Brevet FR2815479A1 — publié le 20020419

La présente invention concerne un réflecteur hyperfréquence actif à deux polarisations indépendantes, susceptible d'être illuminé par une source d'onde hyperfréquence pour former une antenne à balayage électronique. Il est connu de réaliser des antennes comportant un réflecteur hyperfréquence actif. Ce dernier, par ailleurs nommé reflect array dans la littérature anglo-saxonne, est un réseau de cellules de déphasage commandables électroniquement. Ce réseau s'étend dans un plan et comporte un réseau d'éléments à contrôle de phase, ou réseau phasé, disposé devant des moyens réflecteurs, constitués par exemple par un plan de masse métallique formant plan de masse. Le réseau réflecteur comporte notamment des cellules élémentaires réalisant chacune la réflexion et le déphasage, variable sur commande électronique, de l'onde hyperfréquence qu'elle reçoit. Une telle antenne apporte une grande agilité de faisceau. Une source primaire, par exemple un cornet, disposée devant le réseau réflecteur émet vers ce dernier les ondes hyperfréquence. Généralement, les cellules de déphasage occupent la totalité de la surface et agissent sur une seule polarisation de l'onde d'éclairement. Dans un système nécessitant le fonctionnement sur deux polarisations orthogonales indépendantes, linéaires ou circulaires, il faudrait donc deux réseaux indépendants fonctionnant sur les deux polarisations. Un but de l'invention est notamment de permettre la réalisation d'un réseau réflecteur hyperfréquence actif fonctionnant selon deux polarisations indépendantes. A cet effet, l'invention a pour objet un réseau hyperfréquence actif, caractérisé en ce qu'il comporte deux réseaux de fentes imbriqués couplées à des cellules de déphasage indépendantes, les fentes d'un réseau étant orthogonales aux fentes de l'autre réseau. L'invention a pour principaux avantages qu'elle permet une réalisation d'antenne à balayage électronique à faible coût et qu'elle est simple à mettre en oeuvre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : - la figure 1, un exemple de réalisation d'une antenne à balayage électronique à réseau réflecteur hyperfréquence actif ; - la figure 2, une vue avant d'un exemple de réalisation d'un réseau réflecteur selon l'invention ; - la figure 3, une vue en coupe d'un exemple de réalisation d'un réflecteur selon l'invention ; - la figure 4, un exemple de réalisation d'une cellule de déphasage dans un réflecteur selon l'invention ; - les figures 5a à 5c, des exemples de réalisation de fentes d'un réflecteur selon l'invention. La figure 1 illustre de façon schématique un exemple de réalisation d'une antenne à balayage électronique à réseau réflecteur actif en regard d'un repère orthonormé Oxyz. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, la distribution hyperfréquence est par exemple du type dit optique, c'est-à-dire par exemple assurée à l'aide d'une source primaire illuminant le réseau réflecteur. A cet effet, l'antenne comporte une source primaire 1, par exemple un cornet. La source primaire 1 émet des ondes hyperfréquence 3 vers le réseau réflecteur actif 4, disposé dans le plan Oxy. Ce réseau réflecteur 4 comporte un ensemble de cellules élémentaires, disposées suivant une maille régulière de pas voisin d'une demi-longueur d'onde, réalisant la réflexion et le déphasage des ondes qu'elles reçoivent. Ainsi, par commande des déphasages imprimés à l'onde reçue par chaque cellule, il est possible ainsi qu'il est connu, de former un faisceau hyperfréquence dans la direction souhaitée. Avec un réflecteur selon l'invention, la source primaire 1 peut être à double polarisation. La figure 2 illustre par une vue dans le plan Oxy un réseau réflecteur selon l'invention. Il comporte deux réseaux imbriqués de fentes orthogonales. Un premier réseau comporte par exemple un réseau de fentes 21 parallèles à l'axe Ox et un deuxième réseau comporte par exemple un réseau de fentes 22 parallèles à l'axe Oy. Ces fentes sont des fentes résonantes réalisées dans un plan de masse 23. Elles sont excitées par des lignes de couplage 24 de premier niveau selon des techniques d'adaptation classiques. Ces lignes de couplage 24 sont reliées à des circuits de déphasage. Ces derniers présentent notamment, via les lignes de couplage, des modifications d'impédance pour provoquer un déphasage de l'onde hyperfréquence réfléchie 3. Des trous métallisés 25 permettent le passage de signaux d'un niveau à l'autre. La figure 3 illustre les différents niveaux d'un réflecteur selon l'invention par une vue dans le plan Oyz. Le réflecteur est du type multicouche, c'est-à-dire par exemple composé d'un assemblage de circuits imprimés, chacun d'eux étant de faible épaisseur. A l'avant, le réflecteur comporte trois niveaux de circuits hyperfréquence à microruban, ou microstrip, de type triplaque diélectrique. Le premier niveau, le plus en avant, susceptible d'être illuminé par une source hyperfréquence 1, porte le réseau de fentes orthogonales dans le plan de masse 23 et les lignes de couplage 24. Les deux niveaux suivants comportent les circuits de déphasage à semi-conducteurs, chaque niveau étant dédié à une polarisation. A l'arrière, d'autres niveaux de circuits imprimés, de technologie basse fréquence, portent les circuits de commande et de polarisation des semi-conducteurs. Ces derniers sont par exemple des diodes. Un premier niveau comporte donc le plan de masse 23 et ses fentes 21,22 destinés à être placés en regard d'une source hyperfréquence 1, et les lignes de couplage 24, noyées dans un matériau diélectrique 31. Avec une constante diélectrique relative Er = 2, 2, la longueur de résonance est voisine de 0,4 Â, Â étant la longueur d'onde, et la largeur de la fente peut être prise égale à 0,08 À. Il est donc aisé d'imbriquer deux réseaux de fentes orthogonales au pas de 0,5 À environ. En pratique, une maille peut avoir par exemple les dimensions 0,5 Â x 0,5 À, pour une maille carrée, et 0,5 Â x 0,58 Â pour une maille rectangulaire. Les fentes 21,22 sont excitées par les lignes de couplage 24, elles-mêmes reliées aux circuits de déphasages à diodes. Selon la technique triplaque, les lignes de couplage 24 sont situées dans le plan médian 30 à l'intérieur de diélectrique. Ces lignes sont reliées aux autres niveaux, notamment aux circuits de déphasage par exemple par des trous métallisés 25 réalisés dans le circuit imprimé. Un plan de masse 32 sépare ce premier niveau du deuxième niveau. Un détourage est réalisé au passage des trous métallisés 25 pour assurer une isolation électrique entre ces derniers et le plan de masse 32. Le deuxième niveau comporte les cellules de déphasage d'une polarisation et le troisième niveau comporte les cellules de déphasage de l'autre polarisation. Ces niveaux, de type triplaque comme le précédent, comportent donc chacun un matériau diélectrique 35,36 compris entre deux plans de masse 32,37, 38. Selon la technique triplaque, les lignes de connexions 301 aux trous métallisés 25, reliés aux lignes de couplage 24 du premier niveau, et les lignes de connexions 302 aux alimentations et commandes des diodes des circuits de déphasage sont situées dans le plan médian 33,34 des matériaux diélectriques. Un niveau est ainsi par exemple formé de deux circuits imprimés comportant chacun une face métallisée 37, 38. Un des circuits imprimés comporte les lignes conductrices, les deux circuits imprimés étant montés l'un contre l'autre. Des alvéoles 39, creusées dans le matériau diélectrique, sont par exemple prévues pour accueillir les diodes D. Une alvéole s'étend par exemple au moins jusqu'au plan médian pour faciliter le câblage de la diode aux différentes lignes de connexion. Les diodes D sont par exemple placées sur un support 300. Un câble 310 relie par exemple une diode D aux lignes de connexion 301,302. Un autre niveau 10, par exemple de type circuit imprimé multicouche et de technologie basse fréquence, comporte notamment les circuits de commande et d'alimentation des diodes. Comme dans toute antenne à balayage électronique, les circuits de commande comportent par exemple les registres de mémorisation des ordres de polarisation des diodes, c'est-à-dire notamment un registre tampon à entrées série et sorties parallèles et un registre actif à entrées et sorties parallèles. Ils comportent par ailleurs les circuits de commutation des tensions et courants Les composants 11 de ces circuits de commande sont par exemple situés sur la face externe de ce niveau, opposé aux fentes. Les connexions électriques entre les composants sont distribuées sur les différentes couches 12 du circuit imprimé. De façon classique, des trous métallisés 12 relient ces différentes couches entre elles. Des trous métallisés 14 relient par ailleurs ces couches aux deuxième et troisième niveaux, dédiés aux circuits de déphasages. Plus particulièrement, ces trous métallisés 14 relient le niveau de commande basse fréquence 10 aux lignes conductrices intérieures aux triplaques. Ils véhiculent notamment les signaux de commande des circuits de déphasage, particulièrement des diodes. La figure 4 illustre par un schéma électrique un exemple de réalisation d'une cellule de déphasage. Les plages conductrices 41,42, 43 dans le plan médian 33,34 d'une triplaque de deuxième ou troisième niveau. La complexité du réseau de cellules reste faible si on se limite notamment pour une cellule à une commande à 2 bits de déphasage, pouvant être obtenus au moyen de deux diodes D identiques, montées à des distances différentes du point d'alimentation de la cellule, c'est-à-dire le trou métallisé 25 de liaison avec les lignes de couplage 24 du premier niveau. Dans ce cas, l'anode des diodes D est par exemple reliée aux circuits de commande 11 par l'intermédiaire d'une plage conductrice 42 traversée par un trou métallisé 14 relié aux circuits de commande. La cathode des diodes est par exemple reliée à des plages conductrices 41,43 reliées à un potentiel de masse. L'ajustement des valeurs des pas de déphasage à n fois 900 se fait classiquement en déterminant les impédances caractéristiques des lignes où sont montées les diodes, c'est-à-dire leur ligne de couplage associées 24 et les connexions les reliant à cette ligne. Cet ajustement se fait aussi notamment en déterminant la valeur de la capacité des diodes et les impédances ramenées autour des diodes par les circuits de découplage des polarisations continues. Avec deux commandes indépendantes, amenées depuis les circuits de commande du niveau basse fréquence 10 par des trous métallisés 14, quatre valeurs de déphasage proches de n fois 900 peuvent être obtenues. Les diodes D peuvent être montées en série avec la ligne de couplage 24 ou entre la ligne et plan de masse 37, 38 selon le mode de conception du circuit. Dans le deuxième cas, l'alvéole 39 accueillant une diode D va s'étend par exemple jusqu'au plan de masse 37, 38, ce qui permet notamment le montage de la diode D directement en contact avec la masse. L'exemple de cellule de déphasage illustré par la figure 4 comporte deux diodes afin notamment d'obtenir une commande de déphasage sur deux bits. Il est bien sûr possible de prévoir des cellules de déphasage commandables sur plus de deux bits, comportant alors plus de deux diodes. Dans ce cas, pour des raisons d'encombrement, chaque cellule de déphasage peut être répartie sur plusieurs niveaux. Des trous métallisés 45 réalisés dans le diélectrique 35,36 entourent par exemple chaque cellule de déphasage. Ces trous 45 sont disposés assez serrés de façon à former un blindage électromagnétique. A cet effet, ces trous 45 sont à une distance l'un de l'autre très inférieure à la longueur d'onde de fonctionnement du réflecteur. Un découplage entre les cellules de déphasage est ainsi réalisé. Un réseau réflecteur hyperfréquence actif tel selon l'invention qu'illustré par les figures précédentes peut être avantageusement réalisé sur une faible épaisseur. En effet, les trois premiers niveaux, les niveaux hyperfréquence en technologie triplaque d'environ 1,2 millimètre chacun, occupent une épaisseur d'un peu moins de 4 millimètres. Le niveau 10 dédié aux circuits de commande peut occuper une épaisseur d'un circuit imprimé multicouche d'environ 1 millimètre. Enfin, la hauteur des composants peut être au maximum de l'ordre de 10 millimètres. L'épaisseur totale peut donc être inférieure à 15 millimètres. Pour un fonctionnement satisfaisant dans une bande de fréquences et un domaine angulaire de balayage, une couche d'adaptation peut être nécessaire en avant des fentes. Cette couche peut notamment être déterminée au moyen d'un simulateur électromagnétique de réseau fini. Elle peut être complexe et comporter par exemple une ou plusieurs des souscouches suivantes constituées : - d'air ou d'une mousse en structure de nid d'abeille ; - d'un diélectrique massif - de pavés métalliques interagissant avec les fentes ; - d'une nouvelle couche diélectrique. Cette couche d'adaptation peut aussi servir de radôme pour une installation à l'extérieur. En complément, un polariseur transformateur de polarisation linéaire en polarisation circulaire peut par exemple être utilisé. Les figures 5a à 5c présentent des variantes de réalisation possible d'un réseau réflecteur selon l'invention. Les fentes telles que représentées par la figure 1 sont droites. Néanmoins, d'autres formes de fentes sont possibles. La figure 5a présente une forme de fente 21,22 en haltère. La figure 5b présente une forme de fente en double C et la figure 5c présente une forme de fente en H. Les avantages apportés par ces formes sont notamment les suivants : réduction de longueur, pouvant faciliter l'imbrication des réseaux, modification du comportement électrique vis-à-vis du coefficient de surtension propre à des couplages entre fentes. Un réseau réflecteur actif selon l'invention peut être utilisé pour de nombreux types d'antennes à balayage électronique. Il peut notamment être utilisé pour des antennes nécessitant d'être réalisées à faible coût, par exemple dans le domaine des télécommunications ou d'observation du sol selon deux polarisations. En effet, la structure à circuit imprimé telle que décrite précédemment est une structure bas coût. La construction de l'antenne est classique, de type circuit imprimé multicouche. Par ailleurs, les dimensions des fentes et des cellules de déphasage facilitent l'implantation en respectant le pas de 12 entre cellules. L'antenne peut être du type de celle illustrée par la figure 1, mais elle peut être aussi par exemple du type Cassegrain. Dans ce cas, une source d'onde hyperfréquence est située sensiblement au centre du réflecteur 4 pour illuminer un réflecteur auxiliaire, lequel illumine le réflecteur 4 par réflexion. REVENDICATIONS 1. Réseau hyperfréquence actif, caractérisé en ce qu'il comporte deux réseaux de fentes imbriqués (21,22) couplées à des cellules de déphasage indépendantes (D), les fentes d'un réseau étant orthogonales aux fentes de l'autre réseau. 2. Réseau hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fentes (21,22) sont des fentes résonantes réalisées dans un plan de masse (23) excitées par des lignes de couplage (24) reliées aux cellules de déphasage (D). 3. Réseau hyperfréquence selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins trois niveaux de circuits hyperfréquence, le premier niveau, le plus en avant, susceptible d'être illuminé par une source hyperfréquence (1), portant le réseau de fentes orthogonales et les lignes de couplage 24, les deux niveaux suivants comportant les circuits de déphasage à semi-conducteurs (D), chacun de ces deux niveaux étant dédié à une polarisation. 4. Réseau hyperfréquence selon la revendication 3, caractérisé en ce que les niveaux sont de type triplaque diélectrique. 5. Réseau hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte au moins, à l'arrière, un niveau (10) portant les circuits de commande et de polarisation des semiconducteurs (11). 6. Réseau hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les fentes (21,22) étant excitées par les lignes de couplage (24) reliées aux circuits de déphasages, les lignes de couplage (24) sont situées dans le plan médian (30) d'une couche de matériau diélectrique (31) limitée par le plan des fentes (23) et par un plan de plan de masse (32), ces lignes étant reliées aux autres niveaux par des trous métallisés (25). 7. Réseau hyperfréquence selon la revendication 6, caractérisé en ce que pour les deux niveaux dédiés aux circuits de déphasage, les lignes de connexions (301) aux trous métallisés (25), reliés aux lignes de couplage 24 du premier niveau, et les lignes de connexions (302) aux alimentations et commandes des circuits de déphasage sont situées dans le plan médian (33, 34) de matériaux diélectriques (35,36) limités chacun par des plans de masse (32,37, 38). 8. Réseau hyperfréquence selon la revendication 7, caractérisé en ce que des alvéoles (39), creusées dans le matériau diélectrique, sont prévues pour accueillir les semi-conducteurs (D) des circuits de déphasage. 9. Réseau hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que des trous métallisés (45) entourant chaque cellule de déphasage sont réalisés dans le matériau diélectrique (35,36) pour former un blindage électromagnétique. 10. Réseau hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la forme des fentes (21,22) est en haltère. 11. Réseau hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la forme des fentes (21,22) est en double C. 12. Réseau hyperfréquence selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la forme des fentes (21,22) est en H. 13. Antenne hyperfréquence à balayage électronique, caractérisée en ce qu'elle comporte un réflecteur (4) selon l'une quelconque des revendications précédentes et une source d'onde hyperfréquence (1) illuminant le réflecteur. 14. Antenne hyperfréquence à balayage électronique, caractérisée en ce qu'elle comporte un réflecteur (4) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 pour former une antenne de type Cassegrain, une source d'onde hyperfréquence étant située sensiblement au centre du réflecteur (4) pour illuminer un réflecteur auxiliaire, lequel illumine le réflecteur (4) par réflexion.