EP1157444B1 - Antenna with double-band electronic scanning, with active microwave reflector - Google Patents
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- EP1157444B1 EP1157444B1 EP00901684A EP00901684A EP1157444B1 EP 1157444 B1 EP1157444 B1 EP 1157444B1 EP 00901684 A EP00901684 A EP 00901684A EP 00901684 A EP00901684 A EP 00901684A EP 1157444 B1 EP1157444 B1 EP 1157444B1
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- H01Q5/40—Imbricated or interleaved structures; Combined or electromagnetically coupled arrangements, e.g. comprising two or more non-connected fed radiating elements
- H01Q5/45—Imbricated or interleaved structures; Combined or electromagnetically coupled arrangements, e.g. comprising two or more non-connected fed radiating elements using two or more feeds in association with a common reflecting, diffracting or refracting device
Definitions
- the present invention relates to a scanning antenna dual-band electronics, with active microwave reflector. It applies especially for microwave applications requiring two bands emission conditions also subject to very low production conditions costs. It can for example be applied for individual stations of communication with scrolling satellites, and more generally for many types of multimedia applications.
- antennas comprising a reflector active microwave.
- the latter also called “reflect array” in the Anglo-Saxon literature, is a network with controllable phase shifters electronically.
- This network extends in a plane and includes a network phase control elements, or phased network, arranged in front of means reflectors, constituted for example by a metallic plane forming a plane of mass.
- the reflective network notably includes elementary cells each carrying out reflection and phase shift, variable on command electronic, of the microwave wave it receives.
- a primary source such as a cone, arranged in front of the reflective network emits waves towards the latter microwave.
- Mass applications are possible for such antennas, in particular with the advent of interactive multimedia activities via satellite communications networks.
- Scrolling satellites are arranged around the earth.
- the ground antennas must follow the satellites. For switch from one satellite to another without phase jumps, the antennas transmit and receive on two frequency bands, with phase shifts different between these two bands.
- Document presents scanning antenna electronic likely to operate in two crossed polarizations.
- An object of the invention is to produce a scanning antenna dual-band electronics with reflective grating intended in particular for mass applications, and therefore of low production cost.
- the invention relates to a scanning antenna electronic, characterized in that it comprises at least two sources microwave emitting in different frequency bands and having opposite circular polarizations, an active reflective grating comprising elementary cells illuminated by sources and a rotator polarization, interposed between the reflective grating and the sources, transforming circular polarizations into two linear polarizations crossed, an elementary cell comprising two transverse phase shifters, the first phase shifter acting on waves of linear polarization and the second phase shifter acting on the waves of the other linear polarization.
- FIG 1 schematically illustrates an example of realization of an electronic scanning antenna with active reflective array
- the microwave distribution is for example of the so-called optical type, that is to say for example ensured using a primary source illuminating the reflective network.
- the antenna includes a primary source 1, for example a cornet.
- Primary source 1 emits microwave waves 3 towards the active reflective network 4, arranged in the Oxy plane.
- This network reflector 4 comprises a set of elementary cells carrying out the reflection and phase shift of the waves it receives. So by order phase shifts printed on the wave received by each cell, it is possible as is known, to form a microwave beam in the direction desired.
- An antenna according to the invention comprises at least two elementary sources, for example of reverse circular polarizations, to illuminate the active reflector 4 whose elementary cells moreover have a given architecture.
- the two sources emit waves in different frequency bands.
- Figure 2 schematically illustrates such an antenna.
- the latter therefore comprises two sources S D , S G , for example horns, with respective right and left polarizations. These horns illuminate an active reflective network 4 as described above.
- a polarization rotation grid 21 is disposed in front of this reflector 4, and interposed between the latter and the sources S D , S G.
- the polarization rotation grid transforms the circularly polarized waves emitted by these sources into linearly polarized waves.
- An antenna according to the invention may also include elementary linear sources, of crossed polarizations. In this case, there is no need to use a polarization rotation grid.
- Le reflector comprises a set of elementary cells 10 arranged side by side side by side and separated by zones 20, used for decoupling cell microwave. These cells 10 carry out the reflection and the phase shift of the waves they receive.
- An elementary cell 10 includes a phase shifting microwave circuit arranged in front of a plane driver. More specifically, as will appear later, the circuit microwave has two transverse phase shifters, each dedicated to linear polarization.
- FIG. 4 is a schematic sectional view, in the Oxz plane, of a possible embodiment of the active reflector 4.
- the reflector 4 consists of a microwave circuit distributed in the elementary cells 10 and of a conducting plane 42, disposed substantially parallel to the microwave circuit 41, at a predefined distance d.
- This microwave circuit receives the incident waves, for example substantially planar, emitted by the aforementioned sources S D , S G.
- the function of the conducting plane 42 is in particular to reflect the microwave waves. It can be constituted by any known means, by example of parallel wires or a sufficiently tight mesh, or a plane continued.
- the microwave circuit 41 and the conductive plane 42 are of preferably made on two sides of a dielectric support 43, for example of the printed circuit type.
- the reflector 4 also comprises, preferably on the same printed circuit 43, which is then a multilayer circuit, the circuit electronics required to control phase values.
- FIG. 5 shows, schematically, an example of production of an elementary cell 10 of an antenna according to the invention.
- a cell includes a phase shift microwave circuit, forming part of the microwave circuit mentioned in relation to Figure 4.
- the phase shifter comprises conductive wires 51, 51 ′ arranged on a support, for example on the front face 44 of the multilayer circuit 43.
- the wires 51, 51 ′ have each at least two semiconductor elements with two states 521, 521 ′, 522, 522 ', diodes for example.
- the embodiment of Figure 5 is consists of two conductive wires, each comprising two diodes in series, cross-wired and interconnected by a central conductor control 53.
- the central conductor 53 is for example itself connected to a metallized hole 531 which connects the conductive wires 51, 51 'to the circuit electronic control arranged on the rear face 45 of the multilayer circuit, via the interconnection circuits.
- the central conductor 53 is connected to the four diodes 521, 521 ', 522, 522' of the phase shifter, being wired between the two diodes of each of the conductive wires 51.
- the ends of these the latter are also each connected to a control conductor 54 connected for example itself to a metallized hole 541 made in the circuit multilayer 43.
- the ends of the conducting wires 51, 51 ′ are thus connected to the electronic control circuit.
- each of the four diodes can then be controlled by the electronic circuit of ordered.
- Each of the diode wires acts on the only waves whose polarization, i.e. the electric field vector, has a component which is parallel to it.
- the polarization rotation grid 21 transforms by example right circular polarization in parallel linear polarization to a conducting wire 51 while it transforms the circular polarization left in a linear polarization parallel to the other conductive wire 51 ', a wire conductor 51 being for example parallel to the direction Ox and the other wire conductor 51 ′ being for example parallel to the direction Oy.
- a wave received by a cell elementary 10 does not spread to other neighboring cells.
- the invention provides decoupling zones 20 which separate the 10 cells.
- this wave does not propagate from one cell to another, in the direction Ox.
- a received wave linearly polarized at the direction Ox does not propagate from one cell to another in the direction Oy.
- FIG. 6 shows a possible embodiment of these decoupling zones 20.
- a decoupling zone 20 surrounding a cell elementary comprises a conductive strip 62.
- the end conductors 54 which connect the conductive wires to the electronic control circuit are for example preferably located in the conductive strip 62, without however being electrically connected to the latter. For this purpose, provision is made for an interruption of the band around end conductors 54.
- the conductive strip 62 is for example produced by deposition metallic on the front face 44, between the cells, parallel to the directions Ox and Oy.
- This strip 62 forms, with the reflective plane 42 which is below, a space of the waveguide type whose width is the distance d.
- the distance d is chosen so that it is less than ⁇ / 2, knowing that a wave whose polarization is parallel to tapes cannot be spread in such a space.
- the reflector according to the invention operates in a certain band of frequencies and we choose d so that it is less than the smallest of the wavelengths of the two bands.
- strip 62 must have a sufficient width for the effect described above to be appreciable. In practical, the width maybe of the order of ⁇ / 15.
- the equivalent circuit relates to a conducting wire 51 and its two diodes 521, 522, in fact what corresponds to a phase shifter, associated with a given polarization and therefore with a given frequency band.
- the incident microwave wave, of linear polarization and parallel to Oy and to the wires 51 is received on terminals B 1 and B 2 and meets three capacitors C o , C I1 , C I2 in series, connected in parallel on the terminals B 1 and B 2 .
- the capacitance C 0 represents the linear decoupling capacitance between the end conductors 54 and the conductive strip 62 of the decoupling zone 20.
- the capacitance C I1 is the linear capacitance between the end conductor 54 connected to the first diode 521 and the central conductor 53.
- the capacitance C I2 is the linear capacitance between the end conductor 54 connected to the second diode 522 and the central conductor 53.
- the second diode 522 represented by its equivalent diagram.
- the latter is analogous to that of the first diode 521, its components bearing an index 2.
- the microwave output voltage is taken between terminals B 3 and B 4 , terminals of the capacitors C 0 , C I1 , and C I2 .
- phase shifter 10 The operation of the phase shifter 10 is explained below by considering, in a first step, the behavior of such a circuit in the absence of the second diode 522, which returns to the equivalent diagram of FIG. 7 to remove the 522 as well as the capacity C I2 .
- Z is the impedance of the incident wave
- ⁇ is the pulsation corresponding to the center frequency of one of the two operating bands of the antenna.
- the first conducting wire 51 receives the waves emitted by the right circular polarization source S D.
- phase shifter of a cell 10 this phase shifter corresponding to a conducting wire 51, 51 ′, can have four different values for its susceptance B D (denoted B D1 , B D2 , B D3 and B D4 ) according to the command (direct or reverse polarization) applied to each of the diodes 521, 522.
- These values are a function of the parameters of the circuit of FIG. 7, that is to say of the values chosen for the geometric parameters (dimensions, shapes and spacings different conductive) and electrical surfaces (electrical characteristics of the diodes) of the phase shifter.
- B CC -cotg 2 ⁇ d ⁇ where ⁇ is the wavelength corresponding to the pulsation ⁇ .
- susceptance B C can take four distinct values (denoted B C1 , B C2 , B C3 , and B C4 ) corresponding respectively to the four values of B D , the distance d representing an additional parameter for the determination of the values B C1 - B C4 .
- the parameters of the circuit are chosen so that the zero (or substantially zero) susceptances are such that they correspond to the diodes polarized in the direct direction, but that can of course choose a symmetrical operation in which the parameters are determined to substantially cancel the susceptances B r ; more generally, it is not necessary that one of the susceptances B d or B r is zero, these values being determined so that the condition of equal distribution of the phase shifts d ⁇ 1 -d ⁇ 4 is fulfilled.
- an elementary cell along its second conducting wire 51 ′ can be described in a similar manner, for the waves emitted by the second source, for example S G , in another frequency band.
- the active network 4 is illuminated by two sources S D , S G emitting respectively in right and left circular polarization and in two different frequency bands, the polarization rotation grid 21 transforming these two circular polarizations into two crossed linear polarizations allowing the cells of the active network 4 to act independently on two polarizations and in different frequency bands.
- An elementary cell 10 in fact comprises two transverse phase shifters, preferably controllable, the first phase shifter 51, 521, 522 acting on the waves of a linear polarization and the second phase shifter 51 ', 521', 522 'acting on the waves of the other linear polarization.
- a phase shifter and therefore its conducting wire, is substantially parallel to the direction of this polarization.
- the polarization rotation grid 21 is arranged in such a way that the linear polarizations obtained from the circular polarizations are very substantially parallel to the phase shifters concerning them.
- the polarization rotation grid can be a rotator of any polarization, in particular, it can be a meandering grid or a wire grid.
- the invention advantageously makes it possible to operate on two frequency bands and adjust the phase shifts of the waves reflected by the active network, independently from one band to another. Knowing that these phase shifts determine the direction of the beams emitted by the antenna, it is so easy and quick to change the direction of the beam for the two bands frequencies. This is particularly well suited for tracking traveling satellites arranged around the Earth used in particular for all kinds of multimedia applications.
- an antenna according to the invention is well suited for mass use, i.e. intended for a large audience, insofar as it can be carried out at low cost. Indeed, it does not contain expensive or complex components to install artwork.
- the active network consisting of a printed circuit multilayer with components arranged on these front and rear faces is not expensive. In addition, it is perfectly suited to a production of large series.
- the polarization rotation grid used in the case in particular where the elementary sources are polarized circular as is the case for example for applications multimedia is also inexpensive.
Description
La présente invention concerne une antenne à balayage électronique bi-bande, à réflecteur hyperfréquence actif. Elle s'applique notamment pour des applications hyperfréquence nécessitant deux bandes d'émission par ailleurs soumises à des conditions de réalisation à très bas coûts. Elle peut par exemple s'appliquer pour des stations individuelles de communication avec des satellites à défilement, et plus généralement pour de nombreux types d'applications multimédia.The present invention relates to a scanning antenna dual-band electronics, with active microwave reflector. It applies especially for microwave applications requiring two bands emission conditions also subject to very low production conditions costs. It can for example be applied for individual stations of communication with scrolling satellites, and more generally for many types of multimedia applications.
Il est connu de réaliser des antennes comportant un réflecteur hyperfréquence actif. Ce dernier, par ailleurs nommé « reflect array » dans la littérature anglo-saxonne, est un réseau à 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 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 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.It is known to produce antennas comprising a reflector active microwave. The latter, also called "reflect array" in the Anglo-Saxon literature, is a network with controllable phase shifters electronically. This network extends in a plane and includes a network phase control elements, or phased network, arranged in front of means reflectors, constituted for example by a metallic plane forming a plane of mass. The reflective network notably includes elementary cells each carrying out reflection and phase shift, variable on command electronic, of the microwave wave it receives. Such an antenna brings great beam agility. A primary source, such as a cone, arranged in front of the reflective network emits waves towards the latter microwave.
Des applications de masse sont envisageables pour de telles antennes, en particulier avec l'avènement des activités multimédia interactives via des réseaux de communications par satellites. Pour assurer la continuité d'un réseau de communications, des satellites à défilement sont disposés autour de la terre. Les antennes au sol doivent suivre les satellites. Pour commuter d'un satellite à un autre sans sauts de phases, les antennes émettent et reçoivent sur deux bandes de fréquences, avec des déphasages différents entre ces deux bandes.Mass applications are possible for such antennas, in particular with the advent of interactive multimedia activities via satellite communications networks. To ensure continuity of a communications network, scrolling satellites are arranged around the earth. The ground antennas must follow the satellites. For switch from one satellite to another without phase jumps, the antennas transmit and receive on two frequency bands, with phase shifts different between these two bands.
Un document présente une antenne à balayage électronique susceptible de fonctionner selon deux polarisations croisées.Document presents scanning antenna electronic likely to operate in two crossed polarizations.
Un but de l'invention est de réalisation d'une antenne à balayage électronique bi-bande à réseau réflecteur destinée notamment à des applications de masse, et donc de faible coût de réalisation.An object of the invention is to produce a scanning antenna dual-band electronics with reflective grating intended in particular for mass applications, and therefore of low production cost.
A cet effet, l'invention a pour objet une antenne à balayage électronique, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux sources hyperfréquence émettant dans des bandes de fréquences différentes et présentant des polarisations circulaire opposées, un réseau réflecteur actif comportant des cellules élémentaires éclairées par les sources et un rotateur de polarisation, interposé entre le réseau réflecteur et les sources, transformant les polarisations circulaires en deux polarisations linéaires croisées, une cellule élémentaire comportant deux déphaseurs transversaux, le premier déphaseur agissant sur les ondes d'une polarisation linéaire et le deuxième déphaseur agissant sur les ondes de l'autre polarisation linéaire.To this end, the invention relates to a scanning antenna electronic, characterized in that it comprises at least two sources microwave emitting in different frequency bands and having opposite circular polarizations, an active reflective grating comprising elementary cells illuminated by sources and a rotator polarization, interposed between the reflective grating and the sources, transforming circular polarizations into two linear polarizations crossed, an elementary cell comprising two transverse phase shifters, the first phase shifter acting on waves of linear polarization and the second phase shifter acting on the waves of the other linear polarization.
D'autres objets, particularités et résultats de l'invention apparaítront à l'aide de la description qui suit donnée à titre d'exemple et faite en regard des dessins annexés qui représentent:
- la figure 1, un exemple de réalisation d'une antenne à balayage électronique à réseau réflecteur actif ;
- la figure 2, par une vue schématique, une illustration du principe de fonctionnement d'une antenne selon l'invention ;
- la figure 3, une vue partielle de la face avant d'un exemple de réseau réflecteur actif utilisé dans une antenne selon l'invention ;
- la figure 4, une vue partielle en coupe d'un exemple de réseau actif utilisé dans une antenne selon l'invention ;
- la figure 5, une vue détaillée en perspective, d'un exemple de réalisation d'une cellule élémentaire d'un réseau réflecteur actif utilisé dans une antenne selon l'invention ;
- la figure 6, à titre d'exemple, une illustration d'une cellule élémentaire munie d'une protection contre les propagations parasites vers et venant de cellules voisines ;
- la figure 7, un schéma électrique équivalent d'un déphaseur d'une cellule élémentaire.
- FIG. 1, an exemplary embodiment of an electronic scanning antenna with an active reflecting array;
- Figure 2, in a schematic view, an illustration of the operating principle of an antenna according to the invention;
- FIG. 3, a partial view of the front face of an example of an active reflecting array used in an antenna according to the invention;
- Figure 4, a partial sectional view of an example of active network used in an antenna according to the invention;
- FIG. 5, a detailed perspective view, of an embodiment of an elementary cell of an active reflective network used in an antenna according to the invention;
- FIG. 6, by way of example, an illustration of an elementary cell provided with protection against parasitic propagations to and from neighboring cells;
- Figure 7, an equivalent electrical diagram of a phase shifter of an elementary cell.
La figure 1 illustre de façon schématique un exemple de
réalisation d'une antenne à balayage électronique à réseau réflecteur actif
où 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'elle 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.Figure 1 schematically illustrates an example of
realization of an electronic scanning antenna with active reflective array
where the microwave distribution is for example of the so-called optical type, that is to say
for example ensured using a primary source illuminating the
reflective network. For this purpose, the antenna includes a primary source 1, for
example a cornet. Primary source 1 emits
Une antenne selon l'invention comporte au moins deux sources
élémentaires, par exemple de polarisations circulaires inverses, pour éclairer
le réflecteur actif 4 dont les cellules élémentaires possèdent par ailleurs une
architecture donnée. Par ailleurs, les deux sources émettent des ondes dans
des bandes de fréquences différentes. La figure 2 illustre de façon
schématique une telle antenne. Cette dernière comporte donc deux sources
SD, SG, par exemple des cornets, de polarisations respectives droite et
gauche. Ces cornets éclairent un réseau réflecteur actif 4 tel que décrit ci-dessus.
Une grille de rotation de polarisation 21 est disposée devant ce
réflecteur 4, et interposée entre ce dernier et les sources SD, SG. La grille de
rotation de polarisation transforme les ondes à polarisation circulaires
émises par ces sources en ondes à polarisation linéaire. Une antenne selon
l'invention peut aussi comporter des sources élémentaires linéaires, de
polarisations croisées. Dans ce cas, il n'est pas besoin d'utiliser une grille de
rotation de polarisation.An antenna according to the invention comprises at least two elementary sources, for example of reverse circular polarizations, to illuminate the active reflector 4 whose elementary cells moreover have a given architecture. In addition, the two sources emit waves in different frequency bands. Figure 2 schematically illustrates such an antenna. The latter therefore comprises two sources S D , S G , for example horns, with respective right and left polarizations. These horns illuminate an active reflective network 4 as described above. A
La figure 3 montre schématiquement une partie de réseau
réflecteur 4 dans le plan Oxy, par une vue de dessus, suivant F. Le
réflecteur comporte un ensemble de cellules élémentaires 10 disposées côte
à côte et séparées par des zones 20, ufilisées pour le découplage
hyperfréquence des cellules. Ces cellules 10 réalisent la réflexion et le
déphasage des ondes qu'elles reçoivent. Une cellule élémentaire 10
comporte un circuit hyperfréquence déphaseur disposé devant un plan
conducteur. Plus précisément, comme cela apparaítra par la suite, le circuit
hyperfréquence comporte deux déphaseurs transversaux, dédiés chacun à
une polarisation linéaire.Figure 3 schematically shows part of the network
reflector 4 in the Oxy plane, from a top view, according to F. Le
reflector comprises a set of
La figure 4 est une vue schématique en coupe, dans le plan Oxz
d'un exemple de réalisation possible du réflecteur actif 4. Le réflecteur 4 se
compose d'un circuit hyperfréquence réparti dans les cellules
élémentaires 10 et d'un plan conducteur 42, disposé sensiblement
parallèlement au circuit hyperfréquence 41, à une distance d prédéfinie. Ce
circuit hyperfréquence reçoit les ondes incidentes, par exemple sensiblement
plan, émise par les sources précitées SD, SG.FIG. 4 is a schematic sectional view, in the Oxz plane, of a possible embodiment of the active reflector 4. The reflector 4 consists of a microwave circuit distributed in the
Le plan conducteur 42 a notamment pour fonction de réfléchir les
ondes hyperfréquences. Il peut être constitué par tout moyen connu, par
exemple des fils parallèles ou un grillage, suffisamment serrés, ou un plan
continu. Le circuit hyperfréquence 41 et le plan conducteur 42 sont de
préférence réalisés sur deux faces d'un support diélectrique 43, par exemple
du type circuit imprimé. Le réflecteur 4 comporte encore, de préférence sur
le même circuit imprimé 43, qui est alors un circuit multicouche, le circuit
électronique nécessaire à la commande des valeurs de phase. Sur la figure
4, on a représenté un circuit multicouche dont la face avant 44 porte le circuit
hyperfréquence 41, la face arrière 45 porte des composants 46 du circuit
électronique de commande précité, et les couches intermédiaires forment le
plan conducteur 42 et par exemple deux plans 47 d'interconnexions des
composants 46 au circuit hyperfréquence 41.The function of the
La figure 5 présente, de façon schématique, un exemple de
réalisation d'une cellule élémentaire 10 d'une antenne selon l'invention. Une
cellule comporte un circuit hyperfréquence déphaseur, formant partie du
circuit hyperfréquence évoqué relativement à la figure 4. Le déphaseur
comporte des fils conducteurs 51, 51' disposés sur un support, par exemple
sur la face avant 44 du circuit multicouche 43. Les fils 51, 51' comportent
chacun au moins deux éléments semi-conducteurs à deux états 521, 521',
522, 522', des diodes par exemple. L'exemple de réalisation de la figure 5 se
compose de deux fils conducteurs comportant chacun deux diodes en série,
câblés transversalement et reliés entre eux par un conducteur central de
commande 53. Les diodes étant disposées sur la face avant du circuit
multicouche, le conducteur central 53 est par exemple lui-même relié à un
trou métallisé 531 qui relie les fils conducteurs 51, 51' au circuit de
commande électronique disposés en face arrière 45 du circuit multicouche,
via les circuits d'interconnexion. Le conducteur central 53 est relié aux
quatre diodes 521, 521', 522, 522' du déphaseur, en étant câblé entre les
deux diodes de chacun des fils conducteurs 51. Les extrémités de ces
derniers sont par ailleurs reliées chacune à un conducteur de commande 54
relié par exemple lui-même à un trou métallisé 541 réalisé dans le circuit
multicouche 43. Les extrémité des fils conducteurs 51, 51' sont ainsi reliées
au circuit de commande électronique. L'état, passant ou bloqué, de chacune
des quatre diodes peut alors être commandé par le circuit électronique de
commande. Chacun des fils à diodes agit sur les seules ondes dont la
polarisation, c'est-à-dire le vecteur champ électrique, a une composante qui
lui est parallèle. Ainsi, la grille de rotation de polarisation 21 transforme par
exemple la polarisation circulaire droite en une polarisation linéaire parallèle
à un fil conducteur 51 alors qu'elle transforme la polarisation circulaire
gauche en une polarisation linéaire parallèle à l'autre fil conducteur 51', un fil
conducteur 51 étant par exemple parallèle à la direction Ox et l'autre fil
conducteur 51' étant par exemple parallèle à la direction Oy.Figure 5 shows, schematically, an example of
production of an
Il est souhaitable qu'une onde reçue par une cellule
élémentaire 10 ne se propage pas sur les autres cellules voisines. Pour
éviter une telle propagation, l'invention prévoit des zones de découplage 20
qui séparent les cellules 10. En particulier, en ce qui concerne une onde
hyperfréquence reçue par les cellules élémentaires 10, polarisée
linéairement et parallèlement à la direction Oy, il est souhaitable que cette
onde ne se propage pas d'une cellule à l'autre, dans la direction Ox. De
même, il est souhaitable qu'une onde reçue polarisée linéairement à la
direction Ox ne se propage pas d'une cellule à l'autre dans la direction Oy.It is desirable that a wave received by a cell
elementary 10 does not spread to other neighboring cells. For
avoid such propagation, the invention provides
La figure 6 présente un exemple de réalisation possible de ces
zones de découplage 20. Une zone de découplage 20 entourant une cellule
élémentaire comporte une bande conductrice 62. Pour des raisons
d'encombrement mais aussi afin de ne pas perturber le fonctionnement des
cellules, les conducteurs d'extrémité 54 qui relient les fils conducteurs au
circuit électronique de commande sont par exemple de préférence situés
dans la bande conductrice 62, sans toutefois être reliés électriquement à
cette dernière. A cet effet, il est prévu une interruption de la bande autour
des conducteurs d'extrémité 54.Figure 6 shows a possible embodiment of these
La bande conductrice 62 est par exemple réalisée par dépôt
métallique sur la face avant 44, entre les cellules, parallèlement aux
directions Ox et Oy. Cette bande 62 forme, avec le plan réflecteur 42 qui est
en dessous, un espace du type guide d'onde dont la largeur est la
distance d. Selon l'invention, on choisit la distance d pour qu'elle soit
inférieure à λ/2, sachant qu'une onde dont la polarisation est parallèle aux
bandes ne peut pas se propager dans un tel espace. En pratique, le
réflecteur selon l'invention fonctionne dans une certaine bande de
fréquences et on choisit d pour qu'elle soit inférieure à la plus petite des
longueurs d'onde des deux bandes. En outre, la bande 62 doit avoir une
largeur suffisante pour que l'effet décrit précédemment soit sensible. En
pratique, la largeur peut-être de l'ordre de λ/15.The
Par ailleurs, il peut être créé de façon parasite dans une cellule,
une onde dont la polarisation serait dirigée selon la direction Oz, normale
aux directions Ox et Oy. Il est également souhaitable d'éviter sa propagation
vers les cellules voisines. Pour cela, on peut utiliser comme représenté
figure 6 les trous métallisés 541 de connexion des conducteurs 54 au circuit
électronique de commande. En effet, ceux-ci étant parallèles à la
polarisation de l'onde parasite, ils sont équivalents à un plan conducteur
formant blindage s'ils sont suffisamment rapprochés (à une distance l'un de
l'autre très inférieure à la longueur d'onde de fonctionnement du réflecteur),
donc nombreux, pour les longueurs d'onde de fonctionnement du réflecteur.
Si cette condition n'est pas remplie, on peut bien entendu former des trous
métallisés supplémentaires 61, n'ayant pas de fonction de connexion. Si
ceux-ci débouchent dans la bande conductrice 62, ils sont alors sans contact
électrique avec cette dernière.Furthermore, it can be created parasitically in a cell,
a wave whose polarization would be directed in the direction Oz, normal
in directions Ox and Oy. It is also desirable to avoid its propagation
to neighboring cells. For this, we can use as shown
FIG. 6 the metallized holes 541 for connecting the
Pour décrire le fonctionnement d'une cellule, il est nécessaire de
considérer le circuit équivalent d'un déphaseur 10 tel que représenté par la
figure 7. Le circuit équivalent concerne un fil conducteur 51 et ses deux
diodes 521, 522, en fait ce qui correspond à un déphaseur, associé à une
polarisation donnée et donc à une bande de fréquence donnée. L'onde
hyperfréquence incidente, de polarisation linéaire et parallèle à Oy et aux fils
51 est reçue sur des bornes B1 et B2 et rencontre trois capacités Co, CI1, CI2
en série, connectées en parallèle sur les bornes B1 et B2. La capacité C0
représente la capacité linéique de découplage entre les conducteurs
d'extrémité 54 et la bande conductrice 62 de la zone de découplage 20. La
capacité CI1 est la capacité linéique entre le conducteur d'extrémité 54 relié à
la première diode 521 et le conducteur central 53. La capacité CI2 est la
capacité linéique entre le conducteur d'extrémité 54 relié à la deuxième
diode 522 et le conducteur central 53.To describe the operation of a cell, it is necessary to consider the equivalent circuit of a
Aux bornes de la capacité CI1 est connectée la première diode 521, également représentée par son schéma équivalent. Ce dernier est constitué d'une inductance L, inductance de la diode 521 compte tenu de son fil de connexion, en série avec :
- soit une capacité Ci1 (capacité de jonction de la diode) en série avec une résistance Ri1 (résistance inverse),
- soit une résistance Rd1 (résistance directe de la diode),
selon que la
diode 521 est en sens inverse ou direct, ce qui est symbolisépar un interrupteur 21.
- either a capacitance C i1 (diode junction capacitance) in series with a resistor R i1 (reverse resistance),
- or a resistor R d1 (direct resistance of the diode), depending on whether the
diode 521 is in the opposite or direct direction, which is symbolized by aswitch 2 1 .
De la même manière, aux bornes de la capacité CI2 est
connectée la deuxième diode 522 représentée par son schéma équivalent.
Ce dernier est analogue à celui de la première diode 521, ses composants
portant un indice 2.In the same way, at the terminals of the capacitor C I2 is connected the
La tension de sortie hyperfréquence est prise entre des bornes B3 et B4, bornes des capacités C0, CI1, et CI2.The microwave output voltage is taken between terminals B 3 and B 4 , terminals of the capacitors C 0 , C I1 , and C I2 .
Le fonctionnement du déphaseur 10 est expliqué ci-après en
considérant, dans une première étape, le comportement d'un tel circuit en
l'absence de la deuxième diode 522, ce qui revient sur le schéma équivalent
de la figure 7 à supprimer le 522 ainsi que la capacité CI2.The operation of the
Lorsque la première diode 521 est polarisée en direct, la
susceptance Bd1 du circuit de la figure 7 (modifié) s'écrit :
On choisit par exemple les paramètres du circuit pour avoir
Bd1 ≅ 0, c'est-à-dire que, en négligeant sa conductance, le circuit soit adapté
ou, en d'autres termes, qu'il soit transparent à l'onde hyperfréquence
incidente, n'introduisant ni réflexion parasite, ni déphasage (dϕd1 = 0). Plus
précisément, on choisit :
Lorsque la première diode est polarisée en inverse, la
susceptance Br1 du circuit s'écrit :
La capacité CI1 étant fixée précédemment, il apparaít qu'on peut
ajuster la valeur de la susceptance Br1 par action sur la valeur de la capacité
Ci, c'est-à-dire le choix de la diode 521.The capacitance C I1 being fixed previously, it appears that one can adjust the value of the susceptance B r1 by action on the value of the capacitance C i , that is to say the choice of the
Si maintenant, dans une deuxième étape, on prend en
considération l'existence de la deuxième diode 522, on voit que, par un
raisonnement analogue, on obtient deux autres valeurs distincts pour la
susceptance, selon que la diode 522 est polarisée en direct ou en inverse.If now, in a second step, we take into
considering the existence of the
Il apparaít ainsi qu'un déphaseur d'une cellule 10, ce déphaseur
correspondant à un fil conducteur 51, 51', peut présenter quatre valeurs
différentes pour sa susceptance BD (notées BD1, BD2, BD3 et BD4) selon la
commande (polarisation directe ou inverse) appliquée à chacune des diodes
521, 522. Ces valeurs sont fonction des paramètres du circuit de la figure 7,
c'est-à-dire des valeurs choisies pour les paramètres géométriques
(dimensions, formes et espacements des différentes surfaces conductrices)
et électriques (caractéristiques électriques des diodes) du déphaseur. En
particulier, il est nécessaire de tenir compte de la contrainte de définition de
la bande conductrice 62 évoquée précédemment lors de la détermination
des différents paramètres pour la fixation des déphasages dϕ1 - dϕ4 It thus appears that a phase shifter of a
Si, maintenant, on étudie le comportement de l'ensemble de la
cellule 10, c'est-à-dire le déphaseur en association avec le plan
conducteur 42, on doit tenir compte de la susceptance due à ce plan 42,
ramenée dans le plan du déphaseur et notée BCC, qui s'écrit:
La susceptance BC de la cellule est alors donnée par :
Il suit que la susceptance BC peut prendre quatre valeurs distinctes (notées BC1, BC2, BC3 ,et BC4) correspondant respectivement aux quatre valeurs de BD, la distance d représentant un paramètre supplémentaire pour la détermination des valeurs BC1 - BC4. It follows that susceptance B C can take four distinct values (denoted B C1 , B C2 , B C3 , and B C4 ) corresponding respectively to the four values of B D , the distance d representing an additional parameter for the determination of the values B C1 - B C4 .
On sait par ailleurs que le déphasage (dϕ) imprimé par une
admittance (Y) à une onde hyperfréquence est de la forme :
Il apparaít ainsi que, en négligeant la partie réelle de l'admittance
d'une cellule, on a:
Il est à noter qu'on a décrit ci-dessus le cas dans lequel on choisit les paramètres du circuit pour que les susceptances nulles (ou sensiblement nulles) soient telles qu'elles correspondent aux diodes polarisées dans le sens direct, mais qu'on peut bien entendu choisir un fonctionnement symétrique dans lequel les paramètres sont déterminés pour annuler sensiblement les susceptances Br ; plus généralement, il n'est pas nécessaire que l'une des susceptances Bd ou Br soit nulle, ces valeurs étant déterminées pour que la condition d'équirépartition des déphasages dϕ1-dϕ4 soit remplie.It should be noted that the case has been described above in which the parameters of the circuit are chosen so that the zero (or substantially zero) susceptances are such that they correspond to the diodes polarized in the direct direction, but that can of course choose a symmetrical operation in which the parameters are determined to substantially cancel the susceptances B r ; more generally, it is not necessary that one of the susceptances B d or B r is zero, these values being determined so that the condition of equal distribution of the phase shifts d ϕ1 -d ϕ4 is fulfilled.
Le fonctionnement d'une cellule élémentaire selon son deuxième
fil conducteur 51' peut être décrit de façon analogue, pour les ondes émise
par la deuxième source, par exemple SG, dans une autre bande de
fréquence. Ainsi, selon l'invention, le réseau actif 4 est éclairé par deux
sources SD, SG émettant respectivement en polarisation circulaire droite et
gauche et dans deux bandes de fréquences différentes, la grille de rotation
de polarisation 21 transformant ces deux polarisations circulaires en deux
polarisations linéaires croisées permettant aux cellules du réseau actif 4
d'agir indépendamment sur deux polarisations et dans des bandes de
fréquences différentes. Une cellule élémentaire 10 comporte en fait deux
déphaseurs transversaux, de préférence commandables, le premier
déphaseur 51, 521, 522 agissant sur les ondes d'une polarisation linéaire et
le deuxième déphaseur 51', 521', 522' agissant sur les ondes de l'autre
polarisation linéaire. En particulier, pour agir sur une onde de polarisation
donnée, un déphaseur, et donc son fil conducteur, est sensiblement parallèle
à la direction de cette polarisation. A cet effet, la grille de rotation de
polarisation 21 est disposée de telle façon que les polarisations linéaires
obtenues à partir des polarisations circulaires sont bien sensiblement
paralléles aux déphaseurs les concernant.The operation of an elementary cell along its
Après réflexion et déphasage sur le réflecteur actif 4, les ondes
traversent de nouveau la grille de rotation de polarisation 21. Les
polarisations linéaires croisées redeviennent alors des polarisations
circulaires gauche et droite, une polarisation verticale étant par exemple
transformée en une polarisation circulaire droite et une polarisation
horizontale étant par exemple transformée en une polarisation circulaire
gauche. La grille de rotation de polarisation peut être un rotateur de
polarisation quelconque, en particulier, elle peut être une grille à méandre ou
une grille à fils.After reflection and phase shift on the active reflector 4, the waves
again cross the
L'invention permet avantageusement de fonctionner sur deux bandes de fréquences et de régler les déphasages des ondes réfléchies par le réseau actif, indépendamment d'une bande à l'autre. Sachant que ces déphasages déterminent la direction des faisceaux émis par l'antenne, il est donc aisé et rapide de changer la direction du faisceau pour les deux bandes de fréquences. Cela est particulièrement bien adapté pour suivre des satellites à défilement disposés autour de la Terre utilisés notamment pour toutes sortes d'applications multimédia. Enfin, une antenne selon l'invention est bien adapté pour une utilisation de masse, c'est-à-dire destinée à un large public, dans la mesure où elle peut être réalisée à faible coût. En effet, elle ne comporte pas de composants coûteux ou complexes à mettre en oeuvre. En particulier, le réseau actif, constitué d'un circuit imprimé multicouche avec des composants disposés sur ces faces avant et arrière n'est pas de réalisation coûteuse. De plus, il est parfaitement adapté à une réalisation de grande série. Enfin, la grille de rotation de polarisation, utilisée dans le cas notamment où les sources élémentaires sont à polarisations circulaires comme c'est le cas par exemple pour des applications multimédia, est elle aussi bon marché.The invention advantageously makes it possible to operate on two frequency bands and adjust the phase shifts of the waves reflected by the active network, independently from one band to another. Knowing that these phase shifts determine the direction of the beams emitted by the antenna, it is so easy and quick to change the direction of the beam for the two bands frequencies. This is particularly well suited for tracking traveling satellites arranged around the Earth used in particular for all kinds of multimedia applications. Finally, an antenna according to the invention is well suited for mass use, i.e. intended for a large audience, insofar as it can be carried out at low cost. Indeed, it does not contain expensive or complex components to install artwork. In particular, the active network, consisting of a printed circuit multilayer with components arranged on these front and rear faces is not expensive. In addition, it is perfectly suited to a production of large series. Finally, the polarization rotation grid, used in the case in particular where the elementary sources are polarized circular as is the case for example for applications multimedia is also inexpensive.
Claims (10)
- Electronic scanning antenna, comprising at least two microwave sources (SD, SG) transmitting in different frequency bands, an active reflecting array (4) comprising elementary cells (10) illuminated by the sources (SD, SG), characterized in that the waves from the two microwave sources have crossed polarizations, an elementary cell (10) comprising a conducting plane (42) and two transverse phase shifters, the first phase shifter (51, 521, 522) being substantially parallel to one linear polarization and the second phase shifter (51', 521', 522') being substantially parallel to the other linear polarization, the conducting plane (42) being placed substantially parallel to the phase shifters, a phase shifter comprising at least one dielectric support (43), at least one conducting wire (51) placed on the support and bearing at least two semiconducting elements (521, 522) with two states, the wire being connected to control conductors (53,54) of the semiconducting elements connected to an electronic control circuit, the characteristics of the cell being such that a given phase shift value (dϕ1, dϕ2, dϕ3, dϕ4) of the electromagnetic wave reflected by the cell (10) whose polarization is substantially parallel to the conducting wire (51), corresponds to each of the states of the semiconducting elements.
- Antenna according to Claim 1, characterized in that since one of the control conductors (53) is central and each phase shifter comprises two semiconducting elements, the central conductor (53) is connected to the four semiconducting elements.
- Antenna according to either of the preceding claims, characterized in that the elementary cells (10) are separated by microwave decoupling regions (20), a decoupling region comprising a conducting band (62) surrounding a cell substantially parallel to the polarization directions and forming, with the conducting plane (42), a guided space where a wave of the two frequency bands cannot be propagated.
- Antenna according to any one of the preceding claims, characterized in that since the support (43) is of the multilayer printed circuit type, a first face (44) of which bears the microwave circuits, a first interlayer bears the conducting plane (42) and the second face (45) bears components (46) of the electronic control circuit.
- Antenna according to Claim 4, characterized in that the dielectric support (43) comprises in addition at least a second interlayer (47) bearing interconnections of the electronic control circuit.
- Antenna according to either of Claims 4 and 5, characterized in that the microwave decoupling region (20) comprises plated-through holes (541, 61), made in the dielectric support (43) at a distance one from the other of less than the electromagnetic wavelength.
- Antenna according to Claim 6, characterized in that some of the plated-through holes (541) provide the connection between the control circuit and control conductors (54).
- Antenna according to either of Claims 6 and 7, characterized in that the plated-through holes (541, 61) are made in the conducting band (62) but without electrical contact with the latter.
- Antenna according to any one of the preceding claims, characterized in that the semiconducting elements are diodes.
- Antenna according to any one of the preceding claims, characterized in that the sources have opposite circular polarizations, it comprises a polarization rotator (21) inserted between the reflecting array (4) and the sources, changing the circular polarizations into two crossed linear polarizations.
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