FR2734409A1

FR2734409A1 - EM wave phase shifting method for wave emitted by microwave source

Info

Publication number: FR2734409A1
Application number: FR8108676A
Authority: FR
Inventors: Jacques Saint; Gerard Collignon
Original assignee: D ETUDE DU RADANT Ste
Current assignee: D ETUDE DU RADANT Ste
Priority date: 1981-04-30
Filing date: 1981-04-30
Publication date: 1996-11-22
Anticipated expiration: 2001-04-30
Also published as: GB2462870B; GB8205303D0; GB2462870A; FR2734409B1

Abstract

The method involves using a network of parallel, dielectric plates which are placed in a generated EM beam. Each plate is a half wavelength from the next and forms a number of elementary channel waveguides (2), separated by metallic surfaces (1). There is parasitic coupling between adjacent plates. Each plate has an array of diodes which can be switched as required to provide phase steering. The parasitic coupling is aided by a wire structure placed between the metallic structure and the transmission plates.

Description

La présente invention a essentiellement pour objet un procédé et un dispositif permettant de produire un balayage électronique dans le plan perpendiculaire au champ électrique d'un faisceau d'ondes électromagnétiques hyperfréquence. The present invention essentially relates to a method and a device for producing an electronic scan in the plane perpendicular to the electric field of a beam of microwave electromagnetic waves.

Dans un brevet précédent numéro 2 063 967 déposé le 15 octobre 1969, on a déjà décrit un procédé permettant le balayage électronique d'un tel faisceau d'ondes par l'utilisation de réseaux de fils électriques conducteurs parallèles au vecteur champ électrique de l'onde hyperfréquence portant de distance en distance des interrupteurs contrôlables tels en particulier que des diodes permettant de rendre continus ou discontinus lesdits fils et d'introduire en conséquence un déphasage différent de l'onde hyperfréquence selon que les diodes sont passantes ou bloquées. En disposant plusieurs réseaux ainsi constitués les uns derrière les autres, on arrive à faire un balayage électronique par incréments du faisceau. In a previous patent number 2 063 967 filed on October 15, 1969, a method has already been described allowing the electronic scanning of such a wave beam by the use of networks of conductive electric wires parallel to the electric field vector of the microwave wave carrying from distance to distance controllable switches such as in particular diodes making it possible to make said wires continuous or discontinuous and consequently to introduce a different phase shift of the microwave wave depending on whether the diodes are conducting or blocked. By having several networks thus formed one behind the other, one arrives at making an electronic scanning by increments of the beam.

Cependant, les lentilles à balayage électronique réalisées de cette manière à base de panneaux diélectriques chargés de diodes et de fils présentent certains inconvénients, et plus particulièrement les suivants
1- Les lois de phase à appliquer à la lentille par polarisation d'un certain nombre de fils à diodes ne suivent les lois théoriques qu'approximativement. Pour obtenir un rayonnement secondaire acceptable, il est alors nécessaire de modifier la loi de phase linéaire théorique, ce qui implique une mise au point expérimentale de chaque pointage désiré du faisceau et le stockage de chaque état de phase dans les mémoires de l'ordinateur de commande. Cette procédure est longue et coûteuse.However, electronic scanning lenses produced in this way on the basis of dielectric panels loaded with diodes and wires have certain drawbacks, and more particularly the following
1- The phase laws to be applied to the lens by polarization of a certain number of diode wires only follow the theoretical laws approximately. To obtain an acceptable secondary radiation, it is then necessary to modify the theoretical linear phase law, which implies an experimental development of each desired pointing of the beam and the storage of each phase state in the memories of the computer. ordered. This procedure is long and expensive.

2- Après optimisation expérimentale comme indiqué ci-dessus des lois de phase, les diagrammes de rayonnement obtenus expérimentalement sont dégradés par rapport aux diagrammes théoriques. En particulier, le gain de l'antenne chute de façon plus importante que prévu avec le dépointage de l'antenne, et le rayonnement secondaire obtenu est plus élevé qu'il n'était attendu. 2- After experimental optimization as indicated above of the phase laws, the radiation diagrams obtained experimentally are degraded compared to the theoretical diagrams. In particular, the gain of the antenna drops more significantly than expected with the depointing of the antenna, and the secondary radiation obtained is higher than expected.

L'invention a pour objet un procédé et dispositif permettant de produire un balayage électronique dans le plan perpendiculaire au champ électrique d'un faisceau d'ondes électromagnétiques hyperfréquence, utilisant des réseaux de fils parallè les au vecteur champ électrique chargés de diodes, mais qui ne présentent pas les inconvénients et difficultés ci-dessus men tionnés. The invention relates to a method and device for producing an electronic scan in the plane perpendicular to the electric field of a beam of microwave electromagnetic waves, using networks of wires parallel to the vector electric field charged with diodes, but which do not have the above mentioned drawbacks and difficulties.

Le procédé de 1 invention se caractérise par rapport à l'art antérieur connu en ce qu'on divise le réseau des fils chargés d'interrupteurs contrôlables tels en particulier que des diodes, en canaux adjacents élémentaires séparés par des surfaces métalliques formant guides d'ondes et l'on groupe lesdits fils conducteurs dans lesdits canaux empêchant les phénomènes de couplages parasites d'un canal aux canaux adjacents les plus voisins, lesdits canaux ayant une largeur sensiblement équivalente à la moitié de la longueur d'onde du faisceau d'ondes électromagnétiques considérées (cette distance étant mesurée en espace libre : constante diélectrique = 1). The method of the invention is characterized in relation to the known prior art in that the network of wires charged with controllable switches such as diodes is divided into adjacent elementary channels separated by metal surfaces forming guide lines. waves and grouping said conductive wires in said channels preventing the phenomena of parasitic coupling of a channel to the most adjacent adjacent channels, said channels having a width substantially equivalent to half the wavelength of the wave beam electromagnetic considered (this distance being measured in free space: dielectric constant = 1).

Lorsqu'on organise ainsi les réseaux, les difficultés susmentionnées sont supprimées, les lois de phase à appliquer sont proches des lois théoriques attendues et les diagrammes de rayonnement sont peu dégradés, même lorsque le faisceau de l'antenne est fortement dépointé. When the networks are thus organized, the abovementioned difficulties are eliminated, the phase laws to be applied are close to the expected theoretical laws and the radiation patterns are little degraded, even when the beam of the antenna is strongly depointed.

L'invention et sa mise en oeuvre apparaîtront plus clairement à l'aide de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés dans lesquels
- la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un fragment d'un dispositif formant lentille à balayage électronique conforme à l'invention,
- la figure 2 est une vue semblable à celle de la figure 1 mais montrant seulement un canal et une manière d'y disposer les réseaux de fils déphaseurs,
- la figure 3 montre vue de dessus dans le sens de la flèche III de la figure 2 une disposition dans un canal des fils déphaseurs groupés par incréments,
- la figure 4 montre les déphasages obtenus en fonction de la fréquence autour d'une longueur d'onde considérée (3100 MHZ),
- les figures 5, 6 et 7 sont trois courbes illustrant les diagrammes de rayonnement obtenus à une fréquence déterminée (3100 MHZ) pour trois valeurs de dépointage de l'antenne.The invention and its implementation will appear more clearly with the aid of the description which follows, given with reference to the appended drawings in which
FIG. 1 is a schematic perspective view of a fragment of a device forming an electronic scanning lens according to the invention,
FIG. 2 is a view similar to that of FIG. 1 but showing only one channel and a way of arranging the networks of phase-shifting wires therein,
FIG. 3 shows a top view in the direction of arrow III of FIG. 2 an arrangement in a channel of the phase-shifting wires grouped in increments,
FIG. 4 shows the phase shifts obtained as a function of the frequency around a wavelength considered (3100 MHZ),
- Figures 5, 6 and 7 are three curves illustrating the radiation patterns obtained at a determined frequency (3100 MHZ) for three antenna deflection values.

Selon le mode de réalisation illustré aux figures 1 à 3, le dispositif formant lentille à balayage électronique est divi sé en canaux par des plaques métalliques ou métallisées paral lèles les unes aux autres et parallèles au vecteur champ électique E des ondes électromagnétiques du faisceau. Ces plaques désignées îî, 12, 1 ... délimitent entre elles des canaux 21, 22, ... à l'intérieur desquels les ondes se propagent suivant un mode d'onde guidée.Conformément à une caractéristique essentielle de l'invention, l'espacement e entre plaques adjacentes lil 12, ... est sensiblement égal à la moitié de la longueur des ondes électromagnétiques que l'on veut diriger. According to the embodiment illustrated in Figures 1 to 3, the electronic scanning lens device is divided into channels by metallic or metallized plates parallel to each other and parallel to the electric field vector E of the electromagnetic waves of the beam. These plates designated îî, 12, 1 ... define between them channels 21, 22, ... within which the waves propagate in a guided wave mode. In accordance with an essential characteristic of the invention, the spacing e between adjacent plates lil 12, ... is substantially equal to half the length of the electromagnetic waves which it is desired to direct.

Avantageusement, plus particulièrement si l'on veut pouvoir commander des dépointages importants du faisceau, et par exemple supérieures à 30 , on dispose dans chaque canal 21, 22, ... des plaques diélectriques d'un matériau approprié 31 32,--
Dans l'exemple choisi où la bande de fréquence de fonctionnement est comprise entre 2900 et 3300 MHZ, ce qui correspond à des longueurs d'ondes de l'ordre de dix centimètres, la largeur des canaux a été choisie égale à 47 millimètres. Les plaques de diélectrique utilisées ont une épaisseur de 8 millimètres et sont composées d'un matériau complexe verre-résine polyester présentant une constante diélectrique de 4,2 et un très faible coefficient de perte.La lentille expérimentale à laquelle correspondent les courbes données ci-après était composée de 32 canaux adjacents ayant une hauteur h de 60 centimètres et une profondeur p de 25 centimètres. Evidemment, ces dimensions, et plus particulièrement la hauteur de l'empilage qui n'est pas limitée, peuvent varier.Advantageously, more particularly if one wishes to be able to control significant deflections of the beam, and for example greater than 30, there are in each channel 21, 22, ... dielectric plates of an appropriate material 31 32, -
In the example chosen where the operating frequency band is between 2900 and 3300 MHZ, which corresponds to wavelengths of the order of ten centimeters, the width of the channels has been chosen equal to 47 millimeters. The dielectric plates used are 8 millimeters thick and are composed of a complex glass-polyester resin material having a dielectric constant of 4.2 and a very low loss coefficient. The experimental lens to which the curves given below correspond after was composed of 32 adjacent channels having a height h of 60 centimeters and a depth p of 25 centimeters. Obviously, these dimensions, and more particularly the height of the stack which is not limited, can vary.

Dans chaque canal sont montés les uns derrière les autres les fils-diodes utilisés. In each channel are mounted one behind the other the son-diodes used.

La figure 3 illustre une disposition satisfaisante des fils dans le canal. Dans l'exemple illustré, les diodes utilisées sont des diodes de type PIN présentant une capacité inverse de 0,2 pf. Elles sont montées en série sur des fils continus au pas de 10,16 millimètres. Le déphasage apporté par chaque fil à diodes est réglé par la position du fil dans la section du canal (t, figure 3). FIG. 3 illustrates a satisfactory arrangement of the wires in the channel. In the example illustrated, the diodes used are PIN type diodes having a reverse capacitance of 0.2 pf. They are mounted in series on continuous wires with a pitch of 10.16 millimeters. The phase shift provided by each diode wire is adjusted by the position of the wire in the section of the channel (t, Figure 3).

Le groupe 4 de deux fils 5, 6 qui constitue un déphaseur élémentaire produit ainsi un déphasage de 11,250. La distance entre ces deux fils est telle que le groupe est adapté à la transmission de l'onde hyperfréquence, comme il est connu dans la technique. The group 4 of two wires 5, 6 which constitutes an elementary phase shifter thus produces a phase shift of 11,250. The distance between these two wires is such that the group is adapted to the transmission of the microwave wave, as is known in the art.

Le groupe 7 de deux fils-diodes 8, 9 qui constitue un deuxième déphaseur élémentaire est placé dans le canal derrière le groupe 4 et produit un déphasage de 22,50, la différence de déphasage provenant de la différence de positionnement dans le canal des fils 5, 6 et 8, 9 respectivement. Les réglages se font avantageusement de manière expérimentale. The group 7 of two wire diodes 8, 9 which constitutes a second elementary phase shifter is placed in the channel behind the group 4 and produces a phase shift of 22.50, the difference in phase shift coming from the difference in positioning in the wire channel 5, 6 and 8, 9 respectively. The settings are advantageously made experimentally.

Le groupe 10 de trois fils-diodes 11, 12, 13 produit de la même manière un déphasage de 450. The group 10 of three wire-diodes 11, 12, 13 likewise produces a phase shift of 450.

Le groupe 14 de quatre fils-diodes 15 à 18 produit quant à lui un déphasage de 900. The group 14 of four wire-diodes 15 to 18 produces a phase shift of 900.

Enfin, le dernier groupe 19 de cinq fils 20 à 24 produit un déphasage de 1800. Ainsi, en alimentant dans le sens passant les diodes ou au contraire en les bloquant, on peut obtenir n'importe quel déphasage de l'onde hyperfréquence de 0 à 348,750 par incréments de 11,250 successifs en rendant discontinus les fils de tous ou certains seulement des groupes de fils-diodes 4, 7, 10, 14 et 19. Finally, the last group 19 of five wires 20 to 24 produces a phase shift of 1800. Thus, by feeding the diodes in the passing direction or on the contrary by blocking them, one can obtain any phase shift of the microwave wave from 0 to 348,750 in successive 11,250 increments by making the wires of all or some of the groups of wire-diodes 4, 7, 10, 14 and 19 discontinuous.

De façon à faciliter la construction,les fils-diodes sont avantageusement montés, comme il apparaît à la figure 2, sur des barettes de circuit imprimé par exemple en verre-époxy de 0,8 millimètres d'épaisseur fixées entre une plaque diélectrique 3 et une paroi métallique ou métallisée adjacente 1. Chaque barette 25 s'engage ainsi dans son canal par exemple par coulissement dans des rainures formées sur les parois en regard de la plaque diélectrique 3 et de la plaque métallique 1. In order to facilitate construction, the wire-diodes are advantageously mounted, as it appears in FIG. 2, on printed circuit boards, for example made of 0.8 mm thick glass-epoxy, fixed between a dielectric plate 3 and an adjacent metallic or metallized wall 1. Each bar 25 thus engages in its channel, for example by sliding in grooves formed on the walls opposite the dielectric plate 3 and the metal plate 1.

L'alimentation et la commande électrique des diodes permettant le contrôle du blocage (fil discontinu) ou le déblocage (fil continu) des diodes, se fait avantageusement de façon semblable au brevet français 2 395 620 déposé le 24 juin 1977 au nom du même demandeur en groupant les diodes sur chaque fil par petites séries de diodes montées en opposition. Par exemple, les diodes peuvent être groupées sur chaque fil en associations pa rallèles de 7 diodes en série. Si sur chaque fil sont ainsi montées 8 associations, il est possible de placer 8 x 7 = 56 diodes dont le blocage ou le déblocage pourra être commandé par une tension de commande relativement faible de l'ordre de 350 volts (soit 7 x 50 volts en inverse).Lorsque les fils doivent être continus (transparence du réseau) on commande les diodes en direct en y faisant passer un courant de 240 milliampères, (soit 8 x 30 mA en direct). The supply and the electrical control of the diodes allowing the blocking control (discontinuous wire) or the unblocking (continuous wire) of the diodes, is advantageously done in a similar manner to French patent 2,395,620 filed on June 24, 1977 in the name of the same applicant by grouping the diodes on each wire by small series of diodes mounted in opposition. For example, the diodes can be grouped on each wire in parallel pa associations of 7 diodes in series. If 8 associations are thus mounted on each wire, it is possible to place 8 x 7 = 56 diodes whose blocking or unblocking can be controlled by a relatively low control voltage of the order of 350 volts (i.e. 7 x 50 volts When the wires must be continuous (network transparency), the diodes are controlled directly by passing a current of 240 milliamps (i.e. 8 x 30 mA live) through them.

A la figure 2, on a repéré en 26 et 27 les fils d'alimentation des diodes groupées sur une barrette selon le principe décrit au brevet susmentionné 2 395 620. In FIG. 2, the supply wires of the diodes grouped on a strip have been identified at 26 and 27 according to the principle described in the aforementioned patent 2 395 620.

Cependant, dans ce brevet, les fils d'alimentation des diodes devaient être pris en compte pour la définition totale du panneau, ce qui compliquait la construction. However, in this patent, the supply wires of the diodes had to be taken into account for the total definition of the panel, which complicated the construction.

Selon la présenteinvention, ces fils sont avantageusement reportés tout contre les parois métalliques formant guides d'onde. Dans cette position, ils n'ont pas d'influence hyperfréquence, ce qui facilite la construction. A cet effet, le fil 26 est reporté sur une face du barreau 25 vers sa tranche 28 en contact de la plaque 1 et le fil 27 sur l'autre face du barreau 25 également vers sa tranche 28 au contact de la plaque 1, les fils 26, 27 étant seulement séparés par l'épaisseur du barreau. Le contact entre le fil 27 et les associations de diodes se font en prévoyant un trou métallisé à travers le barreau aux endroits nécessaires pour réaliser la jonction avec le fil 27 monté sur l'autre face du barreau, (cette réalisation n'a pas été illustrée). According to the present invention, these wires are advantageously carried over against the metal walls forming waveguides. In this position, they have no microwave influence, which facilitates construction. To this end, the wire 26 is transferred on one side of the bar 25 towards its edge 28 in contact with the plate 1 and the wire 27 on the other face of the bar 25 also towards its edge 28 in contact with the plate 1, the wires 26, 27 being only separated by the thickness of the bar. The contact between the wire 27 and the diode associations is made by providing a metallized hole through the bar at the places necessary to make the junction with the wire 27 mounted on the other face of the bar, (this realization was not illustrated).

En se reportant aux courbes de la figure 4, on voit que les courbes de déphasage dans une bande de fréquence de plus de 15% autour de la fréquence moyenne de 3 100 MHZ considérée sont très plates, ce qui signifie que le diagramme de rayonnement reste bon dans une large gamme de fréquence. Referring to the curves in Figure 4, we see that the phase shift curves in a frequency band of more than 15% around the average frequency of 3 100 MHZ considered are very flat, which means that the radiation diagram remains good in a wide frequency range.

De la même façon, les courbes des figures 5, 6 et 7 montrent que dans l'exemple considéré d'une lentille constituée de 32 canaux construits comme décrit précédemment, on a une relativement bonne conservation du diagramme de rayonnement de l'antenne qui se traduit par un lobe principal se conservant pour desdtto X:ages successifs de 20, 40 et 600 considérés, les lobes secondaires du faisceau restant dans des limites acceptables aux alentours de -40 dB et restant inférieurs a -30 dB. In the same way, the curves of FIGS. 5, 6 and 7 show that in the example considered of a lens made up of 32 channels constructed as described above, there is a relatively good conservation of the radiation pattern of the antenna which is translated by a main lobe being preserved for desdtto X: successive ages of 20, 40 and 600 considered, the secondary lobes of the beam remaining within acceptable limits around -40 dB and remaining less than -30 dB.

De nombreuses variantes peuvent être apportées au mode de réalisation illustré et décrit, notamment au niveau de la construction mécanique et de la disposition des fils diodes à l'intérieur des canaux. Many variants can be made to the embodiment illustrated and described, in particular in terms of mechanical construction and the arrangement of the diode wires inside the channels.

Ainsi, à la place des barrez de circuits imprimés, on pourrait utiliser d'autres montages, et renforcer la structure par exemple en utilisant la technique connue des panneaux sandwich alvéolés. Egalement, les plans métalliques 1 formant guides d'ondes peuvent être constitués par des feuilles plastiques métallisées au lieu d'être constitués par des feuilles métalliques, notamment pour des questions d'allégement de la structure. Thus, instead of the bars of printed circuits, one could use other assemblies, and reinforce the structure for example by using the known technique of honeycomb sandwich panels. Also, the metal planes 1 forming waveguides can be constituted by metallized plastic sheets instead of being constituted by metal sheets, in particular for reasons of lightening of the structure.

L'invention comprend donc tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont réalisées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. The invention therefore includes all the technical equivalents of the means described as well as their combinations if these are carried out according to the spirit and implemented in the context of the claims which follow.

Claims

1. Electronic method for changing the phase shift of a wave emitted by a microwave radiating source of the type using the interposition on the beam path of at least one network oriented substantially parallel to the electric field of the incident wave, of conducting wires phase shifters which can be made continuous or discontinuous via switches, controllable, such as in particular diodes, placed on these wires and controllable at will, said method being characterized in that said network is divided into adjacent elementary channels 21, 22 ... separated by metal surfaces 11, 12 ... forming waveguides and grouping said conductive wires 5, 6, 8, 9, 11-13, 15-18, 20-24 in said channels preventing the phenomena of parasitic coupling of a channel to the most adjacent adjacent channels, said channels having a width substantially equivalent to half the wavelength of the beam measured in free space.

2. Method according to claim 1, characterized in that each of said channels comprises identical groups 4, 7, 10, 14, 19 of conductive wires capable of inducing the same phase shift values for each channel.

3. Device for implementing the method according to claim 1 or claim 2, characterized in that it comprises networks of parallel conductive wires 5, 6, 8, 9, 11-13, 15-18, 20- 24 on which are mounted controllable switches, such as in particular diodes, said wires being arranged one behind the other in channels 21, 22 ... juxtaposed formed between metallic planes 11, 12 ... parallel to said networks and to the general direction of said incident beam forming waveguides spaced from each other by substantially half the wavelength of the beam.

4. Device according to claim 3, characterized in that dielectric plates 31 32 ... are arranged substantially in the median plane of said channels.

4. Device according to claim 3 or claim 4, characterized in that said controllable switches such as diodes are grouped and electrically supplied in series of small quantity themselves grouped and supplied in parallel, as known per se.

6. Device according to one of claims 3 to 5, characterized in that said controllable switches such as diodes are mounted on bars of printed circuits oriented along the height of said channels.

7. Device according to one of claims 3 to 6, characterized in that the number and the positioning of the wires in said channels are a function of the phase shift which it is desired to introduce.

8. Device according to one of claims 3 to 7, characterized in that the wires are grouped in each channel so that each group 4, 7, 10, 14, 19 when it is controlled in reverse, introduces a phase shift of the wave which is an integer multiple of a determined value for example of 11,250.

9. Device according to claim 8, characterized in that each group of wires 4, 7, 10, 14, 19 introducing a phase shift of the wave comprises at least two parallel wires.