Brevet FR2999021A1 — publié le 20140606

FOCALISATEUR HYPERFREQUENCE ET ANTENNE A POLARISATION COMMANDABLE ASSOCIEE La présente invention concerne le domaine des antennes à réseau réflecteur. Elle concerne plus particulièrement un focalisateur hyperfréquence et une antenne à polarisation commandable. Les antennes à réseau réflecteur (ou reflectarrays selon la terminologie anglo saxone) constituent une solution attractive pour de nombreuses applications comme par exemple dans le domaine des télécommunications ou de la télédétection. Pour certaines applications, Il est parfois utile, comme par exemple dans le domaine des radars, de disposer d'une antenne capable d'émettre et recevoir des ondes électromagnétiques sur différente polarisation par exemple pour extraire des informations supplémentaires à la position et au déplacement des cibles sondées. Les antennes à balayage électronique par exemple pour application radar fonctionnent habituellement en mono-polarisation. Envisager d'utiliser différents types de polarisations revient à compliquer la structure de la partie hyperfréquence front-end de l'antenne en y rajoutant des dispositifs permettant de modifier cette polarisation. Il peut s'agir d'un dédoublement des voies d'émission et de réception ce qui rend possible le traitement des polarisations linéaires horizontale et verticale, ou bien d'un système de commutation qui permet d'utiliser la voie unique émission ou réception pour émettre et recevoir successivement sur l'une ou l'autre des polarisations. Dans chaque cas de figure, si l'on veut aller au-delà d'un simple fonctionnement monopolarisation, il est nécessaire d'introduire des composants sur chaque voie émission-réception, ce qui multiplié par le grand nombre de voies d'une antenne à balayage électronique se traduit par une augmentation significative du nombre de composants. Il est connu dans l'art antérieur, notamment par la demande de brevet française FR 2 890 791, une antenne à réseau réflecteur à double polarisation cependant, la polarisation rayonnée par cette antenne dépend de la polarisation de l'onde rayonnée par la source primaire. Ainsi pour pouvoir rayonner une onde en polarisation linéaire ou circulaire, cette antenne doit posséder deux types de sources primaires augmentant ainsi le coût, la taille et la masse de l'antenne. Un but de l'invention est notamment de corriger les inconvénients précités en proposant un focalisateur et une antenne à balayage électronique du type " reflectarray " à polarisation commandable éclairée par une source primaire à rayonnement mono-polarisation A cet effet, l'invention a pour objet un focalisateur hyperfréquence comprenant une pluralité d'éléments rayonnants à double polarisation et une pluralité de déphaseurs, chaque élément rayonnant possédant deux ports connectés à deux accès d'un déphaseur, chacun desdits déphaseurs comprenant un coupleur hybride et deux lignes de transmission de longueur ajustable fermée par un court circuit, chaque coupleur hybride possédant quatre accès, deux accès étant chacun connecté à une ligne de transmission de longueur ajustable et deux autres accès étant connectés aux deux ports d'un élément rayonnant par une liaison hyperfréquence. Selon une variante de réalisation, chaque ligne de transmission 20 comprend une pluralité d'interrupteurs connectés à un plan de masse de façon à ajuster la longueur de la ligne de transmission fermée par un court circuit. Selon une variante de réalisation, les interrupteurs sont des systèmes microélectromécaniques. 25 Selon une variante de réalisation, une des deux liaisons hyperfréquences a une longueur supérieure à l'autre. Selon une variante de réalisation, la différence de longueur entre les deux liaisons hyperfréquences correspond à un déphasage égal à 90°. 30 Un autre but de l'invention est de proposer une utilisation du focalisateur tel que défini précédemment à travers une antenne à réseau réflecteur. A cet effet, l'invention a pour objet une antenne à polarisation commandable comprenant un focalisateur tel que défini précédemment et une source primaire à rayonnement mono-polarisation destinée à illuminer ledit focalisateur. L'invention a notamment pour principal avantage de permettre le fonctionnement d'une antenne à balayage électronique sur diverses polarisations sans nécessiter de rajouter des composants actifs supplémentaires. Une simple source primaire à rayonnement mono- polarisation permet de rayonner, en sortie d'antenne, une onde sur une polarisation quelconque comme par exemple une polarisation linéaire, circulaire ou elliptique. D'autres particularités et avantages de la présente invention 15 apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après, donnée à titre illustratif et non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - La figure 1 illustre un mode de fonctionnement classique d'une 20 antenne à réseau réflecteur ; - La figure 2 représente un exemple de mode de réalisation d'une antenne selon l'invention ; - La figure 3 représente un exemple de mode de réalisation d'un déphaseur selon l'invention ; 25 - La figure 4 représente un exemple de mode de réalisation d'un focalisateur selon l'invention ; - La figure 5 représente un exemple de mode de réalisation d'une liaison entre un déphaseur et un élément rayonnant. 30 Une antenne à réseau réflecteur ou reflect array selon la terminologie anglo-saxonne, peut fonctionner selon le principe illustré par la figure I. Une source primaire 1 éclaire un panneau réflecteur 2 qui supporte un réseau rayonnant formé d'éléments rayonnants 3 à double polarisation. Ces derniers 3 sont équipés de 2 ports différents l'un relatif à la polarisation linéaire 35 horizontale (H) et l'autre relatif à la polarisation linéaire verticale (V). Lorsque la source primaire 1 éclaire le panneau réflecteur 2 en polarisation horizontale, le signal reçu au niveau du panneau réflecteur est capté par la voie H de chaque élément rayonnant 3. Le signal est ensuite déphasé par un déphaseur 4 puis est transmis vers le port V de l'élément rayonnant 2 qui le rayonne dans cette polarisation. Chaque élément rayonnant émet donc en polarisation verticale qui devient la polarisation de l'antenne. Dans le cas contraire où la source 1 éclaire le panneau réflecteur en polarisation verticale, le signal capté par chaque élément rayonnant 2 est 10 transmis par la voie V, est déphasé par le déphaseur 4 puis rayonné par l'antenne en polarisation horizontale. La figure 2 représente un exemple de mode de réalisation d'une antenne selon l'invention. Cette antenne à réseau réflecteur comprend un 15 focalisateur 2 apte à réfléchir une onde électromagnétique et une source primaire 1 à rayonnement mono-polarisation destinée à illuminer le focalisateur 2. Selon l'invention la source primaire 1 émet une onde polarisée suivant une polarisation linéaire, cette polarisation peut être par exemple horizontale 20 ou verticale. Suivant un exemple de réalisation, l'antenne primaire 1 peut être du type cornet, dipôles ou tout autre type d'antenne à rayonnement mono-polarisation. Le focalisateur 2 peut être formé par un ou plusieurs réflecteurs. Le focalisateur 2 comporte une pluralité d'éléments rayonnants 20 à double 25 polarisation comprenant chacun deux ports différents, l'un relatif à la polarisation linéaire horizontale (H) et l'autre relatif à la polarisation linéaire verticale (V). Les éléments rayonnants peuvent être formés par deux dipôles croisés, deux fentes disposées perpendiculaires entre elles, un élément symétrique ou tout autre forme apte à rayonner suivant deux polarisations 30 orthogonales. Les deux ports H, V de chaque élément rayonnant sont connectés à un déphaseur 4. En référence à la figure 3, un déphaseur 4 peut comprendre un coupleur hybride 41 possédant quatre accès dont deux accès sont chacun 35 connectés à une ligne de transmission 42 de longueur ajustable fermée par 2 99902 1 5 un court circuit. Les deux autres accès du coupleur hybride 41 sont destinés à être connectés aux deux ports H, V d'un élément rayonnant 2 à double polarisation par exemple par l'intermédiaire d'une liaison hyperfréquence 5. Selon un mode de réalisation, le coupleur hybride 41 est un coupleur 5 hybride en quadrature De façon à ajuster la distance entre le court circuit et l'accès du coupleur 41, chaque ligne de transmission 42 comporte une pluralité de commutateurs ou interrupteurs 43 répartis uniformément le long de ladite ligne de transmission 42 et connectés par exemple au plan de masse du focalisateur. Ces différents interrupteurs permettent de charger la ligne de transmission 42 par un court circuit à différente distance de la ligne. Chaque interrupteur 43 est espacé d'une distance telle que le déphasage introduit est égal à 27-c/n où n représente le nombre d'interrupteurs 43. Selon un mode de réalisation, les interrupteurs 43 sont réalisés à l'aide de systèmes microélectromécaniques ou micro interrupteurs MEMS, selon l'acronyme anglo-saxon, pour MicroElectroMechanical Systems. Ces micro interrupteurs peuvent, par exemple, être commandés par le répartiteur de l'antenne à réseau réflecteur. En référence à la figure 3, le fonctionnement du déphaseur selon l'invention va à présent être expliqué. Si on considère un signal hyperfréquence entrant par l'accès 1, ce signal est aiguillé par le coupleur hybride vers les 2 accès 3 et 4, selon une répartition équi-amplitude. Dans le cas d'un coupleur en quadrature, un 25 déphasage de 900 sera ajouté. Les signaux se propagent alors dans les lignes de transmission 42 jusqu'à rencontrer un interrupteur 43 fermé sur un plan de masse. Le court circuit occasionne une réflexion totale du signal qui repart en sens inverse. A un positionnement donné d'un interrupteur 43 correspond un chemin parcouru d'une longueur donnée, et donc un certain 30 déphasage. En choisissant l'interrupteur 43 à fermer il est possible d'ajuster la longueur de la ligne de transmission 42 et donc de déterminer le déphasage introduit par cette ligne 42. Si la distance parcourue par les signaux le long des deux lignes de transmission 42 est différente, un déphasagem A - y talon s'établit entre les deux lignes de transmission au niveau des accès 3 et 4 avant de traverser de nouveau le coupleur hybride 41. Les lignes de transmission 42 fermées par un court circuit, grâce à leur longueur ajustable, permettent deux fonctions. En créant une différence 5 de longueur entre chaque couple de lignes de transmission 42 connecté à un déphaseur, elles permettent de créer un déphasagem A -y pointage entre chaque élément rayonnant du déflecteur et donc un rayonnement du faisceau de l'antenne à balayage électronique dans une direction donnée. De plus, en introduisant un déphasage entre les deux lignes de 10 transmission 42 connectées à un même déphaseur, elles permettent d'ajouter un talon fixeA m - talon- De ce fait, les signaux réfléchis par les courts circuits en bout de ligne 42 se distribuent sur les accès 1 et 2 du coupleur hybride 41, et donc sur les ports H et V de l'élément rayonnant 3, d'une façon qui dépendra des valeurs du déphasage A M talon- Il est alors possible de 15 commander dynamiquement la polarisation du signal rayonné par l'antenne grâce à la valeur du talon de déphasage A M talon- En référence à la figure 4 le fonctionnement de la commande de polarisation va être présenté. Supposons que l'antenne primaire 1 rayonne zo une onde électromagnétique selon une polarisation verticale. Le signal est reçu par chaque élément rayonnant et est transmis, via le port V, à l'accès 1 du déphaseur 4 par l'intermédiaire d'une liaison hyperfréquence 5. Le signal traverse le coupleur hybride 41 et est transmis aux deux lignes de transmission 42. Suivant les interrupteurs 43 commutés, un talon de 25 déphasage Aptaion va être créé entre les deux signaux réfléchis. - Si le talon de déphasageA m =00, les deux signaux réfléchis se -y talon recombinent et ressortent sur l'accès 2 du déphaseur 4 avec un déphasage A(Ppointage- Le signal se propage le long de la liaison hyperfréquence 5 jusqu'au port H de l'élément rayonnant 1 pour être rayonné suivant une 30 polarisation horizontale. On obtient un fonctionnement classique d'un déphaseur. Le signal rayonné par l'antenne à balayage électronique est dans la polarisation orthogonale à celle de l'antenne primaire 1. - Si le talon de m déphasage A - - talon =180°, les deux signaux réfléchis se recombinent et ressortent sur l'accès 1 du déphaseur 4 avec un 35 déphasagem A - pointage. Le signal se propage le long de la liaison hyperfréquence 5 jusqu'au port V de l'élément rayonnant 1 pour être rayonné suivant une polarisation verticale. Ceci revient à rayonner le signal dans la même polarisation que celle de l'antenne primaire 1. - Si le talon de déphasageA - -r talon =+900, les deux signaux réfléchis ressortent sur les deux accès 1 et 2 du déphaseur 4 avec la même amplitude, et un déphasagem A - -r pointage+0°. Le signal se propage le long de la liaison hyperfréquence 5 jusqu'aux ports V et H de l'élément rayonnant 1 pour être rayonné. Si les deux liaisons hyperfréquences 5 ont la même longueur, le signal est rayonné suivant une polarisation oblique inclinée de +45° Si une différence de longueur 51 entre les deux liaisons hyperfréquences 5 est créée, une polarisation circulaire ou elliptique peut être rayonnée par l'antenne. En introduisant une différence de longueur correspondant à 90° de déphasage entre les deux liaisons hyperfréquence 5, on rend possible un rayonnement de l'antenne en polarisation circulaire. - Si le talon de déphasage -A (Ptalon = -90°, les deux signaux réfléchis ressortent sur les deux accès 1 et 2 du déphaseur 4 avec la même amplitude, et un déphasage Acppointage+180°. Le signal se propage le long de la liaison hyperfréquence 5 jusqu'aux ports V et H de l'élément rayonnant 1 pour être rayonné. Si les deux liaisons hyperfréquences 5 ont la même longueur, le signal est rayonné suivant une polarisation oblique inclinée de - 45°. Comme précédemment, si une différence de longueur 51 entre les deux liaisons hyperfréquences 5 est créée, une polarisation circulaire ou elliptique peut être rayonnée par l'antenne mais en sens inverse par rapport au cas précédent. En introduisant une différence de longueur correspondant à 90° de déphasage entre les deux liaisons hyperfréquence 5, on rend possible un rayonnement de l'antenne en polarisation circulaire, mais de sens opposé par rapport au cas précédent. Sur l'exemple de la figure 4, la longueur complémentaire 51 pour la polarisation elliptique est ajoutée sur la liaison hyperfréquence 5 reliant le coupleur hybride 4 au port V de l'élément rayonnant 3. Cette configuration n'est nullement limitative et un mode de réalisation dans lequel la longueur complémentaire 51 est placée sur la liaison 5 reliant le port H de l'élément 35 rayonnant 3 est également possible. Suivant un mode de réalisation, plusieurs longueurs complémentaires 51 peuvent être placées sur la liaison hyperfréquence 5 de façon à ajuster la longueur de la liaison et ainsi choisir entre une polarisation inclinée, circulaire ou elliptique et le taux d'ellipticité. A titre d'exemple nullement limitatif, la figure 5 illustre un mode de réalisation possible d'une telle liaison. Un interrupteur K permet de court-circuiter ou non chaque ligne de longueur complémentaire 51 et ainsi de faire varier la longueur de la liaison hyper fréquence 5 entre un port de l'élément rayonnant 3 et le déphaseur 4. Ainsi, l'utilisation particulière du déphaseur 4 selon l'invention permet une répartition dynamique du signal reçu entre les deux ports H, V de chaque élément rayonnant afin de le rayonner suivant la polarisation souhaitée. REVENDICATIONS1. Focalisateur (2) hyperfréquence caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité d'éléments rayonnants (3) à double polarisation et une pluralité de déphaseurs (4), chaque élément rayonnant (3) possédant deux ports (V, H) connectés à deux accès d'un déphaseur (4), chacun desdits déphaseurs comprenant un coupleur hybride (41) et deux lignes de transmission (42) de longueur ajustable fermée par un court circuit, chaque coupleur hybride (41) possédant quatre accès, deux accès étant chacun connecté à une ligne de transmission (42) de longueur ajustable et deux autres accès étant connectés aux deux ports (H, V) d'un élément rayonnant (3) par une liaison hyperfréquence (5). Focalisateur selon la revendication précédente caractérisée en ce que chaque ligne de transmission (42) comprend une pluralité d' interrupteurs (43) connectés à un plan de masse de façon à ajuster la longueur de la ligne de transmission fermée par un court circuit. Focalisateur selon la revendication précédente caractérisée en ce que les interrupteurs (43) sont des systèmes microélectromécaniques. Focalisateur selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce qu'une des deux liaisons hyperfréquences (5) a une longueur supérieure à l'autre. Focalisateur selon la revendication précédente caractérisée en ce que la différence de longueur entre les deux liaisons hyperfréquences (5) correspond à un déphasage égal à 900 . 30 6. Antenne à polarisation commandable caractérisée en ce qu'elle comprend un focalisateur (2) selon l'une des revendications précédentes et une source primaire (1) à rayonnement mono-polarisation destinée à illuminer ledit focalisateur (2).2. 3. 4. 5.