EP1522119B1

EP1522119B1 - Dephaseur capable de variation de phase continue

Info

Publication number: EP1522119B1
Application number: EP03748203A
Authority: EP
Inventors: Mostafa Jelloul; Serge Vacher; Belkacem Khadri
Original assignee: Arialcom
Current assignee: Arialcom
Priority date: 2002-07-16
Filing date: 2003-07-07
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2023-07-07
Also published as: DE60319829D1; FR2845205A1; FR2845205B3; CN100373687C; ES2303905T3; AU2003267512A1; WO2004017453A1; ATE389955T1; CN1669175A; EP1522119A1

Description

La présente invention concerne les déphaseurs variables de réseaux d'antennes utilisables notamment dans les stations de base des réseaux de radiocommunication cellulaires de type GSM ou UMTS par exemple.
Pour satisfaire l'augmentation sans cesse grandissante du trafic qui conduit à augmenter la densité des stations de base sur un territoire déterminé et à diminuer la surface occupée au sol par les cellules constituant un réseau de radiocommunication cellulaire, les réseaux d'antennes équipant les stations de base doivent être capables de rayonner des faisceaux directifs orientables en élévation, typiquement de 0° à -10° par rapport à la ligne d'horizon. Comme généralement les réseaux d'antennes sont situés au sommet de pylônes ou d'immeubles, une diminution de l'angle de dépointage entre 0° et -10° permet de diminuer la portée au sol des ondes radioélectriques rayonnées. Ces réseaux d'antennes sont généralement formés par un alignement vertical de sources élémentaires espacées entre elles d'une distance (p) formant le pas du réseau qui est un multiple, généralement inférieur à 1, de la longueur d'onde de la fréquence médiane de la bande de fréquence à couvrir. Les sources élémentaires sont alimentées suivant une loi linéaire de distribution de phase, deux sources adjacentes étant déphasées de: $Φ = - 2 π (p / λ) sin Θo$

où Θo est l'angle de dépointage du faisceau par rapport à l'horizon. Suivant la relation (1) le faisceau est pointé à l'horizon pour Θo=0 lorsque toutes les sources du réseau sont en phase c'est à dire pour Φ=0. La variation de Φ par un moyen de déphasage ajustable induit un dépointage du faisceau d'un angle Θo. Par exemple pour p=0,9λ et Θo=-10° le déphasage Φ vaut environ 56,3°. Dans les réseaux de radiocommunication cellulaires précités l'amplitude du déphasage Φ vaut typiquement 60° mais, il peut en cas de besoin, atteindre de 90° environ.
Le dépointage du faisceau peut être effectué manuellement en inclinant l'antenne ou automatiquement à partir d'une télécommande au sol. Ces modes de réglage dépendent pour beaucoup de la technologie mise en oeuvre dans la réalisation des déphaseurs.
Il est connu pour orienter le faisceau de l'onde électromagnétique rayonnée par un réseau d'antennes d'utiliser des dispositifs déphaseurs à ferrite ou encore des dispositifs déphaseurs à diodes PIN. Pour la réalisation des réseaux d'antennes, ces dispositifs ont la particularité qu'ils permettent un réglage à distance de l'angle de dépointage du faisceau en appliquant un courant de polarisation approprié sur les ferrites ou les diodes PIN, ils présentent par contre les inconvénients de présenter des non linéarités et d'être générateur de bruits d'inter-modulation en transmission multi-porteuses.
Il est également connu d'utiliser des déphaseurs télescopiques coaxiaux à frottement métal sur métal ou encore des déphaseurs comportant une structure triplaque comportant une piste électriquement conductrice composée de plusieurs segments non alignés, les segments étant couvert en totalité ou partiellement par au moins une lame en matériau diélectrique en déplacement entre deux plans conducteurs le long de la piste électrique.
Cependant les déphaseurs télescopiques coaxiaux à frottement métal sur métal ont l'inconvénient d'être sensible à la corrosion et de présenter des micro non-linéarités aux puissances élevées qui sont essentiellement dues aux résistances de contact.
Dans les déphaseurs à structure triplaque, tels que le déphaseur décrit dans FR-A1-2813445 , le recouvrement variable de la piste conductrice par les plaques diélectriques modifie la longueur électrique de la piste conductrice ce qui produit une désadaptation de celle ci et rend généralement ce type de déphaseur inapte à l'alimentation de réseaux d'antennes à fort déphasage. L'excursion en phase peut cependant être améliorée en ajoutant par exemple aux extrémités de la piste conductrice des segments de longueur déterminée qui viennent annuler les désadaptations produites par les recouvrements de diélectrique. Cependant ce type de réalisation augmente fortement l'encombrement des déphaseurs et les rendent difficilement utilisables dans les réseaux d'antenne de type GSM ou UMTS. D'autre part, ce mode de réalisation nécessite la mise en place, au niveau de chaque déphaseur du réseau, de dispositifs de commande de déplacement des plaques diélectriques ce qui augmente encore plus leur encombrement, et limite leur utilisation à des réseaux ne comportant qu'un nombre réduit d'antennes.
Le but de l'invention est de fournir un dispositif déphaseur capable de variation continue par commande mécanique unique ayant une faible perte d'insertion et fonctionnant dans une large bande de fréquence en vue d'être intégré par exemple dans un réseau d'éléments rayonnants alignés pour constituer une antenne directive à faisceau orientable.
L'invention propose, à cet effet, un déphaseur, comprenant deux plaques en matériau diélectrique, montées coulissantes selon une direction choisie à l'intérieur d'un boîtier métallique, et prenant en sandwich un segment principal métallique, pour former une cellule de déphasage dont les bornes sont aux extrémités du segment principal. Selon un aspect de l'invention, le segment principal comporte deux tronçons conducteurs, sensiblement parallèles, espacés l'un de l'autre à la fois transversalement et longitudinalement par rapport à la direction choisie, avec entre eux une liaison conductrice, tandis que les plaques diélectriques comportent des ouvertures, définissant des fenêtres mobiles, découvrant de façon variable les tronçons, en fonction du coulissement des plaques diélectriques dans le boîtier, ce qui modifie en même temps le déphasage entre les bornes de la cellule.
La longueur de chacune des fenêtres peut-être égale à la longueur d'un tronçon augmentée d'une longueur légèrement supérieure à la demi-longueur de la liaison conductrice en projection sur la direction choisie. Cette caractéristique permet de maintenir invariables la longueur électrique et l'impédance du liaison conductrice quelle que soit la position des plaques diélectriques et les caractéristiques de phase ne dépendent que du recouvrement du premier et du deuxième tronçon par les fenêtres.
Une bonne linéarité de la cellule de déphasage peut-être obtenue pour des longueurs des tronçons inférieures à 0,12 fois la longueur d'onde de travail de la cellule et pour une longueur de la liaison conductrice inférieure à 0,25 fois la longueur d'onde de travail de la cellule.
Le déphaseur peut comporter, entre les plaques diélectriques et le boîtier, un agencement à fentes et tige de guidage, propre à délimiter conjointement l'excursion des deux plaques en coulissement.
Selon une forme de réalisation de l'invention, applicable directement à la réalisation d'un réseau d'antennes, le déphaseur comprend un groupe d'au moins deux segments principaux, sensiblement parallèles à la direction choisie et reliés en série pour former une cellule multiple de déphasage dont les bornes sont aux extrémités libres des segments principaux, tandis que les plaques diélectriques comportent des ouvertures, définissant des fenêtres mobiles, pour chaque tronçon de chaque segment principal.
Cette disposition de l'invention permet de commander directement l'orientation du faisceau d'onde émis par le réseau d'antennes en effectuant un seul déplacement des plaques diélectriques. Ce déplacement peut être exécuté par l'intermédiaire d'un seul moteur électrique de type "Pas à Pas" par exemple commandé à distance ce qui facilite la mise au point.
Le déphaseur peut en outre comprendre au moins deux groupes de segments principaux reliés en série, montés symétriquement par rapport à un plan perpendiculaire à la direction choisie, pour former deux cellules de déphasage ayant une borne commune et deux bornes opposées situées aux extrémités des groupes.
En variante, le déphaseur peut comprendre un ensemble défini par au moins deux groupes de segments principaux reliés en série et placés côte à côte pour former deux cellules de déphasage ayant une borne commune et deux bornes extrêmes situées aux extrémités de ces groupes.
Enfin l'invention permet la réalisation de réseaux d'antennes à bloc déphaseur répartiteur, le bloc répartiteur étant composé de deux ensembles de segments principaux reliés en série, montés symétriquement par rapport à un plan perpendiculaire à ladite direction choisie.
Le dispositif déphaseur proposé permet de réaliser des déphasages relativement importants dans un encombrement réduit tout en présentant une faible perte d'insertion et une bonne adaptation d'impédance dans une large bande de fréquence. Un autre avantage est qu'il possède une très bonne linéarité en réglage de phase. Dans des applications à des réseaux d'antennes fonctionnant dans les bandes de fréquence GSM900, GSM1800 et UMTS, l'adaptation d'impédance est meilleure que 1,3 de ROS dans chacune des bandes de fréquence et pour toute position du déphaseur. La linéarité des déphasages mesurés en fonction du déplacement des plaques et de la fréquence est excellente, la non-linéarité est meilleur que +/-5° dans la bande de fréquence. Les pertes d'insertion sont extrêmement faibles de l'ordre de 0,13dB pour une cellule double générant un déphasage de 60° dans la bande de fréquence des 2GHz.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description détaillée ci-après, faite en regard des dessins annexés, sur lesquels:

La figure 1A représente une vue de dessus suivant la coupe I-I d'une cellule élémentaire de déphasage selon l'invention.
Les figures 1B et 1C représentent respectivement des vues suivant les coupes AA et BB de la figure 1A.
La figure 1D représente une vue suivant la coupe II-II de la figure 1B.
La figure 2 montre un mode de réalisation de la piste conductrice de la cellule de déphasage représentée aux figures 1A, 1B, 1C, et 1D
La figure 3 représente une vue de dessus d'un déphaseur comprenant deux cellules élémentaires en cascade selon l'invention.
La figure 4 représente une vue de dessus d'un déphaseur répartiteur symétrique formé par deux cellules élémentaires selon l'invention.
La figure 5 représente une vue de dessus d'un déphaseur répartiteur formé par trois cellules élémentaires en cascade selon l'invention.
La figure 6 représente une vue de dessus d'un bloc déphaseur répartiteur symétrique formée de cellules élémentaires en cascade selon l'invention.
Les figures 7, 8, 9 représentent des modes de répartition de dispositifs déphaseurs selon l'invention dans des réseaux d'antennes.
La figure 10 représente une vue de dessus d'un bloc déphaseur répartiteur selon un mode de réalisation particulier de l'invention.

Les dessins contiennent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la description, mais aussi contribuer à la définition de l'invention le cas échéant.
La cellule de déphasage élémentaire qui est représentée aux figures 1A, 1B, 1C et 1D comprend un segment principal disposé en sandwich entre deux plaques en matériau diélectrique 2 et 3, de permittivité relative ξr supérieure à 1. Les plaques 2 et 3, ici en forme de parallélépipède rectangle, sont maintenues ajustées l'une contre l'autre à l'intérieur d'un boîtier métallique 4, dans lequel elles coulissent suivant la direction longitudinale du boîtier entre deux extrémités ouvertes de celui ci.
Comme on le verra, le segment principal fait partie d'une "ligne centrale" 1 du déphaseur. En fait, sauf là où le contexte s'y oppose, l'expression "ligne centrale" recouvre en principe plusieurs segments principaux.
Le boîtier conducteur 4 est formé d'un socle 5 en forme de U qui sert de guide pour les plaques diélectriques 2 et 3 et d'une plaque conductrice de fermeture 6 en forme de couvercle. La grande dimension du socle 5 définit la direction de déplacement des plaques. Pour permettre le déplacement des plaques diélectriques 2 et 3 dans le boîtier, celles ci sont traversées par une tige 7 guidée par deux fentes longitudinales g1 et g2 en vis à vis dans le socle 5 et le couvercle 6. La longueur des fentes g1 et g2 limite l'amplitude de déplacement des plaques 2 et 3. L'entraînement simultané des plaques diélectriques 2 et 3 peut être effectué grâce à une ou plusieurs tiges non représentées, solidaires de la tige 7 et actionnées soit manuellement ou à l'aide d'un moteur électrique.
La ligne centrale se compose, comme le montre plus particulièrement la figure 2, de plusieurs tronçons S1, T1, T2, T3, S2. Les tronçons S1 et S2 constituent les lignes d'entrée et de sortie de la cellule de déphasage. Comme le sait l'homme du métier, les entrées et sorties peuvent être inversées dans un déphaseur réciproque, en conséquence, on peut considérer indifféremment une entrée ou une sortie comme une borne du déphaseur.
Les tronçons T1 et T2 intermédiaires entre les tronçons S1 et S2, sont en prolongement suivant deux directions parallèles xx' et yy'. Ils sont décalés l'un par rapport à l'autre, et interconnectés par une liaison conductrice en forme de coude à 90° formant le tronçon T3. C'est principalement sur les tronçons T1, T2 et T3 que se forme la cellule de déphasage.
Pour ce faire les plaques diélectriques 2 et 3 comportent des ouvertures définissant des fenêtres mobiles f1, f2 et f'1 de forme générale sensiblement rectangulaire. Chaque fenêtre f1, f2 et f'1 comporte une ouverture dans une plaque, et, sensiblement en vis-à-vis, une ouverture dans l'autre plaque (en variante, une fenêtre pourrait être définie par une ouverture dans une seule des deux plaques). Les fenêtres f1, f2 sont alignées respectivement avec les tronçons actifs T1 et T2 et sont dimensionnées de façon à les recouvrir partiellement ou en totalité suivant la position des plaques diélectriques 2 et 3 dans le boîtier 4. Selon un aspect de l'invention, les tronçons T1 et T2 ont également une forme générale sensiblement rectangulaire. La fenêtre f'1 est alignée avec une partie du tronçon de sortie S2 de la ligne centrale 1. Il est à noter que la fenêtre f'1 sert uniquement à la mise en cascade de la cellule avec une autre cellule comme cela apparaîtra dans la suite de la description, elle n'est donc pas nécessaire pour les réalisations nécessitant qu'une cellule de déphasage. Dans l'exemple décrit, la largeur respective des fenêtres et leur longueur respective sont au moins égales à celles des tronçons correspondants. La forme rectangulaire des fenêtres épouse sensiblement celle des tronçons correspondants.
En se référant à la figure 1A le signal sortant en (S) est déphasé (retardé) par rapport au signal entrant en (E). Ce déphasage dépend, de façon sensiblement proportionnelle, de la surface des tronçons T1 et T2 recouverte par les plaques diélectriques ou, de façon équivalente, du déplacement des plaques diélectriques 2 et 3 matérialisé par la distance (d) qui sépare les bords droits des fenêtres f1 et f2 et les bords droits d'extrémité des tronçons T1 et T2 correspondants. La position minimale du déphaseur correspond à d=0, la position maximale du déphaseur correspond à d=1, " 1" étant la longueur commune prédéfinie des tronçons T1 et T2, de sorte que la course maximale du déphaseur est égale à la longueur commune "1" desdits tronçons.
Le déphasage maximum réalisable est sensiblement proportionnel à "1". Le rôle principal des fentes g1 et g2 est précisément de limiter la course des plaques 2 et 3 entre une position initiale pour laquelle par exemple d=0 et une position finale pour laquelle d=1, en fonction des déphasages souhaités.
Le rôle des fenêtres f1 et f2 pratiquées dans les plaques diélectriques est de recouvrir sur une distance d une partie des tronçons T1 et T2 en découvrant l'autre partie de ces mêmes tronçons sur une distance d-1. La partie recouverte des tronçons T1et T2 est entourée par le milieu diélectrique de constante diélectrique ξr supérieure à 1 et la partie découverte baigne dans l'air de constante diélectrique égale à 1 à la façon d'une ligne suspendue. La longueur de la fenêtre f2 est telle que le tronçon T2 puisse être complètement aéré dans la position minimale du module déphaseur qui est obtenue pour d=0 et que la partie coudée du tronçon T3 en extrémité du tronçon T2 soit également aérée dans cette position. En d'autres termes, la longueur de la fenêtre f2 est au moins égale à une longueur f comme indiquée sur la figure 2 comprenant la longueur 1 du tronçon T2 augmentée d'une longueur correspondant à la partie du tronçon T3 tombant à l'extrémité de la fenêtre. Cette partie a une longueur légèrement supérieure à la demi longueur de la liaison conductrice (T3) en projection sur la direction de déplacement des plaques et comprend une certaine longueur longitudinale, un coude et enfin une certaine longueur transversale. Il en est de même pour la fenêtre f1 vis à vis des tronçons T1 et S1. De la sorte, la longueur électrique et l'impédance du tronçon T3 reliant les tronçons T1 et T2, dont une partie est dans l'air et l'autre partie est noyée dans le diélectrique, sont maintenues invariables quelle que soit la position des plaques diélectriques 2 et 3. En fin de compte, seules les propriétés électriques des tronçons actifs T1 et T2 sont variables en fonction de la position des plaques diélectriques 2 et 3 et toutes les autres sections ou tronçons de liaison telles que T3, S1 et S2 conservent leurs propriétés initiales lors du réglage de phase de la cellule.
Pour maintenir l'alignement des fenêtres f1, f2, f'1 avec les tronçons respectifs correspondants T1, T2, S2 les plaques diélectriques 2 et 3 sont guidés dans la glissière formée dans le socle 4 en coopération avec les fentes g1 et g2 et la tige d'entraînement 7. La largeur d'une fenêtre est sensiblement égale à la largeur d'un tronçon de ligne correspondant. Elle peut être toutefois légèrement supérieure ou inférieure sans que ceci ait une conséquence sur le bon fonctionnement de la cellule de déphasage. Le matériau des plaques diélectriques est choisi pour ses bonnes qualités radioélectriques et mécaniques. A titre d'exemple non limitatif il pourra être utilisé du polyéthylène ou du polytétrafluoréthylène qui sont bien connus pour leurs bonnes qualités de glissement et de tangente de perte aux radiofréquences.
En référence à la figure 2 qui représente la piste 1 avec ses différents tronçons, les tronçons actifs ne sont pas alignés sur un même axe. Le décalage d'axes est supérieur à la largeur des fenêtres de façon à ce que les fenêtres adjacentes ne se recoupent pas. La longueur 1 des tronçons actifs T1 et T2 est courte devant la longueur d'onde de travail, par exemple égale au dixième de la longueur d'onde, et les largeurs respectives W1, W2 sont de préférence sensiblement égales. Cependant pour des besoins d'adaptation d'impédance les largeurs W1 et W2 peuvent différer légèrement. Les largeurs et longueurs des tronçons actifs déterminent le déphasage maximum réalisable par la cellule de déphasage.
Le tronçon T3 raccorde entre eux les deux tronçons T1 et T2 et possède au moins deux coudes, ces coudes n'étant pas forcément droits. L'impédance caractéristique Zc du tronçon T3 et sa longueur électrique équivalente θ, déterminent sensiblement l'état d'adaptation d'impédance vis à vis des impédances Zo des lignes d'entrée et de sortie du déphaseur, celles ci étant généralement de 50 Ohms. Pour des dimensions données des tronçons T1 et T2 il existe au moins une longueur électrique équivalente θ et une impédance Zc du tronçon T3 qui soient optimales dans le sens qu'elles permettent la meilleur adaptation d'impédance du déphaseur dans une bande de fréquence donnée. L'impédance Zc détermine la largeur du tronçon. De façon approximative ces quantités sont déterminées par les relations suivantes: $Zc ≃ Zo$
$Cotg (θ) ≃ (Zc / Zco) (2 π 1 / λ) (ξr + 1) / 2$
Le déphasage Δϕ maximum réalisable dans ces conditions d'adaptation est approximativement donné par la relation suivante: $Tang (Δϕ / 2) ≃ (Zc / Zco) (2 π 1 / λ) (ξr - 1) / 2$

où Zo est l'impédance des lignes d'entrée et de sortie, généralement de 50 Ohms; Zco est l'impédance dans l'air des tronçons T1 et T2 supposées identiques et de longueur mécanique 1 et λ est la longueur d'onde dans l'air correspondant à la fréquence centrale de la bande de fréquence à couvrir. Le déphasage Δϕ mesure la différence de phase du signal sortant entre l'état final du déphaseur où les tronçons T1 et T2 sont entièrement recouverts par les plaques diélectriques 2 et 3 lorsque d=1 et l'état initial où les tronçons sont dans l'air pour d=0.
Par exemple à la fréquence 2045MHZ et pour 1=14,7 mm (soit 1/λ=0,1) et Zco=67 Ohms, avec ξr=2,3, on obtient: Zc ≃Zo=50 Ohms, θ=52,2° soit une longueur équivalente du tronçon T3 égale à 0,145λ (ou 21,3 mm dans l'air) et enfin un déphasage Δϕ ≃34°. Un tel déphaseur possède une bande passante relative voisine de 25% soit une bande de fréquence comprise entre 1700MHz et 2200MHz pour un rapport d'onde stationnaire (ROS) inférieur à 1,2. Dans un triplaque d'épaisseur 4,6mm par exemple avec une piste d'épaisseur 0,2mm, les tronçons T1 et T2 auraient une largeur de 3,9 mm et le tronçon T3 une largeur de 3,2 mm dans le diélectrique de constante 2,3 ou encore 6mm dans l'air.
Dans la pratique, il n'est pas obligatoire d'adopter les valeurs issues des relations (2) et (3) qui sont basées sur des hypothèses simplificatrices permettant de disposer d'estimations. Par exemple, compte tenu du fait que le tronçon T3 est en partie dans l'air et en partie dans le diélectrique celui ci devrait comporter deux sections de largeur différente pour conserver une impédance homogène égale à Zc. Or il peut être plus pratique de conserver constante la largeur de ce tronçon pour simplifier la réalisation des coudes ce qui implique que l'impédance Zc n'est plus constante sur toute sa longueur. Dans ces conditions la définition précise du tronçon T3 en vue d'obtenir une bonne adaptation d'impédance dans la bande de fréquence pourra être traitée de façon plus globale en tenant compte de la topologie réelle du circuit, au moyen d'un outil logiciel de CAO approprié dédié aux circuits hyperfréquences, comme par exemple le logiciel commercialisé sous la dénomination ADS par la société AGILENT ou le logiciel commercialisé sous la désignation SERENAD par la société ANSOFT Corporation. Aubesoin l'adaptation d'impédance en entrée et en sortie peut aussi être améliorée par l'adjonction de circuits d'adaptation effectuant par exemple une ou plusieurs transformations quart d'onde.
La relation (4) montre que le déphasage est proportionnel à la longueur 1 recouverte par les plaques diélectriques 2 et 3 et qu'il varie sensiblement linéairement en fonction du déplacement d des plaques diélectriques 2 et 3, ce qui facilite l'ajustement ou l'étalonnage du déphaseur. La relation (4) montre également que le déphasage est proportionnel à la fréquence.
La relation (4) permet également d'estimer le déphasage réalisable avec une cellule élémentaire comportant trois tronçons T1, T2 et T3 du type de celle décrite précédemment. Typiquement le déphasage peut être voisin de 30° en utilisant des substrats diélectriques de constante proche de 2, ce qui est avantageux en terme de largeur de bande et en terme de pertes radiofréquence. Aussi, pour réaliser des déphasages supérieurs de 60°, 90°ou plus et pouvoir piloter le dépointage du faisceau d'une antenne réseau selon la relation (1) il est nécessaire de mettre en cascade deux ou trois ou plusieurs cellules élémentaires, chacune réalisant 30° de déphasage comme cela est représenté aux figures 4 et 5.
En outre les relations (3) et (4) permettent également d'apprécier le faible encombrement global du déphaseur, en longueur comme en largeur, puisque le tronçon T3 avec ses deux coudes a une longueur équivalente typique proche de 0,15λ et généralement inférieure à 0,25λ et les tronçons T1 et T2 ont une longueur typique de 0,1λ et généralement inférieure à 0,12λ.
La figure 3 où les éléments homologues à ceux des figures 1A à 1D portent les mêmes références montre une vue de dessus du déphaseur le couvercle ôté, comprenant deux cellules élémentaires en cascade comportant une ligne centrale, composé de quatre tronçons référencés T1, T2, T'1, T'2, de longueurs identiques, les tronçons d'indices impairs étant alignés sur l'axe xx" et les tronçons d'indice pairs étant alignés sur l'axe yy'. Dans cette configuration les tronçons T1 et T2 forment la première cellule et les tronçons T'1 et T'2 forment la deuxième cellule, ces deux cellules constituant une cellule double de déphasage. Les plaques diélectriques 2 et 3 comportent quatre fenêtres f1, f2, f'1, f'2, recouvrant respectivement tout ou partie des tronçons T1, T2, T'1, T'2. Le déphasage obtenu est de 2Δϕ, soit le double de celui Δϕ d'une cellule élémentaire. Le raccordement entre les deux cellules se fait au moyens de sections de ligne dont les propriétés électriques restent invariables en fonction de la position des plaques 2 et 3 du déphaseur. Ce mode de réalisation se généralise facilement pour obtenir une cellule multiple de déphasage composée de trois ou plusieurs cellules élémentaires.
La figure 4 où les éléments homologues à ceux des figures précédentes portent les mêmes références, montre une vue de dessus d'un déphaseur répartiteur symétrique comprenant une entrée E et deux sorties S1 et S2 dont les phases sont conjuguées, c'est à dire égales et de signes contraires, les sections de déphasage de part et d'autre d'un plan médian PP', perpendiculaire à la direction de déplacement des plaques, comprenant une cellule double du type représentée à la figure 3. Ce déphaseur peut par exemple être utilisé pour exciter des réseaux d'antennes du type représentés aux figures 8 et 9. La structure de la ligne centrale 1 est symétrique par rapport au plan PP', de sorte que un déplacement d des plaques 2 et 3 vers la gauche de ce plan par exemple, fait que les tronçons actifs de la section à droite se découvrent de diélectrique, à égalité de surface découverte et recouverte respectivement. Le déphasage sortant en S1 est proportionnel au déplacement d des plaques diélectriques et le déphasage du signal sortant en S2 est proportionnel à (1-d), l étant la longueur des tronçons T1 et T2 comme précédemment, les deux signaux étant en phase à la position médiane d=1/2. Par rapport à cette position médiane prise comme référence les deux signaux ont bien des phases égales et opposées et le déphasage maximum entre les deux signaux est égal au déphasage réalisable par deux cellules élémentaires en cascade, c'est à dire sensiblement 2Δϕ, Δϕ étant le déphasage maximum pour une cellule. En égalisant les phases des deux signaux de sortie dans une position extrême du déphaseur prise comme référence, par exemple pour d=0, le déphasage maximum entre les deux sorties sera de 4 Δϕ et les deux signaux auront des phases égales et opposées pour toute position du déphaseur allant de d=0 à d=1. L'égalisation des phases consiste simplement à allonger de façon non représentée sur la figure 4, la ligne de sortie S1 d'une longueur électrique équivalente au déphasage Δϕ. En variante, un tel d'un déphaseur répartiteur symétrique peut être réalisé à partir de cellules multiples en remplacement des cellules doubles.
La figure 5 où les éléments homologues à ceux des figures précédentes portent les mêmes références, représente une vue de dessus d'un déphaseur comprenant une entrée commune E et trois sorties S1, S2, S3, déphasées l'une par rapport à l'autre d'un même déphasage, générées par des cellules doubles, supposées identiques, du type de celle représentée à la figure 3. Ces cellules doubles sont reliées en série et placés côte à côte pour former deux cellules de déphasage.
Dans ce mode de réalisation, la ligne centrale 1 est repliée en zigzag chaque branche du zigzag correspondant à un tronçon de cellule double. En parcourant la figure du bas vers le haut, la sortie S1 est déphasée d'une quantité (ϕo + 2Δϕ) par rapport à l'entrée E, la sortie S2 est déphasée de (ϕ1 + 2Δϕ) par rapport à la sortie S1 et la sortie S3 est déphasée de (ϕ2 + 2Δϕ) par rapport à la sortie S2, ϕo, ϕ1, ϕ2 étant les déphasages résiduels correspondant aux chemins parcouru par l'onde entrante en E pour atteindre les sorties respectives pour une position donnée du déphaseur prise comme référence. En égalisant les phases dans cette position de référence par l'allongement des lignes de sortie les plus courtes, par exemple S2 et S3 on peut compenser ces déphasages résiduels de sorte que dans cette position de référence les sorties sont toutes en phase. Le déphasage entre deux sorties consécutives est alors le même et égal à 2Δϕ. En variante, chaque branche du zigzag peut comporter une cellule multiple. Par ailleurs, le zigzag n'est pas limité à trois branches. Ce principe peut donc être généralisé pour un nombre quelconque de sorties.
Ce déphaseur peut être utilisé pour réaliser un déphaseur répartiteur symétrique. Pour la clarté de l'exposé seule la partie gauche du déphaseur répartiteur est représentée sur la figure 5. Ce déphaseur répartiteur symétrique peut par exemple être utilisé dans le schéma d'architecture d'antenne réseau représenté aux figures 8 et 9.
La figure 6 représente un bloc déphaseur répartiteur comprenant une entrée E et dix sorties référencées respectivement S1, S2.....S5, S-1, S-2,.....S-5. Les sorties ont deux à deux des phases conjuguées et la puissance d'entrée est répartie de façon non équilibrée entre les dix sorties. De part et d'autre d'un plan médian PP' se trouvent quatre cellules de déphasage doubles du type de la figure 3 réalisant un déphasage 2Δϕ entre les sorties S1 et S2, S2 et S3, S4 et S5 et le déphasage symétrique entre les sorties S-1et S-2, S-2 et S-3....etc, les sorties S1 et S-1 gardant un même déphasage fixe pris comme référence 0°. Ces déphasages symétriques sont obtenus au moyen de deux blocs séparés 8 et 9 de plaques diélectriques 2 et 3, disposées de part et d'autre du plan médian PP' et se déplaçant solidairement grâce à un mécanisme de réglage du déphaseur non représenté. Les parties des pistes conductrices 10 situées dans l'espace entre les deux blocs amovibles 8 et 9 et aux extrémités des blocs sont maintenues en sandwich par deux plaques en vis à vis 11 faites en matériau isolant, de la mousse par exemple à très faible perte et de constante diélectrique voisine de celle de l'air.
Des exemples de réalisation d'antennes organisés en réseau uniforme pouvant comporter des déphaseurs selon l'invention sont représentés aux figures 7 à 9.
Sur la figure 7 le réseau est formé par une suite de sources A1 à AN alignées verticalement et espacées d'un pas constant p. Ces sources sont alimentées en parallèle au moyen d'un distributeur ou diviseur de puissance équilibré ou non, chaque branche du diviseur alimentant une source de rang n (n=1, 2,....N) avec un déphasage égal à (n-1)Φ par rapport à la première source, prise comme référence de phase 0°. Dans ce mode de réalisation l'amplitude du déphasage sur la dernière source qui est égale à (N-1)Φ peut devenir très important si N est grand. Cependant l'encombrement des déphaseurs vient limiter ce mode de réalisation à un nombre très limité de sources.
La figure 8 montre le même réseau de sources mais cette fois alimentées en série de sorte que les déphasages sont cumulatifs d'une source An à la suivante et que la loi de distribution des phases est linéaire le long du réseau. Dans cette architecture série chaque noeud du réseau comporte trois branches, une branche d'entrée et deux branches de sortie et il est possible de réaliser sans difficulté une loi déterminée de distribution de la puissance sur les sources rayonnantes, par exemple afin de produire un diagramme de rayonnement conformé ou ayant un faible niveau de lobes secondaires. Il est par ailleurs évident que le circuit constitué des déphaseurs et des noeuds de division de la puissance peut être avantageusement réalisé sous la forme d'un unique boîtier à la fois distributeur et déphaseur ou, tout au moins si l'encombrement disponible ne le permet pas, d'un nombre réduit de tels boîtiers. Un tel boîtier qui pourra être du type de celui décrit aux figures 5 et 6 comportera une entrée et plusieurs sorties alimentant les sources élémentaires A-2, A-1, A0, A1, A2. Il sera équipé également du moyen de réglage des déphaseurs. On notera que sur le schéma de la figure 8, les déphasages sont symétriques par rapport au point d'entrée M du réseau, les déphasages sont positifs vers le haut et sont négatifs vers le bas du point M. Cette disposition n'est qu'un cas particulier avantageux sur le plan pratique, le point d'entrée du réseau peut être en effet positionné à un endroit quelconque du réseau, l'essentiel est que le déphasage entre deux sources successives soit égal à Φ. Ainsi comme le montre la figure 9 le réseau est formé par un nombre pair de sources avec un point d'alimentation M positionné au centre du réseau ce qui fourni des déphasages symétriques comme sur la figure 2.
La figure 10 représente un bloc déphaseur répartiteur, selon un mode de réalisation particulier de l'invention, dans lequel le boîtier 4 comprend 2 compartiments 4a et 4b alignés et raccordés entre eux par un câble coaxial 30 ayant une résistance caractéristique généralement de 50 ohms. Chaque compartiment comporte un ensemble de cellules de déphasage ayant une borne commune et des bornes extrêmes situées aux extrémités latérales des compartiments. Ainsi, dans l'exemple de la figure 10, chaque compartiment comporte quatre cellules de déphasage doubles du type de la figure 3. Les compartiments 4a et 4b ont notamment des dimensions sensiblement identiques.
Le bloc déphaseur répartiteur représenté sur la figure 10 comporte une entrée E commune et 9 sorties S1 à S5 et S-2 à S-5. Ces entrées/sorties sont généralement adaptées à une impédance de 50 ohms.
Le raccordement des câbles d'entrée/sortie sur le boîtier 4 est réalisé au moyen de supports de câbles d'entrée/sortie 20, 21,22 et 23, en matériau conducteur, fixés aux extrémités latérales de chaque compartiment par vissage sur le boîtier. Le boîtier est notamment métallique.
Ainsi, le compartiment 4a est muni d'un support de câbles d'entrée/sortie 20 sur son extrémité latérale gauche et d'un support de câble d'entrée/sortie 21 sur son extrémité latérale droite. Le compartiment 4b est muni d'un support de câbles d'entrée/sortie 22 sur son extrémité latérale gauche et d'un support de câbles d'entrée/sortie 23 sur son extrémité latérale droite. Le câble coaxial 30 raccorde le support de câbles 22 du compartiment 4a au support de câbles 23 du compartiment 4b.
Les sorties Si et S-i pour i=2 à 5 ont des phases conjuguées. La sortie S1 garde un même déphasage fixe pris comme référence 0°.
Ces déphasages symétriques sont obtenus au moyen de deux paires de blocs séparées {8,9}et {8', 9'}, symétriques par rapport à un axe (P₁ P₁') perpendiculaire à la direction choisie. Chaque bloc est constitué de plaques de diélectriques 2 et 3. La paire de blocs {8,9} est située dans le compartiment 4a et la paire de blocs {8', 9'} est située dans le compartiment 4b.
Le déphasage est modifié par une tige de guidage 7 intégrée au boîtier 4 et traversant chaque compartiment 4a et 4b. La tige de guidage 7 est dirigée selon la direction choisie définie ci-avant et est solidaire des plaques de diélectrique 2, 3.
Le boîtier 4 selon ce mode de réalisation de l'invention est un boîtier métallique, par exemple en aluminium, fabriqué par un procédé d'extrudage. Les plaques de diélectriques 2 et 3 peuvent être fabriqués par moulage.
La fabrication d'un bloc déphaseur de longueur L donnée est plus complexe que la fabrication d'un bloc déphaseur à deux compartiments de longueur L/2 deux fois plus petite. Il en résulte que la structure du boîtier 4 en deux compartiments 4a et 4b, tel que décrit ci-dessus, simplifie la fabrication du déphaseur par rapport aux modes de réalisation décrits précédemment.
Par ailleurs, étant donné que le boîtier 4 est réalisé d'un seul bloc par extrusion et que toutes les entrées/sorties sont disposées aux extrémités du boîtier, le montage du bloc déphaseur peut être réalisé en enfilant chaque paire de blocs {8,9} (respectivement {8', 9'}) dans le compartiment correspondant 4a (respectivement 4b). Ainsi le montage du bloc déphaseur selon ce mode de réalisation est également simplifié par rapport aux modes de réalisations décrits précédemment.
Le déphaseur décrit en référence à la figure 10 permet en outre d'éliminer le raccordement direct de câbles d'entrée/sortie sur le boîtier 4 (i.e. les contacts directs entre la gaine des coaxiaux et le boîtier) grâce à l'introduction des supports de câbles et donc le nombre de sources potentielles de produits d'intermodulation passive (IMP).
Le déphaseur selon l'invention, est utilisé, en particulier, pour la réalisation de réseaux d'antennes à faisceau dépointable, par déplacement des plaques 2 et 3. Les bornes d'entrée/sortie forment alors des points de connexion d'éléments d'antennes.
Par ailleurs, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits. Ceux-ci comprennent différentes possibilités de symétrie qu'il est possible d'agencer différemment en supprimant le cas échéant les éléments inutiles.
De même, on a décrit une cellule simple puis multiple, en particulier double. Le nombre d'étages d'une cellule peut dépendre de la plage de déphasage désirée pour celle-ci.
Les moyens décrits pour limiter l'excursion de coulissement de la ou des plaques ne sont pas limitatifs. A cet égard, au lieu de prévoir une seule paire de plaques pour un ensemble de cellules de déphasage, il serait envisageable de prévoir plusieurs paires de plaques déplacées indépendamment. Enfin, ce déplacement pourrait comporter au moins partiellement une rotation.

Claims

Déphaseur, comprenant deux plaques en matériau diélectrique (2,3), montées coulissantes selon une direction choisie à l'intérieur d'un boîtier métallique (4), et prenant en sandwich un segment principal (1) métallique, pour former une cellule de déphasage dont les bornes sont aux extrémités du segment principal,
le segment principal (1) comportant deux tronçons conducteurs (T1,T2), sensiblement parallèles, espacés l'un de l'autre à la fois transversalement et longitudinalement par rapport à ladite direction choisie, avec entre eux une liaison conductrice (T3), caractérisé en ce que les plaques diélectriques (2, 3) comportent des ouvertures (f1,f2), définissant des fenêtres mobiles, découvrant de façon variable lesdits tronçons (T1,T2), en fonction du coulissement des plaques diélectriques (2,3) dans le boîtier (4), ce qui modifie en même temps le déphasage entre les bornes de la cellule.
Déphaseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque fenêtre comporte une ouverture dans une plaque, et, sensiblement en vis-à-vis, une ouverture dans l'autre plaque.
Déphaseur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la liaison conductrice (T3) comporte une partie sensiblement perpendiculaire à ladite direction choisie, en particulier en forme de coude.
Déphaseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tronçons (T1,T2) ont des longueurs sensiblement inférieures à la longueur d'onde de travail (λ) du déphaseur.
Déphaseur selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les tronçons (T1, T2) ont des longueurs inférieures à 0,12 fois la longueur d'onde de travail (λ) et la longueur de la liaison conductrice (T3) est inférieure à 0,25 fois la longueur d'onde de travail (λ).
Déphaseur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte, entre les plaques diélectriques (2,3) et le boîtier (4), un agencement à fentes (g1,g2) et tige (7) de guidage, propre à délimiter conjointement l'excursion des deux plaques (2,3) en coulissement.
Déphaseur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la longueur (f) de chacune des fenêtres est égale à la longueur (1) d'un tronçon augmentée d'une longueur légèrement supérieure à la demi longueur de la liaison conductrice (T3) en projection sur la direction choisie.
Déphaseur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les fenêtres (f1, f2) et les tronçons (T1,T2) ont une géométrie sensiblement rectangulaire avec des largeurs (W1, W2) sensiblement égales.
Déphaseur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un groupe d'au moins deux segments principaux, sensiblement parallèles à la direction choisie et reliés en série pour former une cellule multiple de déphasage dont les bornes sont aux extrémités libres desdits segments principaux, les plaques diélectriques (2,3) comportant des ouvertures, définissant des fenêtres mobiles (f1,f2,f1,f2), pour chaque tronçon (T1,T2) de chaque segment principal.
Déphaseur selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux groupes de segments principaux reliés en série, montés symétriquement par rapport à un plan perpendiculaire à ladite direction choisie, pour former deux cellules de déphasage ayant une borne commune (E) et deux bornes opposées (S1, S2) situées aux extrémités desdits groupes.
Déphaseur selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble défini par au moins deux groupes de segments principaux reliés en série et placés côte à côte pour former deux cellules de déphasage ayant une borne commune (E) et deux bornes extrêmes (S1, S2) situées aux extrémités desdits groupes.
Déphaseur selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend deux ensembles de segments principaux reliés en série, montés symétriquement par rapport à un plan perpendiculaire (PP') à ladite direction choisie.
Déphaseur selon la revendication 11, caractérisé en ce que le boîtier (4) comprend deux compartiments de dimensions sensiblement identiques (4a, 4b) raccordés entre eux par un câble coaxial, chaque compartiment du boîtier (4a, 4b) comportant un ensemble de segments principaux reliés en série, pour former des cellules de déphasage ayant une borne commune (E) et des bornes extrêmes (S1, S2, S-2,S3, S-3,S4, S-4, S5, S-5) situées aux extrémités latérales desdits compartiments.
Déphaseur selon la revendication 13, caractérisé en ce que chaque compartiment du boîtier (4a, 4b) comporte deux supports de câbles d'entrée/sortie (20, 21, 22, 23) constitués de matériau conducteur et fixés aux extrémités latérales du compartiment, les bornes étant raccordées à des câbles d'entrées/sortie par l'intermédiaire desdits supports de câbles.
Déphaseur selon la revendication 14, caractérisé en ce que le câble coaxial raccorde les deux compartiments du boîtier (4a, 4b) par un de leurs supports de câbles d'entrée/sortie (20, 21, 22, 23) respectifs.
Déphaseur selon l'une des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que le boîtier (4) est fabriqué par un procédé d'extrudage.
Déphaseur selon l'une des revendications 13 à 16 prise en combinaison avec la revendication 6, caractérisé en ce que la tige de guidage (7) est dirigée suivant ladite direction choisie et est solidaire des diélectriques (2,3).
Déphaseur selon l'une des revendications 13 à 17 caractérisée en ce que les diélectriques (2, 3) sont fabriqués par un procédé de moulage.
Utilisation du déphaseur selon l'une des revendications 1 à 17 avec des bornes formant points de connexion d'éléments d'antennes, pour la réalisation de réseaux d'antennes à faisceau dépointable, par déplacement des plaques (2,3).