Brevet FR2751136A1 — publié le 19980116

Dispositif déphaseur hyperfréquence mixte et son appli- cation. L'invention concerne les dispositifs déphaseurs hyper- fréquence. Dans ce domaine, on connaît, entre autres, les déphaseurs dits "à ferrite", ainsi que les déphaseurs dits à "diodes". Les déphaseurs à ferrite, qui peuvent être rendus réciproques, ont de faibles pertes et un faible coût. Ils sont capables d'un faible temps de réponse, même à une forte cadence de répétition. Dans des conditions spécifiques, la puissance d'excitation nécessaire pour obtenir une variation égale à un tour de phase est de quelques watts. Enfin, de nature analogique, ces déphaseurs à ferrite sont susceptibles d'une commande par pas, c'est-à-dire par incréments de phase avec une résolution excellente. En revanche, comme ils sont sensibles à de nombreux paramètres, dont les conditions d'ambiance, la reproductibilité des incréments de phase est assez délicate à obtenir. Pour leur part, les déphaseurs à diodes fournissent naturel- lement une possibilité de quantification. Mais l'on ressent une perte due aux diodes, compte tenu de l'étage de commu- tation qui les commande, qui va de 0,4 à 1 db par étage, c'est-à-dire par pas de commutation désiré. Leur consomma- tion peut descendre à 50 milliwatts par étage. Leur commuta- tion est par ailleurs très rapide, puisqu'on peut descendre à des temps de réponse de quelques centaines de nanose- condes. Etant naturellement quantifiés, les déphaseurs à diodes posent peu de problèmes de reproductibilité. En revanche, l'obtention d'une haute résolution est déli- cate, compte tenu de l'accroissement rapide des pertes avec le nombre d'étages ou pas de commutation requis. Il s'avère ainsi que l'on ne dispose pas d'une solution véritablement satisfaisante pour la fabrication de dispo- sitifs déphaseurs hyperfréquence qui soient à la fois de haute résolution et de haute reproductibilité. La présente invention vient résoudre ce problème. A cet effet, l'invention part d'un dispositif déphaseur hyperfréquence qui est du type comprenant des déphaseurs proprement dits, propres à opérer par pas de phase, des moyens de commande directe de ces déphaseurs, et des moyens20 de commande numérique générale des pas de déphasage désirés. On notera à ce niveau que les moyens de commande directe, que l'on peut appeler aussi "meneurs" (drivers), et les moyens de commande générale précités s'interpénètrent en pratique, comme le sait l'homme de l'art.25 Selon une caractéristique générale de l'invention, au moins le pas de phase de poids le plus élevé est fourni par un déphaseur à diodes, tandis que les pas de phase résiduels sont fournis par un déphaseur à ferrite. Les30 moyens de commande directe de celui-ci sont agencés pour le commander en fonction de données d'étalonnage et de sa condition instantanée. De préférence, les deux pas de phase de poids supérieur sont réalisés par des déphaseurs à diodes. Dans une réalisation élémentaire de l'invention, les données d'étalonnage sont preenregistrées, en particulier en mémoire 3 non volatile, ou en mémoire morte. Cela peut se faire à partir d'un étalonnage du déphaseur à ferrite lors de la fabrication, dans différentes conditions d'ambiance. Les capteurs de ces conditions d'ambiance sont alors instal- 5 lés sur le déphaseur à ferrite. Un microprocesseur peut, en fonctionnement, définir la commande du déphaseur à ferrite en fonction de sa condition instantanée, et des données d'étalonnage préenregistrées. Cependant, il est jugé actuellement préférable que le déphaseur possède un état d'étalonnage, et un état opéra- toire, qui alternent. Pendant l'état d'étalonnage, les moyens de commande alignent le déphasage obtenu par le déphaseur à ferrite sur au moins une valeur de référence15 définie par le déphaseur à diodes ou l'un de ceux-ci. En pratique, l'alignement de déphasage s'effectue sur les valeurs 90 , 1800, 2700 et 360 , que permettent d'éta- blir deux déphaseurs à diodes de 90 et 180 , en liaison20 avec le déphaseur à ferrite. A cet effet, et dans un mode de réalisation particulier, le dispositif comporte une voie de mesure de phase, couplée en amont et en aval de la chaîne de déphaseurs.25 Cette voie de mesure de phase peut contenir un déphaseur auxiliaire, notamment pour compenser les longueurs de ligne. La voie de mesure de phase contient également un phasemètre, dont la sortie peut être en sinus/cosinus, ou directement en phase. Selon un autre aspect de l'invention, l'interpolation/extra- polation à partir des valeurs de référence s'effectue sur la base d'une approximation linéaire ou d'une approxi- mation par cubique. 4 Enfin, l'invention s'applique particulièrement à la construc- tion des déphaseurs que comporte une antenne-réseau. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci- apres, et des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 illustre un mode de réalisation particulier d'un dispositif déphaseur hyperfréquence selon l'invention; et - la figure 2 illustre une variante de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, un signal hyperfréquence inclus dans une largeur de bande prédéterminée peut se propager entre une entrée E et une sortie S. L'homme de l'art comprendra que la représentation du trajet de ce signal par une ligne est schématique, puisqu'il s'agit en fait d'une onde guidée.20 A partir de l'entrée E, le signal rencontre tout d'abord un premier déphaseur à diodes DD1, puis un second déphaseur à diodes DD2, et enfin un déphaseur à ferrite DF, avant d'atteindre la sortie S. De manière connue, le déphaseur à diodes DD1 comporte en parallèle un trajet direct DDll possédant un temps de transit auquel on peut associer une valeur de déphasage REF1, et un trajet DD12 agencé pour procurer un déphasage30 égal à REF1 + 180 . Des commutateurs à diodes DD13 et DD14, actionnés en synchronisme, permettent de sélectionner l'une ou l'autre des voies DDll et DD12. Le déphaseur DD2 possède une structure analogue, avec la différence que sa voie DD22 possède un déphasage supérieur de 90 au déphasage REF2 de la voie directe DD21. Pour sa part, le déphaseur de ferrite DF peut être de stucture connue, de préférence en technologie microruban (microstrip). Il est particulièrement avantageux d'utiliser des déphaseurs possédant une plaquette de ferrite montée sur un plan masse, et surmontée d'un support diélectrique sur lequel on implante les bandes microrubans de commande. Un tel déphaseur est décrit plus en détail dans la thèse de M. BOLIOLI, thèse de Docteur Ingénieur 98-1984, ENSAE, 27 Septembre 1984, intitulée "Déphaseurs réciproques en structure microbande composite, ferritediélectrique, en ondes centimétriques". Quant aux déphaseurs à diodes, ceux-ci peuvent être réalisés de la manière décrite dans SKOLNIK, Radar Handbook, 1970, p. 12-45 et suivantes. Un circuit CD réalise la commande des déphaseurs à diodes DD1 et DD2; un circuit CF réalise la commande du déphaseur de ferrite DF. Les deux circuits CD et CF, qui agissent en meneurs (drivers) sont sous le contrôle d'une commande20 numérique générale CG, laquelle a pour fonction essentielle d'établir sous forme numérique une subdivision d'un dépha- sage global de 360 , que l'on appelle aussi "tour de phase". La commande des déphaseurs à diodes peut s'établir de manière très simple, puisque ceux-ci fournissent intrinsèque- ment une quantification, respectivement à 180 pour le déphaseur DD1 et à 90 pour le déphaseur DD2. Par contre, le déphaseur à ferrite DF est analogique. On sait qu'un tel déphaseur possède une zone dans laquelle sa réponse est monotone. Il est alors possible de subdiviser cette zone par pas, ce que fait ici le circuit de commande CF. L'inconvénient connu des déphaseurs à ferrite est le manque de reproductibilité qu'ils présentent quant à la résolution, rapportée à leur pleine échelle. Ce manque de résolution peut être compensé selon l'inven- 6 tion, tout d'abord par le fait que la pleine échelle du déphaseur à ferrite DF est diminuée, puisque les poids supérieurs sont réalisés par les déphaseurs à diodes DD1 et DD2. Il est alors possible de stocker soit dans le circuit de commande CF, soit dans le circuit CG, des données d'étalon- nage préenregistrées, de préférence en mémoire non volatile ou mieux en mémoire morte. Ces données d'étalonnage sont établies pour le déphaseur DF précisément utilisé, à la fabrication de celui-ci, et dans différentes conditions d'ambiance, en particulier de température. En incorporant au déphaseur DF un capteur de température et des autres conditions d'ambiance concernées, il est alors possible15 d'établir sa commande en fonction de ces conditions et de la valeur de déphasage exacte désirée, par rapport à une série de données d'étalonnage contenues dans la mémoire. Les modes de réalisation préférentiels ici décrits opèrent différemment. Sur l'entrée E est monté un coupleur hyperfréquence directif CH1. Le signal prélevé par celui-ci est appliqué à un25 déphaseur auxiliaire de 180 ,noté DDA, et suivi d'un dispo- sitif de mesure de phase MP. L'autre entrée de ce dispositif de mesure de phase est reliée à un autre coupleur directif CH2 branché sur la sortie S. Le dispositif de mesure de phase MP peut être de tout type connu, fournissant l'information de sortie soit sous forme de sinus et cosinus, soit directement sous forme de phase. On utilisera par exemple le dispositif décrit dans SKOLNIK, op. cit, p. 5- 39 et suivantes. Le dispositif déphaseur selon l'invention est alors muni, par exemple au niveau d'une unité logique incorporée à ces dispositifs de commande, de deux états différents, le premier étant un état d'étalonnage, et le second un état de fonctionnement effectif en déphaseur, ou état opérationnel. Ces deux états sont en principe alternés, le cas échéant périodiquement. Remarque étant faite immédiatement que l'invention s'applique à une antenne réseau, on sait que le fonctionnement de telles antennes n'est pas permanent, ce qui laisse la place à des phases d'étalonnage entre les phases opératoires. Pendant l'état d'étalonnage, il est possible de faire les mesures suivantes, pour lesquelles un signal de référence est appliqué à l'entrée E, tandis que le phasemètre MP permet de détecter, autour de zéro, la différence de phase entrée/sortie. On note edl et ed2 les erreurs de déphasage que présentent les déphaseurs DD1 et DD2, entre leurs deux voies. a) DD1 est placé sur REF1. DD2 est placé sur REF2. DF est réglé sur la valeur désirée zéro (début de la plage de linéarité). La mesure du phasemètre MR est phiO. DD2 est placé maintenant sur REF2 + 90 + ed2. La mesure de MP est notée phi90 avec phi90 = 90 + phiO + ed2. DD2 est replacé sur REF2. On détermine la commande C90 de DF pour laquelle MP redonne phi90. b) DD2 demeure sur REF2. DF est réglé sur zéro. DD1 est placé sur REF1 + 180 + edl. On mesure sur MP un déphasage noté phil80 = 180 + phiO + edl. On replace DD1 sur REF1. On place DD2 sur REF2 + 90 + ed2. On régle DF pour obtenir en sortie de MP la valeur phil80. La commande de DF est notée C180. c) DD1 est placé sur REF1 + 180 + edl. DD2 est placé sur REF2 + 90 + ed2. DF est réglé par la valeur de commande C180. MP mesure alors une "erreur de zéro" égale à deux fois edl, qui est maintenant connue. d) DD2 est placé sur REF2 + 90 + ed2. DD1 est placé sur REF1. DF reçoit la commande C90. MP mesure phi0 + 180 + 2.ed2 = phix. phix - phi 180 donne alors 2.ed2 - 2edl d'o l'on tire ed2. Les erreurs des déphaseurs à diodes sont alors connues. I1 reste à affiner le réglage du déphaseur à ferrite DF. e) La comparaison des valeurs C180 et C90 (dont l'écart représente edl 2.ed2) permet de déterminer la pente de la courbe de réponse du déphaseur à ferrite, et par conséquent la commande qui donne exactement 90 , à l'aide d'une interpolation soit linéaire, soit par cubique. En service, on obtient ainsi toute valeur de déphasage désirée jusqu'à 90 , à l'aide du seul déphaseur à ferrite DF. Bien entendu, lorsqu'on met en service DD2 et/ou DD1, la commande de DF est décalée, selon l'équivalent de ed2 et/ou edl, respectivement. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits, et il est possible de modifier notamment la structure de la voie auxiliaire définie entre les coupleurs CH1 et CH2, par exemple en utilisant un phasemètre différent, et/ou en supprimant le déphaseur DDA, ou en modifiant sa valeur. Dans le dispositif décrit ci-dessus, en référence à la figure 1, l'étalonnage a lieu pendant une partie du temps d'émission. I1 en résulte une émission d'énergie non foca- Dans certains cas, cela n'est pas souhaitable. Il est alors préférable de recourir à la variante de la figure 2. La sortie S du dispositif déphaseur peut être reliée à l'aérien A ou au phasemètre MP par un commutateur CES. L'entrée E peut être reliée soit directement au générateur G (phase de fonctionnement), soit à l'une des sorties d'un diviseur d'amplitude par deux, noté DV, en phase10 d'étalonnage. En ce cas, l'autre sortie du diviseur DV est reliée à l'ensemble phasemètre (DDA et PM). Ceci est réalisé par un commutateur d'entrée CEE, commandé comme CES, et qui, pendant la phase d'étalonnage, relie l'entrée du diviseur DV au générateur G. En phase d'étalonnage, il est alors possible d'effectuer la calibration précitée avec une puissance de générateur réduite (typiquement 10 mW au lieu de 10 watts), et ce sans perturber le fonctionnement du radar par l'émission d'énergie non focalisée. Mieux encore, on peut alors utiliser le montage de la figure 1 (en plus de la figure 2), pour contrôler la phase de l'énergie hyperfréquence émise. Bien entendu, l'émission et la réception étant réciproques, le déphaseur selon l'invention sert aussi bien lors de la captation d'échos radar. Revendications. 1.- Dispositif déphaseur hyperfréquence, du type comprenant des déphaseurs proprement dits, propres à opérer par pas de phase (DD,DF), des moyens de commande directe de ces déphaseurs (CD,CE) et des moyens de commande numérique générale (CG) des pas de déphasage désirés, caractérisé en ce qu'au moins le pas de phase de poids le plus élevé (DD1) est fourni par un déphaseur à diodes, tandis que les pas de phase résiduels sont fournis par un déphaseur à ferrite (DF), et en ce que les moyens de commande directe (CF) du déphaseur à ferrite (DF) sont agencés pour commander celui-ci en fonction de données d'étalonnage et de sa condition instantanée. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux pas de phase de poids supérieurs sont réalisés par des déphaseurs à diodes (DD1,DD2). 3.- Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les données d'étalonnage sont préenregistrées, en particulier en mémoire non volatile ou en mémoire morte. 4.- Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le déphaseur possède un état d'étalonnage et un état opératoire, et en ce que, pendant l'état d'étalon- nage, les moyens de commande alignent le déphasage du déphaseur à ferrite (DF) sur au moins une valeur de réfé- rence définie par un déphaseur à diodes (DD1,DD2). 5.- Dispositif selon la revendication 4, prise en combi- naison avec la revendication 2, caractérisé en ce que l'alignement de déphasage s'effectue sur les valeurs 90 , 1800, 270 et 360 que permettent d'établir deux déphaseurs à diodes de 90 (DD2) et 180 (DD1), en liaison avec le déphaseur à ferrite (DF). 6.- Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'il comporte une voie de mesure de phase (DDA,MP) couplée en amont et en aval de la chaine de déphaseurs (DD1,DD2,DF). 7.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la voie de mesure de phase contient un déphaseur auxiliaire de 180 . 8.- Dispositif selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la voie de mesure de phase contient un phasemètre (MP) à sortie en sinus/cosinus ou à sortie de phase. 9.- Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, carac- térisé en ce que la voie de mesure de phase est reliée par des coupleurs aux deux bornes extrêmes du déphaseur. 10.- Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que la voie de mesure de phase est reliée par des commutateurs aux deux bornes extrêmes du déphaseur, avec entrée à deux voies, de préférence à puissance réduite. 11.-Dispositif selon l'une des revendications 4 à 10, caractérisé en ce que l'interpolation/extrapolation à partir des valeurs de référence s'effectue sur la base d'une approximation linéaire ou d'une approximation par cubique. 12.- Application des dispositifs selon l'une des revendi- cations précédentes à une antenne-réseau.