chaque cellule et le nombre des cellules commandées dans ces états d'ob- tenir des déphasages variant entre O et 360 par incréments de 11,25 . Sur la figure 1, pour faciliter la lecture du positionnement des diverses barrettes, chaque barrette B a été indicée par un nombre à deux chiffres, dont le premier chiffre correspond au rang de la cellule de déphasage considérée (1 à 9) et le deuxième chiffre correspond à l'é- tage du canal considéré (de 1 à 30 dans le cas d'un empila- ge de 30 canaux). En outre, dans chaque couple de barrettes constituant une cellule individuelle, on a différencié ces deux barrettes en les affectant ou non d'un indice supérieur prime ('). En se reportant à la figure 3, on a indiqué comment la commande de chaque cellule déphaseuse constituée d'un couple de barrettes B, B', pouvait être effectuée au moyen de fils de commande 11, 12 ramenés par exemple sur une tranche de l'empilage parallèlement au plan P grâce à des connexions,par exemple enfichables telles que 13, 13', 14, 14' sur une tranche des barrettes. ' En se référant aux figures 3 à 5, on décrira une façon pratique préférée de réaliser les barrettes de dépha- sage. La barrette est constituée par un support proprement dit 15 en matériau diélectrique à faible tangente de pertes tel que du verre-téflon,par exemple de 0,4 mm d'épaisseur. Chaque barrette a sensiblement la largeur du canal dans laquelle elle s'insère en pouvant être engagée à la manière d'un tiroir dans des rainures de réception telles qu'indiqué en 36 prévues dans les plans métalliques P de séparation des canaux. Sur ce support, sont disposés à une distance d, de préférence inférieure à la demi-longueur d'onde des tronçons de fil 16métalliqueconducteursportantchacunU-edideDpoEexem- pledetypePI N. Les tronçons de fil 16 sont réunis entre eux en série par des pistes métalliques 17, 18, dirigées perpendiculairement auxdits tronçons et répartis selon deux lignes parallèles espacées voisines des tranches des supports 15 des barrettes B. Comme il apparait clairement à la figure 3, le montage est fait de façon qu'on passe d'un tronçon 161 au suivant 162 en empruntant une piste métallique 171 de l'une des lignes, puis 181 de l'autre ligne, la longueur des pistes étant sensiblement égale au double de l'espacement d entre les tronçons, et les diodes D étant montées dans le même sens suivant le trajet électrique continu décrivant en série les pistes et les tronçons d'une barret- te; autrement dit, sur une même barrette, chaque diode est successivement montée en sens opposé. Enfin, sur une même ligne de pistes 17 ou 18, chaque piste est réunie à la suivante par une résistance d'équilibrage R permettant l'équilibrage des tensions lors- que les diodes sont polarisées en inverse. La commande de polarisation en direct ou en inverse des diodes se fait au moyen des fils de commande 11, 12 ramenés sur une tranche des barrrettes comme indiqué ci-des- sus et comme il apparait clairement à la figure 3. Pour obtenir des cellules de déphasage constituées du couple des barrettes B, B', le calcul des éléments est 35. facilité si l'on trace le schéma électrique équivalent. En faisant référence à la figure 4, on a montré le schéma équivalent à une diode D montée sur un tronçon 16 réuni aux deux pistes métalliques adjacentes 17 et 18, lorsque la diode est polarisée en direct. Dans le schéma équivalent: CO est la capacité de découplage des pistes métalli- ques avec les plaques métalliques adjacentes P, C1 est la capacité d'iris ou de coupure, entre deux pistes métalliques adjacentes telles que 171, 172, L est la self de la diode D en direct. Les diodes en direct et la capacité C d'iris forment un circuit résonnant qui présente vis à vis de l'onde hyperfréquence une susceptance nulle; en d'autres termes, il y a transparence au passage de l'onde hyperfréquence pratiquement Sans déphasage. A la figure 5, on a représenté le schéma équivalent dans l'autre état de la diode, lorsqu'elle est polarisée en inverse. Dans ce cas, la capacité C2 de la diode s'ajoute en série avec la self L. Le schéma équivalent présente une susceptance Y vis à vis de l'onde hyperfréquence. Le déphasage différentiel obtenu entre les deux états est sensiblement égal à: = 2 Arc tg (y) On peut ainsi déterminer exactement les caractéris- tiques de la cellule de déphasage constituée par deux telles barrettes superposées en jouant essentiellement sur la lar- geur des pistes métalliques, sur leur écart du bord inté- rieur des plaques métalliques adjacentes, sur le type de diode et sur leur pas et également sur la capacité d'iris, c'est-à-dire la largeur de la coupure entre deux pistes. La technique de fabrication est simple, faisant appel essentiellement à la technique des circuits Èprimés, les diodes étant soudées sur les tronçons de fils 16 imprimés. Dans un exemple de dispositif travaillant dans une bande de fréquence voisine de 9 300 MHz, on a disposé les barrettes à distance les unes des autres de 6 mm, la première barret- te portant l'illuminateur S, étant située à N/4 (environ 7,5 mm) en avant du plan de court-circuit 10. Les plans P sont matérialisés par des plaques métalliques de 2 mm d'épaisseur assurant la rigidité de l'ensemble et permettant le montage à tiroir des diverses barrettes du dispositif, On décrira maintenant la réalisation et l'alimenta- tion de l'illuminateur S. Avantageusement, celui-ci est constitué, comme les barrettes B, par une plaque substrat support en matériau diélectrique tel que verre-téflon par exemple identique au support 15 des barrettes B. Sur ce support, est imprimée la ligne serpent en matériau métallique conducteur avec une pério- dicité équivalente à la longueur d'onde du faisceau traité (voir figure 7). L'alimentation de la ligne serpent peut se faire sur une tranche comme suggéré à la figure 1. Dans ce cas, les ondulations sont calculées de façon à avoir une répartition convenable sur toute la profondeur du dispositif (mesurée parallèlement à la directionS). En bout de la ligne serpent, c'est-a-dire à l'opposé de la tranche par laquelle s'effectue l'alimentation, on dispose avantageusement un élément absor- ban d'extrémité évitant des phénomènes parasites de réflexion. Une solution préférée, telle qu'illustrée aux figures 6 à 8, consiste à alimenter la ligne serpent en son centre. Dans ce cas, l'alimentation de chaque demi-ligne serpent se fait par une ligne co-axiale 20 dont le fil central 21 est relié au circuit serpent 22 imprimé sur la barrette substrat 23, et dont la gaine 24 est mise à la masse à sa traversée en contact avec le plan de court-circuit 10. Dans ce cas, la li- gne serpent est symétrique. A chaque extrémité latérale de l'illuminateur, on dispose un élément absorbant 26 pour éviter des phénomènes parasites de réflexion. L'avantage d'une alimentation centrale de l'illumina- teur est qu'il permet d'obtenir une voie différence dans le plan H en prévoyant seulement deux sorties co-axiales au centre de chaque ligne, la voie différence étant alors obtenue en alimentant chacune des deux demi-lignes en opposition de phase. - Un avantage de l'illuminateur du type ligne serpent est qu'il est parfaitement adapté à la largeur des canaux nécessairement réduite voisine de X/2 de la lentille décrite ici, du type général décrit au brevet susmentionné 79. 27873, Cependant, d'autres organes illuminateurs peuvent également être utilisés, même si leur construction et leur adaptation devront être chaque fois déterminées. Par exemple, en faisant référence à la figure 9, on peut utiliser en place des illuminateurs S, un illuminateur formé d'un guide d'onde rectangulaire 30 à fenteslongitudinales 31 orientées parallèlement au vecteur H, dont la largeur devra être inférieure à Ä/2 et qui sera rempli d'un matériau diélec- trique 32 de constante appropriée pour permettre le fonction- nement dans de telles conditions de largeur réduite. Cependant, le guide d'onde devra être chaque fois calculé en fonction des caractéristiques et dimensions de la lentille. Une autre solution, illustrée à la figure 10 consiste- rait à prendre un guide d'onde 33 à sllon 34 et fentes 35, le sillon permettant de réduire la largeur du guide pour permettre leur insertion dans les canaux (Référence:IRE Transactions on antennas and propagation,volume AP-9 January,1961, number 1, Rectangular-Ridge Waveguide Slot Array p 102-103).Dans les20 deux cas, il faudra prendre des précautions de mise en contact des parois latérales des guides avec les plans métalliques de séparation des canaux. A la figure 11, on a illustré, à titre d'exemple, un diagramme obtenu à partir d'un dispositif du type décrit à la figure 1 comportant en tête des organes illuminateurs du type ligne serpent alimentés en leur centre par deux cables co-axiaix. Le diagramme donné dans le plan de balayage (plan E) pour un dépointage d'environ 10 est un diagramme "somme", les deux alimentations de la ligne étant faites en phase.30 La figure 12 illustre en M le diagramme somme obtenu dans le plan H, et en N, le diagramme différence obtenu dans ce même plan lorsque les deux moitiés symétriques des illumina- teurs sont excitées par des courants en opposition de phase; (seule la double alimentation centrale permet d'obtenir un diagramme dans le plan H). REVENDICATIONS 1. Dispositif de balayage électronique à lentille active et source illuminatrice intégrées pour la commande d'un faisceau hyperfréquence, caractérisé en ce qu'il comprend: - un empilage de canaux superposés C, séparés les uns des autres par des plans métalliques minces P dirigés sensiblement perpendiculairement au champ électrique E du faisceau traité, - un plan métallique de court-circuit 10 fermant lesdits canaux d'un côté (AR) et reliant tous lesdits plans P de séparation à la masse, - un organe d'illumination ou illuminateur S placé dans chaque canal près dudit plan métallique de court-circuit (10), - des organes de déphasage par incréments (B, B') disposés dans lesdits canaux C, les uns derrrière les autres, - des moyens radioélectriques associés à chaque illuminateur S pour émettre et recevoir, - des moyens de commande électronique associés à chaque organe de déphasage B pour commander chacun de ces organes, dans l'un ou l'autre de deux états, actif ou passif. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits illuminateurs S sont du type ligne-ser- pent et sont constitués par un circuit imprimé sur une barrette support 15 en matériau diélectrique de largeur sensiblement égale à celle des canaux C dans lesquels la barrette s'insère. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits illuminateurs S sont alimentés à une extrémité vers une tranche latérale de l'empilage. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits illuminateurs S sont alimentés vers leur centre par une ou deux lignes co-axiales (20) dont le fil central (21) est lié à l'illuminateur (22) et la gaine externe (24) est mise à la masse et amenée à travers le l1 plan arrière de court-circuit (10). 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits illuminateurs sont du type à guides d'onde (30, 33) à fentes longitudinales (31, 35) de largeur adaptée à celle des canaux C par remplissage de diélectri- que- ou conformation- de la section des guides. d'onde 6. Dispositif selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que les organes de déphasage B, B' sont constitués par des barrettes supports(15) en matériau diélectrique de largeur sensiblement égale à celle des canaux C dans lesquels la barrette s'insère, lesdites barrettes portant, imprimés sur elles, des tronçons de fils (16) orientés lorsque les barrettes sont en place, perpen- diculairement auxdits plans de séparation, lesdits tron- çons (16) étant réunis entre eux en série par des pistes métalliques (17, 18) dirigées perpendiculairement auxdits tronçons et réparties selon deux lignes parallèles espacées, voisines des tranches des barrettes, de façon qu'on passe d'untronçon (161) au suivant (162) en empruntant une piste métallique (171) de l'une des lignes, puis (181) de l'autre, la longueur des pistes étant ainsi sensiblement égale au double de l'espacement d entre desdits tronçons, chaque tronçon portant au moins une diode D et toutes les diodes étant montées dans le même sens, suivant le trajet électrique continu décrivant en série les pistes et les tronçons d'une barrette. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractéri- sé en ce que lesdites pistes adjacentes (17, 18) sont re- liées entre elles par des résistances d'équilibrage R. 8. Dispositif selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que lesdites barrettes (B, B') se montent comme des tiroirsentre deux plans de séparation adjacents (B) dans des rainures (16) qui y sont convenable- ment prévues. 35. 9. Dispositif selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que la largeur des canaux (C) est sensiblement égale à V/2. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les illuminateurs S sont situés à environ A/4 en avant du plan arrière 10 de court-circuit.