Brevet FR2747842A1 — publié le 19971024

LENTILLE HIPERFREDOEMCE MULTISANDE ET SOM APPLICATION A UME ANTEMNE A BALA@AGE ELECIRONIQUE La présente invention a pour objet une lentille hyperfrè@uence multibande. c est-a-dire une lentille susceptible de fonctionner dans une oluralite de bandes de freouence. L invention a éqalement pour objet l'application d'une teile lentille a la constitution d'une antenne a balavage electronique. Il est connu. pour réaliser par exemple une antenne à balayane electronique, d'utiliser une lentille hyperfréquence for te de panneaux introduisant un déphasage de l'onde electro-a- quétioue hvperfréquence qui les traverse. Chacun de ces panneaux comporte des fils portant des diodes. parallèles les uns aux autres. La coeeande de l'état cassant ou bloqué des diodes permet de faire varier le déphasage conféré b l'onde incidente et. par suite. d'obtenir un balayage électronique. ne telle antenne est par exemple décrite dans le bre"et français ne 2.469.808. On a illustre son principe sur la figure la en vue partielle éclatée et sur la figure lb, schémati- quement dans le plan du chaap electrique. Sur la fiqure la. on a représenté trois panneaux suDerposés. c'est-à-dire sités dans un même plan, reoérés P1, P2 et P3 Chacun de ces panneaux est constitué par un support diélectrinue 1 sur lequel sont disposes des fils 2 parallèles. portant des diodes 3. Dans l'exemple de la figure. chacun des fils porte deux diodes. les diodes étant connectees dans le même sens. Les fils a diodes 2 sont réunis Dar ils conducteurs 7 qui leur sont sensiblement perpendiculaires. u'ilises pour la commande de l'etat passant ou bloqué des dicdes : dans thacun des panneaux. toutes les diodes sont commandées simultanément et identiquement a l'aide des conducteurs 7 par des tensions suffisantes pour les rendre conductrices ou non. Les panneaux sont séparés et entourés par des plaques conductrices qui leur sont perpendiculaires repérés PL1, PL2, PL3, PL4. Sur la figure 1b, on a reorésenté une pluralité de panneaux tels que P1, P2 et P3. désiqnés ici par P. disposés dans les canaux forés par les plaques désignées ici par Pj Drises deux à deux. L'ensemble des panneaux P d'un même canal constitue un déphaseur (D1, D2, D3...). L'empilement d'une pluralité de déphaseurs constitue une lentille hyperfréquence active qui est éclairée par une source S (fiqure la), cette derniere fournissant une onde électromagnétique dont le champ électrique E est perpendiculaire aux plaques PL On a représenté a titre d'exemple sur la figure lb un empilement de cinq déphaseurs ainsi que la direction du champ électrique (flèche E). de l'onde incidente (flèche 101 et de l'onde transmise (fleche 20), cette dernière etant défléchie par rapport å l'onde d'incidence. Les panneaux P étant commandés indépendamment l'un de l'autre. il apparaît que le déphasage qu'ils confèrent à l'onde qui les traverse peut etre différent d'un panneau a l'autre. En accolant une pluralité de panneaux les uns derrière les autres dans un même canal sur le trajet de l'onde hyperfréquence. on voit qu'on peut obtenir des déphasages pouvant aller de O a 360'. par incréments dont la valeur est liée au nombre de panneaux accolés. En empilant une pluralité de tels déphaseurs, il apparaît aue l'on peut réaliser un bala"aqe électronique dans un plan parallèle au champ électrique E. Par ailleurs. dans certaines applications. il est nécessaire de pouvoir faire fonctionner une même antenne dans au moins deux bandes de fréquence différentes, notamment pour les raisons suivantes - certaines optimisations de paramétres étant dans certains cas incompatibles. 1 utilisation de plusieurs bandes de fréquence différentes permet de les réaliser séparément ; c'est notamment le cas pour les questions d'ambiquité ou de résolution, en vitesse ou en angle - la bande de fréquence de fonctionnement de l'antenne se trouvant ainsi plus large, la résistance de celle-ci vis-à-vis des brouilleurs en est améliorée ; - les cibles dites furtives ne l'étant en général que dans une bande de fréquence assez étroite. l'utilisation de plusieurs bandes distinctes permet d'améliorer leur detection ; - l'utilisation de plusieurs bandes de frequence permet de lever des ambiquïtés dues å l'effet d'image, c'est-à-dire la formation d'une image de la cible due aux réflexions sur le sol ou sur la mer des ondes émises par l'antenne. La présente invention a pour objet une lentille hyperfréquence du type décrit dans le brevet précité, qui soit adaptée pour pouvoir fonctionner dans au moins deux bandes de fréquence. Plus précisément, selon l'invention. chacun des canaux déphaseurs do la lentille est subdivisé en au moins deux souscanaux, chacun de ceux-ci étant affecte a l'une des bandes de fréquence de fonctionnement de la lentille. Chaque sous-canal comporte, outre des panneaux déphaseurs accolés, des moyens diplexeurs et des moyens d'adaptation d'impédance à chacune de ses extremitos. D autres objets. particularités et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante. donnée a titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins annexés, au représentent - les figures la et lb, déja décrites. des schémas du dispositif obiet du brevet fran5ais précité : - la figure 2, une vue générale schématique d'un mode de réalisation de l'antenne multibande selon l'invention - la figure 3. un mode de realisation d'un canal dépha- seur utilise dans la structure de la figure 2 ; - la figure 4, une variante de réalisation de la figure 3 ; - les figures a et 5b, un mode de réalisation des moyens diplexeurs et adaptateurs utilisés dans certains des souscanaux de la lentille selon l'invention : - les figures a et 6b, un mode de réalisation des moyens diplexeurs et adaptateurs utilises dans d'autres souscanaux de la lentille selon l'invention : - les figures 7a et 7b, un autre mode de réalisation des moyens diplexeurs et adaptateurs utilisés dans les souscanaux de la lentille selon l'invention : - la figure 8. un autre mode de réalisation de l'antenne multibande selon l'invention. Sur ces différentes fiqures. les mêmes références se rapportent aux memes éléments. Par ailleurs, Dour simplifier. la description de l'antenne utilisant la lentille selon l'invention sera faite å l'émission, etant entend que L'antenne fonctionne de façon classique également, à la réception. La figure 2 représente donc une vue schématique généra- le d'un mode de réalisation d'une antenne selon l'invention, par exemple bibande. Cette antenne est constituée par une lentiilie hyperfréquence L. illuminée par des moyens d'émission-récaption, ou sour ce, S,, d'énergie êlectromaqnétique hyperfrequence. La source S comporte des moyens d'émission d'une onde hyperfréquence à une première fréquence F1. celle-ci pouvant varier a l'intérieur d une bande de fréquences # F1, ainsi que des moyens d'émission d'une onde hyperfréquence à une deuxième fréquence F2, celle-ci pouvant de même varier å l'intérieur d'une bande de fréquences # F2. Les deux bandes F1 et et F2 sont de préférence disjointes. L'émission des fréquences F1 et F2 est realisable par tous moyens connus. Dans l'exemple de réalisation illustre sur la figure 2, ils sont réalisés a l'aide de deux guides à fentes, respectivement G1 et G2. Les quides sont empilés selon un axe Ox ; ils rayonnent de l'énergie selon un axe Oz (normal au précé- dent) par des fentes F réalisées parallèlement à un axe Oy (normal aux précédents). La lentille L est réalisée de façon analogue a ce qui est représenté sur les fiqures 1. a ceci près que chacun des canaux déphaseurs D est divise en deux sous-canaux, repérés dl et d2. Plus précisément, la lentilie L est constituée par un empilement selon l'axe Ox de canaux déphaseurs D, séparées par des plaques conductrices PL parallèles au plan yOz. Les panneaux déphaseurs P sont disposes, dans les canaux, parallèlement au plan xOy. La figure 3 représente de facon plus détaillée un mode de réalisation d'un canal déphaseur D de la figure 2. Entre les deux plaques Pl délimitant Le canal D est disposée une troisième plaque conductrice PLI. dite plaque intermédiaire, parallèlement aux deux précédentes : la plaque PLI peut être, ou non, disposée à mi-distance entre les plaques PL : dans un mode de réalisation préferé. la plaque PLI est plus petite que les plaques PL. par exemple sensiblement d'une distance dp de l'ordre d'une lonqueur d'onde correspondant å la fréquence de fonctionnement la olus basse. ceci pour éviter de perturber l'adaptation de la face d'entre de la lentille L. Chacun des sous-canaux est donc délimité par l'une des plaques PL et la plaque intermédiaire PLI. Des panneaux déphaseurs sont disposés à l'intérieur de chacun des sous-canaux et sont places et dimensionnés pour fonctionner : - å la fréquence F1 pour les panneaux, repérés ici P1, disposes dans le sous-canal dl ; - a la fréquence F2 pour les panneaux, repérés ici P2, disposés dans le sous-canal d2. Enfin. chacun des sous-canaux d et d2 comportent en outre, à chacune de leurs extrémités, des moyens diplexeurs (respectivement 41 et 42) et des moyens d'adaptation d'impédance (respectivement 51 et En fonctionnement. la lentille L (figure 2) est illumi- née Dar les deux guides G1 et G2 simultanément ou non. Les diplexeurs 41 et 42 out pour fonction de n'autoriser la propaqation que de l'énerqie de fréquence F1 dans le sous-canal d1 et que de l'énerqie de fréquence F2 dans le sous-canal d2. A cet effet. chacun des diplexeurs 41 et 42 est un circuit hyperfréquence. de préférence réalisé sur un support diélectrique disposé parallèlement aux panneaux P1 ou P2. présentant une transparence maximale pour l'une des fréquences (respectivement F et F ) et une réflectivité maximum pour 1 autre fréquence (respectivement F2 et F1). Les adaptateurs d'impédance 51 et 52 ont pour fonction. pour chaque sous-canal. de compenser la désadaptation due a la réflexion de l'énergie sur l autre sous-canal : ils sont de préférence réalisés de façon analoque à celle des movens 41 et 42. c'est-à-dire constitués par un circuit hyperfréquence sur support diélectrique parallèle aux panneaux P1 et P2. En outre. la lentille étant susceptible de recevoir de l'énergie sur l'une ou sur 1 autre de ses faces extremes. chacun des sous-canaux comporte des moyens 4 (41, 42) et 5 (51, 52) à chacune de ses extrémités. On a ainsi réalise. selon l'invention. une antenne å balayage electronique dans le plan xOz, susceptible de fonctionner dans deux bandes de fréquence # F1 et # F2 distinctes. Il est à noter que ce fonctionnement bibande est rendu possible de façon simple par dédoublement des canaux dephaseurs. Il est en outre extensible à un fonctionnement sur n bandes de fréquences, n pouvant être supérieur à 2, par division en n souscanaux de chacun des canaux déphaseurs, ce type de structure à canaux déphaseurs empilés n'étant pas limite en dimensions. En outre, la commande des panneaux dephaseurs P1 et P2 peut être réalisée tout à fait indépendamment, permettant ainsi de défléchir les faisceaux relatifs à chacune des frequences dans des directions et à des instants indépendants. De plus. la commande et le fonctionnement des sous-canaux étant indépendants, le nombre de panneaux déphaseurs du'ils contiennent peut n'être oas le même pour les sous-canaux d et pour les sous-canaux d2. La fiqure 4 représente une variante de réalisation de la figure 3, dans laquelle les moyens diplexeurs et les moyens d'adaptation d'impédance soot réalisés à l'aide d'un même circuit hyperfréquence. Sur cette figure. on retrouve un canal déphaseur D divisé en deux sous-canaux d1 et d2. Chaque sous-canal (d1. d2) comporte des panneaux déphaseurs (P1, P2) et. à chacune de ses extrémités. des moyens (61, 62 respectivement, assurant à la fois les fonctions des moyens 4 et 5 de la figure .. Comme précedem- ment, ces moyens diplexeurs et adaptateurs sont de préférence realises oar un circuit hyperfréquence porté par un support diélectrique dispose parallèlement aux panneaux déphaseurs (P1, P2). La figure 5a représente un mode de réalisation des moyens diplexeurs et adaptateurs 61 utilisés dans le sous-canal d de la lentille selon l'invention, qui est destiné à laisser passer la seule fréquence F1. supposée être inférieure a la fréquence F2. Les moyens 61 comportent un substrat diélectrique 11 sur lequel sont déposées, par métallisation par exemple, deux bandes conductrices 51 et 52, sensiblement parallèles, formant iris, entre lesquelles sont connectees en parallèle des capacités 13 a l'aide de fils 12 : à titre d'exemple, les fils 12 sont également imprimés sur le substrat 11 et les capacités 13 sont formées par des dépôts conducteurs normaux aux fils 12, en vis-a- vis l'un de l'autre : dans ce dernier cas, la valeur de la capacité est fonction de la longueur c de ces dévots conducteurs. Le substrat 11 est entouré de plaques métalliques PL et PLI qui sont sensiblement normales à son plan. Pour la clarté de la figure. la surface des différents conducteurs (non vus en coupe) a été pointillée. La figure Sb représente le schéma équivalent en hyperfréquence du circuit de la figure 5a. L'onde hycerfréquence est recue entre deux bornes B et B2. Elle rencontre deux capacités Ce et CI en série. connectées en parallèle sur ces bornes. Les capacites C0 et CI representent. la première. la capacité linéique resoectivement de découplage entre les bandes 51 et 52 et les plaques PL et PLI. et la se@onde de l'iris 51-52 : elles sont fonction resoectivement des distances Do entre bandes et plaques. et DI entre les bandes 5! et 52. Aux @@rnes de la capacité CI sont connectées, en série, inductance L et une capacité C13. Cette dernière représente la capacité 13 de-la fiqure 5a. L'inductance L représente l'induc- a tance des fils 12. affectée d un facteur - ou : b - a est la distance entre deux capacités 13 : - b est la distance entre les plaques P L et PLI : - a est un coefficient caractérisant l'interaction entre les fils 12. La tension de sortie hyperfréquence est prise entre des bornes 93 et B4, aux bornes des capacités C0 et CI. Les valeurs C0, CI, L et C13 sont déterminées pour que le circuit 61 du sous-canal dl - soit réfléchissant lorsqu'il est en présence d'une onde hyperfréquence de fréquence F2 : - assure l'adaptation du sous-canal d lorsqu'il est en présence d'une onde hyperfréquence de fréquence F1. La condition de réflectivité du circuit s'obtient. classiquement. en ecriant que sa susceptance (B1) tend vers l'infini pour la fréquence F2. La condition d'adaptation s'obtient. de faSon analogue en ecrivant que la susceDtance B1 est égale, pour la fréquence F1, a une valeur déterminée, fonction de la distance (d6) du circuit 61 a l'entrée du sous-canal, c'est-adire au bord de la plaque intermédiaire PLI : à titre d'exemple, si la distance d6 est sensiblement égale à 0,15.#1. on a B1 #0.7.#1, #1 étant la longueur d'onde correspondant à la fréquence F1. La détermination des valeurs precédentes conduit a celle des paramètres géométriques D0. DI et a, la distance b étant choisie par ailleurs en fonction des caractéristiques de rayonnement souhaitées pour la lentille. La figure @a represerte un mode de réalisation des moyens diplexeurs et adaptateurs 62 utilisés dans le sous-canal d2 de la lentille selon linention, destine å laisser oasser la seule fréquence F2. Les moyens 62 sont constitues de façon analogue å celle des moyens 61 de la figure 5a. c'est-à-dire qu'ils comportent un substrat diélectrique 11 sur lequel sont déposés. par etal- lisation par exemple, deux bandes conductrices 51 et 52, sensiblement paralleles. formant iris, entre lesquelles sont connectes en parallèle des fils 12, par exemple également imprimés sur le substrat 11. Le substrat 11 est entoure de plaques métalliques et PLI, qui sont sensiblement normales à son plan. Toutefois. contrairement au circuit 61, le circuit 62 ne comporte pas de capacité sur les fils 12. La figure 6b représente le schéma equivalent en hyperfréquence du circuit de la figure 6a. L'onde hyperfréquence est reçue entre les deux bornes B1 et B2. Elle rencontre comme précédemment les deux capacités C0 et CI en série. Aux bornes de la capacité CI est connectée l'inductance L. qui re@résente comme précédemment 1 inductance des fils 12, affectée du facteur a/b&alpha;. Les valeurs C0. CI, et L sont déterminées de façon analogue à ce qui a été décrit précédemment. c'est-à-dire pour que le circuit 62 du sous-canal d2 : - soit réfléchissant lorsqu'il est en présence d'une onde hyperfréquence de fréquence F1 : - assure l'adaptation du sous-canal d2 lorsqu'il est en présence d ne onde hyperfréquence de fréquence F7. La condition de reilectioitb du circuit s'obtient de aèse en écrivant que sa susceptance (B2) tend ers l infini pour la fréquence F,. La condition d adaptation s obtient en écrivant que la susceotance B2 est éqale, pour la fréquence F,. a une valeur déterminée, fonction de la distance (dg) du circuit 62 å l'entrée du sous-canal. A titre d exemple, si la distance d6 est de l'ordre de 0,15.#2, on a B2 #0,7.#2. #2 étant la longueur d'onde correspondant à la fréquence F2. On détermine ainsi la valeur des paramètres gboeetri- ques Do DI et a. å b donné. La figure 7a représente un autre mode de réalisation des moyens diplexeurs et adaptateurs utilisés dans les souscanaux de la lentille selon l'invention. Le circuit représente sur la figure 7a est identique à celui de la figure 5a, sauf en ce qui concerne les capacites 13 qui sont remplacées par des diodes 14. Lorsque, par l'intermédiaire des bandes 51 et 52, les diodes 14 sont polarisées en direct. le circuit de la figure 7a fonctionne de la meme façon que celui de la figure 6a. Au contraire. lorsque les diodes 14 sont polarisees en inverse, le circuit de la figure 7a ioue le même rôle que celui de la figure 5a. A l'aide d'un même type de circuit, il est alors possible de réaliser à la fois les moyens 61 et 62. La figure 7b représente le circuit équvalent de la figure 7a. On y retrouve les caDacites C0 et CI en serie entre les bornes B1 et B2. Aux bornes de la capacité CI sont maintenant connectes une inductance L en série avec - soit une capacité C1. en serie avec une résistance - soit une résistance Rd. selon que la diode 14 est en sens inverse ou direct. ce qui est symbolisé par un interrupteur 20. L'inductance L est dela forme : L = Lo#a/b&alpha; ou L est l inductance de la diode 14 et du fil 12. La resistance o R, est la résistance inverse de la diode. affectee du rapport a/b. La résistance Rd est la résistance directe de la diode, affectee du meme rapport. Enfin. la capacité C est la capacité de jonction de la diode, affectée du rapport b/a. La détermination des paramètres s'effectue comme exDlique ci-dessus, selon que ce circuit doit constituer les moyens ou 62. Les modes de réalisation précédemment décrits pour les moyens diplexeurs et adaptateurs présentent l'avantage d'utiliser le même type de dispositif que les panneaux déphaseurs. Les differents panneaux. déphaseurs. diolexeurs et adaptateurs, d'un mise sous-canal peuvent être par exemple collés sur les plaques PL ou PLI. Dans une variante de réalisation, l'espace entre les panneaux peut être rempli d'un matériau à faible constante diélectrique. mousse polyuréthane par exemple, qui joue en autre un rôle de support mécanique : les panneaux sont alors simplement glissés dans des espaces ménagés dans la mousse. La figure 8 représente un autre mode de réalisation de l'antenne multibande selon l'invention. Cette antenne comporte une source S. ici formée de deux cornets superposes selon un axe Ex d un rerere rectangulaire Oxyz. l'un des cornets (C1) émettant une onde de fréquence F1 et l'autre (C2). une onde de fréquence F2 toutes deux selon la direction Oz. La source S éclaire une premiére lentille L1. cons tituée oar eteanle comme la Lentille L de la fiqure 2, avec ses plaques P parallèles au plan yOz. Parallèlement å la lentille L1 sont disposées sivement une arille de rotation de polarisation G et une deuxième lentille L2. La grille G imprime une rotation de 90' à la polarisation de l'onde émergeant de la lentille L1. Elle est par exemple constituée comme decrit dans un article intitulé "Broad Band Mide-Angle Quasi-Optical Polarization Rotators" de AMITAY et SALEH. paru dans la revue "IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. AP-31, N- 1" de Janvier 1983. La lentille L2 est analogue à la lentille L1, mais tourmée de 90 @ c'est-à-dire que ses plaques PL sont parallèles au plan xOz. On a ainsi réalisé une antenne à balayage électronique selon deux plans orthogonaux et fonctionnant selon deux bandes de fréquence distinctes. ta description faite ci-dessus l'a été bien entendu å titre d'exemple non limitatif. C'est ainsi par exemple que l'antenne a eté représentée comme formée oar une lentille éclairée par des moyens distincts formant source. mais que ces derniers peuvent etre intégrés å chacun des sous-canaux : ils oeuvent etre constitués par exemple par une ligne dite "serpent" disposée dans chaque canal. Les moyens 4. 5 ou 6 ne sont alors olus nécessaires du côté de la liane serpent celle-ci assurant l adaptation. R E V E N D I C A T I O N S 1. Lentille hyperfréquence susceptible de recevoir une onde électromagnétique se propageant selon une première direction (Oz), la lentille comportant une pluralite de canaux déphaseurs (D) empilés selon une deuxième direction (Ox), normale å la ore- miére, et séparés les uns des autres par des plaques conductrices (PL) perpendiculaires à la deuxième direction Ox), chacun des canaux comportant une pluralité de panneaux déphaseurs (P), disposés perpendiculairement à la première direction (Oz), chacun des panneaux (P) portant des fils conducteurs (2) parallèles à la deuxième direction (Ox) et portant des diodes (3), la commande de l'état passant ou bloqué des diodes d'un panneau permettant de faire varier le déphasage provoqué par le panneau sur l'onde qui le traverse ; la lentille étant caractérisée par le fait que chacun des canaux est divisé en au moins deux sous-canaux (d1. d2) à l'aide d'une plaque conductrice intermédiaire (PLI), disposée entre deux plaques et parallèlement @ celles-ci, les souscanaux comportant chacun une pluralité de Danneaux déphaseurs (P1, P2) agencés pour fonctionner à au oins deux fréquences (F1, F2) respectivement. et. de part et d autre des panneaux déphaleurs sur le trajet de l'onde électromagnétique, des moyens diplexeurs et des moyens d'adaptation d'impédance. 2. Lentille selon la revendication '. caractérisée par le fait que les moyens diplexeurs (4) sont réalisés chacun à l'aide d'un circuit hyperfréquence. 3. Lentille selon la revendication 1. caractérisée par le fait que les moyens d'adaptation d'impédance (5) sont réalisés chacun a l'aide d'un circuit hyperfréquence. 4. Lentille selon la revendication 1. caractérisée par le fait que les moyens diolexeurs et les moyens d'adaptation d'impédance sont réalisés à l'aide d'un même circuit hyperfréquence (61, 62). 5. Lentille selon la revendication 4. caractérisée par le fait que chacun des circuits hyperfrequences de celui (dl) des sous-canaux fonctionnant à la fréquence la plus basse (F1) est réalisé sur un support diélectrique placé parallèlement aux panneaux déphaseurs et comporte des fils conducteurs (12) sensiblement parallèles à la deuxième direction (Ox), portant des capacités (13) et reunis entre eux par des bandes conductrices (51, 52) aui leur sont sensiblement perpendiculaires. 6. Lentille selon la revendication 4 , caractérisée par le fait que chacun des circuits hyperfréquences de celui (d2) des sous-canaux fonctionnant à la fréquence la plus haute (F2) est réalise sur un support diélectrique placé parallèlement aux panneaux déphaseurs et comporte des fils conducteurs (12) sensiblement parallèles à la deuxième direction (Ox). reunis entre eux par des bandes conductrices !51. 52! qui leur sont sensiblement perpendiculaires. 7. Lentille selon 1 une des revendications précédentes, caractérisée par le fait aue Les plaques conductrices intermédiaires (PLI) sont plus petites que les plaques conductrices (P@) selon la première direction (Oz). 9. Lentille selon La revendication 4. caractérisée par le fait que chacun des circuits hyperfrequences est disoosé a une distance (d6) prédéfinie du bord de la plaque intermédiaire, qui