EP0664574B1 - Dispositif de compensation des erreurs de pointage pour une antenne à balayage électronique - Google Patents

Dispositif de compensation des erreurs de pointage pour une antenne à balayage électronique Download PDF

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EP0664574B1
EP0664574B1 EP95400071A EP95400071A EP0664574B1 EP 0664574 B1 EP0664574 B1 EP 0664574B1 EP 95400071 A EP95400071 A EP 95400071A EP 95400071 A EP95400071 A EP 95400071A EP 0664574 B1 EP0664574 B1 EP 0664574B1
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EP
European Patent Office
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phase
antenna
shifter
symmetrical
state
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP95400071A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP0664574A1 (fr
Inventor
Claude Aubry
André Peyrat
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thomson CSF SA
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Publication date
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/267—Phased-array testing or checking devices

Definitions

  • the present invention relates to a device for compensating pointing errors caused by breakdowns of antenna phase shifters at electronic scanning or antenna coefficients forming beams by calculation.
  • the pointing of the beam at a given time towards a given direction of space is made in acting on the radiation phase of so-called radiating sources elementary sources constituting the antenna. So that changes in pointing direction are fast, changing the source phase elementary is obtained by the insertion of controlled phase shifters electronics mounted in series between a power distributor microwave and elementary sources.
  • a phase shifter can serve several elementary sources, but the solution more generally adopted is to provide a phase shifter for each elementary source.
  • the electronic control of the phase shifters is made in such a way that the radiated energy is focused over a long distance in one direction desired. This is done by positioning the different phase shifters in a certain phase state determined in a manner known to those skilled in the art.
  • the chapter 7 of the second edition of Merril I. Skolnick's work "Radar Handbook" published by Mac Grawhill editions gives a broad description of techniques used and their applications to radars.
  • phase shifters are therefore controlled by digital data in the form of messages giving the phase to be displayed on N bits, which corresponds to 2 N phase positions theoretically spaced every 360 ° / 2 N.
  • N 1 to 4.
  • phase shifters are monitored to determine either permanently or at close intervals if they are in good working order.
  • the number of suspect phase shifters is constantly updated and monitored to alert the operator or the services responsible for maintenance when their number approaches or reaches the maximum number the system can support without falling into below the required performance level. A maintenance action is necessary to replace suspect phase shifters.
  • the object of the invention is to overcome the aforementioned drawbacks, in particular by making it possible to cancel the pointing error in free space due to one or more phase shift faults without the need to complicate these.
  • the invention relates to a compensation device pointing errors caused by failure of phase shifters of a planar electronic scanning antenna having power distribution symmetrical in amplitude, characterized in that it comprises means positioning a faulty phase shifter and its symmetrical phase shifter in additional phase states.
  • the main advantages of the invention are that it frees the antenna design constraints of the effect of failures on the pointing accuracy, that it applies to all types of phase shifters electronic, which it does not require incorporating phase shifter means to prevent it from radiating when it breaks down, that it allows flexibility of use, that it is simple to implement and that it is economical.
  • Figure 1 shows the constitution of a scanning antenna flat electronics. It includes radiant elementary sources 1. To make changes of pointing direction quick, the modification of the phase of the elementary sources 1 is obtained by means of electronically controlled phase shifters 2, connected in series between a microwave power distributor 3 and elementary sources 1. A phase shifter 2 is for example associated with each elementary source 1. The input of the power distributor 3 is for example connected to the output a power transmitter 4.
  • the principle of the invention exploits a particular formulation of pointing error which shows that there are other ways to cancel pointing error caused by the failure of a phase shifter than preventing it to shine in particular.
  • the amplitude of the electric field resulting at great distance in the direction of direction cosine u 0 is, when the antenna is positioned to point in the direction of direction cosine u, given in free space by the following relation: where n is the number of an elementary source, A n the amplitude of the signal which it radiates, ⁇ the wavelength in air and x n its abscissa and where ⁇ n represents the phase error on the phase shifter associated with the elementary source number n.
  • ⁇ n 0 with errors near completion and quantification.
  • the pointing direction obtained is obtained by searching for the maximum radiation as a function of the director cosine u 0 , which is obtained by canceling the derivative of the function
  • the principle of the invention consists in canceling the pointing error ⁇ u not by canceling the amplitudes A p but by canceling the term in the numerator of the relation (3), that is to say the term it being understood that the antenna has a symmetrical distribution, that is to say in which the elementary sources located symmetrically, except for the mechanical tolerances, with respect to the center radiate with identical amplitudes and opposite phases, with the errors of realization near .
  • the device comprises means enabling it, as soon as a phase shifter has failed, to put the symmetrical phase shifter in a state at any additional time 2 ⁇ near the state in which the phase shifter is found to be faulty.
  • the faulty phase shifter is in the phase state ⁇
  • its symmetrical phase shifter is positioned in the phase state ⁇ - ⁇ or 3 ⁇ - ⁇ , or more generally (2 k + 1) ⁇ - ⁇ , k being an integer relative number.
  • the faulty phase shifter is for example blocked in a fixed phase state ⁇ 0 and kept in this state permanently. Its symmetrical phase shifter is then blocked in the additional phase state, ⁇ - ⁇ 0 or 3 ⁇ - ⁇ 0 for example, and permanently maintained in this phase state.
  • the states of phase remained available on the faulty phase shifter continue for example to be operated and the symmetrical phase shifter is positioned at all times in the additional phase state.
  • phase states of the two phase shifters therefore vary with the antenna beam, while remaining additional to the nearest 2 ⁇ .
  • the pointing error resulting from the fault are thus canceled and this without resorting to the cancellation of the signal radiated by the faulty phase shifter.
  • phase-shifter in failure once blocked in the chosen state ⁇ 0 produces an error given by the relation (5)
  • the command displayed at a given instant may be the same as in the absence of failure or then take into account the type of failure detected to, for example, best approximate the desired state by means of the phase states remaining available.
  • the phase ⁇ A actually obtained is a function of the command displayed and of the fault affecting the phase shifter.
  • the device according to the invention can for example be used for swing beam antennas of an MLS landing system.
  • each of the two antennas in the system, the azimuth antenna and the antenna elevation radiates a fan-like beam, i.e. angularly narrow in one dimension and wide in the other.
  • the spatial scanning of these beams is produced by electronic scanning at the speed of 50 microseconds per degree for example.
  • the device according to the invention provides an improved MLS system in terms of accuracy pointing, therefore the precision of guiding aircraft, by the fact that the pointing errors of beating beam antennas caused by faults on electronically controlled phase shifters are compensated by the device according to the invention.
  • An MLS system azimuth scanning antenna consists for example of a planar network of radiating guides regularly spaced, fed through a power distribution and connected to the output of a transmitter.
  • the antenna comprises for example N radiating guides, N being even. These guides are for example numbered 1 to N / 2 for the right part and from -1 to -N / 2 for the left part.
  • the guides numbered n and -n are symmetrical with respect to the plane of symmetry of the antenna and the power distribution is also symmetrical.
  • Each radiating guide is associated with a 4-bit phase shifter, for example.
  • phase shifters include, for example, a succession of four phase shift cells, 180 °, 90 °, 45 ° and 22.5 °, respectively.
  • Each cell uses for example two diodes which are controlled either in the on state or in the blocked state. Two diodes of the same cell receive identical control signals at all times, except in the event of a fault, i.e. they are both positioned at all times, ie in the on state, which corresponds to a first phase state, ie in the blocked state, which corresponds to the second phase state of the cell.
  • the device according to the invention comprises for example means to continuously monitor the status of the diodes.
  • the state of the diodes is by example monitored via the control circuit by the current value in the command line and by the value of the voltage on the line command, each diode having a command line.
  • a diode normally operating consumes current significant under a low voltage and in the blocked state a quasi-zero current under a voltage of several volts.
  • the failure of a diode puts it either in open circuit, which is an uncommon case, that is to say a short circuit, which is the general case.
  • the control circuit self-monitors for example itself and transmits to the phase shift control system, called pointer, the overall state of the control circuit and phase shifters.
  • the device according to the invention is for example located in this pointer. He shares for example hardware circuits of the latter and includes for example a software installed in addition to the pointer software.
  • FIG. 2 illustrates, by way of example and by a block diagram, implantation of a device according to the invention in a pointer 21.
  • a bus 22 comprising all the control lines for the diodes of the phase shifters 2 connects by these lines the phase shifters 2 to the pointer 21.
  • the latter includes by example the device according to the invention which is at least made up of means 23 to put a phase shifter out of order and its symmetrical phase shifter in additional phase states. It is also constituted for example means 24 for reading the state of the phase shifters. These states are obtained for example in the aforementioned manner by comparing the currents and the diode voltages of phase shifters with positioning commands carried by the control lines of bus 22.
  • the other functions of the pointer 21, known to those skilled in the art are not shown.
  • the phase shifters 2 are for example equipped with means 25 for establishing their state, these means acting for example by comparison of the tensions of diodes with control voltages carried by bus 22.
  • a treatment of the other diode of the cell can be carried out, such that failure of a single diode only causes the blockage in one of the two normal states of the phase cell, the diode is part of it.
  • the second diode of the cell can for example be put in the same microwave impedance state as the faulty diode by means for controlling the state of the diodes of the device according to the invention. So for example, if the faulty diode is in open circuit, the second diode is put in the blocked state.
  • the two diodes present then the same state of impedance, open circuit, for a high signal frequency only if both were in working order and blocked. In this way, any failure of a single diode results in the blocking of the phase cell of which it is part in one of its two normal states.
  • the device according to the invention can be applied not only to a passive antenna supplied through a power distribution and diode phase shifters from a centralized transmitter, but it can also apply to an active antenna incorporating the transmission function such as illustrated in FIG. 3.
  • a plurality of amplifiers 31 connected to the outputs of a low level distribution 32 supplies the different radiant elementary sources.
  • the phase shifters 2 are this times for example placed upstream of amplifiers 31 and possibly integrated into these, all of which can for example be produced in the form of integrated circuit.
  • the device according to the invention frees the design of the antennas from the constraints resulting from the effect of the failures on the pointing accuracy. It therefore allows, by eliminating a major cause of imprecision, a simpler and therefore less costly design. It can also apply to all types of phase shifters with electronic control whatever the technology used, it applies in particular to phase shifters with ferrites, phase shifters with diodes, or phase shifters in MMIC technology, these initials coming from the Anglo-Saxon expression "Microwave Monolithic Integrated Circuits". In addition, it is not necessary to incorporate means into a phase shifter to prevent the latter from radiating when it is out of order.
  • phase shifter is an element used in numerous copies in an antenna with electronic scanning and represents, consequently, a significant part of the cost of the antenna. Any increase in the complexity of the phase shifter therefore has a negative impact on the cost of the antenna.
  • the device according to the invention also has flexibility of use due to the fact that there are a large number of solutions for choosing the phases ⁇ 0 and ⁇ - ⁇ 0 , or 3 ⁇ - ⁇ 0 for example, which is equivalent, in which the faulty phase shifter and its symmetrical phase shifter are respectively blocked.
  • the device according to the invention can also be transposed to the case of an antenna with beam formation by calculation provided that this antenna is planar and symmetrical and provided that the laws of calculation of the beams are symmetrical in amplitude and in phase.
  • the invention consists when one of the phase values ⁇ 0 to be used in the calculation of a given radiation pattern is designated as erroneous or even only suspect, to set, for this radiation pattern, the value phase concerning the symmetrical radiating source in the additional phase state. In this way, the pointing error linked to the erroneous phase value ⁇ 0 is canceled.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Description

La présente invention concerne un dispositif de compensation des erreurs de pointage causées par des pannes de déphaseurs d'antennes à balayage électronique ou de coefficients d'antennes à formation de faisceaux par le calcul.
Elle s'applique notamment aux antennes à balayage électronique lorsque un ou plusieurs déphaseurs à commande électronique utilisés dans l'antenne pour défléchir son faisceau sont en panne, ces pannes causant une dégradation de la précision de pointage en espace libre du faisceau.
Dans une antenne à balayage électronique, le pointage du faisceau à un instant donné vers une direction donnée de l'espace est fait en agissant sur la phase de rayonnement des sources rayonnantes dites sources élémentaires constituant l'antenne. Pour que les changements de direction de pointage soient rapides, la modification de la phase des sources élémentaires est obtenue par l'insertion de déphaseurs à commande électronique montés en série entre un distributeur de puissance hyperfréquence et les sources élémentaires. Un déphaseur peut desservir plusieurs sources élémentaires, mais la solution la plus généralement adoptée est de prévoir un déphaseur pour chaque source élémentaire.
La commande électronique des déphaseurs est faite de telle sorte que l'énergie rayonnée se focalise à grande distance dans une direction souhaitée. Cela se fait en positionnant les différents déphaseurs dans un certain état de phase déterminé de façon connue de l'homme du métier. Le chapitre 7 de la deuxième édition de l'ouvrage de Merril I. Skolnick "Radar Handbook" paru aux éditions Mac Grawhill donne une large description des techniques utilisées et de leurs applications aux radars.
Il est montré et vérifié dans la pratique que, à condition d'avoir un nombre suffisant de sources élémentaires, il n'est pas nécessaire, pour assurer de bonnes performances, de disposer sur les déphaseurs d'un grand nombre d'états de phase. Dans la pratique, les déphaseurs sont donc commandés par des données numériques sous forme de messages donnant la phase à afficher sur N bits, ce qui correspond à 2N positions de phase espacées théoriquement tous les 360°/2N. L'espacement correspond ainsi à 45° dans un exemple où N = 3 ou 22,5° dans un exemple où N=4. Suivant la technologie utilisée pour le déphaseur, il est économiquement souhaitable, notamment dans le cas de déphaseurs à diode, ou indifférent, notamment dans le cas de déphaseurs à ferrite, de réduire au maximum le nombre N de bits. Dans la pratique, il est possible de se limiter à N=1 à 4.
Les pannes affectant les déphaseurs et la baisse de performance qui en résulte constituent un phénomène qui est plus subi que combattu. Des rajouts de marges de sécurité supplémentaires par rapport à ce qui serait nécessaire à la tenue des performances avec tous les déphaseurs en état de marche permettent de s'en accommoder. Ces marges de sécurité sont dimensionnées de telle sorte que, avec un nombre donné de déphaseurs en panne, quelle que soit la répartition de ceux-ci dans l'antenne, les performances requises soient toujours tenues.
Les méthodes connues pour compenser l'effet des pannes de déphaseurs consistent donc notamment à prévoir pour l'antenne des performances en l'absence de pannes sur les déphaseurs plus sévères que nécessaire pour que, en présence de pannes sur les déphaseurs, les performances exigées soient toujours obtenues. Les déphaseurs sont surveillés pour déterminer soit en permanence, soit à intervalles rapprochés s'ils sont bien en état de marche. Le nombre de déphaseurs suspects est tenu à jour et surveillé en permanence de manière à alerter l'opérateur ou les services chargés de la maintenance lorsque leur nombre approche ou atteint le nombre maximum que le système peut supporter, sans tomber en dessous du niveau de performance requis. Une action de maintenance est nécessaire pour remplacer les déphaseurs suspects.
Dans le cas particulier du système MLS appelé ainsi d'après l'expression anglo-saxonne "Microwave Landing System", concernant le guidage terminal pour l'atterrissage sur les aéroports, utilisant des antennes à balayage électronique et pour lequel la précision de pointage est une caractéristique prioritaire, un brevet des Etats-Unis d'Amérique US-4,041,501 décrit une réalisation particulière d'antenne MLS à balayage électronique, puis un autre brevet US-4,359,740 décrit un moyen pour annuler l'erreur de pointage provoquée sur une telle antenne par la panne d'un déphaseur. L'invention décrite dans ce dernier brevet s'applique à des déphaseurs à diodes utilisant comme cellule 0-180° un coupleur 3 dB relié à deux diodes de commutation commandées indépendamment l'une de l'autre. Dès qu'une panne du déphaseur est détectée, les deux diodes de la cellule 0-180° sont commutées dans deux états distincts. L'une est alors passante, donc en état de basse impédance, éventuellement capacitif. Le résultat est que le signal hyperfréquence qui traverse le déphaseur est alors coupé ou plutôt fortement atténué. De ce fait, il ne participe plus au rayonnement de l'antenne et l'erreur de pointage en espace libre du faisceau résultant de la panne du déphaseur en cause se trouve annulée. Cela résulte directement du fait qu'en créant un trou d'amplitude au niveau de l'élément rayonnant correspondant, ce qui inhibe l'effet des erreurs de phase, le diagramme d'antenne est déformé de manière symétrique et la direction de rayonnement maximum reste inchangée.
Ces méthodes présentent plusieurs inconvénients. Les méthodes nécessitant de prévoir une marge sur les performances exigées obligent à une conception coûteuse. Le surcoût associé est lié directement au niveau de performance recherché et au nombre de pannes que le système peut accepter. Ce surcoût peut être considérable si le niveau de performance requis est élevé ou si le nombre de pannes à tolérer est important.
La méthode décrite dans le brevet US-4,359,740, correspondant à la demande de brevet DE 29 04 095, apporte une solution seulement dans le cas où le déphaseur est à diodes et utilise une cellule 0-180° comprenant deux diodes fonctionnant par réflexion du signal haute fréquence. D'autre part, elle est inefficace lorsque le dispositif de coupure du signal haute fréquence est lui-même en panne.
Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités, notamment en permettant d'annuler l'erreur de pointage en espace libre due à une ou plusieurs pannes de déphaseurs sans qu'il soit nécessaire de compliquer ces derniers.
A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de compensation des erreurs de pointage causées par des pannes de déphaseurs d'une antenne à balayage électronique plane ayant une distribution de puissance symétrique en amplitude, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens positionnant un déphaseur en panne et son déphaseur symétrique dans des états de phase supplémentaires.
L'invention a pour principaux avantages qu'elle libère la conception de l'antenne des contraintes de l'effet des pannes sur la précision de pointage, qu'elle s'applique à tous types de déphaseurs électroniques, qu'elle ne nécessite pas d'incorporer au déphaseur des moyens pour empêcher celui-ci de rayonner lorsqu'il est en panne, qu'elle permet une souplesse d'utilisation, qu'elle est simple à mettre en oeuvre et qu'elle est économique.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaítront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent :
  • la figure 1, la constitution d'une antenne à balayage électronique plane ;
  • la figure 2, un synoptique de l'implantation de moyens constitutifs du dispositif selon l'invention ;
  • la figure 3, un exemple d'antenne active susceptible d'utiliser un dispositif selon l'invention.
La figure 1 présente la constitution d'une antenne à balayage électronique plane. Elle comprend des sources élémentaires rayonnantes 1. Pour que les changements de direction de pointage soient rapides, la modification de la phase des sources élémentaires 1 est obtenue au moyen de déphaseurs 2 à commande électronique, montés en série entre un distributeur de puissance hyperfréquence 3 et les sources élémentaires 1. Un déphaseur 2 est par exemple associé à chaque source élémentaire 1. L'entrée du distributeur de puissance 3 est par exemple reliée à la sortie d'un émetteur de puissance 4.
Le principe de l'invention exploite une formulation particulière de l'erreur de pointage qui montre qu'il existe d'autres moyens pour annuler l'erreur de pointage causée par la panne d'un déphaseur que de l'empêcher de rayonner notamment.
Sur une antenne à balayage électronique plane, comprenant N sources alignées, l'amplitude du champ électrique résultant à grande distance dans la direction de cosinus directeur u0 est, lorsque l'antenne est positionnée pour pointer dans la direction de cosinus directeur u, donné en espace libre par la relation suivante :
Figure 00040001
où n est le numéro d'une source élémentaire, An l'amplitude du signal qu'elle rayonne, λ la longueur d'onde dans l'air et xn son abscisse et où ϕn représente l'erreur de phase sur le déphaseur associé à la source élémentaire numéro n.
Si le déphaseur en question fonctionne correctement, alors ϕn=0 aux erreurs près de réalisation et de quantification. La direction de pointage obtenue s'obtient en recherchant le maximum de rayonnement en fonction du cosinus directeur u0, ce qui s'obtient en annulant la dérivée de la fonction |Eu (u 0)|2, soit : d Eu (u 0) 2 d u 0 = 0 annulation réalisée pour u 0=u+δ u où δ u représente l'erreur de pointage.
Le calcul de l'erreur de pointage δ u est relativement compliqué dans le cas général mais se simplifie considérablement dans les hypothèses suivantes, lesquelles sont réalisées dans la plupart des cas d'application pratique :
  • le nombre de déphaseurs en panne est petit devant le nombre de déphaseurs, inférieur à 10% par exemple,
  • le nombre total de déphaseurs mis en oeuvre est suffisamment grand pour que l'hypothèse précédente ait un sens, ce nombre total est par exemple supérieur ou égal à 20.
Une fois ces hypothèses prises en compte, le résultat du calcul est une erreur de pointage δ u donnée par la relation suivante :
Figure 00050001
où P représente l'ensemble des numéros de déphaseurs en panne.
Il apparaít bien dans cette relation que les déphaseurs qui ne sont pas en panne ne participent pas à l'erreur δ u et que cette erreur s'annule lorsqu'aucun déphaseur n'est en panne.
Le principe de l'invention consiste à annuler l'erreur de pointage δ u non pas en annulant les amplitudes Ap mais en annulant le terme au numérateur de la relation (3), c'est-à-dire le terme
Figure 00060001
étant entendu que l'antenne a une distribution symétrique, c'est-à-dire dans laquelle les sources élémentaires situées symétriquement, aux tolérances mécaniques près, par rapport au centre rayonnent avec des amplitudes identiques et des phases opposées, aux erreurs de réalisation près.
Pour cette antenne, il est alors possible de reformuler la relation (1) donnant le champ par les relations suivantes :
Figure 00060002
et
Figure 00060003
Si de plus, l'origine des abscisses est située au centre de symétrie, alors chaque source d'abscisse xn rayonne un signal d'amplitude An avec, pour pointer dans la direction du cosinus directeur u, une phase égale à 2π xn / λu et sa source symétrique, d'abscisse x - n = -xn rayonne un signal d'amplitude A - n = An avec une phase opposée : 2 π x-n / λ u = - 2 π xn / λu.
Le dispositif selon l'invention comprend des moyens lui permettant, dès qu'un déphaseur est en panne, de mettre le déphaseur symétrique dans un état à tout instant supplémentaire à 2π près de l'état dans lequel se trouve le déphaseur en panne. Ainsi, si le déphaseur en panne est dans l'état de phase ϕ, son déphaseur symétrique est positionné dans l'état de phase π-ϕ ou 3π-ϕ, ou plus généralement (2k+ 1)π-ϕ, k étant un nombre relatif entier.
Dans un premier mode de réalisation possible, le déphaseur en panne est par exemple bloqué dans un état de phase fixe ϕ0 et maintenu dans cet état en permanence. Son déphaseur symétrique est alors bloqué dans l'état de phase supplémentaire, π-ϕ0 ou 3π-ϕ0 par exemple, et maintenu en permanence dans cet état de phase.
Dans un deuxième mode de réalisation possible, les états de phase restés disponibles sur le déphaseur en panne continuent par exemple à être exploités et le déphaseur symétrique est positionné à tout instant dans l'état de phase supplémentaire.
Les états de phase des deux déphaseurs varient donc avec le faisceau de l'antenne, tout en restant supplémentaires à 2π près.
Les erreurs de pointage résultant de la panne sont ainsi annulées et ceci sans recourir à l'annulation du signal rayonné par le déphaseur en panne. En effet, l'erreur de pointage résultant de la panne d'un déphaseur alimentant une source p est donnée par la relation suivante :
Figure 00070001
   avec ϕ p = ϕ0 - 2 π xp λ u
Une fois que le déphaseur en panne est bloqué dans un état de phase ϕ0 et son déphaseur symétrique dans un état de phase supplémentaire, π-ϕ0 ou 3π-ϕ0 par exemple, il apparaít que l'erreur de pointage résultant du blocage dans l'état fixe supplémentaire, ϕ0-π ou 3π-ϕ0 par exemple, du déphaseur symétrique est égale et opposée à l'erreur causée par l'état fixe ϕ0 du déphaseur en panne, et ceci quelle que soit la direction de pointage et la fréquence rayonnée. En effet, le déphaseur en panne, une fois bloqué dans l'état choisi ϕ0 produit une erreur donnée par la relation (5) et le déphaseur symétrique, une fois bloqué dans l'état π-ϕ0 ou 3π-ϕ0 par exemple, produit une erreur δ u -p donnée par la relation suivante :
Figure 00080001
avec ϕ- p =(π-ϕ0)-2π x-p λ u ou ϕ -p =(3π-ϕ0)-2π x-p λ u
De x-p = -xp il résulte que : ϕ-p=π-ϕ0+2π xp / λu=π-ϕ p ou ϕ-p=3π-ϕ 0+2π xp / λu=3π-ϕp, ce qui donne dans les dans les deux cas sin ϕ-p =sin ϕp .
Comme A-p = Ap et x-p =-xp , il s'ensuit que : A-p x -psinϕ -p =-Ap xpsinϕ p et donc que δu-p =-δup
En conséquence, l'addition des erreurs δu-p et δup produit une erreur globale nulle, quel que soit le cosinus directeur u, donc le pointage du faisceau, et quelle que soit la longueur d'onde λ du signal rayonné.
Dans le cas du deuxième mode de réalisation possible précité, où le déphaseur n'est pas bloqué dans un état de phase fixe mais où ses états de phases disponibles continuent à être exploités, la commande affichée à un instant donné peut être la même qu'en l'absence de panne ou alors tenir compte du type de la panne détectée pour, par exemple, approximer au mieux l'état désiré au moyen des états de phase restés disponibles. Dans les deux cas, la phase ϕ A réellement obtenue est fonction de la commande affichée et de la panne affectant le déphaseur. Le déphaseur symétrique n'est alors pas bloqué dans un état fixe mais reçoit à tout instant une commande qui le met dans une phase ϕ B supplémentaire de la phase ϕ A réalisée sur le déphaseur en panne, c'est-à-dire que ϕB = π- ϕ A ou 3 π-ϕ A par exemple.
Le dispositif selon l'invention peut par exemple être utilisé pour les antennes à faisceaux battants d'un système d'atterrissage MLS. Dans ce cas, chacune des deux antennes du système, l'antenne azimut et l'antenne élévation, rayonne un faisceau de type éventail, c'est-à-dire angulairement étroit dans une dimension et large dans l'autre. Le balayage spatial de ces faisceaux est réalisé par balayage électronique, à la vitesse de 50 microsecondes par degré par exemple. Le dispositif selon l'invention permet d'obtenir un système MLS amélioré au plan de la précision de pointage, donc de la précision de guidage des aéronefs, par le fait que les erreurs de pointage des antennes à faisceaux battants causées par des pannes sur les déphaseurs à commande électronique sont compensés par le dispositif selon l'invention.
Une antenne à balayage électronique azimut d'un système MLS est par exemple constituée d'un réseau plan de guides rayonnants régulièrement espacés, alimentés à travers une distribution de puissance et connectés à la sortie d'un émetteur. L'antenne comporte par exemple N guides rayonnants, N étant pair. Ces guides sont par exemple numérotés de 1 à N/2 pour la partie droite et de -1 à -N/2 pour la partie gauche. Les guides numérotés n et -n sont symétriques par rapport au plan de symétrie de l'antenne et la distribution de puissance est également symétrique.
A chaque guide rayonnant est associé un déphaseur à 4 bits par exemple. Il y a donc N déphaseurs capables chacun de prendre 24=16 états de phase de 0° à 337,5° au pas de 22,5°. Ces déphaseurs comportent par exemple une succession de quatre cellules de déphasage, respectivement 180°, 90°, 45° et 22,5°. Chaque cellule utilise par exemple deux diodes qui sont commandées soit dans l'état passant, soit dans l'état bloqué. Deux diodes d'une même cellule reçoivent à tout instant, sauf cas de panne, des signaux de commande identiques, c'est-à-dire qu'elles sont toutes deux positionnées à tout instant, soit dans l'état passant, ce qui correspond à un premier état de phase, soit dans l'état bloqué, ce qui correspond au second état de phase de la cellule.
Le dispositif selon l'invention comporte par exemple des moyens pour surveiller en permanence l'état des diodes. L'état des diodes est par exemple surveillé via le circuit de commande par la valeur du courant dans la ligne de commande et par la valeur de la tension sur la ligne de commande, chaque diode ayant une ligne de commande. En effet, une diode qui fonctionne normalement consomme dans l'état passant un courant significatif sous une tension faible et dans l'état bloqué un courant quasi-nul sous une tension de plusieurs volts. La panne d'une diode la met soit en circuit ouvert, ce qui est un cas peu fréquent, soit en court-circuit, ce qui est le cas général. Le circuit de commande s'auto-surveille par exemple lui-même et transmet au système de commande des déphaseurs, appelé pointeur, l'état global du circuit de commande et des déphaseurs. Le dispositif selon l'invention est par exemple situé dans ce pointeur. Il partage par exemple des circuits matériels de ce dernier et comporte par exemple un logiciel implanté en complément du logiciel du pointeur.
La figure 2 illustre, à titre d'exemple et par un synoptique, l'implantation d'un dispositif selon l'invention dans un pointeur 21. Un bus 22 comprenant toutes les lignes de commande des diodes des déphaseurs 2 relie par ces lignes les déphaseurs 2 au pointeur 21. Ce dernier inclut par exemple le dispositif selon l'invention qui est au moins constitué de moyens 23 pour mettre un déphaseur en panne et son déphaseur symétrique dans des états de phase supplémentaires. Il est constitué par exemple en outre de moyens 24 de lecture de l'état des déphaseurs. Ces états sont obtenus par exemple de la façon précitée par la comparaison des courants et des tensions des diodes des déphaseurs avec les ordres de positionnement véhiculés par les lignes de commande du bus 22. Les autres fonctions du pointeur 21, connues de l'homme du métier ne sont pas représentées. Les déphaseurs 2 sont par exemple équipés de moyen 25 d'établissement de leur état, ces moyens agissant par exemple par comparaison des tensions de diodes avec des tensions de commande véhiculées par le bus 22.
Pour traiter le cas où une panne détectée concerne une seule diode d'une cellule de phase comportant deux diodes utilisée dans un déphaseur, un traitement de l'autre diode de la cellule peut être effectué, de telle manière que la panne d'une seule diode provoque seulement le blocage dans l'un des deux états normaux de la cellule de phase dont la diode fait partie. La deuxième diode de la cellule peut par exemple être mise dans le même état d'impédance hyperfréquence que la diode en panne par des moyens de commande de l'état des diodes du dispositif selon l'invention. Ainsi par exemple, si la diode en panne est en circuit ouvert, la deuxième diode est mise dans l'état bloqué. Les deux diodes présentent alors le même état d'impédance, circuit ouvert, pour un signal haute fréquence que si elles étaient toutes deux en état de marche et bloquées. De la sorte, toute panne d'une seule diode se traduit par le blocage de la cellule de phase dont elle fait partie dans l'un de ses deux états normaux.
Le dispositif selon l'invention peut s'appliquer non pas seulement à une antenne passive alimentée à travers une distribution de puissance et des déphaseurs à diodes depuis un émetteur centralisé, mais elle peut aussi s'appliquer à une antenne active incorporant la fonction émission telle qu'illustrée par la figure 3. Dans ce cas, une pluralité d'amplificateurs 31 connectés aux sorties d'une distribution bas niveau 32 alimente les différentes sources élémentaires rayonnantes. Les déphaseurs 2 sont cette fois par exemple placés en amont des amplificateurs 31 et éventuellement intégrés à ceux-ci, le tout pouvant par exemple être réalisé sous forme de circuit intégré.
En annulant l'erreur de pointage liée à la panne d'un ou plusieurs déphaseurs ou de leur commande, le dispositif selon l'invention libère la conception des antennes des contraintes résultant de l'effet des pannes sur la précision de pointage. Il permet donc, par l'élimination d'une cause majeure d'imprécision, une conception plus simple donc moins coûteuse. Il peut par ailleurs s'appliquer à tous types de déphaseurs à commande électronique quelle que soit la technologie utilisée, il s'applique notamment aux déphaseurs à ferrites, aux déphaseurs à diodes, ou aux déphaseurs en technologie MMIC, ces initiales provenant de l'expression anglo-saxonne "Microwave Monolithic Integrated Circuits". De plus, il n'est pas nécessaire d'incorporer à un déphaseur des moyens pour empêcher celui-ci de rayonner lorsqu'il est en panne. Cet avantage est important car le déphaseur est un élément utilisé en de nombreux exemplaires dans une antenne à balayage électronique et représente, en conséquence, une part importante du coût de l'antenne. Toute augmentation de la complexité du déphaseur joue donc de manière négative sur le coût de l'antenne. Le dispositif selon l'invention présente aussi une souplesse d'utilisation due au fait qu'il existe un grand nombre de solutions pour choisir les phases ϕ0 et π-ϕ0, ou 3π-ϕ0 par exemple, ce qui est équivalent, dans lesquelles le déphaseur en panne et son déphaseur symétrique sont respectivement bloqués. Il en résulte que même dans le cas où des déphaseurs symétriques ont chacun un bit bloqué dans l'un ou l'autre de leurs deux états de phase, par suite d'une panne, il reste suffisamment de degrés de liberté pour pouvoir, dans la quasi-totalité des cas, mettre les deux déphaseurs dans des états de phase remplissant la condition recherchée grâce à la seule action sur les bits restants.
Le dispositif selon l'invention peut également être transposé au cas d'une antenne à formation de faisceaux par le calcul pourvu que cette antenne soit plane et symétrique et pourvu que les lois de calcul des faisceaux soient symétriques en amplitude et en phase. Dans ce cas, l'invention consiste lorsque l'une des valeurs de phase ϕ0 à utiliser dans le calcul d'un diagramme de rayonnement donné est désignée comme erronée ou même seulement suspecte, à mettre, pour ce diagramme de rayonnement, la valeur de phase concernant la source rayonnante symétrique dans l'état de phase supplémentaire. De la sorte, l'erreur de pointage liée à la valeur de phase erronée ϕ0 est annulée.

Claims (10)

  1. Dispositif de compensation des erreurs de pointage causées par des pannes de déphaseurs (2) d'une antenne à balayage électronique plane ayant une distribution de puissance symétrique en amplitude et en phase, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (23) positionnant un déphaseur en panne et son déphaseur symétrique dans des états de phase supplémentaires.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les états de phase supplémentaires dans lesquels le déphaseur en panne et son déphaseur symétrique sont positionnés sont des états fixes qui ne se modifient pas en fonction du pointage du faisceau de l'antenne.
  3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les états de phase restés disponibles sur le déphaseur en panne continuent à être exploités et le déphaseur symétrique est positionné à tout instant dans l'état de phase supplémentaire de celui du déphaseur en panne.
  4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (24) pour surveiller l'état des diodes des déphaseurs (2).
  5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les déphaseurs (2) étant constitués de cellules de phase contenant chacune deux diodes, il comporte des moyens de commande de l'état des diodes de façon à ce qu'une diode d'une cellule étant en panne, la deuxième diode est mise dans le même état d'impédance hyperfréquence que la diode en panne.
  6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'antenne à balayage électronique est active, des amplificateurs hyperfréquence (31) étant connectés en série entre les déphaseurs (2) et les sources élémentaires rayonnantes (1) de l'antenne.
  7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un déphaseur (2) et un amplificateur hyperfréquence (31) sont intégrés dans un même circuit.
  8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'antenne appartient à un système d'atterrissage du type MLS.
  9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est intégré dans le pointeur de l'antenne.
  10. Dispositif de compensation des erreurs de pointage causées par des valeurs devenues erronées des coefficients de calcul des phases d'une antenne à formation de faisceaux par le calcul à structure plane et symétrique et utilisant des lois de calcul symétriques en amplitude et en phase, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens positionnant le coefficient de phase erroné et le coefficient de phase concernant la source rayonnante symétrique dans des états de phase supplémentaires.
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