EP1234356B1

EP1234356B1 - Reflecteur hyperfrequence actif a balayage electronique

Info

Publication number: EP1234356B1
Application number: EP00988873A
Authority: EP
Inventors: Claude Thales Intell. Prop. CHEKROUN; Jean-Paul Thales Intell.Prop. LARGENT
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1999-11-26
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2020-11-24
Also published as: FR2801729A1; US6670928B1; ATE352883T1; JP2004508738A; WO2001039325A1; DE60033173D1; FR2801729B1; AU2522501A; EP1234356A1; DE60033173T2

Description

La présente invention concerne un réflecteur hyperfréquence actif à balayage électronique, susceptible d'être illuminé par une source d'onde hyperfréquence pour former une antenne.
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 de 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 de masse 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.
Les déphasages appliqués par les cellules élémentaires varient de façon discrète. Les déphasages étant équirépartis, ils sont commandés de façon numérique en fonction d'un nombre de bits. Si on note N ce nombre, le pas de déphasage est alors à 2π/2^N. La précision d'un déphasage est donc égale au mieux à un pas de déphasage. Le manque de précision entraîne certains inconvénients, en particulier elle entraîne l'existence de lobes secondaires relativement élevés et une mauvaise précision de pointage de l'antenne.
Des demandes de brevet FR-A-2 708 808 et FR-A-2 747 842 décrivent des réseaux de déphasage actifs.
Un but de l'invention est notamment de pallier les inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet un réflecteur hyperfréquence actif, susceptible de recevoir une onde électromagnétique polarisée linéairement selon une première direction donnée Oy. Le réflecteur selon l'invention comporte un ensemble de cellules élémentaires disposées l'une à côté de l'autre sur une surface, chaque cellule comportant un circuit hyperfréquence déphaseur et un plan conducteur disposé sensiblement parallèle au circuit hyperfréquence, le circuit déphaseur comportant au moins deux demi-déphaseurs. Un demi-déphaseur comporte au moins un support diélectrique, au moins deux fils électriquement conducteurs sensiblement parallèles à la direction donnée Oy, disposés sur le support et portant au moins chacun un élément semi-conducteur à deux états, chaque fil étant connecté à des conducteurs de commande des éléments semi-conducteurs, ces conducteurs étant sensiblement normaux aux fils, et deux zones conductrices disposées vers la périphérie de la cellule, sensiblement parallèlement aux conducteurs de commande. Les conducteurs de commande sont au moins au nombre de trois dans chaque demi-déphaseur et sont isolés électriquement d'un demi-déphaseur à l'autre pour commander l'état de tous les éléments semi-conducteurs indépendamment l'un de l'autre. Les caractéristiques géométriques et électriques des demi-déphaseurs sont telles qu'à chacun des états des éléments semi-conducteurs correspond une valeur de déphasage donnée (dϕ₁, ...dϕ₈) de l'onde électromagnétique qui est réfléchie par la cellule. Le réflecteur comportant en outre un circuit électronique de commande (36) de l'état des éléments semi-conducteurs.
L'invention concerne également une antenne munie d'un tel réflecteur.
L'invention a pour principaux avantages qu'elle permet de réaliser un réflecteur de faible encombrement et de faible poids, qu'elle s'adapte à de nombreux types d'antennes, qu'elle améliore les échanges thermiques entre les circuits du réflecteur et l'extérieur, qu'elle permet une grande fiabilité et qu'elle est économique.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent :

la figure 1, un exemple d'antenne à balayage électronique à réflecteur hyperfréquence actif en regard d'un système d'axes orthogonaux Ox,y,z;
la figure 2, une vue partielle de la face avant d'un exemple de réseau réflecteur actif selon l'invention;
la figure 3, une vue partielle en coupe d'un exemple d'un réflecteur selon l'invention;
la figure 4, un premier exemple de réalisation d'une cellule élémentaire d'un réflecteur selon l'invention ;
la figure 5, un schéma électrique équivalent d'un demi-déphaseur compris dans la cellule précitée ;
la figure 6, un schéma électrique équivalent de la cellule;
la figure 7, un deuxième exemple de réalisation possible d'un réflecteur selon l'invention ;
la figure 8, un autre exemple de réalisation d'un réflecteur selon l'invention comportant une grille disposée sur sa face avant.

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'elles 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. Eventuellement, le réflecteur peut être éclairé par plus d'une source. II peut notamment être éclairé par deux sources élémentaires, ayant par exemple des polarisations circulaires inverses.
La figure 2 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, utilisées 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 apparaîtra par la suite, le circuit hyperfréquence comporte deux déphaseurs transversaux, dédiés chacun à une polarisation linéaire.
La figure 3 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 31 réparti dans les cellules élémentaires 10 et d'un plan conducteur 32, disposé sensiblement parallèlement au circuit hyperfréquence 31, à une distance d prédéfinie. Ce circuit hyperfréquence reçoit les ondes incidentes émises par la source primaire 1.
Le plan conducteur 32 a notamment pour fonction de réfléchir les ondes hyperfréquences. II peut être constitué par tout moyen connu, par exemple des fils parallèles ou un grillage, suffisamment serrés, ou un plan continu. Le circuit hyperfréquence 31 et le plan conducteur 32 sont de préférence réalisés sur deux faces d'un support diélectrique 33, par exemple du type circuit imprimé. Le réflecteur 4 comporte encore, de préférence sur le même circuit imprimé 33, qui est alors un circuit multicouche, le circuit électronique nécessaire à la commande des valeurs de phase. Sur la figure 3. on a représenté un circuit multicouche dont la face avant 34 porte le circuit hyperfréquence 31, la face arrière 35 porte des composants 36 du circuit électronique de commande précité, et les couches intermédiaires forment le plan conducteur 32 et par exemple deux plans 37 d'interconnexions des composants 36 au circuit hyperfréquence 31.
La figure 4 présente par une vue de dessus un exemple de réalisation possible du circuit hyperfréquence 31 d'un réflecteur selon l'invention. Plus particulièrement, la figure 4 illustre un déphaseur élémentaire 31 du circuit hyperfréquence. Chaque déphaseur est séparé d'un autre déphaseur par une zone de découplage 20 comportant par exemple une bande conductrice 48 parallèle à la direction Oy et une bande conductrice 49 parallèle à la direction Ox. II comporte donc par exemple à sa péripherie deux bandes conductrices 48 dans la direction Oy et deux bandes conductrices dans la direction Ox. Chaque déphaseur élémentaire 31, associé avec la partie correspondante du plan conducteur 32 forme une cellule élémentaire 10 de la figure 2.
Le circuit hyperfréquence d'un déphaseur 31 comporte plusieurs fils conducteurs 42 sensiblement parallèles à la direction Oy et portant chacun un élément semi-conducteur à deux états D1, D2, par exemple une diode. Le circuit déphaseur comporte par ailleurs des zones conductrices reliant les diodes à des potentiels de référence et des circuits de commande. Plus particulièrement, un déphaseur élémentaire 31 est constitué de deux circuits 50 appelés par la suite demi-déphaseur. On décrit donc dans un premier temps un demi-déphaseur.
Un demi-déphaseur 50 comporte un support diélectrique 33, deux fils 42 portant chacun une diode D1, D2. Les deux fils sont reliés au potentiel de masse, ou à tout autre potentiel de référence, par l'intermédiaire d'une ligne conductrice 43. Cette ligne 43 est par exemple du type microruban réalisée par dépôt métallique sur la face avant du support diélectrique 33, par exemple par une technique de sérigraphie. Les diodes D1 et D2 sont ainsi câblées en opposition de sorte que par exemple leurs anodes soient reliées au potentiel de masse par cette ligne 43. A cet effet, cette dernière est par exemple reliée à une bande conductrice 48 des moyens de découplage 20. La tension d'alimentation des diodes D1 et D2 est amenée par des conducteurs de commande 44. L'anode des diodes étant reliée au potentiel de masse, les conducteurs de commande sont alors reliés à la cathode des diodes. La tension d'alimentation amenée par ces conducteurs est par exemple de l'ordre de -15 volts. Les conducteurs de commande sont commandés de façon à présenter au moins deux états de tension. Dans un premier état, leur tension est par exemple à la tension d'alimentation, ce qui rend la diode passante, ou en d'autres termes polarisée en direct. Dans un deuxième état, leur tension est telle que la diode est bloquée, ou en d'autres termes polarisée en inverse. Les commandes des deux conducteurs de commande 44, 45 sont indépendantes l'une de l'autre de façon à assurer la commandes des diodes indépendamment l'une de l'autre. Les conducteurs de commande 44, 45 et le conducteur relié de masse 43 sont sensiblement parallèles à la direction Ox et donc perpendiculaires aux fils 42. Sur la figure 4 le conducteur de masse est commun aux deux fils notamment pour des gains d'encombrement et de matière, on pourrait cependant prévoir un conducteur spécifique pour chaque fil. On pourrait par ailleurs prévoir de relier non pas directement ces conducteurs directement à un potentiel de référence mais par l'intermédiaire d'un circuit de commande.
Les conducteurs de commande 44, 45 sont reliés au circuit électronique de commande porté par le réflecteur, par l'intermédiaire de trous métallisés 46 réalisés par exemple au niveau de la zone de découplage 20, notamment pour des raisons d'encombrement, mais aussi pour ne pas perturber le fonctionnement des cellules élémentaires. Les trous métallisés 46 sont bien sûr isolés électriquement des bandes conductrices de la zone de découplage. A cet effet, il est prévu une interruption de la bande 20 autour des extrémités des conducteurs de commande directement reliées aux trous métallisés 46.
Pour décrire le fonctionnement d'un demi-déphaseur 50, il est nécessaire de considérer son circuit équivalent tel que représenté par la figure 5. Le circuit équivalent concerne les fils conducteurs 42 et les deux diodes D1, D2, en fait ce qui correspond à un demi-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 42 est reçue sur des bornes B₁ et B₂ et rencontre trois capacités C_O, C_I1, C_I2 en série, connectées en parallèle sur les bornes B₁ et B₂. La capacité C_O représente la capacité linéique de découplage entre les conducteurs de commande 44 et la bande conductrice de la zone de découplage 20. La capacité C_I1 est la capacité linéique entre le conducteur de commande 44 relié à la première diode D1 et le conducteur de masse 43. La capacité C_I2 est la capacité linéique entre le conducteur de commande 45 relié à la deuxième diode D2 et le conducteur central 43.
Aux bornes de la capacité C_I1 est connectée la première diode D1, également représentée par son schéma équivalent. Ce dernier est constitué d'une inductance L₁, inductance de la diode D1 compte tenu de son fil 42 de connexion, en série avec :

soit une capacité C_i1 (capacité de jonction de la diode) en série avec une résistance R_i1 (résistance inverse),
soit une résistance R_d1 (résistance directe de la diode), selon que la diode D1 est en sens inverse ou direct, ce qui est symbolisé par un interrupteur 2₁.

De la même manière, aux bornes de la capacité C_I2 est connectée la deuxième diode D2 représentée par son schéma équivalent. Ce dernier est analogue à celui de la première diode D1, ses composants portant un indice 2.
La tension de sortie hyperfréquence est prise entre des bornes B₃ et B₄, bornes des capacités C₀, C_I1, et C_I2.
Le fonctionnement du demi-déphaseur 50 est expliqué ci-après en considérant, dans une première étape, le comportement d'un tel circuit en l'absence de la deuxième diode D2, ce qui revient sur le schéma équivalent de la figure 5 à supprimer le D2 ainsi que la capacité C_I2.
Lorsque la première diode D1 est polarisée en direct, la susceptance B_d1 du circuit de la figure 5 (modifié) s'écrit : $B_{di} = Z . C_{0} . ω . \frac{1 - L_{1} C_{11} ω^{2}}{L_{1} C_{n} ω^{2} + L_{1} C_{0} ω^{2} - 1}$

où Z est l'impédance de l'onde incidente et ω est la pulsation correspondant à la fréquence centrale d'une des deux bandes de fonctionnement de l'antenne.
On choisit par exemple les paramètres du circuit pour avoir B_d1 ≅ 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 (dφ_d1 = 0). Plus précisément, on choisit : $L_{1} C_{11} ω^{2} = 1$
ce qui conduit à B_d1 ≅ 0, quelle que soit notamment la valeur de la capacité C_i1.
Lorsque la première diode D1 est polarisée en inverse, la susceptance B_r1 du circuit s'écrit : $B_{rl} = Z . C_{0} . ω . \frac{1 - L_{1} C_{11} ω^{2} + (C_{11} / Ci)}{L_{1} C_{11} ω^{2} + L_{1} C_{0} ω^{2} - 1 + \frac{C_{0} + C_{11}}{Ci}}$
La capacité C_I1 étant fixée précédemment, il apparaît qu'on peut ajuster la valeur de la susceptance B_r1 par action sur la valeur de la capacité C_i, c'est-à-dire le choix de la diode D1.
Si maintenant, dans une deuxième étape, on prend en considération l'existence de la deuxième diode D2, on voit que, par un raisonnement analogue, on obtient deux autres valeurs distinctes pour la susceptance, selon que la diode D2 est polarisée en direct ou en inverse.
Il apparaît ainsi qu'un demi-déphaseur peut présenter quatre valeurs différentes pour sa susceptance B_D, ces valeurs étant notées B_D1, B_D2, B_D3 et B_D4, selon la commande (polarisation directe ou inverse) appliquée à chacune des diodes D1, D2., Les valeurs des susceptances B_D1, B_D2, B_D3 et B_D4 sont fonction des paramètres du circuit de la figure 5, c'est-à-dire des valeurs choisies pour les paramètres géométriques, notamment en ce qui concerne les dimensions, formes et espacements des différentes surfaces conductrices 43, 44, 45, et électriques du déphaseur, notamment en ce qui concerne les caractéristiques électriques des diodes. En particulier, il est nécessaire de tenir compte de la contrainte de définition de la bande conductrice de la zone de découplage 20 évoquée précédemment lors de la détermination des différents paramètres pour la fixation des déphasages dϕ₁ - dϕ₄.
Si, maintenant, on étudie le comportement de l'ensemble du demi-déphaseur 50 en association avec le plan conducteur 32, on doit tenir compte de la susceptance due à ce plan 32, ramenée dans le plan du demi-déphaseur et notée B_CC, qui s'écrit : $B_{cc} = - cotg \frac{2 πd}{λ}$

où λ est la longueur d'onde correspondant à la pulsation ω précédente.
La susceptance B_C de la cellule est alors donnée par : $B_{C} = B_{D} + B_{CC}$
Il suit que la susceptance B_C peut prendre quatre valeurs distinctes (notées B_C1, B_C2, B_C3, et B_C4) correspondant respectivement aux quatre valeurs de B_D, la distance d représentant un paramètre supplémentaire pour la détermination des valeurs 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 : $dϕ = 2 arctg Y$
II apparaît ainsi que, en négligeant la partie réelle de l'admittance d'une cellule, on a : $dϕ ≅ 2 {arctg B}_{C}$

et qu'on obtient quatre valeurs possibles dϕ₁ - dϕ₄ de déphasage par demi-déphaseur 50, selon la commande appliquée à chacune des diodes D₁ et D₂. Les différents paramètres sont choisis pour que les quatre valeurs dϕ₁ - dϕ₄ soient équiréparties, par exemple mais non obligatoirement : 0, 90°, 180°, 270°. Ces quatre états correspondent à une commande numérique codée sur deux bits.
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 B_r ; plus généralement, il n'est pas nécessaire que l'une des susceptances B_d ou B_r soit nulle, ces valeurs étant déterminées pour que la condition d'équirépartition des déphasages dϕ₁-dϕ₄ soit remplie.
Pour montrer comment une cellule élémentaire 10 permet huit déphasages possibles, c'est-à-dire une commande des déphasages sur trois bits, on considère maintenant l'ensemble de deux demi-déphaseurs 50. En faisant fonctionner les deux demi-déphaseurs 50 indépendamment l'un de l'autre, on peut obtenir deux fois plus d'états, c'est-à-dire de déphasages, que dans le cas d'un seul demi-déphaseur. Il faut néanmoins pour cela prévoir une isolation électrique entre les deux demi-déphaseurs. Ces deux derniers étant par exemple juxtaposés, les conducteurs de commande 44, 45 sont isolés par exemple par une ligne 47 de diélectrique, correspondant en fait à une ligne de coupure dans la métallisation des conducteurs 44, 45. Cette première isolation permet en fait une isolation des commandes électriques des diodes.
La figure 6 présente un schéma équivalent de l'ensemble du déphaseur constitué des deux demi-déphaseurs tels que précédemment décrits. On peut considérer que les schémas équivalents des deux demi-déphaseurs 50 tels que présentés par la figure 5 fonctionne en parallèle. En effet, les liaisons capacitives entre les conducteurs de commande 44 des diodes D1 et entre les conducteurs de commande 45 des diodes D2 peuvent être assimilées à des courts-circuits hyperfréquence. On peut jouer sur la longueur et la largeur de la ligne d'isolation 47 pour obtenir une valeur de capacité entre les conducteurs qui permette d'assimiler la liaison capacitive à un court-circuit. Pour des circuits en parallèle, les susceptances s'ajoutent. Dès lors, aux quatre valeurs de susceptances B_D1, B_D2, B_D3, B_D4 obtenue par l'influence d'un demi-déphaseur, on obtient donc quatre nouvelle valeurs B'_D1, B'_D2, B'_D3, B'_D4 obtenues par l'influence du deuxième déphaseur.
Les paramètres géométriques et électriques du déphaseur sont par exemple définis pour obtenir huit déphasages équirépartis entre 0° et 360°.
Les paramètres géométriques qui concernent notamment les dimensions, les formes et les espacements des différentes surfaces conductrices 44, 45, 33 jouent sur les valeurs des capacités et inductances du schéma équivalent des figures 5 et 6, reprises dans les relations (1) et (2). En fonction des déphasages souhaités, on définit des valeurs de susceptance B_C et donc des valeurs de susceptance B_D selon les relations (3) et (4), la distance d étant connue. Les valeurs des susceptances B_D étant imposées, on en déduit alors les valeurs des paramètres des relations (1) et (2). Les paramètres géométriques et électriques du déphaseur peuvent ensuite être obtenus par des moyens de simulation classique. La figure 4 montre que les surfaces conductrices 44, 45, 43 ont des formes particulières. Les conducteurs de commande 44, 45 présentent notamment des surfaces crénelées. Ces surfaces correspondent à des valeurs de déphasages préalablement définis.
Un déphaseur tel qu'illustré par la figure 4 est simple à mettre en oeuvre, il permet en effet d'obtenir huit déphasages en jouant simplement sur des paramètres géométriques de conducteurs et sur le choix de diodes. Le circuit imprimé supportant les circuits hyperfréquence et les circuits électroniques de commande est par ailleurs peu épais. Un tel circuit peut être obtenu de façon économique et le réflecteur peut donc être extrêmement plat, et donc de faible poids.
Comme il a été indiqué précédemment, un réflecteur actif selon l'invention comporte des moyens de découplage 20 entre les cellules 10. L'onde hyperfréquence reçue par les cellules est polarisée linéairement, parallèlement à la direction Oy. II est souhaitable que cette onde ne se propage pas d'une cellule à l'autre, dans la direction Ox. Pour éviter une telle propagation les moyens de découplage comportent au moins la zone conductrice 48. On prévoit donc de disposer cette zone conductrice 48 sensiblement en forme de bande, réalisée par dépôt métallique sur la surface 34 par exemple, entre les cellules, parallèlement à la direction Oy. Cette bande 48 forme, avec le plan réflecteur 32 qui est en dessous, un espace du type guide d'onde dont la largeur est la distance d. On choisit la distance d pour qu'elle soit inférieure à λ/2, λ étant la longueur de l'onde hyperfréquence, 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 de la bande. Bien entendu, il est nécessaire de tenir compte de cette contrainte lors de la détermination des différents paramètres pour la fixation des déphasages dϕ₁, ... dϕ₈. En outre, la bande 48 doit avoir une largeur, selon la direction Ox, suffisante pour que l'effet décrit précédemment soit sensible. En pratique, la largeur peut être de l'ordre de λ/5.
Par ailleurs, il peut être créé de façon parasite dans une cellule, une onde dont la polarisation serait dirigée selon la direction Oz, perpendiculaire au plan formé par les directions Ox et Oy. II est également souhaitable d'éviter sa propagation vers les cellules voisines.
Pour ce qui est des cellules voisines dans la direction Ox, on peut utiliser comme représenté sur la figure 4 les trous métallisés 46 de connexion des conducteurs de commande aux circuits électroniques. 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 former des trous métallisés supplémentaires, n'ayant pas de fonction de connexion. Il est à noter que les trous métallisés de connexion 46 sont de préférence réalisés au niveau des bandes 48 afin de ne pas perturber le fonctionnement des cellules. Cette disposition apporte par ailleurs un gain d'encombrement.
Enfin, pour ce qui est des cellules voisines dans la direction Oy, on peut utiliser des trous métallisés 40 analogues aux trous de connexion 46 mais alignés selon la direction Ox débouchant dans la bande conductrice 49. Ces trous métallisés 40 comme les trous métallisés de connexion 46 sont réalisés selon une direction Oz sensiblement perpendiculaire au plan Oxy. On peut encore prévoir par exemple une surface conductrice continue dans le plan xOz.
La figure 7 illustre un déphaseur selon l'invention permettant de commander les déphasages sur 4 bits, donc sur un bit supplémentaire par rapport au déphaseur illustré par la figure 4. Le déphaseur comporte toujours deux demi-déphaseurs 50 réalisés comme décrit précédemment. Cependant, les deux demi-déphaseurs ne sont plus séparés par une ligne 47 isolant les commandes des diodes, mais par deux zones conductrices 71, 72 reliée par une diode D3, ou tous autres semi-conducteurs à deux états. Ces deux zones 71, 72 sont par exemple réalisées par dépôt métallique sur la face avant 34 du diélectrique. Ces zones forment des conducteurs de commande de la diode D3. A cet effet, une zone conductrice 71 est par exemple reliée aux circuits électroniques de commande par un trou métallisé 46. Selon l'état de la commande électronique, cette zone 71 se trouve à un potentiel d'alimentation, par exemple -15 volts ou à un autre potentiel, par exemple le potentiel de masse. L'autre zone conductrice 72 est par exemple reliée au potentiel de masse. A cet effet, elle est par exemple reliée à la bande conductrice 48 parallèle à la direction Oy des moyens de découplage 20.
Lorsque la zone conductrice 71 est commandée pour être au potentiel de masse, ou plus généralement pour rendre la diode D3 bloquée, c'est-à-dire en polarisation inverse, le déphaseur est analogue à celui de la figure 4, il présente dans cet état huit déphasages possibles. II est bien sûr nécessaire de redéfinir ses paramètres géométriques et électriques en raison de l'introduction des zones supplémentaires 71, 72. Lorsque la zone conductrice 71 présente un potentiel qui rend la diode D3 passante, c'est-à-dire en polarisation directe, les paramètres électriques du déphaseur se trouvent modifiées par rapport à l'état précédent. En particulier, la capacité formée de l'espace entre les deux zones conductrices 71, 72 devient court-circuitée par les diodes D3. Les huit susceptances possibles de l'état précédent, commandées sur trois bits, sont alors modifiées par la mise en conduction de la diode D3. Les huit nouvelles susceptances ainsi obtenues permettent d'obtenir huit déphasages supplémentaires. Au total seize déphasages sont donc possibles. Les caractéristiques géométriques et électriques des deux demi-déphaseurs 50 mais aussi des zones conductrices supplémentaires 71, 72 et de leur diode D3 doivent être définis de façon à obtenir les seize déphasages souhaités pour chacun des états des diodes.
La figure 8 illustre une variante de réalisation possible d'un réflecteur selon l'invention, les cellules élémentaires 10 étant par exemple du type de celle présentée par les figures 4 ou 7. Dans ce mode de réalisation, une grille métallique est placée sur la face avant du réflecteur, c'est-à-dire la face qui est en regard de la source hyperfréquence 1. Cette grille est formée de mailles 81 ayant chacune la surface d'une cellule élémentaire, plus particulièrement la base d'une maille entoure une cellule. La grille a par ailleurs une épaisseur e_G.
Pour illustrer la disposition de cette grille par rapport aux cellules élémentaires 10 du réflecteur, la figure 8 présente en perspective une seule cellule élémentaire. La grille est formée de mailles dont les parois 82 s'étendent dans la direction Oz, sensiblement en vis-à-vis des bandes conductrices 48, 49 des moyens de découplage 20. En particulier la base de la grille est en contact avec ces bandes 48, 49 et notamment avec les trous métallisés 40, 46 qu'elles comportent. L'épaisseur eG de la grille, qui correspond en fait à la longueur des parois 82 est par exemple de l'ordre du centimètre, de préférence de l'ordre du demi-centimètre. La relative faible épaisseur de la grille permet donc de conserver un réflecteur très plat, et donc de faible poids.
Cette grille métallique permet de découpler la fonction de déphasage de la fonction de rayonnement, et permet de maîtriser les coefficients de couplage actifs en les rendant indépendants de la loi de pointage de l'antenne et ainsi permet d'annuler les lobes de rayonnement parasite tels que le lobe image et les lobes de magicité.
Par ailleurs, la grille métallique, qui est notamment au contact des trous métallisés, permet un meilleur échange thermique entre les circuits du réflecteur et l'extérieur grâce à une plus grande surface d'échange. La fiabilité du réflecteur est donc augmentée.
Un réseau réflecteur actif selon l'invention peut être utilisé pour de nombreux types d'antennes. Il peut notamment être utilisé pour des antennes de communication spatiales grâce à son faible poids ou encore être utilisé pour des antennes de radar météorologiques grâce à son faible coût. Enfin, il peut être utilisé pour tous types d'antennes à réflecteur d'applications nécessitant une bonne précision de pointage et un faible niveau de lobes secondaires.

Claims

Réflecteur hyperfréquence actif, susceptible de recevoir une onde électromagnétique (3) polarisée linéairement selon une première direction donnée (Oy), comportant un ensemble de cellules élémentaires (10) disposées l'une à côté de l'autre sur une surface,
chaque cellule comportant un circuit hyperfréquence déphaseur (31) et un plan conducteur (32) disposé sensiblement parallèle au circuit hyperfréquence, caractérisé en ce que le circuit déphaseur (31) comporte au moins deux demi-déphaseurs (50)
un demi-déphaseur (50) comportant au moins un support diélectrique (33), au moins deux fils électriquement conducteurs (42) sensiblement parallèles à la direction donnée (Oy), disposés sur le support et portant au moins chacun un élément semi-conducteur à deux états (D1, D2), chaque fil étant connecté à des conducteurs de commande (43, 44, 45) des éléments semi-conducteurs, ces conducteurs étant sensiblement normaux aux fils, et deux zones conductrices (49) disposées vers la périphérie de la cellule, sensiblement parallèlement aux conducteurs de commande,
les conducteurs de commande étant isolés électriquement d'un demi-déphaseur à l'autre pour commander l'état de tous les éléments semi-conducteurs indépendamment l'un de l'autre,
les formes et les espacements des surfaces des conducteurs de commande (43, 44, 45), et les caractéristiques électriques des semi-conducteurs étant telles qu'à chacun des états des éléments semi-conducteurs correspond une valeur de déphasage donnée (dϕ₁, ...dϕ₈) de l'onde électromagnétique qui est réfléchie par la cellule,
le réflecteur comportant une grille métallique formée de mailles (81) dont les parois (82) s'étendent dans la direction (Oz) perpendiculaire au plan du réflecteur, la base d'une maille entourant une cellule (10).
Réflecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une bande conductrice (48) disposée entre chaque cellule, parallèlement à la direction donnée (Oy), formant avec le plan conducteur un espace guidé où l'onde ne peut pas se propager, la base de la grille étant en contact avec cette bande (48).
Réflecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux déphaseurs sont séparés par deux zones conductrices (71, 72) reliées par un élément semi-conducteur à deux états (D3), au moins une des zones (71) étant reliée à un circuit de commande électronique (36) pour commander l'état du semi-conducteur, les caractéristiques géométriques et électriques des demi-déphaseurs et des zones conductrices (71, 72) et de leurs éléments semi-conducteurs étant telles qu'à chacun des états des éléments semi-conducteurs correspond une valeur de déphasage donnée (dϕ₁, ...dϕ₁₆) de l'onde électromagnétique qui est réfléchie par la cellule.
Réflecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support diélectrique (33) est du type circuit imprimé multicouche dont une première face (34) porte le circuit hyperfréquence, une première couche intermédiaire porte le plan conducteur (32) et la deuxième face (35) porte des composants du circuit de commande.
Réflecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le support diélectrique (33) comporte en outre au moins une deuxième couche intermédiaire (37) portant des interconnexions du circuit de commande.
Réflecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des trous métallisés (40, 46) réalisés dans le support diélectrique (33), dans la direction (Oz) perpendiculaire au plan (Oxy) du réflecteur, à une distance l'un de l'autre très inférieure à la longueur d'onde électromagnétique, certains au moins de ces trous métallisés assurant la liaison entre le circuit de commande et les conducteurs de commande.
Réflecteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les trous métallisés (40, 46) débouchent sur les bandes conductrices (48, 49) disposées à la périphérie d'une cellule.
Réflecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments semi-conducteurs sont des diodes.
Réflecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce les conducteurs de commande sont au moins au nombre de trois dans chaque demi-déphaseur.
Antenne hyperfréquence à balayage électronique, caractérisée en ce qu'elle comporte un réflecteur (4) selon l'une quelconque des revendications précédentes et une source d'onde hyperfréquence (1) illuminant le réflecteur.