Brevet FR3020184A1 — publié le 20151023

ANTENNE RÉSEAU À BALAYAGE ÉLECTRONIQUE ET PROCÉDÉ DE RÉALISATION ASSOCIÉ La présente invention concerne le domaine des antennes réseau. Elle concerne plus particulièrement une antenne réseau à balayage électronique et un procédé de réalisation associé. La présente invention peut trouver son application dans les domaines 10 du radar, des communications, des Mesures de Soutien Electronique (ou MSE) ou tous autres domaines utilisant des antennes réseau à balayage électronique. Actuellement, la conception des architectures d'antennes réseau à 15 balayage électronique fonctionnant dans une même bande de fréquence conduit à définir un regroupement des voies actives en éléments modulaires mettant en oeuvre le plus souvent les mêmes circuits hyperfréquences comme par exemple des puces amplificateurs de puissance ou faible bruit, des commutateurs, des circulateurs, des puces multifonctions mais en 20 définissant un agencement spécifique à l'arrangement des éléments rayonnants suivant la maille la plus appropriée pour les performances du système utilisant cette antenne active à balayage électronique. Ceci conduit à des géométries d'agencement mécanique différentes suivant les applications visées. Lors des phases de conception, cela nécessite de 25 reprendre, pour chaque géométrie d'élément modulaire, un certain nombre d'analyses, comme par exemple l'étude de l'isolation hyperfréquence entre voies, et de designs comme par exemple la mécanique de packaging, le distributeur/sommateur hyperfréquence du module, la distribution et la connectique des signaux hyperfréquence, de commande et d'alimentation. 30 Tout ceci engendre des coûts de conception et de fabrication plus élevés que s'il n'existait qu'une géométrie générique. Un but de l'invention est notamment de corriger tout ou partie des inconvénients précités en proposant une solution permettant d'optimiser les conceptions architecturales des antennes réseau actives à balayage électronique. A cet effet, l'invention a pour objet une antenne à balayage 5 électronique modulaire comprenant : - Une surface rayonnante comprenant d'une pluralité d'éléments rayonnants, chaque élément rayonnant comprenant au moins un point d'excitation, - Une couche de répartition hyperfréquence comprenant une pluralité 10 d'éléments multi-modules identiques, chacun desdits éléments multi- modules comprenant N modules hyperfréquences, N étant un entier strictement positif et chaque module hyperfréquence comprenant au moins une entrée/sortie configurée pour faire transiter un signal hyperfréquence depuis ou vers un point d'excitation d'au moins un 15 élément rayonnant qui lui est associé, - Une couche intermédiaire de routage disposée entre la surface rayonnante et la pluralité de d'éléments multi-modules, un point d'excitation d'au moins un élément rayonnant n'étant pas situé en regard de l'entrée/sortie du module hyperfréquence qui lui est associé, 20 ladite couche intermédiaire de routage comprenant des liaisons électriques de longueurs identiques, chacune desdites liaisons électriques reliant un point d'excitation d'un élément rayonnant à l'entrée/sortie du module hyperfréquence correspondant. Selon un mode de réalisation, chaque module hyperfréquence est 25 configuré pour générer et transmettre, via au moins une entrée/sortie, un signal hyperfréquence apte à alimenter et commander en phase au moins un élément rayonnant. Selon un mode de réalisation, chaque module hyperfréquence est configuré pour recevoir, via au moins une entrée/sortie, un signal 30 hyperfréquence provenant d'au moins un élément rayonnant. Selon un mode de réalisation, les éléments rayonnants ont une polarisation double et chaque module hyperfréquence possède deux entrées/sorties, chacune desdites deux entrées/sorties étant configurées pour commander au moins un élément rayonnant suivant une polarisation respective. Selon un mode de réalisation, au moins une entrée/sortie d'au moins 5 un module hyperfréquence est configurée pour alimenter plusieurs éléments rayonnants. Selon un mode de réalisation, une pluralité d'éléments multi-modules sont connectés ensemble à l'aide de circuits distributeurs. Selon un mode de réalisation, les différents modules hyperfréquences sont répartis suivant un maillage choisit parmi un maillage rectangulaire ou un maillage triangulaire. Selon un mode de réalisation, les différents éléments rayonnants sont répartis sur la surface rayonnante suivant un maillage choisit parmi un maillage rectangulaire ou un maillage triangulaire. 15 Selon un mode de réalisation, les différents éléments rayonnants et les différents modules hyperfréquences sont répartis suivant des agencements différents. L'invention a également pour objet un procédé de réalisation d'antenne réseau modulaire à balayage électronique comme précédemment 20 décrite comprenant - Une étape Etpl de réalisation d'une surface rayonnante comprenant une pluralité d'éléments rayonnants, la répartition desdits éléments rayonnants sur ladite surface rayonnante étant choisie en fonction des caractéristiques hyperfréquences souhaitées de ladite antenne, 25 - Une étape Etp2 d'assemblage d'éléments multi-module pour former une couche de répartition hyperfréquence, - Une étape Etp3 de réalisation d'une couche intermédiaire de routage comprenant une pluralité de liaisons électriques, lesdites liaisons électriques étant de longueurs identiques, - Une étape Etp4 d'insertion de ladite couche intermédiaire de routage entre ladite couche de répartition hyperfréquence et ladite surface rayonnante et de connexion des point d'excitation des différents éléments rayonnants et des entrées/sorties des modules hyperfréquences aux liaisons électriques correspondantes. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après, donnée à 10 titre illustratif et non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : Les figures I a et 1 b présentent des exemples de mode de réalisation d'une antenne réseau active à balayage électronique connus de l'art 15 antérieur ; Les figures 2a et 2b représentent un premier exemple de mode de réalisation d'une antenne suivant l'invention respectivement suivant une vue cavalière et vue de dessus par transparence ; Les figures 3a et 3b représentent un deuxième exemple de mode de 20 réalisation d'une antenne suivant l'invention respectivement suivant une vue cavalière et vue de dessus par transparence ; La figure 4 illustre un exemple de mode de réalisation d'une couche de répartition hyperfréquence ; La figure 5 représente des étapes possibles du procédé suivant 25 l'invention. Il convient de noter que l'utilisation du terme " maillage " désigne tout type d'agencement, régulier ou non, d'éléments. Dans ce qui suit, on dira que des éléments sont répartis suivant un 30 maillage rectangulaire lorsque lesdits éléments sont répartis suivant une pluralité de rangées parallèles à une première direction et suivant une pluralité de colonnes parallèles à une seconde direction, les éléments étant situés à l'intersection d'une rangée et d'une colonne et la première et la seconde direction étant perpendiculaire entre elles. Les rangées peuvent être espacées d'un même premier pas ou non. De même les colonnes peuvent être espacées d'un même second pas ou non. Dans certains modes de réalisation, les premier et second pas peuvent être égaux ou différents. On dira que des éléments sont répartis suivant un maillage triangulaire 5 lorsque lesdits éléments sont répartis suivant une pluralité de rangées parallèles à une première direction et suivant une pluralité de colonnes parallèles à une seconde direction, les éléments étant situés à l'intersection d'une rangée et d'une colonne et la première et la seconde direction n'étant ni perpendiculaire entre elles, ni parallèles entres elles. Comme 10 précédemment, les rangées peuvent être espacées d'un même premier pas ou non. De même les colonnes peuvent être espacées d'un même second pas ou non. Dans certains modes de réalisation, les premier et second pas peuvent être égaux ou différents. 15 Les figures la et 1b représentent des exemples de réalisation d'antennes actives à balayage électronique connues de l'art antérieur. Dans ces modes de réalisation, la répartition géométrique des éléments rayonnants 10 et celles des modules hyperfréquences 30 est identique. De 20 ce fait, les entrées/sorties 31 des modules hyperfréquences 30 et les points d'excitation11 des éléments rayonnants coïncident. Comme vu précédemment, dans la conception d'une antenne réseau active à balayage électronique, la phase la plus coûteuse correspond à la réalisation de la partie amplification et commande de phase des éléments 25 rayonnants et plus précisément la conception des différents modules hyperfréquences et leur regroupement en éléments multi modules. L'idée de l'invention, pour notamment réduire les coûts de réalisation, repose sur l'utilisation d'une géométrie des éléments multi-modules uniques pour concevoir une couche de répartition hyperfréquence ou couche de 30 sommation hyperfréquence et sur l'utilisation d'une couche de routage intermédiaire afin d'adapter la géométrie des éléments multi-modules de la couche de répartition hyperfréquence à la géométrie de répartition des éléments rayonnants de la surface de rayonnante de l'antenne. Ainsi, de façon avantageuse, il n'est plus besoin de concevoir 35 plusieurs géométries d'éléments multi-modules différentes. On peut, par exemple, utiliser un élément multi-modules existant permettant de réaliser les performances de pointage angulaire maximum recherchées à la fréquence haute d'utilisation de l'antenne à balayage électronique. Suivant un autre mode de réalisation alternatif, on peut concevoir ledit 5 élément multi-modules permettant de réaliser les performances de pointage angulaire maximum recherchées. On génère donc une forme géométrique et on réalise la conception électrique, électronique et mécanique dudit élément multi-modules ainsi que les études afin d'éviter les couplages parasites. De ce fait une seule étude est nécessaire pour le design complet et la réalisation 10 d'un élément multi-module (boîtier, implantation, liaisons, éléments de découplage), voire pour le circuit de répartition, ce qui réduit fortement les coûts. Les figures 2a à 3b représentent des exemples de mode de réalisation 15 d'une antenne réseau active à balayage électronique selon l'invention. Par soucis de clarté et afin de ne pas surcharger les figures, on n'a pas représenté l'antenne complète mais seulement une portion de cette antenne réduite à la taille d'un élément multi-module 3. 20 Une antenne réseau à balayage électronique selon l'invention comporte au moins une surface rayonnante 1 comprenant les différents éléments rayonnants 10 de l'antenne réseau, une couche de répartition hyperfréquence modulaire ou couche de sommation hyperfréquence modulaire comprenant une pluralité d'éléments multi-modules 3 identiques et 25 une couche intermédiaire de routage 2 disposée entre la surface rayonnante 1 et la pluralité de modules hyperfréquences 30 sur laquelle sont disposées les lignes de câblage électriques reliant les éléments multi-modules 3 et les éléments rayonnants. 30 La surface rayonnante 1 comprend une pluralité d'éléments rayonnants 10. La répartition géométrique de ces éléments rayonnants 10 sur la surface rayonnante 1 de l'antenne ainsi que la forme des éléments rayonnants 10 est choisie en fonction des caractéristiques hyperfréquences souhaitées de l'antenne réseau active à balayage de phase en utilisant des méthodes 35 classiques connues de l'homme du métier. Cette répartition peut par exemple être suivant un maillage rectangulaire, triangulaire ou toute autre forme de maillage quelconque, régulier ou non. A titre d'exemple, les figures 2a et 3a représentent respectivement une répartition d'éléments rayonnants 10 suivant un maillage triangulaire et suivant un maillage rectangulaire. Les éléments rayonnants 10 peuvent être des éléments rayonnants fonctionnant suivant une seule polarisation ou plusieurs polarisations. La couche de répartition hyperfréquence modulaire comportant les circuits actifs hyperfréquences, comprend une pluralité d'éléments multimodules 3 connectés entre eux. Pour des raisons de simplification mécanique, et par là de coût de fabrication, les éléments multi-modules 3 sont formés de N modules hyperfréquences 30 regroupés et associés mécaniquement ensemble, N représentant un entier strictement positif. Les figures 2a à 3b représentent des modes de réalisation utilisant des quadrimodules (N=4), ces exemples ne sont nullement limitatif et d'autres types de regroupements de modules hyperfréquences 30 peuvent être utilisés avec plus ou moins de modules hyperfréquence 30 et/ou des géométries différentes. Dans un même élément multi-modules 3, tous les modules hyperfréquence 30 peuvent être identiques. Suivant un mode de réalisation alternatif, un élément multi-modules 3 peut comprendre au moins un module hyperfréquence 30 différent des autres. Chaque module hyperfréquence 30 comprend au moins une entrée/sortie 31 configurée pour faire transiter un signal hyperfréquence depuis ou vers un point d'excitation 11 d'au moins un élément rayonnant 10 qui lui est associé. Les modules hyperfréquences 30 sont configurés, par exemple à l'émission, pour générer et transmettre, via au moins une entrée/sortie 31 dudit module 30, un signal hyperfréquence apte à alimenter et à commander en phase au moins un élément rayonnant 10. Les modules hyperfréquences 30 sont également configurés, par exemple à la réception, pour recevoir, via au moins une entrée/sortie 31, un signal hyperfréquence provenant d'au moins un élément rayonnant 10. Pour cela ledit module hyperfréquence 30 peut comprendre des circuits hyperfréquences comme par exemple, des amplificateurs de puissance ou faible bruit, des commutateurs, des circulateurs, des puces multifonctions par exemple comportant des éléments de déphasage pour pointer le faisceau dans des directions autres que la normale au réseau ou tout autre circuit équivalent. Chaque entrée/sortie 31 d'un module hyperfréquence 30 est configurée pour délivrer un signal hyperfréquence apte à alimenter et commander en phase au moins un élément rayonnant 10. Dans certains modes de réalisation, les modules hyperfréquences 30 sont configurés pour alimenter et commander en phase plusieurs éléments rayonnants 10 et disposent donc de plusieurs entrées/sorties 31. Suivant un autre mode de réalisation, au moins un module hyperfréquence 30 comprend au moins une entrée/sortie 31 configurée pour alimenter et commander en phase plusieurs éléments rayonnants 10. Les modules hyperfréquence 30 peuvent être configurés pour commander en phase des éléments rayonnants pouvant fonctionner suivant plusieurs polarités et posséder plusieurs entrées/sorties 31, chacune desdites sorties étant configurées pour délivrer un signal hyperfréquence apte à alimenter et commander en phase au moins un élément rayonnant 10 suivant une polarisation. Les modules hyperfréquences 30 peuvent être répartis à l'intérieur de l'élément multi-module 3 suivant un maillage rectangulaire, triangulaire ou tout autre maillage quelconque régulier ou non. A titre d'exemple nullement limitatif, les figures 2a et 3a représentent une répartition de modules hyperfréquences 30 suivant un maillage rectangulaire. En référence à la figure 4a, chaque module hyperfréquence 30 peut comprendre un premier circuit distributeur 35 assurant à l'émission la répartition du signal vers chacune des N voies actives dudit élément multimodules 3 et à la réception la sommation des signaux des N voies actives. De façon à former des secteurs S, les éléments multi-modules 3 peuvent être regroupés en plusieurs sous-ensembles par l'intermédiaire, pour chaque secteur S, d'un deuxième niveau de circuits distributeurs 45. Dans l'exemple illustré figure 4, un premier secteur S représente un tiers de l'antenne et le second les deux tiers de l'antenne. Les différents circuits distributeurs de secteurs 45 peuvent être connectés à un formateur de voies 40 réalisant, par exemple en réception, la somme de tous les signaux et la différence entre les signaux de certains secteurs S. La couche intermédiaire de routage 2 a pour principal rôle d'adapter la géométrie de répartition des différents éléments rayonnants 10 avec celle des modules hyperfréquences 30. En effet, la géométrie de répartition des modules hyperfréquence 30 dans la couche de répartition hyperfréquence étant différente de celle des éléments rayonnants 10 sur la surface rayonnante 1, tous les emplacements des entrées/sorties 31 des modules hyperfréquences ne coïncident pas avec ceux des points d'excitation des éléments rayonnants 10 correspondant. Il existe au moins un point d'excitation 11 d'un élément rayonnant 10 qui ne se trouve pas en regard de l'entrée/sortie 31 du module hyperfréquence 30 qui lui est associé. A titre d'illustration, les figures 2a et 2b représentent un exemple de mode de réalisation dans lequel les éléments rayonnants 10 sont répartis suivant un maillage triangulaire et les modules hyperfréquences 30 suivant un maillage rectangulaire. Les éléments rayonnants 10 et les modules hyperfréquence 30 peuvent être répartis suivant une même géométrie mais avec un pas différent, comme illustré figure 3a, en fonction des besoins de pointage électronique du faisceau ; cette géométrie permet par exemple le passage de connecteurs et/ou d'éléments de fixation mécanique. Toutes les liaisons électriques 20 reliant un point d'excitation 11 d'au moins un élément rayonnant 10 à l'entrée/sortie 31 du module hyperfréquence 30 correspondant sont réparties sur la couche intermédiaire de routage 2. Chaque liaison électrique a une longueur identique. Les figures 1 b et 2b représentent des exemples de mode de réalisation d'une couche intermédiaire de routage 2. La couche de routage 2 peut être réalisée en structure imprimée de 30 type triplaque ou "stripline" selon la terminologie anglo saxonne. Elle peut être insérée entre la structure mécanique des éléments multi-modules 30 et celle de la surface rayonnante 1. Un autre objet de l'invention est un procédé permettant de réaliser une antenne réseau à balayage électronique telle que décrite précédemment. La figure 5 représente différentes étapes possibles d'un tel procédé de réalisation. Le procédé comprend une étape Etp1 de réalisation d'une surface rayonnante 1 comprenant une pluralité d'éléments rayonnants 10, la répartition géométrique des éléments rayonnants 10 sur ladite surface rayonnante 1 et la forme géométrique des éléments rayonnants 10 étant choisies en fonction des caractéristiques hyperfréquences souhaitées de l'antenne réseau active à balayage électronique. Au cours d'une étape Etp2 différents éléments multi-modules 3 identiques sont assemblés entre eux pour former une couche de répartition hyperfréquence modulaire. Les différents éléments multi-modules 3 peuvent être connectés entre eux par un ou plusieurs circuits distributeurs. Les différents éléments multi-module 3 peuvent également être connectés à un formateur de voies. Au cours d'une étape Etp3 la conception de la couche intermédiaire de routage 2 est réalisée. Lors de cette étape les différentes liaisons électriques sont réalisées afin de relier électriquement chaque point d'excitation 11 de chaque élément rayonnant 10 à l'entrée/sortie 31 du module hyperfréquence 30 correspondant et de manière que chaque liaison électrique 20 ait la même longueur électrique. De même, lors de cette étape la disposition des différentes liaisons est étudiée afin de garantir une bonne isolation hyperfréquence et éviter tout parasite. La réalisation de la couche de routage peut être effectuée suivant les techniques classiquement utilisées par l'homme du métier. La couche de routage 2 peut par exemple être réalisée en structure imprimée triplaque ou stripline" selon la terminologie anglo saxonne. Lors d'une étape Etp4, la couche de routage 2 est insérée entre la couche de répartition hyperfréquence et la surface rayonnante 1. Les différentes entrées/sorties 31 des différents modules hyperfréquences 30 et les différents points d'excitation des éléments rayonnants 10 sont connectés aux liaisons électriques 20 correspondantes par exemple par l'intermédiaires de trous métallisés également appelé `vias'.35 REVENDICATIONS1. Antenne réseau à balayage électronique caractérisée en ce qu'elle comprend : - Une surface rayonnante (1) comprenant d'une pluralité d'éléments rayonnants (10), chaque élément rayonnant (10) comprenant au moins un point d'excitation (11), - Une couche de répartition hyperfréquence comprenant une pluralité d'éléments multi-modules (3) identiques, chacun desdits éléments multi-modules (3) comprenant N modules hyperfréquences (30), N étant un entier strictement positif et chaque module hyperfréquence (30) comprenant au moins une entrée/sortie (31) configurée pour faire transiter un signal hyperfréquence depuis ou vers un point d'excitation (11) d'au moins un élément rayonnant (10) qui lui est associé, - Une couche intermédiaire de routage (2) disposée entre la surface rayonnante (10) et la pluralité de d'éléments multi- modules (3), un point d'excitation (11) d'au moins un élément rayonnant (10) n'étant pas situé en regard de l'entrée/sortie (31) du module hyperfréquence (30) qui lui est associé, ladite couche intermédiaire de routage (2) comprenant des liaisons électriques (20) de longueurs identiques, chacune desdites liaisons électriques (20) reliant un point d'excitation (11) d'un élément rayonnant (10) à l'entrée/sortie (31) du module hyperfréquence (30) correspondant. 2. Antenne suivant la revendication précédente selon laquelle chaque module hyperfréquence (30) est configuré pour générer et transmettre, via au moins une entrée/sortie (31), un signal hyperfréquence apte à alimenter et commander en phase au moins un élément rayonnant (10). 3. Antenne suivant une des revendications précédentes selon laquelle chaque module hyperfréquence (30) est configuré pour recevoir, via au moins une entrée/sortie (31), un signal hyperfréquence provenant d'au moins un élément rayonnant (10). 4. Antenne suivant une des revendications précédentes selon laquelle les éléments rayonnants (10) ont une polarisation double et chaque module hyperfréquence possède deux entrées/sorties (31), chacune desdites deux entrées/sorties (31) étant configurées pour commander au moins un élément rayonnant (10) suivant une polarisation respective. 5. Antenne suivant une des revendications précédentes selon laquelle au moins une entrée/sortie (31) d'au moins un module hyperfréquence (30) est configurée pour alimenter plusieurs éléments rayonnants (10). 6. Antenne suivant une des revendications précédentes selon laquelle une pluralité d'éléments multi-modules (3) sont connectés ensemble à l'aide de circuits distributeurs (35). 7. Antenne suivant une des revendications précédentes selon laquelle les différents modules hyperfréquences (30) sont répartis suivant un maillage choisit parmi un maillage rectangulaire ou un maillage triangulaire. 8. Antenne suivant une des revendications précédentes selon laquelle les différents éléments rayonnants (10) sont répartis sur la surface rayonnante (1) suivant un maillage choisit parmi un maillage rectangulaire ou un maillage triangulaire. 9. Antenne suivant une des revendications précédentes selon laquelle les différents éléments rayonnants (10) et les différents modules hyperfréquences (30) sont répartis suivant des agencements différents. 10.Procédé de réalisation d'antenne réseau modulaire à balayage électronique selon une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend Une étape Etp1 de réalisation d'une surface rayonnante (1) comprenant une pluralité d'éléments rayonnants (10), la répartition desdits éléments rayonnants (10) sur ladite surface rayonnante (1) étant choisie en fonction des caractéristiques hyperfréquences souhaitées de ladite antenne, - Une étape Etp2 d'assemblage d'éléments multi-module (3) pour former une couche de répartition hyperfréquence, - Une étape Etp3 de réalisation d'une couche intermédiaire de routage (2) comprenant une pluralité de liaisons électriques (20), lesdites liaisons électriques (20) étant de longueurs identiques, Une étape Etp4 d'insertion de ladite couche intermédiaire de routage (2) entre ladite couche de répartition hyperfréquence et ladite surface rayonnante (1) et de connexion des point d'excitation (11) des différents éléments rayonnants (10) et des entrées/sorties (3-1y des- modules - hyperfréquences (30) aux liaisons électriques (20) correspondantes.20