Brevet FR2820886A1 — publié le 20020816

I'une quelconque des revendications à 14. La présente invention concerne un panneau réflecteur hyperfréquence à balayage électronique. Elle concerne également une antenne formée par le panneau illuminé par une source hyperfréquence. L'invention s'applique notamment à l'écoute spatiale des signaux radar, elle s'applique également aux radars et aux communications. L'écoute spatiale suppose l'embarquement d'une antenne hyperfréquence sur un satellite. L'antenne doit satisfaire des exigences particulières, elle doit notamment fonctionner en très large bande et présenter une masse et une consommation rébuites tout en assurant une couverture angulaire dans un volume étendu en trois dimensions. Une antenne hyperfréquence active permet d'assurer la couverture angulaire spécifi ée ma is sa masse et sa consom mation sont très él evées. Par ai l l eurs, une antenne hyperfréquence à balayage mécanique est moins adaptée à I'écoute spatiale car son fonctionnement entrane une déstabilisation du satellite plateforme dont la compensation est coûteuse. Les antennes hyperfréquence connues ne permettent pas de répondre de façon satisfaisante au besoin d'une écoute spatiale. Un des buts de l'invention consiste à réaliser une antenne à balayage électronique pour l'écoute spatiale. A cet effet l'invention est un panneau réflecteur à balayage électronique dans deux plans comportant des déphaseurs présentant une structure unidirectionnelle. Le panneau illuminé par une source élémentaire hyperfréquence forme une antenne hyperfréquence. Le réseau des déphaseurs est de type canaux à lames à faces parallèles. Les faces sont parallèles à l'un des plans de balayage. Le réseau de déphaseurs comporte un circuit imprimé déphaseur hyperfréquence entre une grille inférieure et une grille supérieure, les deux grilles sont métalliques et présentent des cloisons à faces parallèles. Les espaces entre les cloisons sont de préférence comblés par des matériaux de faible permittivité pour assurer la tenue mécanique tout en réduisant le couplage entre les déphaseurs élémentaires du réseau. La grille inférieure présente un fond métallique réflecteur en arrière duquel est placé un circuit de commande basse fréquence pour polariser les diodes du circuit déphaseur hyperfréquence. La liaison électrique entre le circuit de commande et les diodes est de préférence de type coaxiale réalisée dans les cloisons de la grille inférieure. L'invention a notamment pour principaux avantages qu'elle permet une réalisation d'antenne à balayage électronique à faible masse, faible consommation et de bande passante supérieure à une octave. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparatront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent: - la figure 1, un schéma d'une réalisation d'une antenne à balayage électronique à réseau réflecteur hyperfréquence; - la figure 2, un exemple de réalisation de circuit déphaseur de l'invention; - la figure 3, une vue éclatée d'un exemple de réalisation d'un réseau de déphaseurs selon l'invention; - la figure 4, une éclatée d'un exemple de réalisation d'une antenne selon l'invention. La figure 1 illustre de façon schématique un exemple connu de réalisation d'une antenne à balayage électronique à panneau réflecteur en regard d'un repère orthonormé Oxyz. L'antenne comporte une source primaire 1, par exemple un cornet 2. La source primaire 1 émet des ondes hyperfréquence 3 vers le panneau réflecteur actif 4, disposé dans le plan Oxy. Le panneau réflecteur 4, appelé " reflect array " dans la littérature anglo-saxonne, comporte un ensemble de cellules élémentaires réparties selon une structure bidirectionnelle dans le plan Oxy. Les cellules sont généralement disposées suivant une maille régulière dans les deux directions Ox et Oy dont le pas est de préférence voisin d'une demilongueur d'onde et elles réalisent la réflexion et le déphasage des ondes qu'elles reçoivent. Ainsi, par commande des déphasages appliqués à l'onde reçue par chaque cellule, il est possible ainsi qu'il est connu, de former un faisceau hyperfréquence dans la direction souhaitée. Le panneau réflecteur 4 permet de réaliser un balayage dans deux plans Oyz et Oxz. Les fonctions de déphasage et de réflexion du panneau réflecteur sont par exemple réalisées par des déphaseurs élémentaires commandés électroniquement qui forment un réseau situé par rapport à la source primaire en avant d'un plan réflecteur métallique. La figure 2 illustre de façon schématique par une vue dans le plan Oxy un exemple de circuit déphaseur de l'invention. Dans cet exemple et dans les réalisations décrites ci-dessous, le circuit déphaseur et le panneau réflecteur sont plans. Cependant ie domaine de l'invention couvre également des géométries non planes pour ces éléments et leurs éléments associés. Ainsi l'ensemble du panneau réflecteur peut être conformé à une surface o gauche comme par exemple un cylindre ou une surface sphérique. Le circuit déphaseur de la figure 2 est plan, il comporte un substrat hyperfréquence 5 mince sur la face avant duquel est réalisé un circuit imprimé hyperfréquence o les motifs 6, 7 des déphaseurs sont gravés et sur lesquels sont posées des semi-conducteurs, par exemple des diodes 8, 9. Le substrat hyperfréquence 5 présente de préférence une faible épaisseur de 0.1 à 0.2 millimètre. Il est par exemple réalisé en verre époxy. Les diodes 8, 9 sont de préférence des diodes PIN, elles sont fixées au circuit déphaseur par exemple par soudure, par câblage ou par collage. Le circuit imprimé hyperfréquence de l' invention comporte des bandes 10-12, parallèles par exemple à la direction Oy. Chaque bande présente des motifs 6, 7 situés de part et d'autre de la bande. Dans l'invention, un déphaseur élémentaire 13 comporte deux motifs différents 14, de part et d'autre d'une bande 10, chaque motif comportant au moins une diode 8, 9. Un déphaseur élémentaire comportant deux diodes présente quatre états de phase définissant quatre valeurs prédéterminées de déphasage qu'il peut appliquer sur commande à l'onde hyperfréquence reçue et ces valeurs de déphasage sont représentées sur deux bits de quantification. Un déphaseur élémentaire comporte au moins deux diodes pour une quantification sur deux bits; il comporte au moins quatre diodes pour une quantification sur quatre bits. Dans l' invention, le déphaseur élémentaire comporte de préférence une quantification à deux bits qui présente l'avantage d'une faible consommation. Chaque bande permet la commande d'un potentiel constant le long de la bande, par exemple au moyen d'un point de connexion à chacune de ses extrémités 18, 19. Dans l'exemple de la figure 2, le circuit déphaseur présente entre chaque bande des points de connexion 16-17 alignés selon une direction Oy parallèle à celle des bandes. Les points de connexion sont reliés aux diodes et permettent la polarisation individuelle de chacune des diodes du circuit. Le long d'une bande 10-12 les déphaseurs élémentaires sont adjacents. Les motifs sont de préférence régulièrement répartis le long d'une o bande. De préférence, le pas Ay entre déphaseurs d'une bande est choisi pour permettre d'assurer un balayage sans ambigu7té du domaine angulaire couvert par l'antenne à réflecteur. La phase d'un déphaseur élémentaire définie par la polarisation de ses diodes est commandée par un circuit de commande basse fréquence se présentant sous la forme d'un circuit imprimé basse fréquence multicouches. Ce circuit est placé en regard de la face arrière du circuit imprimé hyperfréquence. Il est équipé de composants de commande, appelés " drivers " en littérature anglo-sexonne et de moyens de connexion aux diodes. Le circuit imprimé basse fréquence est plan. Ce circuit présente une épaisseur de 1 à 2 millimètres, qui est égale à 1,6 millimètre dans l'exemple de réalisation décrit. Le circuit imprimé hyperfréquence est de préférence bicouche, il présente des capacités de découplage gravées sur la face opposée à celle portant les diodes. Le circuit hyperfréquence bicouche présente l'avantage d'isoler le circuit hyperfréquence du circuit basse fréquence de commande. La figure 3 illustre par une vue éclatée dans l'espace Oxyz un exemple de réalisation d'un réseau de déphaseurs selon l'invention. Un circuit déphaseur imprimé 30 plan, du type de celui de la figure 2, est placé entre une grille inférieure 31 et une grille supérieure 32. Chacune des grilles est étendue dans un plan parallèle au plan Oxy. Le circuit déphaseur 30 et le circuit de commande basse fréquence 33 sont placés de part et d'autre de la grille inférieure 31. Chacune des grilles inférieure 31 et supérieure 32 est un exemple de moyen de découplage des déphaseurs élémentaires du réseau de l'invention. D'autres moyens peuvent être mis en _uvre dans le cadre de I'invention comme par exemple une plaque présentant des lignes de trous métallisés, dont les alignements correspondent aux cloisons d'une grille. La grille inférieure 31 présente des cloisons sous forme de lames 34-36. Chaque lame présente deux faces parallèles à la direction Oy et sensiblement perpendiculaires au plan Oxy de la grille. Les deux faces sont parallèles au plan Oyz. L'écart entre ces deux faces d'une lame représente l'épaisseur de la lame. Les différentes lames présentent de préférence une même épaisseur. L'épaisseur des lames est déterminée en fonction des caractéristiques de tenue mécanique de la grille. 0 Une lame présente une hauteur dans la direction Oz perpendiculaire au plan de la grille. Toutes les lames présentent une même hauteur. Les lames de la grille sont par exemple maintenues entre elles par leurs extrémités au moyen de deux bords 39 perpendiculaires aux lames et au plan de la grille. Ces bords présentent une hauteur égale à celle des lames et de préférence une épaisseur commune à celle des lames. De préférence la hauteur est d'environ un quart de la longueur d'onde correspondant à la fréquence centrale de la bande de fréquence de fonctionnement souhaitée. Cette hauteur permet d'obtenir une bande de fonctionnement effective étendue autour de la fréquence centrale. L'espace l i bre entre de ux lames consécutives et para l l èl es 34, 35 est un canal. Le canal présente une largeur mesurée selon la direction Ox. Le circuit déphaseur illustré par la figure 2 est placé sur la grille inférieure et chaque bande parallèle 10-12 du circuit fait face à un canal de la grille. Chaque ligne de points de connexion parallèle à une bande fait face à une lame de la grille. Les déphaseu rs de l' inventi on présentent une structure unidirectionnelle. La structure est parallèle à une première direction Oy. Le réseau des déphaseurs présente une architecture en structures unidirectionnelles adjacentes le long d'une seconde direction Ox. Le réseau de déphaseurs selon l' invention comporte ainsi un réseau de canaux parallèles. Dans cet exemple, les canaux sont parallèles au plan Oyz. La périodicité x des lames est le pas du réseau des déphaseurs à canaux. Les canaux à lames à faces parallèles permettent d'obtenir des déphaseurs dont la bande de fonctionnement est étendue sur environ une octave. Notamment pour des raisons de tenue macanique, un canal peut être limité dans la direction Oy à une longueur inférieure à celle de la bande -12 du circuit déphaseur, un canal regroupant plusieurs déphaseurs adjacents dans la direction Oy. Un canal présente une longueur selon Oy sensiblement supérieure à sa largeur selon Ox. Les cavités entre les lames de la grille sont remplies d'air ou d'un matéri au de fai ble perm ittivité permettant par exemp le d' assurer une protection ou une tenue mécanique. Le panneau réflecteur de l' invention permet ainsi de présenter de faibles pertes de couplage entre déphaseurs. Dans l'exemple de réalisation de la figure 3, la grille inférieure 31 comporte dans les lames 34-36 des traversées isolées 37 qui permettent d'assurer la liaison électrique d'alimentation entre le circuit basse fréquence 33 de commande et le réseau des déphaseurs. La grille inférieure présente dans ses lames des percements traversant chacun une lame entre la face inférieure de la grille et sa face supérieure, le percement étant sensiblement perpendiculaire au plan de la grille, c'est-à-dire parallèle à la direction Oz. Dans cet exemple, la liaison électrique entre le circuit de commande et une diode d'un déphaseur est équivalente à une liaison coaxiale dont la gaine est réalisée par la paroi du trou 37 dans la grille et dont l'âme est un fil conducteur passant par ce trou 37 et reliant électriquement, par exemple par soudure, I'une de ses extrémités au circuit de commande et l'autre extrémité au circuit des déphaseurs. Le rapport du diamètre du fil conducteur de polarisation sur le diamètre du trou est de préférence petit. La liaison coaxiale présente alors avantageusement une forte impédance qui améliore le découplage entre le circuit basse fréquence et le circuit hyperfréquence. L'impédance est par exemple supérieure à 50 Ohms. Dans une variante de réalisation, la lame 34-36 de la grille inférieure est un circuit multicouches avec une piste enfouie entre les couches, appelée " stripline " en littérature anglo-saxonne, dont une extrémité est connectée au circuit de commande basse fréquence, I'autre extrémité étant connectée au circuit des déphaseurs pour assurer la liaison électrique entre les deux circuits. Dans un autre variante de réalisation, la lame comporte un circuit monocouche à la surface duquel une piste, appelée " microstrip " en littérature anglo-saxonne est appliquée pour assurer une conduction électrique permettant la commande de la polarisation de la diode. La grille inférieure 31 présente un fond 38 métallique qui sert de plan de masse aux déphaseurs. Les lames 34-36 présentent une continuité électrique avec le fond 38. Le circuit déphaseur hyperfréquence est de préférence collé sur la grille inférieure avec une colle conductrice qui permet d'assurer la continuité électrique. La grille inférieure 31 est de préférence métallique, mais elle peut également présenter une surface équivalente à une surface métallique 0 comme par exemple une grille en plastique métallisé ou un circuit imprimé double face. La grille inférieure 31 est réalisée par des moyens adaptés aux matériaux la con stituant, ell e peut ainsi être réali sée par exe m pl e par usinage, par moulage ou par gravure. Dans l'exemple de réalisation de la figure 3, la grille est métallique et l'ensemble des lames 34-36 et du fond 38 et des trous 37 est de préférence usiné dans un même bloc de métal. L'épaisseur de la grille est représentée par la hauteur des lames. De préférence une épaisseur d'environ le quart de la longueur d'onde du centre de la bande de fonctionnement sépare le fond métallique 38 du circuit déphaseur 30. La grille supérieure 32, représentée sur la figure 3 présente comme la grille inférieure une structure à lames 40, 41 à faces parallèles au plan Oyz. L'espacement des lames et leur épaisseur sont semblables à ceux de la grille inférieure 31. Dans l'empilement formant le panneau réflecteur, les lames des deux grilles sont parallèles entre elles et se superposent. Les lames de la grille supérieure sont situées dans le prolongement de celles de la grille inférieure. La grille supérieure est par exemple placée précisément sur la grille inférieure au moyen de plots de centrage. La grille supérieure 32 n'a pas de fond. Chaque lame de la grille supérieure présente une hauteur selon la direction Oz. De préférence les lames 40, 41 de la grille supérieure ont une même hauteur, c'est l'épaisseur de cette grille. L'épaisseur de la grille supérieure est par exemple du même ordre de grandeur que celle de la grille inférieure. Les grilles inférieures et supérieures présentent par exemple des épaisseurs sensiblement égales. La grille supérieure est métallique, elle est réalisée par usinage, par moulage ou par gravure. La continuité électrique entre les grilles inférieures et supérieure est assurce par le circuit imprimé hyperfréquence avec de préférence des liaisons par trous métallisés et de la colle conductrice. Le réseau de déphaseurs de l'invention illustré par la figure 3 comporte un radôme d'adaptation 42. Ii est de préférence réalisé dans une mousse de faible constante diélectrique par exemple égale à 1,2. La densité de la mousse est d'environ 150 kg/m3. Le radôme de la figure 3 présente une forme de plaque plane parallèle au plan Oxy des grilles comportant des rainures permettant son encastrement entre les lames de la grille supérieure. Le radôme permet de réduire le coefficient de couplage entre les motifs o déphaseurs. La figure 4 illustre par une vue éclatée une réalisation d'une antenne à balayage électronique à réseau réflecteur selon l'invention. L'antenne comporte un réseau réflecteur 43 de déphaseurs du type de celui décrit à l'aide des figures 2 et 3 avec un circuit intégré de commande 44, une grille inférieure 45, un circuit de déphaseurs 46, une grille supérieure 47 et un radôme 48. L'antenne comporte une source primaire hyperfréquence comportant par exemple un cornet 49 monté sur un bras 50 au moyen d'un support de cornet 51. Le cornet est un cornet large bande monopulse deux plans, il forme directement la voie somme et les voies différence des deux plans en gisement Ag et en site As. Dans une variante de réalisation, la source primaire est un mini-réseau large bande bipolarisation actif avec une formation câblée de la voie somme et des voies différence A9 et As dans les deux directions perpendiculaires du réseau. La directivité de la source primaire détermine le niveau des lobes secondaires proches de l'antenne. Le 2 bras 50 assure le réglage fin de la position de la source primaire par rapport au réseau réflecteur 43 tout en présentant une masse réduite. Le bras présente l'avantage de permettre l'optimisation du niveau des lobes diffus. Un polariseur 52 est placé entre le réflecteur 43 et la source primaire pour réaliser une polarisation circulaire. Le polariseur 52 comporte de préférence un ensemble multicouche d'au moins trois peaux séparées par des diélectriques comme par exemple du nid d'abeille ou une mousse. L'empilage des éléments du réflecteur avec le polariseur permet la construction d' un e antenne dont la cl asse d' é pai sseur est de 2 à 25 millimètres pour une bande de fréquence de fonctionnement couvrant les bandes C-X. L'antenne à balayage électronique pout être pilotée à partir d' une console d' ordinateur. Dans une variants de réalisation, la source primaire hyperfréquence est une antenne à polarisation circulaire et le réflecteur 43 n'est pas complété par un polariseur. REVENDICATIONS 1. Panneau réflecteur à balayage électronique dans 2 plans caractérisé en ce qu'il comporte des déphaseurs présentant une structure unidirectionnelle. 2. Panneau hyperfréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que les déphaseurs forment un réseau présentant une architecture en forme de canaux. 3. Panneau réflecteur à balayage électronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de découplage des déphaseurs. 4. Panneau réflecteur à balayage électronique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une grille (31) dont les cloisons (34, 35, 36) forment des lames à faces parallèles. 5. Panneau hyperfréquence selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des déphaseurs de type canaux à lames à faces parallèles. 6. Panneau hyperfréquence selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les lames sont parallèles à un seul des deux plans du balayage. 7. Panneau hyperfréquence selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit déphaseur (30) entre une grille inférieure (31) et une grille supérieure (32). 8. Panneau hyperfréquence selon la revendication 7, caractérisé en ce que la grille inférieure (31) et la grille supérieure (32) présentent chacune des lames à faces parallèles, les lames des deux grilles étant parallèles entre elles et se superposant. 9. Panneau hyperfréquence selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte un plan de masse (38) en dessous de la grille inférieure situé à une distance du circuit déphaseur (30) d'environ un quart de la longueur d'onde de la fréquence centrale de la bande. o 10. Panneau hyperfréquence selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte une grille inférieure (31) dont les lames comportent des liaisons électriques coaxiales. 11. Panneau hyperfréquence selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte une grille inférieure (31) dont les lames comportent des liaisons électriques de type ligne microstrip ou stip line. 12. Panneau hyperfréquence selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux semi-conducteurs par déphaseur. 13.Antenne hyperfréquence à balayage électronique, caractérisée en ce qu'elle comporte un panneau réflecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes et une source d'onde hyperfréquence illuminant le réflecteur. 14. Antenne hyperfréquence à balayage électronique selon la revendication 13, caractérisée en ce qu'elle est pilotée à partir