FR2856524A1 - Dephaseur a reseau de dispositifs transversal et antennes utilisant ce dephaseur - Google Patents

Abstract

Un déphaseur à réseau de dispositifs transversal comprend une structure de guide d'ondes (70) permettant la propagation de modes d'ordre supérieur, ayant des surfaces de parois conductrices supérieure et inférieure et des première et seconde surfaces de parois latérales conductrices opposées. Au moins un réseau de dispositifs transversal (60A, 60B) est placé dans le guide d'ondes. Chaque réseau comprend un substrat diélectrique de forme générale plane (62A, 62B) sur lequel est défini un circuit à micro-ondes, et une multiplicité d'éléments déphaseurs (52) discrets et espacés, ayant une capacité variable en fonction de la tension, polarisés en inverse par un circuit de polarisation (130). Le déphaseur à réseau de dispositifs transversal produit un changement de phase de l'énergie se propageant à travers la structure de guide d'ondes.

Description

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Cette invention a été faite avec le soutien du Gouvernement des EtatsUnis dans le cadre du Contrat n F33615-97-2-1151 attribué par l'organisme Department of the Air Force. Le Gouvernement des Etats-Unis a certains droits dans cette invention.

Le développement d'un déphaseur à micro-ondes / ondes millimétriques réciproque, à faibles pertes et à faible consommation d'énergie, a constitué un problème important depuis plusieurs années. Des déphaseurs à micro10 ondes et à ondes millimétriques sont couramment réalisés en une configuration anisotrope à base de ferrite, ou en une configuration de déphaseur à lignes commutées de type discret. Bien qu'il existe certains déphaseurs numériques à des fréquences inférieures, de tels déphaseurs ne 15 s'appliquent pas directement à des fréquences micro-ondes élevées et des fréquences d'ondes millimétriques, ou exigeraient ensuite un certain type de circuits de transposition de fréquence pour réaliser l'effet de déphasage. De plus, les unités à base de ferrite présentent 20 une caractéristique d'hystérésis dans les phénomènes de déphasage, en fonction de l'impulsion de courant de polarisation. Cet effet d'hystérésis exige d'appliquer au déphaseur deux grandes impulsions de courant de polarisation, de plusieurs ampères de courant de crête. 25 L'amplitude de l'impulsion de polarisation exige généralement des circuits électroniques de polarisation externes de forte puissance. Un autre déphaseur est un déphaseur à lignes commutées, basé sur des transistors. La perte d'insertion est un problème, en particulier à des 30 fréquences d'ondes millimétriques et de micro-ondes élevées. Des déphaseurs à fibre optique sont également employés, mais la forte atténuation du signal pendant la conversion exige une amplification de signal notable, ce qui rend une telle approche très coûteuse; ici encore, 35 cette approche est non réciproque. Des céramiques diélectriques variables en fonction de la tension, comme le titanate de baryum - strontium, ont été utilisées, mais les milliers de volts exigés pour la polarisation et la perte d'insertion élevée en font un choix médiocre.

Un autre problème a été la réalisation d'une 5 antenne à balayage électronique (ou ESA pour "Electronically Scanned Antenna") peu coûteuse pour des applications qui ne pourraient pas admettre le coût et la complexité d'un réseau actif basé sur des modules d'Emission / Réception (E/R) ou d'un réseau à déphasage à 10 base de ferrite, pour réaliser un balayage électronique de faisceau. Ces applications comprennent des radars peu coûteux pour des engins volants sans pilote et des systèmes de communication, comme des systèmes de communication point à multipoint.

Le balayage électronique d'une configuration de faisceau de rayonnement est généralement réalisé soit avec des réseaux actifs basés sur des modules d'Emission / Réception (E/R), soit avec des antennes à balayage électronique qui emploient des réseaux à déphasage à base 20 de ferrite. Le déphaseur est placé derrière chaque élément rayonnant dans le réseau. Les deux procédés emploient des composants coûteux, des moyens d'alimentation complexes et coûteux et sont difficiles à assembler. De plus, les circuits électroniques de polarisation et l'ordinateur de 25 pointage de faisceau associé sont relativement complexes.

D'autres procédés pour réaliser le pointage de faisceau sont la lentille de Rotman basée sur des diodes PIN, et la lentille à diélectrique variable en fonction de la tension.

Cette dernière emploie le titanate de baryum - strontium 30 (BST). Le BST est un système de matériau diélectrique, variable en fonction de la tension, permettant de réaliser le pointage de faisceau. Les deux exigent une polarisation avec un courant élevé ou une tension élevée (10 000 volts), et ont également une perte d'insertion élevée. La perte 35 d'insertion élevée conduit à une antenne à faible rendement et faible gain, et limite sévèrement l'application pratique de ces technologies pour des antennes à balayage électronique.

Un autre problème depuis de nombreuses années a été la réalisation d'une antenne à ondes stationnaires à large 5 bande. Bien que l'antenne à ondes stationnaires soit une architecture efficace, la nature dépendante de la fréquence de la terminaison en court-circuit de cette topologie d'antenne limite son utilité.

On décrira un déphaseur à réseau de dispositifs 10 transversal qui, dans un exemple de mode de réalisation, comprend une structure de guide d'ondes fonctionnant sur des modes d'ordre supérieur, ayant une surface de paroi large conductrice supérieure, une surface de paroi large conductrice inférieure, et des première et seconde surfaces 15 de parois latérales conductrices opposées. Au moins un circuit à réseau de dispositifs transversal est positionné dans le circuit de guide d'ondes. Chaque circuit comprend un substrat diélectrique de forme générale plane sur lequel est défini un circuit micro-onde, et une multiplicité 20 d'éléments à capacité variable en fonction de la tension, discrets et espacés, par exemple des dispositifs à jonction de semiconducteur. Le substrat est disposé à l'intérieur de la structure de guide d'ondes, de façon générale transversalement aux surfaces de parois latérales. Un 25 circuit de polarisation applique une tension pour polariser en inverse les jonctions de semiconducteur. Le circuit de déphaseur à réseau de dispositifs transversal sous polarisation inverse produit un changement de la phase de l'énergie de micro-ondes ou d'ondes millimétriques se 30 propageant à travers la structure de guide d'ondes.

Selon un autre aspect, on décrit un réseau d'antenne à balayage électronique employant des rameaux ou "stubs" transversaux continus en tant qu'éléments rayonnants, avec une structure de plaque conductrice 35 supérieure comprenant un ensemble de rameaux transversaux continus, et une structure de plaque conductrice inférieure disposée de manière espacée par rapport à la structure de plaque supérieure. Au moins un circuit de déphaseur à réseau de dispositifs transversal est disposé entre des paires de rameaux adjacentes sélectionnées.

Selon un aspect supplémentaire, on décrit un réseau d'antenne à accord électronique employant des rameaux transversaux continus en tant qu'éléments rayonnants et des déphaseurs à réseaux de diodes transversaux, qui comprend une terminaison en court-circuit disposée entre la plaque 10 conductrice supérieure et la plaque conductrice inférieure.

Au moins un circuit de déphaseur à réseau de dispositifs transversal est placé entre la terminaison en court-circuit et un rameau adjacent, pour permettre l'accord.

Ces caractéristiques et avantages de la présente 15 invention, ainsi que d'autres, ressortiront davantage de la description détaillée suivante d'un exemple de mode de réalisation de celle-ci, illustré dans les dessins annexés, dans lesquels: la figure 1A est une vue isométrique d'un mode de 20 réalisation d'un circuit de déphaseur à réseau de dispositifs transversal conforme à un aspect de l'invention.

La figure lB est une vue partielle schématique d'un exemple de mode de réalisation d'une partie d'un circuit 25 déphaseur à réseau de dispositifs transversal.

La figure lC est un schéma de circuit en courant continu d'un exemple de mode de réalisation pour un circuit de déphaseur à réseau de dispositifs transversal.

La figure 2A est une vue isométrique d'un mode de 30 réalisation d'une antenne à balayage électronique (ESA) à rameaux transversaux continus (CTS pour "Continuous Transverse Stub") employant des circuits de déphaseur à réseau de dispositifs transversal.

La figure 2B est une vue isométrique de l'antenne à 35 balayage électronique de la figure 2A avec des systèmes de commande.

La figure 3 est une vue isométrique d'un mode de réalisation d'une antenne à rameaux transversaux continus, à accord électronique et à réseaux de dispositifs transversaux, conforme à un aspect supplémentaire.

Un aspect de l'invention porte sur la réalisation d'un élément déphaseur en micro-ondes et en ondes millimétriques, qu'on appelle ici un déphaseur à réseau de dispositifs transversal (TDA pour "Transverse Device Array"). La figure lA illustre un exemple de mode de 10 réalisation d'un circuit TDA 50. Le milieu de propagation de ce mode de réalisation est une structure de guide d'ondes rectangulaire.

Le circuit déphaseur 50 est un déphaseur discret, basé sur des semiconducteurs, qui emploie en tant 15 qu'élément de déphasage des dispositifs à semiconducteurs discrets 52, tels que des diodes à capacité variable ou varactors, des diodes Schottky, des transistors à effet de champ (FET) ou un matériau à capacité variable en fonction de la tension. Dans le mode de réalisation de la figure 1A, 20 les dispositifs 52 sont montés sur un substrat ou une plaquette diélectrique de n'importe quel matériau approprié, par exemple du Téflon (marque déposée) avec une charge de verre, du quartz ou du Duroïd (marque déposée).

La figure 1A montre deux exemples de circuits de substrat 25 60A, 60B. Dans cet exemple de mode de réalisation, les plaquettes diélectriques 62A, 62B sont revêtues sur les deux faces du substrat d'une couche de métal, tel que du cuivre. On définit un motif sur la couche et on lui applique ensuite une opération de gravure pour réaliser des 30 circuits microondes disposés en une configuration de circuit "répétitive", avec un réseau de contacts métalliques pour la fixation de dispositifs / diodes. Les dispositifs discrets 52 sont ensuite fixés à chaque jonction de circuit pour établir un contact électrique.

La figure lB montre une illustration simplifiée du circuit de plaquette 60A, montrant les conducteurs de circuit micro-ondes 54A, 54B sur les deux faces de la plaquette dans ce mode de réalisation. Une diode est omise d'un ensemble de conducteurs pour illustrer la jonction ou l'ouverture 54A-5 entre des parties de conducteur 54A-1 et 5 54A-2 et les contacts en métal 54A-3 et 54A-4 sur lesquels la diode est fixée. On verra que le motif micro-onde 56 comprend les conducteurs de circuit 54A, 54B orientés de façon générale verticale, un ruban de conducteur de masse 54C orienté transversalement en position adjacente à la 10 paroi inférieure du guide d'ondes, et un ruban conducteur 54D orienté transversalement en position adjacente à la paroi supérieure du guide d'ondes rectangulaire. Le conducteur formant les rubans 54C et 54D peut être enroulé autour des bords inférieurs et supérieurs de la plaquette 15 de substrat 62A. Le motif de couche de métal définit également une ligne conductrice de polarisation 55 commune, connectée à chaque conducteur 54A en longeant, mais avec un espacement, la piste de conducteur 54D adjacente à la paroi supérieure de la structure de guide d'ondes. La ligne 55 20 est connectée à un circuit de polarisation en courant continu pour appliquer une polarisation inverse aux dispositifs 52.

Les positions de diodes sont sélectionnées sur la base de considérations de modes électromagnétiques. Le 25 motif de conducteur de circuit microonde est également sélectionné de façon à procurer des performances de circuit désirées pour une application donnée. Bien qu'il soit représenté comme un motif de ruban vertical sur la figure 1, le motif variera en fonction de la fréquence centrale, 30 de la largeur de bande et de la valeur de déphasage exigée pour le déphaseur. Les motifs respectifs sur les deux faces du substrat diélectrique peuvent être des motifs différents, pour certaines applications. Les positions de diodes, les unes par rapport aux autres, peuvent être 35 déterminées pendant le processus de simulation et de conception électromagnétiques, dans un exemple de mode de réalisation. La principale question est de sélectionner un espacement d'éléments qui garantit que les modes de guide d'ondes d'ordre supérieur, qui sont générés lorsque l'onde électromagnétique rencontre le réseau de dispositifs 5 transversal, s'atténuent rapidement ou disparaissent de façon évanescente en s'éloignant du réseau. Ce caractère évanescent garantit qu'il ne se produit pas de couplage entre les champs de ces modes d'ordre supérieurs entre des Réseaux de Dispositifs Transversaux successifs. De plus, 10 les diodes sont connectées électriquement au ruban de polarisation 55 (figure lB) et par l'intermédiaire du chemin de masse allant du réseau de déphaseurs à l'enveloppe de guide d'ondes.

Dans cet exemple de mode de réalisation, les 15 plaquettes de réseaux de diodes 62A, 62B sont montées à l'intérieur d'un guide d'ondes 70, ayant une configuration de section transversale de guide d'ondes permettant potentiellement la propagation de modes d'ordre supérieur, de hauteur B et de largeur A (figure lA), c'est-à-dire que 20 la section transversale est notablement plus grande que celle d'un guide d'ondes rectangulaire monomode classique.

Un guide d'ondes à modes d'ordre supérieur est défini comme un milieu de guide d'ondes dont la hauteur et la largeur sont choisies de façon que des modes électromagnétiques 25 autres que le mode TE10 dominant principal puissent acheminer de l'énergie électromagnétique. A titre d'exemple, un guide d'ondes rectangulaire en bande X monomode classique, qui fonctionne à 10 GHz ou au voisinage de cette fréquence, a des dimensions de section transver30 sale de 2,286 cm (0,900 pouce) de largeur sur 1,016 cm (0,400 pouce) de hauteur (0,90" x 0,40"). Un exemple de mode de réalisation d'une structure de guide d'ondes à modes d'ordre supérieur convenant pour le but recherché a une section transversale de 22,86 cm (9, 00 pouces) de 35 largeur sur 0,381 cm (0,150 pouce) de hauteur (9,00" x 0, 15").

Pour ce mode de réalisation, la largeur de la structure de guide d'ondes peut supporter plusieurs modes d'ordre supérieur. La hauteur pour ce mode de réalisation est sélectionnée sur la base de l'élimination de modes d'ordre supérieur qui peuvent être supportés et propagés dans la 5 dimension "B"'. On peut utiliser d'autres dimensions de guide d'ondes.

Il est bien connu qu'un guide d'ondes à modes d'ordre supérieur est un environnement de propagation ayant des pertes extrêmement faibles. Ce milieu de propagation à 10 faibles pertes convient bien pour le circuit de déphaseur.

Le milieu de propagation du guide d'ondes peut être rempli avec n'importe quel matériau diélectrique homogène et isotrope. Le milieu peut être rempli avec une matière plastique à faibles pertes du genre Rexolite (marque 15 déposée) ou peut également être rempli d'air.

La figure 1C illustre un exemple de schéma de circuit équivalent en courant continu d'un circuit de déphaseur à réseau, dans lequel les dispositifs à semiconducteur 52 sont connectés en une configuration 20 parallèle à un circuit de polarisation en courant continu 130. Les dispositifs 52 sont illustrés dans ce mode de réalisation comme des diodes, qui sont polarisées dans une condition de polarisation inverse dans le circuit 130; un élément 52-1 est représenté de façon plus générale comme 25 une capacité variable. Le circuit 130 est de préférence capable d'appliquer des tensions de polarisation inverses pouvant être sélectionnées, aux bornes des configurations en parallèle de dispositifs 52. La polarisation en courant continu peut être introduite dans le circuit de déphaseur 30 50 à partir de la face supérieure ou de la face latérale de la structure de guide d'ondes. Par exemple, la configuration de plaquette de circuit peut comprendre une ligne de retour à courant continu s'étendant le long du bas de la plaquette de circuit, et une ligne supérieure, par 35 exemple la ligne 55 (figure lB) adjacente au haut de la plaquette.

Lorsqu'une tension de polarisation est appliquée de façon à polariser en inverse la jonction "PN" à semiconducteur, c'est-à-dire une diode, une région de déplétion est formée. Comme il est connu, la largeur de la 5 région de déplétion constitue une analogie de la distance de séparation entre deux armatures métalliques parallèles chargées d'un condensateur. Lorsque la polarisation est augmentée dans une condition de polarisation inverse, la région de déplétion s'agrandit, ce qui conduit à une 10 réduction à la fois de la capacité et de la résistance série épitaxiale du dispositif, par exemple une diode varactor. Ce dispositif variable en fonction de la tension est couplé à l'énergie de micro-ondes / ondes millimétriques à l'intérieur du circuit de guide d'ondes, 15 par l'intermédiaire du motif de conducteurs RF formé sur le substrat. Lorsque l'énergie se propage vers l'aval dans le guide d'ondes et rencontre le déphaseur à réseau de dispositifs transversal, le changement de capacité introduit par l'élément consistant en un condensateur 20 variable en fonction de la tension occasionne un déphasage de l'énergie. La faible résistance série du dispositif conduit à une faible perte de propagation. Il faut également noter que, contrairement à certaines architectures de déphaseur, cet exemple de mode de 25 réalisation du déphaseur est une forme de réalisation "analogique". Chaque tension de polarisation pour le dispositif correspond à une valeur de capacité selon une relation continue, bien que non linéaire, de la capacité en fonction de la tension. Par conséquent, le déphaseur à 30 réseau de dispositifs transversal permet une variation continue du déphasage en fonction de la tension de polarisation.

Du fait que les circuits de déphaseur 60A, 60B sont assemblés en une configuration en cascade, un déphasage 35 supplémentaire est réalisé en insérant simplement des circuits de déphaseur supplémentaires à un écartement D (figure 1A). A titre d'exemple, on considère un déphaseur composé de deux Réseaux de Dispositifs Transversaux identiques. Au point de départ, la distance de séparation dans un exemple de mode de réalisation serait d'un quart 5 d'une longueur d'onde de guide (Xg/4), et ensuite la séparation finale serait déterminée par un processus de simulation itératif par les méthodes des éléments finis. Le processus analytique se terminerait lorsque les performances désirées auraient été obtenues pour le déphaseur.

L'écartement des dispositifs 52 sur un substrat donné est basé sur une minimisation de l'énergie réfléchie à la fréquence centrale de fonctionnement, c'est-à-dire sur la réalisation d'une condition d'impédance adaptée en RF.

Dans un mode de réalisation caractéristique, les 15 dispositifs 52 sont espacés de façon égale sur la plaquette. L'espacement des diodes, les unes par rapport aux autres, est déterminé pendant le processus de conception et de simulation électromagnétiques. La question principale est de sélectionner un espacement entre éléments 20 qui garantit que les modes de guide d'ondes d'ordre supérieur, qui sont générés lorsque l'onde électromagnétique rencontre le réseau de dispositifs transversal, s'atténuent ou décroissent de façon évanescente, rapidement, en s'éloignant du réseau. Cette caractéristique 25 évanescente garantit qu'un couplage mutuel des champs de ces modes d'ordre supérieur ne se produit pas entre des Réseaux de Dispositifs Transversaux successifs. Chaque plaquette de circuit de déphaseur peut être montée dans des encoches ou des rainures de faible profondeur (non 30 représentées) formées dans les parois inférieure et supérieure de la structure de guide d'ondes. Un dégagement est établi entre la paroi supérieure et la ligne de polarisation à courant continu, de façon que la ligne à courant continu ne soit pas court-circuitée à la paroi 35 supérieure.

Les circuits de Réseaux de Dispositifs Transversaux 60A, 60B ont été représentés sur les figures lA-lB comme étant orientés d'une manière générale perpendiculaire aux surfaces des parois supérieure et inférieure de la structure de guide d'ondes, en une configuration de type shunt.

Une manière de voir comme un circuit RF la structure de déphaseur à réseau de dispositifs transversal correspond à un réseau de filtre passe- bande.

L'incorporation des dispositifs à semiconducteur 52 change 10 le retard de groupe du signal RF incident. Le changement de la réactance des dispositifs à semiconducteur occasionne un changement de la phase du signal qui se propage.

Pour des exemples de circuits de déphaseur à réseau de dispositifs transversal employant des diodes varactors 15 pour le dispositif à semiconducteur 52, la capacité et la résistance série RF sont des facteurs importants pour améliorer les performances. Pour un exemple d'application, on peut employer une diode varactor avec un profil de densité de dopant hyper-abrupt. La capacité et la 20 résistance série RF de la diode varactor pour ce mode de réalisation sont des caractéristiques importantes pour un déphaseur efficace. De préférence, pour un exemple de fréquence de fonctionnement, le changement de capacité en fonction de la polarisation est au moins de 4:1. La 25 résistance série RF de la diode pour une tension zéro est inférieure à 4 ohms pour permettre d'avoir une faible perte dissipative pour le déphaseur. Un autre facteur important pour ce mode de réalisation était la caractéristique de résistance série épitaxiale en mode de non-déplétion, en 30 fonction de la tension de polarisation inverse. Pour un déphaseur à Réseau de Dispositifs Transversal en bande Ku, on a trouvé qu'une diode varactor hyper-abrupte du type à puce retournée, à base de GaAs, convenait pour le but recherché. On peut employer à la place d'autres dispositifs 35 à semiconducteur.

Du fait que l'architecture de déphaseur dans un exemple de mode de réalisation emploie des matériaux peu coûteux et aisément disponibles, des modes de réalisation des déphaseurs peuvent être peu coûteux en comparaison avec 5 d'autres procédés de réalisation de déphaseurs. Le déphaseur est un déphaseur réciproque qui est construit dans une structure de guide d'ondes permettant potentiellement la propagation de modes d'ordre supérieur.

La longueur d'onde du mode de guide d'ondes dominant simule 10 le Mode Transverse Electromagnétique (TEM), à cause de la grande dimension "A" (figure 1A) du guide d'ondes. Le guide d'ondes permettant potentiellement la propagation de modes d'ordre supérieur procure un milieu de propagation ayant de façon inhérente de faibles pertes. Dans un exemple de mode 15 de réalisation, la nature de l'incorporation de diodes à l'intérieur de ce milieu produit le déphasage d'une manière réciproque et, en même temps, procure de faibles pertes d'insertion et dissipatives. Les pertes résistives fondamentales de diodes disponibles dans le commerce sont 20 dans la plage de trois (3) ohms, et des diodes avec une résistance RF inférieure à 1,5 ohm sont possibles. La propagation d'une onde semblable au Mode Transverse Electromagnétique et la faible résistance série d'un exemple de diode varactor en fonction de la fréquence 25 permettent l'utilisation de l'architecture de déphaseur pour des applications à des fréquences élevées. Dans un exemple de mode de réalisation, la tension de polarisation du déphaseur est inférieure à 20 volts et celui-ci exige un courant de polarisation négligeable et une puissance en 30 courant continu négligeable. En outre, du fait que les éléments déphaseurs 52 fonctionnent dans une condition de polarisation inverse et de faible tension, le courant exigé pour changer le déphaseur et faire fonctionner l'unité est négligeable. La consommation de puissance qui en résulte 35 est négligeable et ceci simplifie donc notablement les circuits électroniques de polarisation associés.

Des avantages d'exemples de modes de réalisation de cette nouvelle architecture de déphaseur peuvent comprendre un ou plusieurs des suivants. Le déphaseur est réciproque, c'est-à-dire que le déphaseur est électriquement identique 5 à la fois dans la direction avant et la direction arrière.

Il est applicable à des fréquences micro-ondes et d'ondes millimétriques. Du fait que l'architecture de déphaseur emploie des matériaux aisément disponibles et peu coûteux, le déphaseur peut être fabriqué aisément et avec un faible 10 coût. La tension de polarisation du déphaseur pour un exemple de mode de réalisation est extrêmement basse, de façon caractéristique 20 volts pour une diode varactor, bien que la plage exacte dépende du dispositif. Du fait que la diode est polarisée en inverse, contrairement à une 15 diode PIN, le courant de polarisation exigé est dans la gamme des nanoampères; par conséquent, les circuits électroniques de polarisation sont simples. Du fait de la tension basse et du courant virtuellement inexistant, le temps de réponse de déphasage est inférieur à 10 20 nanosecondes dans un exemple de mode de réalisation. Le déphaseur procure un déphasage et de faibles pertes. On peut réaliser un déphasage supplémentaire en montant en cascade davantage d'éléments de déphaseur à réseau de dispositifs transversal. En plus d'applications de 25 déphaseur classiques dans des applications de circuits à micro-ondes / ondes millimétriques, l'unité se prête à de nouvelles configurations d'antenne à balayage électronique.

Un autre aspect porte sur la réalisation d'une antenne à balayage électronique active en micro-ondes et 30 ondes millimétriques, qu'on appelle ici l'Antenne à Balayage Electronique à Rameaux Transversaux Continus et à Réseaux de Dispositifs Transversaux (ou TDA CTS ESA pour "Transverse Device Array Continuous Transverse Stub Electronically Scanned Antenna"). Un exemple de mode de 35 réalisation d'une antenne TDA CTS ESA 100 est illustré sur les figures 2A-2B.

Cet environnement de propagation dans un exemple de mode de réalisation est un environnement RF identique à celui employé dans des antennes à Rameaux Transversaux Continus (CTS pour "Continuous Transverse Stub"), décrites 5 par exemple dans les brevets des E.U.A. n 5 483 248, 5 266 961 et 5 412 394, références dont les contenus sont à incorporer intégralement dans la présente invention. Un autre mode de réalisation d'une antenne à balayage électronique basée sur la structure CTS, qu'on appelle 10 l'Antenne à Semiconducteur à Balayage Electronique, est décrit dans le brevet des E.U.A. n 6 064 349, référence dont le contenu est à incorporer intégralement dans la présente invention.

L'antenne 100 comprend une structure à plaques 15 pseudo-parallèles 110 comprenant une plaque conductrice supérieure 112, une plaque conductrice inférieure 114 et des plaques conductrices latérales 116. Comme avec le circuit de déphaseur des figures 1A-lC, l'espacement entre les structures de plaques supérieure et inférieure est 20 sélectionné pour empêcher la propagation multimode dans la dimension "B" du guide d'ondes. Comme il est connu pour des réseaux CTS, le réseau comprend une multiplicité de rameaux ou stubs transversaux espacés, par exemple un rameau 120A qui est formé dans la structure de plaque supérieure, et 25 qui comprend la surface supérieure 122A de laquelle le matériau conducteur est enlevé. Un ou plusieurs circuits de déphaseur, tels que les circuits 60A, 60B, sont placés dans la structure 100, comme illustré sur les figures 2A et 2B.

Un circuit de polarisation 130 est connecté à 30 chaque circuit de déphaseur pour fournir la polarisation inverse pour l'opération de déphasage. Un ordinateur de pointage de faisceau 132 commande le circuit de polarisation 130 pour fournir la polarisation inverse appropriée au déphaseur, qui applique à son tour la phase 35 progressive uniforme appropriée sur l'étendue du réseau, ce qui a pour effet de positionner lefaisceau d'antenne.

Comme décrit ci-dessus en relation avec les figures 1A-lC, le déphaseur emploie un dispositif variable en fonction de la tension, par exemple une diode varactor, pour obtenir une capacité variable en fonction de la 5 tension. Le dispositif variable en fonction de la tension est couplé par l'intermédiaire du circuit de déphaseur à l'énergie de micro-ondes / ondes millimétriques à l'intérieur du circuit de propagation. Lorsque l'énergie se propage vers l'aval dans le guide d'ondes et rencontre le 10 circuit de déphaseur, le changement de la capacité occasionne un changement de la phase de l'énergie avec une faible perte de propagation. Du fait que les circuits de déphaseur dans cet exemple de mode de réalisation sont assemblés en une configuration en cascade, un déphasage 15 supplémentaire est obtenu en ajoutant simplement des circuits de déphaseur supplémentaires. Les circuits de déphaseur supplémentaires sont alors placés entre des éléments rayonnants CTS successifs, c'est-à-dire les rameaux 120, dans le réseau d'antenne CTS. Les éléments 20 rayonnants CTS couplent de l'énergie vers l'extérieur à partir des bords 122 et rayonnent conformément au diagramme d'antenne désiré. L'antenne TDA CTS ESA est conçue de façon générale en un mode de réalisation d'ondes progressives; c'est-à-dire que l'antenne est terminée par une charge 25 adaptée. Les déphaseurs appliquent un déphasage progressif uniforme sur chacun des éléments de rameaux rayonnants.

Cette progression de phase dans cet exemple de mode de réalisation conduit à un balayage unidimensionnel (1-D) de la configuration de faisceau étroit de l'antenne. Du fait 30 que les circuits de déphaseur sont réciproques, le diagramme de rayonnement est réciproque, c'est-à- dire que les diagrammes d'émission et de réception sont identiques.

De plus, du fait que les diodes dans cet exemple de mode de réalisation fonctionnent dans la condition de polarisation 35 inverse et de faible tension, le courant exigé pour changer la valeur de déphaseur et la position de faisceau correspondante est négligeable. La consommation de puissance qui en résulte est négligeable, et par conséquent l'ordinateur de pointage de faisceau et les circuits de polarisation sont simples. Le réseau résultant est un 5 réseau à déphasage actif, qui n'exige pas de modules E/R, et permet un balayage de faisceau électronique unidimensionnel limité.

Un exemple de mode de réalisation de la configuration de pointage de faisceau consisterait en une 10 carte de circuit numérique-analogique (N/A) commandée par ordinateur. Ces cartes sont disponibles dans le commerce et dans un exemple de forme de réalisation, elles génèrent des tensions de sortie de -10 volts à +10 volts. La valeur de sortie exacte est déterminée par les ordres de logiciel de 15 l'ordinateur. Du fait que les diodes fonctionnent de 0 volt jusqu'à une certaine valeur, par exemple +20 volts, un circuit de translation de niveau de tension basé sur un amplificateur opérationnel classique, opère une translation du signal de sortie de conversion N/A de -10 V / +10 V vers 20 0 V / 20 V. Le système TDA CTS ESA est polarisé à un certain nombre de positions de faisceau et les tensions en fonction des positions de faisceau sont enregistrées. Les données résultantes sont ensuite ajustées aisément à une courbe et représentées par un fonction polynomiale. Cette 25 fonction est ensuite utilisée dans la commande de l'ordinateur de pointage de faisceau pour procurer un pointage de faisceau exact.

L'élément de déphasage partage le même environnement électromagnétique que l'élément rayonnant, 30 d'o l'élimination de mécanismes de pertes parasites, qu'on rencontre généralement dans d'autres architectures de systèmes d'antenne. La physique du fonctionnement se prête à un fonctionnement réciproque, c'est-à-dire que les faisceaux d'émission et de réception sont identiques. Dans 35 un exemple de mode de réalisation, l'antenne à balayage électronique travaille à partir d'une faible tension et, dans un exemple de mode de réalisation, elle utilise une alimentation de polarisation dans la gamme des nanoampères.

Des exemples de modes de réalisation de l'antenne TDA CTS ESA emploient des matériaux simples et peu coûteux, et sont simples à assembler.

Enfin, un autre problème qu'on rencontre avec des structures d'antenne à ondes progressives réside dans le fait que le faisceau d'antenne se déplacera avec des changements de fréquence. Dans des applications de radar à 10 synthèse d'ouverture (RSO) à haute résolution, on emploie une forme d'onde à modulation de fréquence linéaire à l'intérieur d'une impulsion de radar. L'application au circuit de déphaseur (60A) d'une rampe de tension dépendant du temps, par le circuit de polarisation (130) compense de 15 façon dynamique ce mouvement de faisceau instantané. En d'autres termes, le déplacement du faisceau associé à des antennes à ondes progressives est aisément atténué avec une forme de réalisation TDA CTS ESA.

Des avantages de modes de réalisation de l'antenne 20 TDA CTS ESA comprennent un ou plusieurs des suivants.

L'antenne TDA CTS ESA réalise un balayage de faisceau électronique efficace et réciproque d'une manière extrêmement simple, et est applicable à la fois à des fréquences de micro-ondes et d'ondes millimétriques. Des 25 matériaux et des procédés de fabrication simples et peu coûteux sont utilisés pour réaliser l'antenne à balayage électronique. A la fois le déphaseur et l'antenne ont une architecture simple. Le faisceau d'antenne peut être balayé avec une tension de polarisation inférieure à 20 volts, 30 dans un exemple de mode de réalisation. Du fait que les diodes sont polarisées en inverse, le courant de polarisation exigé est dans la gamme des nanoampères; par conséquent, les circuits électroniques de polarisation et l'ordinateur de pointage de faisceau sont simples, du fait 35 que la position du faisceau peut être liée directement à la tension de polarisation du dispositif. Grâce à la tension faible et au courant virtuellement inexistant, le pointage de faisceau peut être accompli avec des temps de réponse qui sont de façon caractéristique inférieurs à 10 nanosecondes. De plus, le pointage de faisceau est réalisé 5 en associant en cascade davantage d'éléments déphaseurs à l'intérieur du réseau. L'antenne TDA CTS ESA résout le problème de la réalisation d'un balayage électronique de faisceau unidimensionnel limité, d'une manière extrêmement peu coûteuse. Du fait que le balayage de faisceau est 10 accompli avec des diodes, par exemple des diodes varactors, ou un condensateur variable en fonction de la tension équivalent, les circuits électroniques de polarisation sont réduits à une simple source de faible puissance. Le courant et la puissance sont négligeables et la plage de balayage 15 de faisceau entière peut être obtenue avec un changement de polarisation de 0 - 20 volts. L'antenne TDA CTS ESA a des applications dans des radars à synthèse d'ouverture aéroportés et des radars d'information de cibles mobiles au sol (GMTI pour "Ground Moving Target Information"), en 20 télécommunications et dans des liaisons de communication entre une station au sol et un satellite.

Un autre aspect porte sur une possibilité d'accord électronique d'un mode de réalisation d'un réseau CTS à ondes stationnaires. Cet aspect augmente notablement la 25 largeur de bande d'antennes à ondes stationnaires.

Conformément à cet aspect, un déphaseur à réseau de dispositifs transversal est incorporé dans l'architecture TDA CTS ESA entre le dernier élément rayonnant et la terminaison en court-circuit. Ce dernier déphaseur assure 30 l'accord du circuit et élimine la destruction du diagramme de rayonnement d'antenne sous la dépendance de la fréquence, qui est normalement présente dans des structures d'antennes à ondes stationnaires.

La plupart des antennes CTS et en particulier 35 l'antenne TDA CTS ESA sont réalisées en une configuration à ondes progressives, c'est-à-dire que l'antenne est terminée par une charge. Cette terminaison augmente la largeur de bande de l'antenne, permet un balayage électronique du faisceau, comme décrit précédemment, mais occasionne une réduction de rendement due à l'énergie perdue dans la 5 charge de terminaison. Une antenne à ondes stationnaires, qui est terminée par un court-circuit, rayonne toute l'énergie, moins la perte du déphaseur, mais n'effectue pas un balayage. Le court-circuit procure un bon rendement, du fait qu'aucune puissance n'est dissipée dans la charge, une 10 distribution d'ouverture symétrique et une position de faisceau stable. Cependant, le courtcircuit établit également une configuration d'ondes stationnaires dépendant de façon inhérente de la fréquence, à l'intérieur de la région de propagation, et des limitations de largeur de 15 bande pour cette conception à faisceau fixe. Lorsque la fréquence change, la position électrique du court-circuit change, comme le fait la position électrique entre les éléments rayonnants. Ce phénomène détruit la condition de phase de l'antenne et la configuration de faisceau. Bien 20 que le rameau CTS soit de façon inhérente un élément rayonnant à large bande, la dépendance, vis-à-vis de la fréquence, de la position électrique de la terminaison en court-circuit par rapport aux éléments rayonnants, et des emplacements des éléments rayonnants les uns par rapport 25 aux autres, limite sévèrement l'aptitude de l'antenne à fonctionner dans des applications à ondes stationnaires.

La figure 3 illustre un exemple de mode de réalisation de l'antenne TDA CTS 150, accordée de façon électronique. L'antenne 150 comprend une structure de 30 plaques parallèles 110 comprenant une plaque conductrice supérieure 112, une plaque conductrice inférieure 114 et des plaques conductrices latérales opposées 116, comme avec le mode de réalisation de la figure 2. Comme avec le circuit TDA CTS ESA des figures 2A-2B, l'espacement des 35 plaques supérieure et inférieure est sélectionné sur la base de l'élimination de modes d'ordre supérieur qui peuvent être supportés dans la dimension "B". Comme dans le cas de l'antenne TDA CTS ESA, cette antenne à ondes stationnaires comprend une multiplicité de rameaux transversaux espacés, par exemple des rameaux 120A, 120B, 5 120C, qui sont formés dans la structure de plaque supérieure. Ces rameaux comprennent des bords 122A, 122B et 122C desquels le matériau conducteur est enlevé.

Conformément à cet aspect de l'invention, un circuit de déphaseur à réseau de dispositifs transversal 60A est 10 positionné dans la structure 150, transversalement aux plaques supérieure, inférieure et latérales, comme illustré sur la figure 3. Le déphaseur est intercalé de manière espacée entre la terminaison en court-circuit définie par la paroi conductrice 152, et le dernier élément rayonnant. 15 La position exacte du déphaseur est basée sur la fréquence centrale et la dynamique de la compensation de déphase exigées pour une application donnée. La distance "S" à partir du centre du dernier élément rayonnant, 120C, jusqu'au court- circuit est sélectionnée de façon générale 20 comme une demi longueur d'onde de guide (Xg/2) à la fréquence centrale de fonctionnement.

La combinaison du mode de réalisation TDA CTS ESA avec le Déphaseur TDA 60A et un court-circuit 152, élimine la dégradation due à la fréquence pour l'antenne à 25 faisceau fixe. Lorsque la fréquence est changée, la position électrique effective du court-circuit et les phases relatives des éléments rayonnants peuvent être ajustées en changeant le déphasage de réflexion du déphaseur 60A. Ce processus de polarisation peut être 30 effectué soit pour un fonctionnement avec une variation de fréquence en échelons, soit de façon dynamique à l'intérieur de l'impulsion de radar. Le résultat est un diagramme d'antenne à ondes stationnaires à large bande. Du fait que les réseaux de déphaseurs sont assemblés en une 35 configuration en cascade, un déphasage supplémentaire est établi en ajoutant simplement des déphaseurs supplémentaires entre les éléments rayonnants et avant la terminaison en court-circuit. En outre, du fait que le déphaseur est réciproque, la réciprocité de l'antenne est maintenue, c'est-à-dire que les diagrammes d'émission et de réception sont identiques.

Il faut noter que cette même technique est applicable à d'autres architectures de guides d'ondes à ondes stationnaires, et n'est pas limitée à la configuration CTS.

Des avantages d'exemples de modes de réalisation de la configuration CTS avec le déphaseur à réseau de dispositifs transversal comprennent un ou plusieurs des suivants. Le déplacement du faisceau est éliminé pour des radars qui emploient de grandes largeurs de bande 15 instantanées. Les aspects de faible coût à la fois de l'antenne CTS et des déphaseurs sont obtenus simultanément avec cette forme de réalisation. L'antenne TDA CTS à Accord Electronique parvient à un fonctionnement efficace et réciproque pour des antennes à ondes stationnaires à large 20 bande. Elle est applicable à des fréquences aussi bien en micro-ondes qu'en ondes millimétriques.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif et au procédé décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Déphaseur à réseau de dispositifs transversal, caractérisé en ce qu'il comprend: une structure de guide d'ondes (70) permettant potentiellement la propagation de 5 modes d'ordre supérieur, ayant une surface de paroi large conductrice supérieure, une surface de paroi large conductrice inférieure et des première et seconde surfaces de parois latérales conductrices opposées; au moins un circuit de déphaseur à réseau de dispositifs transversal 10 (60A, 60B), chaque circuit comprenant un substrat diélectrique (62A, 62B) de forme générale plane sur lequel est défini un circuit micro-onde (56), et une multiplicité d'éléments à capacité variable en fonction de la tension (52), espacés et discrets, le substrat étant disposé à 15 l'intérieur de la structure de guide d'ondes de façon générale transversalement aux surfaces de parois latérales; et un circuit de polarisation (130) pour appliquer une tension de polarisation pour polariser les éléments à capacité variable en fonction de la tension; l'au moins un 20 circuit de déphaseur produisant un changement de phase de l'énergie de micro-ondes ou d'ondes millimétriques se propageant à travers la structure de guide d'ondes.

2. Antenne à balayage électronique employant des rameaux transversaux continus en tant qu'éléments 25 rayonnants, caractérisée en ce qu'elle comprend: une structure de plaque conductrice supérieure (112) comprenant un ensemble de rameaux transversaux continus (120A, 120B); une structure de plaque conductrice inférieure (114) disposée en une relation espacée par rapport à la structure 30 de plaque supérieure; au moins un circuit consistant en un réseau de dispositifs transversal disposé entre une paire adjacente sélectionnée desdits rameaux, chacun de l'au moins un circuit comprenant un substrat diélectrique de forme générale plane sur lequel est défini un circuit à 35 micro-ondes, et une multiplicité d'éléments à capacité variable en fonction de la tension, espacés et discrets, le substrat étant disposé entre la structure de plaque conductrice supérieure et la structure de plaque conductrice inférieure; et un circuit de polarisation (130) pour appliquer une tension de polarisation pour polariser 5 les éléments à capacité variable en fonction de la tension.

3. Réseau d'antenne accordable de façon électronique, employant des rameaux transversaux continus en tant qu'éléments rayonnants, caractérisé en ce qu'il comprend: une structure de plaque conductrice supérieure 10 (112) comprenant un ensemble de rameaux transversaux continus (120A, 120B); une structure de plaque conductrice inférieure (114) disposée en une relation espacée par rapport à la structure de plaque supérieure; une terminaison en court-circuit (152) disposée entre la plaque 15 conductrice supérieure et la plaque conductrice inférieure; au moins un circuit consistant en un réseau de dispositifs transversal (60A, 60B) disposé entre la terminaison en court- circuit et un rameau transversal continu adjacent, chacun de l'au moins un circuit comprenant un substrat 20 diélectrique de forme générale plane sur lequel est défini un circuit à micro-ondes (56), et une multiplicité d'éléments à capacité variable en fonction de la tension (52), discrets et espacés; et un circuit de polarisation pour appliquer une tension de polarisation pour polariser 25 les éléments à capacité variable en fonction de la tension, pour appliquer un déphasage à de l'énergie électromagnétique se propageant dans le réseau, dans lequel le circuit de polarisation applique une tension de polarisation variable sous la dépendance d'une fréquence de 30 fonctionnement du réseau, pour produire un déphasage afin de maintenir une distance électrique effective qui est de façon générale constante, entre la terminaison en courtcircuit et le rameau transversal continu adjacent, lorsque la fréquence de fonctionnement change.

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chacun des éléments à capacité variable en fonction de la tension comprend une jonction à semiconducteur.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chacun des 5 éléments à capacité variable en fonction de la tension comprend une diode varactor.

6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit de polarisation applique une tension de polarisation inverse pour polariser en inverse les 10 jonctions à semiconducteur.

7. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit de polarisation est adapté pour fournir une tension de polarisation inverse variable pour changer la capacité des jonctions à semiconducteur.

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'au moins un circuit consistant en un réseau de dispositifs transversal comprend une multiplicité de circuits consistant en réseaux de dispositifs transversaux espacés, 20 disposés dans la structure de guide d'ondes.

9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que chacun des circuits consistant en réseaux de dispositifs transversaux comprend un substrat, et en ce que les substrats de la multiplicité de circuits consistant en 25 réseaux de dispositifs transversaux espacés sont disposés en une configuration parallèle.

10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un matériau de remplissage diélectrique 30 disposé dans la structure de guide d'ondes.

11. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat de chacun de l'au moins un circuit consistant en un réseau de dispositifs transversal est positionné de façon générale transversalement à la surface de paroi supérieure et à la surface de paroi inférieure.