EP0025739B1

EP0025739B1 - Aérien pour radar primaire et radar secondaire

Info

Publication number: EP0025739B1
Application number: EP80401242A
Authority: EP
Inventors: Georges Cohen
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1979-09-07
Filing date: 1980-08-29
Publication date: 1984-01-11
Also published as: NO152189C; US4376937A; ATE5836T1; NO152189B; EP0025739A1; JPS5689076A; NO802636L; DE3066094D1; FR2465328B1; FR2465328A1

Description

La présente invention est relative à un aérien pour radar primaire et pour radar secondaire. Elle concerne également l'équipement radar utilisant un tel aérien, équipement utilisé dans les stations de surveillance du trafic aérien.
Dans ces stations, le radar primaire a pour but de détecter la présence dans le ciel d'un objet et de donner des informations le concernant telles que sa distance, son azimut, et/ou son site et éventuellement sa vitesse suivant le type d'antenne utilise.
Le radar secondaire associé dans la station au radar primaire permet d'obtenir pour cet objet une information d'identification et une connaissance éventuelle de son altitude quand celui-ci est equipé d'un répondeur conçu à cet effet.
L'aérien d'une telle station radar comprend une antenne pour le radar primaire et une ou deux antennes pour le radar secondaire. En effet les radars secondaires actuels doivent pouvoir émettre et recevoir deux signaux différents. Le premier est appelé signal d'interrogation, il est émis et reçu par une première antenne, le second est appelé signal de contrôle, il a pour but d'inhiber toutes les interrogations faites dans d'autres directions que celle du lobe principal du diagramme de rayonnement de l'antenne d'interrogation.
Il y a donc une antenne pour émettre et recevoir des signaux d'interrogation et cette antenne présente un diagramme de rayonnement ayant un lobe principal et des lobes secondaires. Les signaux de contrôle sont émis et reçus soit par une autre antenne soit par la même antenne que l'antenne d'interrogation. Le diagramme de rayonnement de la voie contrôle peut-être, dans le plan gisement, du type omnidirectionnel ou différence; dans tous les cas le diagramme contrôle couvre le diagramme interrogation sauf dans une faible zone centrée sur le lobe principal de l'interrogation et appelée arc d'interrogation.
Un aérien pour radar primaire et radar secondaire conforme à ce qui précède est decrit dans le document FR-A-2 243 532. Cet aérien est caractérisé en ce que la source primaire contient des sondes émettant et recevant des signaux d'interrogation et deux sources de signaux de contrôle disposées de part et d'autre de la source primaire.
Une station de surveillance du trafic aérien comportant un radar secondaire dont l'aérien est conforme à ce qui a été décrit ci-dessus, c'est-à-dire rayonnant un diagramme du type différence en azimut fonctionne de façon jugée satisfaisante. Toutefois il faut remarquer que la résolution en azimut d'un tel radar, c'est-à-dire son aptitude à distinguer deux objets relativement peu éloignés l'un de l'autre, n'est pas très fine; cela risque d'apporter une gêne aux opérateurs radar de la station dans l'identification des objets ou cibles interrogés, principalement en zone proche. Ce manque de résolution est dû principalement à largeur de l'arc d'interrogation, largeur qui est imposée et sur laquelle il est difficile d'agir.
Cette faiblesse de la résolution en azimut crée ainsi des problèmes pour l'identification des cibles interrogées, principalement lorsqu'elles se trouvent en configuration de croisement, de trajectoires parallèles ou de files d'attente.
Une solution adoptée actuellement consiste à adopter des normes d'espacement prohibitives préjudiciables à l'écoulement du trafic, ce d'autant plus que le nombre d'appareils à prendre en compte par une station ne cesse d'augmenter.
Un objet de l'invention est de remédier à cet inconvénient et de définir des moyens pε rmet- tant au niveau du radar secondaire de di: poser d'une résolution en azimut supérieure à celle donnée par la voie de contrôle.
Suivant l'invention un aérien pour radar primaire et radar secondaire comportant un réflecteur illuminé par une source primaire couplée à l'émetteur-récepteur du radar primaire qui comprend, intégrés à elle, des moyens d'interrogation des cibles détectées, couplés par un circuit hybride à l'émetteur-récepteur du radar secondaire et des moyens de contrôle couplés à l'émetteur-récepteur radar secondaire à travers un diviseur de puissance, est caractérisé en ce que, pour la fonction radar secondaire, le dit aérien, en plus de la voie interrogation et de la voie contrôle, comprend une voie monopulse en gisement dont le diagramme somme est obtenu à partir des moyens d'interrogation et le diagramme différence à partir de deux sources auxiliaires disposées de part et d'autre de l'ouverture rayonnante de la source primaire dans le même plan que les sources de signaux de contrôle, connectées à un récepteur d'écartométrie à travers un diviseur de puissance.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à l'aide des figures qui représentent:

- la figure 1, un exemple de réalisation de la source primaire d'une antenne suivant l'invention fonctionnant en polarisation rectiligne;
- la figure 2, un autre exemple de réalisation d'une antenne suivant l'invention fonctionnant en polarisation circulaire;
- la figure 3, un schéma d'un diplexeur;
- la figure 4, la forme des diagrammes de rayonnement pour les différentes voies du radar secondaire associé.

Ainsi qu'il ressort de l'introduction à la description, l'amélioration de la résolution en azimut d'un radar secondaire est obtenue par la création, au niveau du radar secondaire, d'une voie monopulse permettant de faire de l'écartométrie sur les cibles interrogées qui ne sont pas séparables par l'opérateur sur l'indicateur associé à la voie contrôle et donc ne sont pas identifiables, bien qu'interrogées.
La figure 1 représente un exemple de réalisation d'une antenne de radar secondaire comportant la voie écartométrie suivant - l'invention.
Cette antenne est une antenne dite intégrée au radar primaire, solution qui semble prévaloir à l'heure actuelle. D'une façon générale, cette antenne comporte un certain nombre d'éléments dont la combinaison relève de l'art connu, donné dans le document FR-A-2 243 532 mais qui seront rappelés ci-dessous.
Cette source primaire comprend successivement un tronçon de guide rectangulaire 1 relié à l'émetteur-récepteur 2 du radar primaire, un guide de transition 4, un tronçon de guide circulaire 5 et un cornet 6. La liaison entre la source primaire et l'émetteur-récepteur 2 est matérialisée par deux flèches 3.
Elle est constituée en réalité par une certaine longueur de guide d'onde équipé d'un joint tournant pour autoriser la rotation de l'antenne autour d'un axe vertical.
Les ondes radar dont le vecteur de polarisation est représenté par la flèche 7 à l'émission traversent la source du guide rectangulaire 1 vers le cornet 6 d'où elles sont rayonnées vers le réflecteur 31. A la réception, la propagation des ondes s'effectue en sens inverse. On notera que le réflecteur 31 est commun aux quatre modes de fonctionnement de l'antenne, radar primaire, interrogation et contrôle, monopulse.
L'antenne comporte des moyens permettant de réaliser la fonction de radar secondaire. Dans l'exemple choisi d'antenne, on dispose, pour émettre et recevoir les signaux d'interrogation dont la polarisation représentée par le vecteur 10 est perpendiculaire à celle des ondes du radar primaire, de deux sondes 8 et 9 placées dans le guide circulaire 5, qui sont reliées à l'émetteur récepteur 15 du radar secondaire. Elles sont alimentées en opposition de phase par un circuit hybride 13 comprenant un diviseur de puissance et un filtre. Le circuit 13 erst relié à l'émetteur récepteur 15 par une ligne coaxiale 14 et les sondes 8 et 9 sont reliées au circuit 13 par les lignes coaxiales 12 et 11 respectivement. Le filtre du circuit hybride 13a pour but de ne transmettre que les signaux d'interrogation et d'inhiber les signaux à la fréquence du radar primaire. En effet le cornet 6 et le guide circulaire 5 étant communs aux ondes des radars primaire et secondaire, une fraction de l'énergie des signaux du radar primaire peut être transmise vers l'émetteur-récepteur du radar secondaire par les sondes. Ces signaux sont éliminés dans le circuit 13.
Les dimensions du guide 5 sont déterminées pour un fonctionnement correct de la source à la fréquence du radar primaire. La fréquence de fonctionnement du radar secondaire étant généralement inférieure à celle du radar primaire, le guide 5 est sous coupure pour les ondes du radar secondaire. Une lame de diélectrique 22 est alors placée à l'intérieur de ce guide. Les formes de cette lame ont été déterminées de manière à ne pas modifier les performances de la source primaire à fréquence du radar primaire. Ainsi les grandes faces de cette lame sont perpendiculaires au vecteur de polarisation des ondes radar pour que l'épaisseur qu'elles traversent soit minimum. Par contre l'épaisseur de la lame pour les signaux d'interrogation est maximum. Du côté du cornet 6, la découpe de la lame est elliptique et du côté du guide 4, elle est biseautée. La lame est réalisée en polypropylène, matériau ayant une tangente de perte faible.
Les signaux du radar primaire et les signaux d'interrogation sont ainsi rayonnés par le même cornet 6 qui illumine le réflecteur 31 qui est du type à double courbure par exemple. Il présente une grande directivité en gisement, et un diagramme en site voisin d'une cosécante carrée. Le mode de fonctionnement en interrogation bénéficie donc des bonnes caractéristiques de gain et de directivité du réflecteur, commun, ce qui permet d'utiliser, à performances égales à celle des systèmes connus, un émetteur-récepteur moins performant.
Les signaux de contrôle sont émis et reçus par deux sources 16 et 17 placées de part et d'autre du cornet 6, symétriquement par rapport à son axe vertical V. Ces sources sont reliées à l'émetteur-récepteur du radar secondaire 15 par l'intermédiaire d'un circuit diviseur de puissance 20 et des lignes coaxiales de liaison 18 et 19 entre les sources et le diviseur d'une part, et 21 entre le diviseur et l'émetteur-récepteur 15 d'autre part.
Pour que le diagramme de rayonnement des signaux de contrôle soit du type différence, c'est-à-dire présentant un gain nul dans l'axe du lobe principal du diagramme interrogation, les sources 16 et 17 sont alimentées en opposition de phase. Le même réflecteur 31 de l'antenne radar est encore éclairé par les sources de contrôle. Le diagramme de rayonnement contrôle est donc du type différence en gisement et du type cosécante carrée en site grâce aux propriétés du réflecteur.
Chaque source 16 ou 17 est constituée par exemple d'un groupe de dipoles disposés dans un boîtier étanche. Le fond métallique du boîtier joue le rôle de plan réflecteur. Le couvercle du boîtier, perméable aux ondes est réalisé en verre-polyester par exemple.
Le diviseur de puissance 20 se compose d'un ou de plusieurs anneaux hybrides par exemple.
Conformément à l'invention, le diagramme de rayonnement de la voie contrôle, qui est du type différence en gisement et qui présente un arc d'interrogation trop large pour permettre une discrimination des cibles, principalement en zone d'approche est renforcé par un autre diagramme de rayonnement en gisement du type différence également qui lui, permet une séparation des cibles en zone d'approche, autrement dit dont la résolution azimutale est plus fine.
Dans ces conditions, l'antenne du radar secondaire qui présente déjà une voie interrogation et une voie contrôle est renforcée par une voie monopulse, c'est-à-dire qu'en plus des diagrammes de rayonnement qui ont été déjà décrits, elle possède un nouveau diagramme différence. De façon plus précise, au niveau de la fonction monopulse, on forme une voie somme et une voie différence à la fréquence de réponse des transpondeurs, qui dans l'exemple considéré est 1090 MHz. Le signal somme est obtenu à la sortie du circuit hybride 13 où il a été séparé du signal du radar primaire. Ce signal n'est autre d'ailleurs que le signal de réponse des transpondeurs. Pour former le diagramme différence à grande résolution azimutale, on dispose suivant l'invention d'une nouvelle source auxiliaire, se présentant sous la forme de deux dipoles 23, 24 situés de part et d'autre de l'ouverture rayonnante de la source primaire 6 du radar et dans le même plan que les sources 16 et 17 utilisées pour former la voie contrôle du radar secondaire associé au radar primaire.
Les signaux somme et différence obtenus dans cette nouvelle voie monopulse sont traités dans un récepteur d'écartométrie 27. Ces sources 23 et 24 sont reliées pour l'acheminement des signaux différence au récepteur d'écartométrie par les câbles 25 et 30 à un circuit diviseur de puissance 26, lui-même connecté par la liaison 28 au récepteur 27. Ce récepteur est connecté par le câble 29 à l'émetteur récepteur 15 du radar secondaire existant déjà, qui transmet au récepteur d'écartométrie le signal somme de la nouvelle voie créée suivant l'invention, ainsi que cela a été déjà dit.
On notera, et ceci est bien visible sur la figure, que les sources 23, 24 contribuant à la formation de la nouvelle voie différence sont palcées plus près de l'ouverture rayonnante de la source primaire 6 que les sources 16 et 17 de la voie contrôle du radar secondaire. Cette disposition est dictée par la nécessité d'avoir une pente d'écartométrie élevée qui est fonction de la distance existant entre les sources de part et d'autre de l'axe focal F de l'aérien.
On notera également que les sources auxiliaires 23-24, les sources de signaux de contrôle 16-17 et l'ouverture du cornet 6 sont sensiblement dans un même plan vertical et que les sources auxiliaires et des signaux de contrôle sont disposées symétriquement par rapport à l'axe vertical V de la source rayonnante primaire 6. Les signaux qu'elles transmettent agissent de ce fait dans un plan horizontal c'est à dire en gisement.
La figure 2 représente une variante de l'aérien radar primaire-radar secondaire suivant l'invention dans le cas où la source primaire fonctionne en polarisation circulaire.
Les différences existant entre cette figure et la figure 1 pour laquelle la source primaire fonctionnant en polarisation horizontale ne sont pas très importantes mais vont néanmoins être mises en évidence.
La source primaire proprement dite comprend un guide rectangulaire 1, un guide de transition 4, un guide circulaire 5 et le cornet 6, contenant un élément polariseur 60. Les sondes 8 et 9 ont leurs axes inclinés de 45° par rapport à un axe vertical. Ces sondes qui permettent de récupérer les ondes réfléchies sur la face avant du cornet en émission, par suite d'une adaptation non parfaite du cornet et qui sont ensuite dissipées dans des charges absorbantes qui leur sont reliées, sont nécessaires pour un bon fonctionnement dans ce mode de polarisation. Pour le fonctionnement en interrogation les sondes 8 et 9 sont utilisées comme dans le cas de la figure 1. Pour obtenir cette double fonction un circuit diplexeur 130 comprenant des filtres et un diviseur de puissance est disposé entre l'émetteur-récepteur 15 et les sondes. Des lignes coaxiales 110, 120 et 140 assurent la liaison hyperfréquence entre les sondes et le diplexeur d'une part et entre le diplexeur et l'émetteur-récepteur 15 d'autre part. Le diplexeur réalise la séparation des signaux dur radar primaire et de l'interrogation. Les signaux du radar primaire sont dissipés dans des charges résistives 131 et 132.
Une lame diélectrique 22 est également placée dans le guide circulaire 5. Son plan médian contient l'axe des sondes. Le plan de polarisation de l'onde du radar primaire est perpendiculaire à la lame diélectrique.
En fonctionnement en interrogation le guide circulaire 5 est excité symétriquement par les sondes de récupération 8 et 9. Après passage dans le polariseur 60 et le cornet 6, les signaux d'interrogation sont rayonnés avec une polarisation elliptique.
Les répondeurs installés à bord des avions sont conçus pour émettre et recevoir des ondes en polarisation linéaire verticale. Le fait que la polarisation de l'onde rayonnée par le radar secondaire soit elliptique ne présente pas d'inconvénient. Dans les calculs de protée, tout se passe comme si l'oin disposait d'une antenne dont le gain est inférieur de 3 dB environ à son gain nominal. Compte tenu du surcroît de gain apporté par l'utilisation du réflecteur de l'antenne radar primaire cette perte est sans importance.
Le fonctionnement en contrôle est obtenu, comme pour la figure 1 par deux sources 16 et 17 reliées à l'émetteur-récepteur 15 par les lignes de liaison 18 et 19, le diviseur de puissance 20 et la ligne de laiaison 21.
Chacune des sources auxiliaires comprend, comme dans le cas de la figure 1, un groupe de dipoles disposés sur un fond métallique servant de réflecteur. Les dipoles sont du type demi- onde. Les différents paramètres des dipoles (dimensions, distances au plan réflecteur, etc...) sont déterminés pour obtenir une bonne adaptation et un diagramme de rayonnement correct.
Comme dans le cas de la figure 1, la voie monopulse ajoutée aux voies interrogation et contrôle du radar secondaire est constituée à partir des sondes 8-9 d'une part qui rayonnent le signal somme et de deux sources auxiliaires, les dipoles 23 et 24 disposés de part et d'autre de la source primaire 6 qui rayonnent le signal différence. Un récepteur dit d'écartométrie 27 est connecté d'une part à l'émetteur-récepteur 15 du radar secondaire et au diviseur de puissance 26 connecté lui-même par les câbles 25 et 30 aux dipoles 23 et 24.
La figure 3 est un schéma d'un diplexeur utilisé dans le dispositif suivant l'invention. Il permet de relier les sondes de récupération 8 et 9 d'une part vers des charges adaptées 131 et 132 pour les signaux du radar primaire et d'autre part à l'émetteur-récepteur 15 pour les signaux d'interrogation.
Il comprend deux filtres passe-bande 133 et 134 centrés sur la fréquence de fonctionnement du radar primaire et deux filtres passe-bande 135 et 136 centrés sur la fréquence d'interrogation, reliés respectivement aux deux sondes 9 et 8 par l'intermédiaire des lignes de liaison 120 et 110. Les sorties des filtres 133 et 134 sont reliées aux charges adaptées 131 et 132 qui dissipent l'énergie réfléchie sur l'ouverture du cornet 6. Les sorties des autres filtres 135 et 136'sont reliées à deux bornes d'un diviseur de puissance 137 dont la troisième borne est reliée à l'émetteur-récepteur 15 par l'intermédiaire de la ligne de liaison 140.
La disposition des sondes, diamétralement opposées dans le guide circulaire 5 entraîne la nécessité d'avoir un déphasage de 180° entre les deux voies qui les alimentent. Ce déphasage est obtenu par le diviseur lui-même. Le diviseur est un anneau hybride classique. L'ensemble du circuit hybride 130 peut être réalisé en circuit triplaque photogravé puis enrobé par moulage pour assurer son étanchéité.
La figure 4 montre pour l'aérien objet de la présente invention, les diagrammes de rayonnement en gisement de la voie interrogation, de la voie contrôle et de la voie monopulse rajoutée aux précédentes.
En trait continu, désigné par A, on a représenté le diagramme différence de la voie contrôle. Par B, est désigné le diagramme somme de la voie interrogation, qui sera celui également de la voie monopulse ajoutée. Le recoupement des diagrammes A et B permet de définir en CD l'arc d'interrogation. Par E est désigné, en traitpoint, le diagramme différence de la voie monopulse associée au radar secondaire, dont le recoupement avec le diagramme somme B, permet de définir l'arc d'écartométrie GH.
Ces diagrammes mettent en évidence certains des avantages de l'invention:

niveau de recoupement élevé entre la somme et le diagramme différence monopulse ce qui permet d'obtenir la pente d'écartométrie correspondant au pouvoir discriminateur entre cibles souhaité par l'utilisateur, largeur de l'arc d'interrogation et recouvrement correct des lobes de la voie interrogation par la voie contrôle.

On notera également d'autres avantages de la solution donnée par l'invention pour remédier au manque suffisant de résolution de l'arc d'interrogation. En particulier, la simplicité de la solution qui a consisté à ajouter une voie monopulse à un aérien intégré radar primaire, radar secondaire, tout en utilisant une partie des moyens déjà existants, solution qui a conduit à une optimisation des voies différence contrôle et monopulse.
On a ainsi décrit un aérien combiné pour radar primaire et secondaire permettant en particulier une amélioration conséquente de la fonction radar secondaire.

Claims

1. Aérien pour radar primaire et radar secondaire comportant un réflecteur (31) illuminé par une source primaire (4, 5, 6) couplée à l'émetteur récepteur (2) du radar primaire qui comprend, des moyens d'interrogation (8-9) des cibles détectées, couplés par un circuit hybride (13) à l'émetteur récepteur (15) du radar secondaire et des moyens de contrôle (16-17) couplés à l'émetteur récepteur radar secondaire (15) à travers un diviseur de puissance (20), caractérisé en ce que, pour la fonction radar secondaire, le dit aérien, en plus de la voie interrogation et de la voie contrôle, comprend une voie monopulse en gisement dont le diagramme somme est obtenu à partir des moyens d'interrogation (8-9) et du circuit hybride (13) et de diagramme différence à partir de deux sources auxiliaires (23-24) disposées de part et d'autre de l'ouverture rayonnante de la source primaire (6-60) dans le même plan que les sources (16, 17) de signaux de contrôle et connectées à un récepteur d'écartométrie (27) à travers un diviseur de puissance (26).

2. Aérien suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens rayonnant le signal somme de la voie monopulse sont consitués par deux sondes (8-9) placées dans un plan perpendiculaire au plan de polarisation des ondes du radar primaire, dans une section droite d'un guide circulaire (5) connectant la source primaire (6-60) à l'émetteur-récepteur (2) du radar primaire par l'intermédiaire d'une transition (4).

3. Aérien suivant la revendication 1, caractérisé, en ce que les sources auxiliaires (23-24) rayonnant le signal différence de la voie monopulse sont des dipoles disposés symétriquement par rapport à l'axe vertical V de la source primaire, (6-60) et de part et d'autre de la dite source plus proches dudit axe que les sources (16-17) des moyens de contrôle, les sources auxiliaires (23-24), les sources (16-17) des moyens de contrôle et l'ouverture de la source primaire (6-60) étant sensiblement dans un même plan vertical.

4. Aérien suivant la revendication 11, caractérisé par le fait qu'il comporte un récepteur d'écartométrie (27) connecté d'une part à l'émetteur-récepteur du radar secondaire (15) dont il reçoit les signaux somme et d'autre part aux antennes auxiliaires (23-24), à travers un diviseur de puissance (26) dont il reçoit les signaux différence.