FR2930079A1 - Capteur de rayonnement, notamment pour radar - Google Patents

Abstract

Elle se rapporte à un capteur de rayonnement des micro-ondes et des ondes millimétriques.Elle se rapporte à un capteur ayant une lentille (12) qui a deux plans focaux parallèles (26a, 34) qui sont formés par une grille (18) de réflecteurs présentant une sélectivité vis-à-vis de la polarisation et qui est placée dans la lentille. Un premier plan focal (26a) est occupé par une matrice de réception formée d'antennes dipolaires croisées ayant des diodes mélangeuses respectives. Un dipôle de chaque antenne est couplé à un signal d'un oscillateur local et l'autre à un signal de réception réfléchi par la grille (18). Les signaux sont mélangés dans les diodes. L'autre plan focal (34) est occupé par une matrice d'émission.Application aux radars.

Description

L i: La présente invention concerne un capteur d'un rayonnement, et elle concerne plus précisément, mais non exclusivement, un tel dispositif destiné à être utilisé dans les systèmes radars ou de communication à des fré- quences des régions des micro-ondes et des ondes millimétriques de 15 à 10 GHz et au delà. On connaît déjà des capteurs de rayonnement. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 4 331 957 décrit une antenne dipolaire utilisée dans un dispositif émetteur- récepteur à radar et utilisée pour la localisation des victimes d'avalanche et analogue. Il s'agit d'un dispositif pratiquement omnidirectionnel, selon une propriété des antennes dipolaires, et qui ne donne donc pas une information directionnelle dans une scène. Il ne peut pas être utilisé pour l'identification du gisement des cibles et constitue un dispositif de faible portée (par exemple 15 m). De nombreux capteurs de rayonnement sont utilisés comme radars et peuvent nécessiter une information direc- tionnelle à des distances de l'ordre de quelques kilomètres et plus. Ceci nécessite un balayage par un dispositif comportant une antenne directionnelle, par exemple utilisée dans le domaine des appareils de recherche d'engins. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 4 199 762 décrit un support d'antenne radar qui est balayé mécaniquement autour de deux axes orthogonaux grâce à un montage à la cardan. Ce dispositif est relativement encombrant et coûteux. En outre, une antenne à balayage mécanique n'est sensible qu'aux objets se trouvant dans le faisceau de l'antenne.

Les objets qui se déplacent rapidement et qui passent dans le volume balayé ne rencontrent pas obligatoirement le faisceau de l'antenne. On a mis au point des dispositifs à balayage élec- tronique pour remédier aux inconvénients des radars à balayage mécanique. Un tel dispositif comprend une matrice d'antennes d'émission et/ou de réception. La direction du faisceau d'émission ou de réception est réglée par mise en phase convenable du signal de pilotage ou d'un signal d'un oscillateur local, au niveau de chaque antenne. Un radar ayant un aérien en phase appelé "Mesar" a été décrit à la conférence "Radar-87", Londres, Royaume-Uni, 19 au 21 octobre 1987. Le radar "Mesar" comportait une matrice de 918 éléments rayonnants à guide d'onde placés dans un carré de 2 m de côté. Un aérien en phase utilisable à quatre faces et 1 500 éléments par face coûteraient une somme de l'ordre de vingt millions de francs.

Les aériens mettant en oeuvre des dipôles enrobés (c'est-à-dire encapsulés) dans des matériaux diélectriques sont décrits dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3 781 896. Cette description ne dit cependant rien sur les considérables problèmes de réalisation posés par la transmission des signaux à cet aérien et depuis celui-ci. Il ne dit rien non plus sur l'obtention des propriétés directionnelles nécessaires et des mesures. Un autre type de capteur de rayonnement est décrit par Zah et al. dans International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 6, n° 10, 1985. Il comporte une matrice unidirectionnelle d'antennes bombées ayant des diodes intégrées placées dans le plan image d'un système à lentilles comprenant une lentille formant un objectif et une lentille formant un substrat. Le signal reçu par les antennes peut être porté en fonction de la position de l'antenne afin qu'il donne une image. Ce dispositif pré-sente un inconvénient car il est limité à un fonctionnement en mode de réception. En outre, il ne détecte que le rayonnement ayant une composante polarisée parallèlement aux antennes. Il n'a aucune possibilité d'émission ni aucune possibilité de détection d'autres polarisations. Une condition fréquente pour les capteurs des radars est qu'ils assurent l'émission et la réception par une seule ouverture.

L'invention a pour objet la réalisation d'une autre forme de capteur de rayonnement. L'invention concerne un capteur de rayonnement qui comprend une lentille diélectrique convergente destinée à délimiter une ouverture optique et un axe optique passant dans l'ouverture, et dans lequel : (a) la lentille comporte un dispositif réfléchissant à sélectivité de polarisation disposé afin qu'il délimite un premier et un second plan focal dans des régions respectives de la surface de lentille transversalement à l'axe optique, (b) le dispositif réfléchissant forme des plans 10 focaux afin qu'ils correspondent à des polarisations différentes du rayonnement, (c) un aérien récepteur est formé d'antennes placées au voisinage du premier plan focal, chaque antenne délimitant une direction respective d'un faisceau de rayonnement 15 passant par la lentille et couplé essentiellement au rayonnement passant dans la lentille, et (d) au voisinage du second plan focal, il comporte : (i) soit un dispositif d'émission à sélectivité directionnelle qui peut être couplé à plusieurs directions 20 de faisceau de sortie dans la lentille, soit (ii) un second aérien récepteur formé d'antennes placées de manière équivalente à celle de l'aérien du premier plan focal afin qu'elles soient sensibles à une polarisation différente du rayonnement. 25 Dans le présent mémoire, l'expression "au voisinage de" doit être considérée comme indiquant "à moins d'une longueur d'onde de la fréquence de travail du capteur", la longueur d'onde étant celle qui est obtenue dans le milieu immédiatement adjacent aux antennes ou au dispositif 30 d'émission selon le cas. L'invention présente l'avantage de permettre plu-sieurs fonctions de rayonnement dans une seule ouverture, sans augmentation de l'encombrement par rapport à un dispositif connu ayant une seule fonction. 35 Le dispositif récepteur peut être une grille de conducteurs linéaires destinée à réfléchir une polarisation des signaux et à en transmettre une autre, la grille étant 4 parallèle aux deux plans focaux. La grille peut être disposées entre deux faces planes de parties respectives de lentille. Une première partie de lentille peut avoir une configuration d'un capuchon sphérique et une seconde partie de lentille peut être tronconique. Ceci donne une configuration très peu encombrante à la construction qui peut être obtenue avec des matériaux peu coûteux de masse volumique relativement réduite. Dans un mode de réalisation préféré, la première matrice placée dans le plan focal est bidimensionnelle et comporte des antennes bipolaires croisées. Un dipôle de chaque antenne est parallèle à la polarisation du rayonne-ment de réception qui lui parvient à partir du dispositif réfléchissant. Dans ce mode de réalisation, le capteur comporte un générateur de signaux destiné à transmettre, à la matrice du premier plan focal, un signal d'oscillateur local polarisé parallèlement à chaque second dipôle d'antenne. L'un des dipôles peut avoir une branche divisée jouant le rôle d'une ligne de transmission à fréquence intermédiaire. Le capteur peut comprendre une matrice de réception dans un second plan focal, ayant une construction analogue à celle de la première. Elle peut aussi comprendre un dispositif d'émission placé à l'extérieur de l'ouverture de la lentille et destiné à assurer l'éclairement en micro-ondes ou en ondes millimétriques d'une scène. Dans une variante, le capteur comprend un dispositif d'émission du second plan focal comprenant une matrice d'antennes à commutation de polarisation qui peuvent être activées séparément, une alimentation de ces antennes en signaux radars polarisés linéairement, et un dispositif de réflexion sélectif vis-à-vis de la polarisation et destiné à isoler l'alimentation des signaux de la sortie par la lentille et à transmettre à la lentille des signaux créés dans l'une quelconque des antennes à la suite du signal d'alimentation. Cette disposition permet la direction d'un faisceau d'émission dans l'une quelconque de plusieurs directions sélectionnées par activation d'une antenne correspondante. Les antennes de commutation de polarisation peuvent être des dipôles croisés comprenant des commutateurs à diodes, et peuvent être formées par des fentes dans 5 une feuille ou couche métallique. Le capteur peut comprendre une autre forme de dispositif émetteur, cette forme comprenant un dispositif d'alimentation en signaux qui est mobile dans le second plan focal.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une coupe schématique en élévation latérale d'un capteur de rayonnement selon l'invention ; la figure 2 est une vue éclatée d'un dispositif d'émission de signaux destiné à être utilisé avec le capteur de la figure 1 ; les figures 3 et 4 représentent schématiquement des antennes à commutation de polarisation destinées à être 20 utilisées dans le dispositif de la figure 2 ; la figure 5 représente schématiquement une matrice d'antennes réceptrices incorporée au capteur de la figure 1 ; la figure 6 est une vue en plan d'une antenne à 25 dipôles croisés de la matrice de la figure 5 ; la figure 7 représente une variante d'antenne à commutation de polarisation destinée au dispositif de la figure 2 ; la figure 8 est une coupe schématique en élévation 30 latérale d'une autre forme de capteur selon l'invention comprenant deux matrices d'antennes réceptrices ; et la figure 9 représente des antennes à commutation de polarisation destinées à permettre un réglage de la phase. On se réfère à la figure 1 qui représente un capteur 35 de rayonnement selon l'invention, portant la référence générale 10. Le capteur 10 est destiné à fonctionner à la fréquence des micro-ondes de 16 GHz. Il comprend une 6 lentille 12 ayant une partie 14 de capuchon sphérique et une partie tronconique 16, ces parties ayant des faces circulaires d'extrémité (non représentées) de même dimension qui sont adjacentes mutuellement. Les parties 14 et 16 de lentille sont formées d'alumine ayant une constante diélectrique égale à 10. Les faces adjacentes d'extrémité ont un diamètre de 6,6 cm, et la hauteur du capuchon sphérique ou l'épaisseur maximale perpendiculaire à la face circulaire est de 1,9 cm. Une grille métallique 18 formée d'une matrice plane de conducteurs linéaires équidistants est placée entre les faces adjacentes des parties 14 et 16 de lentille. La grille 18 est vue sur le côté sur la figure et son plan est perpendiculaire à celle-ci. Le capuchon sphérique 14 a une seconde grille métallique 20 sous forme d'une matrice plane de conducteurs linéaires vue en bout sur le dessin. La seconde grille 20 est placée entre une première et une seconde partie divisée 22 et 24 du capuchon 14 et son plan est parallèle à la première grille 18.

Un substrat 26 sous forme d'une feuille plane d'un matériau à base d'alumine est fixé à la région centrale avant de la lentille 12, le plan du substrat 26 étant parallèle à ceux des grilles 18 et 20. Comme décrit plus en détail dans la suite, le substrat 26 peut porter une matrice d'antennes réceptrices (non représentées) qui sont chacune sous forme d'une paire de dipôles croisés orthogonaux. Chaque dipôle a une longueur de 0,4 cm, convenant à une résonance à 16 GHz à une interface alumine-air. Les antennes sont placées à la surface externe 26a du substrat 26 qui est distante de la lentille 12. Un guide d'onde 28 d'alimentation en micro-ondes connecté à une source de signaux en micro-ondes (non représentée) a une extrémité ouverte 30 de sortie proche du substrat 26.

La partie 16 de lentille de forme tronconique a une seconde face circulaire d'extrémité 32 qui est séparée d'une distance de 1,678 cm de sa première face circulaire adjacente à la première grille 18, c'est-à-dire que la partie 16 de lentille a une longueur axiale de 1,678 cm. La seconde face 32 d'extrémité est adjacente à un ensemble portant la référence générale 33 et comportant une troi- sième grille, une matrice d'antennes d'émission, un substrat d'alumine et des entretoises correspondantes (non représentées). Les éléments de l'ensemble 33 sont décrits plus en détail dans la suite. L'épaisseur de l'ensemble 33 positionne la matrice d'antennes émettrices dans un plan 34 distant de 0,222 cm de la face d'extrémité 32 de la seconde lentille qui est à 1,9 cm de la première grille 18 séparant les parties 14 et 16 de lentille. L'ensemble 33 est essentiellement formé d'alumine et son épaisseur est égale au quart de la longueur d'onde au rayonnement à la fréquence de 16 GHz dans un milieu d'alumine ayant une constante diélectrique égale à 10. Les matrices d'antennes d'émission et de réception sont en conséquence équidistantes de la première grille 18. L'ensemble 33 est adjacent à un premier guide d'onde 35 qui a des dimensions supérieures à celles qui con-viennent à la fréquence de travail. Le premier guide d'onde 35 est connecté à un second guide d'onde 36, ce dernier ayant des dimensions de proportion convenant à la fréquence de travail de 16 GHz.

Le capteur 10 comprend aussi une seconde lentille 40 d'alumine de forme concave-convexe et un polariseur circulaire 42. Le polariseur 42 est du type à circuit imprimé à ligne sinueuse décrit dans l'article "IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. AP-35, n° 6, juin 1987, pages 652 à 661. La première et la seconde lentille 12 et 40 forment en combinaison un système à doublet ou une lentille compo- site ayant deux plans focaux. Un premier plan focal est dû à la réflexion sur la première grille 18 et à la transmis- Sion à la seconde grille 20. Il coïncide avec le plan de la matrice de réception à la surface 26a du substrat. L'autre plan focal est en 34 et coïncide avec le plan de la matrice 8 d'émission, et il est dû à la transmission à travers la première grille 18. Les plans focaux en 26a et 34 sont parallèles à la grille 18 et de part et d'autre de celle-ci.

Le capteur 10 travaille de la manière suivante. De l'énergie de micro-ondes à 16 GHz provenant d'une source (non représentée) est conduite le long du second guide d'onde 36 ; elle est polarisée verticalement dans le plan du dessin comme indiqué par la flèche cerclée 44. La puissance d'entrée est transmise par le premier guide d'onde 35 et, lorsque le capteur 10 est commuté à l'état ouvert, par la matrice d'antennes d'émission vers la troisième grille au niveau de laquelle elle subit une réflexion. Lorsque la matrice d'antennes d'émission est activée comme décrit dans la suite, elle absorbe l'énergie réfléchie par la troisième grille et la réémet avec une polarisation qui a tourné de 90°, c'est-à-dire que la matrice d'émission joue le rôle d'un commutateur de polarisation. Cette opération donne un signal d'émission Tx qui a une polarisation linéaire horizontale perpendiculaire au plan du dessin comme indiqué par une croix cerclée 46. Le signal Tx d'émission polarisé horizontalement passe de la matrice d'antennes d'émission à la partie tronconique 16 de lentille comme indiqué par les flèches simples telles que 48. Il est transmis par la première grille 18 puisqu'il est polarisé orthogonalement aux fils de cette grille. Ensuite, il passe dans la partie 14 de lentille formant un capuchon sphérique vers l'air puis vers la seconde lentille 40. Après avoir quitté la seconde lentille 40, le signal d'émission Tx est transformé par le polariseur circulaire 42 d'une polarisation horizontale linéaire en 50 en une polarisation circulaire comme indiqué par la flèche partiellement circulaire 52. Le signal d'émission Tx quitte la seconde lentille 40 sous forme d'un faisceau parallèle, étant donné la disposition de la matrice d'émission au plan focal du système des lentilles 12/40.

Le signal d'émission Tx a une direction de faisceau qui est réglée par la matrice d'antennes d'émission. Le trait interrompu 54 indique l'axe optique du doublet 12/40 à lentilles, qui est aussi l'axe de symétrie des parties 14 et 16 de lentille. L'activation des antennes à des positions indiquées û 15° et + 15° au-dessous et au-dessus de l'axe 54 donne des faisceaux d'émission 56 et 58 dirigés à û 15° et + 15° par rapport à cet axe respectivement. Une direction centrale du faisceau est indiquée par la réfé- rence 60 à 0° sur l'axe 54 du système à lentilles, constituant l'axe de visée du capteur 10. Le système 12/40 à lentilles donne un champ de vision qui est un cône de 60° centré sur l'axe 54. Un signal d'émission Tx qui subit un nombre impair de réflexions ou "rebonds" dans une scène est renvoyé comme signal de réception indiqué par la référence Rx ayant une polarisation inversée par rapport à lui. Un signal de réception de "rebond impair" Rx s'approchant du polariseur 42 en 62 a donc le sens opposé de polarisation circulaire par rapport au signal d'émission sortant Tx en 52. Le signal de réception est transformé en une polarisation linéaire verticale (dans le plan du dessin) par le polariseur 42 comme indiqué par la flèche verticale cerclée 64. Les signaux de réception Rx reviennent le long des trajets des faisceaux d'émission comme indiqué par les doubles flèches telles que 66, jusqu'à ce que la première grille 18 soit atteinte. Comme les signaux de réception sont polarisés parallèlement aux conducteurs de la première grille, ils sont réfléchis vers la matrice d'antennes de réception, sur le substrat 26. Ils sont transmis par la seconde grille 20 puisqu'ils sont polarisés perpendiculairement à celle-ci. La seconde grille a pour rôle de réfléchir le rayonnement d'émission afin que la matrice d'antennes de réception soit protégée contre la réception directe d'une quantité intense d'énergie provenant de la matrice d'émission. La matrice de réception est placée à la surface 26a du substrat dans un plan focal du système à lentilles 12/40 dans lequel un rayonnement parallèle de réception est focalisé. La matrice d'antennes de réception obtient un signal supplémentaire d'entrée du dispositif 28 d'alimentation en micro-ondes si bien qu'un signal d'oscillateur local (LO) est formé. La matrice d'antennes mélange les signaux de réception et de l'oscillateur local Rx et LO en formant des signaux à une fréquence intermédiaire (IF) permettant un traitement ultérieur de manière connue.

On se réfère maintenant aussi à la figure 2 qui est un schéma éclaté de l'ensemble 33 et du premier et du second guide d'onde 35 et 36. La matrice d'antennes d'émission porte la référence générale 70. Elle comporte douze antennes telles que 72 formées suivant une matrice 6 x 2.

Les antennes 72 sont désignées schématiquement par des croix. Chacune des antennes 72 comporte une paire de dipôles métalliques plans orthogonaux et croisés, chaque dipôle ayant deux branches rectangulaires telles que 74. La forme des antennes d'émission 72 est telle qu'indiquée de façon générale sur la figure 3. Chaque dipôle a une longueur de 4 mm et les branches 74 ont une longueur de 1,43 mm avec un espace central de 1,14 mm de longueur. Les antennes adjacentes 72 ont un espacement entre les centres de 5,4 mm. Les branches 74 ont une largeur de 0,4 mm, donnant à chaque dipôle un rapport longueur-largeur de 10/1. Ceci donne une résistance des dipôles à une demi-longueur d'onde à 16 GHz puisqu'on peut montrer que la longueur efficace de chaque dipôle est égale à sa longueur physique multipliée par la racine carrée de la moyenne des constantes diélectriques des deux milieux se trouvant de part et d'autre. Comme les antennes 72 ont de l'air d'un côté (E = 1) et de l'alumine de l'autre côté (E = 10), leur longueur efficace est égale à 4 mm multi- pliée par la racine carrée de (10 + 1)/2, c'est-à-dire 9,38 mm, avec une demi-longueur d'onde à 16 GHz. Chaque branche 74 de dipôle est connectée à une branche respective d'un dipôle orthogonal par un commutateur 76 à diodes PIN qui peut être commandé par une polarisation en courant continu. Les connexions de polarisation des commutateurs 76 ne sont pas représentées. Les antennes 72 sont formées par dépôt d'un métal sur une surface 78a d'un substrat 78. Cette surface 78a a des dimensions égales à 35 x 23 mm. Les diodes PIN sont de dispositifs séparés, c'est-à-dire qu'une technologie électronique hybride est utilisée. Ces diodes peuvent aussi être intégrées avec les antennes dans un matériau semi-conducteur de substrat. La matrice 70 d'émission est séparée, par des entretoises 80 d'alumine, de la troisième grille qui est désignée de façon générale par la référence 82. Celle-ci est formée par dépôt d'une couche métallique 84 (indiquée par des points) sur un substrat 86 d'alumine. La couche 84 a une région centrale qui est attaquée chimiquement afin qu'elle délimite des conducteurs linéaires tels que 88, séparés par des espaces qui exposent le matériau sous-jacent d'alumine. Lorsqu'elles sont placées dans l'ensemble 33, les entretoises 80 sont au contact de la grille 82, et le substrat 78 de la matrice d'émission est au contact des entretoises 80. Le premier guide d'onde surdimensionné 35 a un rebord 35a d'extrémité qui, pendant l'utilisation, est monté contre la surface 78a du substrat. La surface sous- jacente de grille (non représentée) est au contact de la face 32 d'extrémité de lentille. Le substrat 78 de matrice, les entretoises 80 et la grille 82 sont formés d'alumine comme indiqué précédemment ; leurs épaisseurs sont combinées dans l'ensemble 33 afin que les antennes 72 de la matrice d'émission se trouvent dans le plan focal 34 du système à lentilles 12/40. L'espace (5,4 mm) des antennes 72 de la matrice 70 d'émission est destiné à donner des faisceaux de rayonne- ment des antennes voisines qui se recouvrent à leurs points à 3 dB. Chaque antenne 72 a une position respective dans le plan focal 34, et le décalage de sa position par rapport à l'axe 54 du système donne un déplacement angulaire correspondant de la direction de son faisceau de sortie par rapport à l'axe. Dans l'espace libre, la largeur du lobe de diffraction pour un signal de dipôle d'antenne focalisée par une lentille est approximativement égale à 1,2 ?,/D, étant la longueur d'onde dans le vide et D l'ouverture de la lentille. Le recouvrement aux points de 3 dB nécessite donc que l'espacement de la matrice d'antennes soit convenable pour une longueur d'onde donnée et une ouverture donnée. L'espacement convenable diminue lorsque X diminue. La matrice 70 d'antennes d'émission travaille de la manière suivante. Lorsque toutes les diodes PIN 76 sont non conductrices, un très petite quantité de l'énergie 44 des micro-ondes d'entrée polarisées verticalement est couplée à l'un ou l'autre des dipôles de chacune des antennes 72. Ceci est dû au diagramme polaire des antennes. En conséquence, l'énergie passe dans la matrice 70 et les entre-toises 80 en n'étant pratiquement pas affectée. Elle est réfléchie par la troisième grille 82 comme indiqué en 90 puisqu'elle est polarisée parallèlement aux conducteurs 88 de la grille. Elle ne peut donc pas atteindre la lentille 12 pour passer ensuite dans l'espace. Lorsqu'une première paire de diodes 76 associée à l'une quelconque des antennes 72 est mise à l'état conduc- teur, le signal des micro-ondes induit par le champ élec- trique polarisé verticalement dans ce dipôle vertical d'antenne est couplé au dipôle horizontal associé. Ceci se produit à cause du trajet de circulation du courant formé par chaque diode PIN 76 entre les branches orthogonal du dipôle. La plus grande partie de l'énergie reçue par l'antenne 72 qui est commutée est couplée à son dipôle horizontal. Elle est ensuite réémise avec une polarisation horizontale. Comme décrit par C.R. Brewitt-Taylor, D.J. Gunton et H.D. Rees dans l'article Electronics Letters, Vol. 17, pages 729-731, 1981, une antenne placée à une interface de deux milieux ayant des constantes diélec- triques différentes émet essentiellement dans le milieu 13 ayant la plus grande constante diélectrique. En conséquence, la réémission par l'une des antennes 72 s'effectue essentiellement dans le substrat d'alumine 78, puisque ces antennes sont placées à l'interface de l'air (E = 1) et de l'alumine (E = 10). Le signal réémis par la matrice 70 passe dans les entretoises 80 vers la grille 82. Comme il est polarisé horizontalement et donc orthogonalement aux conducteurs 88 de la grille, il passe à travers la grille 82 en étant près réfléchi comme indiqué en 92. Il passe alors dans la lentille 12 et forme le signal d'émission Tx. Pendant le fonctionnement, la direction et l'étendue spatiale du faisceau d'émission sont déterminées par celles des antennes d'émission 72 qui sont activées. Un signal réémis, qui est polarisé horizontalement, provient d'une antenne quelconque 72 qui est activée. Comme les antennes 72 sont réparties dans le plan focal du système des lentilles en 34, l'activation d'une antenne unique 72 donne lieu à une direction du faisceau émis déterminée par l'emplacement de l'antenne. Lorsqu'au moins deux antennes 72 sont activées en même temps, de l'énergie est transmise dans au moins deux directions simultanément. Sur la figure 1,les directions des faisceaux d'émission sont indiquées avec une inclinaison de -i- 15° par rapport à une direction d'un faisceau central (de visée) de 0°. La figure 4 représente une variante d'antenne d'émission qui peut être utilisée dans la matrice 70. Elle est indiquée de façon générale par la référence 72', et les parties qui sont équivalentes à celles qu'on a décrites précédemment portent des références identiques avec le signe '. Elle comporte des branches telles que 74' dont une paire opposée est connectée par un commutateur 76' à diodes PIN activé par polarisation en courant continu. Elle convient à la commutation de la polarisation d'un signal de micro-ondes du parallélisme à l'un ou l'autre des traits interrompus 94a et 94b au parallélisme à l'autre des traits. Lorsqu'elle est utilisée dans la matrice d'émission 14 70 de la figure 2, l'antenne 72' a des branches 74' disposées en diagonale et non horizontalement et verticalement comme représenté pour les antennes 72. On se réfère maintenant aux figures 5 et 6, la matrice d'antennes de réception est représentée plus en détail. Elle est indiquée de façon générale par la référence 100 sur la figure 5 et comprend des antennes individuelles 102 d'une matrice 6 x 2, représentées schématique-ment sous forme de croix. La figure 5 est représentée approximativement à cinq fois la dimension réelle pour le fonctionnement à 16 GHz. La figure 6 représente une antenne individuelle de réception 102 plus en détail. L'antenne 100 de réception a des antennes 102 dont les nombres, la forme et l'espacement sont analogues à ceux de la matrice d'émis- sion 70. Les deux matrices 70 et 100 sont disposées de manière que leurs plans et leurs longueurs soient parallèles. La matrice 100 de réception diffère de la matrice d'émission 70 en ce que chaque antenne 102 a une branche 104a qui est divisée longitudinalement.

En outre, chaque antenne 102 a une bague centrale de quatre diodes mélangeuses 106a à 106d à fréquence radar (HF). Chaque diode 106a à 106d est connectée par une paire respectives de branches 104 de dipôles différents (orthogonaux), par exemple la diode 106c est connectée entre les branches 104b et 104c. Les branches 104c et 104d de l'un des dipôles de la figure 6 sont connectées aux anodes des paires de diodes 106b/106c et 106a/106d respectivement. Les branches 104a et 104b de l'autre dipôle sont connectées aux anodes des paires de diodes 106a/106b et 106c/106d respec- tivement. Les diodes 106a à 106d sont en conséquence polarisées vers les branches d'un dipôle et en sens opposé aux branches de l'autre dipôle. Les divisions de la branche divisée 104a sont connectées aux diodes respectives 106a et 106b.

La matrice réceptrice 100 travaille de la manière suivante. Sa longueur est représentée horizontalement sur les figures 5 et 6 mais verticalement sur la figure 1. Le 15 rayonnement de réception Rx à la fréquence radar de 16 GHz est polarisé parallèlement au dipôle de la branche divisée 104a/104b. Le rayonnement de l'oscillateur local (LO) provenant du cornet 28 (voir figure 1) est polarisé parai- lèlement à l'autre dipôle 104c/104d. Les rayonnements LO et HF donnent dans les dipôles des signaux dont les polarisations sont parallèles, et ces signaux sont mélangés par la bague de diodes 106a à 106d pour la formation de signaux à fréquence intermédiaire (IF). Ces signaux IF sont à la fréquence différence entre les signaux LO et HF. La branche divisée 104a apparaît comme une branche unique à la haute fréquence HF étant donné le couplage capacitif entre les branches. Cependant, à la fréquence intermédiaire IF, elle joue le rôle de deux conducteurs parallèles formant une ligne de transmission. Elle donne donc une alimentation de sortie permettant le relais des signaux à fréquence intermédiaire à un circuit de traitement (non représenté). Ce circuit est bien connu dans la technique du traitement des signaux radars et n'est pas décrit en détail. Il peut comporter un amplificateur à fréquence intermédiaire et un convertisseur analogique-numérique pour chaque antenne 102. Les signaux de sortie du convertisseur, provenant de la matrice 100, parviennent à des circuits numériques de type connu.

Le capteur radar 10 donne à la fois des possibilités d'émission et de réception dans une ouverture commune délimitée par l'ouverture optique du système à doublet 12/40. Les matrices 70 et 100 d'émission et de réception sont montées sur les substrats 78 et 26 qui sont formés du même matériau que la lentille 12 et jouent le rôle de prolongements de celle-ci. Les réflexions du rayonnement à des surfaces du système à doublet 12/40 dues aux limites entre des milieux diélectriques différents sont supprimées par des revêtements antiréfléchissants analogues aux couches antiréfléchissantes des caméras et analogues. On se réfère maintenant à la figure 7 qui représente une variante d'antenne d'émission à commutation de la 16 polarisation, portant la référence générale 110. L'antenne 110 comprend une couche 112 de métallisation dans laquelle sont formées des fentes orthogonales croisées 114 qui exposent un substrat sous-jacent 116. Une paire de commuta- teurs 120 à diodes PIN est connectée en série avec des polarités opposées (cathode vers cathode) dans l'espace central commun 122 des fentes 114. Les commutateurs 120 sont connectés en diagonale dans l'espace 122 et ont un point central commun 124 auquel une tension continue de polarisation est transmise par un fil indiqué par une ligne en trait interrompu 126. L'antenne 110 travaille comme décrit pour l'antenne 72 de la figure 3. L'antenne 110 a cependant l'avantage d'une meilleure absorption de chaleur des commutateurs 120 par l'intermédiaire de la couche de métallisation 112. Ceci permet au commutateur de maîtriser un plus grand niveau d'énergie à haute fréquence HF. La présence de la couche 112 partout sauf aux emplacements des commutateurs empêche la sortie de l'énergie à haute fréquence des emplacements compris entre ceux des commutateurs. En outre, la couche 112 permet la disposition de composants à semi-conducteur et de fils de liaison près des fentes 114 sans dégradation de leurs performances. On se réfère maintenant à la figure 8 qui est une coupe en élévation latérale d'une variante de capteur d'un rayonnement selon l'invention portant la référence 200. Il présente un certain nombre de similitudes avec le capteur 10 de la figure 1, et les parties équivalentes à celles qu'on a décrites précédemment portent des références identiques, avec le préfixe 2 pour les centaines. Compte tenu de ces similitudes, on en décrit que la forme géné- rale. Le capteur 200 a une lentille 212 ayant une partie 214 de capuchon sphérique et une partie tronconique 216. La lentille 212 a une grille centrale 218 qui délimite des plans focaux de réflexion et de transmission en 226a et 234 respectivement. Ces plans se trouvent aux surfaces externes des substrats 226 et 278, chacun portant une matrice 17 respective d'antennes de réception (non représentée). Les parties 214 et 216 de lentille comprennent des grilles 220 et 282 qui transmettent des signaux polarisés verticalement et horizontalement 201/203 respectivement.

Le capteur 200 a aussi une antenne 205 d'émetteur qui a un cornet 207 de sortie passant dans un polariseur circulaire 242. L'antenne 205 crée un signal d'émission Tx polarisé circulairement à droite (RHC) qui parvient à une scène distante (non représentée). Les échos de la scène sont polarisés circulairement à droite ou à gauche (LHC) respectivement selon qu'ils proviennent de signaux Tx qui ont subi des nombres pairs ou impairs de réflexions. Les signaux de réception RHC sont transformés par le polariseur 242 à une polarisation verticale 201 et sont focalisés par la lentille 212 sur la matrice de réception 226a après réflexion au niveau de la grille 218. Les signaux polarisés circulairement à gauche sont mis à une polarisation horizontale 203 par le polariseur 242. Cette polarisation est transmise par la grille 218 et est focali- sée par la lentille 212, à l'autre plan focal 234. Les signaux de réception atteignant les plans focaux 234 et 226a sont détectés et traités par des matrices respectives d'antennes de réception qui sont chacune comme décrit en référence aux figures 5 et 6. Les signaux LO sont transmis aux matrices de réception comme indiqué par les flèches 211. Le capteur 200 utilise une version adaptée de l'approche de la figure 1 à double plan focal pour la délimitation de deux emplacements de réception à la place d'emplacements d'émission et de réception. 11 perd l'apti- tude à la direction du faisceau d'émission Tx par commuta- tion de la polarisation dans une matrice d'antennes placée dans le plan focal. Au contraire, le faisceau d'émission Tx du cornet 205 est utilisé pour la formation d'un faisceau d'éclairement général d'une scène. Il ne peut pas être dirigé pour suivre une cible mobile ou diriger de l'énergie des micro-ondes dans une direction préférée. Par contre, il permet la distinction de cibles en fonction de leurs caractéristiques de réflexion. Le capteur 200 peut être utilisé sans cornet d'émission 205. Il joue alors le rôle d'un capteur passif détec-5 tant les signaux créés dans une scène. Le mode de réalisation de la figure 1 comporte des matrices d'antennes montées sur des substrats 26, etc. formés du même matériau que la lentille 12 et agissant sur des prolongement de celle-ci, c'est-à-dire que le rayonne- 10 ment atteint ou quitte la matrice correspondante d'antennes telle que 100 à travers l'épaisseur du substrat. Il est aussi possible d'utiliser des substrats de silicium ou de GaAs sur lesquels sont intégrées des antennes et des diodes à semi-conducteur. La constante diélectrique du silicium 15 est de 11,7 et celle de GaAs de 12,5. Elles sont toutes deux proches de celle de l'alumine et les réflexions aux interfaces lentille-substrat sont insignifiantes. Le rayonnement peut donc atteindre la matrice par l'intermédiaire du substrat comme précédemment. 20 Chaque matrice d'antennes telle que 100 peut aussi être placée entre son substrat 26 et la lentille 12. Dans ce cas, la disposition doit être telle que les antennes sont essentiellement couplées au rayonnement traversant la lentille (à la réception ou à l'émission selon le cas). 25 Cette condition peut être remplie lorsque la constante diélectrique de la lentille est supérieure à celle du substrat ou lorsque le substrat a une épaisseur très inférieure à la longueur d'onde du rayonnement dans son matériau. 30 Les antennes de réception et d'émission 102/74 des matrices 100/70 sont positionnées avec précision dans des plans focaux respectifs 26a/34 de la lentille 12. Ceci assure la correspondance de chaque antenne avec une direction respective de faisceau de réception ou d'émission dans 35 l'espace libre, à travers la lentille. Le traitement des signaux à fréquence intermédiaire, pour l'isolement des contributions des différentes directions, est superflu. 19 Il est possible de placer l'antenne d'émission 70 et l'antenne de réception 100 à des emplacements légèrement décalés par rapport aux plans focaux respectifs 34 et 26a. Ce décalage correspond dans tous les cas à une distance inférieure ou égale à une longueur d'onde du rayonnement dans le matériau de la lentille ou du substrat immédiate-ment adjacent à la matrice 70 ou 100 à la fréquence de travail. Dans le dispositif 10 de la figure 1 destiné à travailler à 16 GHz, le décalage maximal est la longueur d'onde correspondante dans le vide de 1,89 cm divisée par la racine carrée de la constante diélectrique de l'alumine (E = 10) soit 0,59 cm. En mode de réception, ce décalage de la matrice de réception 100 indique que le rayonnement d'une seule direction de l'espace libre est couplé à plus d'une antenne 102. Cependant, les signaux à fréquence intermédiaire tirés de quelques antennes voisines 102 de la matrice de réception 100 peuvent être combinés avec des coefficients convenables de pondération pour l'obtention d'un signal correspondant à l'onde plane incidente. Les coefficients de pondération dépendent de la direction choisie d'incidence. De même, en mode d'émission, une matrice d'émission peut être décalée du plan focal 34 vers la première grille 18. Dans ce cas, plusieurs antennes d'émission 72 sont activées simultanément pour la création d'un faisceau combiné par interférence entre les contributions des antennes individuelles. Comme décrit plus en détail dans la suite, des antennes d'émission qui peuvent être commutées de façon convenable donnent un degré de réglage de la phase suffisant pour une mise en forme grossière du faisceau. Il est important de distinguer cette approche de celle du plan focal d'un aérien en phase classique à plan d'ouverture qui nécessite un réglage de la phase et de l'amplitude sur des centaines ou même des milliers d'éléments rayonnants.

Les deux modes de réalisation des figures 1 et 8 utilisent une grille 18/218 formant un réflecteur sélectif vis-à-vis de la polarisation, délimitant des plans focaux 20 26a/226a et 34/234. Les grilles 18/218 sont parallèles aux plans focaux et placées entre ceux-ci. Cette disposition donne un ensemble très peu encombrant avec une symétrie de rotation autour de l'axe optique 54 de la figure 1 par exemple. Si la grille 18 est légèrement inclinée par rapport à la perpendiculaire à l'axe 54, le dispositif 10 peut encore être réalisé avec des plans focaux de position modifiée, mais l'asymétrie et la compacité peuvent être réduites.

Un avantage est le fait que les capteurs des figures 1 et 8 peuvent être réalisés avec des lentilles 12/212 formées d'une matière plastique synthétique ayant une constante diélectrique égale à 10. Des matériaux diélectriques artificiels à base d'un polymère et d'une céramique peuvent être moulés, ils sont peu coûteux, leur usinage est relativement simple, et ils n'ont pas une densité inacceptable. Il n'est pas nécessaire d'utiliser des matériaux à constante diélectrique élevée qui ont tendance à être coûteux et difficiles à usiner et qui donnent des consti- tuants lourds. Dans une variante de l'invention (non représentée) l'ensemble 33 d'émission représenté sur les figures 1 et 2 est remplacé par une source de signaux des micro-ondes qui peut être changée de position mécaniquement (et non élec- troniquement). Ce mode de réalisation utilise une alimentation coaxiale souple des signaux dans un tronçon de guide d'onde transmettant de l'énergie à une seule antenne à commutation de polarisation qui est court-circuitée de manière permanente. L'antenne est placée dans le plan focal 24 de la lentille et émet de l'énergie des micro-ondes dans la lentille 12. Le tronçon de guide d'onde est mobile le long de deux axes orthogonaux mutuellement dans le plan focal 34 sous l'action de moteur pas à pas. Ceci permet le positionnement de l'origine du signal d'émission dans le plan focal 34 afin qu'il corresponde à une direction choisie parmi un certain nombre de directions de faisceaux d'émission. 21 On se réfère maintenant à la figure 9 qui représente trois variantes d'antennes d'émission à dipôles croisés portant les références 300, 320 et 340 respectivement. La première, l'antenne 300, équivaut à celle qui est représen- tée sur la figure 3, les diodes PIN 76 étant remplacées par des barres 302 de mise en court-circuit qui relient chaque branche 304 de dipôle à une branche orthogonale respective 306. Elle donne l'antenne à commutation permanente de polarisation indiquée dans le paragraphe précédent. Elle transforme un signal non focalisé provenant d'un guide d'onde (équivalent au guide d'onde 35) en une source localisée placée dans le plan focal de la lentille ou à proximité de ce plan. On peut la considérer comme un convertisseur d'un éclairement global à un éclairement ponctuel, et elle peut émettre avec un niveau de puissance bien supérieur à celui d'une antenne à commutation par des diodes. L'antenne 320 est analogue à celle de la figure 4, mais les deux paires de branches 322/324 sont connectées par des diodes PIN respectives de commutation 326 qui sont isolées mutuellement. L'une ou l'autre diode est commutée pour le changement de la polarisation du parallélisme à une première ligne interrompue 328 au parallélisme à l'autre ligne comme dans le mode de réalisation de la figure 4.

Cependant, la phase du signal d'émission diffère de 180° dans les deux cas, c'est-à-dire que la commutation d'une diode 326 donne un signal de sortie qui est en opposition de phase par rapport à celui qui est produit par la commutation de l'autre. Ceci donne un réglage grossier de la phase convenant à une matrice d'émission formée d'antennes 320 placées à moins d'une longueur d'onde du plan focal 34 et placée parallèlement à ce plan focal 34. L'antenne 340 équivaut à celle qui est représentée sur la figure 4, mais chaque branche 342/344 d'antenne est connectée aux deux branches orthogonales 344/342 par des commutateurs respectifs 346 à diodes PIN. Comme l'antenne 320, l'antenne 340 peut être reproduite pour la formation 22 d'une antenne d'émission à commutation de la polarisation. Les diodes 346 sont commutées par paires diamétralement opposées. Dans tous les cas, la polarisation est commutée de 90°, mais la phase du signal produite par commutation d'une paire diffère de 180° de celle qui est produite par commutation de l'autre paire.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Capteur d'un rayonnement, comprenant une lentille diélectrique convergente destinée à délimiter une ouverture optique et un axe optique passant par l'ouverture, caracté- risé en ce que : (a) la lentille (12) a un dispositif réfléchissant (18) présentant une sélectivité de polarisation, disposé afin qu'il délimite un premier et un second plan focal (26a, 34) dans des régions respectives de surface de lentille disposées transversalement à l'axe optique (54), (b) le dispositif réfléchissant (18) assure la correspondance des plans focaux (26a, 34) à des polarisations différentes du rayonnement, (c) une matrice de réception (100) formée d'antennes est placée au voisinage du premier plan focal (26a), chaque antenne (102) déterminant une direction respective (par exemple 66) du faisceau de rayonnement passant par la lentille (12) et étant couplée essentiellement au rayonne-ment passant dans la lentille (12), et (d) au voisinage du second plan focal (34) : (i) soit un dispositif (70) d'émission sélectif directionnellement peut être couplé à plusieurs directions (56 à 60) de faisceaux de sortie par la lentille (12), (ii) soit une seconde matrice de réception formée d'antennes, ayant une disposition équivalente à celle de la matrice (100) du premier plan focal, est disposée afin qu'elle soit sensible à une polarisation différente du rayonnement.
2. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif réfléchissant est une grille (18) de conducteurs linéaires disposés entre deux parties de lentille (14, 16) et disposés parallèlement aux deux plans focaux (26a, 34).
3. 3. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux parties de lentille (14, 16) ont une forme de capuchon sphérique et une forme tronconique respectivement.
4. 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif réfléchissant (18) est destiné à diriger un rayonnement de réception, polarisé linéairement, vers la matrice (100) du premier plan focal, cette matrice (100) est bidimensionnelle et elle comporte des antennes (102) qui sont chacune sous forme d'une paire de dipôles croisés (104a/104b, 104c/104d), un dipôle (104a/104b) de chaque paire est parallèle afin qu'il reçoive la polarisation (Rx) du rayonnement qui parvient sur lui, et le capteur (10) comporte un dispositif destiné à diriger un signal d'oscillateur local (LO) vers la matrice polarisée parallèlement à l'autre dipôle (104c/104d) de chaque paire.
5. 5. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque antenne (102) a une bague de diodes mélangeuses (106a à 106b) destinée à mélanger les signaux du rayonnement reçu et les signaux de l'oscillateur local (Rx, LO) créés dans les dipôles respectifs (104a/104b, 104c/104d) et à former des signaux à fréquence inter- médiaire.
6. 6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque antenne comporte une branche divisée de dipôle (104a) jouant le rôle d'une ligne de transmission à fréquence intermédiaire.
7. 7. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une matrice de réception dans un second plan focal, ayant une construction analogue à celle de la matrice (100) du premier plan focal.
8. 8. Capteur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'émission (70) destiné à assurer l'éclairement en micro-ondes d'une scène extérieure à l'ouverture de la lentille.
9. 9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'émission placé dans le second plan focal, comprenant une matrice (70) d'antennes (72) à commutation de polarisation 25 qui peuvent être commandées séparément, un dispositif (44) d'alimentation en signaux polarisés linéairement de ces antennes, et un dispositif (82) de réflexion, présentant une sélectivité vis-à-vis de la polarisation et destiné à isoler l'alimentation (44) des signaux de la sortie par la lentille (12) et à transmettre à la lentille (12) des signaux (92) à commutation de polarisation créés dans l'une quelconque des ces antennes (72) en fonction des signaux de l'alimentation (44).
10. 10. Capteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les antennes à commutation de polarisation sont des fentes de dipôles croisés (114) formées dans une feuille métallique (112) et peuvent être activées par des dispositifs (120) de commutation connectés en diagonale.
11. 11. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant un dispositif d'émission placé dans le second plan focal, comprenant une alimentation en signaux comprenant une antenne à rotation de polarisation qui n'est pas commutable, et un dispositif destiné à déplacer cette antenne transversalement au second plan focal (34).