FR2690583A1 - Relais de transmission pour guidage ou sélection de faisceau. - Google Patents

Abstract

Le relais de transmission comprend un réseau d'émetteurs-récepteurs (3) constitués chacun par une paire de dipoles métalliques plans orthogonaux (20 et 21) montés en regard de la surface d'un corps commun (5) de matériau à forte constante diélectrique. Des interrupteurs de commande (32 à 35) sont disposés entre des paires de bras de dipoles adjacents. On utilise des états identiques ou différents de commutation d'émetteurs-récepteurs adjacents (3) pour sélectionner le déphasage entre émetteurs-récepteurs (3). Le réseau peut être combiné à un émetteur utilisé pour diriger un faisceau émis dans une quelconque de plusieurs directions présélectionnées. On peut également combiner le réseau à un récepteur pour sélectionner le rayonnement incident suivant sa direction d'arrivée.

Description

Relais de transmission pour guidage ou sélection de faisceau

La présente invention concerne un relais de transmis-

sion destiné au guidage ou à la sélection de faisceau Elle concerne plus particulièrement un relais du type comprenant

un réseau d'éléments émetteurs-récepteurs dont chacun compor-

te une antenne de réception, une antenne d'émission et un composant de commande de déphasage alimentant une antenne à partir de l'autre Lorsqu'il est utilisé pour le guidage ou le pointage de faisceau, un tel relais reçoit le rayonnement provenant d'un émetteur fixe et réémet dans une direction

déterminée par les déphasages prévus pour chacun des émet-

teurs-récepteurs du faisceau On peut pointer le faisceau de

rayonnement dans une autre direction en modifiant les dépha-

sages correspondant à chaque émetteur-récepteur Lorsque le relais est utilisé pour la sélection de faisceau, il dirige le rayonnement reçu dans une direction prédéterminée parmi plusieurs d'un récepteur fixe, la direction choisie étant

déterminée par les déphasages correspondant aux émetteurs-

récepteurs du réseau.

On sait qu'un relais à alimentation spatiale utilisé

aux fréquences radar de 3 à 8 G Hz comporte un réseau d'anten-

nes alimenté par cornets et un second réseau d'antennes ayant chacune une sortie par cornet,en aval du premier Un

écartement de 5 à 10 cm entre axes de cornets dans chaque ré-

seau peut être considéré comme représentatif Chaque antenne

alimentée par cornet est couplée à une antenne correspondan-

te de l'autre réseau par un circuit à déphasage commandé Le coût et l'encombrement d'un tel dispositif sont élevés et de

plus le besoin se fait sentir de relais capable de fonction-

ner à des fréquences supérieures, 10 à 100 G Hz.

La présente invention vise a fournir des relais com-

pacts, et notamment des relais capables de fonctionner à une

fréquence dans une gamme approximative allant de 10 à 100 G Hz.

Dans ce but l'invention propose un relais de transmission -2- comprenant un réseau d'émetteurs-récepteurs, dans lequel

les émetteurs-récepteurs sont montés en regard de la surfa-

ce d'un corps commun de matériau à constante diélectrique

élevée et à proximité de la surface de ce corps, chaque é-

metteur-récepteur comprenant une paire de dipoles d'anten- nes métalliques plans croisés, orthogonaux, munis d'un jeu

d'interrupteurs de commande assurant la liaison entre la pai-

re de dipoles, chaque interrupteur reliant une paire de

bras de dipoles orthogonaux adjacents et chaque interrup-

teur ayant, à l'état conducteur, une impédance en haute fré-

quence faible comparée à la résistance de rayonnement.

Cette disposition est telle que, lorsqu'un rayonne-

ment incident est appliqué à l'un des dipoles d'antennes d'un émetteurrécepteur et que les interrupteurs sont dans un état tel que les interrupteurs opposés d'une paire sont conducteurs tandis les interrupteurs de l'autre paire ne le

sont pas, la puissance est transférée avec un rendement éle-

vé d'un dipole au dipole orthogonal, puis re- rayonné f-Lors-

que l'état des interrupteurs est inversé, c'est un signal

de polarité inversée qui est re-rayonné On peut ainsi intro-

duire un déphasage de 00 ou 1800, suivant celles des paires d'interrupteurs qui est conductrice Ainsi, lorsque tous les interrupteurs du réseau sont ajustés et qu'on dirige un rayonnement sur le réseau, la puis sance 're-Jrayonnée par le

relais est concentrée dans des directions o il y a somma-

tion des contributions des différents émetteurs-récepteurs rayonnants, suivant un processus similaire à la diffraction des rayons X par un cristal ou à la réflection de la lumière par

un réseau Ces directions sont déterminées par les déphasa-

ges affichés Un choix approprié des combinaisons d'inter-

rupteurs dans le réseau de transmission permet donc defixer

la direction du rayonnement réémis.

On peut utiliser le dispositif en liaison avec un

circuit de commande logique, un circuit de commande de sé-

lection et de combinaison des états des interrupteurs, cha-

que combinaison d'état d'interrupteurs correspondant à une

direction différente de faisceau-.

Aux fréquences basses, c'est-à-dire pour les appli-

cation en ondes longues (par exemple en bande X), le disposi-

tif peut être de construction hybride: les interrupteurs peuvent être des composants semi-conducteurs discrets Les

dipoles peuvent alors être constitués par une pellicule mé-

tallique mince ou épaisse sur une céramique telle que l'a-

lumine. Aux fréquences élevées, c ' est-à-dire en ondes; courtes, (par exemple en bande Q), le dispositif peut être intégré les interrupteurs peuvent être incorporés dans un matériau

semi-conducteur et intégrés au métal de l'antenne.

Dans une constitution intégrée, le corps commun peut être un matériau semi-conducteur à constante diélectrique élevée, par exemple du silicium Si à haute résistivité (dû 10) ou de l'arséniure de gallium Ga As ( Et 12) On peut également utiliser un corps commun constitué par un

composite de matériau semi-conducteur et de matériau diélec-

trique isolant, le matériau semi-conducteur étant placé en-

tre le réseau et le matériau diélectrique Le matériau dié-

lectrique isolant du composite présente avantageusement des pertes diélectriques faibles, une conductibilité thermique

élevée et une constante diélectrique proche de celle du ma-

tériau semi-conducteur A titre d'exemple de tel composite, on peut citer le siliciun -ou l'arséniure de gallium fixés sur une

céramique d'alumine de haute pureté ( 6 10) ou sur une cé-

ramique d'oxyde de béryllium ( Ece 7) Dans tous ces cas, le

matériau semi-conducteur sert à incorporer les interrup-

teurs et aussi à propager le rayonnement incident et le

rayonnement réémis.

Dans une autre disposition intégrée, souvent préfé-

rable, on monte le réseau entre le matériau semi-conducteur et le corps commun Dans ce cas, on choisit avantageusement un matériau constitutif du corps commun ayant une constante

diélectrique notablement supérieure à celle du matériau se-

mi-conducteur de façon que le corps commun constitue le 4 -

milieu de propagation principal pour les rayonnement inci-

dent et rerayonné A titre d'exemple on peut citer le si-

licium sur le titanote de baryum ( 6 E 39).

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la

description qui suit de modes particuliers d'exécution de

l'invention, donnés à titre d'exemple non limitatif La

description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans

lesquels: la figure 1 est une vue en coupe d'un relais de

transmission comportant un réseau d'éléments émetteurs-ré-

cepteurs intégrés; la figure 2 est une vue en plan d'une fraction du réseau, vue suivant le plan X-X perpendiculaire à la figure '1; la figure 3 est une vue à grande échelle montrant

l'un des éléments émetteurs-récepteurs des figures précé-

dentes; la figure 4 est une vue en coupe d'un interrupteur

à diode PIN, interrupteur inclus dans l'élément émetteur-

récepteur de la figure 3; la figure 5 est un schéma montrant des éléments émetteurs-récepteurs reliés par un jeu de conducteurs de commande de polarisation; la figure 6 est une vue en perspective simplifiée montrant un réseau d'éléments émetteurs-récepteurs, faisant apparaître les axes reliant les noeuds du réseau;

les figures 7 et 8 montrent deux dispositions de ré-

flecteurs utilisés avec un réseau d'éléments émetteurs-ré-

cepteurs; la figure 9 montre les courbes représentatives de la variation d'un paramètre d'amplitude de faisceau IFI en fonction d'un paramètre directionnel z, pour différentes combinaisons d'interrupteurs d'émetteurs-récepteurs, B 1,B 2, B 3

la figure 10 est une vue en plan d'un élément émet-

teur-récepteur modifié; et la figure 11 est une vue en coupe d'un relais de -

transmission multimode constituant une variante du disposi-

tif montré en figure 1.

Le relais de transmission 1 montré en figures 1 et 2

est destiné au pointage d'un faisceau électromagnétique.

Dans le mode avantageux de réalisation représenté, un réseau d'éléments émetteurs-récepteurs 3 est monté sur la surface d'une microplaquette ou "puce" de semi-conducteur et est placé entre la surface de la puce 5 et la surface d'un corps composite 7 ' d'un matériau diélectrique isolant, corps formé de deux composants optiques 9 et 11 Le matériau du corps composite, ou du moins le matériau du composant 9 en

regard du réseau, a une constante diélectrique 61 notable-

ment plus faible que la constante diélectrique 62 du maté-

riau de la puce de semi-conducteurs, c'est-à-dire que E 1 " F 2; et le corps composite 7 est soit fixé en contact intime avec le réseau d'éléments émetteurs-récepteurs 3, soit fixé à proximité immédiate du réseau Cela étant, les

éléments émetteurs-récepteurs 3 présentent un couplage ra-

diatif très prédominant du côté du réseau face au corps com-

posite 7 Le corps composite '7 sert ainsi non seulement de milieu de propagation pour le rayonnement incident, mais

aussi de milieu de propagation pour le rayonnement rerayon-

né par le réseau d'éléments ( 3)(Electronics letters, volume

17, N O 20, pages 729-731, octobre 1981).

La puce de semi-conducteur 5 est collée sur un bloc métallique 13 pour assurer un bon contact thermique et permettre l'extraction efficace de la chaleur dissipée

dans le réseau d'éléments émetteurs-récepteurs 3 L'épais-

seur de la puce 5 doit être supérieure à un minimum fixé par la condition que les propriétés des antennes dipoles des

émetteurs-récepteurs 3 ne doivent pas être affectées nota-

blement par la proximité du bloc métallique 13 et des élé-

ments émetteurs-récepteurs 3 Le calcul montre qu'il suf-

fit d'une épaisseur de puce de 400 microns dans le cas d'une constante diélectrique du semi-conducteur proche de

12 (par exemple pour Si ou Ga As) à une fréquence de 35 G Hz.

6 -

Cette épaisseur minimale varie comme l'inverse de la fréquen-

ce Aux fréquences basses, o une épaisseur de semi-conduc-

teurs beaucoup plus forte peut être un inconvénient, on peut interposer une couche diélectrique entre le bloc métallique 13 et la puce de semi-conducteur 5 de façon à augmenter la distance entre le métal et les émetteurs-récepteurs Une cale de céramique d'alumine de haute pureté est appropriée

dans le cas d'une puce de silicium.

Le réseau d'éléments émetteurs-récepteurs 3 est cou-

plé au champ de rayonnement d'une antenne d'émission 15 tans la

disposition compacte représentée, cette antenne 15, consti-

tuée par un dipole, est montée sur une des faces du corps composite 7 et le rayonnement R de cette antenne 15 est renvoyé sur le réseau par un miroir courbe 17 incorporé dans le corps composite 7 entre les composants optiques 9 et 11 Le miroir 17, constitué par un réseau de bandes

métalliques parallèles, exerce une sélection suivant la pola-

risation Les bandes sont placées parallèlement au plan de polarisation du rayonnement émis Rt provenant de l'antenne

dipole d'émission 15, de sorte que le rayonnement est réflé-

chi vers le réseau d'éléments pour cette polarisation La po-

sition du miroir 17 par rapport à l'antenne d'émission 15, son inclinaison et sa courbure sont choisies de façon que le rayonnement provenant de l'émetteur 15 soit collecté et

renvoyé sur le réseau d'éléments 3 sous forme d'un fais-

ceau collimaté On verra plus loin que le rayonnement est absorbé et rerayonné lorsque le rayonnement émis Rt tombe sur les éléments émetteursrécepteurs 3 Le plan de polarisation du rayonnement réémis Rr est orthogonal à celui du rayonnement incident Ce rayonnement re rayonnné R n'est en conséquence r

pas réfléchi par le miroir 17 du fait de son caractère sé-

lectif, car le plan de polarisation est transversal aux ban-

des métalliques et non pas parallèle à ces bandes Le rayon-

nement re-rayonné Rr est au contraire réfracté à l'interface entre les composants 9 et 11 du corps composite 7, et couplé au champ de rayonnement du milieu ambiant 19, qui -7 -

est généralement l'air.

On peut citer,comme exemple représentatif de cette constitution avantageuse, un relais destiné à fonctionner en bande Q (environ 35 G Hz)à une puissance réfléchie maximale de 200 W Le relais comporte une puce 5 de silicium semi- conducteur ( E 29 10) de 400 microns d'épaisseur et de l cm 2, fixée sur un puits de chaleur en cuivre 43 On utilise un corps composite de céramique de titanote de baryum ( Ba 2 Ti 9 O 20) pour lequel dû 39,5 Le jeu entre ce corps 7 et le réseau d'éléments 3 est compris entre O et 5 microns Un

intervalle représentatif de centre à centre entre les élé-

ments émetteurs-récepteurs 3 pour la fréquence nominale de

G Hz est de 800 microns.

La figure 3 montre en plan, à grande échelle, l'un des éléments émetteurs-récepteurs 3 du relais 1 Chaque

éléments 3 comprend deux dipoles croisés 20 et 21, per-

pendiculaires l'un à l'autre Le dipole 20 a deux bras sé-

parés 22 et 24 en feuille métallique de forme rectangulai-

re,formés par dépôt de métal à la surface de la puce de se-

mi-conducteur 5 Pour éviter la formation de composés in-

termétalliques, une couche barrière 6 de matériau isolant

est placée-entre le semi-conducteur de la puce 5 et le mé-

tal des éléments émetteurs-récepteurs 3 Il peut s'agir d'une couche de 0,5 micron d'oxyde de silicium formé par

croissance thermique sur le silicium semi-conducteur L'é-

paisseur est suffisante pour assurer un isolement chimique, mais assez faible pour n'avoir pas d'effet appréciable sur les propriétés électriques des dipoles d'antenne 20 et 21 dans le relais 1 L'autre dipole 21 a deux bras 23 et 25

La longueur de chaque dipole 20 ou 21 est choisie en fonc-

tion de la fréquence nominale L'idéal serait que les deux

longueurs soient telles que les deux dipoles 20 et 21 réson-

nent à la fréquence nominale, chacun agissant comme un dipo-

le résonnant en courant en demi-onde La longueur de réson-

nance en dernt-olie Aeff est donnée par la relation simple -8- eff 2 vac /7 (el + E 2) 2 si 1 " 2

Dans ces expressions, les symboles Avac et A dési-

gnent respectivement la longueur d'onde dans le vide et dans le corps diélectrique 7 (composant 9) La fréquence de résonance Fr d'un dipole, définie comme la fréquence à laquelle l'impédance du dipole est purement résistive, est légèrement inférieure à la fréquence f O pour laquelle 1 A est égal à la longueur du dipole La réduction dépend 2 ef f de la largeur du dipole Par exemple, pour un dipole ayant

une largeur égale à 10 % de sa longueur, la fréquence de ré-

sonance fr est d'environ 85 % de f O Pour que le rende-

ment de transfert de puissance d'un dipole à l'autre soit

maximal, il faut que les impédances des dipoles soient com-

plémentaires, c'est-à-dire que les parties résistives soient égales et les parties réactives égales et opposées Lorsque

les dipoles 20 et 21 ont des dimensions égales, leurs im-

pédances sont les mêmes En conséquence, pour assurer le meilleur rendement de transfert de puissance possible, ils doivent avoir tous deux des impédances purement résistives,

c'est-à-dire que la fréquence de fonctionnement doit être é-

gale à Fr ou proche de F r Une variante consiste à donner des longueurs inégales aux dipoles 20 et 21, le dipole long ayant une réactance inductive et le dipole court une

réactence capacitive Les résistances doivent être sensible-

ment égales, ce que l'on peut obtenir aussi longtemps que

les longueurs des dipoles ne sont pas trop différentes, ty-

piquement aussi longtemps que la différence relative est in-

férieure à 20 %.

Les dipoles 20 et 21 sont reliés par un jeu 30

d'éléments interrupteurs commandés 32 à 35 Les interrup-

teurs -32, 33, 34 et 35 sont reliés chacun entre deux bras adjacents formant une paire, respectivement dans les paires 22 23, 23 24, 24 - 25 et 25 22 Ils sont disposés en cercle à l'intérieur des deux dipoles croisés 20 et 21 Le jeu 30 d'interrupteurs de commande 32 35 permet de 9 transférer la puissance provenant d'un des dipoles 20 et 21

(dipole 20 par exemple) à l'autre (dipole 21 par exemple).

Pour que le rendement de transfert soit élevé, il est néces-

saire que chacun des interrupteurs 32 et 35, lorsqu'il est fermé, c'est-à-dire conducteur, ait une impédance à haute fréquence (à la fréquence nominale) faible par rapport à l'impédance de rayonnement de l'élément émetteur-récepteur 3 L'impédance de l'interrupteur, lorqu'il est ouvert,

c'est-à-dire non conducteur, est aussi élevée que possible.

Les interrupteurs 32 a 35 sont disposés de façon à être commandés pour que l'une des paires opposées 32 et 34 soit

fermée lorsque l'autre paire 33 et 35 est ouverte et réci-

proquement La commande est assurée par des signaux appro-

priés, en courant continu ou à basse fréquence.

La figure 4 montre la constitution d'un interrupteur approprié 32, constitué par une diode PIN L'interrupteur à diode PIN 32 est réalisé dans la puce de semi-conducteur et présente des contacts métalliques formés par des doigts

22 et 23 L'interrupteur 32 comporte une couche 37 en-

terrée, enrichie en dopant n+ et une région de connexion 39 à diffusion de dopantn qui s'étend entre la zone enterrée 37 et la surface de la puce de semi-conducteur 5 Un contact ohmique est formé entre la région de connexion 39 et l'un des contacts métalliques, par exemple le doigt 23,' par une fenêtre dans la barrière 6, de façon à constituer

l'un des pales de l'interupteur 32 L'autre pôle de l'in-

terrupteur est constitué par une autre région 41 enrichie

en dopant par diffusion, ayant une polarité différente, ty-

pe p, qui constitue un contact ohmique avec l'autre contact de sortie d'interrupteur à travers une seconde fenêtre de la barrière 6 Une région 43 de semi-conducteur à bas niveau de dopage, prise en sanwich entre la région p 41

et la couche enterrée 37, dont l'épaisseur est habituelle-

ment de 1 à 2 microns et le diamètre de 10 à 20 microns, constitue la région I de la diode On rend la région 43 conductrice par application d'un courant de polarisation -

direct aux contacts d'interrupteur 22 et 23 On obtient l'é-

tat non conducteur (c'est-à-dire un état de haute impédance) par application d'une tension de polarisation inverse Dans

cet état le courant de polarisation inverse est très faible.

A titre de variantes d'interrupteur appropriées présentant des impédances haute et basse en haute fréquence, on peut citer

(i) transistors bopolaires, par exemple N pn, et à une ré-

gion de base épaisse et à fort dopage Un signal de commande

en tension, est appliqué entre la région p et l'une des ré-

gions N ou les deux.

(ii) diode à barrière Schottky, dont l'impédance en haute

fréquence diminue notablement lorsque la polarisation direc-

te augmente.

(iii) transistors à effet de champ, dans lesquels les ré-

gions de source et de drain sont reliées aux bras de dipoles d'antenne et la tension de polarisation est appliquée à la

porte pour commander l'impédance entraînée par la source.

La commande de polarisaition pour les diodes PIN, constituant les interrupteurs 32 à 35, est fournie par un circuit logique intégré dans le matériau semi-conducteur à

la périphérie de la puce 5 La disposition des liaisons en-

tre le circuit logique et les interrupteurs 32-35 des élé-

ments émetterus-récepteurs 3 est représentée en figure 5.

Pour simplifier le dessin du circuit logique 45 et pour iso-

ler les interrupteurs 32 à 35 constitués par des diodes, on subdivise chacun des bras 32 à 35 en deux bandes isolées en

continu, 22 A et 22 B à 25 A et 25 B A condition que les frac-

tions de bras soient proches, il existe un couplage réactif notable entre les deux fractions en forme de bandes A et B

en haute fréquence et chaque bras se conduit comme s'il n'é-

tait pas fractionné Si on le désire, on peut augmenter le couplage réactif et ajuster les impédances en recouvrant chaque bras fractionné d'une électrode isolée en forme de bande métallique (non représentée) Les fractions de bras il - isolées 22 A, 22 B, 24 A, 24 B des dipoles 20 sont reliées par

paires à des liaisons de masse commune, formées par des con-

ducteurs 45, par des résistances 47 placées en parallèle de Kni en feuille Les fractions de bras isolées 23 A 23 B 25 A et 25 B des autres dipoles sont reliées par paire, chacune à un conducteur de tension 49, un conducteur correspondant à chaque élément émetteur- récepteur 3 Les signaux de tension -V sont appliqués à chacun des conducteurs 49 pour fournir

une polarisation appropriée Les interrupteurs à diode 32-

35 sont disposés tête-bêche dans une configuration à boucle.

Ainsi, lorsqu'on applique une tension V, une paire d'inter-

rupteurs opposés est fermée (paire 32 et 34 lorsque la ten-

sion -V est appliquée et paire 33 et 35 lorque la tension +V

est appliquée) tandis que les interrupteurs opposés de l'au-

tre paire sont ouverts (paire 33 et 35 pour -V, paire 32 et

34 pour +V) On peut ainsi utiliser une combinaison d'inter-

rupteurs différente pour chaque élément émetteur-récepteur,

suivant qu'on applique une tension plus ou moins V La répar-

tition des différentes combinaisons d'interrupteurs est fi-

xée par les sorties du circuit logique Ce circuit logique est prévu pour les diverses combinaisons afin de réaliser

des déflexions différentes du faisceau re-rayonné.

Le pas du réseau, c'est-à-dire l'écartement de centre à centre d entre les éléments émetteurs-récepteurs 3, est

choisi à une valeur proche de la longueur d'onde, du rayon-

nement dans le corps diélectrique composite 7 (composant 9).

Pour des pas d inférieurs àX, le réseau d'éléments émet-

teurs-récepteurs 3 présente une section de capture très ef-

ficace du rayonnement incident Mais cette section de captu-

re décroîtrait pour d> X Pour laisser de la place aux con-

nections du circuit de commande périphérique et pour mainte-

nir à une valeur basse le couplage entre émetteur-récepteur,

il faut que le pas d soit sensiblement supérieur à la lon-

gueur de dipole x/I 2 En conséquence le choix de d C A s'en

déduit comme une contrainte naturelle constituant un compro-

mis entre les diverses exigences.

12 - Au cours du fonctionnement, le rayonnement incident I/P est dirigé sur le réseau avec un plan de polarisation parallèle au dipole 20, les antennes de dipoles de réception du réseau Les interrupteurs opposés 32 et 34 sont fermés tandis que les-interrupteurs 33 et 35 sont ouverts Pour cette première combinaison d'interrupteurs, les bras 22 et 23 sont reliés et les bras 24 et 25 sont reliés Ainsi le courant passant dans la direction y positive dans le dipole

* , comme cela est indiqué, provoque le passage d'un cou-

rant dans la direction x négative dans le dipole 21 Le plan de polarisation du signal re-rayonné est orthogonal

à celui du rayonnement incident et correspond à une rota-

tion de + 900 On inverse les états d'interrupteurs, les in-

terrupteurs opposés 32 et 34 étant ouverts et les autres fermés Pourcette seconde combinaison d'interrupteurs, les

bras 22 et 25 sont reliés et les bras 23 et 24 sont reliés.

Dans ce cas le courant passant dans la direction y positive dans le dipole 20 provoque un courant dans la direction x

positive dans le dipole 21 Comme ci-dessus, le plan de po-

larisation du signal re-rayonné est orthogonal à celui du

rayonnement incident, mais il correspond à une rotation in-

verse de 900 Il y a donc un déphasage de 180 entre les

deux combinaisons d'interrupteurs possibles On utilise cet-

te propriété pour reconstruire un faisceau directionnel La forme et la direction du faisceau re-rayonné dépendront de

la combinaison d'interrupteurs choisie (c'est-à-dire des di-

vers déphasages de O ou 1800 introduits pour chaque élément émetteurrécepteur du réseau) et aussi de la direction du rayonnement incident, de la dimension et du pas du réseau émetteur-récepteur On donnera maintenant quelques exemples

illustrant cette dépendance.

On considérera tout d'abord le réseau émetteur-récep-

teur 4 x 4 montré en figure 6 Les axes de référence z et

y sont parallèles aux axes du réseau et chaque émetteur-ré-

cepteur 3 est disposé de façon que l'axe de son dipole ra-

diatif 21 fasse un angle f' avec l'axe du réseau x Les 13 -

émetteurs-récepteurs 3 sont disposés suivant un réseau car-

ré avec un pas d On choisit la direction du rayonnement

incident pour qu'elle soit dans le plan contenant les dipo-

les de re-radiation 21 et l'axe z (direction normale au plan du réseau) La direction incidente fait un angle O '

avec l'axe z Le rayonnement incident est polarisé parallè-

lement aux dipôles récepteurs 20.

On a fait quelques hypothèses de base pour simpli-

fier la représentation:

a) le rayonnement incident est une onde plane d'ampli-

tude uniforme sur toute la surface du réseau; b) le couplage entre émetteur-récepteursadjacents 3 est négligeable: c) le diagramme polaire d'amplitude f (e,Y) de chaque

onde réémise-est similaire a celle d'un dipôle isolé.

d) l'amplitude de chaque onde re-rayonnée est égale, au

signe près, à l'amplitude de l'onde incidente reçue, le dé-

phasage étant O ou 180 .

On peut représenter les différents déphasages affi-

chés par une matrice A 4 x 4; les coefficients anm' avec n

compris entre 1 et 4 et m compris entre 1 et 4, de la matri-

ce sont égaux à + 1 On introduit une simplification supplé-

mentaire en ramenant la matrice à une matrice fournie par

le produit de deux vecteurs de ligne, un vecteur de colon-

ne B (coefficient bn, avec N = 1 à 4) et un vecteur de li-

gne C (coefficient Cm, avec m = 1 à 4), les coefficients b et c ayant la valeur + 1 En d'autres termes, a =b C n m n,m N m Le diagramme polaire R (O,f) de puissance re-rayonnée est alors donné par l'expression suivante: R(e,%) = f( 6,q) * Fx( 0,q O'') * F(e,,',' ') x Eb exp {jkdn(sin 8 cos 4 + sin e' cos 4 ')} n= 1 F= c cexp {jkdm(sin in N S + sin or sin ')}; n= 11 14 - Dans ces formules K est le vecteur d'onde 21/- pour

le rayonnement dans le corps diélectrique 9.

Si le rayonnement incident est normal au réseau, c'est-à-dire si 01 = 0, les expressions de Fx et Fy sont tel-

les que le module de F est le même pour I <f,-' r s Yr et x J

f.r 1 t et le module de F est également le même pour ces va-

leurs de f Cela signifie que, une fois les coefficients bn et Cm choisis, il y aura quatre faisceaux re-rayonnés de

puissance égale Ce ne sera pas le cas pour d'autres direc-

tions de faisceaux incidents, pour lesquelles e'> O Mais

une dégénérescence d'ordre 2 interviendra toujours si la di-

rection du faisceau incident se trouve dans le plan xz ou yz, c'est-àdire si Yf' = O our T/a Si par exemple Cf = 0, les modules de F et F sont les mêmes pour Y 9 = 1 et f= Yp x y 12

Pour les applications en simple faisceau, les fais-

ceaux re-rayonnés peuvent être redirigés et combinés par un arrangement approprié d'un réflecteur ou de plusieurs La

figure 7 montre un exemple: la direction du-rayonnement in-

cident est dans un plan contenant l'un des axes de réseau et la normale au plan du réseau, mais elle est inclinée par rapport à la normale au plan du réseau Dans ce cas, il y a deux faisceaux re- rayonnés symétriquement par rapport au plan contenant le faisceau incident et la normale au réseau On

constitue un miroir 51 sur une face latérale du corps dié-

lectrique 9 Cette face est parallèle au plan contenant le

faisceau incident et la normale au réseau Le miroir 51 ré-

fléchit l'un des faisceaux re-rayonnés dans une direction

parallèle à l'autre faisceau re-rayonné.

On peut constituer le miroir 51 par métallisation de

la surface du corps diélectrique 9 Une autre solution con-

siste à laisser la surface non métallisée et à utiliser la

réflexion interne à l'interface diélectrique/air Cette solu-

tion est immédiate, car le faisceau re-rayonné sera très faible pour les faisceaux inclinés de plus de 40 sur la

normale-au plan du réseau émetteur-récepteur Pour une sur-

face de miroir normale au plan du réseau, les angles d'inci-

- dence pour lesquels le rayonnement est à réfléchir dépassent

, c'est-à-dire bien plus que l'angle critique.

Une variante de ce procédé, pour un dispositif radia-

teur à quatre faisceaux, consiste à utiliser deux miroirs 53, 55 destinés à recombiner les faisceaux R 1 à R 4 Dans une dis- position avantageuse (figure 8) le faisceau de rayonnement

incident est perpendiculaire au plan du réseau Les disposi-

tions à miroir ont l'avantage que les faisceaux re-rayonnés se combinent en un seul faisceau principayconcentré Cela contrebalance les inconvénients d'une couverture angulaire restreinte et la présence de franges d'interférence dans le

faisceau résultant.

Au lieu d'utiliser des miroirs, on peut aligner le faisceau incident obliquement par rapport à la normale au réseau, dans un plan normal au réseau qui n'est parallèle à aucun des axes du réseau On favorise ainsi l'un des quatre

faisceaux, comme le montre la figure 9, qui donne la fonc-

tion 1 Fx()12 pour un angle incident O ' = 20 et un angle de réseau È' = 45 , pour trois jeux de vecteurs de coefficients différents B

-B 1: ( 1, 1, 1, 1)

B 2: ( 1, 1, -1, -1)

B 3 ( 1, -1, 1, -1)

Les vecteurs C, c'est-à-dire C 1 à C 3 sont choisis à

partir des memes trois jeux, ce qui donne un total de 9 com-

binaisons d'interrupteurs différentes A 1 à Aà, définies par les produits B, C 1, 31 '12 etc jusqu'à B C 3 Pour le premier jeu B 1, on a des maxima pour z = 0, 1,

c'est-à-dire poursine cos = -a ou 1-a (avec 2 = sur 20 , cos 45 ).

Il faut relever que seule la valeur -à donne un pic de rayonnement important L'autre correspond à une valeur de

O d'au moins 50 , pour laquelle la fonction d'amplitude po-

laire de dipoles f( 0,f) est toujours faible Dans ce cas, comme pour les autres jeux B 2 et B 3, il y a une direction de faisceau dominante On se retrouve dans le même cas pour les jeux C 1 à C On peut donc sélectionner en tout un 1 3. 16 - total de neuf faisceaux différents, en appliquant l'une des

neuf combinaisons d'interrupteurs différentes.

La commande du faisceau re-rayonné n'est pas idéale car le facteur de modulation introduit en chaque point du réseau est restreint à 1 'une des deux valeurs + ou -1 correspon-

dant à des déphasages discrets de 0 et 18-00 On peut ac-

croitre la flexibilité en introduisant d'autres valeurs de déphasage Ainsi sur la figure 10 la longueur électrique de l'un des dipoles émetteurs-récepteurs 20 est variable par échelon Des interrupteurs supplémentaires 62 et 64 sont

prévus chacun dans un bras de dip Ule 22 et 24 Les inter-

rupteurs 62 64 sont commutés ensemble, indépendamment des

quatre interrupteurs centraux 32 à 35.

Une modification de longueur change l'impédance des

dipoles, l'effet principal à proximité de la résonnance é-

tant de modifier la réactance (un dip Ule plus court étant davantage capacitif); cela déphase le signal réémis au prix d'un défaut d'adaptation d'impédance et en conséquence une réflexion partielle de rayonnement à partir de l'antenne de

réception 20.

On peut également améliorer la forme du faisceau

réémis et la résolution en modifiant l'intensité du rayon-

nement incident sur le réseau ou en faisant varier le pas

de répartition des émetteurs-récepteurs à la surface du ré-

seau Les angles d'inclinaison des recepteurs cjf peuvent

aussi être modifiés de façon à agir sur le degré de coupla-

ge avec le rayonnement incident de place en place.

Une autre façon d'utiliser le réseau émetteur-récep-

teur 3 consiste à relier les interrupteurs 32, 33, 34 et 35 à un circuit de commande de polarisation prévu de façon que

les quatre éléments puissent être tous fermés au même mo-

ment ou ouverts au même moment La sélection s'effectue a-

lors entre quatre cas a tous les interrupteurs ouverts b) l'une des paires fermée c) l'autre paire fermée 17 -

d) tous fermés.

Lorsqu'on choisit l'état tous fermés ou tous ouverts, la sy-

métrie des antennes croisées et des interrupteurs est telle

qu'il n'y a pas de réémission de l'élément émetteur-récep-

teur avec une polarisation orthogonale pour une polarisation incidente Il y aura des composantes réémises avec la même polarisation que l'onde incidente Pour des dip 5 les résonnant en demi-onde, la section effective de l'émetteur-récepteur sera grande lorsque les quatre interrupteurs sont fermés,

car l'émetteur-récepteur est alors un dipole résonnant char-

gé par les interrupteurs, qui ont une charge beaucoup faible

que l'impédance du dipole L'élément émetteur-récepteur ren-

voie la majeure partie du rayonnement incident dans le bloc

diélectrique Si donc tous les éléments du réseau émetteur-

récepteur sont avec tous les interrupteurs fermés, le réseau

dans son ensemble agit en miroir-plan Lorsque tous les in-

terrupteurs sont àa l'état ouvert, le couplage avec le rayon-

nement est faible car les émetteurs-récepteurs sont assimila-

bles à des tronçons métalliques isolés dont la longueur est environ la moitié de la longueur de résonnance Si tous les

éléments de réseau émetteur-récepteur sont placés dans l'é-

tat "tous ouverts" le réseau devient transparent au rayonne-

ment incident.

On peut utiliser cette disposition de commutation

dans un radar dont le réseau constitue un déflecteur de fais-

ceau à changement de polarisation en mode émission, comme

cela a été indiqué plus haut En mode réception, les inter-

rupteurs des éléments émetteurs-récepteurs sont placés dans l'état ":tous fermés " et le réseau devient un miroir sans changement de polarisation On retrouve (figure 11) un corps diélectrique 7, un réseau émetteur-récepteur 3, un miroir de

sélection de polarisation courbe 17 et un émetteur dipôle 15.

En mode émission, le rayonnement provenant de l'émetteur 15 est réfléchi par le miroir de sélection de polarisation 17 vers le réseau émetteurrécepteur 3 La direction des ondes réémises à polarisation orthogonale est commandée comme cela 18 -

a été indiqué plus haut En mode réception, les interrup-

teurs d'émission-réception du réseau sont mis dans l'état

"tous fermé" et le rayonnement incident,ayant la même pola-

risation que le faisceautransmis, est réfléchi sur le ré-

seau 3 sans changement de polarisation Il se propage à tra- vers le miroir à sélection de polarisation 17 puisque sa

polarisation n'a pas été modifiée par le réseau émetteur-

récepteur 3 Ce rayonnement est collecté par une unité de réception séparée Rx 19 -

Claims (9)

REVENDICATIONS

1 Relais de transmission comprenant un réseau

d'émetteurs-récepteurs ( 3), dans lequel les émetteurs-

récepteurs ( 3) sont montés en regard de la surface d'un corps commun ( 7) de matériau à constante diélectrique élevée

et à proximité de la surface de ce corps, chaque émetteur-

récepteur ( 3) comportant u'ne paire de dipoles d'antennes métalliques plans croisés et orthogonaux, muni d'un jeu d'interrupteurs de commande ( 32-35) de liaison entre les dipoles d'une paire ( 20-21), chaque interrupteur ( 32, 33, 34,

) étant placé entre des bras de dipoles orthogonaux adja-

cents ( 22-23; 23-24; 24-25; 25-22), chaque interrupteur ayant, à l'état conducteur, une impédance en haute fréquence faible comparée à la résistance aux rayonnements des antennes ( 20, 21). 2 Relais selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps commun ( 7) est en matériau semiconducteur et en ce que les interrupteurs ( 32 à 35) y sont intégrés en tant

que composants.

3 Relais selon la revendications, caractérisé

en ce que le corps commun ( 7) est un composite de semiconduc-

teur et de matériaux isolants diélectriques, le matériau

semiconducteur étant disposé entre le réseau ( 3) et le maté-

riau diélectrique, les interrupteurs constituant des compo-

sants incorporés au semiconducteur.

4 Relais ( 1, Figure 1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réseau ( 3) est monté sur un substrat ( 5) de semiconducteur et est placé entre le substrat ( 5) et le corps commun ( 7), le corps commun étant en matériau

isolant de constante diélectrique supérieure à celle du maté-

riau semiconducteur et les interrupteurs ( 32 à 35) étant

incorporés au substrat ( 5) en tant que composant intégré.

Relais ( 1) suivant l'une quelconque des reven- dications précédentes, comprenant une antenne d'émission ( 15) et un miroir de sélection suivant la polarisation ( 17), le miroir ( 17) étant placé de façon à envoyer le rayonnement -

émis sur le réseau ( 3).

6 Relais suivant l'une quelconque des revendica-

tions précédentes, comprenant un circuit de commande, caractérisé en ce que ce circuit est disposé de façon à permettre de fermer l'une quelconque de deux paires d'inter-

rupteurs opposés ( 32 et 34; 33 et 35) pour chaque émetteur-

récepteur ( 3) et permettant de commuter des paires d'inter-

rupteurs différentes ( 32 et 34 -; 33 et 35) pour introduire

un déphasage de 00 ou 1800 entre émetteurs-récepteurs adja-

cents, suivant l'un quelconque de plusieurs arrangements

sélectionnables différents.

7 Relais suivant l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 5, caractérisé en ce que la longueur électrique

d'au moins un dipole ( 20) pour chacun des émetteu*rs-récep-

teurs ( 3) parmi plusieurs est modifiable par échelon, chaque dipole ( 20) de longueur variable ayant une partie séparée ( 22, 24) à chaque extrémité et une paire correspondante d'interrupteurs de commande supplémentaires ( 62, 64) pour permettre une liaison à la demande entre les parties

séparées et le dipole proprement dit.

8 Relais suivant la revendication 7, comprenant un circuit de commande, caractérisé en ce que ce circuit est réalisé de façon à fermer des paires différentes d'interrupteurs de commande opposées ( 32 et 34; 33 et 35)

et différentes paires d'interrupteurs de commande supplé-

mentaires ( 62, 64) suivant l'une quelconque de plusieurs

dispositions sélectionnables différentes.

9 Relais suivant la revendication 6 ou 7,-caracté-

risé en ce qu'il comprend au moins un réflecteur (disposé par rapport au réseau de façon à renvoyer un faisceau re-rayonné dans la direction d'un autre faisceau re-rayonné simultanément. Relais suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend une paire de réflecteurs orthogonaux ( 53, 55) disposés par rapport au réseau ( 3) pour renvoyer dans une seule direction tous les faisceaux re-rayonnés

(Rl à R 4).

11 Relais suivant l'une quelconque des revendications

21 - 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de commande réalisé de façon à commuter les interrupteurs de commande ( 32 à 35) entre un état "tous fermés" et un

état "tous ouverts".

12 Relais suivant la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend un émetteur (TX), un récepteur (RX) et un miroir sélectif suivant la polarisation ( 17) disposé

de façon que, lors du fonctionnement alors que les inter-

rupteurs ( 32 à 35) sont dans l'état "tous fermés", le

relais fonctionne en mode réception, tandis qu'il fonc-

tionne en mode émission lorsque les interrupteurs ( 32 à

) sont dans l'état "tous ouverts".