EP0703638A1 - Procédé et dispositif d'élargissement du diagramme de rayonnement d'une antenne active - Google Patents

Procédé et dispositif d'élargissement du diagramme de rayonnement d'une antenne active Download PDF

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EP0703638A1
EP0703638A1 EP95402101A EP95402101A EP0703638A1 EP 0703638 A1 EP0703638 A1 EP 0703638A1 EP 95402101 A EP95402101 A EP 95402101A EP 95402101 A EP95402101 A EP 95402101A EP 0703638 A1 EP0703638 A1 EP 0703638A1
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    • 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
    • H01Q3/30—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 varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34—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 varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means
    • H01Q3/36—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 varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means with variable phase-shifters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/22—Antenna units of the array energised non-uniformly in amplitude or phase, e.g. tapered array or binomial array
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q25/00—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for widening the radiation pattern of an active antenna.
  • Active antennas are used more and more in radars because they bring many advantages compared to conventional electronic scanning antennas. Among these advantages, it will be noted in particular the use of components in the solid state, a better yield and a gentle degradation of their characteristics.
  • Another advantage of active antennas is to be able to combine by calculation the signals received from the elementary sources of the antenna to simultaneously obtain the equivalent of a multitude of antenna patterns. This is a technique known as "beamforming by calculation”. This requires that the space covered by this set of beams has been illuminated by the emission of the radar.
  • the conventional method of beam widening using a quadratic phase law is limited to a factor 2 widening due to the uniform illumination law imposed by the power amplifiers of radar transmitters, which very generally operate in class. C, in order to obtain a good yield.
  • the subject of the present invention is a method for widening the radiation pattern of an active radar antenna so that the widening factor can be significantly greater than 2, without however reducing the range of the radar, and without modifying the diet of operation of the power amplifiers of this radar, while obtaining a correct radiation pattern.
  • the present invention also relates to a radar implementing the method of the invention.
  • the method of widening the radiation pattern of an active antenna comprising kn columns or rows of active modules, k being an integer greater than or equal to 1, according to the invention is characterized in that it consists in dividing the antenna in n adjacent parts, to apply, in transmission, to each of the n parts a signal with a determined phase law, at least one part of which is preferably linear, and on reception, to form n simultaneous beams, each having an angular width equal to n times the angular width of the nominal beam of the complete antenna, the relative phase shifts of these beams each according to a different law, at least some of these laws being, preferably, linear, this set of beams being displaced globally for cover the entire desired angular range.
  • the radar according to the invention comprises a transmitter, a receiver and an antenna comprising kn columns of active modules, and phase shifters, and it is characterized in that the transmitter comprises circuits applying for each adjacent group of n columns of modules active, different control signals to the corresponding phase shifters, the receiver being connected to a beam forming matrix, by calculation or analog.
  • an active antenna 1 comprising n * m active modules MA arranged in a Cartesian network of n columns C1 to Cn each comprising m modules referenced, in each column, MA1 to MAm.
  • the modules MA of each column are connected to a corresponding column distributor, respectively D1 to Dn.
  • Each of these distributors is connected by a receiver element, respectively R1 to Rn, to a matrix 2 for forming beams, in bearing for example.
  • This matrix 2 is either an analog beam-forming matrix, or a calculation beam beam matrix.
  • the matrix 2 is connected to a radar transmitter not shown.
  • FIG. 2 shows an example of a diagram of the phases of the signals applied, in transmission, to the antenna 1.
  • the number n of columns is a multiple of 3.
  • the antenna is divided into three adjacent thirds each comprising the same number of columns, referenced TG (left third), TC (central third) and TD (right third), in Figure 2.
  • TG left third
  • TC central third
  • TD right third
  • Each of these thirds receives a phase law varying linearly with the abscissa of the column considered, but the slope of these linear laws varies from one third to another.
  • Each antenna third thus generates a directional beam whose pointing direction is defined by the slope of its phase law.
  • FIG. 3 there is shown, in Cartesian coordinates, the diagram, as a function of the deposit, of the beams produced by the antenna supplied in the manner described above with reference to Figure 2.
  • L at -3dB
  • D the centers of the three lobes, D being proportional to the angle ⁇ (see FIG. 2)
  • D1 has been noted the distance between the axis of the central lobe and the axis A of the antenna, D1 being proportional to ⁇ 0 (see figure 2).
  • the slopes of the three phase laws must have a sufficient distance between them so that the three supplied beams are well separated and do not interfere with each other. From a practical point of view, it can be estimated that this condition is fulfilled when the separation between the axes of the beams exceeds three times the width at 3 dB of these beams. Thus, the three beams are sufficiently distant from each other not to create mutual interference, while presenting an enlarged emission diagram (of total width equal to nine times the width of the nominal beam of the antenna).
  • the phase laws are chosen so as to obtain, for example, three groups of three adjacent beams, each group covering one of the enlarged lobes in which the emission was carried out.
  • the beams are generally moved (new, in the present case) thus formed, in order to cover without "holes" the angular range (in elevation and / or in bearing) monitored. This movement is carried out by simultaneously varying the phases of the groups of beams.
  • the method of the invention can be associated with conventional beam widening methods.

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  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

Le procédé d'élargissement de l'invention consiste à diviser l'antenne radar en n groupes de colonnes de modules actifs (MA), à appliquer, en émission, une loi de phase linéaire différente à chaque groupe, et en réception à former n² faisceaux simultanés, chacun ayant la largeur angulaire nominale de l'antenne complète, et à déplacer globalement ces faisceaux pour couvrir le domaine angulaire dans lequel l'énergie a été rayonnée à l'émission. <IMAGE>

Description

  • La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif d'élargissement du diagramme de rayonnement d'une antenne active.
  • Les antennes actives sont de plus en plus utilisées dans les radars parce qu'elles apportent de nombreux avantages par rapport aux antennes à balayage électronique classiques. Parmi ces avantages, on notera en particulier l'utilisation de composants à l'état solide, un meilleur rendement et une dégradation douce de leurs caractéristiques.
  • Un autre avantage des antennes actives est de pouvoir combiner par calcul les signaux reçus des sources élémentaires de l'antenne pour obtenir simultanément l'équivalent d'une multitude de diagrammes d'antenne. Il s'agit là d'une technique connue sous le nom de "formation de faisceaux par le calcul". Cela nécessite que l'espace couvert par cet ensemble de faisceaux ait été illuminé par l'émission du radar.
  • Cependant, on ne peut pas élargir sensiblement le faisceau d'émission de ces antennes actives sans dégrader leurs caractéristiques. Un tel faisceau élargi est souvent nécessaire en mode veille, en particulier afin d'assurer un temps de mesure suffisant pour obtenir des conditions favorables en mesures Doppler (pour l'élimination des échos fixes).
  • Le procédé classique d'élargissement de faisceau par utilisation d'une loi de phase quadratique est limité à un élargissement de facteur 2 en raison de la loi d'illumination uniforme imposée par les amplificateurs de puissance des émetteurs radar, qui fonctionnent très généralement en classe C, afin d'obtenir un bon rendement.
  • On pourrait envisager d"'éteindre", à l'émission, une partie de l'antenne, mais une telle solution serait rédhibitoire pour des facteurs d'élargissement de faisceau élevés, car alors le produit : (puissance d'émission gain) s'écroule, et par voie de conséquence, la portée du radar également.
  • La présente invention a pour objet un procédé permettant d'élargir le diagramme de rayonnement d'une antenne active de radar de façon que le facteur d'élargissement puisse être nettement supérieur à 2, sans pour autant diminuer la portée du radar, et sans modifier le régime de fonctionnement des amplificateurs de puissance de ce radar, tout en obtenant un diagramme de rayonnement correct.
  • La présente invention a également pour objet un radar mettant en oeuvre le procédé de l'invention.
  • Le procédé d'élargissement du diagramme de rayonnement d'une antenne active comportant k.n colonnes ou lignes de modules actifs, k étant un entier supérieur ou égal à 1, selon l'invention est caractérisé en ce qu'il consiste à diviser l'antenne en n parties adjacentes, à appliquer, en émission, à chacune des n parties un signal à loi de phase déterminée, dont au moins une partie est de préférence linéaire, et à la réception, à former n faisceaux simultanés, chacun ayant une largeur angulaire égale à n fois la largeur angulaire du faisceau nominal de l'antenne complète, les déphasages relatifs de ces faisceaux suivant chacun une loi différente, au moins une partie de ces lois étant, de préférence, linéaires, cet ensemble de faisceaux étant déplacé globalement pour couvrir l'ensemble du domaine angulaire désiré.
  • Le radar conforme à l'invention comporte un émetteur, un récepteur et une antenne comportant k.n colonnes de modules actifs, et des déphaseurs, et il est caractérisé en ce que l'émetteur comprend des circuits appliquant pour chaque groupe adjacent de n colonnes de modules actifs, des signaux de commande différents aux déphaseurs correspondants, le récepteur étant relié à une matrice de formation de faisceaux, par le calcul ou analogique.
  • La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel :
    • la figure 1 est un schéma simplifié d'une partie d'un radar conforme à l'invention,
    • la figure 2 est un diagramme des déphasages appliqués en émission, aux différentes parties de l'antenne de la figure 1, dans le cas où cette antenne est divisée en trois parties,
    • la figure 3 est un diagramme des faisceaux d'émission, en fonction du gisement, de l'antenne de l'invention, à laquelle sont appliqués les déphasages selon la figure 2,
    • la figure 4 est un diagramme des lois de phase appliquées en réception à l'antenne de l'invention, et
    • la figure 5 est un diagramme des faisceaux de réception, en fonction du gisement, de l'antenne de l'invention.
  • L'invention est décrite ci-dessous en référence à l'élargissement en gisement du diagramme d'une antenne, mais il est bien entendu que l'élargissement pourrait aussi être réalisé en site, au lieu du gisement ou en plus de celui-ci.
  • On a schématiquement représenté en figure 1 une antenne active 1 comportant n*m modules actifs MA disposés en un réseau cartésien de n colonnes C1 à Cn comportant chacune m modules référencés, dans chaque colonne, MA1 à MAm. Les modules MA de chaque colonne sont reliés à un distributeur de colonne correspondant, respectivement D1 à Dn. Chacun de ces distributeurs est relié par un élément de récepteur, respectivement R1 à Rn, à une matrice 2 de formation de faisceaux, en gisement par exemple. Cette matrice 2 est soit une matrice de formation de faisceaux analogique, soit une matrice de formation de faisceaux par le calcul. La matrice 2 est reliée à un émetteur radar non représenté.
  • On a représenté en figure 2 un exemple de diagramme des phases des signaux appliqués, en émission, à l'antenne 1. Pour cet exemple, le nombre n de colonnes est un multiple de 3. On considère les colonnes dans l'ordre depuis un côté vers l'autre. L'antenne est divisée en trois tiers adjacents comportant chacun le même nombre de colonnes, référencés TG (tiers gauche), TC (tiers central) et TD (tiers droit), sur la figure 2. Chacun de ces tiers reçoit une loi de phase variant linéairement avec l'abscisse de la colonne considérée, mais la pente de ces lois linéaires varie d'un tiers à l'autre. Chaque tiers d'antenne génère ainsi un faisceau directif dont la direction de pointage est définie par la pente de sa loi de phase.
  • Sur la figure 3, on a représenté, en coordonnées cartésiennes, le diagramme, en fonction du gisement, des faisceaux produits par l'antenne alimentée de la façon décrite ci-dessus en référence à la figure 2. On obtient trois lobes de faisceaux sensiblement identiques, dont chacun présente une largeur angulaire L (à -3dB) égale à trois fois celle du lobe du faisceau nominal de l'antenne active classique complète. Sur cette figure 3, on a noté D les entraxes des trois lobes, D étant proportionnel à l'angle α (voir figure 2), et on a noté D1 la distance entre l'axe du lobe central et l'axe A de l'antenne, D1 étant proportionnelle à α0 (voir figure 2).
  • Les pentes des trois lois de phases doivent avoir entre elles un écart suffisant pour que les trois faisceaux fournis soient bien séparés et n'interfèrent pas entre eux. D'un point de vue pratique, on peut estimer que cette condition est réalisée lorsque la séparation entre les axes des faisceaux excède trois fois la largeur à 3 dB de ces faisceaux. Ainsi, les trois faisceaux sont suffisamment éloignés les uns des autres pour ne pas créer d'interférences mutuelles, tout en présentant un diagramme d'émission élargi (de largeur totale égale à neuf fois la largeur du faisceau nominal de l'antenne).
  • Il est avantageux, sans que cela soit une obligation, que l'écart entre l'axe du lobe de gauche et l'axe du lobe central soit égal à l'écart entre l'axe du lobe central et l'axe du lobe de droite. Ceci implique que l'écart entre les pentes des lois de phase soit le même entre le tiers gauche et le tiers central qu'entre le tiers central et le tiers de droite (angle α sur la figure 2).
  • Pour illuminer tout l'espace dans lequel le radar est censé fonctionner, il suffit de maintenir constant l'angle α, ce qui impose l'espacement entre les trois lobe, et d'effectuer le balayage en azimut de l'espace souhaité à l'aide des trois faisceaux en faisant varier l'angle α0 (figure 2) qui définit le pointage du faisceau central.
  • A la réception, on forme simultanément neuf faisceaux dont chacun a une largeur sensiblement égale à la largeur angulaire nominale de l'antenne complète. Ceci est réalisé grâce à la matrice 2 de la figure 1 qui met en oeuvre simultanément neuf lois des phases différentes, de préférence linéaires, qui permettent de couvrir le domaine angulaire (en gisement dans le cas présent) dans lequel a été rayonnée l'énergie d'émission. Pour simplifier le dessin, on n' a représenté en figure 4 que quatre de ces lois de phases.
  • Comme on le voit en figure 5, les lois de phases sont choisies de façon à obtenir, par exemple, trois groupes de trois faisceaux adjacents, chaque groupe recouvrant l'un des lobes élargis dans lequel s'est réalisée l'émission. En état de veille, on déplace globalement les faisceaux (neuf, dans le cas présent) ainsi formés, afin de couvrir sans "trous" le domaine angulaire (en site et/ou en gisement) surveillé. Ce déplacement est effectué en faisant varier simultanément les phases des groupes de faisceaux.
  • De façon générale, lorsqu'on divise une antenne comportant k.n colonnes (ou lignes) en n groupes égaux adjacents, on obtient, selon l'invention, un élargissement de la largeur du faisceau d'origine de n. En pratique, ces élargissements peuvent être de 1, 4, 9, 16, 25...
  • Bien entendu, le procédé de l'invention peut être associé aux procédés classiques d'élargissement de faisceau.

Claims (6)

1 - Procédé d'élargissement du diagramme de rayonnement d'une antenne active comportant k.n colonnes ou lignes de modules actifs, k étant un entier supérieur ou égal à 1, caractérisé en ce qu'il consiste à diviser l'antenne en n parties adjacentes, à appliquer, en émission, à chacune des n parties un signal à loi de phase déterminée, et à la réception, à former n faisceaux simultanés, chacun ayant une largeur angulaire égale à n fois la largeur angulaire du faisceau nominal de l'antenne complète, les déphasages relatifs de ces faisceaux suivant chacune une loi différente, cet ensemble de faisceaux étant déplacé globalement pour couvrir l'ensemble du domaine angulaire désiré.
2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en émission au moins une partie des lois de phases sont linéaires.
3 - Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'en réception, au moins une partie des différentes lois de déphasage sont linéaires.
4 - Radar comportant un émetteur, un récepteur et une antenne comportant k.n colonnes ou lignes de modules actifs et des déphaseurs, caractérisé en ce que l'émetteur comporte des circuits appliquant, pour chaque groupe adjacent de n colonnes de modules actifs (MA), des signaux de commande différents aux déphaseurs correspondants (D1...Dn), le récepteur étant relié à une matrice de formation de faisceaux (2).
5 - Radar selon la revendication 4, caractérisé en ce que la matrice de formation de faisceaux est du type à formation de faisceaux par le calcul.
6 - Radar selon la revendication 4, caractérisé en ce que la matrice de formation de faisceaux est du type analogique.
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