Brevet FR2920597A1 — publié le 20090306

Réflecteur hyperfréquence à balayage électronique à double polarisation, large bande, et antenne équipée d'un tel réflecteur La présente invention concerne un réflecteur hyperfréquence à balayage électronique à double polarisation, large bande, susceptible d'être illuminé par une source d'onde hyperfréquence pour former une antenne. L'invention concerne notamment le domaine des antennes de type �reflect array �, constituée d'une source primaire d'éclairement et d'un réseau de cellules dont la phase du coefficient de réflexion est contrôlée électroniquement et de façon unitaire. II est connu de réaliser des antennes comportant un réflecteur hyperfréquence actif, nommé � reflect array � dans la littérature anglo-saxonne, réseau de déphaseurs 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 cellule élémentaire, déphaseuse, est constituée par exemple d'un guide d'onde ouvert à une extrémité et appliqué sur un circuit imprimé comportant sur une face, côté guide, un motif gravé tandis que l'autre face est presque entièrement métallisée. La variation de phase est obtenue en commutant des composants par exemple de type diode PIN ou des commutateurs à MEMS disposés entre les différents éléments du motif gravé. 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. Pour réaliser une antenne � reflect array � à bipolarisation on est amené à imbriquer deux réseaux de guides rectangulaires formant une maille triangulaire. De manière à pouvoir dépointer le faisceau d'antenne selon des angles allant jusqu'à 60° par rapport à la normale au plan d'antenne, c'est-à- dire au plan réflecteur, il est nécessaire que la périodicité de chacun des réseaux respecte des conditions de taille de mailles maximales. Or, du fait des dimensions d'un guide standard, typiquement les sections des guides ont une longueur de 0,7 ? et une largeur de 0,3 il est notamment nécessaire de remplir le guide de diélectrique pour réduire ses dimensions à 0,5 a, dans la longueur de sa section, tout en restant proche de la longueur d'onde de groupe 4). Cette solution induit des inconvénients notamment en ce qui concerne la masse qui est alors augmentée, le refroidissement dans le cas d'une puissance d'émission importante et des limitations de bande passante. Un but de l'invention est notamment de pallier ces inconvénients. A cet effet, l'invention a pour objet un réflecteur hyperfréquence, susceptible de recevoir une onde électromagnétique, comportant deux réseaux de guide d'ondes imbriqués, le fond de chaque guide étant fermé par un circuit de déphasage réalisant la réflexion et le déphasage de l'onde qu'elle reçoit, un réseau étant destiné à recevoir une polarisation et l'autre réseau étant destiné à recevoir une polarisation perpendiculaire à la précédente, chaque guide étant muni d'au rnoins une protubérance intérieure sur sa largeur. Une protubérance a par exemple la forme d'un méplat. Dans un mode de réalisation possible, un guide comporte une protubérance 20 sur chaque largeur. Les protubérances sont par exemple placées en vis-à-vis. Dans un mode de réalisation particulier : un premier réseau comporte plusieurs ensemble de guides alignés, une ligne s'étendant selon une direction Ox et 25 l'ensemble des lignes s'étendant selon une direction perpendiculaire Oy, pour une même ligne, les centres C de deux guides consécutifs étant séparés d'une distance d, deux lignes consécutives étant séparées d'une distance h, selon Oy, et décalées l'une par rapport à l'autre de la distance d/2, selon 30 Ox , - le deuxième réseau comporte plusieurs ensemble de guides alignés de la même façon que dans le premier réseau, les lignes étant décalées angulairement de 90° par rapport à celles du premier réseau ; - un guide d'un réseau est uniquement contigu à des guides de l'autre réseau. Avantageusement, la distance d est par exemple sensiblement égale à la largeur d'un guide et la distance h est par exemple sensiblement égale à la 5 hauteur d'un guide. Le circuit de déphasage comporte par exemple au moins un fil conducteur portant lui-même au moins deux semi-conducteurs à deux états, les fils conducteurs et les semi-conducteurs étant placés sur un support diélectrique dont la face opposée comporte un plan conducteur réfléchissant l'onde 10 hyperfréquence, le circuit de déphasage réfléchissant et déphasant l'onde qu'il reçoit pour la composante de l'onde dont la polarisation est sensiblement parallèle aux fils conducteurs. Les semi-conducteurs sont par exemple des diodes PIN ou des commutateurs à MEMS. 15 L'invention a également pour objet une antenne hyperfréquence à balayage électronique comportant un réflecteur (4) tel que décrit précédemment et une source d'onde hyperfréquence illuminant ce réflecteur. 20 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 réflecteur hyperfréquence ; - la figure 2, une illustration du principe de réalisation d'un 25 réflecteur comportant deux réseaux de cellules de déphasages imbriqués ; la figure 3, un exemple de réalisation d'une cellule de déphasage; les figures 4a et 4b, une illustration d'un mode d'imbrication 30 possible des réseaux de guides d'un réflecteur ; les figures 5a et 5b des exemples de réalisation de guides d'onde utilisés dans un réflecteur selon l'invention ; la figure 6, un exemple de déformation d'un guide utilisé dans un réflecteur selon l'invention ; la figure 7, un exemple de mode d'imbrication des réseaux dans un réflecteur selon l'invention ; la figure 8, un exemple de réalisation d'un guide d'onde à protubérance interne. 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 cet exemple de réalisation, 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 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 le principe de réalisation d'un réflecteur à bipolarisation, selon un maillage à base de mailles triangulaires 20. Ce réflecteur comporte deux réseaux de guides d'onde 21, 22 imbriqués. Ces guides sont vus selon F, c'est-à-dire selon une vue de face du réflecteur 4. La figure représente donc notamment la section des guides dans le plan Oxy, les parois des guides s'étendant clans la direction Oz. Chaque guide appartient à une cellule élémentaire telle qu'évoquée précédemment. Un premier réseau de guides 21 est destiné à recevoir la polarisation verticale et un second réseau de guides 22 est destiné à recevoir la polarisation horizontale. Les ondes hyperfréquence 3 incidentes pénètrent dans les guides. Chaque guide 21, 22 est court-circuité par un déphaseur tel que décrit par exemple dans la demande de brevet français n° 97 01326, commandable selon deux à quatre bits ou plus. La figure 3 illustre de façon schématique une cellule de déphasage. Celle-ci 35 comporte donc un guide 21, 22 et un circuit de déphasage 31, ce dernier étant disposé au fond du guide dans le plan Oxy. Un circuit déphaseur 31 comporte au moins un fil conducteur 32, 33 portant lui-même au moins deux semi-conducteurs DI, D2, par exemple des diodes, à deux états, ou des commutateurs à ME MS. Les fils conducteurs et les diodes sont placés sur un support diélectrique 34 dont la face opposée comporte un plan conducteur réfléchissant l'onde hyperfréquence. Ce plan conducteur est par exemple au contact électrique des parois du guide 21, 22. Une cellule élémentaire 31 réalise donc la réflexion et le déphasage de l'onde hyperfréquence 3 qu'elle reçoit pour la composante de l'onde dont la polarisation est sensiblement parallèle aux fils conducteurs 32, 33. A titre d'exemple, la cellule telle qu'illustrée par la figure 3 agit sur une onde polarisée selon la direction Oy parallèle à la direction des fils conducteurs 32, 33 de la cellule. En polarisation horizontale, seuls les guides destinés à recevoir cette polarisation sont actifs, les autres étant court-circuités. De même, en polarisation verticale, seuls les guides destinés à recevoir cette polarisation sont actifs, les autres étant court-circuités. Les figures 4a et 4b illustrent un mode d'imbrication possible des deux réseaux de guides. La figure 4a présente trois guides 21 du premier réseau, représentant une maille triangulaire, destinés par exemple à recevoir la polarisation verticale. La figure 4b présente trois guides 22 du second réseau, représentant une maille triangulaire, destinés par exemple à recevoir la polarisation horizontale. En tout état de cause, les deux réseaux sont destinés à recevoir des ondes de polarisations croisées, le deuxième réseau de guides 22 étant affecté à une polarisation perpendiculaire à la polarisation du premier réseau de guides 21. La section de chaque guide comporte un point milieu C. Cette section étant angulaire, le point milieu C est l'intersection de ses deux lignes médianes. Les sections des guides sont représentées dans le plan Oxy du réflecteur. A titre d'exemple on considère que l'axe Ox correspond à la direction d'une première polarisation. De même, on considère que l'axe Oy correspond à la direction de la deuxième polarisation, croisée par rapport à la précédente. Pour simplifier et à titre d'exemple, on pourra assimiler par la suite la direction Oy à la direction verticale et la direction Ox à la direction horizontale.35 La figure 4a présente donc un premier réseau de guides 21 destinés à recevoir les polarisations verticales. Le réseau comporte plusieurs ensembles de guides alignés. Une ligne de guides s'étend selon la direction horizontale Ox et l'ensemble des lignes s'étend selon la direction verticale Oy. Pour une même ligne, les centres C de deux guides 21 consécutifs sont séparés d'une distance d. Deux lignes consécutives sont séparées d'une distance h, selon Oy, et décalées l'une par rapport à l'autre de la distance d/2, selon Ox. En d'autres termes, deux lignes médianes 41, 42 consécutives sont distantes de h, les lignes médianes étant les lignes médianes des guides prises selon Ox. Entre deux lignes consécutives, il y a un décalage de d/2 des points milieu des guides. La figure 4b présente le second réseau de guides 22 destinés à recevoir la polarisation horizontale. La disposition des guides est similaire à celle du réseau de la figure 4a, mais avec une rotation de l'ensemble de 90°. Dans ce cas, les lignes s'étendent le long de l'axe Oy et l'ensemble de lignes s'étend le long de l'axe Ox. Pour une même ligne, les centres C de deux guides 22 consécutifs sont séparés d'une distance d. Deux lignes consécutives sont séparées d'une distance h, selon Ox, et décalées l'une par rapport à l'autre de la distance d/2, selon Oy. En d'autres termes, deux lignes médianes 43, 44 consécutives sont distantes de h, les lignes médianes étant les lignes médianes des guides prises selon Oy. Entre deux lignes consécutives, il y a un décalage de d/2 des points milieu des guides. Pour réaliser un réflecteur à double polarisation on imbrique donc les deux réseaux tels qu'illustrés par les figures 4a et 4b. Comme indiqué précédemment, de manière à pouvoir dépointer le faisceau d'antenne à des angles allant notamment jusqu'à 60° par rapport à la normale au plan réflecteur 4, il est nécessaire que la périodicité d, h de chacun des réseaux respecte des conditions de taille de mailles maximales. Les dimensions d'un guide standard étant de 0,7 X. sur 0,3 X, une solution connue consiste à remplir le guide d'un matériau diélectrique pour le réduire à une longueur de section de l'ordre de 0,5 tout en restant proche de la longueur d'onde de groupe Xg définie par la relation suivante :35 où a = 0,5 X0, Xo étant la longueur d'onde nominale et E étant la constante diélectrique du matériau. Cette solution induit notamment des inconvénients de masse, de refroidissement et de limitation de bande passante. Les figures 5a et 5b présentent deux exemples de guide utilisés dans un réflecteur selon l'invention. Selon l'invention, les guides standards 21, 22 sont remplacés par des guides 51, 52 munis de protubérances métalliques intérieures 53, 54, encore appelées � ridges � dans la littérature anglo-saxonne. Des guides dit � rigdés � sont notamment décrits dans l'ouvrage de R.C. Johnson, Antenna Engineering Handbook, Mc Graw Hill, 1993. La figure 5a présente un exemple de réalisation à simple protubérance 53 et la figure 5b présente un autre exemple de réalisation à double protubérances 53, 54 placées en vis-à-vis. Une protubérance 53, 54 se présente par exemple sous la forme d'un méplat. Elle est fixée sur la largeur du guide, correspondant en fait à la longueur de sa section. Grâce à cette ou ces protubérances, la largeur a d'un guide peut être réduite et être inférieure à 0,5X. Cela permet de construire un réflecteur hyperfréquence conformément au réseau maillé de la figure 2, avec deux réseaux de guides croisés dont les dimensions de mailles liées à chacune des polarisations permettent de dépointer au-delà de 60°. L'utilisation de tels guides � ridgés � 51, 52 apporte d'autres avantages, notamment celui de définir les déphaseurs avec des composants tels que des diodes PIN ou des commutateurs à MEMS ayant des capacités à l'état ouvert plus faibles, du fait de l'abaissement notable de leur impédance caractéristique qui passe typiquement de 400 ohms à 50 ohms. Ceci permet avantageusement de permettre la réalisation d'antennes à réflecteur fonctionnant à des fréquences supérieures, notamment dans les bandes Ka et W. II est à noter par ailleurs que l'utilisation de MEMS dans des guides à faible impédance présente un grand avantage au niveau des pertes d'insertion du 2g = 1/2 7 (1) 2920597 s fait de leurs faibles résistances à l'état passant et bloqués. En effet, le couplage est plus important dans les guides �ridgés � du fait du fort confinement du champ électrique au niveau des protubérances 53, 54 et donc les courants induits sont plus élevés. 5 La figure 6 illustre un autre avantage de l'invention. En effet, le guide � ridgé � 52, à double protubérance dans l'exemple de la figure 6, s'adapte au déphaseur. Plus particulièrement, la déformation adiabatique des dimensions de la protubérance 53, 54 permet d'optimiser les trois 10 paramètres du déphaseur que sont les pertes d'insertion, la tenue en puissance et la bande passante. Le guide 52 de la figure 6 suit les déforrnations du déphaseur provoquées par la température. En fait, la largeur du guide a se modifie en une largeur a' du côté de son extrémité qui est en contact avec le déphaseur. Les protubérances 53, 54 suivent la même 15 déforration. La figure 7 illustre un exemple de réalisation du réseau maillé d'un réflecteur selon l'invention. Le maillage est du type de celui des guides des figures 2, 4a et 4b, mais plus serré. Les guides aux références 21, 22 sont 20 respectivement remplacés dans la figure 7 par les guides � ridgés � aux références 51, 52. Dans cet exemple de maillage, contrairement aux exemples de réalisation des figures 4a et 4b, l'espace entre les guides est sensiblement nulle, de sorte que la distance d entre les points C est même inférieure à la largeur a 25 d'un guide. De même la distance h est inférieure à la hauteur d'un guide. Pour obtenir ce résultat, on utilise des guides d'onde tels qu'illustrés par la figure 8. La figure 8 présente, par une vue en coupe, un guide d'onde 52 où les 30 protubérances 53, 54 sont réalisées dans les parois 82 du guide sous forme d'un renfoncement intérieur 81. Par ailleurs, les largeurs b de ce renfoncement formant les protubérances sont égales aux largeurs b de la section des guides, cette largeur b de section correspondant à la hauteur du guide. Il est ainsi possible de réaliser un emboîtement des guides tel qu'illustré par la figure 7. Plus particulièrement, les côtés 83 des guides sont emboîtés dans les renfoncements 81. Le maillage de la figure 7 montre donc que des guides � ridgés � permettent d'optimiser la surface rayonnante en imbriquant les guides des deux 5 polarisations de façon plus serrée. REVENDICATIONS 1. Réflecteur hyperfréquence, susceptible de recevoir une onde électromagnétique (3), caractérisé en ce qu'il comporte deux réseaux de guide d'ondes (51, 52) imbriqués, le fond de chaque guide étant fermé par un circuit de déphasage (31) réalisant la réflexion et le déphasage de l'onde qu'elle reçoit, un réseau étant destiné à recevoir une polarisation et l'autre réseau étant destiné à recevoir une polarisation perpendiculaire à la précédente, chaque guide (51, 52) étant muni d'au moins une protubérance intérieure (53, 54) sur sa largeur (a). 2. Réflecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la protubérance (53, 54) a la forme d'un méplat. 3. Réflecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un guide comporte une protubérance (53, 54) sur 15 chaque largeur. 4. Réflecteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les protubérances (53, 54) sont placées en vis-à-vis. 20 5. Réflecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que : - un premier réseau comporte plusieurs ensemble de guides (21, 51) alignés, une ligne s'étendant selon une direction Ox et l'ensemble des lignes s'étendant selon une direction perpendiculaire Oy, pour une même ligne, les centres C de 25 deux guides (21, 51) consécutifs étant séparés d'une distance d, deux lignes consécutives étant séparées d'une distance h, selon Oy, et décalées l'une par rapport à l'autre de la distance d/2, selon Ox ; le deuxième réseau comporte plusieurs ensemble de guides 30 (22, 52) alignés de la même façon que dans le premier réseau, les lignes étant décalées angulairement de 90° par rapport à celles du premier réseau ; - un guide (22, 52) d'un réseau est uniquement contigu à des guides de l'autre réseau. 6. Réflecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une protubérance (53, 54) est réalisée par un renfoncement intérieur (81) de la paroi (82) du guide. 7. Réflecteur selon les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la largeur (b) d'un renfoncement étant égale à la hauteur (b) d'un guide (52), la distance d est inférieure à la largeur (a) d'un guide et la distance h est inférieure à la hauteur d'un guide, les côtés (83) des guides étant emboîtés dans les renfoncements (81). 8. Réflecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en que le circuit de déphasage (31) comporte au moins un fil conducteur (32, 33) portant lui-même au moins deux semi-conducteurs (DI, D2) à deux états, les fils conducteurs et les semi-conducteurs étant placés sur un support diélectrique (34) dont la face opposée comporte un plan conducteur réfléchissant l'onde hyperfréquence, le circuit de déphasage réfléchissant et déphasant l'onde qu'il reçoit pour la composante de l'onde dont la polarisation est sensiblement parallèle aux fils conducteurs. 9. Réflecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les semi-conducteurs (DI, D2) sont des diodes PIN. 10. Réflecteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les semi-25 conducteurs (DI, D2) sont des commutateurs à MEMS. 11. 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. 30