Brevet FR2755796A1 — publié le 19980515

La présente invention concerne un agencement ou dispositif d'alimentation d'antennes de radar et con- vient particulièrement bien pour le fonctionnement d'un radar à de hautes fréquences, supérieures par exemple, à 70 ou 80 GHz. A de telles fréquences, il est difficile de réaliser une alimentation d'antennes qui soit en même temps efficace et peu onéreuse. Des circuits intégrés pour micro-ondes (CIM) ont été proposés pour servir dans des alimentations d'an- tennes, mais ils ont tendu à introduire des limitations aussi bien pour l'agencement physique que pour l'effica- cité. Des techniques quasi optiques (ou du type optique de Gauss, ou optiques gaussiennes) ont également été proposées,mais sans atteindre le niveau voulu d'effica- cité ou de rendement,ni la facilité de fabrication voulue. Selon la présente invention, un agencement ou dispositif d'alimentation d'antennes de radar comprend un axe optique s'étendant entre une interface d'antenne et un circuit intégré pour micro-ondes disposé transver- salement à l'axe optique, le circuit intégré pour micro- ondes comprenant un réseau de plaquettes de groupement d'éléments conducteurs pour antennes ("patches") et des circuits associés à des guides d'ondes à rubans (micro- bandes), et l'agencement comprenant des organes de concen- tration ou focalisation quasi optique couplant les pla- quettes de groupement d'éléments d'antennes et l'interface d'antenne, l'agencement comprenant en outre des moyens de duplexage pour coupler des trajets communs de signaux émis et reçus à l'interface d'antenne pour séparer des trajets de signaux,émis et reçus,au niveau du circuit in- tégré pour micro-ondes. L'agencement comprend de préférence une grille formée de conducteurs parallèles, destinée à transmettre ou à réfléchir un signal radar selon l'orientation rela- tive du plan de polarisation du signal radar et des con- ducteurs de la grille, la grille étant disposée sur l'axe optique, et obliquement par rapport à cet axe, pour réflé- chir des signaux de polarité convenable entre le cir- cuit intégré pour micro-ondes et l'interface d'anten- ne, et pour séparer ainsi des signaux reçus ayant une polarité différente ou bien des trajets de signaux émis et reçus. L'agencement peut comporter aussi deux grilles à conducteurs parallèles disposées pour réfléchir des signaux reçus co-polaires et à polarité croisée vers des réseaux respectifs de plaquettes (de groupements d'élé- ments) d'antennes, les réseaux étant orientés en aligne- ment avec les signaux respectifs, co-polaires et à po- larité croisée. Les conducteurs des grilles, si l'on en effectue la projection sur un plan auquel l'axe optique est perpendiculaire, peuvent être mutuellement déplacés de 450, et l'agencement comprend en outre, un moyen, disposé entre les deux grilles, pour faire tourner de le plan de polarisation d'un signal incident, la grille plus éloignée de l'interface d'antenne constituant, avec le moyen pour provoquer une rotation de 450, le moyen précité de duplexation. On peut inclure une troisième grille, disposée sur l'axe optique loin de l'interface d'antenne, les deux premières grilles assurant la séparation des signaux reçus, co-polaires et à polarité croisée, et la troisième grille assurant le renvoi du trajet de signal transmis vers un réseau de plaquettes d'antennes transmettrices, les trois réseaux de plaquettes d'antennes étant co- planaires et ayant des orientations telles que le réseau à polarité croisée est à 45 du réseau co-polaire et du réseau de transmission, qui sont à 90 mutuellement l'un par rapport à l'autre. En variante, il peut y avoir une alimentation par cornet transmetteuralignée avec l'axe optique et séparée de l'interface d'antenne par les deux (premières) grilles. Les réseaux de plaquettes (de groupements d'élé- ments) d'antennes sont de préférence montés sur un substrat commun. L'un des réseaux de plaquettes peut constituer un réseau transmetteur et un réseau récepteur, et le moyen de duplexage peut être fourni par les circuits à micro-bandes associés. Dans n'importe lequel des agencements ou dispo- sitifs précités, on peut inclure une plaque quart d'onde, interposée entre l'interface d'antenne et la grille la plus voisine, la plaque quart d'onde assurant la conver- sion entre une polarisation linéaire du côté alimentation de la plaque quart d'onde et une polarisation circulaire du côté antenne. Deux formes de réalisation de l'alimentation d'antenne selon l'invention vont maintenant être décrites, à titre d'exemples, en se référant aux dessins d'accom- pagnement, sur lesquels: la figure 1 est un diagramme des trajets d'ali- mentation entre des circuits de radar et une antenne, montrant des circuits intégrés pour micro-ondes pour antennes couplés sélectivement à des trajets optiques; les figures 2, 3 et 4 montrent les circuits à micro-bandes pour micro-ondes, pour, respectivement, le récepteur à polarisation croisée, le récepteur co- polaire et les sections de transmetteur de la figure 1; la figure 5 est un diagramme d'une seconde for- me de réalisation, semblable à celle de la figure 1, mais avec la commutation en duplex incorporée à la micro- bande, par opposition aux composants optiques; la figure 6 montre en détail les circuits à micro-bande de la figure 5; et la figure 7 montre l'agencement physique et les connexions d'un agencement CIM (circuit intégré pour micro-ondes)/alimentation quasi optique dans une antenne. En se référant maintenant à la forme de réali- sation représentée sur les figures 1 à 4, on voit qu'un axe optique 1 est aligné avec l'axe de radôme (comme représenté sur la figure 7). Le long de cet axe est dis- posée une succession de composants quasi optiques qui produisent une ramification sélective d'un signal axial vers des circuits intégrés à micro-ondes, selon le plan de polarisation. Trois grilles 3, 5 et 7, comprenant chacune un réseau plan de fins conducteurs à des espace- ments comparables à la longueur d'onde opérationnelle, sont disposées à 45 du trajet ou axe optique 1, de fa- çon à réfléchir un signal, de plan de polarisation con- venable, perpendiculairement au trajet optique. Les grilles sont représentées schématiquement en vue latéra- le sur la partie supérieure de la figure 1 et en vue en plan dans la partie inférieure de cette figure 1. On verra que, en vue en plan, les fils des grilles sont à 900, +45 et -45 , respectivement, dans les grilles 3, et 7, par rapport à l'axe optique. On voit ainsi que les grilles 5 et 7 comportent des fils inclinés d'un angle arc tangente 1/'f par rapport à leurs bords longs, de façon à obtenir l'angle de 450 nécessaire (des fils) en cas d'inclinaison. On peut également voir que si on les projette sur un plan perpendiculaire à l'axe 1, les fils sont inclinés selon un angle de 0 , de +45 et de -45 , respectivement, par rapport à l'horizontale. Face à la grille 7, il y a un réseau de circuits intégrés pour microondes, pour transmission, comportant quatre plaquettes conductrices A, B, C et D, de groupe- ments d'éléments d'antennes, qui apparaissent dans la partie inférieure de la figure 1 quand on regarde à travers la grille 7. Ce réseau et ses circuits à micro- bandes est représenté en détail sur la figure 4. Lorsque le réseau transmetteur est alimenté de façon appropriée, quatre composantes de signal en phase et ayant un plan de polarisation tel que représenté par la flèche 9, sont projetées vers la grille 7. Le signal émis ou transmis, comprenant ces qua- tre composantes en unisson, est concentré ou focalisé, par une lentille diélectrique 11 en silice fondue, sur la grille 7 le long d'un trajet 13. Le signal, ayant un plan de polarisation parallèle aux fils de la grille, est réfléchi le long de l'axe optique 1. (Pour plus de clarté, le trajet 13 est montré déplacé par rapport à l'axe optique 1). Les cercles, placés le long du trajet 13 et en- tourant les flèches, montrent la direction du vecteur E du signal polarisé, quand on regarde dans la direction de la transmission du signal et ainsi quand on regarde de droite à gauche pour le trajet 13. Le signal émis ou transmis passe ainsi à tra- vers une lentille diélectrique 15 en polyéthylène ou polythène à haute densité, sans changement de polarisa- tion, et il est intercepté par une grille 5 semblable à la grille 7 mais ayant des fils à 90 de ceux de la grille 7 (dans une vue en plan, telle que représentée sur la partie inférieure de la figure 1). La grille 5 est ainsi transparente au signal transmis ou émis, et le plan de polarisation ne change pas, comme le montrent les flèches entourées de cercles d'un côté ou de l'autre de la grille 5. Le composant suivant le long de l'axe est un rotateur 17 de Faraday, d'un type connu, comprenant un élément de ferrite soumis à un champ magnétique. Ce composant a pour effet de faire tourner de 450 le plan de polarisation. Le sens de rotation se trouve dans une seule direction autour de la circonférence du compo- sant, quelle que soit la direction de transmission de signal, c'est-à-dire que la rotation s'effectue dextror- sum (dans le sens des aiguilles d'une montre) pour une direction de transmission de signal et sinistrorsum (sens contraire des aiguilles d'une montre) pour l'autre di- rection. Dans le diagramme, comme indiqué par les flè- ches entourées de cercles, la rotation est dextrorsum de droite à gauche (c'est-à-dire sur le trajet 13) et sinistrorsum de gauche à droite (c'est-à-dire le trajet ). La grille 3 comporte des fils à 90o de l'axe, c'est-à-dire de l'horizontale, et ainsi le signal trans- mis à polarisation verticale considère la grille comme transparente et ce signal traverse la grille pour par- venir à une autre lentille diélectrique 19, sans aucune rotation du plan de polarisation. A ce point, le signal à polarisation verticale peut être considéré comme formé par, ou comportant, deux composantes orthogonales, comme montré dans un cer- cle. Une plaque 21 quart d'onde consiste en un disque en saphir ayant des constantes diélectriques différentes sur des diamètres orthogonaux. Cela a pour effet de retar- der une composante dans le plan de la constante diélec- trique élevée, d'un quart de longueur d'onde par rapport à une composante se trouvant dans le plan orthogonal. Le disque est disposé avec ces deux diamètres alignés vers les deux composantes incidentes montrées. Il en ré- sulte que (après traversée d'une autre lentilles diélec- triques 23), les deux composantes sont en quadrature dans l'espace et dans le temps et elles présentent ainsi une polarisation circulaire à cette interface avec les réflecteurs de l'antenne (ce qui est représenté sur la figure 7). La disposition de la plaque 21 est telle (sur la figure 1) que, comme montré dans la vue en perspective du signal à cette interface d'antenne, la polarisation est circulaire à droite (CD). Comme représenté sur la figure 7, sur laquelle on retrouve les mêmes indices de référence, le signal à polarisation circulaire est projeté sur un réflecteur auxiliaire 27 fixe et, de là, vers le réflecteur 29 principal, orientable, d'une antenne de type Cassegrain pour "éclairer" ou viser une cible. Si une cible se trouvant dans le faisceau émis provoque une réflexion unique (ce que l'on appelle "un rebondissement d'ordre impair"), le signal de retour sera de sens opposé c'est-à-dire dans ce cas, circulaire à gauche (CG) comme représenté sur le trajet 25 à l'in- terface de l'antenne (figure 1). Les deux composantes sont mises en alignement dans le temps par la plaque 21 quart d'onde et elles interceptent la grille 3 en ayant une polarisation verticale (comme représenté sur la figure 1). Comme les deux signaux, aussi bien le signal émis ou transmis que le signal reçu, sont linéaires en ce point et se trouvent dans le même plan vertical, le signal reçu est appelé le signal co-polaire. La grille horizontale semble transparente, et le plan de polari- sation n'est pas changé avant le rotateur de Faraday. Dans cette transmission de gauche à droite à travers le rotateur 17, il se produit une rotation sinistrorsum de 450, comme représenté par la flèche entourée d'un cercle. Comme on peut le voir sur la vue en plan de la grille 5, le signal se trouve maintenant dans un plan parallèle aux fils de la grille et il est par conséquent réfléchi, à l'aide d'une lentille diélectrique 31, sur le réseau récepteur ABCD de la figure 3. (RPC: signal réfléchi à polarisation croisée). Si le signal transmis ou émis (TE) subit une double réflexion (c'est-àdire un "rebondissement d'ordre pair") sur une cible, ce signal sera réfléchi avec une polarisation circulaire à droite, comme sur le trajet 33. Après transmission à travers la lentille 23, le signal reçu va être converti à une polarisation linéaire par la plaque 21, produisant un signal résultant dans un plan horizontal, comme montré par une flèche entourée d'un cercle. Par comparaison avec le signal transmis ou émis vertical en ce point, le signal horizontal est désigné comme étant le signal "à polarisation croisée" (RPC). Ce signal est réfléchi de la grille horizontale 3 sur une lentille 34 et le réseau de plaquettes d'antenne de la figure 2. On peut noter que, dans cet agencement, un duplexage des signaux transmis et reçus est effectué dans les trajets (quasi) optiques par la combinaison d'une rotation réglée et des angles (d'inclinaison des fils) des grilles. Pour l'agencement ci-dessus, il faut que les grilles 5 et 7, ou tout au moins leurs projections sur un plan, soient orthogonales et que chacune soit à 450 de la grille 3. (Le signal réfléchi co-polaire est indiqué par RCP sur la figure 1). En se référant maintenant à la figure 2, on voit que celle-ci montre un circuit intégré pour micro- ondes basé sur quatre plaquettes ABCD (de groupements d'éléments d'antennes), ces plaquettes étant celles re- présentées sur la figure 1. Cela correspond aux quatre éléments traditionnels d'antenne fournissant l'indica- tion de la position d'une cible en azimut (inclinaison d'un plan par rapport à un plan de référence) et en élé- vation (ou en hauteur) dans un système à mono-impulsion à comparaison de phase. Les quatre plaquettes ou grou- pements (ABCD) d'éléments d'antenne sont irradiées par réflexion provenant de la grille 3, comme expliqué ci-dessus. Des signaux de sortie provenant des plaquettes sont com- binés par des coupleurs 35 hybrides ou différentiels (du ty- pe à 3db, par exemple), qui produisent chacun deux signaux de sortie, qui sont la somme et la différence des deux signaux d'en- trée. Un autre transformateur différentiel ou hybride 37 produit la somme globale (A+B+C+D) et la différence d'élévation (A+B) - (C+D), cependant qu'un autre trans- formateur différentiel 39, ou hybride, produit la diffé- rence en azimut (A+C) - (B+D) et que l'on appelle un signal de canal de non-sens, qui est appliquéà une charge 41 par résistance. Les trois signaux de sortie à la fréquence de radar à bande M (de façon appropriée 94 GHz) sont mélan- gés avec un signal d'oscillateur local (OL) dans des mé- langeurs 43, 45 et 47 respectifs. Puisque le récepteur est un récepteur homodyne, le signal de l'oscillateur local (OL), fourni à l'entrée de la plaquette 49 (grou- pement d'éléments d'antenne), est dérivé ou prélevé (par exemple comme représenté sur la figure 7), directement du transmetteur T, pour donner une bande de sortie à la fréquence de 0-4 GHz ou moins. En considérant le mélangeur 43 à titre d'exem- ple, on peut indiquer qu'il consiste en une jonction circulaire avec deux entrées, le signal de somme et le signal de l'oscillateur local, et deux points de coupla- ge par diode à chacun desquels une diode (fournie à titre de composant distinct ou "discret" -et qui n'est pas représentée, afin de simplifier le dessin) constitue un pont de recouvrement d'un intervalle menant à un réseau 51 de filtrage. Des connexions 53 par du fil ou du câble relient les sorties du réseau de filtrage et les plaquet- tes 54 à sortie de sommation. Une seule sortie de somma- tion (somme) provient d'un chaînon commun. Les signaux de différence d'élévation (diff. el.) de différence d'azimut (diff. az.) sont obtenus de façon similaire. La figure 3 montre un autre réseau récepteur comportant des plaquettes de groupements d'éléments d'an- tenne, réseau qui est orienté comme à la figure 1. I1 s'agit d'un circuit intégré pour micro-ondes relativement simple n'exigeant que trois jonctions 55 de sommation et un mélangeur 57. I1 y a une seule sortie de somme. On pourrait également prévoir une pleine sortie à mono- impulsion, en utilisant des transformateurs différentiels ou hybrides au lieu de diviseurs d'énergie aux jonctions. La figure 4 montre le circuit intégré pour micro- ondes, transmetteur, également sous une forme très simple n'exigeant que des jonctions "de sommation" et pas de mélangeur. La figure 5 montre une autre forme de réalisa- tion n'utilisant que deux grilles et deux réseaux de pla- quettes ou groupements d'éléments d'antenne à circuits intégrés pour micro-ondes correspondants. Les grilles sont plus simples, étant toutes deux de forme rectangu- laire,mais en étant mutuellement orthogonales. Aucun rota- teur de Faraday n'est nécessaire dans ce modèle, comme on peut le voir en suivant la progression des plans de polarisation figurant dans des cercles. On peut noter que, dans les parties optiques du dispositif, il ne se produit pas de séparation du trajet émis ou transmis, d'une part, et du trajet (co-planaire) de réception -un rduplexage est réalisé dans les circuits intégrés pour micro-ondes. On voit sur la figure 6 que les deux circuits intégrés pour micro-ondes (apparaissant sur le bas de la figure 5) sont incorporés sur un seul panneau, ce qui est une caractéristique avantageuse pouvant être adoptée dans les formes préférées de mise en oeuvre de l'invention. Le réseau 59 est connecté comme sur la figure 2 pour donner une somme, des différences d'azimut et d'élévation, mais en ayant une orientation des pla- quettes ou groupements d'éléments d'antenne initialement à 90 , comme requis par la grille sur la figure 5. Une entrée 63 d'oscillateur local commun alimente les deux récepteurs 59 et 61. Un coupleur 65 différentiel (ou hy- bride) scinde l'alimentation de l'oscillateur local vers les deux récepteurs, un trajet 67 étant l'entrée alimen- tant un circulateur ou duplexeur 69. Cet élément commute le signal d'oscillateur local (OL) vers le réseau 61 en vue d'une transmission et commute ou dirige le signal re- çu du réseau vers un trajet 71 allant vers un mélangeur 73. L'alimentation d'entrée de l'oscillateur local allant au mélangeur est prélevée sur le trajet 67 à l'aide d'un coupleur 75 et d'un circulateur 77. La sortie du récepteur est ensuite prélevée ou obtenue sous forme d'un signal de somme constituant la sortie du mélangeur. Dans ce cas, le duplexage est effectué par le ' circuit intégré pour micro-ondes, le signal de l'oscilla- teur local étant envoyé au réseau 61 sous forme de signal émis ou transmis, et le signal récepteur co-polaire (RCP) étant séparé par le circulateur 69. La figure 7 montre le dispositif ou agencement d'ensemble. Un alimentation combinée circuit intégré pour micro-ondes/alimentation quasi optique est dirigée au niveau du réflecteur auxiliaire 27 d'une antenne Cassegrain au sein d'un radôme 28. Le réflecteur 29 prin- cipal est orientable à l'aide d'un système 30 d'asservis- sement pour poursuivre une cible. L'alimentation représentée dans cet agencement diffère de celle montrée sur la figure 1 en ce que le signal provenant du transmetteur T est fourni par un cornet 32 au lieu du circuit intégré pour micro-ondes de la figure 4 et de la grille 7, mais il est par ail- leurs semblable. Les diverses sorties, sous forme de sommes () et de différences (A) sont ensuite traitées sélectivement, dans le dispositif R récepteur et analy- seur de cibles, à des fins de reconnaissance et de confirmation de cibles. On voit que le dispositif ou agencement selon l'invention peut servir à équiper un radar d'acquisi- tion et de poursuite d'une cible, pour localiser cette cible. REVENDICATIONS 1. Agencement d'alimentation d'une antenne de radar, comprenant un axe optique (1) s'étendant entre une interface d'antenne et un circuit intégré pour micro-ondes disposé transversalement ou perpendiculairement à l'axe optique, le circuit intégré pour micro-ondes comprenant un réseau de plaquettes ou groupement d'éléments conduc- teurs d'antenne et des circuits associés à micro-bande ou à ruban équilibré, l'agencement étant caractérisé en ce qu'il comprend des organes (11, 15, 17, 19) de focali- sation quasi optique couplant ces plaquettes ou groupe- ments d'éléments d'antenne et cette interface d'antenne, l'agencement comprenant en outre des moyens de duplexage pour coupler des trajets (13, 25) de signaux communs émis et reçus à ladite interface d'antenne pour séparer, audit circuit intégré pour micro-ondes, les trajets des signaux transmis et des signaux reçus. 2. Agencement d'alimentation selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce qu'il comprend une grille (3) à conducteurs parallèles adaptée à transmettre ou réflé- chir un signal radar selon l'orientation relative du plan de polarisation du signal radar et des conducteurs de grille, ladite grille étant disposée sur l'axe opti- que (1) et obliquement par rapport à cet axe optique pour réfléchir des signaux à polarisation convenable entre ledit circuit intégré pour microondes et l'interface d'antenne et pour séparer ainsi des signaux reçus à po- larisation différente ou bien des trajets de signaux transmis et reçus. 3. Agencement d'alimentation selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce qu'il comprend deux grilles (3, 5) à conducteurs parallèles, disposées de manière à réfléchir des signaux reçus co-planaires (RCP) et des signaux reçus à polarité croisée (RPC) vers lesdits réseaux de plaquettes de groupements d'éléments d'antenne, lesdits réseaux étant orientés en alignement avec les signaux co-polaires et à polarité croisée respectifs. 4. Agencement d'alimentation selon la revendi- cation 3, caractérisé en ce que les conducteurs desdites grilles, quand on les regarde en projection sur un plan auquel ledit axe optique (1) est perpendiculaire, sont mutuellement déplacés de 45 , l'agencement comprenant en outre un organe (17), disposé entre les grilles (3, 5) pour faire tourner de 45 le plan de polarisation d'un signal incident, la grille (5) plus éloignée de ladite interface d'antenne constituant, avec ledit organe (17) de rotation de 450, ledit moyen de duplexage. 5. Agencement d'alimentation selon la revendi- cation 4, caractérisé en ce qu'il comprend une troisième grille (7), disposée sur l'axe optique (1) loin de l'in- terface d'antenne, les deux premières grilles (3, 5) assurant une séparation des signaux reçus co-polaires et à polarité croisée, et la troisième grille (7) assurant la déviation du trajet de signal transmis vers un réseau de plaquettes de groupements d'éléments d'antenne de transmission, les trois réseaux de plaquettes de groupements d'antenne étant co-planaires et ayant des orientations telles que le réseau (3) à polarité croisée est à 45 du réseau (5) co-polaire et du réseau transmetteur (7) qui sont mutuel- lement à 90 . 6. Agencement d'alimentation selon la revendi- cation 4, caractérisé en ce qu'il comprend une alimenta- tion par cornet (32) transmetteur,alignée avec l'axe optique (1) et séparée de l'interface d'antenne par les deux grilles (3, 5). 7. Agencement d'alimentation selon la revendi- cation 3, caractérisé en ce que les réseaux à plaquettes de groupement d'éléments d'antenne sont montés sur un substrat commun. 8. Agencement d'alimentation selon la revendi- cation 5, caractérisé en ce que les trois réseaux de pla- quettes de groupements d'éléments d'antenne sont montés sur un substrat commun. 9. Agencement d'alimentation selon la revendi- cation 3, caractérisé en ce que l'un des réseaux à pla- quettes de groupements d'éléments d'antenne constitue un réseau transmetteur et émetteur et en ce que l'organe de duplexage est constitué par les circuits à lignes à bande ou à ruban équilibré. 10. Agencement d'alimentation selon la revendi- cation 3, caractérisé en ce qu'il comprend une plaque (21) quart d'onde interposée entre l'interface d'antenne et la grille (3) la plus proche, cette plaque (21) quart d'onde assurant le passage de conversion entre la polarisation linéaire du côté alimentation de la plaque (21) quart d'onde et une polarisation circulaire du côté antenne.