EP0435739B1 - Source de rayonnement micro-onde magique et son application à une antenne à balayage électronique - Google Patents

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EP0435739B1
EP0435739B1 EP90403654A EP90403654A EP0435739B1 EP 0435739 B1 EP0435739 B1 EP 0435739B1 EP 90403654 A EP90403654 A EP 90403654A EP 90403654 A EP90403654 A EP 90403654A EP 0435739 B1 EP0435739 B1 EP 0435739B1
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illuminator
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Claude Chekroun
Gérard Collignon
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Thomson CSF Radant
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Thomson CSF Radant
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/44—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the electric or magnetic characteristics of reflecting, refracting, or diffracting devices associated with the radiating element
    • H01Q3/46—Active lenses or reflecting arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/068—Two dimensional planar arrays using parallel coplanar travelling wave or leaky wave aerial units

Definitions

  • the present invention relates to a microwave radiation source called magic, and its application to the illumination of an active lens to form an antenna with electronic scanning.
  • the present invention relates to a source of radiation which at least partially achieves the absorption of radiation reflected by the lens, whatever the incidence of this radiation when it is outside the main lobe of the antenna.
  • This is what is meant in the present description by magic source, by analogy with the microwave junctions known under the name of magic Tees.
  • the subject of the invention is a source of microwave radiation as defined by claim 1.
  • the operation of the device according to the invention is described on transmission, but of course it operates, symmetrically, also on reception.
  • FIG. 1 therefore represents the diagram of an embodiment of a two-plane electronic scanning antenna using the source according to the invention.
  • the antenna includes a microwave radiation source, also called an illuminator and marked I, providing an electromagnetic wave propagating in a direction OZ and whose electric field E is directed in a direction OY, normal to the previous one.
  • a microwave radiation source also called an illuminator and marked I
  • On the path of the electromagnetic wave are successively arranged a first microwave lens L1, a grid G ensuring the rotation of the polarization of the wave and finally a second microwave lens L2.
  • the illuminator I is composed in this mode of production of a stack of elementary illuminators, marked I1, I2 ... I i ... I n , the stack being produced along the axis OY.
  • the lens L1 comprises, in a similar manner, a stack of channels marked C1, C2 ... C i ... C n produced along the axis OY.
  • Each of these channels includes electronically controllable phase shifting means. It is thus possible to carry out, by variation of the phase shift values, an electronic scanning of the beam supplied by the illuminator I in the plane of the field E, ie the plane YOZ.
  • An embodiment of such a lens is for example described in French patent No. 2,469,808.
  • the illuminator can be integrated into the lens L1 as described in French patent application No. 84 11066.
  • a second lens L2 of the same type, is added according to this embodiment. type as the lens L1 but where the stacking of the channels is crossed with the previous one, that is to say carried out along the axis OX.
  • the polarization rotation grid G is provided so that the electric field E is always perpendicular to the stacking of the channels.
  • FIG. 2a represents an embodiment of an elementary illuminator, marked I i , of the stack forming the illuminator I of the previous figure.
  • the assembly is arranged between two conducting planes P, substantially parallel to the plane XOZ.
  • the radiating element is for example of the snake line type; it is formed by a conductive deposit 31 on an insulating substrate 30 in the form of a pseudo-sinusoid extending substantially in the direction OX.
  • capacitive elements 32 also known by the Anglo-Saxon name of "stub", intended for the adaptation of impedance of the plane 3.
  • the plane 2 forming an incidence filter is, in this embodiment, constituted by an insulating substrate covered substantially over its entire surface with a resistive layer.
  • the plane 2 is separated from the planes 1 and 2 respectively by distances D12 and D23.
  • the distance D23 is determined, as well as the parameters of the radiating element, so that the illuminator is adapted for the incidences corresponding to the main lobe of the radiating element. It is recalled that, in the case of a snake line, the parameters are the amplitude of the pseudo-sinusoid formed by the snake line, the half-period of the sinusoid, the position and the length of the stubs.
  • the snake line is transparent and the reflection coefficient of the antenna is that of the incidence filter 2.
  • FIG. 2b represents a variant of FIG. 2a, relating to the production of plane 2.
  • the plane 2 forming an incidence filter here consists of an insulating substrate 20 carrying resistive elements R. These are connected by connections 23 with two conductors, or tracks, 21 and 22, extending substantially parallel to the OX axis.
  • the resistive elements R can be resistors or diodes.
  • FIG. 2c represents the equivalent diagram of plane 2 of FIG. 2b.
  • This diagram comprises, between two planes P, two capacities C1 and C2 in series; at the terminals of the capacitor C en are connected in series an inductance L and a resistor r.
  • the parameters of filter 2 are the distance between tracks 21 and 22 (capacitance C2), the position of tracks 21 or 22 relative to the planes P (capacitance C1), the value of the resistances R and the length of the connections 23 (inductance L and resistance r).
  • the resistive elements R are constituted by diodes
  • the variation of the bias current of the diodes allows the previous parameters to be varied on command and therefore to obtain the absorption of the reflected waves for incidences whose value is thus adjustable electronically.
  • FIG. 3 represents an embodiment of an illuminator I according to the invention, integrated into the lens L1.
  • the device also includes the conductive planes P, parallel to the plane XOZ and defining between them channels I1, I2 ... I i , ...
  • the conducting planes P extend to form the channels C1, C2 ... C i , ... of the lens L1.
  • each of the channels C are arranged planes D, parallel to the plane XOY, each carrying electronically controllable phase shifting means.
  • These phase shifting means comprise diodes 40 connected by connections 41, substantially parallel to the axis OY, to conductors 42, substantially parallel to the axis OX; the latter connect all the diodes of the same phase-shifting plane to a controllable bias voltage.
  • This type of phase shifting planes arranged in channels is described in the aforementioned French patent 2,462,808.
  • the electronic scanning obtained by controlling the phase shifting planes D takes place in the plane of the field E (YOZ), as described above.

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  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Description

  • La présente invention a pour objet une source de rayonnement microonde dite magique, et son application à l'illumination d'une lentille active pour former une antenne à balayage électronique.
  • Dans une antenne à balayage électronique ainsi composée, on sait que peuvent apparaître certains phénomènes parasites de réflexions multiples sur les interfaces, réflexions qui ont pour effet d'augmenter le niveau des lobes secondaires ou du rayonnement diffus. Pour éliminer ces réflexions multiples, il est possible d'absorber l'énergie réfléchie dans l'antenne elle-même, avant sa ré-émission. A cet effet, il est notamment connu d'utiliser, pour effectuer la division de puissance nécessaire à l'alimentation de chaque élément rayonnant de l'antenne, un grand nombre de coupleurs directifs absorbant l'énergie réfléchie. Ce genre de structure a toutefois pour inconvénient d'être complexe, délicate à mettre au point et coûteuse.
  • La présente invention a pour objet une source de rayonnement qui réalise au moins en partie l'absorption des rayonnements réfléchis par la lentille, quelle que soit l'incidence de ce rayonnement lorsqu'il est en dehors du lobe principal de l'antenne. C'est ce qu'on entend dans la présente description par source magique, par analogie avec les jonctions microondes connues sous le nom de Té magiques.
  • Plus précisément, l'invention a pour objet une source de rayonnement micro-onde telle que définie par la revendication 1.
  • Elle a également pour objet une antenne à balayage électronique utilisant une telle source, telle que définie par la revendication 6.
  • D'autres objets, particularités et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées, qui représentent:
    • la figure 1, un schéma d'une antenne à balayage électronique selon deux plans perpendiculaires, utilisant la source selon l'invention ;
    • les figures 2a et 2b, différents modes de réalisation d'un élément constitutif de la source selon l'invention, et la figure 2c, un schéma explicatif de la figure 2b ;
    • la figure 3, un mode de réalisation d'une antenne à balayage électronique intégrant la source selon l'invention.
  • Sur ces différentes figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments.
  • Par ailleurs, dans tout la description qui suit, le fonctionnement du dispositif selon l'invention est décrit à l'émission mais bien entendu celui-ci fonctionne, de façon symétrique, en réception également.
  • La figure 1 représente donc le schéma d'un mode de réalisation d'une antenne à balayage électronique deux plans utilisant la source selon l'invention.
  • L'antenne comporte une source de rayonnement microonde, également appelée illuminateur et repérée I, fournissant une onde électromagnétique se propageant selon une direction OZ et dont le champ électrique E est dirigé selon une direction OY, normale à la précédente. Sur le trajet de l'onde électromagnétique sont disposées successivement une première lentille microonde L₁, une grille G assurant la rotation de la polarisation de l'onde et enfin une seconde lentille microonde L₂.
  • L'illuminateur I se compose dans ce mode de réalisation d'un empilement d'illuminateurs élémentaires, repérés I₁, I₂... Ii... In, l'empilement étant réalisé selon l'axe OY.
  • La lentille L₁ comporte, de façon analogue, un empilement de canaux repérés C₁, C₂... Ci... Cn réalisé selon l'axe OY. Chacun de ces canaux comporte des moyens déphaseurs commandables électroniquement. Il est ainsi possible de réaliser, par variation des valeurs de déphasage, un balayage électronique du faisceau fourni par l'illuminateur I dans le plan du champ E, c'est à dire le plan YOZ. Un mode de réalisation d'une telle lentille est par exemple décrit dans le brevet français N° 2 469 808. Dans un mode de réalisation préféré, l'illuminateur peut être intégré à la lentille L₁ comme décrit dans la demande de brevet français N° 84 11066.
  • Pour obtenir en outre un balayage électronique dans le plan perpendiculaire, c'est-à-dire dans un plan XOZ, l'axe OX étant perpendiculaire aux axes OY et OZ, on ajoute selon ce mode de réalisation une seconde lentille L₂, du même type que la lentille L₁ mais où l'empilement des canaux est croisés avec le précédent, c'est à dire réalisé selon l'axe OX. La grille de rotation de polarisation G est prévue pour que le champ électrique E soit toujours perpendiculaire à l'empilement des canaux.
  • La figure 2a représente un mode de réalisation d'un illuminateur élémentaire, repéré Ii, de l'empilement formant l'illuminateur I de la figure précédente.
  • Cet illuminateur élémentaire se compose, disposés successivement dans la direction OZ :
    • d'un premier plan 1 conducteur, formant court-circuit, sensiblement parallèle au plan XOY ;
    • d'un second plan 2, également disposé sensiblement selon le plan XOY, formant filtre d'incidence et repéré 2 ;
    • d'un troisième plan 3, toujours sensiblement parallèle au plan XOY et portant un élément rayonnant.
  • L'ensemble est disposé entre deux plans conducteurs P, sensiblement parallèles au plan XOZ.
  • L'élément rayonnant est par exemple du type ligne serpent; il est formé par un dépôt conducteur 31 sur un substrat isolant 30 en forme de pseudo-sinusoïde s'étendant sensiblement dans la direction OX. De part et d'autre de la ligne conductrice 31 sont disposés périodiquement des éléments capacitifs 32, connus également sous le nom anglo-saxon de "stub", destinés à l'adaptation d'impédance du plan 3.
  • Le plan 2 formant filtre d'incidence est, dans ce mode de réalisation, constitué par un substrat isolant recouvert sensiblement sur toute sa surface d'une couche résistive.
  • Le plan 2 est séparé des plans 1 et 2 respectivement par des distances D₁₂ et D₂₃.
  • La distance D₁₂ est choisie de l'ordre de la demi-longueur d'onde (λo) de fonctionnement de l'illuminateur, à incidence normale (angle d'incidence mesuré par rapport à l'axe OZ: ϑ = 0).
  • La distance D₂₃ est déterminée, ainsi que les paramètres de l'élément rayonnant, pour que l'illuminateur soit adapté pour les incidences correspondant au lobe principal de l'élément rayonnant. On rappelle que, dans le cas d'une ligne serpent, les paramètres sont l'amplitude de la pseudo-sinusoïde que forme la ligne serpent, la demi-période de la sinusoïde, la position et la longueur des stubs.
  • Pour une onde à incidence normale (ϑ = 0), la distance D₁₂ étant égale à λo/2, un court-circuit est ramené dans le plan du filtre 2, quelle que soit la constitution de ce dernier: celui-ci est donc transparent et n'introduit pas de perte.
  • Pour les incidences différentes de celles qui correspondent au lobe principal, la ligne serpent est transparente et le coefficient de réflexion de l'antenne est celui du filtre d'incidence 2.
  • Ainsi qu'il est connu, à un angle d'incidence ϑ, la longueur d'onde devient λ (ϑ) = λo/cosϑ. Pour ϑ = π/3, il apparaît que la distance D₁₂ devient égale à λ/4, ramenant ainsi un circuit ouvert en parallèle sur le filtre 2. Pour cette incidence, l'onde est donc totalement absorbée dans le plan résistif 2, cette absorption diminuant lorsqu'on s'éloigne de l'incidence ϑ = π/3.
  • Il apparaît ainsi qu'une onde émise par l'illuminateur et ultérieurement réfléchie par l'une des interfaces de l'antenne, est absorbée par l'illuminateur, évitant ainsi des lobes parasites en sortie d'antenne.
  • La figure 2b représente une variante de la figure 2a, concernant la réalisation du plan 2.
  • Le plan 2 formant filtre d'incidence est ici constitué par un substrat isolant 20 portant des éléments résistifs R. Ceux-ci sont connectés par des connexions 23 à deux conducteurs, ou pistes, 21 et 22, s'étendant sensiblement parallèlement à l'axe OX. Les éléments résistifs R peuvent être des résistances ou des diodes.
  • La figure 2c représente le schéma équivalent du plan 2 de la figure 2b.
  • Ce schéma comporte, entre deux plans P, deux capacités C₁ et C₂ en série; aux bornes de la capacité C₂ sont connectées en série une inductance L et une résistance r.
  • Cette variante de réalisation, qui ajoute une partie imaginaire (inductive et capacitive) à l'impédance introduite par le plan 2, permet d'obtenir, par action sur les paramètres du filtre 2, l'adaptation de ce filtre, et donc l'absorption des ondes réfléchies, pour une autre incidence que ϑ = π/3. Les paramètres du filtre 2 sont la distance entre les pistes 21 et 22 (capacité C₂), la position des pistes 21 ou 22 par rapport aux plans P (capacité C₁), la valeur des résistances R et la longueur des connexions 23 (inductance L et résistance r).
  • Lorsque les éléments résistifs R sont constitués par des diodes, la variation du courant de polarisation des diodes permet de faire varier sur commande les paramètres précédents et donc d'obtenir l'absorption des ondes réfléchies pour des incidences dont la valeur est ainsi réglable électroniquement.
  • La figure 3 représente un mode de réalisation d'un illuminateur I selon l'invention, intégré à la lentille L₁.
  • Sur cette figure, ou retrouve les trois plans 1, 2 et 3 de la figure 2, s'étendant selon le plan XOY et formant l'illuminateur I. Le dispositif comporte encore les plans conducteurs P, parallèles au plan XOZ et définissant entre eux les canaux I₁, I₂... Ii,...
  • Selon ce mode de réalisation, les plans conducteurs P se prolongent pour former les canaux C₁, C₂... Ci,... de la lentille L₁. Dans chacun des canaux C sont disposés des plans D, parallèlement au plan XOY, portant chacun des moyens déphaseurs commandables électroniquement. Ces moyens déphaseurs comportent des diodes 40 connectées par des connexions 41, sensiblement parallèles à l'axe OY, à des conducteurs 42, sensiblement parallèles à l'axe OX; ces derniers relient l'ensemble des diodes d'un même plan déphaseur à une tension de polarisation commandable. Ce type de plans déphaseurs arrangés en canaux est décrit dans le brevet français 2.462.808 précité.
  • Le balayage électronique obtenu par commande des plans déphaseurs D s'effectue dans le plan du champ E (YOZ), comme décrit ci-dessus.
  • Bien entendu, comme illustré figure 1, il est possible de disposer, derrière la lentille L₁, une grille G et une lentille L₂ pour obtenir un balayage électronique dans le plan XOZ.

Claims (6)

  1. Source de rayonnement microonde, pour l'émission ou la réception d'un rayonnement selon une première direction (OZ) et dont le champ électrique est dirigé sensiblement selon une deuxième direction (OY), normale à la précédente, la source étant caractérisée par le fait qu'elle comporte un empilement de canaux (I₁... In) séparés par des plans conducteurs (C₁, C₂, ..., Ci, ...) réalisé sensiblement parallèlement à la deuxième direction (OY) et que chaque canal comporte, successivement dans la première direction (OZ) et disposés sensiblement perpendiculairement à celle-ci :
    - un premier plan (1) conducteur, formant court-circuit ;
    - un deuxième plan (2), formant filtre d'incidence, situé à une distance (D₁₂) du premier plan de l'ordre de la demi longueur d'onde du rayonnement, le filtre comportant des moyens résistifs ;
    - un troisième plan (3) portant un illuminateur microonde du type ligne serpent (31), la ligne serpent s'entendant sensiblement selon une troisième direction (OX), perpendiculaire aux précédentes ;
    l'illuminateur et le filtre ayant des caractéristiques telles que le filtre soit au moins partiellement absorbant pour une énergie microonde reçue avec un angle d'incidence non nul dans le plan YOZ.
  2. Source selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le deuxième plan (2) comporte une couche résistive sensiblement sur toute sa surface.
  3. Source selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le deuxième plan (2) comporte un substrat isolant (20) portant deux pistes (21, 22) sensiblement parallèles à la troisième direction (OX) et des éléments résistifs (R) connectés (23) entre les pistes.
  4. Source selon la revendication 3, caractérisée par le fait que les éléments résistifs (R) sont des résistances.
  5. Source selon la revendication 3, caractérisée par le fait que les éléments résistifs (R) sont des diodes.
  6. Antenne à balayage électronique, caractérisée par le fait qu'elle comporte une source selon l'une des revendications précédentes et que chacun des canaux comporte en outre, disposés après le troisième plan (3), une pluralité de plans déphaseurs (D), imprimant chacun, à l'onde qui les traverse, un déphasage commandable électroniquement.
EP90403654A 1989-12-26 1990-12-18 Source de rayonnement micro-onde magique et son application à une antenne à balayage électronique Expired - Lifetime EP0435739B1 (fr)

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