WO2004017453A1 - Dephaseur capable de variation de phase continue - Google Patents

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WO2004017453A1
WO2004017453A1 PCT/FR2003/002099 FR0302099W WO2004017453A1 WO 2004017453 A1 WO2004017453 A1 WO 2004017453A1 FR 0302099 W FR0302099 W FR 0302099W WO 2004017453 A1 WO2004017453 A1 WO 2004017453A1
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phase shifter
phase
shifter according
sections
phase shift
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PCT/FR2003/002099
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English (en)
Inventor
Mostafa Jelloul
Serge Vacher
Belkacem Khadri
Original Assignee
Arialcom
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/18—Phase-shifters
    • H01P1/184—Strip line phase-shifters

Definitions

  • Phase shifter capable of continuous phase variation
  • the present invention relates to the variable phase shifters of antenna networks usable in particular in the base stations of cellular radiocommunication networks of the GSM or UMTS type for example.
  • the antenna networks equipping the stations basic must be able to radiate directional beams orientable in elevation, typically from 0 ° to -10 ° relative to the horizon line.
  • the antenna networks are located at the top of pylons or buildings, a reduction in the deflection angle between 0 ° and -10 ° makes it possible to reduce the range on the ground of radiated radio waves.
  • These antenna arrays are generally formed by a vertical alignment of elementary sources spaced apart by a distance (p) forming the pitch of the array which is a multiple, generally less than 1, of the wavelength of the median frequency of the frequency band to be covered.
  • the elementary sources are supplied according to a linear phase distribution law, two adjacent sources being phase-shifted by:
  • ⁇ o is the angle of depointing of the beam compared to the horizon.
  • the variation of ⁇ by an adjustable phase shift means induces a beam deflection of an angle ⁇ o.
  • ⁇ o 0.9 ⁇
  • ⁇ o -10 °
  • the phase shift ⁇ is worth approximately 56.3 °.
  • the amplitude of the phase shift ⁇ is typically 60 ° but, if necessary, it can reach 90 ° approximately.
  • Beam defocusing can be done manually by tilting the antenna or automatically from a ground remote control. These adjustment modes depend to a large extent on the technology implemented in the production of the phase shifters. It is known to orient the beam of the electromagnetic wave radiated by an array of antennas to use phase-shifting devices with ferrite or else phase-shifting devices with PIN diodes. For the realization of antenna arrays, these devices have the particularity that they allow a remote adjustment of the beam depointing angle by applying an appropriate bias current on the ferrites or PIN diodes, but they do have the disadvantages of having non-linearities and of being a generator of intermodulation noise in multi-carrier transmission.
  • phase shifters with metal-on-metal friction or alternatively phase shifters comprising a triplate structure comprising an electrically conductive track composed of several non-aligned segments, the segments being covered in whole or in part by at least one blade in dielectric material moving between two conductive planes along the electrical track.
  • telescopic coaxial phase shifters with metal-on-metal friction have the drawback of being sensitive to corrosion and of exhibiting micro non-linearities at high powers which are essentially due to contact resistances.
  • phase shifters with a triple plate structure
  • the variable overlap of the conductive track by the dielectric plates modifies the electrical length of the conductive track, which produces a mismatch thereof and generally makes this type of phase shifter unsuitable for supplying antenna arrays. with high phase shift.
  • the phase excursion can however be improved by adding, for example to the ends of the conductive track, segments of determined length which cancel out the mismatches produced by the dielectric coatings.
  • this type of embodiment greatly increases the size of the phase shifters and makes them difficult to use in antenna networks of the GSM or UMTS type.
  • this embodiment requires the installation, at the level of each phase shifter of the network, of devices for controlling the movement of the dielectric plates, which further increases their bulk, and limits their use to networks comprising only '' a reduced number of antennas.
  • the object of the invention is to provide a phase shifting device capable of continuous variation by single mechanical control having a low insertion loss and operating in a wide frequency band with a view to being integrated for example into a network of radiating elements. aligned to form a directional beam antenna.
  • the invention proposes, for this purpose, a phase shifter, comprising two plates of dielectric material, mounted to slide in a chosen direction inside a metal case, and sandwiching a main metal segment, to form a phase shift cell whose terminals are at the ends of the main segment.
  • the main segment comprises two conductive sections, substantially parallel, spaced from each other both transversely and longitudinally relative to the chosen direction, with a conductive connection between them, while the plates dielectric have openings, defining movable windows, variably uncovering the sections, depending on the sliding of the dielectric plates in the housing, which at the same time modifies the phase shift between the terminals of the cell.
  • each of the windows may be equal to the length of a section increased by a length slightly greater than the half-length of the conductive link in projection on the chosen direction. This characteristic makes it possible to maintain invariable the electrical length and the impedance of the conductive link whatever the position of the dielectric plates and the phase characteristics depend only on the covering of the first and second sections by the windows.
  • phase shift cell can be obtained for lengths of the sections less than 0.12 times the working wavelength of the cell and for a length of the conductive link less than 0.25 times the length d working cell wave.
  • the phase shifter may comprise, between the dielectric plates and the housing, an arrangement with slits and guide rod, suitable for jointly delimiting the excursion of the two sliding plates.
  • the phase shifter comprises a group of at least two main segments, substantially parallel to the chosen direction and connected in series to form a multiple phase shift cell whose terminals are at the free ends of the main segments, while the plates dielectrics have openings, defining movable windows, for each section of each main segment.
  • This arrangement of the invention makes it possible to directly control the orientation of the wave beam emitted by the antenna array by performing a single movement of the dielectric plates.
  • This movement can be carried out by means of a single electric motor of the "Step by Step" type, for example remotely controlled, which facilitates focusing.
  • the phase shifter may further comprise at least two groups of main segments connected in series, mounted symmetrically with respect to a plane perpendicular to the chosen direction, to form two phase shift cells having a common terminal and two opposite terminals located at the ends of the groups.
  • the phase shifter may include an assembly defined by at least two groups of main segments connected in series and placed side by side to form two phase shift cells having a common terminal and two extreme terminals located at the ends of these groups.
  • the invention allows the production of antenna networks with a phase shifting block distributor, the distributor block being composed of two sets of main segments connected in series, mounted symmetrically with respect to a plane perpendicular to said chosen direction.
  • the proposed phase shifter device makes it possible to produce relatively large phase shifts in a small footprint while having a low insertion loss and good impedance matching in a wide frequency band. Another advantage is that it has very good linearity in phase adjustment.
  • the impedance matching is better than 1.3 of ROS in each of the frequency bands and for any position of the phase shifter.
  • the linearity of the phase shifts measured as a function of displacement of the plates and the frequency is excellent, the non-linearity is better than +/- 5 ° in the frequency band.
  • the insertion losses are extremely low of the order of 0.13 dB for a double cell generating a phase shift of 60 ° in the frequency band of 2 GHz.
  • FIG. 1A represents a top view along section I-I of an elementary phase shift cell according to the invention.
  • FIGS. 1B and 1C respectively represent views along the sections AA and BB of FIG. 1A.
  • Figure 1D shows a view along section II-II of Figure 1B.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the conductive track of the phase shift cell shown in FIGS. 1A, 1B, 1C, and 1D
  • FIG. 3 represents a top view of a phase shifter comprising two elementary cells in cascade according to the invention.
  • FIG. 4 represents a top view of a symmetrical distribution phase shifter formed by two elementary cells according to the invention.
  • FIG. 5 represents a top view of a distributor phase shifter formed by three elementary cells in cascade according to the invention.
  • FIG. 6 represents a top view of a symmetrical phase-shifting distributor block formed of elementary cells in cascade according to the invention.
  • FIGS 7, 8, 9 show distribution modes of phase shifting devices according to the invention in antenna arrays.
  • FIG. 10 represents a top view of a phase shifting block distributor according to a particular embodiment of the invention.
  • the elementary phase shift cell which is represented in FIGS. 1A, 1B, 1C and 1D comprises a main segment sandwiched between two plates of dielectric material 2 and 3, of relative permittivity ⁇ r greater than 1.
  • the plates 2 and 3, here in shape of rectangular parallelepiped, are kept adjusted one against the other inside a metal case 4, in which they slide in the longitudinal direction of the case between two open ends thereof.
  • central line 1 of the phase shifter.
  • central line covers in principle several main segments.
  • the conductive housing 4 is formed by a U-shaped base 5 which serves as a guide for the dielectric plates 2 and 3 and by a conductive closure plate 6 in the form of a cover.
  • the large dimension of the base 5 defines the direction of movement of the plates.
  • To allow the displacement of the dielectric plates 2 and 3 in the housing these are crossed by a rod 7 guided by two longitudinal slots gl and g2 facing each other in the base 5 and the cover 6.
  • the length of the slots gl and g2 limits the amplitude of movement of the plates 2 and 3.
  • the simultaneous driving of the dielectric plates 2 and 3 can be carried out by means of one or more rods not shown, integral with the rod 7 and actuated either manually or with the aid of an electric motor.
  • the central line is composed, as shown more particularly in FIG. 2, of several sections SI, Tl, T2, T3, S2.
  • the sections SI and S2 constitute the entry and exit lines of the phase shift cell.
  • the inputs and outputs can be reversed in a reciprocal phase shifter, consequently, an input or an output can be considered indifferently as a terminal of the phase shifter.
  • the sections Tl and T2 intermediate between the sections SI and S2 are in extension in two parallel directions xx 'and yy'. They are offset relative to each other, and interconnected by a conductive link in the shape of a 90 ° elbow forming the section T3. It is mainly on the sections T1, T2 and T3 that the phase shift cell is formed.
  • the dielectric plates 2 and 3 have openings defining movable windows f 1, f2 and f '1 of generally substantially rectangular shape.
  • Each window fl, f2 and fl has an opening in one plate, and, substantially opposite, an opening in the other plate (as a variant, a window could be defined by an opening in only one of the two plates) .
  • the windows fl, f2 are aligned respectively with the active sections T1 and T2 and are dimensioned so as to cover them partially or entirely depending on the position of the dielectric plates 2 and 3 in the housing 4.
  • the Tl and T2 sections also have a substantially rectangular general shape.
  • the window f 1 is aligned with a part of the output section S2 of the central line 1. It should be noted that the window f 1 is used only for cascading the cell with another cell as will appear in the following of the description, it is therefore not necessary for embodiments requiring only a phase shift cell.
  • the respective width of the windows and their respective length are at least equal to those of the corresponding sections.
  • the rectangular shape of the windows substantially matches that of the corresponding sections.
  • the outgoing signal at (S) is out of phase (delayed) with respect to the incoming signal at (E).
  • This phase shift depends, in a substantially proportional manner, on the surface of the sections T1 and T2 covered by the dielectric plates or, in an equivalent manner, on the displacement of the dielectric plates 2 and 3 materialized by the distance (d) which separates the straight edges of the windows. fl and f2 and the straight end edges of the corresponding sections T1 and T2.
  • the minimum position of the phase shifter corresponds to d ⁇ O
  • "1" being the predefined common length of the sections Tl and T2 so that the maximum travel of the phase shifter is equal to the common length "1" of said sections.
  • the maximum achievable phase shift is substantially proportional to "1".
  • the role of the windows f 1 and f2 practiced in the dielectric plates is to cover over a distance a part of the sections Tl and T2 by discovering F other part of these same sections over a distance d-1.
  • the covered part of the sections Tlet T2 is surrounded by the dielectric medium of dielectric constant ⁇ r greater than 1 and the uncovered part bathes in F air of dielectric constant equal to 1 in the manner of a suspended line.
  • the length of the window f2 is such that the section T2 can be completely ventilated in the minimum position of the phase-shifting module which is obtained for d ⁇ O and that the bent part of the section T3 at the end of the section T2 is also ventilated in this position.
  • the length of the window f2 is at least equal to a length f as indicated in FIG. 2 comprising the length 1 of the section T2 increased by a length corresponding to the part of the section T3 falling at the end from the window.
  • This part has a length slightly greater than the half length of the conductive link (T3) in projection on the direction of movement of the plates and includes a certain longitudinal length, a bend and finally a certain transverse length. It is the same for the window fl with respect to the sections Tl and SI.
  • the electrical length and the impedance of the section T3 connecting the sections Tl and T2, one part of which is in the air and the other part is embedded in the dielectric are kept invariable regardless of the position of the plates dielectric 2 and 3.
  • only the electrical properties of the active sections Tl and T2 are variable depending on the position of the dielectric plates 2 and 3 and all the other sections or connecting sections such as T3, SI and S2 retain their initial properties when adjusting the cell phase.
  • the dielectric plates 2 and 3 are guided in the slide formed in the base 4 in cooperation with the slots gl and g2 and the drive rod 7.
  • the width of a window is substantially equal to the width of a corresponding section of line. However, it may be slightly higher or lower without this having any consequence on the proper functioning of the phase shift cell.
  • the material of the dielectric plates is chosen for its good radioelectric and mechanical qualities. By way of nonlimiting example, polyethylene or polytetrafluoroethylene may be used, which are well known for their good qualities of sliding and of tangent of loss at radio frequencies.
  • the active sections are not aligned on the same axis.
  • the axis offset is greater than the width of the windows so that the adjacent windows do not overlap.
  • the length 1 of the active sections T1 and T2 is short compared to the working wavelength, for example equal to one tenth of the wavelength, and the respective widths W1, W2 are preferably substantially equal. However for impedance adaptation needs the widths W1 and W2 may differ slightly.
  • the widths and lengths of the active sections determine the maximum phase shift achievable by the phase shift cell.
  • the section T3 connects the two sections Tl and T2 together and has at least two elbows, these elbows not necessarily being straight.
  • the characteristic impedance Zc of the section T3 and its equivalent electrical length ⁇ substantially determine the state of adaptation of impedance with respect to the impedances Zo of the input and output lines of the phase shifter, these generally being 50 Ohms .
  • the impedance Zc determines the width of the section. Approximately these quantities are determined by the following relationships:
  • phase shifter has a relative passband close to 25%, ie a frequency band between 1700MHz and 2200MHz for a standing wave ratio (ROS) of less than 1.2.
  • ROS standing wave ratio
  • the sections T1 and T2 In a triplate of 4.6mm thickness for example with a track of 0.2mm thickness, the sections T1 and T2 would have a width of 3.9 mm and the section T3 a width of 3.2 mm in the constant dielectric 2.3 or 6mm in the air.
  • the precise definition of the section T3 with a view to obtaining a good impedance adaptation in the frequency band can be treated more generally taking into account the actual topology of the circuit, by means of a software tool for Appropriate CAD dedicated to microwave circuits, such as for example the software marketed under the name ADS by the company AGILENT or the software marketed under the designation SERENAD by the company ANSOFT Corporation.
  • a software tool for Appropriate CAD dedicated to microwave circuits such as for example the software marketed under the name ADS by the company AGILENT or the software marketed under the designation SERENAD by the company ANSOFT Corporation.
  • the impedance matching at input and at output can also be improved by the addition of matching circuits performing for example one or more quarter wave transformations.
  • the relation (4) shows that the phase shift is proportional to the length 1 covered by the dielectric plates 2 and 3 and that it varies substantially linearly as a function of the displacement d of the dielectric plates 2 and 3, which facilitates the adjustment or the calibration of the phase shifter.
  • the relation (4) also shows that the phase shift is proportional to the frequency.
  • the relation (4) also makes it possible to estimate the phase shift achievable with an elementary cell comprising three sections T1, T2 and T3 of the type described above.
  • the phase shift can be close to 30 ° using dielectric substrates with a constant close to 2, which is advantageous in terms of bandwidth and in terms of radio frequency losses.
  • FIG 3 where the elements homologous to those of Figures 1A to 1D bear the same references shows a top view of the phase shifter with the cover removed, comprising two elementary cells in cascade comprising a central line, composed of four sections referenced T1, T2, T '1, T'2, of identical lengths, the sections of odd indices being aligned on the axis xx "and the sections of even indices being aligned on the axis yy'.
  • the sections Tl and T2 form the first cell and the sections T'1 and T'2 form the second cell, these two cells constituting a double phase shift cell.
  • the dielectric plates 2 and 3 have four windows fl, £ 2, f 1, f 2, covering respectively all or part of the sections Tl, T2, T'1, T'2.
  • the phase shift obtained is 2 ⁇ , or twice that of a basic cell ⁇ .
  • the connection between the two cells is by means of line sections whose properties s electrical remain invariable depending on the position of the plates 2 and 3 of the phase shifter. This embodiment is easily generalized to obtain a multiple phase shift cell composed of three or more elementary cells.
  • FIG. 4 shows a top view of a symmetrical phase shifter comprising an input E and two outputs SI and S2 whose phases are conjugate, that is to say equal and opposite signs, the phase shift sections on either side of a median plane PP ', perpendicular to the direction of movement of the plates, comprising a double cell of the type shown in FIG. 3.
  • This phase shifter can for example be used to excite antenna arrays of the type represented in FIGS. 8 and 9.
  • the structure of the central line 1 is symmetrical with respect to the plane PP ', so that a displacement d of the plates 2 and 3 to the left of this plane for example, the fact that the active sections of the section on the right are exposed to dielectric, with equal surface area discovered and covered respectively.
  • the two signals do indeed have equal and opposite phases and the maximum phase difference between the two signals is equal to the phase difference achievable by two elementary cells in cascade, that is to say substantially 2 ⁇ , ⁇ being. the maximum phase shift for a cell.
  • the equalization of the phases simply consists in lengthening, not shown in FIG. 4, the output line SI with an electrical length equivalent to the phase shift ⁇ .
  • such a symmetrical distributor phase shifter can be made from multiple cells in place of double cells.
  • FIG. 5 shows a top view of a phase shifter comprising a common input E and three outputs SI, S2, S3, phase shifted relative to each other of the same phase shift, generated by double cells, assumed to be identical, of the type shown in FIG. 3.
  • These double cells are connected in series and placed side by side to form two phase shift cells.
  • the central line 1 is folded in a zigzag each branch of the zigzag corresponding to a double cell section.
  • the output SI is phase-shifted by a quantity ( ⁇ o + 2 ⁇ ) relative to the input E
  • the output S2 is phase-shifted by ( ⁇ l + 2 ⁇ ) relative to the output SI
  • the output S3 is phase shifted by ( ⁇ 2 + 2 ⁇ ) with respect to the output S2
  • ⁇ o, ⁇ l, ⁇ 2 being the residual phase shifts corresponding to the paths traveled by incoming wave in E to reach the respective outputs for a given position of the phase shifter taken as reference .
  • each branch of the zigzag can have a multiple cell.
  • the zigzag is not limited to three branches. This principle can therefore be generalized for any number of outputs.
  • This phase shifter can be used to make a symmetrical distributor phase shifter. For the sake of clarity, only the left part of the distribution phase shifter is shown in FIG. 5.
  • This symmetrical distribution phase shifter can for example be used in the network antenna architecture diagram shown in FIGS. 8 and 9.
  • FIG. 6 represents a distributor phase-shifting block comprising an input E and ten outputs respectively referenced SI, S2 S5, Sl, S-2, S-5.
  • the outputs have two by two conjugate phases and the input power is distributed in an unbalanced manner between the ten outputs.
  • phase shifts are obtained by means of two separate blocks 8 and 9 of dielectric plates 2 and 3, disposed on either side of the median plane PP 'and moving together by means of a not dephased phase shifter adjustment mechanism.
  • the parts of the conductive tracks 10 located in the space between the two removable blocks 8 and 9 and at the ends of the blocks are held in sandwich by two facing plates 11 made of insulating material, foam for example with very low loss and a dielectric constant close to that of air. Examples of embodiments of antennas organized in a uniform array which may include phase shifters according to the invention are shown in FIGS. 7 to 9.
  • n l, 2, .... N
  • the amplitude of the phase shift on the last source which is equal to (N-1) ⁇ can become very large if N is large.
  • the size of the phase shifters limits this embodiment to a very limited number of sources.
  • Figure 8 shows the same network of sources but this time supplied in series so that the phase shifts are cumulative from one source An to the next and that the phase distribution law is linear along the network.
  • each node of the network has three branches, an input branch and two output branches and it is possible to easily achieve a determined law of power distribution on the radiating sources, for example in order to produce a diagram shaped radiation or having a low level of secondary lobes.
  • the circuit consisting of phase shifters and power division nodes can advantageously be produced in the form of a single box which is both distributor and phase shifter or, at least if the space available does not allow it. not, of a reduced number of such boxes. Such a box which may be of the type described in FIGS.
  • phase shifts will include an input and several outputs supplying the elementary sources A-2, Al, A0, Al, A2. It will also be equipped with means for adjusting the phase shifters. It will be noted that in the diagram in FIG. 8, the phase shifts are symmetrical with respect to the entry point M of the network, the phase shifts are positive towards the top and are negative towards the bottom of the point M. This arrangement is only a particular advantageous case from a practical point of view, the entry point of the network can indeed be positioned at any location on the network, the main thing is that the phase shift between two successive sources is equal to ⁇ . Thus, as shown in FIG. 9, the network is formed by an even number of sources with a feed point M positioned in the center of the network, which provides symmetrical phase shifts as in Figure 2.
  • FIG. 10 represents a phase shifting block distributor, according to a particular embodiment of the invention, in which the housing 4 comprises 2 compartments 4a and 4b aligned and connected together by a coaxial cable 30 having a characteristic resistance generally of 50 ohms.
  • Each compartment comprises a set of phase shift cells having a common terminal and extreme terminals situated at the lateral ends of the compartments.
  • each compartment comprises four double phase-shift cells of the type of FIG. 3.
  • the compartments 4a and 4b in particular have substantially identical dimensions.
  • the distributor phase shift block shown in FIG. 10 has a common input E and 9 outputs SI to S5 and S-2 to S-5. These inputs / outputs are generally adapted to an impedance
  • the connection of the input / output cables on the housing 4 is carried out by means of input / output cable supports 20, 21, 22 and 23, of conductive material, fixed to the lateral ends of each compartment by screwing onto the housing .
  • the housing is in particular metallic.
  • compartment 4a is provided with an input / output cable support 20 on its left lateral end and an input / output cable support 21 on its right lateral end.
  • compartment 4b is provided with an input / output cable support 22 on its left lateral end and an input / output cable support 23 on its right lateral end.
  • the coaxial cable 30 connects the cable support 22 of compartment 4a to the cable support 23 of compartment 4b.
  • the output SI keeps the same fixed phase shift taken as a 0 ° reference.
  • phase shifts are obtained by means of two pairs of separate blocks ⁇ 8, 9 ⁇ and ⁇ 8 ', 9' ⁇ , symmetrical with respect to an axis (P ⁇ P ⁇ ) perpendicular to the chosen direction.
  • Each block consists of dielectric plates 2 and 3.
  • the pair of blocks ⁇ 8,9 ⁇ is located in the compartment 4a and the pair of blocks ⁇ 8 ', 9' ⁇ is located in compartment 4b.
  • the phase shift is modified by a guide rod 7 integrated into the housing 4 and passing through each compartment 4a and 4b.
  • the guide rod 7 is directed in the chosen direction defined above and is integral with the dielectric plates 2, 3.
  • the housing 4 according to this embodiment of the invention is a metal housing, for example aluminum, manufactured by an extrusion process.
  • Dielectric plates 2 and 3 can be made by molding.
  • phase-shifting block of given length L is more complex than the manufacture of a phase-shifting block with two compartments of length L / 2 that is twice as small. It follows that the structure of the housing 4 in two compartments 4a and 4b, as described above, simplifies the manufacture of the phase shifter compared to the embodiments described above.
  • the mounting of the phase-shifting block can be achieved by threading each pair of blocks ⁇ 8.9 ⁇ (respectively ⁇ 8 ', 9' ⁇ ) in the corresponding compartment 4a (respectively 4b).
  • the mounting of the phase shift block according to this embodiment is also simplified compared to the embodiments described above.
  • phase shifter described with reference to FIG. 10 also makes it possible to eliminate the direct connection of input / output cables to the housing 4 (ie the direct contacts between the coaxial sheath and the housing) thanks to the introduction of the supports of cables and therefore the number of potential sources of passive intermodulation products (IMP).
  • IMP passive intermodulation products
  • the phase shifter according to the invention is used, in particular, for the creation of arrays of depointable beam antennas, by displacement of the plates 2 and 3.
  • the input / output terminals then form connection points of elements d antennas.
  • the invention is not limited to the embodiments described. These include different possibilities of symmetry that it is possible to arrange differently by deleting unnecessary elements if necessary.
  • the invention covers all the variant embodiments that a person skilled in the art may envisage.

Landscapes

  • Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Networks Using Active Elements (AREA)
  • Enzymes And Modification Thereof (AREA)
  • Detergent Compositions (AREA)

Abstract

L'invention propose un déphaseur, comprenant deux plaques en matériau diélectrique, montées coulissantes selon une direction choisie à l'intérieur d'un boitier métallique, et prenant en sandwich un segment principal métallique, pour former une cellule de déphasage dont les bornes (E, S) sont aux extrémités du segment principal. Le segment principal comporte deux tronçons conducteurs (Tl,T2), sensiblement parallèles, espacés l’un de l'autre à la fois transversalement et longitudinalement par rapport à la direction choisie, avec entre eux une liaison conductrice (T3), tandis que les plaques diélectriques comportent des ouvertures , définissant des fenêtres mobiles (fl,f2), découvrant de façon variable les tronçons (T1,T2), en fonction du coulissement des plaques diélectriques dans le boitier, ce qui modifie en même temps le déphasage entre les bornes de la cellule. Le déphaseur est utilisé, en particulier, pour la réalisation de réseau d'antennes à faisceau dépointable.

Description

Déphaseur capable de variation de phase continue
La présente invention concerne les déphaseurs variables de réseaux d'antennes utilisables notamment dans les stations de base des réseaux de radiocommunication cellulaires de type GSM ou UMTS par exemple.
Pour satisfaire l'augmentation sans cesse grandissante du trafic qui conduit à augmenter la densité des stations de base sur un territoire déterminé et à diminuer la surface occupée au sol par les cellules constituant un réseau de radiocommunication cellulaire, les réseaux d'antennes équipant les stations de base doivent être capables de rayonner des faisceaux directifs orientables en élévation, typiquement de 0° à -10° par rapport à la ligne d'horizon. Comme généralement les réseaux d'antennes sont situés au sommet de pylônes ou d'immeubles, une diminution de l'angle de dépointage entre 0° et -10° permet de diminuer la portée au sol des ondes radioélectriques rayonnées. Ces réseaux d'antennes sont généralement formés par un alignement vertical de sources élémentaires espacées entre elles d'une distance (p) formant le pas du réseau qui est un multiple, généralement inférieur à 1, de la longueur d'onde de la fréquence médiane de la bande de fréquence à couvrir. Les sources élémentaires sont alimentées suivant une loi linéaire de distribution de phase, deux sources adjacentes étant déphasées de:
Φ=-2π(p/λ)sin Θo (1)
où Θo est l'angle de dépointage du faisceau par rapport à l'horizon. Suivant la relation (1) le faisceau est pointé à l'horizon pour Θo=0 lorsque toutes les sources du réseau sont en phase c'est à dire pour Φ=0. La variation de Φ par un moyen de déphasage ajustable induit un dépointage du faisceau d'un angle Θo. Par exemple pour p=0,9λ et Θo=-10° le déphasage Φ vaut environ 56,3°. Dans les réseaux de radiocommunication cellulaires précités l'amplitude du déphasage Φ vaut typiquement 60° mais, il peut en cas de besoin, atteindre de 90° environ.
Le dépointage du faisceau peut être effectué manuellement en inclinant l'antenne ou automatiquement à partir d'une télécommande au sol. Ces modes de réglage dépendent pour beaucoup de la technologie mise en oeuvre dans la réalisation des déphaseurs. Il est connu pour orienter le faisceau de l'onde électromagnétique rayonnée par un réseau d'antennes d'utiliser des dispositifs déphaseurs à ferrite ou encore des dispositifs déphaseurs à diodes PIN. Pour la réalisation des réseaux d'antennes, ces dispositifs ont la particularité qu'ils permettent un réglage à distance de l'angle de dépointage du faisceau en appliquant un courant de polarisation approprié sur les ferrites ou les diodes PIN, ils présentent par contre les inconvénients de présenter des non linéarités et d'être générateur de bruits d'intermodulation en transmission multi-porteuses.
Il est également connu d'utiliser des déphaseurs télescopiques coaxiaux à frottement métal sur métal ou encore des déphaseurs comportant une structure triplaque comportant une piste électriquement conductrice composée de plusieurs segments non alignés, les segments étant couvert en totalité ou partiellement par au moins une lame en matériau diélectrique en déplacement entre deux plans conducteurs le long de la piste électrique.
Cependant les déphaseurs télescopiques coaxiaux à frottement métal sur métal ont l'inconvénient d'être sensible à la corrosion et de présenter des micro non-linéarités aux puissances élevées qui sont essentiellement dues aux résistances de contact.
Dans les déphaseurs à structure triplaque le recouvrement variable de la piste conductrice par les plaques diélectriques modifie la longueur électrique de la piste conductrice ce qui produit une désadaptation de celle ci et rend généralement ce type de déphaseur inapte à l' alimentation de réseaux d'antennes à fort déphasage. L'excursion en phase peut cependant être améliorée en ajoutant par exemple aux extrémités de la piste conductrice des segments de longueur déterminée qui viennent annuler les désadaptations produites par les recouvrements de diélectrique. Cependant ce type de réalisation augmente fortement l'encombrement des déphaseurs et les rendent difficilement utilisables dans les réseaux d'antenne de type GSM ou UMTS. D'autre part, ce mode de réalisation nécessite la mise en place, au niveau de chaque déphaseur du réseau, de dispositifs de commande de déplacement des plaques diélectriques ce qui augmente encore plus leur encombrement, et limite leur utilisation à des réseaux ne comportant qu'un nombre réduit d'antennes. Le but de l'invention est de fournir un dispositif déphaseur capable de variation continue par commande mécanique unique ayant une faible perte d'insertion et fonctionnant dans une large bande de fréquence en vue d'être intégré par exemple dans un réseau d'éléments rayonnants alignés pour constituer une antenne directive à faisceau orientable.
L'invention propose, à cet effet, un déphaseur, comprenant deux plaques en matériau diélectrique, montées coulissantes selon une direction choisie à l'intérieur d'un boîtier métallique, et prenant en sandwich un segment principal métallique, pour former une cellule de déphasage dont les bornes sont aux extrémités du segment principal. Selon un aspect de F invention, le segment principal comporte deux tronçons conducteurs, sensiblement parallèles, espacés l'un de l'autre à la fois transversalement et longitudinalement par rapport à la direction choisie, avec entre eux une liaison conductrice, tandis que les plaques diélectriques comportent des ouvertures, définissant des fenêtres mobiles, découvrant de façon variable les tronçons, en fonction du coulissement des plaques diélectriques dans le boîtier, ce qui modifie en même temps le déphasage entre les bornes de la cellule.
La longueur de chacune des fenêtres peut-être égale à la longueur d'un tronçon augmentée d'une longueur légèrement supérieure à la demi-longueur de la liaison conductrice en projection sur la direction choisie. Cette caractéristique permet de maintenir invariables la longueur électrique et l'impédance du liaison conductrice quelle que soit la position des plaques diélectriques et les caractéristiques de phase ne dépendent que du recouvrement du premier et du deuxième tronçon par les fenêtres.
Une bonne linéarité de la cellule de déphasage peut-être obtenue pour des longueurs des tronçons inférieures à 0,12 fois la longueur d'onde de travail de la cellule et pour une longueur de la liaison conductrice inférieure à 0,25 fois la longueur d'onde de travail de la cellule.
Le déphaseur peut comporter, entre les plaques diélectriques et le boîtier, un agencement à fentes et tige de guidage, propre à délimiter conjointement l'excursion des deux plaques en coulissement.
Selon une forme de réalisation de l'invention, applicable directement à la réalisation d'un réseau d'antennes, le déphaseur comprend un groupe d'au moins deux segments principaux, sensiblement parallèles à la direction choisie et reliés en série pour former une cellule multiple de déphasage dont les bornes sont aux extrémités libres des segments principaux, tandis que les plaques diélectriques comportent des ouvertures, définissant des fenêtres mobiles, pour chaque tronçon de chaque segment principal.
Cette disposition de l'invention permet de commander directement l'orientation du faisceau d'onde émis par le réseau d'antennes en effectuant un seul déplacement des plaques diélectriques. Ce déplacement peut être exécuté par l'intermédiaire d'un seul moteur électrique de type "Pas à Pas" par exemple commandé à distance ce qui facilite la mise au point.
Le déphaseur peut en outre comprendre au moins deux groupes de segments principaux reliés en série, montés symétriquement par rapport à un plan perpendiculaire à la direction choisie, pour former deux cellules de déphasage ayant une borne commune et deux bornes opposées situées aux extrémités des groupes.
En variante, le déphaseur peut comprendre un ensemble défini par au moins deux groupes de segments principaux reliés en série et placés côte à côte pour former deux cellules de déphasage ayant une borne commune et deux bornes extrêmes situées aux extrémités de ces groupes.
Enfin l'invention permet la réalisation de réseaux d'antennes à bloc déphaseur répartiteur, le bloc répartiteur étant composé de deux ensembles de segments principaux reliés en série, montés symétriquement par rapport à un plan perpendiculaire à ladite direction choisie.
Le dispositif déphaseur proposé permet de réaliser des déphasages relativement importants dans un encombrement réduit tout en présentant une faible perte d'insertion et une bonne adaptation d'impédance dans une large bande de fréquence. Un autre avantage est qu'il possède une très bonne linéarité en réglage de phase. Dans des applications à des réseaux d'antennes fonctionnant dans les bandes de fréquence GSM900, GSM1800 et UMTS, l'adaptation d'impédance est meilleure que 1,3 de ROS dans chacune des bandes de fréquence et pour toute position du déphaseur. La linéarité des déphasages mesurés en fonction du déplacement des plaques et de la fréquence est excellente, la non-linéarité est meilleur que +/- 5° dans la bande de fréquence. Les pertes d'insertion sont extrêmement faibles de l'ordre de 0,13dB pour une cellule double générant un déphasage de 60° dans la bande de fréquence des 2GHz.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description détaillée ci-après, faite en regard des dessins annexés, sur lesquels:
La figure 1A représente une vue de dessus suivant la coupe I-I d'une cellule élémentaire de déphasage selon l'invention.
Les figures 1B et 1C représentent respectivement des vues suivant les coupes AA et BB de la figure 1A.
La figure 1D représente une vue suivant la coupe II-II de la figure 1B.
La figure 2 montre un mode de réalisation de la piste conductrice de la cellule de déphasage représentée aux figures 1A, 1B, 1C, et 1D
La figure 3 représente une vue de dessus d'un déphaseur comprenant deux cellules élémentaires en cascade selon l'invention.
La figure 4 représente une vue de dessus d'un déphaseur répartiteur symétrique formé par deux cellules élémentaires selon l'invention.
La figure 5 représente une vue de dessus d'un déphaseur répartiteur formé par trois cellules élémentaires en cascade selon l'invention.
La figure 6 représente une vue de dessus d'un bloc déphaseur répartiteur symétrique formée de cellules élémentaires en cascade selon l'invention.
Les figures 7, 8, 9 représentent des modes de répartition de dispositifs déphaseurs selon l'invention dans des réseaux d'antennes.
La figure 10 représente une vue de dessus d'un bloc déphaseur répartiteur selon un mode de réalisation particulier de l'invention.
Les dessins contiennent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la description, mais aussi contribuer à la définition de l'invention le cas échéant.
La cellule de déphasage élémentaire qui est représentée aux figures 1A, 1B, 1C et 1D comprend un segment principal disposé en sandwich entre deux plaques en matériau diélectrique 2 et 3, de permittivité relative ξr supérieure à 1. Les plaques 2 et 3, ici en forme de parallélépipède rectangle, sont maintenues ajustées l'une contre l'autre à l'intérieur d'un boîtier métallique 4, dans lequel elles coulissent suivant la direction longitudinale du boîtier entre deux extrémités ouvertes de celui ci.
Comme on le verra, le segment principal fait partie d'une "ligne centrale" 1 du déphaseur. En fait, sauf là où le contexte s'y oppose, l'expression "ligne centrale" recouvre en principe plusieurs segments principaux.
Le boîtier conducteur 4 est formé d'un socle 5 en forme de U qui sert de guide pour les plaques diélectriques 2 et 3 et d'une plaque conductrice de fermeture 6 en forme de couvercle. La grande dimension du socle 5 définit la direction de déplacement des plaques. Pour permettre le déplacement des plaques diélectriques 2 et 3 dans le boîtier, celles ci sont traversées par une tige 7 guidée par deux fentes longitudinales gl et g2 en vis à vis dans le socle 5 et le couvercle 6. La longueur des fentes gl et g2 limite l'amplitude de déplacement des plaques 2 et 3. L'entraînement simultané des plaques diélectriques 2 et 3 peut être effectué grâce à une ou plusieurs tiges non représentées, solidaires de la tige 7 et actionnées soit manuellement ou à l'aide d'un moteur électrique.
La ligne centrale se compose, comme le montre plus particulièrement la figure 2, de plusieurs tronçons SI, Tl, T2, T3, S2. Les tronçons SI et S2 constituent les lignes d'entrée et de sortie de la cellule de déphasage. Comme le sait l'homme du métier, les entrées et sorties peuvent être inversées dans un déphaseur réciproque, en conséquence, on peut considérer indifféremment une entrée ou une sortie comme une borne du déphaseur.
Les tronçons Tl et T2 intermédiaires entre les tronçons SI et S2, sont en prolongement suivant deux directions parallèles xx' et yy'. Ils sont décalés l'un par rapport à l'autre, et interconnectés par une liaison conductrice en forme de coude à 90° formant le tronçon T3. C'est principalement sur les tronçons Tl, T2 et T3 que se forme la cellule de déphasage.
Pour ce faire les plaques diélectriques 2 et 3 comportent des ouvertures définissant des fenêtres mobiles f 1, f2 et f ' 1 de forme générale sensiblement rectangulaire. Chaque fenêtre fl, f2 et fl comporte une ouverture dans une plaque, et, sensiblement en vis-à-vis, une ouverture dans l'autre plaque (en variante, une fenêtre pourrait être définie par une ouverture dans une seule des deux plaques). Les fenêtres fl, f2 sont alignées respectivement avec les tronçons actifs Tl et T2 et sont dimensionnées de façon à les recouvrir partiellement ou en totalité suivant la position des plaques diélectriques 2 et 3 dans le boîtier 4. Selon un aspect de l'invention, les tronçons Tl et T2 ont également une forme générale sensiblement rectangulaire. La fenêtre fl est alignée avec une partie du tronçon de sortie S2 de la ligne centrale 1. Il est à noter que la fenêtre f 1 sert uniquement à la mise en cascade de la cellule avec une autre cellule comme cela apparaîtra dans la suite de la description, elle n'est donc pas nécessaire pour les réalisations nécessitant qu'une cellule de déphasage. Dans l'exemple décrit, la largeur respective des fenêtres et leur longueur respective sont au moins égales à celles des tronçons correspondants. La forme rectangulaire des fenêtres épouse sensiblement celle des tronçons correspondants.
En se référant à la figure 1A le signal sortant en (S) est déphasé (retardé) par rapport au signal entrant en (E). Ce déphasage dépend, de façon sensiblement proportionnelle, de la surface des tronçons Tl et T2 recouverte par les plaques diélectriques ou, de façon équivalente, du déplacement des plaques diélectriques 2 et 3 matérialisé par la distance (d) qui sépare les bords droits des fenêtres fl et f2 et les bords droits d'extrémité des tronçons Tl et T2 correspondants. La position minimale du déphaseur correspond à d≈O, la position maximale du déphaseur correspond à d=l, " 1" étant la longueur commune prédéfinie des tronçons Tl et T2, de sorte que la course maximale du déphaseur est égale à la longueur commune "1" desdits tronçons.
Le déphasage maximum réalisable est sensiblement proportionnel à "1". Le rôle principal des fentes gl et g2 est précisément de limiter la course des plaques 2 et 3 entre une position initiale pour laquelle par exemple d≈O et une position finale pour laquelle d=l, en fonction des déphasages souhaités.
Le rôle des fenêtres f 1 et f2 pratiquées dans les plaques diélectriques est de recouvrir sur une distance d une partie des tronçons Tl et T2 en découvrant F autre partie de ces mêmes tronçons sur une distance d-1. La partie recouverte des tronçons Tlet T2 est entourée par le milieu diélectrique de constante diélectrique ξr supérieure à 1 et la partie découverte baigne dans F air de constante diélectrique égale à 1 à la façon d'une ligne suspendue. La longueur de la fenêtre f2 est telle que le tronçon T2 puisse être complètement aéré dans la position minimale du module déphaseur qui est obtenue pour d≈O et que la partie coudée du tronçon T3 en extrémité du tronçon T2 soit également aérée dans cette position. En d'autres termes, la longueur de la fenêtre f2 est au moins égale à une longueur f comme indiquée sur la figure 2 comprenant la longueur 1 du tronçon T2 augmentée d'une longueur correspondant à la partie du tronçon T3 tombant à l'extrémité de la fenêtre. Cette partie a une longueur légèrement supérieure à la demi longueur de la liaison conductrice (T3) en projection sur la direction de déplacement des plaques et comprend une certaine longueur longitudinale, un coude et enfin une certaine longueur transversale. Il en est de même pour la fenêtre fl vis à vis des tronçons Tl et SI. De la sorte, la longueur électrique et l'impédance du tronçon T3 reliant les tronçons Tl et T2, dont une partie est dans l'air et l'autre partie est noyée dans le diélectrique, sont maintenues invariables quelle que soit la position des plaques diélectriques 2 et 3. En fin de compte, seules les propriétés électriques des tronçons actifs Tl et T2 sont variables en fonction de la position des plaques diélectriques 2 et 3 et toutes les autres sections ou tronçons de liaison telles que T3, SI et S2 conservent leurs propriétés initiales lors du réglage de phase de la cellule.
Pour maintenir F alignement des fenêtres f 1, f2, f '1 avec les tronçons respectifs correspondants Tl, T2, S2 les plaques diélectriques 2 et 3 sont guidés dans la glissière formée dans le socle 4 en coopération avec les fentes gl et g2 et la tige d'entraînement 7. La largeur d'une fenêtre est sensiblement égale à la largeur d'un tronçon de ligne correspondant. Elle peut être toutefois légèrement supérieure ou inférieure sans que ceci ait une conséquence sur le bon fonctionnement de la cellule de déphasage. Le matériau des plaques diélectriques est choisi pour ses bonnes qualités radioélectriques et mécaniques. A titre d'exemple non limitatif il pourra être utilisé du polyéthylene ou du polytétrafluoréthylène qui sont bien connus pour leurs bonnes qualités de glissement et de tangente de perte aux radiofréquences.
En référence à la figure 2 qui représente la piste 1 avec ses différents tronçons, les tronçons actifs ne sont pas alignés sur un même axe. Le décalage d'axes est supérieur à la largeur des fenêtres de façon à ce que les fenêtres adjacentes ne se recoupent pas. La longueur 1 des tronçons actifs Tl et T2 est courte devant la longueur d'onde de travail, par exemple égale au dixième de la longueur d'onde, et les largeurs respectives Wl, W2 sont de préférence sensiblement égales. Cependant pour des besoins d'adaptation d'impédance les largeurs Wl et W2 peuvent différer légèrement. Les largeurs et longueurs des tronçons actifs déterminent le déphasage maximum réalisable par la cellule de déphasage.
Le tronçon T3 raccorde entre eux les deux tronçons Tl et T2 et possède au moins deux coudes, ces coudes n'étant pas forcément droits. L'impédance caractéristique Zc du tronçon T3 et sa longueur électrique équivalente θ, déterminent sensiblement l'état d'adaptation d'impédance vis à vis des impédances Zo des lignes d'entrée et de sortie du déphaseur, celles ci étant généralement de 50 Ohms. Pour des dimensions données des tronçons Tl et T2 il existe au moins une longueur électrique équivalente θ et une impédance Zc du tronçon T3 qui soient optimales dans le sens qu'elles permettent la meilleur adaptation d'impédance du déphaseur dans une bande de fréquence donnée. L'impédance Zc détermine la largeur du tronçon. De façon approximative ces quantités sont déterminées par les relations suivantes:
Zc≈Zo (2)
Cotg(θ) ≈(Zc/Zco)(2πl/λ)(ξr+l)/2 (3)
Le déphasage Δφ maximum réalisable dans ces conditions d'adaptation est approximativement donné par la relation suivante: Tang(Δφ/2)≈ (Zc/Zco)(2πl/λ)(ξr-l)/2 (4)
où Zo est l'impédance des lignes d'entrée et de sortie, généralement de 50 Ohms; Zco est l'impédance dans l'air des tronçons Tl et T2 supposées identiques et de longueur mécanique 1 et λ est la longueur d'onde dans l'air correspondant à la fréquence centrale de la bande de fréquence à couvrir. Le déphasage Δφ mesure la différence de phase du signal sortant entre l'état final du déphaseur où les tronçons Tl et T2 sont entièrement recouverts par les plaques diélectriques 2 et 3 lorsque d=l et l'état initial où les tronçons sont dans l'air pour d=0.
Par exemple à la fréquence 2045MHZ et pour 1=14,7 mm (soit l/λ=0,l) et Zco=67 Ohms, avec ξr=2,3, on obtient: Zc ≈Zo=50 Ohms, 6=52,2° soit une longueur équivalente du tronçon T3 égale à 0,145λ (ou 21,3 mm dans l'air) et enfin un déphasage Δφ ≈34°. Un tel déphaseur possède une bande passante relative voisine de 25% soit une bande de fréquence comprise entre 1700MHz et 2200MHz pour un rapport d'onde stationnaire (ROS) inférieur à 1,2. Dans un triplaque d'épaisseur 4,6mm par exemple avec une piste d'épaisseur 0,2mm, les tronçons Tl et T2 auraient une largeur de 3,9 mm et le tronçon T3 une largeur de 3,2 mm dans le diélectrique de constante 2,3 ou encore 6mm dans l'air.
Dans la pratique, il n'est pas obligatoire d'adopter les valeurs issues des relations (2) et (3) qui sont basées sur des hypothèses simplificatrices permettant de disposer d'estimations. Par exemple, compte tenu du fait que le tronçon T3 est en partie dans l'air et en partie dans le diélectrique celui ci devrait comporter deux sections de largeur différente pour conserver une impédance homogène égale à Zc. Or il peut être plus pratique de conserver constante la largeur de ce tronçon pour simplifier la réalisation des coudes ce qui implique que l'impédance Zc n'est plus constante sur toute sa longueur. Dans ces conditions la définition précise du tronçon T3 en vue d'obtenir une bonne adaptation d'impédance dans la bande de fréquence pourra être traitée de façon plus globale en tenant compte de la topologie réelle du circuit, au moyen d'un outil logiciel de CAO approprié dédié aux circuits hyperfréquences, comme par exemple le logiciel commercialisé sous la dénomination ADS par la société AGILENT ou le logiciel commercialisé sous la désignation SERENAD par la société ANSOFT Corporation. Au besoin l'adaptation d'impédance en entrée et en sortie peut aussi être améliorée par l'adjonction de circuits d'adaptation effectuant par exemple une ou plusieurs transformations quart d'onde. La relation (4) montre que le déphasage est proportionnel à la longueur 1 recouverte par les plaques diélectriques 2 et 3 et qu'il varie sensiblement linéairement en fonction du déplacement d des plaques diélectriques 2 et 3, ce qui facilite l'ajustement ou l'étalonnage du déphaseur. La relation (4) montre également que le déphasage est proportionnel à la fréquence.
La relation (4) permet également d'estimer le déphasage réalisable avec une cellule élémentaire comportant trois tronçons Tl, T2 et T3 du type de celle décrite précédemment. Typiquement le déphasage peut être voisin de 30° en utilisant des substrats diélectriques de constante proche de 2, ce qui est avantageux en terme de largeur de bande et en terme de pertes radiofréquence. Aussi, pour réaliser des déphasages supérieurs de 60°, 90°ou plus et pouvoir piloter le dépointage du faisceau d'une antenne réseau selon la relation (1) il est nécessaire de mettre en cascade deux ou trois ou plusieurs cellules élémentaires, chacune réalisant 30° de déphasage comme cela est représenté aux figures 4 et 5.
En outre les relations (3) et (4) permettent également d'apprécier le faible encombrement global du déphaseur, en longueur comme en largeur, puisque le tronçon T3 avec ses deux coudes a une longueur équivalente typique proche de 0,15λ et généralement inférieure à 0,25λ et les tronçons Tl et T2 ont une longueur typique de 0,lλ et généralement inférieure à 0,12λ.
La figure 3 où les éléments homologues à ceux des figures 1A à 1D portent les mêmes références montre une vue de dessus du déphaseur le couvercle ôté, comprenant deux cellules élémentaires en cascade comportant une ligne centrale, composé de quatre tronçons référencés Tl, T2, T' 1, T'2, de longueurs identiques, les tronçons d'indices impairs étant alignés sur l'axe xx" et les tronçons d'indice pairs étant alignés sur l'axe yy'. Dans cette configuration les tronçons Tl et T2 forment la première cellule et les tronçons T'1 et T'2 forment la deuxième cellule, ces deux cellules constituant une cellule double de déphasage. Les plaques diélectriques 2 et 3 comportent quatre fenêtres fl, £2, f 1, f 2, recouvrant respectivement tout ou partie des tronçons Tl, T2, T'1, T'2. Le déphasage obtenu est de 2Δφ, soit le double de celui Δφ d'une cellule élémentaire. Le raccordement entre les deux cellules se fait au moyens de sections de ligne dont les propriétés électriques restent invariables en fonction de la position des plaques 2 et 3 du déphaseur. Ce mode de réalisation se généralise facilement pour obtenir une cellule multiple de déphasage composée de trois ou plusieurs cellules élémentaires. La figure 4 où les éléments homologues à ceux des figures précédentes portent les mêmes références, montre une vue de dessus d'un déphaseur répartiteur symétrique comprenant une entrée E et deux sorties SI et S2 dont les phases sont conjuguées, c'est à dire égales et de signes contraires, les sections de déphasage de part et d'autre d'un plan médian PP', perpendiculaire à la direction de déplacement des plaques, comprenant une cellule double du type représentée à la figure 3. Ce déphaseur peut par exemple être utilisé pour exciter des réseaux d'antennes du type représentés aux figures 8 et 9. La structure de la ligne centrale 1 est symétrique par rapport au plan PP', de sorte que un déplacement d des plaques 2 et 3 vers la gauche de ce plan par exemple, fait que les tronçons actifs de la section à droite se découvrent de diélectrique, à égalité de surface découverte et recouverte respectivement. Le déphasage sortant en SI est proportionnel au déplacement d des plaques diélectriques et le déphasage du signal sortant en S2 est proportionnel à (1-d), 1 étant la longueur des tronçons Tl et T2 comme précédemment, les deux signaux étant en phase à la position médiane d=l/2. Par rapport à cette position médiane prise comme référence les deux signaux ont bien des phases égales et opposées et le déphasage maximum entre les deux signaux est égal au déphasage réalisable par deux cellules élémentaires en cascade, c'est à dire sensiblement 2Δφ, Δφ étant . le déphasage maximum pour une cellule. En égalisant les phases des deux signaux de sortie dans une position extrême du déphaseur prise comme référence, par exemple pour d=0, le déphasage maximum entre les deux sorties sera de 4 Δφ et les deux signaux auront des phases égales et opposées pour toute position du déphaseur allant de d=0 à d=l. L'égalisation des phases consiste simplement à allonger de façon non représentée sur la figure 4, la ligne de sortie SI d'une longueur électrique équivalente au déphasage Δφ. En variante, un tel d'un déphaseur répartiteur symétrique peut être réalisé à partir de cellules multiples en remplacement des cellules doubles.
La figure 5 où les éléments homologues à ceux des figures précédentes portent les mêmes références, représente une vue de dessus d'un déphaseur comprenant une entrée commune E et trois sorties SI, S2, S3, déphasées l'une par rapport à l'autre d'un même déphasage, générées par des cellules doubles,, supposées identiques, du type de celle représentée à la figure 3. Ces cellules doubles sont reliées en série et placés côte à côte pour former deux cellules de déphasage. Dans ce mode de réalisation, la ligne centrale 1 est repliée en zigzag chaque branche du zigzag correspondant à un tronçon de cellule double. En parcourant la figure du bas vers le haut, la sortie SI est déphasée d'une quantité (φo + 2Δφ) par rapport à l'entrée E, la sortie S2 est déphasée de (φl + 2Δφ) par rapport à la sortie SI et la sortie S3 est déphasée de (φ2 + 2Δφ) par rapport à la sortie S2, φo, φl, φ2 étant les déphasages résiduels correspondant aux chemins parcouru par Fonde entrante en E pour atteindre les sorties respectives pour une position donnée du déphaseur prise comme référence. En égalisant les phases dans cette position de référence par l'allongement des lignes de sortie les plus courtes, par exemple S2 et S3 on peut compenser ces déphasages résiduels de sorte que dans cette position de référence les sorties sont toutes en phase. Le déphasage entre deux sorties consécutives est alors le même et égal à 2Δφ. En variante, chaque branche du zigzag peut comporter une cellule multiple. Par ailleurs, le zigzag n'est pas limité à trois branches. Ce principe peut donc être généralisé pour un nombre quelconque de sorties.
Ce déphaseur peut être utilisé pour réaliser un déphaseur répartiteur symétrique. Pour la clarté de l'exposé seule la partie gauche du déphaseur répartiteur est représentée sur la figure 5. Ce déphaseur répartiteur symétrique peut par exemple être utilisé dans le schéma d'architecture d'antenne réseau représenté aux figures 8 et 9.
La figure 6 représente un bloc déphaseur répartiteur comprenant une entrée E et dix sorties référencées respectivement SI, S2 S5, S-l, S-2, S-5. Les sorties ont deux à deux des phases conjuguées et la puissance d'entrée est répartie de façon non équilibrée entre les dix sorties. De part et d'autre d'un plan médian PP' se trouvent quatre cellules de déphasage doubles du type de la figure 3 réalisant un déphasage 2Δφ entre les sorties SI et S2, S2 et S3, S4 et S5 et le déphasage symétrique entre les sorties S-let S-2, S-2 et S-3....etc, les sorties SI et S-l gardant un même déphasage fixe pris comme référence 0°. Ces déphasages symétriques sont obtenus au moyen de deux blocs séparés 8 et 9 de plaques diélectriques 2 et 3, disposées de part et d'autre du plan médian PP' et se déplaçant solidairement grâce à un mécanisme de réglage du déphaseur non représenté. Les parties des pistes conductrices 10 situées dans l'espace entre les deux blocs amovibles 8 et 9 et aux extrémités des blocs sont maintenues en sandwich par deux plaques en vis à vis 11 faites en matériau isolant, de la mousse par exemple à très faible perte et de constante diélectrique voisine de celle de l'air. Des exemples de réalisation d'antennes organisés en réseau uniforme pouvant comporter des déphaseurs selon l'invention sont représentés aux figures 7 à 9.
Sur la figure 7 le réseau est formé par une suite de sources Al à AN alignées verticalement et espacées d'un pas constant p. Ces sources sont alimentées en parallèle au moyen d'un distributeur ou diviseur de puissance équilibré ou non, chaque branche du diviseur alimentant une source de rang n (n=l, 2,....N) avec un déphasage égal à (n-l)Φ par rapport à la première source, prise comme référence de phase 0°. Dans ce mode de réalisation l'amplitude du déphasage sur la dernière source qui est égale à (N-l)Φ peut devenir très important si N est grand. Cependant l'encombrement des déphaseurs vient limiter ce mode de réalisation à un nombre très limité de sources.
La figure 8 montre le même réseau de sources mais cette fois alimentées en série de sorte que les déphasages sont cumulatifs d'une source An à la suivante et que la loi de distribution des phases est linéaire le long du réseau. Dans cette architecture série chaque noeud du réseau comporte trois branches, une branche d'entrée et deux branches de sortie et il est possible de réaliser sans difficulté une loi déterminée de distribution de la puissance sur les sources rayonnantes, par exemple afin de produire un diagramme de rayonnement conformé ou ayant un faible niveau de lobes secondaires. Il est par ailleurs évident que le circuit constitué des déphaseurs et des noeuds de division de la puissance peut être avantageusement réalisé sous la forme d'un unique boîtier à la fois distributeur et déphaseur ou, tout au moins si l'encombrement disponible ne le permet pas, d'un nombre réduit de tels boîtiers. Un tel boîtier qui pourra être du type de celui décrit aux figures 5 et 6 comportera une entrée et plusieurs sorties alimentant les sources élémentaires A-2, A-l, A0, Al, A2. Il sera équipé également du moyen de réglage des déphaseurs. On notera que sur le schéma de la figure 8, les déphasages sont symétriques par rapport au point d'entrée M du réseau, les déphasages sont positifs vers le haut et sont négatifs vers le bas du point M. Cette disposition n'est qu'un cas particulier avantageux sur le plan pratique, le point d'entrée du réseau peut être en effet positionné à un endroit quelconque du réseau, l'essentiel est que le déphasage entre deux sources successives soit égal à Φ. Ainsi comme le montre la figure 9 le réseau est formé par un nombre pair de sources avec un point d'alimentation M positionné au centre du réseau ce qui fourni des déphasages symétriques comme sur la figure 2.
La figure 10 représente un bloc déphaseur répartiteur, selon un mode de réalisation particulier de l'invention, dans lequel le boîtier 4 comprend 2 compartiments 4a et 4b alignés et raccordés entre eux par un câble coaxial 30 ayant une résistance caractéristique généralement de 50 ohms. Chaque compartiment comporte un ensemble de cellules de déphasage ayant une borne commune et des bornes extrêmes situées aux extrémités latérales des compartiments. Ainsi, dans l'exemple de la figure 10, chaque compartiment comporte quatre cellules de déphasage doubles du type de la figure 3. Les compartiments 4a et 4b ont notamment des dimensions sensiblement identiques.
Le bloc déphaseur répartiteur représenté sur la figure 10 comporte une entrée E commune et 9 sorties SI à S5 et S-2 à S-5. Ces entrées/sorties sont généralement adaptées à une impédance
Le raccordement des câbles d'entrée/sortie sur le boîtier 4 est réalisé au moyen de supports de câbles d'entrée/sortie 20, 21,22 et 23, en matériau conducteur, fixés aux extrémités latérales de chaque compartiment par vissage sur le boîtier. Le boîtier est notamment métallique.
Ainsi, le compartiment 4a est muni d'un support de câbles d'entrée/sortie 20 sur son extrémité latérale gauche et d'un support de câble d'entrée/sortie 21 sur son extrémité latérale droite. Le compartiment 4b est muni d'un support de câbles d'entrée/sortie 22 sur son extrémité latérale gauche et d'un support de câbles d'entrée/sortie 23 sur son extrémité latérale droite. Le câble coaxial 30 raccorde le support de câbles 22 du compartiment 4a au support de câbles 23 du compartiment 4b.
Les sorties Si et S-i pour i=2 à 5 ont des phases conjuguées. La sortie SI garde un même déphasage fixe pris comme référence 0°.
Ces déphasages symétriques sont obtenus au moyen de deux paires de blocs séparées {8, 9}et {8', 9'}, symétriques par rapport à un axe (Pα P^) perpendiculaire à la direction choisie. Chaque bloc est constitué de plaques de diélectriques 2 et 3. La paire de blocs {8,9} est située dans le compartiment 4a et la paire de blocs {8', 9'} est située dans le compartiment 4b.
Le déphasage est modifié par une tige de guidage 7 intégrée au boîtier 4 et traversant chaque compartiment 4a et 4b. La tige de guidage 7 est dirigée selon la direction choisie définie ci- avant et est solidaire des plaques de diélectrique 2, 3.
Le boîtier 4 selon ce mode de réalisation de l'invention est un boîtier métallique, par exemple en aluminium, fabriqué par un procédé d'extrudage. Les plaques de diélectriques 2 et 3 peuvent être fabriqués par moulage.
La fabrication d'un bloc déphaseur de longueur L donnée est plus complexe que la fabrication d'un bloc déphaseur à deux compartiments de longueur L/2 deux fois plus petite. Il en résulte que la structure du boîtier 4 en deux compartiments 4a et 4b, tel que décrit ci-dessus, simplifie la fabrication du déphaseur par rapport aux modes de réalisation décrits précédemment.
Par ailleurs, étant donné que le boîtier 4 est réalisé d'un seul bloc par extrusion et que toutes les entrées/sorties sont disposées aux extrémités du boîtier, le montage du bloc déphaseur peut être réalisé en enfilant chaque paire de blocs {8,9} (respectivement {8', 9'}) dans le compartiment correspondant 4a (respectivement 4b). Ainsi le montage du bloc déphaseur selon ce mode de réalisation est également simplifié par rapport aux modes de réalisations décrits précédemment.
Le déphaseur décrit en référence à la figure 10 permet en outre d'éliminer le raccordement direct de câbles d'entrée/sortie sur le boîtier 4 (i.e. les contacts directs entre la gaine des coaxiaux et le boîtier) grâce à l'introduction des supports de câbles et donc le nombre de sources potentielles de produits d'intermodulation passive (IMP).
Le déphaseur selon l'invention, est utilisé, en particulier, pour la réalisation de réseaux d'antennes à faisceau dépointable, par déplacement des plaques 2 et 3. Les bornes d'entrée/sortie forment alors des points de connexion d'éléments d'antennes.
Par ailleurs, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits. Ceux-ci comprennent différentes possibilités de symétrie qu'il est possible d'agencer différemment en supprimant le cas échéant les éléments inutiles.
De même, on a décrit une cellule simple puis multiple, en particulier double. Le nombre d'étages d'une cellule peut dépendre de la plage de déphasage désirée pour celle-ci.
Les moyens décrits pour limiter l'excursion de coulissement de la ou des plaques ne sont pas limitatifs. A cet égard, au lieu de prévoir une seule paire de plaques pour un ensemble de cellules de déphasage, il serait envisageable de prévoir plusieurs paires de plaques déplacées indépendamment. Enfin, ce déplacement pourrait comporter au moins partiellement une rotation.
Plus généralement, l'invention couvre toutes les variantes de réalisation que pourra envisager l'homme du métier.

Claims

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