EP0462864B1

EP0462864B1 - Dispositif d'alimentation des éléments rayonnants d'une antenne réseau, et son application à une antenne d'un système d'aide à l'atterrissage du type MLS

Info

Publication number: EP0462864B1
Application number: EP91401495A
Authority: EP
Inventors: Serge Dubois
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1990-06-19
Filing date: 1991-06-07
Publication date: 1995-01-25
Anticipated expiration: 2011-06-07
Also published as: DE69106942T2; EP0462864A1; DE69106942D1; FR2663469B1; US5430452A; FR2663469A1; ES2067175T3

Description

La présente invention a pour objet un dispositif d'alimentation des éléments rayonnants d'une antenne réseau susceptible d'émettre et de recevoir des ondes hyperfréquences balayant électroniquement l'espace, une telle antenne étant notamment applicable aux systèmes d'aide à l'atterrissage connus sous le nom de MLS (initiales de "Microwave Landing System" ou système d'atterrissage micro-onde ).
On rappelle qu'une antenne réseau est constituée par une pluralité d'éléments rayonnants émettant chacun, simultanément, une onde hyperfréquence dont la résultante forme un faisceau (ou lobe) principal dans une direction donnée, accompagné d'une répartition spatiale de moindre amplitude, désignée sous le nom de lobes secondaires ou parasites. Chaque élément rayonnant est relié à un déphaseur électroniquement commandable ; la commande des déphaseurs permet de faire balayer l'espace au faisceau principal.
Dans certaines applications comme le MLS, la gêne occasionnée par les lobes secondaires peut être très grande, jusqu'à conduire à la fourniture de fausses informations, telles qu'un faux axe de descente, ce qui est un défaut grave pour un système de guidage d'avion dans la phase particulièrement critique qu'est l'atterrissage.
La présente invention a pour objet une antenne réseau selon la revendication 1, dont les lobes parasites sont très bas et, ce, au moins au voisinage du lobe principal émis par l'antenne. Une telle antenne permet, dans une application du type MLS, d'éviter la fourniture d'informations susceptibles d'être mal interprétées par l'avion guidé.
A cet effet, l'antenne comporte autant de déphaseurs (n) que d'éléments rayonnants, chacun des déphaseurs étant relié à une pluralité (m) d'éléments rayonnants voisins formant un sous-réseau, les sous-réseaux étant imbriqués de sorte que chacun des éléments rayonnants soit alimenté par l'intermédiaire de m déphaseurs.
D'autres objets, particularités et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins annexés, qui représentent :

la figure 1, le schéma d'un mode de réalisation du dispositif d'alimentation selon l'invention ;
la figure 2, un diagramme explicatif ;
la figure 3, le schéma électronique d'un mode de réalisation pratique du dispositif selon l'invention.

Sur ces différentes figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments.
Par ailleurs, par souci de simplicité, le fonctionnement de l'antenne réseau incorporant la présente invention sera décrit uniquement à l'émission, étant entendu qu'elle est susceptible de fonctionner, de façon réciproque, également en réception .
La figure 1 est donc le schéma d'un mode de réalisation du dispositif d'alimentation selon l'invention.
Ce dispositif est destiné à alimenter un réseau comportant n éléments rayonnants, également appelés sources élémentaires, neuf de celles-ci étant représentées sur le schéma et quatre d'entre elles étant repérées S_i, S_i+1, S_i+2 et S_i+3, avec i compris entre 1 et n⁻³. Ces n sources émettent une énergie électromagnétique hyperfréquence fournie par un ensemble émetteur E, par l'intermédiaire du dispositif selon l'invention.
Ce dernier comporte :

un ensemble de n déphaseurs, neuf d'entre eux étant représentés sur la figure et quatre repérés F_i, F_i+1, F_i+2, F_i+3, avec i variant de 1 à n⁻³ ;
des moyens de pondération ; on a représenté sur la figure 1 ces moyens sous forme de neuf circuits distincts, quatre d'entre eux étant repérés P_i, P_i+1, P_i+2, P_i+3, avec i variant de 1 à n⁻³ ;
un circuit de distribution D, permettant à chacun des déphaseurs F de recevoir l'énergie fournie par l'émetteur E.

Chaque déphaseur F est relié aux éléments rayonnants par l'intermédiaire des moyens de pondération, globalement notés P. Selon l'invention, chacun des déphaseurs F est relié, par l'intermédiaire du circuit de pondération, à m sources élémentaires S voisines. Inversement, chacune des sources S est reliée à m déphaseurs F voisins. A titre d'exemple, m est égal à 3 sur la figure. On a ainsi formé n sous-réseaux, chacun alimenté par un déphaseur et comportant m sources, et ce de façon imbriquée, la distance entre deux sous-réseaux étant alors égale à la distance entre deux sources.
Ainsi qu'il est connu, le diagramme de rayonnement d'un tel réseau est obtenu à partir du diagramme de rayonnement d'un sous-réseau que multiplie une fonction connue sous le nom de facteur de réseau et qui rend compte de la multiplicité des sous-réseaux. Le rôle des circuits de pondération P est de conférer, le cas échéant, au diagramme de rayonnement du sous-réseau auquel il est relié une forme qui soit aussi proche que possible de la forme recherchée.
A titre d'exemple, on a représenté sur la figure 2 le diagramme de rayonnement idéal que devrait présenter un sous-réseau de l'antenne site d'un système MLS.
L'amplitude du rayonnement devrait être maximale (A_max) pour un angle de site compris entre ϑ_min et ϑ_max, et nulle en dehors de ces deux valeurs ; l'intervalle (ϑ_min ; ϑ_max) représente la couverture que doit avoir une station MLS site, c'est-à-dire le secteur angulaire qui doit être balayé par le lobe principal. En pratique, la largeur du lobe principal MLS dans le plan site est de l'ordre de 1° à 2° et la couverture, de 0 à 17°.
En effet, lorsque, comme c'est le cas ici, le lobe principal est émis à de faibles angles de site, les lobes secondaires se réfléchissent sur le sol et peuvent de ce fait être captés par un avion situé dans la zone de couverture de l'antenne, donnant par suite naissance à une fausse information. Les lobes secondaires doivent donc être particulièrement bas (par exemple de l'ordre de -40 dB par rapport au lobe principal) au voisinage du lobe principal : typiquement pour ce genre d'application, dans une zone d'environ ± 20° autour du lobe principal. Ainsi qu'il est dit ci-dessus, le diagramme de l'antenne complète est donné par le produit du diagramme du sous-réseau par le facteur de réseau. Avec un diagramme de sous-réseau tel qu'illustré sur la figure 2, il apparaît que le produit est forcément nul hors de la zone de couverture ; plus particulièrement, le produit est nul et il n'y a pas de lobes secondaires pour les faibles valeurs de site, inférieures à ϑ_min, évitant ainsi les réflexions sur le sol.
Lorsque le dispositif selon l'invention est appliqué à une antenne MLS site, on cherche donc à obtenir pour le diagramme de rayonnement d'un sous-réseau, un diagramme aussi proche que possible de celui illustré sur la figure 2.
Ce diagramme étant la transformée de Fourier de la loi d'amplitude appliquée aux sources constituant le sous-réseau, les moyens de pondération P ont pour fonction d'appliquer aux sources qu'ils contrôlent une loi d'amplitude aussi proche que possible d'une loi du type $\frac{sin U}{U}$
, dont on rappelle que la transformée de Fourier est une fonction rectangle du type de celle illustrée sur la figure 2.
Ainsi qu'il est mentionné plus haut, le diagramme de rayonnement de l'ensemble de l'antenne est obtenu en réalisant le produit du diagramme d'un sous-réseau par le facteur de réseau. Celui-ci, dans le cas présent, est une fonction dont la forme est voisine d'une fonction en $\frac{sin U}{U}$
.
Il apparaît ainsi qu'on peut obtenir de la sorte un diagramme résultant dont le lobe principal peut être fin et les lobes secondaires sont de très bas niveau.
En effet, la pondération due aux moyens P ne permet jamais en pratique d'obtenir un rayonnement de forme parfaitement rectangulaire, du fait notamment de l'aspect discret des sources et de leur nombre fini : le rayonnement réel présente des lobes secondaires qui peuvent typiquement, dans le cas de l'application illustrée figure 2, présenter une atténuation de l'ordre de -20 dB par rapport au lobe principal. Mais le facteur de réseau étant une fonction présentant également un lobe principal et des lobes secondaires, dont l'atténuation peut être même ordre (-20 dB), le produit des deux permet d'obtenir des lobes secondaires très atténués (environ -40 dB dans l'exemple précédent ).
En outre, dans un mode de réalisation préféré, le distributeur D de la figure 1 peut réaliser, de façon connue, une pondération de l'amplitude de l'énergie appliquée aux sources (pondération de Tchebycheff ou de Taylor par exemple) qui ont pour effet de réduire encore les lobes secondaires du diagramme de l'antenne, à largeur de lobe principal donnée.
Par ailleurs, ainsi qu'il est connu, le regroupement des sources élémentaires en sous-réseaux provoque l'apparition de lobes parasites dits de réseau, dûs à la périodicité des sous-réseaux et dont l'amplitude peut être très grande. Ces lobes de réseaux apparaissent dès que le rapport d/λ devient supérieur à $\frac{1}{{1+sinϑ}_{max}}$
où :

d est la distance entre sous-réseaux ;
λ est la longueur d'onde de fonctionnement de l'antenne ;
ϑ_max est l'angle de balayage maximum.

La figure 3 représente le schéma électronique d'un mode de réalisation pratique du dispositif selon l'invention.
Sur la figure, on a représenté neuf des n sources élémentaires qu'est susceptible d'alimenter le dispositif selon l'invention, ainsi que la partie des circuits de pondération P (figure 1) qui leur correspondent.
Le dispositif comporte quatre lignes de connexion, repérées L₁ à L₄. Sur ces lignes sont disposés, d'une part, des atténuateurs, repérés A_ij où i représente le numéro de la ligne et j le numéro d'ordre de l'atténuateur sur la ligne, et d'autre part des ponts hybrides 3 dB, repérés C_ij, la notation ij ayant la même signification que précédemment.
Les atténuateurs A sont munis de deux entrées-sorties entre lesquelles ils impriment au signal qui les traverse une atténuation de 3 dB ; ces atténuateurs sont réalisables par tous moyens connus, par exemple atténuateurs en T ou en ¶ à résistances.
Les ponts C comportent quatre entrées-sorties dont deux sont reliées à la ligne qui les porte. Ils ont pour fonction de transmettre l'énergie qu'ils reçoivent sur une entrée, aux deux entrées adjacentes, c'est-à-dire avec une atténuation de 3 dB sur chacune ; ils sont représentés sur la figure par un cercle et deux de leurs entrées-sorties sont diamétralement opposées : par convention, le pont hybride introduit de plus un déphasage de 180° entre ces deux sorties-là. Ces ponts sont réalisés par tout moyen connu, et notamment comme décrit dans l'article intitulé "A Method of Analysis of Symmetrical Four-Port Networks" de J. REED et G.J. WHEELER paru dans la revue "IRE Transactions on Microwave Theory and Techniques" d'Octobre 1956.
Le dispositif selon l'invention comporte encore une première série de ponts hybrides 3 dB repérés C_5j où j est un numéro d'ordre, disposés entre les lignes L₁ et L₂ et destinés à relier les ponts portés par ces lignes, et une seconde série de ponts hybrides repérés, de façon analogue, C_6j, disposés entre les lignes L₃ et L₄ et reliant les ponts portés par ces lignes. Les ponts C_5j et C_6j sont du même type que les précédents et comportent quatre entrées-sorties mais ici l'une d'entre elles est, de façon connue, reliée à une résistance de charge destinée à absorber les énergies parasites. Les ponts hybrides C_5j et C_6j d'ordre pair reçoivent sur l'une de leurs entrées, repérées E_j (j étant un numéro d'ordre) une connexion avec un des déphaseurs F de la figure 1.
La connexion des différents composants du circuit de la figure 3, ainsi que son fonctionnement, sont décrits ci-après en suivant le trajet de l'énergie fournie par celui des déphaseurs F qui est connecté, par exemple, à l'entrée E₂ du pont hybride 56 représenté sur la figure 3, étant entendu que la même cellule de base se reproduit de proche en proche pour les n éléments rayonnants de l'antenne ; des impédances de charge sont en outre prévues en bout d'antenne, de façon connue, pour terminer le circuit. Il est à noter que certaines connexions sont représentées sur la figure en traits continus et d'autres en traits pointillés : le circuit est réalisé par exemple sur un circuit imprimé multicouches, les connexions en traits pointillés étant par exemple réalisées sur une face cachée.
L'énergie appliquée sur l'entrée E₂ va alimenter la source S₅ par l'intermédiaire des ponts C₁₃ et C₅₅, donc avec une atténuation de 9 dB par rapport au niveau du signal appliqué sur l'entrée E₂. Ce même signal alimente également la source S₆ par l'intermédiaire des ponts C₂₃ et C₆₅ avec la même atténuation de 9 dB. L'énergie appliquée sur l'entrée E₂ alimente également la source S₇, par l'intermédiaire des ponts C₁₃, C₁₄ et C₅₇ ainsi que de l'atténuateur A₁₃, avec une atténuation de 15 dB. De façon symétrique, l'énergie appliquée en E₂ alimente la source S₄ par l'intermédiaire des ponts C₂₃, C₂₂ et C₆₃ ainsi que de l'atténuateur A₂₂, également avec une atténuation de 15 dB. L'énergie rayonnée par les sources S₃ et S₈ du fait de l'énergie appliquée sur l'entrée E₂ est négligeable, à cause des très nombreuses atténuations qui lui sont appliquées. Enfin, les sources S₉ et S₂ émettent toutes deux une énergie atténuée de 21 dB et déphasée de 180° par rapport à celle qui est appliquée sur l'entrée E₂, par les chemins suivants :

pour la source S₉ : par l'intermédiaire du pont C₁₃ de l'atténuateur A₁₃, du pont C₁₄ avec un déphasage de 180°, de l'atténuateur A₁₄ et des ponts C₁₅ et C₅₉ ;
pour la source S₂ : par l'intermédiaire du pont C₂₃, de l'atténuateur A₂₂, du pont C₂₂ avec un déphasage de 180°, de l'atténuateur A₂₁ et des ponts C₂₁ et C₆₁.

Il apparaît ainsi qu'on obtient une distribution d'amplitude qui est voisine de la forme recherchée en $\frac{sin U}{U}$
.
Il est à noter que, dans ce mode de réalisation, chacun des déphaseurs est, par l'intermédiaire du circuit décrit, relié à l'ensemble des sources S (en d'autres termes, m = n) mais que seules six sources (S₂, S₄, S₅, S₆, S₇ et S₉ sur la figure) le sont de façon significative, l'énergie qui parvient aux autres sources étant trop atténuée. Un avantage de cette structure est la simplicité.
Il est à noter également que les atténuations introduites par les atténuateurs A ou les ponts C ne sont pas obligatoirement égales à 3 dB : elles peuvent être modifiées pour permettre d'approcher au plus près la forme recherchée pour le diagramme de rayonnement.

Claims

Antenne réseau comportant n élements rayonnants (S) et n déphaseurs (F), caractérisé par le fait que chacun des déphaseurs est relié à m éléments rayonnants voisins avec m ≦ n, ces derniers formant un sous-réseau, les sous-réseaux ainsi formés étant imbriqués de sorte que chacun des éléments rayonnants soit alimenté par l'intermédiaire de m déphaseurs.
Antenne selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre des moyens de pondération (P) connectés entre les déphaseurs (F) et les éléments rayonnants (S), conférant aux sous-réseaux un diagramme de rayonnement prédéfini.
Antenne selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que chacun des déphaseurs (F) est relié aux n éléments rayonnants (S), les moyens de pondération (P) conférant une pondération telle que seuls m éléments rayonnants, avec m < n, soient alimentés avec une énergie non négligeable.
Application de l'antenne selon l'une des revendications précédentes à un système d'aide à l'atterrissage de type MLS.