Brevet FR3050577A1 — publié le 20171027

SYSTEME DE DEFLEXION ET DE POINTAGE D'UN FAISCEAU HYPERFREQUENCE Le domaine de l'invention est celui des systèmes de déflexion et de pointage d'un faisceau hyperfréquence. L'invention s'applique au traitement d'un faisceau hyperfréquence, correspondant à des fréquences comprises entre 300 MHz et 300 GHz, de longueur d'ondes typiques de 1 mm à 1 m. De telles fréquences sont utilisées notamment dans le domaine : - des télécommunications par satellite à partir de plateformes mobiles, - des liaisons de données reconfigurables pour communications à haut-débit, ou - des radars bas coût à ondes millimétriques ou centimétriques. Plusieurs systèmes nécessitent de pouvoir commander la direction dans laquelle le faisceau est émis ou reçu. Cette propriété est dénommée le pointage. Parmi ces systèmes, on peut citer par exemple les radars embarqués, les autodirecteurs de missile, les systèmes « sense and avoid », les systèmes de communication, les brouilleurs et les systèmes radars de périscopes. Pour le pointage l'antenne doit être configurée pour émettre et recevoir une onde dans une direction de l'espace donnée. Par exemple aujourd'hui, dans le domaine des télécommunications, on est de plus en plus amené à devoir rediriger une antenne, suite à la remise à jour de la couverture du territoire. Il est important de disposer d'antennes intelligentes et télécommandées, intelligentes pour leur capacité à s'orienter pour couvrir des zones différentes dans l'espace et télécommandées pour leur capacité à être pilotables à distance à partir d'un central. Pour le « tracking » ou poursuite, l'antenne doit être configurée pour suivre une cible telle qu'un satellite ou un avion. En outre, on cherche de plus en plus à obtenir des antennes à faisceau orientable, compactes, de masse et d'encombrement réduits, faciles à utiliser et à intégrer dans une plateforme, et à coût réduit. 3050577 2 Différentes techniques connues permettent de réaliser une antenne à faisceau orientable, mais présentent certains inconvénients. L'antenne parabolique de type Cassegrain est handicapée par des effets d'ombrage dus à la position de la source (plus spécifiquement par le 5 réflecteur secondaire) devant le réflecteur. Aussi pour préserver une bonne efficacité, un grand rapport diamètre sur longueur d'onde est requis. A basse fréquence, cette antenne ne peut alors pas être intégrée dans un petit volume. De plus, les solutions mécaniques traditionnelles pour orienter 10 l'antenne utilisent un mécanisme fragile de cardan à 2 axes. Ce système de pointage nécessite un débattement mécanique important puisque le volume occupé par l'antenne varie en fonction de son orientation. Par ailleurs, pour éviter des parties mobiles à rayonnement RF actif, les signaux d'émission et de réception doivent traverser des joints tournants microondes qui dégradent 15 les performances et peuvent être chers et encombrants lorsque de hauts niveaux de puissance (plusieurs dizaines de Watts) sont requis. Ce type d'antenne souffre en outre de son domaine de débattement généralement limité à 60°. Pour se débarrasser des parties mobiles, une solution connue 20 consiste à utiliser une antenne active à balayage électronique qui permet d'éviter de recourir à une mécanique de pointage: son profil reste plat quelle que soit la direction d'orientation, ce qui procure un avantage majeur lors de l'intégration dans un carénage. L'orientation est commandée électriquement. Mais cette antenne présente des inconvénients en termes de prix, de 25 consommation électrique, de complexité, de gestion de température d'échauffement, de maintien de puissance et également de domaine angulaire accessible qui reste limité à moins de 60°. Une solution pour réaliser un système de déflexion RF est d'utiliser deux composants diffractifs pouvant effectuer une rotation autour 30 d'un même axe, combinés à une lentille et une source RF. Un tel système est décrit dans le brevet FR 3 002 697. Ces composants diffractifs et la lentille présentent chacun une pluralité de microstructures MS sub-longueur d'onde périodiques formées dans un matériau diélectrique selon une configuration de balayage de Risley. Comme montré figure 15 du brevet FR 3 002 697, la structure du composant diffractif Cl peut être fabriquée sur une 3050577 3 face du composant, la structure de la lentille L étant réalisée sur son autre face. Le pointage du faisceau émis par la source S est assuré par des rotations indépendantes (symbolisées par les flèches) du double composant lentille-réseau diffractif L+C1 et du composant diffractif C2 autour d'un axe 5 comme illustré figure 1 ; les composants L+C1 et C2 sont disposés dans un plan normal à l'axe de rotation f2 et l'axe de symétrie du faisceau émis par la source S et qui passe par son centre coïncide avec cet axe O. L'avantage d'un tel système de déflexion est d'être compact, avec une source d'alimentation S fixe et des capacités mécaniques d'orientation tout en 10 assurant une haute efficacité. Par exemple pour une application à 30 GHz (bande Ka), en utilisant un matériau diélectrique d'indice de réfraction de 1.5 (constante diélectrique 2.25), l'épaisseur du composant diffractif est d'environ 30 mm. L'épaisseur totale du système de déflexion est donc d'environ 100 mm. Pour une source située dans le plan focal objet de la lentille L, soit à 15 environ 200 mm de celle-ci, l'épaisseur totale de l'antenne agile est environ 300 mm. Mais cette épaisseur peut néanmoins être encore trop importante pour certaines applications embarquées sur plateformes mobiles. En outre certaines zones situées en particulier autour et en direction de l'axe de rotation S2 des composants sont difficiles à pointer de 20 manière dynamique, notamment rapidement. En effet, de la même manière que pour les systèmes de pointage à cardans commandés en azimut et en élévation, dans cette direction, le système de pointage de l'antenne présente une zone singulière (« keyhole » en anglais) qui nécessite l'emploi de vitesses de rotation très élevées (voire infinies) des prismes au passage d'un 25 objet pointé à proximité de l'axe de rotation û. En conséquence, il demeure à ce jour un besoin pour un système de déflexion à faisceau orientable donnant simultanément satisfaction à 30 l'ensemble des exigences précitées, notamment en termes de masse et d'encombrement réduits, de débattement, de facilité d'utilisation et d'intégration dans une plateforme, et de coût réduit. 35 3050577 4 Le système de déflexion selon l'invention met en oeuvre deux dispositifs de déflexion dont l'un au moins comporte un composant diélectrique diffractif structuré à une échelle plus petite que la longueur d'onde. Combinée à une mécanique simple basée sur des rotations, cette 5 approche permet d'obtenir à moindre coût des débattements angulaires pouvant atteindre 120° avec une (des) source(s) hyperfréquence(s), soit une couverture d'angle solide de 3t sr, c'est-à-dire le triple de ce qui est accessible avec une antenne à balayage électronique, sans point singulier d'asservissement et sans partie micro-onde active mobile. 10 Plus précisément l'invention a pour objet un système de déflexion pilotable qui comporte : - un dispositif de mise en forme d'un faisceau hyperfréquence ayant une longueur d'onde comprise entre 1 mm et 1 m émis par une 15 source, sous forme d'une onde plane, - un premier dispositif de déflexion du faisceau hyperfréquence comprenant un premier composant diélectrique diffractif à microstructures sub-longueur d'onde, le premier composant diélectrique diffractif étant associé à un premier mécanisme de 20 rotation autour d'un premier axe pilotable. Il est principalement caractérisé en ce qu'il comprend entre la source et le premier dispositif de déflexion : - un deuxième dispositif de déflexion configuré pour défléchir vers le premier dispositif de déflexion, le faisceau hyperfréquence incident 25 issu de la source, ce deuxième dispositif de déflexion étant associé à un deuxième mécanisme de rotation autour d'un deuxième axe pilotable, en ce que l'angle formé par le premier et le deuxième axes de rotation est supérieur à 0° et inférieur ou égal à 90°, et en ce que le premier 30 mécanisme de rotation est solidaire du deuxième mécanisme de rotation. Selon une caractéristique de l'invention, le premier dispositif de déflexion comprend un autre composant diélectrique diffractif à microstructures sub-longueur d'onde disposé parallèlement au premier 35 composant diélectrique diffractif (désigné troisième composant 3050577 5 diélectrique diffractif), ce troisième composant diélectrique diffractif étant associé à un troisième mécanisme de rotation autour du premier axe pilotable, indépendant du premier mécanisme de rotation mais solidaire du deuxième mécanisme de rotation. 5 Le second dispositif de déflexion peut comporter un deuxième composant diélectrique diffractif à microstructures sub-longueur d'onde et le dispositif de formation du faisceau émis par la source peut comporter une lentille. Il comporte éventuellement un quatrième composant diélectrique diffractif à microstructures sub-longueur d'onde disposé parallèlement au 10 premier composant diélectrique diffractif. Chaque composant diélectrique diffractif peut être typiquement un prisme ou un réseau. La lentille du dispositif de formation du faisceau et le deuxième composant diélectrique diffractif sont avantageusement combinés pour 15 former un composant holographique non résonant à deux faces, à microstructures sub-longueur d'onde formées sur une seule face selon un agencement non périodique déterminé par un calcul d'interférences sur ladite face entre un faisceau émis par la source et un faisceau de sortie prédéterminé ; le composant holographique est associé au deuxième 20 mécanisme de rotation. Les microstructures du composant holographique peuvent être formées sur une surface 3D prédéterminée. Selon une alternative, elles sont formées dans un volume prédéterminé qui s'appuie sur ladite face du composant holographique, et implantées selon un agencement 25 tridimensionnel non périodique. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif de formation du faisceau et le second dispositif de déflexion sont combinés pour former un système de miroirs de type Cassegrain. 30 De préférence, le deuxième dispositif de déflexion est configuré pour défléchir le faisceau sur le premier dispositif de déflexion avec une incidence normale. 35 Le premier dispositif de déflexion défléchit le faisceau avec un premier angle de déflexion par rapport au premier axe, le deuxième dispositif 3050577 6 de déflexion défléchit le faisceau avec un deuxième angle de déflexion par rapport au deuxième axe. Le premier angle de déflexion est avantageusement supérieur ou égal au deuxième angle de déflexion. 5 L'invention a aussi pour objet une antenne à faisceau orientable qui comporte une source apte à émettre un faisceau hyperfréquence ayant une longueur d'onde comprise entre 1 mm et 1 m et un système de déflexion du faisceau émis par la source tel que décrit. La source, le dispositif de mise en forme et le second dispositif de 10 déflexion peuvent être combinés pour former un ensemble apte à former un faisceau incident sur le premier dispositif de déflexion ; cet ensemble est associé au deuxième mécanisme de rotation. Cet ensemble est par exemple une antenne réseau. 15 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente schématiquement une antenne orientable 20 selon l'état de la technique, les figures 2 représentent schématiquement vu en coupe une antenne orientable équipée d'un premier exemple de réalisation d'un système de déflexion selon l'invention, à deux prismes et avec une lentille de mise en forme du faisceau émis par la source (fig 2a), à un prisme et avec un 25 composant holographique combinant le deuxième prisme et la lentille de mise en forme (fig 2b), la figure 3 représente schématiquement vu en coupe une antenne orientable équipée d'un deuxième exemple de réalisation d'un système de déflexion selon l'invention, à trois prismes, 30 la figure 4 représente schématiquement vu en coupe une antenne orientable équipée d'un troisième exemple de réalisation d'un système de déflexion selon l'invention, à quatre prismes, la figure 5a représente schématiquement vu de dessus un premier exemple d'implémentation de microstructures sub-longueur d'onde d'un 35 composant holographique, à sections constantes sur leur hauteur selon un 3050577 7 maillage cartésien carré détaillé à une échelle plus grande figure 5b, et vu en perspective (fig 5c ), la figure 6a représente schématiquement vu de dessus un autre exemple d'implémentation de microstructures sub-longueur d'onde d'un 5 composant holographique, selon un maillage à lignes iso-phase et lignes à gradient de phase, détaillé à une échelle plus grande figure 6b, les figures 7 représentent schématiquement vu en coupe une antenne orientable équipée d'un quatrième exemple de réalisation d'un système de déflexion selon l'invention, dont le second dispositif de déflexion 10 comporte une configuration de type Cassegrain à deux miroirs, avec un miroir primaire concave (fig 7a) et un miroir primaire à réflecteurs (fig 7b), les figures 8 représentent schématiquement vu en coupe une antenne orientable comportant une antenne réseau à patchs (fig 8a) et un antenne réseau blazée (fig 8b). 15 D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références. Dans la suite de la description, les expressions « avant », « arrière » sont utilisées en référence à l'orientation des figures décrites. Dans la mesure où le dispositif peut être positionné selon d'autres 20 orientations, la terminologie directionnelle est indiquée à titre d'illustration et n'est pas limitative. Dans la mesure où le système de déflexion selon l'invention est 25 destiné à être utilisé en collaboration avec une source apte à émettre (et/ou avec un récepteur apte à recevoir) un faisceau hyperfréquence, une source est montrée sur les figures pour illustrer les déflexions du faisceau. La description est faite en considérant que l'antenne est en mode émission ; mais bien sûr l'invention s'applique au mode réception. On va prendre des 30 prismes diélectriques comme exemple de composants diélectriques diffractifs ; mais on pourrait tout aussi bien considérer des réseaux diélectriques. On décrit en relation avec la figure 2a, un exemple de système de déflexion selon l'invention. 35 3050577 8 Le système de déflexion d'un faisceau hyperfréquence ayant une longueur d'onde comprise entre 1 mm et 1 m émis par une source S, comporte : - Un dispositif de mise en forme du faisceau émis par la source, qui 5 permet de mettre sous forme d'une onde plane, le front d'onde émis par la source S qui est quasi sphérique dans le cas d'une source S ponctuelle. - Un premier dispositif de déflexion du faisceau hyperfréquence qui comprend un premier prisme Cl diélectrique à microstructures sub- 10 longueur d'onde. Ce prisme Cl est associé à un premier mécanisme R1 de rotation (indiquée par la flèche) autour d'un premier axe 01 normal au plan du prisme Cl. Ce premier dispositif de déflexion est ainsi configuré pour défléchir le faisceau incident d'un premier angle 01 fixe non nul par rapport à l'axe de rotation 01. La rotation de Cl 15 autour de l'axe 01 assurée par le premier mécanisme de rotation R1 pilotable, permet au faisceau de décrire un cercle autour de Q1. Par construction cet angle 01 peut être fixé entre 0 et 60°. - Entre la source et le premier dispositif de déflexion, un deuxième dispositif de déflexion associé à un deuxième mécanisme R2 de 20 rotation autour d'un deuxième axe 02 (indiquée par la flèche) pilotable. Il est configuré pour défléchir vers le premier dispositif de déflexion d'un angle 02 fixe non nul par rapport à l'axe de rotation 02, le faisceau hyperfréquence incident issu de la source. L'angle (01, 02) formé par les premier et deuxième axes de rotation est supérieur 25 à 0° et inférieur ou égal à 90° : 0° REVENDICATIONS1. Système de déflexion pilotable qui comporte : - un dispositif de mise en forme d'un faisceau hyperfréquence ayant une longueur d'onde comprise entre 1 mm et 1 m émis par une source (S), sous forme d'une onde plane, - un premier dispositif de déflexion du faisceau hyperfréquence comprenant un premier composant diélectrique diffractif (C1) à microstructures sub-longueur d'onde, le premier composant diélectrique diffractif étant associé à un premier mécanisme de rotation (R1) autour d'un premier axe (01) pilotable, caractérisé en ce qu'il comprend entre la source (S) et le premier dispositif de déflexion : - un deuxième dispositif de déflexion configuré pour défléchir vers le premier dispositif de déflexion, le faisceau hyperfréquence incident issu de la source, ce deuxième dispositif de déflexion étant associé à un deuxième mécanisme de rotation (R2) autour d'un deuxième axe (02) pilotable, en ce que l'angle (01, 02) formé par le premier et le deuxième axes de rotation est supérieur à 0° et inférieur ou égal à 90°, et en ce que le premier mécanisme de rotation (R1) est solidaire du deuxième mécanisme de rotation (R2). 2. Système de déflexion pilotable selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le premier dispositif de déflexion comprend un autre composant diélectrique diffractif (C3) à microstructures sublongueur d'onde disposé parallèlement au premier composant diélectrique diffractif (C1), désigné troisième composant diélectrique diffractif, ce troisième composant diélectrique diffractif étant associé à un troisième mécanisme de rotation (R3) autour du premier axe (01) pilotable, indépendant du premier mécanisme de rotation (R1) et solidaire du deuxième mécanisme de rotation (R2). 3050577 5 4. 10 15 5. 20 6. 7. 25 8. 30 35 Système de déflexion pilotable selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le second dispositif de déflexion comporte un composant diélectrique diffractif (C2) à microstructures sub-longueur d'onde, désigné deuxième composant diélectrique diffractif et le dispositif de formation du faisceau émis par la source comporte une lentille (L). Système de déflexion pilotable selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le second dispositif de déflexion comporte un autre composant diélectrique diffractif (C4) à microstructures sublongueur d'onde disposé parallèlement au premier composant diélectrique diffractif (Cl), désigné quatrième composant diélectrique diffractif. Système de déflexion pilotable selon l'une des revendications 3 à 4, caractérisé en ce que la lentille (L) du dispositif de formation du faisceau est une lentille diffractive diélectrique à microstructures. Système de déflexion pilotable selon l'une des revendications 3 à 4, caractérisé en ce que la lentille (L) du dispositif de formation du faisceau est une lentille réfractive diélectrique à microstructures. Système de déflexion pilotable selon l'une des revendications 3 à 4, caractérisé en ce que la lentille (L) du dispositif de formation du faisceau est une lentille réfractive diélectrique massive. Système de déflexion pilotable selon l'une des revendications 3 à 4, caractérisé en ce que la lentille (L) du dispositif de formation du faisceau et le deuxième composant diélectrique diffractif (C2) sont combinés pour former un cortiposant holographique (CH) non résonant à deux faces, à microstructures sub-longueur d'onde formées sur une seule face selon un agencement non périodique déterminé par un calcul d'interférences sur ladite face entre un faisceau émis par la source et un faisceau de sortie prédéterminé, et en ce que le composant holographique (CH) est associé au deuxième mécanisme de rotation, (R2). 3050577 22 9. Système de déflexion pilotable selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les microstructures (MS) du composant holographique (CH) sont formées sur une surface 3D prédéterminée. 5 10. Système de déflexion pilotable selon la revendication 9, caractérisée en ce que les microstructures du composant holographique (CH) sont formées dans un volume prédéterminé qui s'appuie sur ladite face du composant holographique, et implantées selon un agencement tridimensionnel non périodique. 10 11. Système de déflexion pilotable selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le dispositif de formation du faisceau et le second dispositif de déflexion sont combinés pour former un système de miroirs de type Cassegrain. 15 12. Système de déflexion pilotable selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque composant diélectrique diffractif est un prisme ou un réseau. 20 13. Système de déflexion pilotable selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième dispositif de déflexion est configuré pour défléchir le faisceau sur le premier dispositif de déflexion avec une incidence normale. 25 14. Système de déflexion pilotable selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier dispositif de déflexion défléchit le faisceau avec un premier angle de déflexion (81, 813) par rapport au premier axe (01), le deuxième dispositif de déflexion défléchit le faisceau avec un deuxième angle de déflexion (02, 02+04) 30 par rapport au deuxième axe (02), et en ce que le premier angle de déflexion est supérieur ou égal au deuxième angle de déflexion. 15. Antenne à faisceau orientable qui comporte une source (S) apte à émettre un faisceau hyperfréquence ayant une longueur d'onde 35 comprise entre 1 mm et 1 m et un système de déflexion du faisceau émis par la source selon l'une des revendications précédentes. 3050577 23 16. Antenne à faisceau orientable selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la source est configurée pour être monopulse. 17. Antenne à faisceau orientable selon l'une des revendications 15 ou 5 16, caractérisée en ce qu'elle comporte une mécanique de translation de la source suivant le deuxième axe (02) et/ou dans un plan normal au deuxième axe (02). 18. Antenne à faisceau orientable qui comporte une source (S) apte à 10 émettre un faisceau hyperfréquence ayant une longueur d'onde comprise entre 1 mm et 1 m et un système de déflexion du faisceau émis par la source selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisée en ce que la source, le dispositif de mise en forme et le second dispositif de déflexion sont combinés pour former un ensemble apte à 15 former un faisceau incident sur le premier dispositif de déflexion et en ce que cet ensemble est associé au deuxième mécanisme de rotation (R2). 19. Antenne à faisceau orientable selon la revendication précédente, 20 caractérisée en ce que cet ensemble est une antenne réseau (A). 20. Antenne à faisceau orientable selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'antenne réseau est blazée. 25