EP0718911A1 - Beam forming array for radiofrequency antenna with fast Fourier transform and device using such array, in particular for space applications - Google Patents

Beam forming array for radiofrequency antenna with fast Fourier transform and device using such array, in particular for space applications Download PDF

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Publication number
EP0718911A1
EP0718911A1 EP95402749A EP95402749A EP0718911A1 EP 0718911 A1 EP0718911 A1 EP 0718911A1 EP 95402749 A EP95402749 A EP 95402749A EP 95402749 A EP95402749 A EP 95402749A EP 0718911 A1 EP0718911 A1 EP 0718911A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cells
cfh
row
inputs
outputs
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP95402749A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Francesc Coromina Pi
Mike Yarwood
Javier Ventura-Traveset Bosch
Wolfgang Bosch
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.)
Agence Spatiale Europeenne
Original Assignee
Agence Spatiale Europeenne
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Agence Spatiale Europeenne filed Critical Agence Spatiale Europeenne
Publication of EP0718911A1 publication Critical patent/EP0718911A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26Arrangements 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
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q25/00Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26Arrangements 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
    • H01Q3/30Arrangements 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
    • H01Q3/34Arrangements 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
    • H01Q3/40Arrangements 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 phasing matrix

Definitions

  • the invention relates to a beam shaping network for radio frequency antenna implementing the Fast Fourier Transform, which will be called in the following, for reasons of simplification, "FFT” (commonly used abbreviation of the English expression “Fast Fourier Transform”).
  • FFT Fast Fourier Transform
  • It also relates to a hardware structure implanting such a network.
  • the invention applies advantageously, but not exclusively, to the field of antennas of the phase antenna array type for the generation of multiple beams for applications on board satellites.
  • a level of the order of -1 dB is required.
  • a well-known solution is to oversize the former and use only part of the die. As an example, using a 2N ⁇ 2N matrix , we obtain a transition level of -1.5 dB.
  • array antennas are normally used with a hexagonal grid topology instead of rectangular. Greater efficiency is obtained with regard to compactness: the number of radiating elements required, as is well known, is less, for the same coverage. However, in this case, a simple layout of the row / column type, as described in relation to the Butler matrix conformers, is no longer possible.
  • phase-shifting circuits placed on two levels.
  • the circuits are not very modular. With the exception of cells with three inputs and three outputs, there are no repetitive modules.
  • the antenna has a hexagonal shape.
  • the antenna may also be of triangular shape.
  • the signal processing algorithm must use Discrete Fourier Transform, which will be called in the following, for reasons of simplification, "DFT” (abbreviation of the commonly used Anglo-Saxon expression “Discrete Fourier Transform”) .
  • DFT Discrete Fourier Transform
  • This "DFT” operates on a series of signals for sampling power supply of the radiating elements of the type antenna. hexagonal, such that the coefficients resulting from the “DFT” are also sampling of the hexagonal type in the domain of the transform (that is to say representing the center of the beams).
  • the requirement for hexagonal type sampling in the origin domain (generally called “time domain” in the signal processing technique) is essentially due to the usually hexagonal shape of the antenna.
  • the requirement for hexagonal type sampling in the transform domain (generally called “frequency domain” in the signal processing technique) comes from the fact that it allows more efficient coverage when the beams coincide with a hexagonal grid.
  • the invention therefore sets itself the aim of solving this problem, namely to offer both an efficient architecture and compatible with current integration technologies, the efficiency being expressed in terms of low mass, of simple implementation. , reliability and easy testing; and an optimized algorithm, the term "optimized" must in turn be included in criteria for technological rather than mathematical optimization.
  • the invention also relates to a structure for the mechanical implantation of such a network.
  • L I / N is an algebraic sequence called the modulo n residue sequence of the algebraic sequence LI, which is a two-dimensional lattice of integers.
  • the input values x (n) of equation (3) are determined (or alternatively the input values X (k) of equation (2)).
  • Equation (1) Since the periodicity matrix (equation (1)) is not a diagonal matrix, it is not possible to carry out a row / column decomposition in equation (2), which is the first condition required by the invention to get an efficient implantation.
  • Equation (10) can be rewritten as follows:
  • equation (13) therefore describes a conventional rectangular "DFT", with a row / column decomposition.
  • micro blocks which have been qualified in the above as “macro blocks”. These blocks are repeated in architecture.
  • det ( D ) can be expressed as the product of two numbers (ie p and q ) which are prime to each other.
  • decomposition into "DFT" of smaller dimension can be carried out directly in the case in two dimensions and not independently in the case in one dimension.
  • MPFA Anglo-Saxon name
  • the large two-dimensional "FFT” will consist of a layer of simple one-dimensional "DFT” (of order 3 or 4) for the "DFT” lines and at more than two layers of one-dimensional "DFT” of small dimension for the one-dimensional "DFT” of columns. There are therefore three layers in total.
  • a first case concerning an architecture of a beam former of moderate size in this case a hexagonal beam former of size 27 ⁇ 27, and a second case concerning a beam former more complex, in this case a 48 ⁇ 48 size beam former.
  • Equation (21) determines the input and output rearrangements.
  • Equation (19) can be rewritten as follows: in which the following expressions have been defined:
  • C (n 2 , k 1 ) can be defined as follows:
  • the architecture of the beam former can be determined so that it satisfies these equations (32) and (33), that is to say so that the transforms "DFT” and "IDFT” are carried out.
  • FIG. 5 illustrates the architecture of a hexagonal beam former CFH, of dimensions 27 ⁇ 27, according to the invention.
  • the CFH hexagonal beam former according to the invention comprises only two main layers of circuits.
  • it uses only one kind of cell, very simple, in this case circuits performing a one-dimensional "DFT" 3 points.
  • the CFH hexagonal beam former includes four sets of cells: 1 to 4, the set referenced 4 constituting one of the circuit layers.
  • This layer includes nine identical cells or modules, 41 to 47, performing a one-dimensional 3-point "DFT". Such a module will be described later with reference to FIG. 6.
  • the inputs of these cells, referenced e 1 to e 27 , from top to bottom in FIG. 5, are in number equal to the number of elements El i .
  • the second layer of circuits includes three games, referenced 1 to 3. Each of these games has 9 inputs and 9 outputs. Each set consists of two rows of 3 basic cells, each performing a 3-point "DFT". The two rows are connected by paths of the line / column links incorporating phase shifters: 111 to 133, 211 to 233 and 311 to 333, called CLC 1 to CLC 3 respectively, for games 1 to 3. Each game is provided with identical topology.
  • the three outputs of the first module for example module 11, are each connected to 0 ° phase shifters: 111, 112 and 113. In other words, the output signals are not phase shifted.
  • the three outputs of the second module, for example module 12, are connected, respectively to 0 °, 40 ° and 80 ° phase shifters: 121, 122 and 123.
  • the three outputs of the third module are connected, respectively to 0 °, 80 ° and 160 ° phase shifters: 131, 132 and 133.
  • the outputs of the first phase shifters of each set for example 111, 121 and 131, are connected to one of the three inputs (from top to bottom in FIG. 5) of the first module of the second row, for example module 14.
  • the outputs of the second phase shifters of each set for example 112, 122 and 132, are connected to one of the three inputs of the second module of the second row, for example module 15.
  • the outputs of the third phase shifters of each set for example 113, 123 and 133, are connected to one of the three inputs of the third module of the second row, for example module 16.
  • the outputs of the cells, 14 to 16, 24 to 26 and 34 to 36, of the second row of sets 1 to 3 are connected to the radiating elements in the following order, in accordance with the aforementioned rearrangement: El 1 , El 13 , El 16 , El 2 , El 14 , El 17 , El 3 , El 15 , El 18 , El 6 , El 20 , El 23 , El 7 , El 21 , El 4 , El 19 , El 22 , El 5 , El 12 , El 26 , El 9 , El 24 , El 27 , El 10 , El 25 , El 8 and El 11 (from top to bottom in the figure).
  • the first outputs of the first three cells, 41 to 43, of set 4 are connected to the first inputs of cells, 11 to 13, of the first row of set 1.
  • the first outputs of the following three cells , 44 to 46 are connected to the second inputs of the three cells, 11 to 13, and the first outputs of the last three cells, 47 to 49, to the third inputs of the three cells, 11 to 13.
  • the architecture of the hexagonal beam former according to the invention is therefore perfectly regular. In addition, it proves to be much less complex than the architecture of an equivalent hexagonal beam former according to the known art, such as that described, for example, in the aforementioned article by Chadwick.
  • the number of phase shifters is reduced to a minimum, according to one of the aims of the invention.
  • the hexagonal beam shaping architecture CFH which has just been described lends itself to very easy integration of a matrix of radiofrequency switches. By directly incorporating this matrix into the architecture of the shaper, a high degree of beam switching possibility is obtained. More precisely, the resulting architecture performs both the functions corresponding to a hexagonal beam former and those corresponding to a beam changer.
  • FIG. 6 schematically illustrates such an architecture, in the particular example of a hexagonal beam former CFH ', of dimensions 27 ⁇ 27. It takes up, in its entirety, the architecture of the shaper of FIG. 5 which it is useless to rewrite.
  • Each layer comprises nine matrixes of switches of dimensions 3 ⁇ 3: Co 11 to Co 19 , for the first layer Co 1 ; Co 21 to Co 29 , for the second layer Co 2 ; Co 31 to Co 39 , for the third layer Co 3 .
  • the first layer Co 1 is inserted between the inputs, e 1 to e 27 , and the inputs of the 3 ⁇ 3 cells, 41 to 49, of the circuits 4.
  • the second layer Co 2 is interposed between the outputs of the set of row / column connections 4a and the inputs of the cells of dimensions 3 ⁇ 3, 41 to 49.
  • the third layer Co 3 is inserted between the outputs of the three sets of row / column links, CLC 1 to CLC 3 , and the inputs of the 3 ⁇ 3 cells, 41 to 49.
  • crossbar reconfigurable circuits, divider-power mixer circuits, etc.
  • circuit layouts are limited by the insulation that can be reached between ports, insulation that decreases with the size of the switch matrix and / or with the associated insertion losses.
  • each signal propagates only through the switching circuits of a matrix of dimension 3 ⁇ 3, for a hexagonal beam former of dimensions 27 ⁇ 27.
  • the increase in insertion losses is negligible.
  • FIG. 7 very schematically illustrates the functional diagram of a circuit performing a one-dimensional "DFT" 3 points on three input signals, referenced I 1 to I 3 .
  • the output signals are referenced O 1 to O 3 .
  • it may be cell 11, it being understood that all the cells are identical.
  • It is a conventional circuit diagram, well known to those skilled in the art and which need not be described further. It is only useful to note that the connections between the inputs and the signal output O 3 are free of phase shifters. It is the same between I 1 and O 1 .
  • the direct links I 2 -O 2 and I 3 -O 3 include a phase shifter 120 °, ⁇ 22 and ⁇ 33 respectively.
  • the I 2 -O 3 and I 3 -O 2 cross links include a 240 ° phase shifter, ⁇ 23 and ⁇ 32 respectively.
  • the basic cells 11 to 49 can be produced by using miniaturization technologies, for example the technology known by the Anglo-Saxon name "GaAs MMIC” (for Monolithic Microwave Integrated Circuits on Gallium Arsenide ). Depending on the dimensions of the base cell, one or more "MMICs” chips will be required to integrate the cell.
  • the basic cell can be produced as illustrated in FIG. 8.
  • the cell 11, the functional diagram of which is illustrated by FIG. 7, is physically produced using radiofrequency "MMICs", integrating the circuits CI-1 to CI-3, each forming a 90 ° / 3 dB hybrid technology sub-cell, each having two inputs and two outputs, one of the outputs being 90 ° phase shifted.
  • the CI-2 sub-cell performs an asymmetrical division of the electrical power received, in the sense that 2/3 of the power is transmitted to the port marked "0" and 1/3 of the power to the port marked "-90".
  • the number of "MMICs" depends on the technological design. A solution based on a single chip is feasible if the total size of the chip remains compatible with the integration technologies used in the field.
  • the phase shift is obtained using capacitors and inductors, with localized constants, in the wavelength band "L” or "S”.
  • the additional phase shifters ⁇ -90 , ⁇ +30 and ⁇ +60 provide the phase shifts 120 ° and 240 ° of Figure 6.
  • the phase shifters 111 to 333 of Figure 5 could also be included in the "MMICs".
  • MMICs is (are) advantageously included (s) in a single microwave package.
  • MMICs in passive circuits based on circuits comprising only capacitors and inductances, a very high efficiency can be achieved during the manufacture of these, with low costs associated with this return.
  • FIG. 9 schematically illustrates the topology of a 3 ⁇ 3 cell according to a preferred embodiment of the invention.
  • capacitors and inductances are used, with localized constants, in the wavelength band "L” or "S".
  • the inductors are all marked “L” and the capacitors "C”, because these elements are all identical. This constitutes a first simplification.
  • the cell is extremely symmetrical and therefore easy to produce.
  • This 3 ⁇ 3 cell configuration allows, at a minimum, integration on a single "MMIC”. It is actually possible to integrate several cells on a single "MMIC" of larger dimensions, which is not possible to do simply for the cells produced in accordance with FIG. 8.
  • FIG 10 illustrates such an arrangement.
  • the capacitance C ′ is placed in parallel with a transistor T r of the MESFET type whose source and drain are at the potential of the earth M a .
  • this particular configuration is adopted for all the capacities of a 3 ⁇ 3 cell.
  • the initial two-dimensional "DFT” was converted into an "FFT” algorithm requiring only the calculation of a "DFT” of order 3 for the first level and of order 4 for the second and third levels. Only two types of one-dimensional "DFT” modules are used, 3 ⁇ 3 and 4 ⁇ 4 respectively.
  • FIG. 11 illustrates the architecture allowing the installation of a hexagonal beam former CFH ", according to the invention, of dimensions 48 ⁇ 48.
  • This architecture comprises two layers of circuits, comprising set 5 (one-dimensional "DFT” of order 3) for the first layer of circuits and sets 7 to 9 ("FFT" rectangular 4 ⁇ 4) for the second circuit layer.
  • the first set 5 is made up of 16 unidimensional 3 ⁇ 3 "DFT" cells, all identical, marked 51a - 54a, 51b - 54b, 51c - 54c and 51d - 54d (from bottom to top of Figure 11). Each cell has four inputs and four outputs. Only the extreme inputs e ' 1 and e' 48 have been identified so as not to overload the figure.
  • Sets 7 to 9 are made up of one-dimensional 4 ⁇ 4 "DFT" cells, also all identical, arranged in two rows of 4 modules to form what has been called above the second and third levels.
  • the first row includes cells 71 to 74, 81 to 84 and 91 to 94, for sets 7, 8 and 9, respectively.
  • the second row includes cells 75 to 78, 85 to 88 and 95 to 98, for sets 7, 8 and 9, respectively.
  • the two rows of cells are interconnected by line / column link paths marked 79, 89 and 99 for sets 7, 8 and 9, respectively. These paths are similar (well than slightly more complex) to those described in more detail with regard to the architecture of FIG. 5, relating to a hexagonal beam former of dimensions 27 ⁇ 27. They must check equation (44).
  • the first outputs of modules 71 to 74 are each connected to an input of cell 75, directly or via an additional phase shifter (in a similar manner to FIG. 5), the second outputs of cells 71 to 74 are each connected to an input of cell 76, and so on. It is the same, naturally for games 8 and 9.
  • first and second layers of circuits are interconnected by a path of connections, marked 6, and which will be described in more detail below.
  • the 48 outputs of cells 75 to 78, 85 to 88 and 95 to 98 are connected to the 48 radiating elements of the antenna (not shown in the figure).
  • the architecture of the hexagonal beam former according to the invention is therefore perfectly regular. In addition, it also turns out to be much less complex than the architecture of an equivalent hexagonal beam former according to known art such as, for example, than that described in the aforementioned article by Chadwick.
  • the matrices of the first layer have the same dimensions as the switching matrices described with reference to FIG. 6 since they must deliver signals on the three cell inputs of dimensions 3 ⁇ 3.
  • the matrices of the second and third layers are of 4 ⁇ 4 dimensions, the cells to be served being of 4 ⁇ 4 dimension.
  • the elementary matrices of switching circuits will have respective dimensions R ⁇ R, for the first layer, and N ⁇ N for the second and third layers.
  • the 3 ⁇ 3 “DFT” modules (51a to 54d) can be produced identically to the modules described in relation to FIGS. 7 and 8.
  • FIG. 12 very schematically illustrates the functional diagram of a one-dimensional 4 ⁇ 4 “DFT” calculation cell, for example the cell constituting the module 71; it being understood that all the modules 71 to 98 are identical.
  • the signal inputs have been marked I 1 to I 4 and the outputs O 1 to O 4 . All inputs are connected to all outputs (trellis), some directly (i.e. without phase shift): I 1 to all outputs, I 2 to O 1 , I 3 to O 1 and O3, d ' others via phase shifters.
  • I 2 is connected to O 2 by a phase shifter ⁇ '22 90 ° to O 3 by a phase shifter ⁇ ' 23 180 ° and O 4 by a phase shifter ⁇ '24 270 °.
  • I 3 is connected to O 2 by a 180 ° phase shifter 32 '32 and to 04 by a 180 ° phase shifter 34 ' 34 also.
  • I 4 is connected to O 2 by a phase shifter ⁇ '42 by 270 °, to O 3 by a phase shifter ⁇ ' 43 by 180 ° and to O 4 by a phase shifter ⁇ '44 by 90 °.
  • the 4 ⁇ 4 cells can be produced in the form of modules based on “MMIC” in Gallium Arsenide (AsGa).
  • FIG. 13 illustrates an example of integration of the basic cell "DFT" 4 ⁇ 4, for example cell 71, the functional diagram of which has just been recalled.
  • the module includes one or more "MMICs” in hybrid technology, integrating circuits CI-41 to CI-44 with two inputs and two outputs, including a direct output (without phase shift, indicated by an arrow in the figure) and a phase-shifted output 180 °.
  • the circuit CI-43 receives, at the input, the input signals I 1 and I 4 .
  • hybrid technology means that it is a circuit with four ports: two input ports and two output ports.
  • a signal present on a first input port (I 1 for example for the CI-43 circuit) is divided into two signals of the same power and of the same phase, transmitted to the two output ports, and that '' a signal present on the second input port (indicated by an arrow in figure 13: I 2 for example for the CI-43 circuit) is divided into two signals of the same power and of opposite phase, transmitted to the two ports of exit.
  • the circuit CI-44 receives as input the signals of the inputs I 2 and I 3 .
  • the direct output of the CI-43 circuit is crossed and connected to the first input of the CI-42 circuit (left in the figure).
  • the phase-shifted output of circuit CI-44 is crossed and transmitted to the second input of circuit CI-42 (right in the figure).
  • the exit direct from circuit CI-44 is transmitted, via an additional phase shifter ⁇ -90 to the second input of circuit CI-42 and the phase-shifted output of circuit CI-41 is transmitted to the first input of circuit CI-41.
  • the first and second outputs of the CI-41 circuit constitute the outputs O 1 and O 3 , respectively.
  • the first and second outputs of the CI-42 circuit constitute the outputs O 2 and O 4 , respectively.
  • FIG. 14 schematically illustrates the topology of a 4 ⁇ 4 cell according to a preferred embodiment of the invention.
  • capacitors and inductors are used, with localized constants, in the wavelength band "L” or "S".
  • the inductors are all marked “L” and the capacitors "C”, because these elements are all identical.
  • the cell is extremely symmetrical and therefore easy to produce.
  • This 4 ⁇ 4 cell configuration allows, at a minimum, their integration on a single "MMIC” and it is actually possible to integrate several cells on a single “MMIC” of larger dimensions.
  • the integration rate can be increased in large proportions.
  • FIG. 15 illustrates a first example of layout for a low complexity shaper ("normal" dimensions), for which the basic cells have been integrated on single "MMICs".
  • This example corresponds to a CFH hexagonal beam shaper of dimensions 27 ⁇ 27, as described in FIG. 5.
  • the same references have been kept to designate the elements thereof.
  • the CFH hexagonal beam former is installed in "2D", that is to say on a plane, for example a printed circuit board PCB. It comprises three layers of "MMICs” grouping, respectively, cells 4, cells 11 to 33 of the first row and cells 14 to 36 of the third row.
  • the interconnection lines of assemblies 4a and CLC 1 to CLC 3 are produced in multilayer technology. Examples of practical implementation will be detailed below.
  • FIG. 16 illustrates an example of physical layout of a CFH hexagonal beam former according to the invention of larger dimensions: second case mentioned above.
  • the base cells, 41 to 49, of the first layer of circuits are arranged on as many flat supports (printed circuit boards for example), all parallel to one another.
  • An exemplary embodiment will be detailed below, in relation to the description of FIG. 18.
  • the three sets, 1 to 3, making up the second layer of circuits, are each arranged on a support, also flat. These three planes are arranged at right angles to the planes formed by the supports of cells 41 to 49.
  • the first outputs of all the cells in set 4 are connected, only, to the inputs of set 1, the second outputs at the inputs of game 2 and the third outputs at the inputs of game 3. It is therefore easy to carry out in these circumstances the connection path connecting the first layer of circuits (set 4) to the second layer of circuits (sets 1 to 3), since the respective supports are in orthogonal planes.
  • the connectors C 1 to C 3 can be made integral with the supports of the cells 41 to 49. It then suffices to insert the three supports of the sets 1 to 3 in these connectors. No link crossing is necessary.
  • FIG. 17 illustrates an example of installation of a very large hexagonal beam former.
  • the assembly is carried out on the faces of a cube-shaped support S.
  • the sixteen 4 ⁇ 4 "DFT" modules can be grouped on a first side S 1 of this cube and rearranged in the form of a matrix comprising 4 rows and 4 columns of modules: 51a-54a, 51b-54b, 51c-54c and 51d-54d, respectively.
  • Each module has three input connections, only two of which, e ' 1 and e' 48 , for all the modules have been identified so as not to overload the figure unnecessarily.
  • the three sets 7, 8 and 9 of the second layer of circuits are arranged, for their part, on three faces of the cube, for example the upper face (in the figure) S 2 , the face S 3 , opposite the face S 1 , and the underside S 4 .
  • these faces are provided with four connectors, parallel to each other, in which will be inserted plates of rectangular parallelepiped shape, supports for modules 71-74, 81-84 and 91-94, for games 7, 8 and 9, respectively.
  • the assembly of the face S 2 has been identified and detailed (set 7). It should however be clear that this assembly is repeated in a similar manner on the faces S 3 and S 4 , for games 8 and 9.
  • the connectors fixed to the face S 2 are marked C 71 to C 74 .
  • a plate is inserted, supporting the modules 71 to 74, respectively.
  • the routing of the links (79, 89 and 99) interconnecting the first row of modules to the second row of modules makes it possible to physically carry out this routing in a very simple manner. It suffices to produce these modules (for example, modules 75 to 78) also in the form of plates.
  • Four rows of connectors, C 75 to C 78 , of module modules 71 to 74 are made integral, on the sides opposite to the connectors C 71 to C 74 .
  • the connectors C 75 to C 78 are mutually parallel and orthogonal to the connectors C 71 to C 74 .
  • each of these connectors is one of the plates, 75 to 78, respectively.
  • this arrangement is repeated for games 8 and 9, arranged on the sides S 3 and S 4 .
  • Each module has four output connections, of which only one, El ' 1 , for all the modules has been identified so as not to overload the figure unnecessarily.
  • the sixteen modules 51a to 54d comprising a total of 48 outputs (four per module), the connections 6 between the face S 1 and the three other faces can be produced, for example, using 48 coaxial cables.
  • the outgoing bundle 60 of 48 cables is divided into three sub-bundles of 16 cables: 61, 62 and 63, distributed at the inputs of the modules of sets 7, 8 and 9, respectively.
  • these cables will have to be adapted in phase and in insertion loss. We will also choose the constituent materials so that they have good temperature stability.
  • This material layout can be extended to more complex beam shapers. As the dimensions of these become larger, we can use the two free faces of the cube. When the complexity increases further, we can use, not a cube, but a polyhedral structure. Naturally, the structure of the basic cells constituting the modules also changes with the complexity of the hexagonal beam former.
  • the material structure of the hexagonal beam former shown in FIG. 16 (of dimensions 27 ⁇ 27 in the example illustrated), is a particular case which can be described as "limit" by compared to the more general structure shown in Figure 17. Indeed, it can be argued, in this particular case, that the supporting structure could have been reduced to its simplest expression, that is to say to a plane.
  • the connectors C 1 to C 3 play a role similar to the role played by the connectors C 74 to C 78 . It is no longer useful to have recourse to a bundle of coaxial cables, the connections between the cells of the first layer of circuits (4) and the second layer of circuits (1 to 3) being able to take place directly.
  • the modules of the second and third levels were, due to the low complexity of the circuits, arranged on a single wafer, which made it possible to eliminate the assembly using connectors between these modules as in the case of the shaper of dimensions 48 ⁇ 48 which has just been described (FIG. 17).
  • a cubic or even polyhedral structure could also have been used to mechanically implant the hexagonal beam shaper, of dimensions 27 ⁇ 27.
  • the modules 41 to 43 (set 4: FIG. 5) would be arranged on the face S 1 and the modules of the sets 1 to 3 (FIG. 5) on the faces S 2 to S 3 , respectively.
  • the second and third levels could have been separated.
  • the interconnections would then be made using connectors playing a role similar to connectors C 71 to C 78 .
  • the interconnections between the modules of the set 4 and the other modules could then be carried out, also, by using coaxial cables.
  • this structure while remaining consistent with the teaching of the invention, would however be more complex than that described with regard to FIG. 16.
  • the material constituting the cubic structure must be used as support. Various materials can be chosen. We will select a light material such as aluminum.
  • the connectors of the second stage establish the necessary interconnections between the modules of the second and third levels, in a manner very similar to what has been described in relation to FIG. 17.
  • the interconnections between the outputs of the N 2 modules of the first level and the inputs of the other modules require N t connections (trellis). They can be carried out, as before, using N t coaxial cables, adapted in phase and in insertion losses, and stable in temperature.
  • the general rule can be stated as follows: the outputs of rank i of each cell are each connected to one of the cell inputs of the independent game similarly rank ; with i ⁇ ⁇ 1, R ⁇ .
  • the rule is as follows: the output of row j of each cell of the first row is connected to an input of the cell of the same second row rank; with j ⁇ ⁇ 1, N ⁇ .
  • planar multilayer technology with radio frequency crossings.
  • Figure 18 illustrates such an arrangement.
  • the set of module 1 in FIG. 5 was taken as an example. This set comprises two rows of three 3 ⁇ 3 one-dimensional "DFT" cells: 11-13 and 14-16, respectively. It is assumed that it is produced on a single support which merges with the set 1 itself.
  • the connections between the modules of the two rows are effected by means of transmission lines arranged on two levels of a dielectric.
  • the latter also serves as a support for cells or modules 11 to 16.
  • the links 110 (cell 11 to cell 14), 111 (cell 11 to cell 15), 122 (cell 12 to cell 15), 132 (cell 13 to cell 15 ) and 133 (cell 13 to cell 16) occupies only one level (upper plane).
  • the links 112 (cell 11 to cell 16), 121 (cell 12 to cell 14), 123 (cell 12 to cell 16) and 131 (cell 13 to cell 14) occupy two levels (upper and lower planes).
  • Each of these links is divides into three sections: 112-112'-112 ", 121-121'-121", 123-123'-123 "and 131-131'-31", respectively.
  • the "lower” transmission lines are connected to the "upper” transmission lines using radio frequency feed-throughs: 1120-1121, 1210-1211, 1230-1231 and 1310-1311, respectively.
  • the dielectric material taking into account the frequency range used, is of the type known as "soft" substrates. More specifically, the material used can be, for example, Teflon, loaded or not with ceramic, or alumina.
  • adaptation elements or circuits may be necessary near the radio frequency crossings.
  • Ribbon-type lines are used, in thick or thin film depending on the precise application and the manufacturing methods involved.
  • the element shown, in section, in this figure comprises three parallel metallic ground planes PM 1 , PM 2 and PM 3 and, between these ground planes, two layers, D 1 and D 2 , forming supports, of dielectric material.
  • Two metallic ribbon lines, an upper line L 1 and a lower line L 2 are buried in the dielectric supports, respectively in D 1 and D 2 .
  • a radiofrequency crossing TR 1 in the form of a metallized hole.
  • an orifice of larger diameter, or more generally of larger dimensions is produced in the intermediate ground plane M 2 .
  • the latter plays the role of radio screen between the two lines L 1 and L 2 . This arrangement therefore ensures a very high level of radiofrequency insulation.
  • Another solution would be to provide a waveguide line on one level and a ribbon line on the other.
  • This solution offers a minimum of complexity, however the radiofrequency insulation is not as important as that offered by the ribbon lines. However, a sufficient degree of insulation can be achieved by increasing the thickness of the dielectric.
  • the mass per node "BFN" (from the Anglo-Saxon “BeamForming Network") is less than 1 g.
  • the number of nodes is defined as the product of the number of beams by the number of radiating elements.
  • a ratio of 10 g per node is commonly accepted as a reference ratio when total mass estimates are made for conforming networks of radiofrequency beams, using the usual technologies in the field.
  • the architecture of the invention therefore allows a reduction in the total mass in a ratio of about 1 to 10.
  • the invention cannot be confined to this single type of application. It applies to all radio frequency antennas of the network antenna type with phase control for the generation of multiple beams.

Landscapes

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Abstract

The network includes using two-layer architecture to perform a hexagonal bidimensional discrete Fourier transform on input signals whose number is a multiple (R) of the square of another integer (N). The first layer (5) performs a unidimensional discrete Fourier transform on the rows and contains NxN cells (51a-54d), with each having R inputs and outputs. The second layer consists of R independent sets (7-9) of cells (71-98), each having N inputs and outputs. The second layer performs a unidimensional discrete Fourier transform on the columns. The sets of cells in the second layer are interconnected by groups of row/column links (79, 89 99), and the layers themselves are interconnected by row/column links (6).

Description

L'invention concerne un réseau conformateur de faisceaux pour antenne radiofréquence mettant en oeuvre la Transformée de Fourier Rapide, que l'on appellera dans ce qui suit, pour des raisons de simplification, "FFT" (abréviation communément utilisée de l'expression anglo-saxonne "Fast Fourier Transform").The invention relates to a beam shaping network for radio frequency antenna implementing the Fast Fourier Transform, which will be called in the following, for reasons of simplification, "FFT" (commonly used abbreviation of the English expression "Fast Fourier Transform").

Elle concerne également une structure matérielle implantant un tel réseau.It also relates to a hardware structure implanting such a network.

L'invention s'applique avantageusement, mais non exclusivement, au domaine des antennes du type antenne réseau à commande de phase pour la génération de faisceaux multiples pour des applications embarquées sur satellites.The invention applies advantageously, but not exclusively, to the field of antennas of the phase antenna array type for the generation of multiple beams for applications on board satellites.

Les conformateurs radiofréquences de faisceaux conventionnels, pour les applications comportant un grand nombre de faisceaux synthétisés et un grand nombre d'élément rayonnant sur l'antenne, ne sont guère utilisables, du fait de leur masse. On recourt plutôt à des conformateurs de faisceaux de fréquence intermédiaire ("FI"), voire à des conformateurs numériques en bande de base, avec l'impact en consommation de puissance que cela implique.Conventional beam radiofrequency conformers, for applications comprising a large number of synthesized beams and a large number of radiating element on the antenna, are hardly usable, because of their mass. Rather, we use intermediate frequency beam (IF) conformers, or even digital baseband conformers, with the impact in power consumption that this implies.

L'article de P.S. Hall et S.J. Vetterlein : "Review of Radio Frequency Beamforming Techniques for Scanned and Multiple Beam Antennas", pages 293-303, publié dans "IEE Proceedings", Vol. 137, Pt. H., N° 5, octobre 1990, passe en revue les principales techniques utilisées pour la conformation de faisceaux radiofréquences.The article by P.S. Hall and S.J. Vetterlein: "Review of Radio Frequency Beamforming Techniques for Scanned and Multiple Beam Antennas", pages 293-303, published in "IEE Proceedings", Vol. 137, Pt. H., N ° 5, October 1990, reviews the main techniques used for the conformation of radiofrequency beams.

Parmi celles-ci, la technique dite de "Matrice de Butler", décrite au paragraphe 4.2 de cet article (voir aussi figure 15), autorise une implantation compacte avec un minimum de circuits de couplage. A priori, de telles matrices de Butler sont appropriées pour la réalisation de réseaux linéaires. En ce qui concerne les réseaux plans à commande de phase mettant en oeuvre des arrangements rectangulaires d'éléments rayonnants, il est possible d'implanter le conformateur de faisceaux en utilisant également des matrices de Butler linéaires.Among these, the so-called "Butler Matrix" technique, described in paragraph 4.2 of this article (see also figure 15), allows a compact layout with a minimum of coupling circuits. A priori, such Butler matrices are suitable for the realization of linear networks. With regard to phase control planar arrays implementing rectangular arrangements of radiating elements, it is possible to install the beam shaper using also linear Butler matrices.

Cependant, la taille maximale d'une matrice de Butler (et donc le nombre maximum de faisceaux et d'éléments rayonnants de l'antenne) est limitée par plusieurs facteurs, comme indiqué ci-dessous :

  • 1) Les tolérances de fabrication : quand la taille de la matrice s'accroît, les décalages de fréquence entre les éléments rayonnants adjacents deviennent plus faible. Une commande plus fine des caractéristiques de phase s'avère nécessaire. On peut admettre, comme rappelé dans l'article précité, que la taille maximale d'une matrice de Butler, mettant en oeuvre la technologie dite "microstrip" (microruban), est de 64×64.
  • 2) La topologie complexe des connexions (cheminement) entre couches de coupleurs : comme il est aisé de le constater sur la figure 1 annexée à la présente description, pour une matrice de Butler, de dimensions 16×16, un cheminement complexe de lignes de connexions est nécessaire. Les circuits du conformateur de faisceau à matrice de Butler se répartissent selon deux niveaux (Niveaux 1 et 2), comprenant chacun quatre cellules, Cel1 à Cel4 et Cel'1 à Cel'4, respectivement. Aux liaisons 1 à 16 correspondent seize liaisons 1' à 16'. Une très grande isolation électrique entre ces liaisons est nécessaire. Cette complexité rend les technologies du type "plan" (connues sous le sigle anglo-saxon "planar" : guides à rubans, lignes microbandes) difficiles à mettre en oeuvre.
  • 3) Les exigences concernant les transitions entre faisceaux : Si on considère une antenne réseau linéaire comprenant N éléments rayonnants, un conformateur de faisceaux à matrice de Butler, de dimensions N×N, génère un jeu de N faisceaux avec des niveaux de transition de -4 dB.
However, the maximum size of a Butler matrix (and therefore the maximum number of beams and radiating elements of the antenna) is limited by several factors, as shown below:
  • 1) Manufacturing tolerances: when the size of the matrix increases, the frequency offsets between the adjacent radiating elements become smaller. A finer control of the phase characteristics is necessary. We can admit, as recalled in the aforementioned article, that the maximum size of a Butler matrix, implementing the technology called "microstrip" (microstrip), is 64 × 64.
  • 2) The complex topology of connections (routing) between layers of couplers: as it is easy to see in FIG. 1 appended to this description, for a Butler matrix, of dimensions 16 × 16, a complex routing of lines of connections is required. The circuits of the Butler matrix beam former are divided into two levels (Levels 1 and 2), each comprising four cells, Cel 1 to Cel 4 and Cel ' 1 to Cel' 4 , respectively. Connections 1 to 16 correspond to sixteen connections 1 'to 16'. Very high electrical insulation between these connections is necessary. This complexity makes technologies of the "plan" type (known under the acronym "planar": ribbon guides, microstrip lines) difficult to implement.
  • 3) The requirements concerning the transitions between beams: If we consider a linear array antenna comprising N radiating elements, a beam conformator with Butler matrix, of dimensions N × N, generates a set of N beams with transition levels of - 4 dB.

Ce niveau est certainement trop faible pour les applications préférentielles visées par l'invention, à savoir les applications spatiales. Un niveau de l'ordre de -1 dB est exigé. Une solution bien connue consiste à surdimensionner le conformateur et à utiliser seulement une partie de la matrice. A titre d'exemple, en utilisant une matrice de dimensions 2N×2N, on obtient un niveau de transition de -1.5 dB.This level is certainly too low for the preferred applications targeted by the invention, namely space applications. A level of the order of -1 dB is required. A well-known solution is to oversize the former and use only part of the die. As an example, using a 2N × 2N matrix , we obtain a transition level of -1.5 dB.

Il est cependant aisé de comprendre que ce surdimensionnement du conformateur de faisceau à matrice de Butler ait un impact direct sur sa masse, sur ses tolérances de fabrication et accroisse les difficultés liées à la complexité des connexions.It is however easy to understand that this oversizing of the Butler matrix beam shaper has a direct impact on its mass, on its manufacturing tolerances and increases the difficulties linked to the complexity of the connections.

En outre, pour les applications spatiales, on utilise normalement des antennes réseaux avec une topologie de grille hexagonale au lieu de rectangulaire. On obtient une efficacité plus grande en ce qui concerne la compacité : le nombre d'éléments rayonnants requis, comme il est bien connu, est moins important, pour la même couverture. Cependant, dans ce cas, une implantation simple du type ligne/colonne, comme décrit en relation avec les conformateurs à matrice de Butler, n'est plus possible.In addition, for space applications, array antennas are normally used with a hexagonal grid topology instead of rectangular. Greater efficiency is obtained with regard to compactness: the number of radiating elements required, as is well known, is less, for the same coverage. However, in this case, a simple layout of the row / column type, as described in relation to the Butler matrix conformers, is no longer possible.

Un autre configuration a été proposée par G.G. Chadwick et al., dans : "An Algebraic Synthesis Method for RN2 Multibeam Matrix Network", paru dans "Antenna Applications Symposium", Monticello (Illinois, USA), 23-25 septembre 1981, "Proceedings". Cette configuration est très similaire au concept de "matrice de Butler" : ces deux configurations constituent, en réalité, une implantation directe en radiofréquence de l'algorithme "FFT".Another configuration was proposed by GG Chadwick et al., In: "An Algebraic Synthesis Method for RN 2 Multibeam Matrix Network", published in "Antenna Applications Symposium", Monticello (Illinois, USA), September 23-25, 1981, "Proceedings". This configuration is very similar to the concept of "Butler matrix": these two configurations constitute, in reality, a direct implementation in radio frequency of the "FFT" algorithm.

Bien qu'intéressante, cette configuration amène cependant les mêmes remarques que précédemment en ce qui concerne la masse, les tolérances de fabrication, le cheminement des liaisons et les niveaux de transition entre faisceaux adjacents.Although interesting, this configuration however brings the same remarks as previously with regard to the mass, the manufacturing tolerances, the routing of the connections and the transition levels between adjacent beams.

En outre, comme il ressort clairement de la figure 12 de la publication précitée, un grand nombre de circuits déphaseurs, placés à deux niveaux, est utilisé. Enfin, les circuits sont très peu modulaires. A l'exception de cellules à trois entrées et trois sorties, il n'y a pas de modules répétitifs.In addition, as is clear from FIG. 12 of the aforementioned publication, a large number of phase-shifting circuits, placed on two levels, is used. Finally, the circuits are not very modular. With the exception of cells with three inputs and three outputs, there are no repetitive modules.

Or, comme il est bien connu, lorsqu'on se trouve en présence de circuits très complexes, cet aspect est très important pour les aspects coûts de fabrication, possibilités d'intégration et facilité de tests. A titre d'exemple, un module est naturellement plus facile à réaliser et moins coûteux à remplacer, en cas de défectuosité, qu'un circuit complexe. La technologie connue limite l'intégration à des circuits d'une certaine dimension et d'une certaine complexité. Des circuits répétitifs relativement peu complexes peuvent donc être réalisés sous forme de circuits intégrés, dont la fiabilité est généralement plus grande que celle des circuits discrets. Enfin, sans que cela soit exhaustif, la complexité des programmes de tests augmente, généralement de façon non linéaire, avec la complexité des circuits à tester.However, as is well known, when one is in the presence of very complex circuits, this aspect is very important for the aspects of manufacturing costs, possibilities of integration and ease of testing. For example, a module is naturally easier to produce and less expensive to replace, in the event of a defect, than a complex circuit. Known technology limits integration to circuits of a certain size and complexity. Relatively uncomplicated repetitive circuits can therefore be produced in the form of integrated circuits, the reliability of which is generally greater than that of discrete circuits. Finally, without being exhaustive, the complexity of the test programs increases, generally in a non-linear fashion, with the complexity of the circuits to be tested.

En résumé, il peut être admis que la technologie des antennes radiofréquences, notamment pour les applications spatiales (antennes embarquées sur satellite), impose un certain nombre de contraintes, dont certaines vont maintenant être rappelées.In summary, it can be admitted that the technology of radiofrequency antennas, in particular for space applications (antennas on satellite), imposes a certain number of constraints, some of which will now be recalled.

De façon générale, l'antenne a une forme hexagonale. Cependant dans le cadre de l'invention, l'antenne pourra être également de forme triangulaire.Generally, the antenna has a hexagonal shape. However, in the context of the invention, the antenna may also be of triangular shape.

Il est tout d'abord nécessaire de mettre en oeuvre une architecture efficace (le terme "efficace" devant être compris en termes de technologie et de faible complexité). L'algorithme de traitement de signal doit faire appel à Transformée de Fourier Discrète, qui sera appelée dans ce qui suit, pour des raisons de simplification, "DFT" (abréviation de l'expression anglo-saxonne couramment utilisée "Discrete Fourier Transform"). Cette "DFT" opère sur une suite de signaux à échantillonnage d'alimentation des éléments rayonnants de l'antenne de type hexagonal, de telle sorte que les coefficients résultant de la "DFT" soient également à échantillonnage de type hexagonal dans le domaine de la transformée (c'est-à-dire représentant le centre des faisceaux).It is first of all necessary to implement an efficient architecture (the term "efficient" must be understood in terms of technology and low complexity). The signal processing algorithm must use Discrete Fourier Transform, which will be called in the following, for reasons of simplification, "DFT" (abbreviation of the commonly used Anglo-Saxon expression "Discrete Fourier Transform") . This "DFT" operates on a series of signals for sampling power supply of the radiating elements of the type antenna. hexagonal, such that the coefficients resulting from the "DFT" are also sampling of the hexagonal type in the domain of the transform (that is to say representing the center of the beams).

L'exigence concernant échantillonnage de type hexagonal dans le domaine d'origine (généralement appelé "domaine temporel" dans la technique du traitement de signal) est essentiellement due à la forme usuellement hexagonale de l'antenne. L'exigence concernant échantillonnage de type hexagonal dans le domaine de la transformée (généralement appelé "domaine fréquentiel" dans la technique du traitement de signal) vient du fait qu'il permet une couverture plus efficace quand les faisceaux coïncident avec une grille hexagonale.The requirement for hexagonal type sampling in the origin domain (generally called "time domain" in the signal processing technique) is essentially due to the usually hexagonal shape of the antenna. The requirement for hexagonal type sampling in the transform domain (generally called "frequency domain" in the signal processing technique) comes from the fact that it allows more efficient coverage when the beams coincide with a hexagonal grid.

L'invention se fixe donc pour but de résoudre ce problème, à savoir d'offrir tout à la fois une architecture efficace et compatible avec les technologies d'intégration actuelles, l'efficacité s'exprimant en termes de faible masse, de réalisation simple, de fiabilité et de test aisé ; et un algorithme optimisé, le terme "optimisé" devant à son tour être compris dans des critères d'optimisation technologique plutôt que mathématique.The invention therefore sets itself the aim of solving this problem, namely to offer both an efficient architecture and compatible with current integration technologies, the efficiency being expressed in terms of low mass, of simple implementation. , reliability and easy testing; and an optimized algorithm, the term "optimized" must in turn be included in criteria for technological rather than mathematical optimization.

L'invention a donc pour objet un réseau conformateur de faisceaux pour antenne radiofréquence comprenant un nombre déterminé d'éléments rayonnants pour la génération de faisceaux multiples, ledit réseau conformateur comprenant un nombre déterminé d'entrées de signaux, un nombre de sorties de signaux de commande des éléments rayonnants égal audit nombre prédéterminé d'entrées de signaux et effectuant sur les signaux d'entrées une transformée discrète de Fourier hexagonale bidimensionnelle, caractérisé en ce que ledit nombre prédéterminé d'entrées et de sorties étant égal à N t , avec N t = R×N 2 , R et N étant des nombres entiers, les circuits composant ledit réseau conformateur de faisceaux sont divisés en des premières et secondes couches de circuits effectuant, respectivement, une transformée discrète de Fourier unidimensionnelle de lignes et une transformée discrète de Fourier unidimensionnelle de colonnes ;

  • en ce que la première couche de circuits est constituée d'une rangée de N 2 cellules munies chacune de R entrées et de R sorties, chaque cellule recevant un signal présent sur l'une desdites N t entrées et effectuant, sur les signaux présents sur ses R entrées, une transformée discrète de Fourier unidimensionnelle ;
  • en ce que la seconde couche de circuits est constituée de R jeux indépendants de cellules, munies chacune de N entrées et N sorties, chaque jeu comportant une première et une seconde rangée de N cellules, chaque cellule effectuant, sur les signaux présents sur ses N entrées, une transformée discrète de Fourier unidimensionnelle ; chacune des sorties des cellules de ladite seconde rangée commandant un desdits éléments rayonnants ;
  • en ce que lesdites première et seconde couches de circuits sont reliées par un premier ensemble d'interconnexions, établissant des connexions entre les sorties des cellules de ladite rangée de N 2 cellules et les entrées des N cellules de la première rangée des R jeux indépendants de cellules ; les sorties de rang i de chaque cellule étant connectées, chacune, à l'une des entrées de cellule du jeu indépendant de même rang ; avec i ∈ {l, R};
  • et en ce que lesdites première et seconde rangées de cellules de chacun desdits R jeux indépendants sont reliées par un second ensemble d'interconnexions, établissant des connexions entre les sorties des N cellules de la première rangée et les entrées des N cellules de la seconde rangée ; la sortie de rang j de chaque cellule du premier rang étant connectée à une entrée de la cellule de même rang de la seconde rangée ; avec j ∈ {l, N}.
The subject of the invention is therefore a beam shaping network for radiofrequency antenna comprising a determined number of radiating elements for the generation of multiple beams, said shaping network comprising a determined number of signal inputs, a number of signal outputs control of radiating elements equal to said predetermined number of signal inputs and effecting a discrete two-dimensional hexagonal Fourier transform on the input signals, characterized in that said predetermined number of inputs and outputs being equal to N t , with N t = R × N 2 , R and N being whole numbers, the circuits composing said beam shaping network are divided into first and second layers of circuits performing, respectively, a discrete one-dimensional Fourier transform of lines and a discrete transform of One-dimensional fourier of columns;
  • in that the first layer of circuits consists of a row of N 2 cells each provided with R inputs and R outputs, each cell receiving a signal present on one of said N t inputs and performing, on the signals present on its R inputs, a discrete one-dimensional Fourier transform;
  • in that the second layer of circuits consists of R independent sets of cells, each provided with N inputs and N outputs, each set comprising a first and a second row of N cells, each cell carrying out, on the signals present on its N starters, a discrete transform of One-dimensional Fourier; each of the outputs of the cells of said second row controlling one of said radiating elements;
  • in that said first and second circuit layers are connected by a first set of interconnections, establishing connections between the outputs of the cells of said row of N 2 cells and the inputs of N cells of the first row of R independent sets of cells; the outputs of rank i of each cell being connected, each, to one of the cell inputs of the independent game of the same rank; with i ∈ {l, R };
  • and in that said first and second rows of cells of each of said R independent sets are connected by a second set of interconnections, establishing connections between the outputs of the N cells of the first row and the inputs of the N cells of the second row ; the output of row j of each cell of the first row being connected to an input of the cell of the same rank of the second row; with j ∈ {l, N }.

L'invention concerne également une structure pour l'implantation mécanique d'un tel réseau.The invention also relates to a structure for the mechanical implantation of such a network.

Elle concerne enfin l'application de ce réseau à la commande d'antennes radiofréquences du type réseau à commande de phase pour la génération de faisceaux multiples, notamment d'une antenne à grille hexagonale embarquée sur un satellite.

  • La figure 1 illustre schématiquement un conformateur de faisceaux à matrice de Butler de dimensions 16×16 selon l'art connu ;
  • La figure 2 représente schématiquement la topologie d'une région élémentaire du support des éléments rayonnants d'une antenne du type antenne réseau à commande de phase ;
  • La figure 3 représente schématiquement la duplication de cette région élémentaire sur un fragment plus important du support ;
  • La figure 4 représente schématiquement une région du support des éléments rayonnants pour un réseau hexagonal de dimensions 27×27 ;
  • La figure 5 illustre schématiquement l'architecture fonctionnelle d'un conformateur de faisceaux du type hexagonal selon l'invention de dimensions 27× 27 ;
  • La figure 6 illustre schématiquement l'architecture fonctionnelle d'un conformateur de faisceaux du type hexagonal selon l'invention de dimensions 27× 27, incorporant des commutateurs ;
  • Les figures 7 et 8 illustrent le schéma fonctionnel et la topologie des circuits d'une cellule de base de dimension 3×3 utilisée de façon répétée pour la réalisation du conformateur de la figure 5 ;
  • La figure 9 illustre la topologie des circuits d'une cellule de base de dimension 3×3 utilisée de façon répétée pour la réalisation des conformateurs des figures 5 ou 6, selon un second mode de réalisation ;
  • La figure 10 illustre une variante de ce second mode de réalisation ;
  • La figure 11 illustre schématiquement l'architecture fonctionnelle d'un conformateur de faisceaux du type hexagonal selon l'invention de dimensions 48× 48 ;
  • Les figures 12 et 13 illustrent le schéma fonctionnel et la topologie des circuits d'une cellule de base de dimension 4×4 utilisée de façon répétitive pour la réalisation du conformateur de la figure 11 ;
  • La figure 14 illustre la topologie des circuits d'une cellule de base de dimension 4×4 utilisée de façon répétée pour la réalisation du conformateur de la figure 11, selon un second mode de réalisation ;
  • La figure 15 illustre schématiquement un premier exemple d'implantation physique d'un conformateur de faisceaux ;
  • La figure 16 illustre schématiquement un deuxième exemple d'implantation physique d'un conformateur de faisceaux, particulièrement approprié pour un conformateur de grandes dimensions ;
  • La figure 17 illustre schématiquement un troisième exemple d'implantation physique de ce conformateur de faisceaux, particulièrement approprié pour un conformateur de très grandes dimensions;
  • La figure 18 illustre la réalisation d'un cheminement d'interconnexions mettant en oeuvre la technologie dite "planar" ;
  • La figure 19 illustre un exemple de réalisation de ligne de transmission du type ruban pouvant être utilisée comme élément de liaison.
Finally, it relates to the application of this network to the control of radio frequency antennas of the phase control network type for the generation of multiple beams, in particular of a hexagonal grid antenna on board a satellite.
  • FIG. 1 schematically illustrates a beam shaping machine with Butler matrix of dimensions 16 × 16 according to the prior art;
  • FIG. 2 schematically represents the topology of an elementary region of the support of the radiating elements of an antenna of the network antenna type with phase control;
  • FIG. 3 schematically represents the duplication of this elementary region on a larger fragment of the support;
  • FIG. 4 schematically represents a region of the support of the radiating elements for a hexagonal network of dimensions 27 × 27;
  • FIG. 5 schematically illustrates the functional architecture of a beam former of the hexagonal type according to the invention of dimensions 27 × 27;
  • FIG. 6 schematically illustrates the functional architecture of a beam former of the hexagonal type according to the invention of dimensions 27 × 27, incorporating switches;
  • FIGS. 7 and 8 illustrate the functional diagram and the topology of the circuits of a basic cell of dimension 3 × 3 used repeatedly for the production of the shaper of FIG. 5;
  • FIG. 9 illustrates the topology of the circuits of a basic cell of dimension 3 × 3 used repeatedly for the production of the conformers of FIGS. 5 or 6, according to a second embodiment;
  • FIG. 10 illustrates a variant of this second embodiment;
  • FIG. 11 schematically illustrates the functional architecture of a beam former of the hexagonal type according to the invention of dimensions 48 × 48;
  • FIGS. 12 and 13 illustrate the functional diagram and the topology of the circuits of a basic cell of dimension 4 × 4 used repeatedly for the production of the shaper of FIG. 11;
  • FIG. 14 illustrates the topology of the circuits of a basic cell of dimension 4 × 4 used repeatedly for the production of the shaper of FIG. 11, according to a second embodiment;
  • FIG. 15 schematically illustrates a first example of physical layout of a beam shaper;
  • FIG. 16 schematically illustrates a second example of physical layout of a beam former, particularly suitable for a large former;
  • FIG. 17 schematically illustrates a third example of physical layout of this beam former, particularly suitable for a very large former;
  • FIG. 18 illustrates the making of an interconnection path using the so-called "planar"technology;
  • FIG. 19 illustrates an exemplary embodiment of a ribbon-type transmission line that can be used as a connecting element.

Comme il a été rappelé, parmi les contraintes de la technologie radiofréquence, il est nécessaire de mettre en oeuvre une architecture efficace qui opère la transformée "DFT" d'une suite bidimensionnelle de signaux à échantillonnage hexagonal (c'est-à-dire des entrées de signal à un élément d'antenne qui est placé sur une grille de topologie hexagonale) de telle sorte que les coefficients résultant de la "DFT" soient aussi à échantillonnage hexagonal dans le domaine de la transformée (représentant le centre des faisceaux).As has been recalled, among the constraints of radiofrequency technology, it is necessary to implement an efficient architecture which operates the "DFT" transform of a two-dimensional sequence of signals with hexagonal sampling (that is to say, signal inputs to an antenna element which is placed on a grid of hexagonal topology) so that the coefficients resulting from the "DFT" are also with hexagonal sampling in the domain of the transform (representing the center of the beams).

L'architecture doit avoir les caractéristiques suivantes :

  • 1. Il doit être fait usage d'une décomposition lignes/colonnes ;
  • 2. L'architecture doit être modulaire et faire appel à un très petit nombre de blocs fonctionnels (un ou deux) qui sont répétés et dont la complexité reste compatible avec les contraintes des technologies d'intégration habituelles à ce type d'application ;
  • 3. L'architecture doit offrir un degré de modularité additionnel tel que plusieurs blocs fonctionnels puissent être interconnectés pour former un bloc que l'on peut qualifier de "macro bloc" et qui peut être utilisé dans différentes parties de l'architecture dans sa globalité ;
  • 4. Le nombre de déphaseurs associés aux interconnexions doit être minimisé.
The architecture must have the following characteristics:
  • 1. Use must be made of a row / column breakdown;
  • 2. The architecture must be modular and use a very small number of functional blocks (one or two) which are repeated and whose complexity remains compatible with the constraints of the usual integration technologies for this type of application;
  • 3. The architecture must offer an additional degree of modularity such that several functional blocks can be interconnected to form a block which can be described as "macro block" and which can be used in different parts of the architecture as a whole. ;
  • 4. The number of phase shifters associated with the interconnections must be minimized.

L'algorithme mathématique mis en oeuvre dans le conformateur de faisceaux selon l'invention doit être compatible avec les contraintes de l'architecture qui viennent d'être rappelées.The mathematical algorithm implemented in the beam former according to the invention must be compatible with the constraints of the architecture which have just been mentioned.

On va tout d'abord rappeler les principales propriétés et caractéristiques d'un algorithme "DFT" bidimensionnel hexagonal. Seules les caractéristiques nécessaires à l'invention seront explicitées en détail, le fondement mathématique d'une telle transformée étant bien connu per se. On pourra de nouveau se référer avantageusement, par exemple, à l'article de G.G. Chadwick et al. précité pour une explication plus détaillée de cet algorithme appliqué aux antennes radiofréquences du type réseau à commande de phase.We will first recall the main properties and characteristics of a two-dimensional hexagonal "DFT" algorithm. Only the characteristics necessary for the invention will be explained in detail, the mathematical basis of such a transform being well known per se. We can again advantageously refer, for example, to the article by GG Chadwick et al. cited above for a more detailed explanation of this algorithm applied to radio frequency antennas of the phase control network type.

Les étapes décrites ci-après sont suivies :

  • 1. Il est tout d'abord nécessaire de déterminer les régions du support des deux domaines de transformée, c'est-à-dire d'établir, dans l'espace bidimensionnel d'origine, comment sont répartis les éléments rayonnants de l'antenne et, dans l'espace bidimensionnel de transformée, comment sont répartis les centres des faisceaux. Ces deux régions de support sont caractérisées par deux nombres, à savoir N 1 et N 2 , et sont dotées d'une forme sensiblement hexagonale comme illustré par la figure 2.
    Les éléments d'indice i, El i , sont donc compris dans un hexagone repéré par rapport à deux axes arbitraires orthonormés yx. Le côté inférieur, de dimension N 1 , est confondu avec l'axe x et le côté supérieur, de dimension N 1 +1, est parallèle à cet axe x. Les côtés latéraux, de dimensions N 2 et N 2 +1, sont inclinés par rapport à l'axe x d'un angle α et d'un angle (π - α), respectivement, avec α peu différent de 45° dans l'exemple décrit. La légère asymétrie simplifie beaucoup l'explication des calculs mathématiques, mais n'a pas d'incidence sur le système selon l'invention, car dans un cas réel, seuls les éléments nécessaires à l'intérieur de la région de support peuvent être sélectionnés, région qui peut avoir une forme symétrique.
  • 2. Dans une deuxième étape, la périodicité de la matrice N est déterminée. Celle-ci constitue une matrice caractéristique de la transformée bidimensionnelle utilisée dans le cadre de l'invention. Elle doit être sélectionnée de telle manière qu'elle concerne un signal à échantillonnages hexagonal dont la transformée de Fourier est aussi un signal à échantillonnages hexagonal. Cette matrice peut prendre la forme suivante :
    Figure imgb0001
  • 3. Dans une troisième étape, on écrit les transformées de Fourier Discrètes (Directe) et Inverse : "DFT" et "IDFT". Elles peuvent être déterminées à partir des équations suivantes :
    Figure imgb0002
    Figure imgb0003
The steps described below are followed:
  • 1. It is first of all necessary to determine the regions of the support of the two transform domains, that is to say to establish, in the original two-dimensional space, how are the radiating elements of the antenna and, in the two-dimensional transform space, how the centers of the beams are distributed. These two support regions are characterized by two numbers, namely N 1 and N 2 , and have a substantially hexagonal shape as illustrated in FIG. 2.
    The elements of index i , El i , are therefore included in a hexagon identified with respect to two arbitrary orthonormal axes yx. The lower side, of dimension N 1 , coincides with the x axis and the upper side, of dimension N 1 + 1, is parallel to this x axis . The lateral sides, of dimensions N 2 and N 2 +1, are inclined relative to the x axis by an angle α and an angle (π - α), respectively, with α little different from 45 ° in l example described. The slight asymmetry greatly simplifies the explanation of mathematical calculations, but does not affect the system according to the invention, because in a real case, only the elements necessary inside the support region can be selected, a region which can have a symmetrical shape.
  • 2. In a second step, the periodicity of the matrix N is determined. This constitutes a characteristic matrix of the two-dimensional transform used in the context of the invention. It must be selected in such a way that it concerns a signal with hexagonal samples, the Fourier transform of which is also a signal with hexagonal samples. This matrix can take the following form:
    Figure imgb0001
  • 3. In a third step, we write the Discrete (Direct) and Inverse Fourier transforms: "DFT" and "IDFT". They can be determined from the following equations:
    Figure imgb0002
    Figure imgb0003

L'expression L I/N est une suite algébrique appelée la suite de résidus modulo n de la suite algébrique LI, qui est un treillis bidimensionnel de nombres entiers. En particulier, L I/N est une suite de classes d'équivalence, dont la classe générique [n] est donnée par l'expression : [n] = {m,n L I de telle manière que n = m (mod N)}

Figure imgb0004
[n] étant l'une des représentations possibles de cette classe.The expression L I / N is an algebraic sequence called the modulo n residue sequence of the algebraic sequence LI, which is a two-dimensional lattice of integers. In particular, L I / N is a series of equivalence classes, whose generic class [ n ] is given by the expression: [n] = {m, n L I as such manner that not = m (mod N)}
Figure imgb0004
[n] being one of the possible representations of this class.

De façon analogue, L I/N T est une suite de résidus modulo N T de LI, et de ce fait une suite de classes d'équivalence, pour laquelle une classe générique [k] est donnée par l'expression : [ k ] = {j,k L I de telle manière que k =j (mod N T )}

Figure imgb0005
[k] est une des représentations possibles de cette classe.Similarly, L I / N T is a sequence of modulo N T residues of LI, and therefore a sequence of equivalence classes, for which a generic class [k] is given by the expression: [ k ] = {d, k L I as such manner that k = j (mod N T )}
Figure imgb0005
[ k ] is one of the possible representations of this class.

On va considérer l'une des suites, à titre d'exemple la suite L I/N . Le nombre de classes de résidus de la suite L I/N est appelé l'index de L I dans L N . Le nombre de classes de résidus, et donc de points à considérer dans l'équation (3), devient égal à |det(N)|, qui est lui-même égal à [(2N1 x N2) + N2 2] (Voir Equation (1)). Il existe une infinité de sélections possibles pour les suites représentatives de L I/N puisque le nombre de représentations d'une classe d'équivalence donnée est infini.We will consider one of the suites, for example more L I / N. The number of classes of residues The following I / N is called the L indexes in I L N. The number of residue classes, and therefore of points to consider in equation (3), becomes equal to | det ( N ) |, which is itself equal to [(2N 1 x N 2 ) + N 2 2 ] (See Equation (1)). There are an infinite number of possible selections for the representative sequences of L I / N since the number of representations of a given equivalence class is infinite.

Lors d'une quatrième étape, les valeurs d'entrées x(n) de l'équation (3) sont déterminées (ou de façon alternative les valeurs d'entrée X(k) de l'équation (2)).In a fourth step, the input values x (n) of equation (3) are determined (or alternatively the input values X (k) of equation (2)).

La procédure suivante est suivie (seul le cas de la détermination de x(n) est illustré, puisqu'on procède à des opérations équivalentes pour déterminer X(k)) :

  • a) Dans un espace bidimensionnel comprenant les éléments rayonnants comme illustré par la figure 2, on définit deux nouveaux axes, respectivement n 1 et n 2 , n 1 étant confondu avec l'axe x et n 2 formant un angle α avec cet axe (c'est-à-dire étant confondu avec le côté de dimension N 2 + 1 de l'hexagone). En outre, chaque élément rayonnant est repéré par rapport à ces nouveaux axes : x(n 1 , n 2 ).
  • b) On génère ensuite, comme illustré plus particulièrement par la figure 3 (duplications Rpi), une extension périodique du signal x(n 1 , n 2 ) en générant des répétitions du signal original définies comme : x(n 1 - ( r 1 ×N 2 + r 2 ×(N 1 + N 2 ), n 2 - ( r 1 x 2N 2 + r2xN 2 )) ;
    Figure imgb0006
    N 1 et N 2 étant les nombres entiers précédemment définis et r1 et r2 des nombres arbitraires, et dont les coordonnées sont exprimées par rapport aux axes n 1 et n 2 . Ces répétitions permettent de couvrir entièrement l'espace bidimensionnel. Le jeu initial de points x(n 1 , n 2 ), avant répétition, est appelé période fondamentale. La relation suivante est satisfaite : x(n 1 , n 2 ) = x(n 1 - ( r 1 ×N 2 + r 1 ×(N 1 + N 2 )), n 2 - ( r 1 x2N 2 + r 2 ×N 2 ))
    Figure imgb0007
    r 1 et r 2 étant des entiers arbitraires.
  • c) Finalement, on peut effectuer une correspondance entre x(n) et x(n(1)) et x(n(2)) dans la représentation étendue, n(1) et n(2) étant définis comme les deux coordonnées qui définissent la représentation des classes d'équivalence [n] de L I/N . X(n) = x(n(1), n(2))
    Figure imgb0008
    avec n = n(1), n(2))
    Figure imgb0009
The following procedure is followed (only the case of determining x (n) is illustrated, since we carry out equivalent operations to determine X (k) ):
  • a) In a two-dimensional space comprising the radiating elements as illustrated in FIG. 2, two new axes are defined, respectively n 1 and n 2 , n 1 being coincident with the axis x and n 2 forming an angle α with this axis ( that is to say being confused with the side of dimension N 2 + 1 of the hexagon). In addition, each radiating element is identified with respect to these new axes: x (n 1 , n 2 ).
  • b) Next, as illustrated more particularly by FIG. 3 (Rp i duplications), a periodic extension of the signal x (n 1 , n 2 ) is generated by generating repetitions of the original signal defined as: x (n 1 - ( r 1 × N 2 + r 2 × (N 1 + N 2 ), not 2 - ( r 1 x 2N 2 + r2xN 2 ));
    Figure imgb0006
    N 1 and N 2 being the integers previously defined and r 1 and r 2 being arbitrary numbers, the coordinates of which are expressed relative to the axes n 1 and n 2 . These repetitions make it possible to fully cover the two-dimensional space. The initial set of points x (n 1 , n 2 ), before repetition, is called the fundamental period. The following relationship is satisfied: x (n 1 , not 2 ) = x (n 1 - ( r 1 × N 2 + r 1 × (N 1 + N 2 )), not 2 - (( r 1 x2N 2 + r 2 × N 2 )))
    Figure imgb0007
    r 1 and r 2 being arbitrary integers.
  • c) Finally, we can make a correspondence between x (n) and x (n (1)) and x (n (2)) in the extended representation, n (1) and n (2) being defined as the two coordinates that define the representation of the equivalence classes [n] L I / N. X (n) = x (n (1), n (2))
    Figure imgb0008
    with n = n (1), n (2))
    Figure imgb0009

A partir de ce résultat, il devient possible de déterminer une architecture du réseau conformateur de faisceaux selon l'invention. On peut résumer les étapes précédantes comme suit :

  • a) Détermination des éléments (jeu des représentations [n]) de L I/N (ou alternativement de L I/N T );
  • b) détermination des valeurs de x(n) selon l'équation (3) (ou alternativement de X(k) selon l'équation (2)) ;
  • c) Application de l'équation (2) pour la "DFT" (Directe) ou pour la "IDFT".
From this result, it becomes possible to determine an architecture of the beam shaping network according to the invention. The preceding steps can be summarized as follows:
  • a) Determination of the elements (set of representations [ n ]) of L I / N (or alternatively of L I / N T ) ;
  • b) determination of the values of x (n) according to equation (3) (or alternatively of X (k) according to equation (2));
  • c) Application of equation (2) for the "DFT" (Direct) or for the "IDFT".

Jusqu'à ce point, la procédure a constitué en une simple reformulation du problème selon une représentation algébrique appropriée. En réalité, la "DFT" de l'équation (2) n'a pas recours à un algorithme rapide et, en conséquence, ne satisfait aucun des critères que se fixe l'invention.Up to this point, the procedure has consisted in a simple reformulation of the problem according to an appropriate algebraic representation. In reality, the "DFT" of equation (2) does not use a fast algorithm and, consequently, does not meet any of the criteria set by the invention.

Puisque la matrice de périodicité (équation (1)) n'est pas une matrice diagonale, il n'est pas possible de réaliser une décomposition lignes/colonnes dans l'équation (2), qui est la première condition requise par l'invention pour obtenir une implantation efficace.Since the periodicity matrix (equation (1)) is not a diagonal matrix, it is not possible to carry out a row / column decomposition in equation (2), which is the first condition required by the invention to get an efficient implantation.

Pour résoudre ce premier problème, il est nécessaire de réaliser les étapes suivantes :

  • a) Décomposition de la matrice périodique N en ce qu'il est appelé une forme normale de Smith. Cette décomposition est toujours possible. On obtient une relation matricielle de la forme : N = U.D.V
    Figure imgb0010
    relation dans laquelle U et V sont des matrices unimodulaire entières (c'est-à-dire pour lesquelles la relation suivante est satisfaite : det(U) = det(V) = 1, et D est une matrice diagonale entière de la forme :
    Figure imgb0011
    matrice dans laquelle d 1 est un diviseur de d 2 .
  • b) Substitution de l'équation (8) dans l'équation (3) par laquelle on obtient :
    Figure imgb0012
          avec kL I/N T .
To solve this first problem, it is necessary to perform the following steps:
  • a) Decomposition of the periodic matrix N into what is called a normal Smith form. This breakdown is always possible. We obtain a matrix relation of the form: N = UDV
    Figure imgb0010
    relation in which U and V are whole unimodular matrices (i.e. for which the following relation is satisfied: det ( U ) = det ( V ) = 1, and D is an integer diagonal matrix of the form:
    Figure imgb0011
    matrix in which d 1 is a divisor of d 2 .
  • b) Substitution of equation (8) in equation (3) by which we obtain:
    Figure imgb0012
    with kL I / N T.

En définissant n̂=U -1 .n (11) et k̂=(V -1 ) T .k (12), l'équation (10) peut être réécrite comme suit :

Figure imgb0013
By defining n̂ = U -1 .n (11) and k̂ = (V -1 ) T .k (12), equation (10) can be rewritten as follows:
Figure imgb0013

La matrice D étant une matrice diagonale, l'équation (13) décrit de ce fait une "DFT" rectangulaire conventionnelle, avec une décomposition lignes/colonnes.Since the matrix D is a diagonal matrix, equation (13) therefore describes a conventional rectangular "DFT", with a row / column decomposition.

Il est à noter que les nouvelles variables introduites (voir (11) et (12)) sont isomorphes avec les variables n et k, respectivement. En outre, elles ne supposent qu'un réarrangement dans les données d'entrée et de sortie qui n'implique pas de calculs supplémentaires. Il est à noter enfin que, les paramètres d'un problème particulier étant fixés, c'est-à-dire la géométrie de l'antenne et des faisceaux, le réarrangement précité n'a pas d'impact sur le matériel résultant. Il est juste nécessaire de connaître comment associer les entrées "DFT" avec les éléments rayonnants et les sorties "DFT" avec les faisceaux, ce qui peut se déduire de l'équation (11).It should be noted that the new variables introduced (see (11) and (12)) are isomorphic with the variables n and k , respectively. In addition, they only assume a rearrangement in the input and output data which does not involve additional calculations. Finally, it should be noted that, the parameters of a particular problem being fixed, that is to say the geometry of the antenna and of the bundles, the aforementioned rearrangement has no impact on the resulting material. It is just necessary to know how to associate the "DFT" inputs with the radiating elements and the "DFT" outputs with the beams, which can be deduced from equation (11).

Avec a) et b), un premier objectif de l'invention conduisant à une implantation matérielle efficace, c'est-à-dire la décomposition lignes/colonnes, est atteint.With a) and b), a first objective of the invention leading to an efficient hardware implementation, that is to say the row / column decomposition, is achieved.

L'objectif consistant en une décomposition en blocs modulaires importants (qui ont été qualifiés dans ce qui précède de "macro blocs") est également atteint. Ces blocs sont répétés dans l'architecture.The objective of breaking down into large modular blocks (which have been qualified in the above as "macro blocks") is also achieved. These blocks are repeated in architecture.

Il est également intéressant de remarquer que toutes les lignes de "DFT" sont identiques parmi elles-mêmes et que ceci est également vrai pour les colonnes. Il est donc nécessaire de déterminer un seul de ces blocs.It is also interesting to note that all the rows of "DFT" are identical among themselves and that this is also true for the columns. It is therefore necessary to determine only one of these blocks.

En outre, la "DFT" bidimensionnelle de grande dimension a été réduite à deux "DFT" de plus petite dimension. La première étape pour le calcul d'un "FFT" a donc été réalisée.In addition, the large two-dimensional "DFT" has been reduced to two smaller "DFT". The first step for calculating an "FFT" has therefore been carried out.

Pour atteindre les autres objectifs que se fixe l'invention, il est nécessaire de procéder à des étapes supplémentaires. Chacune de ces deux unidimensionnelle "DFT" vont maintenant être décomposées en un jeu de blocs modulaires de faible dimension, compatibles avec les limitations des technologies d'intégration couramment utilisées pour ce type d'applications. Ces blocs pourront être réutilisés de nombreuses fois dans le réseau conformateur selon l'invention.To achieve the other objectives set by the invention, it is necessary to carry out additional steps. Each of these two one-dimensional "DFT" will now be broken down into a set of small modular blocks, compatible with the limitations of integration technologies commonly used for this type of application. These blocks can be reused many times in the shaping network according to the invention.

Il est nécessaire, pour ce faire de travailler plus avant de façon indépendante, les lignes et les colonnes des "DFT" unidimensionnelle et d'avoir recours à l'algorithme "FFT" bien connu pour des "DFT" unidimensionnelles, c'est-à-dire l'algorithme dit "radix" (radix-2, radix-3, radix-4, etc.), la décomposition en facteurs premiers, etc. La sélection de l'algorithme dépend de la taille de la "DFT" unidimensionnelle. Une revue de ces algorithmes peut être trouvée dans les articles suivants :

  • de Russel M. Mersereau : "The Processing of Hexagonally Sampled Two-Dimensional Signals", paru dans "Proceedings of the IEEE", vol. 67, No. 6, juin 1979, pages 930-949 ;
  • de Russel M. Mersereau et la. : "The Processing of Periodically Sampled Multidimensional Signals", paru dans "IEEE Transactions on ASSP", vol. 31, février 1983, pages 188-194 ;
  • et de Abderrezac Guessoum et al. : "Fast Algorithms for the Multidimensional Discrete Fourier Transform" paru dans IEEE Transactions on ASSP", vol. 34, août 1986, pages 937-943.
To do this, it is necessary to work further independently, the rows and columns of the one-dimensional "DFT" and to have recourse to the well-known "FFT" algorithm for one-dimensional "DFT", that is to say ie the so-called "radix" algorithm (radix-2, radix-3, radix-4, etc.), the decomposition into prime factors, etc. The selection of the algorithm depends on the size of the one-dimensional "DFT". A review of these algorithms can be found in the following articles:
  • by Russel M. Mersereau: "The Processing of Hexagonally Sampled Two-Dimensional Signals", published in "Proceedings of the IEEE", vol. 67, No. 6, June 1979, pages 930-949;
  • by Russell M. Mersereau and the. : "The Processing of Periodically Sampled Multidimensional Signals", published in "IEEE Transactions on ASSP", vol. 31, February 1983, pages 188-194;
  • and from Abderrezac Guessoum et al. : "Fast Algorithms for the Multidimensional Discrete Fourier Transform" published in IEEE Transactions on ASSP ", vol. 34, August 1986, pages 937-943.

Bien que la décomposition précédente puisse être efficace en pratique (cas pour lesquels la taille du réseau et le nombre de faisceaux peuvent être ajustés de manière obtenir des nombres bien conditionnés), une procédure alternative, qui minimise encore plus le nombre de déphaseurs, peut être mise en oeuvre quand det(D) peut être exprimé comme le produit de deux nombres (c'est-à-dire p et q) qui sont premiers entre eux. Dans ce cas, la décomposition en "DFT" de plus petite dimension peut être réalisée directement dans le cas en deux dimensions et non indépendamment dans le cas en une dimension. Ce cas peut être considéré comme une extension de la théorie de la décomposition de la "FFT" unidimensionnelle en facteurs premiers, qui est connue sous l'appellation anglo-saxonne "MPFA" (pour Algorithme de Matrice en Facteurs Premiers).Although the previous decomposition can be effective in practice (cases where the size of the network and the number of beams can be adjusted so as to obtain well-conditioned numbers), an alternative procedure, which further minimizes the number of phase shifters, can be implemented when det ( D ) can be expressed as the product of two numbers (ie p and q ) which are prime to each other. In this case, the decomposition into "DFT" of smaller dimension can be carried out directly in the case in two dimensions and not independently in the case in one dimension. This case can be considered as an extension of the theory of the decomposition of the one-dimensional "FFT" into prime factors, which is known under the Anglo-Saxon name "MPFA" (for Algorithm of Matrix in Prime Factors).

Ces deux approches de décompositions permettent d'obtenir une architecture matérielle qui satisfait toutes les exigences que s'était fixées l'invention, c'est-à-dire, outre les exigences déjà rappelées, les exigences suivantes :

  • Les jeux de "DFT" unidimensionnelles de grandes dimensions se réduisent à des blocs "DFT" de faibles dimensions, répétés de nombreuses fois tout au long de l'architecture ;
  • Les déphaseurs dans les stades intermédiaires entre lignes et colonnes ne sont plus nécessaires ; le nombre de déphaseurs est donc réduit.
These two approaches to decomposition make it possible to obtain a hardware architecture which satisfies all the requirements which the invention had set for itself, that is to say, in addition to the requirements already mentioned, the following requirements:
  • Large one-dimensional "DFT" sets are reduced to small "DFT" blocks, repeated many times throughout the architecture;
  • The phase shifters in the intermediate stages between rows and columns are no longer necessary; the number of phase shifters is therefore reduced.

Généralement, avec les paramètres normaux à considérer dans une application de communications par satellites, la "FFT" bidimensionnelle de grande dimension consistera en une couche de simples "DFT" unidimensionnelles (d'ordre 3 ou 4) pour les "DFT" lignes et au plus de deux couches de "DFT" unidimensionnelles de faible dimension pour les "DFT" unidimensionnelles de colonnes. Il existe donc trois couches au total.Generally, with the normal parameters to be considered in a satellite communications application, the large two-dimensional "FFT" will consist of a layer of simple one-dimensional "DFT" (of order 3 or 4) for the "DFT" lines and at more than two layers of one-dimensional "DFT" of small dimension for the one-dimensional "DFT" of columns. There are therefore three layers in total.

On va maintenant décrire l'architecture matérielle de conformateurs de faisceaux conformes à l'invention.We will now describe the hardware architecture of beam shapers according to the invention.

Pour fixer les idées, on considérera deux cas : un premier cas concernant une architecture d'un conformateur de faisceaux de taille modérée, en l'occurrence un conformateur de faisceaux hexagonal de taille 27×27, et un second cas concernant un conformateur de faisceaux plus complexe, en l'occurrence un conformateur de faisceaux de taille 48×48.To fix the ideas, we will consider two cases: a first case concerning an architecture of a beam former of moderate size, in this case a hexagonal beam former of size 27 × 27, and a second case concerning a beam former more complex, in this case a 48 × 48 size beam former.

Selon la procédure qui vient d'être rappelée, il est tout d'abord nécessaire de déterminer les régions du support, c'est-à-dire de l'antenne. Si on admet que N 1 = N 2 = 3, le nombre total d'éléments rayonnants sera égal à 2×N 1 xN 2 + N 2 2 , soit 27 éléments rayonnants et 27 faisceaux. La région du support est illustrée par la figure 4 : éléments El 1 à El 27 . According to the procedure which has just been recalled, it is first of all necessary to determine the regions of the support, that is to say of the antenna. If we admit that N 1 = N 2 = 3, the total number of radiating elements will be equal to 2 × N 1 x N 2 + N 2 2 , that is 27 radiating elements and 27 beams. The region of the support is illustrated in FIG. 4: elements El 1 to El 27 .

On détermine la matrice N: Si on se réfère de nouveau à l'équation (1), la matrice N devient :

Figure imgb0014
We determine the matrix N : If we refer again to equation (1), the matrix N becomes:
Figure imgb0014

On détermine les valeurs des éléments [n] de L I/N et les éléments [k] de L I/N T :We determine the values of the elements [ n ] of L I / N and the elements [ k ] of L I / N T :

La sélection n'est pas unique puisque, comme il a été indiqué, il existe une infinité de représentations de chaque classe. On peut choisir le jeu ci-dessous.

Figure imgb0015
et
Figure imgb0016
The selection is not unique since, as indicated, there are endless representations of each class. You can choose the game below.
Figure imgb0015
and
Figure imgb0016

Il est à remarquer que, puisque N est symétrique, [n] et [k] possèdent les mêmes jeux de valeurs.Note that since N is symmetric, [ n ] and [ k ] have the same sets of values.

On détermine ensuite les valeurs de x(n) et on les relie aux éléments El i de l'antenne (voir figure 4) :

Figure imgb0017
The values of x (n) are then determined and they are connected to the elements El i of the antenna (see FIG. 4):
Figure imgb0017

On en déduit l'architecture "FFT" :

  • a) Décomposition de la matrice N dans sa forme normale de Smith :
    Figure imgb0018
  • b) Réécriture de la "DFT" sous la forme d'une "DFT" rectangulaire :
    Figure imgb0019
    et
    Figure imgb0020
    Figure imgb0021
We deduce the architecture "FFT":
  • a) Decomposition of the matrix N in its normal Smith form:
    Figure imgb0018
  • b) Rewriting of the "DFT" in the form of a rectangular "DFT":
    Figure imgb0019
    and
    Figure imgb0020
    Figure imgb0021

L'équation (21) détermine les réarrangements d'entrée et de sortie.Equation (21) determines the input and output rearrangements.

L'algorithme "FFT" unidimensionnel est ensuite utilisé pour les "DFT" unidimensionnelles de ligne et de colonne :

  • a) En ce qui concerne la "DFT" unidimensionnelle de ligne, celle-ci est une "DFT" 3 points, elle est donc réduite à son expression minimale.
  • B) La "DFT" unidimensionnelle de colonne est une "DFT" de 9 points. Il est donc possible d'utiliser l'algorithme de décomposition lignes/colonnes radix-3.
The one-dimensional "FFT" algorithm is then used for the one-dimensional row and column "DFT":
  • a) With regard to the one-dimensional "DFT" of line, this one is a "DFT" 3 points, it is thus reduced to its minimal expression.
  • B) The one-dimensional column "DFT" is a 9 point "DFT". It is therefore possible to use the radix-3 row / column decomposition algorithm.

L'équation (19) peut être réécrite de la manière suivante :

Figure imgb0022
   dans laquelle il a été défini les expressions suivantes :
Figure imgb0023
Figure imgb0024
Equation (19) can be rewritten as follows:
Figure imgb0022
in which the following expressions have been defined:
Figure imgb0023
Figure imgb0024

C(n 2 , k 1 ) peut être défini comme suit :

Figure imgb0025
C (n 2 , k 1 ) can be defined as follows:
Figure imgb0025

En substituant (25) dans (22), on obtient :

Figure imgb0026
By substituting (25) in (22), we obtain:
Figure imgb0026

On effectue ensuite les changements de variables suivants : n 2 = 3p + q    avec p ∈ (0,1,2)    et q ∈ (0,1,2) k 2 = 3r + s    avec r ∈ (0,1,2)    et s ∈ (0,1,2)

Figure imgb0027
The following variable changes are then made: not 2 = 3p + q with p ∈ (0,1,2) and q ∈ (0,1,2) k 2 = 3r + s with r ∈ (0,1,2) and s ∈ (0,1,2)
Figure imgb0027

On obtient alors l'équation (28) :

Figure imgb0028
We then obtain equation (28):
Figure imgb0028

En appelant :

Figure imgb0029
et E q , k 1 , s = D q , k 1 , s exp(- j 9 s · q )
Figure imgb0030
   et en substituant (30) dans (28), on obtient finalement :
Figure imgb0031
   ou de façon équivalente (équation (32)):
Figure imgb0032
Calling :
Figure imgb0029
and E q , k 1 , s = D q , k 1 , s exp (- j 9 s · q )
Figure imgb0030
and by substituting (30) in (28), we finally obtain:
Figure imgb0031
or equivalent (equation (32)):
Figure imgb0032

La transformée inverse peut être obtenue simplement en conjuguant les exponentielles, en normalisant par le déterminant de D et en changeant les variables (équation (33)):

Figure imgb0033
The inverse transform can be obtained simply by conjugating the exponentials, normalizing by the determinant of D and changing the variables (equation (33)):
Figure imgb0033

L'architecture du conformateur de faisceaux peut être déterminée pour qu'il satisfasse ces équations (32) et (33), c'est-à-dire pour que les transformées "DFT" et "IDFT" soient réalisées.The architecture of the beam former can be determined so that it satisfies these equations (32) and (33), that is to say so that the transforms "DFT" and "IDFT" are carried out.

La figure 5 illustre l'architecture d'un conformateur de faisceaux hexagonal CFH, de dimensions 27×27, conforme à l'invention.FIG. 5 illustrates the architecture of a hexagonal beam former CFH, of dimensions 27 × 27, according to the invention.

Le réarrangement des éléments de sortie est repéré par les références El 1 à El 27 . Ces références correspondent à celles des éléments rayonnants de la figure 4. Ce réarrangement est dérivé de l'équation (21).The rearrangement of the output elements is identified by the references El 1 to El 27 . These references correspond to those of the radiating elements of FIG. 4. This rearrangement is derived from equation (21).

Comme il ressort clairement de la figure 5, le conformateur de faisceaux hexagonal CFH selon l'invention ne comprend que deux couches principales de circuits. En outre, il n'utilise qu'une seule sorte de cellule, très simple, en l'occurrence des circuits effectuant une "DFT" unidimensionnelle 3 points.As is clear from FIG. 5, the CFH hexagonal beam former according to the invention comprises only two main layers of circuits. In addition, it uses only one kind of cell, very simple, in this case circuits performing a one-dimensional "DFT" 3 points.

De façon plus précise, le conformateur de faisceaux hexagonal CFH comprend quatre jeux de cellules : 1 à 4, le jeu référencé 4 constituant l'une des couches de circuits.More precisely, the CFH hexagonal beam former includes four sets of cells: 1 to 4, the set referenced 4 constituting one of the circuit layers.

Cette couche comprend neufs cellules ou modules identiques, 41 à 47, réalisant une "DFT" unidimensionnelle 3 points. Un tel module sera décrit ultérieurement en regard de la figure 6. Les entrées de ces cellules, référencées e 1 à e 27 , de haut en bas sur la figure 5, sont en nombre égal au nombre d'éléments El i .This layer includes nine identical cells or modules, 41 to 47, performing a one-dimensional 3-point "DFT". Such a module will be described later with reference to FIG. 6. The inputs of these cells, referenced e 1 to e 27 , from top to bottom in FIG. 5, are in number equal to the number of elements El i .

La seconde couche de circuits comprend trois jeux, référencés 1 à 3. Chacun de ces jeux comporte 9 entrées et 9 sorties. Chaque jeu est constitué de deux rangées de 3 cellules de base, chacun effectuant une "DFT" 3 points. Les deux rangées sont reliées par des cheminements des liaisons lignes/colonnes incorporant des déphaseurs : 111 à 133, 211 à 233 et 311 à 333, dénommés CLC1 à CLC3 respectivement, pour les jeux 1 à 3. Chaque jeu est doté d'une topologie identique. Les trois sorties du premier module, par exemple le module 11, sont reliées chacune à des déphaseur 0° : 111, 112 et 113. En d'autres termes les signaux de sortie ne sont pas déphasés. Les trois sorties du deuxième module, par exemple le module 12, sont reliées, respectivement à des déphaseurs 0°, 40° et 80° : 121, 122 et 123.The second layer of circuits includes three games, referenced 1 to 3. Each of these games has 9 inputs and 9 outputs. Each set consists of two rows of 3 basic cells, each performing a 3-point "DFT". The two rows are connected by paths of the line / column links incorporating phase shifters: 111 to 133, 211 to 233 and 311 to 333, called CLC 1 to CLC 3 respectively, for games 1 to 3. Each game is provided with identical topology. The three outputs of the first module, for example module 11, are each connected to 0 ° phase shifters: 111, 112 and 113. In other words, the output signals are not phase shifted. The three outputs of the second module, for example module 12, are connected, respectively to 0 °, 40 ° and 80 ° phase shifters: 121, 122 and 123.

Les trois sorties du troisième module, par exemple le module 13, sont reliées, respectivement à des déphaseurs 0°, 80° et 160° : 131, 132 et 133. Les sorties des premiers déphaseurs de chaque jeu, par exemple 111, 121 et 131, sont reliées à l'une des trois entrées (de haut en bas sur la figure 5) du premier module de la seconde rangée, par exemple le module 14. Les sorties des deuxièmes déphaseurs de chaque jeu, par exemple 112, 122 et 132, sont reliées à l'une des trois entrées du deuxième module de la seconde rangée, par exemple le module 15. Les sorties des troisièmes déphaseurs de chaque jeu, par exemple 113, 123 et 133, sont reliées à l'une des trois entrées du troisième module de la seconde rangée, par exemple le module 16.The three outputs of the third module, for example module 13, are connected, respectively to 0 °, 80 ° and 160 ° phase shifters: 131, 132 and 133. The outputs of the first phase shifters of each set, for example 111, 121 and 131, are connected to one of the three inputs (from top to bottom in FIG. 5) of the first module of the second row, for example module 14. The outputs of the second phase shifters of each set, for example 112, 122 and 132, are connected to one of the three inputs of the second module of the second row, for example module 15. The outputs of the third phase shifters of each set, for example 113, 123 and 133, are connected to one of the three inputs of the third module of the second row, for example module 16.

Les sorties des cellules, 14 à 16, 24 à 26 et 34 à 36, de la seconde rangée des jeux 1 à 3 sont reliées aux éléments rayonnants dans l'ordre suivant, conformément au réarrangement précité : El 1 , El 13 , El 16 , El 2 , El 14 , El 17 , El 3 , El 15 , El 18 , El 6 , El 20 , El 23 , El 7 , El 21 , El 4 , El 19 , El 22 , El 5 , El 12 , El 26 , El 9 , El 24 , El 27 , El 10 , El 25 , El 8 et El 11 (de haut en bas sur la figure).The outputs of the cells, 14 to 16, 24 to 26 and 34 to 36, of the second row of sets 1 to 3 are connected to the radiating elements in the following order, in accordance with the aforementioned rearrangement: El 1 , El 13 , El 16 , El 2 , El 14 , El 17 , El 3 , El 15 , El 18 , El 6 , El 20 , El 23 , El 7 , El 21 , El 4 , El 19 , El 22 , El 5 , El 12 , El 26 , El 9 , El 24 , El 27 , El 10 , El 25 , El 8 and El 11 (from top to bottom in the figure).

Pour leurs parts, les premières sorties des trois premières cellules, 41 à 43, du jeu 4, sont reliées aux premières entrées des cellules, 11 à 13, de la première rangée du jeu 1. De même, les premières sorties des trois cellules suivantes, 44 à 46, sont reliées aux deuxièmes entées des trois cellules, 11 à 13, et les premières sorties des trois dernières cellules, 47 à 49, au troisièmes entrées des trois cellules, 11 à 13.For their shares, the first outputs of the first three cells, 41 to 43, of set 4, are connected to the first inputs of cells, 11 to 13, of the first row of set 1. Likewise, the first outputs of the following three cells , 44 to 46, are connected to the second inputs of the three cells, 11 to 13, and the first outputs of the last three cells, 47 to 49, to the third inputs of the three cells, 11 to 13.

Ce schéma d'interconnexion se répète pour les deuxièmes sorties de toutes les cellules du premier jeu qui sont reliées aux deuxièmes entrées des jeux de la seconde couche. Il en est enfin de même pour les troisièmes sorties qui sont reliées à l'une des troisièmes entrées des cellules de la seconde couche de circuit.This interconnection diagram is repeated for the second outputs of all the cells of the first set which are connected to the second inputs of the sets of the second layer. It is finally the same for the third outputs which are connected to one of the third inputs of the cells of the second circuit layer.

Cet arrangement de liaisons lignes/colonnes porte la référence générale 4a.This arrangement of row / column links bears the general reference 4a.

L'architecture du conformateur de faisceaux hexagonal conforme à l'invention est donc parfaitement régulière. En outre, elle s'avère beaucoup moins complexe que l'architecture d'un conformateur de faisceaux hexagonal équivalent selon l'art connu, telle que celle décrite, par exemple, dans l'article de Chadwick précité. Le nombre de déphaseurs est réduit au minimum, selon l'un des buts que se fixe l'invention.The architecture of the hexagonal beam former according to the invention is therefore perfectly regular. In addition, it proves to be much less complex than the architecture of an equivalent hexagonal beam former according to the known art, such as that described, for example, in the aforementioned article by Chadwick. The number of phase shifters is reduced to a minimum, according to one of the aims of the invention.

L'architecture de conformateur de faisceaux hexagonal CFH qui vient d'être décrite se prête à une intégration très aisée d'une matrice de commutateurs radiofréquence. En incorporant directement cette matrice dans l'architecture du conformateur, on obtient un haut degré de possibilité de commutation de faisceaux. De façon plus précise l'architecture résultante réalise, à la fois, les fonctions correspondantes à un conformateur de faisceaux hexagonal et celles correspondantes à un commutateur de faisceaux.The hexagonal beam shaping architecture CFH which has just been described lends itself to very easy integration of a matrix of radiofrequency switches. By directly incorporating this matrix into the architecture of the shaper, a high degree of beam switching possibility is obtained. More precisely, the resulting architecture performs both the functions corresponding to a hexagonal beam former and those corresponding to a beam changer.

La figure 6 illustre schématiquement une telle architecture, dans l'exemple particulier d'un conformateur de faisceaux hexagonal CFH', de dimensions 27×27. Elle reprend, en son entier, l'architecture du conformateur de la figure 5 qu'il est inutile de redécrire.FIG. 6 schematically illustrates such an architecture, in the particular example of a hexagonal beam former CFH ', of dimensions 27 × 27. It takes up, in its entirety, the architecture of the shaper of FIG. 5 which it is useless to rewrite.

La différence principale consiste en l'addition de trois couches de commutateurs, Co1 à Co3, respectivement. Chaque couche comporte neuf matrices de commutateurs de dimensions 3×3 : Co11 à Co19, pour la première couche Co1 ; Co21 à Co29, pour la deuxième couche Co2 ; Co31 à Co39, pour la troisième couche Co3.The main difference is the addition of three layers of switches, Co 1 to Co 3 , respectively. Each layer comprises nine matrixes of switches of dimensions 3 × 3: Co 11 to Co 19 , for the first layer Co 1 ; Co 21 to Co 29 , for the second layer Co 2 ; Co 31 to Co 39 , for the third layer Co 3 .

La première couche Co1 est intercalée entre les entrées, e1 à e27, et les entrées des cellules 3×3, 41 à 49, des circuits 4.The first layer Co 1 is inserted between the inputs, e 1 to e 27 , and the inputs of the 3 × 3 cells, 41 to 49, of the circuits 4.

La deuxième couche Co2 est intercalée entre les sorties de l'ensemble de connexions lignes/colonnes 4a et les entrées des cellules de dimensions 3×3, 41 à 49.The second layer Co 2 is interposed between the outputs of the set of row / column connections 4a and the inputs of the cells of dimensions 3 × 3, 41 to 49.

Enfin la troisième couche Co3 est intercalée entre les sorties de les trois ensembles de liaisons lignes/colonnes, CLC1 à CLC3, et les entrées des cellules 3×3, 41 à 49.Finally, the third layer Co 3 is inserted between the outputs of the three sets of row / column links, CLC 1 to CLC 3 , and the inputs of the 3 × 3 cells, 41 to 49.

On constate que l'architecture du conformateur de faisceau CFH' reste tout à fait symétrique.It can be seen that the architecture of the beam shaping CFH 'remains completely symmetrical.

En initialisant toutes les vingt-sept matrices de commutateurs de dimensions 3×3 à un état approprié, on peut obtenir théoriquement 627 permutations des faisceaux réels dans l'espace, correspondant à chaque port d'entrée de faisceau.By initializing all twenty-seven 3 × 3 switch matrices to an appropriate state, we can theoretically obtain 6 27 permutations of real beams in space, corresponding to each beam input port.

Dans la réalité, cette technique ne permet pas l'implantation de toutes les permutations précitées. Cependant le nombre de permutations est extrêmement élevé. L'expérience montre qu'il est suffisant pour la plupart des applications.In reality, this technique does not allow the implantation of all the above permutations. However, the number of permutations is extremely high. Experience shows that it is sufficient for most applications.

Cette solution est à comparer à la solution classique qui aurait consisté, pour obtenir le même résultat, en la mise en oeuvre d'une matrice complète de commutateurs de dimensions 27×27 avec un conformateur de faisceaux en cascade.This solution is to be compared to the conventional solution which would have consisted, in order to obtain the same result, in the implementation of a complete matrix of switches of dimensions 27 × 27 with a beam conformator in cascade.

Différentes architectures sont connues pour la réalisation de la fonction commutateur radiofréquence ("crossbar", circuits reconfigurables, circuits diviseurs-mélangeur de puissance, etc.). En général, les implantations de circuits sont limitées par l'isolation pouvant être atteinte entre ports, isolation qui décroît avec la taille de la matrice de commutateurs et/ou avec les pertes d'insertion associées.Different architectures are known for the realization of the radio frequency switch function ("crossbar", reconfigurable circuits, divider-power mixer circuits, etc.). In general, circuit layouts are limited by the insulation that can be reached between ports, insulation that decreases with the size of the switch matrix and / or with the associated insertion losses.

Si on met en oeuvre l'architecture conforme à l'invention, qui autorise l'incorporation de la fonction commutation dans la fonction conformateur, on peut obtenir une bonne isolation :chaque signal ne se propage qu'au travers des circuits de commutation d'une matrice de dimension 3×3, pour un conformateur de faisceaux hexagonal de dimensions 27×27. L'augmentation des pertes d'insertion est négligeable.If the architecture according to the invention is implemented, which allows the incorporation of the switching function in the conforming function, it is possible to obtain good isolation: each signal propagates only through the switching circuits of a matrix of dimension 3 × 3, for a hexagonal beam former of dimensions 27 × 27. The increase in insertion losses is negligible.

La figure 7 illustre très schématiquement le diagramme fonctionnel d'un circuit effectuant une "DFT" unidimensionnelle 3 points sur trois signaux d'entrée, référencés I1 à I3. Les signaux de sortie sont référencés O1 à O3. A titre d'exemple, il peut s'agir de la cellule 11, étant entendu que toutes les cellules sont identiques. Il s'agit d'un schéma de circuit classique, bien connu de l'homme de métier et qui n'a pas besoin d'être décrit plus avant. Il est seulement utile de remarquer que les liaisons entre les entrées et la sortie de signal O3 sont exemptes de déphaseurs. Il en est de même entre I1 et O1. Les liaisons directes I2-O2 et I3-O3 comportent un déphaseur 120°, ϕ22 et ϕ33 respectivement. Les liaisons croisées I2-O3 et I3-O2 comportent un déphaseur 240°, ϕ23 et ϕ32 respectivement.FIG. 7 very schematically illustrates the functional diagram of a circuit performing a one-dimensional "DFT" 3 points on three input signals, referenced I 1 to I 3 . The output signals are referenced O 1 to O 3 . By way of example, it may be cell 11, it being understood that all the cells are identical. It is a conventional circuit diagram, well known to those skilled in the art and which need not be described further. It is only useful to note that the connections between the inputs and the signal output O 3 are free of phase shifters. It is the same between I 1 and O 1 . The direct links I 2 -O 2 and I 3 -O 3 include a phase shifter 120 °, ϕ 22 and ϕ 33 respectively. The I 2 -O 3 and I 3 -O 2 cross links include a 240 ° phase shifter, ϕ 23 and ϕ 32 respectively.

Les cellules de base 11 à 49 (figure 5) peuvent être réalisées en faisant appel aux technologies de miniaturisation, par exemple la technologie connue sous l'appellation anglo-saxonne "GaAs MMIC" (pour Circuits Intégrés Monolithique Micro-onde sur Arseniure de Gallium). En fonction des dimensions de la cellule de base, une ou plusieurs puces de "MMICs" seront nécessaires pour intégrer la cellule. Dans l'exemple décrit, la cellule de base peut être réalisée comme illustré par la figure 8. La cellule 11, dont le diagramme fonctionnel est illustré par la figure 7, est matériellement réalisée à l'aide de "MMICs" radiofréquence, intégrant les circuits CI-1 à CI-3, formant chacun une sous-cellule en technologie hybride 90°/3 dB, chacun ayant deux entrées et deux sorties, une des sorties étant déphasée de 90°. La sous-cellule CI-2 réalise une division asymétrique de la puissance électrique reçue, en ce sens que 2/3 de la puissance est transmise au port repéré "0" et 1/3 de la puissance au port repéré "-90". Le nombre de "MMICs" dépend de la conception technologique. Une solution à base de puce unique est réalisable si la taille totale de la puce reste compatible avec les technologies d'intégration utilisées dans le domaine. Le déphasage est obtenu à l'aide de capacités et d'inductances, à constantes localisées, dans la bande des longueurs d'onde "L" ou "S". Les déphaseurs supplémentaires ϕ-90, ϕ+30 et ϕ+60 permettent d'obtenir les déphasages de 120° et 240° de la figure 6. Les déphaseurs 111 à 333 de la figure 5 pourraient également être inclus dans le ou les "MMICs".The basic cells 11 to 49 (FIG. 5) can be produced by using miniaturization technologies, for example the technology known by the Anglo-Saxon name "GaAs MMIC" (for Monolithic Microwave Integrated Circuits on Gallium Arsenide ). Depending on the dimensions of the base cell, one or more "MMICs" chips will be required to integrate the cell. In the example described, the basic cell can be produced as illustrated in FIG. 8. The cell 11, the functional diagram of which is illustrated by FIG. 7, is physically produced using radiofrequency "MMICs", integrating the circuits CI-1 to CI-3, each forming a 90 ° / 3 dB hybrid technology sub-cell, each having two inputs and two outputs, one of the outputs being 90 ° phase shifted. The CI-2 sub-cell performs an asymmetrical division of the electrical power received, in the sense that 2/3 of the power is transmitted to the port marked "0" and 1/3 of the power to the port marked "-90". The number of "MMICs" depends on the technological design. A solution based on a single chip is feasible if the total size of the chip remains compatible with the integration technologies used in the field. The phase shift is obtained using capacitors and inductors, with localized constants, in the wavelength band "L" or "S". The additional phase shifters ϕ -90 , ϕ +30 and ϕ +60 provide the phase shifts 120 ° and 240 ° of Figure 6. The phase shifters 111 to 333 of Figure 5 could also be included in the "MMICs".

Le (les) circuit(s) intégré(s) "MMICs est (sont) avantageusement inclu(s) dans un seul boîtier hyperfréquence.The integrated circuit (s) "MMICs is (are) advantageously included (s) in a single microwave package.

Il est aisé de constater que l'architecture décrite qui autorise le recours à une technologie "MMIC" est très avantageuse, à plusieurs points de vue.It is easy to see that the architecture described which allows the use of a "MMIC" technology is very advantageous, from several points of view.

On peut en effet espérer un comportement électrique très semblable d'une cellule à l'autre (tant en ce qui concerne le déphasage que l'amplitude des signaux délivrés). Les tolérances de fabrication et les problèmes qui y sont liés sont donc minimisés.We can indeed hope for an electrical behavior very similar from one cell to another (both with regard to the phase shift and the amplitude of the signals delivered). Manufacturing tolerances and related problems are therefore minimized.

De même, du fait de la nature très simple des "MMICs", en circuits passifs à base de circuits ne comprenant que des capacités et des inductances, un très grand rendement peut être atteint lors de la fabrication de ceux-ci, avec de faibles coûts associés à ce rendement.Likewise, due to the very simple nature of "MMICs", in passive circuits based on circuits comprising only capacitors and inductances, a very high efficiency can be achieved during the manufacture of these, with low costs associated with this return.

Il est encore possible d'améliorer la topologie des cellules de bases 3×3. La figure 9 illustre schématiquement la topologie d'une cellule 3×3 selon un mode de réalisation préféré de l'invention.It is still possible to improve the topology of 3 × 3 basic cells. FIG. 9 schematically illustrates the topology of a 3 × 3 cell according to a preferred embodiment of the invention.

Comme précédemment, on suppose qu'il s'agit de la cellule 11, étant bien entendu que toutes les cellules sont identiques.As before, it is assumed that it is cell 11, it being understood that all the cells are identical.

On a représenté les trois entrées, repérées I1 à I3, et les trois sorties, repérées O1 à O3.The three inputs, labeled I 1 to I 3 , and the three outputs, labeled O 1 to O 3, have been shown .

Comme précédemment également, on utilise des capacités et d'inductances, à constantes localisées, dans la bande des longueurs d'onde "L" ou "S". Les inductances sont toutes repérées "L" et les capacités "C", car ces éléments sont tous identiques. Ceci constitue une première simplification.As previously also, capacitors and inductances are used, with localized constants, in the wavelength band "L" or "S". The inductors are all marked "L" and the capacitors "C", because these elements are all identical. This constitutes a first simplification.

En outre, on constate aisément à l'examen de la figure 9, que la topologie du circuit est extrêmement simple.In addition, it is easy to see on examining FIG. 9 that the topology of the circuit is extremely simple.

Les règles d'implantation sont les suivantes :

  • En entrée, chaque borne d'entrée, I1 à I3, est reliée aux deux autres par une inductance L ;
  • En sortie, chaque borne d'entrée, O1 à O3, est reliée aux deux autres par une inductance L ;
  • Chaque borne d'entrée, I1 à I3, est reliée à une borne de sortie, O1 à O3 respectivement, par une inductance L; plus précisément à la borne de sortie de même rang ;
  • Enfin, chaque borne, d'entrée, I1 à I3, ou de sortie, O1 à O3, est connectée au potentiel de la terre Ma par une capacité C.
The implementation rules are as follows:
  • At the input, each input terminal, I 1 to I 3, is connected to the other two by an inductance L;
  • At the output, each input terminal, O 1 to O 3 , is connected to the other two by an inductance L;
  • Each input terminal, I 1 to I 3 , is connected to an output terminal, O 1 to O 3 respectively, by an inductance L; more precisely to the output terminal of the same rank;
  • Finally, each terminal, input, I 1 to I 3 , or output, O 1 to O 3 , is connected to the earth potential M a by a capacity C.

La cellule est extrêmement symétrique et donc aisé à réaliser.The cell is extremely symmetrical and therefore easy to produce.

Cette configuration de cellule 3×3 autorise, au minimum, l'intégration sur un seul "MMIC". Il est en réalité possible d'intégrer plusieurs cellules sur un seul "MMIC" de plus grandes dimensions, ce qui n'est pas possible de réaliser simplement pour les cellules réalisées conformément à la figure 8.This 3 × 3 cell configuration allows, at a minimum, integration on a single "MMIC". It is actually possible to integrate several cells on a single "MMIC" of larger dimensions, which is not possible to do simply for the cells produced in accordance with FIG. 8.

Les avantages spécifiques à cette topologie sont les suivants :

  • La fonction désirée est obtenue avec un nombre d'inductances et de capacités plus réduits ;
  • Toutes les capacités ont la même valeur pour un même type de cellule, ce qui va permettre de procéder à un réglage des circuits du conformateur de faisceaux comme il va l'être montré ci-après.
The advantages specific to this topology are as follows:
  • The desired function is obtained with a smaller number of inductances and capacities;
  • All the capacities have the same value for the same type of cell, which will make it possible to adjust the circuits of the beam shaper as will be shown below.

Puisque tous les circuits "MMICs" utilisés dans un conformateur de faisceaux donné proviennent de la même plaquette ("wafer") en fabrication, toutes les capacités auront des valeurs présentant des erreurs très similaires par rapport aux valeurs nominales théoriques calculées. Naturellement, cette erreur peut générer corrélativement des erreurs de phase et d'amplitude, erreurs qu'il y a lieu de compenser.Since all the "MMICs" circuits used in a given beam former come from the same wafer in manufacturing, all the capacities will have values with very similar errors compared to the theoretical nominal values calculated. Naturally, this error can correlatively generate phase and amplitude errors, errors which must be compensated for.

Ce problème peut être résolu aisément si on remplace chacune des capacités C par une capacité fixe C' de plus faible valeur en parallèle sur un transistor de type MESFET, qui fonctionne comme une capacité de valeur variable. Il suffit de modifier la tension de commande de grille.This problem can be easily resolved if each of the capacitors C is replaced by a fixed capacitor C 'of lower value in parallel on a MESFET type transistor, which functions as a capacitor of variable value. It suffices to modify the gate control voltage.

La figure 10 illustre une telle disposition. La capacité C' est placé en parallèle avec un transistor Tr de type MESFET dont la source et le drain sont au potentiel de la terre Ma. Naturellement, cette configuration particulière est adoptée pour toutes les capacités d'une cellule 3×3.Figure 10 illustrates such an arrangement. The capacitance C ′ is placed in parallel with a transistor T r of the MESFET type whose source and drain are at the potential of the earth M a . Naturally, this particular configuration is adopted for all the capacities of a 3 × 3 cell.

Puisque toutes les capacités utilisées dans toutes les cellules de base 3×3, dans le conformateur de faisceaux hexagonal en son entier, ont même valeur, il suffit de commander toutes les grilles par une tension de commande unique, Vc, pour pouvoir ajuster toutes les capacités appartenant au même type de cellule pour obtenir la valeur nominale désirée de capacité. On a en effet indiqué, ci-dessus, que toutes les erreurs résultant de la fabrication étaient très similaires. Il s'ensuit que les erreurs de phase et d'amplitude peuvent être réduites au minimum, de façon très simple.Since all the capacities used in all the basic 3 × 3 cells, in the entire hexagonal beam former, have the same value, it suffices to control all the grids by a single control voltage, V c , to be able to adjust all the capacities belonging to the same type of cell to obtain the desired nominal capacity value. It has indeed been indicated, above, that all the errors resulting from the manufacture were very similar. It follows that phase and amplitude errors can be minimized in a very simple way.

Cet état de fait autorise, à lui seul, une augmentation très significative des dimensions maximales du conformateur de faisceaux que l'on peut atteindre.This state of affairs alone allows a very significant increase in the maximum dimensions of the beam shaper that can be reached.

On va maintenant décrire l'architecture d'un conformateur de faisceaux hexagonal de structure plus complexe. Pour fixer les idées, on considère le cas d'un conformateur de faisceaux de dimensions 48×48.We will now describe the architecture of a hexagonal beam former with a more complex structure. To fix the ideas, we consider the case of a beam conformator of dimensions 48 × 48.

On suit les mêmes étapes que dans le cas du conformateur précédemment décrit.The same steps are followed as in the case of the former described above.

On choisit N 1 = N 2 = 4, soit au total, comme il vient d'être indiqué, 3×N 1 2 = 3×N 2 2 = 48 éléments.We choose N 1 = N 2 = 4, or in total, as just indicated, 3 × N 1 2 = 3 × N 2 2 = 48 elements.

On détermine la périodicité de la matrice N (voir (1)) :

Figure imgb0034
We determine the periodicity of the matrix N (see (1)):
Figure imgb0034

On décompose ensuite la matrice N en sa forme normale de Smith :

Figure imgb0035
We then decompose the matrix N into its normal Smith form:
Figure imgb0035

On doit remarquer, que dans ce cas, det(D) = 48 = 3×16, c'est-à-dire qu'il peut être écrit sous la forme du produit de deux nombres premier entre eux (p = 3, q = 16). Comme il a été signalé, ce cas présente plus de facilité pour la décomposition de la "DFT" à l'aide de l'Algorithme de Matrice de Facteurs Premiers ("MPFA"). L'algorithme est le suivant :

Figure imgb0036
Note that in this case det ( D ) = 48 = 3 × 16, i.e. it can be written as the product of two prime numbers between them ( p = 3, q = 16). As has been pointed out, this case presents more ease for the decomposition of the "DFT" using the Prime Factor Matrix Algorithm ("MPFA"). The algorithm is as follows:
Figure imgb0036

On peut définir les matrices suivantes : P 1 = U·D 1

Figure imgb0037
P 2 = D 1 ·V 1
Figure imgb0038
Q 1 = D 2 ·V 1
Figure imgb0039
Q 2 = U·D 2
Figure imgb0040
   et les relations suivantes : n = D 2 ·U -1 ·n 1 + D 1 .U -1 · n 2 (mod N)
Figure imgb0041
k = V T · D 2 · ( V -1 k 1 + V T · D 1 · ( V -1 ) · k 2 (mod N T )
Figure imgb0042
We can define the following matrices: P 1 = U · D 1
Figure imgb0037
P 2 = D 1 · V 1
Figure imgb0038
Q 1 = D 2 · V 1
Figure imgb0039
Q 2 = U · D 2
Figure imgb0040
and the following relationships: n = D 2 · U -1 ·not 1 + D 1 .U -1 · not 2 (mod N)
Figure imgb0041
k = V T · D 2 · ( V -1 ) · k 1 + V T · D 1 · ( V -1 ) · k 2 (mod NOT T )
Figure imgb0042

Dans lesquelles n 1 L I/P1 , n 2 ∈ L I/Q2 , k 1 ∈ L I/(QI) T , k 2 ∈ L I/(P2) T , nL I/N , et kL I/N T. In which n 1 L I / P1 , n 2 ∈ L I / Q2 , k 1 ∈ L I / (QI) T , k 2 ∈ L I / (P2) T , nL I / N , and kL I / N T.

On introduit des nouvelles variables : n ˆ 1 = U -1 · n 1 (mod D 1 ) n ˆ 2 = U -1 · n 2 (mod D 2 ) k ˆ 1 = D 2 . V -1 · k 1 (mod D 1 ) k ˆ 2 = D 1 · V -1 · k 2 (mod D 2 )

Figure imgb0043
We introduce new variables: not ˆ 1 = U -1 · not 1 (mod D 1 ) not ˆ 2 = U -1 · not 2 (mod D 2 ) k ˆ 1 = D 2 . V -1 · k 1 (mod D 1 ) k ˆ 2 = D 1 · V -1 · k 2 (mod D 2 )
Figure imgb0043

Il est alors aisé de réécrire la "DFT" bidimensionnelle de dimensions 48×48 sous la forme :

Figure imgb0044
It is then easy to rewrite the two-dimensional "DFT" of dimensions 48 × 48 in the form:
Figure imgb0044

A partir de là, on peut dériver une architecture comportant une décomposition lignes/colonnes, dont la partie ligne consiste en une "DFT" unidimensionnelle 3 points et chacune des trois "DFT" de colonne consiste en une "FFT" rectangulaire bidimensionnelle 4×4.From there, we can derive an architecture comprising a row / column decomposition, the row part of which consists of a one-dimensional 3-point "DFT" and each of the three column "DFT" consists of a two-dimensional 4 × 4 rectangular "FFT" .

La "DFT" bidimensionnelle initiale a été convertie en un algorithme "FFT" ne nécessitant que le calcul d'une "DFT" d'ordre 3 pour le premier niveau et d'ordre 4 pour les deuxième et troisième niveaux. Il n'est fait usage que de deux types de modules "DFT" unidimensionnels, 3×3 et 4×4 respectivement.The initial two-dimensional "DFT" was converted into an "FFT" algorithm requiring only the calculation of a "DFT" of order 3 for the first level and of order 4 for the second and third levels. Only two types of one-dimensional "DFT" modules are used, 3 × 3 and 4 × 4 respectively.

La figure 11 illustre l'architecture permettant l'implantation d'un conformateur de faisceaux hexagonal CFH", conforme à l'invention, de dimensions 48×48.FIG. 11 illustrates the architecture allowing the installation of a hexagonal beam former CFH ", according to the invention, of dimensions 48 × 48.

Cette architecture, comme précédemment, comprend deux couches de circuits, comprenant le jeu 5 ("DFT" unidimensionnelle d'ordre 3) pour la première couche de circuits et les jeux 7 à 9 ("FFT" rectangulaire 4×4) pour la seconde couche de circuits.This architecture, as before, comprises two layers of circuits, comprising set 5 (one-dimensional "DFT" of order 3) for the first layer of circuits and sets 7 to 9 ("FFT" rectangular 4 × 4) for the second circuit layer.

Le premier jeu 5 est constitué de 16 cellules "DFT" unidimensionnelles 3×3, tous identiques, repérés 51a - 54a, 51b - 54b, 51c - 54c et 51d - 54d (de bas en haut de la figure 11). Chaque cellule comprend quatre entrées et quatre sorties. Seules les entrées extrêmes e' 1 et e' 48 ont été repérées pour ne pas surcharger la figure.The first set 5 is made up of 16 unidimensional 3 × 3 "DFT" cells, all identical, marked 51a - 54a, 51b - 54b, 51c - 54c and 51d - 54d (from bottom to top of Figure 11). Each cell has four inputs and four outputs. Only the extreme inputs e ' 1 and e' 48 have been identified so as not to overload the figure.

Les jeux 7 à 9 sont constitués de cellules "DFT" unidimensionnelles 4×4, également toutes identiques, disposées en deux rangées de 4 modules pour former ce qui a été appelé ci-dessus les deuxième et troisième niveaux. La première rangée comprend les cellules 71 à 74, 81 à 84 et 91 à 94, pour les jeux 7, 8 et 9, respectivement. La seconde rangée comprend les cellules 75 à 78, 85 à 88 et 95 à 98, pour les jeux 7, 8 et 9, respectivement. Les deux rangées de cellules sont interconnectées par des cheminements de liaisons lignes/colonnes repérés 79, 89 et 99 pour les jeux 7, 8 et 9, respectivement. Ces cheminements sont semblables (bien que légèrement plus complexes) à ceux décrits de façon plus détaillée en regards de l'architecture de la figure 5, relative à un conformateur de faisceaux hexagonal de dimensions 27×27. Elles doivent vérifier l'équation (44). Pour fixer les idées, en ce qui concerne le jeu 7, les premières sorties des modules 71 à 74 sont reliées, chacune à une entrée de la cellule 75, directement ou via un déphaseur supplémentaire (de façon analogue à la figure 5), les deuxièmes sorties des cellules 71 à 74 sont reliées, chacune à une entrée de la cellule 76, et ainsi de suite. Il en est de même, naturellement pour les jeux 8 et 9.Sets 7 to 9 are made up of one-dimensional 4 × 4 "DFT" cells, also all identical, arranged in two rows of 4 modules to form what has been called above the second and third levels. The first row includes cells 71 to 74, 81 to 84 and 91 to 94, for sets 7, 8 and 9, respectively. The second row includes cells 75 to 78, 85 to 88 and 95 to 98, for sets 7, 8 and 9, respectively. The two rows of cells are interconnected by line / column link paths marked 79, 89 and 99 for sets 7, 8 and 9, respectively. These paths are similar (well than slightly more complex) to those described in more detail with regard to the architecture of FIG. 5, relating to a hexagonal beam former of dimensions 27 × 27. They must check equation (44). To fix the ideas, with regard to set 7, the first outputs of modules 71 to 74 are each connected to an input of cell 75, directly or via an additional phase shifter (in a similar manner to FIG. 5), the second outputs of cells 71 to 74 are each connected to an input of cell 76, and so on. It is the same, naturally for games 8 and 9.

De même, les première et seconde couches de circuits sont interconnectées par un cheminement de liaisons, repéré 6, et qui sera décrit de façon plus détaillée ci-après.Likewise, the first and second layers of circuits are interconnected by a path of connections, marked 6, and which will be described in more detail below.

Les 48 sorties des cellules 75 à 78, 85 à 88 et 95 à 98 sont connectées aux 48 éléments rayonnants de l'antenne (non représentés sur la figure).The 48 outputs of cells 75 to 78, 85 to 88 and 95 to 98 are connected to the 48 radiating elements of the antenna (not shown in the figure).

L'architecture du conformateur de faisceaux hexagonal conforme à l'invention, selon ce second exemple de réalisation, est donc parfaitement régulière. En outre, elle s'avère aussi beaucoup moins complexe que l'architecture d'un conformateur de faisceaux hexagonal équivalent selon l'art connu telle, par exemple, que celle décrite dans l'article de Chadwick précité.The architecture of the hexagonal beam former according to the invention, according to this second embodiment, is therefore perfectly regular. In addition, it also turns out to be much less complex than the architecture of an equivalent hexagonal beam former according to known art such as, for example, than that described in the aforementioned article by Chadwick.

Naturellement, comme en ce qui concerne le conformateur de faisceaux hexagonal de dimensions 27×27, représenté sur la figure 5, on peur combiner les fonctions "conformateur" et "commutateurs". Selon cette variante de réalisation (non représentée), il suffit d'ajouter trois couches de matrices de commutation, de façon analogue à ce qui a été décrit en relation avec la figure 6, c'est-à-dire entre les entrées et les cellules de dimensions 3×3 des circuits 5 ; entre les sorties de l'ensemble de connexion lignes/colonnes 6 et les cellules de dimensions 4×4, 71 à 94 ; et entre les sorties des ensembles de liaisons lignes/colonnes, 79 à 99, et les entrées des cellules de dimensions 4×4, 75 à 98.Naturally, as in the case of the 27 × 27 hexagonal beam former, shown in FIG. 5, it is possible to combine the functions "former" and "switches". According to this alternative embodiment (not shown), it suffices to add three layers of switching matrices, in a manner similar to what has been described in relation to FIG. 6, that is to say between the inputs and the 3 × 3 cells of circuits 5; between the outputs of the row / column connection assembly 6 and the cells of dimensions 4 × 4, 71 to 94; and between the outputs of the row / column connection sets, 79 to 99, and the inputs of the 4 × 4 cells, 75 to 98.

Les matrices de la première couche sont de mêmes dimensions que les matrices de commutation décrites en regard de la figure 6 puisqu'elles doivent délivrer des signaux sur les trois entrées de cellules de dimensions 3×3. Par contre, et pour une raison similaire, les matrices des deuxièmes et troisièmes couches sont de dimensions 4×4, les cellules à desservir étant de dimension 4×4.The matrices of the first layer have the same dimensions as the switching matrices described with reference to FIG. 6 since they must deliver signals on the three cell inputs of dimensions 3 × 3. On the other hand, and for a similar reason, the matrices of the second and third layers are of 4 × 4 dimensions, the cells to be served being of 4 × 4 dimension.

De façon générale, pour un conformateur de faisceaux hexagonal de dimensions R×N 2 , les matrices élémentaires de circuits de commutation auront des dimensions respectives R×R, pour la première couche, et N×N pour les deuxième et troisième couches.In general, for a hexagonal beam former of dimensions R × N 2 , the elementary matrices of switching circuits will have respective dimensions R × R, for the first layer, and N × N for the second and third layers.

Les modules "DFT" 3×3 (51a à 54d) peuvent être réalisés de façon identique aux modules décrits en relation avec les figures 7 et 8.The 3 × 3 “DFT” modules (51a to 54d) can be produced identically to the modules described in relation to FIGS. 7 and 8.

Un mode de réalisation des modules "DFT" 4×4 va maintenant être décrit en regard des figures 12 et 13.An embodiment of the 4 × 4 “DFT” modules will now be described with reference to FIGS. 12 and 13.

La figure 12 illustre très schématiquement le diagramme fonctionnel d'une cellule de calcul "DFT" unidimensionnelle 4×4, par exemple la cellule constituant le module 71 ; étant bien entendu que tous les modules 71 à 98 sont identiques.FIG. 12 very schematically illustrates the functional diagram of a one-dimensional 4 × 4 “DFT” calculation cell, for example the cell constituting the module 71; it being understood that all the modules 71 to 98 are identical.

Les entrées de signal ont été repérées I1 à I4 et les sorties O1 à O4. Toutes les entrées sont reliées à toutes les sorties (treillis), certaines directement (c'est-à-dire sans déphasage) : I1 vers toutes les sorties, I2 vers O1, I3 vers O1 et O3, d'autres par l'intermédiaire de déphaseurs. I2 est relié à O2 par un déphaseur ϕ'22 de 90°, à O3 par un déphaseur ϕ'23 de 180° et à O4 par un déphaseur ϕ'24 de 270°. De même I3 est relié à O2 par un déphaseur ϕ'32 de 180° et à 04 par un déphaseur ϕ'34 de 180° également. Enfin, I4 est relié à O2 par un déphaseur ϕ'42 de 270°, à O3 par un déphaseur ϕ'43 de 180° et à O4 par un déphaseur ϕ'44 de 90°.The signal inputs have been marked I 1 to I 4 and the outputs O 1 to O 4 . All inputs are connected to all outputs (trellis), some directly (i.e. without phase shift): I 1 to all outputs, I 2 to O 1 , I 3 to O 1 and O3, d ' others via phase shifters. I 2 is connected to O 2 by a phase shifter φ '22 90 ° to O 3 by a phase shifter φ' 23 180 ° and O 4 by a phase shifter φ '24 270 °. Likewise I 3 is connected to O 2 by a 180 ° phase shifter 32 '32 and to 04 by a 180 ° phase shifter 34 ' 34 also. Finally, I 4 is connected to O 2 by a phase shifter ϕ '42 by 270 °, to O 3 by a phase shifter ϕ' 43 by 180 ° and to O 4 by a phase shifter ϕ '44 by 90 °.

Comme en ce qui concerne les cellules 3×3, les cellules 4×4 peuvent être réalisées sous forme modules à base de "MMIC" en Arseniure de Gallium (AsGa).As with the 3 × 3 cells, the 4 × 4 cells can be produced in the form of modules based on “MMIC” in Gallium Arsenide (AsGa).

La figure 13 illustre un exemple d'intégration de la cellule de base "DFT" 4×4, par exemple la cellule 71, dont le diagramme fonctionnelle vient d'être rappelé. Le module comprend un ou plusieurs "MMICs" en technologie hybride, intégrant les circuits CI-41 à CI-44 à deux entrées et deux sorties, dont une sortie directe (sans déphasage, repérée par une flèche sur la figure) et une sortie déphasée à 180°. Le circuit CI-43 reçoit, en entrée les signaux d'entrée I1 et I4. Dans le contexte de l'invention, le terme "technologie hybride" signifie qu'il s'agit d'un circuit à quatre ports : deux ports d'entrée et deux ports de sortie. Ils présentent la particularité qu'un signal présent sur un premier port d'entré (I1 par exemple pour le circuit CI-43) est divisé en deux signaux de même puissance et de même phase, transmis aux deux ports de sortie, et qu'un signal présent sur le second port d'entré (repéré par une flèche sur la figure 13 : I2 par exemple pour le circuit CI-43) est divisé en deux signaux de même puissance et de phase opposée, transmis aux deux ports de sortie. Le circuit CI-44 reçoit en entrée les signaux des entrées I2 et I3. La sortie directe du circuit CI-43 est croisée et connectée à la première entrée du circuit CI-42 (gauche sur la figure). La sortie déphasée du circuit CI-44 est croisée et transmise à la seconde entrée du circuit CI-42 (droite sur la figure). La sortie directe du circuit CI-44 est transmise, via un déphaseur supplémentaire ϕ-90 à la seconde entrée du circuit CI-42 et la sortie déphasée du circuit CI-41 est transmise à la première entrée du circuit CI-41. Les première et seconde sortie du circuit CI-41 constituent les sorties O1 et O3, respectivement. Les première et seconde sortie du circuit CI-42 constituent les sorties O2 et O4, respectivement.FIG. 13 illustrates an example of integration of the basic cell "DFT" 4 × 4, for example cell 71, the functional diagram of which has just been recalled. The module includes one or more "MMICs" in hybrid technology, integrating circuits CI-41 to CI-44 with two inputs and two outputs, including a direct output (without phase shift, indicated by an arrow in the figure) and a phase-shifted output 180 °. The circuit CI-43 receives, at the input, the input signals I 1 and I 4 . In the context of the invention, the term "hybrid technology" means that it is a circuit with four ports: two input ports and two output ports. They have the particularity that a signal present on a first input port (I 1 for example for the CI-43 circuit) is divided into two signals of the same power and of the same phase, transmitted to the two output ports, and that '' a signal present on the second input port (indicated by an arrow in figure 13: I 2 for example for the CI-43 circuit) is divided into two signals of the same power and of opposite phase, transmitted to the two ports of exit. The circuit CI-44 receives as input the signals of the inputs I 2 and I 3 . The direct output of the CI-43 circuit is crossed and connected to the first input of the CI-42 circuit (left in the figure). The phase-shifted output of circuit CI-44 is crossed and transmitted to the second input of circuit CI-42 (right in the figure). The exit direct from circuit CI-44 is transmitted, via an additional phase shifter ϕ-90 to the second input of circuit CI-42 and the phase-shifted output of circuit CI-41 is transmitted to the first input of circuit CI-41. The first and second outputs of the CI-41 circuit constitute the outputs O 1 and O 3 , respectively. The first and second outputs of the CI-42 circuit constitute the outputs O 2 and O 4 , respectively.

Comme en ce qui concerne les cellules de dimensions 3×3, il est encore possible d'améliorer la topologie des cellules de bases 4×4. La figure 14 illustre schématiquement la topologie d'une cellule 4×4 selon un mode de réalisation préféré de l'invention.As with the 3 × 3 cells, it is still possible to improve the topology of the 4 × 4 base cells. FIG. 14 schematically illustrates the topology of a 4 × 4 cell according to a preferred embodiment of the invention.

Comme précédemment, on suppose qu'il s'agit de la cellule 71, étant bien entendu que toutes les cellules sont identiques.As before, it is assumed that it is cell 71, it being understood that all the cells are identical.

On a représenté les quatre entrées, repérées I1 à I4, et les quatre sorties, repérées O1 à O4.We have represented the four inputs, marked I 1 to I 4 , and the four outputs, marked O 1 to O 4 .

Comme précédemment également, on utilise des capacités et des inductances, à constantes localisées, dans la bande des longueurs d'onde "L" ou "S". Les inductances sont toutes repérées "L" et les capacités "C", car ces éléments sont tous identiques.As previously also, capacitors and inductors are used, with localized constants, in the wavelength band "L" or "S". The inductors are all marked "L" and the capacitors "C", because these elements are all identical.

Les règles d'implantation sont similaires à ce qui a été précédemment indiqué :

  • En entrée, chaque borne d'entrée, I1 à I4, est reliée aux deux autres par une inductance L ;
  • En sortie, chaque borne d'entrée, O1 à O4, est reliée aux deux autres par une inductance L ;
  • Chaque borne d'entrée, I1 à I4, est reliée à une borne de sortie, O1 à O4 respectivement, par une inductance L; plus précisément à la borne de sortie de même rang ;
  • Enfin, chaque borne, d'entrée, I1 à I4, ou de sortie, O1 à O4, est connectée au potentiel de la terre Ma par une capacité C.
The implementation rules are similar to what was previously indicated:
  • At the input, each input terminal, I 1 to I 4 , is connected to the other two by an inductance L;
  • At the output, each input terminal, O 1 to O 4 , is connected to the other two by an inductance L;
  • Each input terminal, I 1 to I 4 , is connected to an output terminal, O 1 to O 4 respectively, by an inductance L; more precisely to the output terminal of the same rank;
  • Finally, each terminal, input, I 1 to I 4 , or output, O 1 to O 4 , is connected to the earth potential M a by a capacity C.

La cellule est extrêmement symétrique et donc aisé à réaliser.The cell is extremely symmetrical and therefore easy to produce.

Cette configuration de cellule de dimensions 4×4 autorise, au minimum, leur intégration sur un seul "MMIC" et il est en réalité possible d'intégrer plusieurs cellules sur un seul "MMIC" de plus grandes dimensions.This 4 × 4 cell configuration allows, at a minimum, their integration on a single "MMIC" and it is actually possible to integrate several cells on a single "MMIC" of larger dimensions.

Les avantages spécifiques à cette topologie sont identiques à ceux rappelés pour les cellules 3×3.The advantages specific to this topology are identical to those mentioned for 3 × 3 cells.

De ce fait, il est également possible de compenser simplement les erreurs sur les valeurs de capacités réellement obtenues par rapport aux valeurs nominales calculées en remplaçant ces capacités par une capacité fixe C' en parallèle sur un transistor Tr de type MESFET.Therefore, it is also possible to simply compensate for errors on the capacity values actually obtained compared to the values nominal calculated by replacing these capacities by a fixed capacity C 'in parallel on a transistor T r of MESFET type.

On va maintenant décrire des exemples d'implantation physique de conformateurs de faisceaux hexagonaux selon l'invention.We will now describe examples of physical implantation of hexagonal beam shapers according to the invention.

Dans des exemples de réalisation pratique, il y lieu de distinguer trois cas d'implantation selon la complexité des circuits du conformateur de faisceaux hexagonal conforme à l'invention.In examples of practical implementation, it is necessary to distinguish three cases of implantation according to the complexity of the circuits of the hexagonal beam former in accordance with the invention.

On peut effectuer la distinction entre des dimensions qui seront appelées "normales", "grandes" et "très grandes", ce dernier cas constituant le cas le plus général.A distinction can be made between dimensions which will be called "normal", "large" and "very large", the latter being the most general case.

Cette distinction est liée essentiellement aux possibilités d'intégration plus ou moins importantes permises par les technologies mises en oeuvre.This distinction is essentially linked to the more or less significant possibilities of integration allowed by the technologies used.

En outre, comme il a été indiqué, si on recourt au mode de réalisation préféré des cellules de bases (voir figures 10 et 14), on peut augmenter le taux d'intégration dans de grandes proportions.In addition, as indicated, if the preferred embodiment of the basic cells is used (see FIGS. 10 and 14), the integration rate can be increased in large proportions.

La figure 15 illustre un premier exemple d'implantation pour un conformateur de faible complexité (dimensions "normales ), pour lequel les cellules de base ont été intégrées sur des "MMICs" uniques. Cet exemple correspond à un conformateur de faisceaux hexagonal CFH de dimensions 27×27, tel que décrit par la figure 5. On a conservé les mêmes références pour en désigner les éléments.FIG. 15 illustrates a first example of layout for a low complexity shaper ("normal" dimensions), for which the basic cells have been integrated on single "MMICs". This example corresponds to a CFH hexagonal beam shaper of dimensions 27 × 27, as described in FIG. 5. The same references have been kept to designate the elements thereof.

Le conformateur de faisceaux hexagonal CFH est implanté en "2D", c'est-à-dire sur un plan, par exemple une carte de circuit imprimé PCB. Il comporte trois couches de "MMICs" regroupant, respectivement, les cellules 4, les cellules 11 à 33 de la première rangée et les cellules 14 à 36 de la troisième rangée. Les lignes d'interconnexion des ensembles 4a et CLC1 à CLC3 sont réalisées en technologie multicouche. Des exemples de réalisation pratique seront détaillés ci-après.The CFH hexagonal beam former is installed in "2D", that is to say on a plane, for example a printed circuit board PCB. It comprises three layers of "MMICs" grouping, respectively, cells 4, cells 11 to 33 of the first row and cells 14 to 36 of the third row. The interconnection lines of assemblies 4a and CLC 1 to CLC 3 are produced in multilayer technology. Examples of practical implementation will be detailed below.

En réalité cette approche pourrait être appliquée à des conformateurs plus complexes, de dimensions allant jusqu'à typiquement 144×144. La masse et les dimensions seraient alors réduites à leur strict minimum ; de l'ordre des centaines de grammes pour la masse et de la taille d'un circuit imprimé standard.In reality this approach could be applied to more complex conformers, of dimensions up to typically 144 × 144. The mass and dimensions would then be reduced to their strict minimum; in the order of hundreds of grams for the mass and size of a standard printed circuit.

La figure 16 illustre un exemple d'implantation physique d'un conformateur de faisceaux hexagonal CFH selon l'invention de plus grandes dimensions : deuxième cas évoqué ci-dessus. Pour fixer les idées et pour ne pas compliquer à l'excès la description, on reprendra, comme précédemment, l'exemple du conformateur du faisceaux hexagonal CFH de dimensions 27×27 décrit en en regard de la figure 5. On supposera cependant que l'on ne peut intégrer toutes les cellules d'un niveau sur un seul "MMIC".FIG. 16 illustrates an example of physical layout of a CFH hexagonal beam former according to the invention of larger dimensions: second case mentioned above. To fix the ideas and not to overly complicate the description, we will resume, as before, the example of the CFH 27 × 27 hexagonal beam conformator described in with reference to FIG. 5. It will however be assumed that it is not possible to integrate all the cells of a level on a single "MMIC".

Les liaisons entre les deux couches de circuits : jeu 4, d'une part, et jeux 1 à 3, d'autre part, peuvent être réalisées simplement à l'aide de connecteurs, référencés C1 à C3. Dans l'exemple de réalisation illustré sur cette figure 16, les cellules de bases, 41 à 49, de la première couche de circuits sont disposées sur autant de supports plans (plaquettes de circuits imprimés par exemple), tous parallèles entre eux. Un exemple de réalisation sera détaillé ci-après, en relation avec la description de la figure 18. Les trois jeux, 1 à 3, composant la seconde couche de circuits, sont disposés chacun sur un support, également plan. Ces trois plans sont disposés à angle droit avec les plans formés par les supports des cellules 41 à 49. Comme il a été indiqué, les premières sorties de toutes les cellules du jeu 4, sont reliées, uniquement, aux entrées du jeu 1, les deuxièmes sorties aux entrées du jeu 2 et les troisièmes sorties aux entrées du jeu 3. Il est donc aisé de réaliser dans ces circonstances le cheminement de liaison reliant la première couche de circuits (jeu 4) à la seconde couche de circuits (jeux 1 à 3), puisque les supports respectifs sont dans des plans orthogonaux. De façon pratiques les connecteurs C1 à C3 peuvent être rendus solidaires des supports des cellules 41 à 49. Il suffit alors d'enficher les trois supports des jeux 1 à 3 dans ces connecteurs. Aucun croisement de liaisons n'est nécessaire.The connections between the two layers of circuits: set 4, on the one hand, and sets 1 to 3, on the other hand, can be carried out simply using connectors, referenced C 1 to C 3 . In the embodiment illustrated in this FIG. 16, the base cells, 41 to 49, of the first layer of circuits are arranged on as many flat supports (printed circuit boards for example), all parallel to one another. An exemplary embodiment will be detailed below, in relation to the description of FIG. 18. The three sets, 1 to 3, making up the second layer of circuits, are each arranged on a support, also flat. These three planes are arranged at right angles to the planes formed by the supports of cells 41 to 49. As indicated, the first outputs of all the cells in set 4, are connected, only, to the inputs of set 1, the second outputs at the inputs of game 2 and the third outputs at the inputs of game 3. It is therefore easy to carry out in these circumstances the connection path connecting the first layer of circuits (set 4) to the second layer of circuits (sets 1 to 3), since the respective supports are in orthogonal planes. In practical terms, the connectors C 1 to C 3 can be made integral with the supports of the cells 41 to 49. It then suffices to insert the three supports of the sets 1 to 3 in these connectors. No link crossing is necessary.

Enfin la figure 17 illustre un exemple d'implantation d'un conformateur de faisceaux hexagonal de très grandes dimensions. Pour fixer les idées et pour ne pas compliquer à l'excès la description, on reprendra, comme précédemment, l'exemple du conformateur du faisceaux hexagonal CFH de dimensions 48×48 décrit en regard de la figure 11. On supposera cependant que l'on ne peut intégrer toutes les cellules d'un niveau sur un seul "MMIC".Finally, FIG. 17 illustrates an example of installation of a very large hexagonal beam former. To fix the ideas and not to overly complicate the description, we will resume, as previously, the example of the CFH 48 × 48 hexagonal beam shaping machine described with reference to FIG. 11. It will however be assumed that the you cannot integrate all the cells of a level on a single "MMIC".

L'implantation mécanique de ce conformateur de faisceaux hexagonal CFH', de dimensions 48×48, ne peut plus s'effectuer aussi simplement que dans le cas d'un conformateur moins complexe (comme celui décrit en regard de la figure 16 par exemple, dont on a repris les conventions pour les références).The mechanical installation of this CFH 'hexagonal beam shaper, of dimensions 48 × 48, can no longer be carried out as simply as in the case of a less complex shaper (such as that described with reference to FIG. 16 for example, from which we have used the conventions for references).

L'assemblage est réalisé sur les faces d'un support S en forme de cube. Les seize modules "DFT" 4×4 peuvent être regroupés sur une première face S1 de ce cube et réarrangés sous la forme d'une matrice comportant 4 lignes et 4 colonnes de modules : 51a-54a, 51b-54b, 51c-54c et 51d-54d, respectivement. Chaque module comporte trois connexions entrées, dont deux seulement, e' 1 et e' 48 , pour l'ensemble des modules ont été repérées pour ne pas surcharger inutilement la figure.The assembly is carried out on the faces of a cube-shaped support S. The sixteen 4 × 4 "DFT" modules can be grouped on a first side S 1 of this cube and rearranged in the form of a matrix comprising 4 rows and 4 columns of modules: 51a-54a, 51b-54b, 51c-54c and 51d-54d, respectively. Each module has three input connections, only two of which, e ' 1 and e' 48 , for all the modules have been identified so as not to overload the figure unnecessarily.

Les trois jeux 7, 8 et 9 de la seconde couche de circuits sont disposés, pour leur part, sur trois faces du cube, par exemple la face supérieure (sur la figure) S2, la face S3, opposée à la face S1, et la face inférieure S4.The three sets 7, 8 and 9 of the second layer of circuits are arranged, for their part, on three faces of the cube, for example the upper face (in the figure) S 2 , the face S 3 , opposite the face S 1 , and the underside S 4 .

De façon avantageuse, ces faces sont munies de quatre connecteurs, parallèles entre eux, dans lesquels vont venir s'enficher des plaquettes de forme parallélépipèdique rectangle, supports des modules 71-74, 81-84 et 91-94, pour les jeux 7, 8 et 9, respectivement. Pour ne pas surcharger inutilement la figure, seul l'assemblage de la face S2 a été repéré et détaillé (jeu 7). Il doit cependant être clair que cet assemblage se répète de façon similaire sur les faces S3 et S4, pour les jeux 8 et 9.Advantageously, these faces are provided with four connectors, parallel to each other, in which will be inserted plates of rectangular parallelepiped shape, supports for modules 71-74, 81-84 and 91-94, for games 7, 8 and 9, respectively. In order not to unnecessarily overload the figure, only the assembly of the face S 2 has been identified and detailed (set 7). It should however be clear that this assembly is repeated in a similar manner on the faces S 3 and S 4 , for games 8 and 9.

Les connecteurs fixés à la face S2 sont repérés C71 à C74. Dans chacun de ces connecteurs on insère une plaquette, support des modules 71 à 74, respectivement. Le cheminement des liaisons (79, 89 et 99) interconnectant la première rangée de modules à la seconde rangée de module permet de réaliser physiquement ce cheminement de façon très simple. Il suffit de réaliser ces modules (par exemple, les modules 75 à 78) également sous la forme de plaquettes. On rend solidaires quatre rangées de connecteurs, C75 à C78, des plaquettes-modules 71 à 74, ce sur les côtés opposés aux connecteurs C71 à C74. En outre, comme illustré par la figure, les connecteurs C75 à C78 sont parallèles entre eux et orthogonaux aux connecteurs C71 à C74. Dans chacun de ces connecteurs est entichée une des plaquettes, 75 à 78, respectivement. Comme il a été signalé, cet arrangement se répète pour les jeux 8 et 9, disposés sur les faces S3 et S4. Chaque module comporte quatre connexions de sortie, dont une seule, El' 1 , pour l'ensemble des modules a été repérée pour ne pas surcharger inutilement la figure.The connectors fixed to the face S 2 are marked C 71 to C 74 . In each of these connectors a plate is inserted, supporting the modules 71 to 74, respectively. The routing of the links (79, 89 and 99) interconnecting the first row of modules to the second row of modules makes it possible to physically carry out this routing in a very simple manner. It suffices to produce these modules (for example, modules 75 to 78) also in the form of plates. Four rows of connectors, C 75 to C 78 , of module modules 71 to 74 are made integral, on the sides opposite to the connectors C 71 to C 74 . In addition, as illustrated in the figure, the connectors C 75 to C 78 are mutually parallel and orthogonal to the connectors C 71 to C 74 . In each of these connectors is one of the plates, 75 to 78, respectively. As noted, this arrangement is repeated for games 8 and 9, arranged on the sides S 3 and S 4 . Each module has four output connections, of which only one, El ' 1 , for all the modules has been identified so as not to overload the figure unnecessarily.

Le cheminement 6 de connexions entre les sorties des modules 51a à 54d du jeu 5, d'une part, et les entrées des modules de la première rangée des autres jeux, d'autre part, étant plus complexe que dans le cas illustré par la figure 5, ces liaisons ne peuvent plus être réalisées simplement à l'aide de connecteurs. Les seize modules 51a à 54d comportant au total 48 sorties (quatre par modules), les liaisons 6 entre la face S1 et les trois autres faces pourront être réalisées, par exemple, à l'aide de 48 câbles coaxiaux. Le faisceau sortant 60 de 48 câbles se divise en trois sous-faisceaux de 16 câbles : 61, 62 et 63, distribués aux entrées des modules des jeux 7, 8 et 9, respectivement. Naturellement comme il est bien connu de l'Homme de métier, ces câbles devront être adaptés en phase et en pertes d'insertion. On choisira en outre les matériaux constitutifs de manière à ce qu'ils présentent une bonne stabilité en température.The routing 6 of connections between the outputs of the modules 51a to 54d of the set 5, on the one hand, and the inputs of the modules of the first row of the other sets, on the other hand, being more complex than in the case illustrated by the Figure 5, these connections can no longer be made simply using connectors. The sixteen modules 51a to 54d comprising a total of 48 outputs (four per module), the connections 6 between the face S 1 and the three other faces can be produced, for example, using 48 coaxial cables. The outgoing bundle 60 of 48 cables is divided into three sub-bundles of 16 cables: 61, 62 and 63, distributed at the inputs of the modules of sets 7, 8 and 9, respectively. Naturally, as is well known to those skilled in the art, these cables will have to be adapted in phase and in insertion loss. We will also choose the constituent materials so that they have good temperature stability.

Cette implantation matérielle peut être étendue à des conformateurs de faisceaux plus complexes. Au fur et mesure que les dimensions de ceux-ci deviennent plus importantes, on peut utiliser les deux faces libres du cube. Lorsque la complexité augmente encore, on peut utiliser, non plus un cube, mais une structure de forme polyédrique. Naturellement, la structure des cellules de base constituant les modules évolue également avec la complexité du conformateur de faisceaux hexagonal.This material layout can be extended to more complex beam shapers. As the dimensions of these become larger, we can use the two free faces of the cube. When the complexity increases further, we can use, not a cube, but a polyhedral structure. Naturally, the structure of the basic cells constituting the modules also changes with the complexity of the hexagonal beam former.

En résumé, on doit bien comprendre que la structure matérielle du conformateur de faisceaux hexagonal, représentée sur la figure 16 (de dimensions 27×27 dans l'exemple illustré), est un cas particulier que l'on peut qualifier de "limite" par rapport à la structure plus générale représentée sur la figure 17. En effet, on peut prétende, dans ce cas particulier, que la structure porteuse a pu être réduite à sa plus simple expression, c'est-à-dire à un plan. Les connecteurs C1 à C3 jouent un rôle similaire au rôle joué par les connecteurs C74 à C78. Il n'est plus utile d'avoir recourt à un faisceau de câbles coaxiaux, les liaisons entre les cellules de la première couche de circuits (4) et la seconde couche de circuits (1 à 3) pouvant s'effectuer directement. Les modules des deuxième et troisième niveaux ont été, du fait de la faible complexité des circuits, disposés sur une seule plaquette, ce qui a permis de supprimer l'assemblage à l'aide de connecteurs entre ces modules comme dans le cas du conformateur de dimensions 48×48 qui vient d'être décrit (figure 17).In summary, it should be clearly understood that the material structure of the hexagonal beam former, shown in FIG. 16 (of dimensions 27 × 27 in the example illustrated), is a particular case which can be described as "limit" by compared to the more general structure shown in Figure 17. Indeed, it can be argued, in this particular case, that the supporting structure could have been reduced to its simplest expression, that is to say to a plane. The connectors C 1 to C 3 play a role similar to the role played by the connectors C 74 to C 78 . It is no longer useful to have recourse to a bundle of coaxial cables, the connections between the cells of the first layer of circuits (4) and the second layer of circuits (1 to 3) being able to take place directly. The modules of the second and third levels were, due to the low complexity of the circuits, arranged on a single wafer, which made it possible to eliminate the assembly using connectors between these modules as in the case of the shaper of dimensions 48 × 48 which has just been described (FIG. 17).

Pour des raisons de standardisation, une structure cubique, voire polyédrique, aurait d'ailleurs pu être utilisée pour implanter mécaniquement le conformateur de faisceaux hexagonal, de dimensions 27×27. Dans ce cas, les modules 41 à 43 (jeu 4 : figure 5) seraient disposés sur la face S1 et les modules des jeux 1 à 3 (figure 5) sur les faces S2 à S3, respectivement. De la même façon, les deuxième et troisième niveaux auraient pu être dissociés. Les interconnexions s'effectueraient alors en faisant appel à des connecteurs jouant un rôle similaire aux connecteurs C71 à C78. Les interconnexions entre les modules du jeu 4 est les autres modules pourraient alors s'effectuer, également, en faisant appel à des câbles coaxiaux. On constate cependant que cette structure, tout en restant conforme à l'enseignement de l'invention, serait cependant plus complexe que celle décrite en regard de la figure 16.For reasons of standardization, a cubic or even polyhedral structure could also have been used to mechanically implant the hexagonal beam shaper, of dimensions 27 × 27. In this case, the modules 41 to 43 (set 4: FIG. 5) would be arranged on the face S 1 and the modules of the sets 1 to 3 (FIG. 5) on the faces S 2 to S 3 , respectively. Likewise, the second and third levels could have been separated. The interconnections would then be made using connectors playing a role similar to connectors C 71 to C 78 . The interconnections between the modules of the set 4 and the other modules could then be carried out, also, by using coaxial cables. However, it can be seen that this structure, while remaining consistent with the teaching of the invention, would however be more complex than that described with regard to FIG. 16.

De façon générale, un conformateur de faisceaux hexagonal avec N t =R×N 2 entrées, R et N étant des nombres entiers, est constitué de la façon suivante, en mettant en oeuvre une structure polyédrique :

  • a) Une rangée de N 2 cellules "DFT" unidimensionnelles d'ordre R×R. Cette rangée est disposée sur une des faces de la structure polyédrique précitée. Ces cellules peuvent naturellement être réarrangées sur cette face selon une organisation matricielle lignes/colonnes comme il ressort de la figure 12. Chaque cellule peut être réalisée sous forme de modules comprenant un ou plusieurs "MMIC" sur AsGa (voir figures 7 ou 11, par exemple).
  • b) R jeux indépendants de cellules "DFT" unidimensionnelles, chacun comprenant deux rangées (deuxième et troisième niveaux) de N cellules, chacune d'ordre N×N. Chacun de ces R jeux indépendants est disposé sur une des faces restantes de la structure polyédrique. En outre, chacun de ces jeux est implanté sous la forme d'un empilement de modules à deux étages. Le premier étage est constitué des N cellules de la première rangée, chacun étant enfiché dans un connecteur supporté par la face précitée. Le deuxième étage est constitué des N modules de la seconde rangée, chacun étant enfiché dans un connecteur supporté par les modules de la seconde rangée, les connecteurs des premier et second étages étant disposés orthogonalement entre eux comme illustré sur la figure 17.
In general, a hexagonal beam former with N t = R × N 2 inputs, R and N being whole numbers, is made up as follows, using a polyhedral structure:
  • a) A row of N 2 one-dimensional "DFT" cells of order R × R. This row is arranged on one of the faces of the above-mentioned polyhedral structure. These cells can naturally be rearranged on this face according to a row / column matrix organization as shown in FIG. 12. Each cell can be produced in the form of modules comprising one or more "MMICs" on AsGa (see Figures 7 or 11, by example).
  • b) R independent sets of one-dimensional "DFT" cells, each comprising two rows (second and third level) of N cells, each of order N × N. Each of these R independent sets is arranged on one of the remaining faces of the polyhedral structure. In addition, each of these games is implemented in the form of a stack of two-stage modules. The first stage consists of the N cells of the first row, each being plugged into a connector supported by the aforementioned face. The second stage consists of the N modules of the second row, each being plugged into a connector supported by the modules of the second row, the connectors of the first and second stages being arranged orthogonally to one another as illustrated in FIG. 17.

Le matériau constituant la structure cubique, ou plus généralement polyédrique, doit servir de support. Divers matériaux peuvent être choisis. On sélectionnera un matériau léger tel que l'aluminium.The material constituting the cubic structure, or more generally polyhedral, must be used as support. Various materials can be chosen. We will select a light material such as aluminum.

Si on désire incorporer la fonction "commutation" (voir figure 6), la complexité des matrices de commutation suit les mêmes règles, comme il a été indiqué. En effet, il s'agit de matrices carrées M×M avec M = N ou M = R, selon qu'elles desservent les entrées des cellules de dimensions N×N ou R×R. If one wishes to incorporate the "switching" function (see FIG. 6), the complexity of the switching matrices follows the same rules, as indicated. Indeed, they are square matrices M × M with M = N or M = R, depending on whether they serve the inputs of cells of dimensions N × N or R × R.

Les connecteurs du deuxième étage établissent les interconnexions nécessaires entre les modules des deuxième et troisième niveaux, de façon tout à fait similaire à ce qui a été décrit en relation avec la figure 17. Les interconnexions entre les sorties des N 2 modules du premier niveau et les entrées des autres modules nécessitent N t liaisons (treillis). Elles peuvent s'effectuer, comme précédemment, à l'aide de N t câbles coaxiaux, adaptés en phase et en pertes d'insertion, et stables en température.The connectors of the second stage establish the necessary interconnections between the modules of the second and third levels, in a manner very similar to what has been described in relation to FIG. 17. The interconnections between the outputs of the N 2 modules of the first level and the inputs of the other modules require N t connections (trellis). They can be carried out, as before, using N t coaxial cables, adapted in phase and in insertion losses, and stable in temperature.

Pour les interconnexions entre le premier et le deuxième niveau, la règle générale peut s'énoncer ainsi : les sorties de rang i de chaque cellule sont connectées, chacune, à l'une des entrées de cellule du jeu indépendant de même rang ; avec i ∈ {1, R}. De même, pour les connexions entre les cellules des première et seconde rangée dans chacun des R jeux indépendants de cellules, la règle est la suivante : la sortie de rang j de chaque cellule du premier rang est connectée à une entrée de la cellule de même rang de la seconde rangée ; avec j ∈ {1, N}. Ces règles ne font que généraliser ce qui a été décrit de façon détaillée au regard des figures 5 et 11For the interconnections between the first and the second level, the general rule can be stated as follows: the outputs of rank i of each cell are each connected to one of the cell inputs of the independent game similarly rank ; with i ∈ {1, R }. Likewise, for the connections between the cells of the first and second row in each of the R independent sets of cells, the rule is as follows: the output of row j of each cell of the first row is connected to an input of the cell of the same second row rank; with j ∈ {1, N }. These rules only generalize what has been described in detail with regard to Figures 5 and 11

Enfin, si on peut encore augmenter le degré d'intégration, notamment en mettant en oeuvre de cellules 3×3 ou 4×4 implantées selon l'enseignement des figures 9 et 14, respectivement, on peut implanter l'ensemble du conformateur de faisceaux hexagonal sur une simple carte de circuit imprimé multicouche..Finally, if we can further increase the degree of integration, in particular by using 3 × 3 or 4 × 4 cells implanted according to the teaching of FIGS. 9 and 14, respectively, we can implant the whole of the beam shaper hexagonal on a simple multilayer printed circuit board.

On n'a pas considéré les déphaseurs supplémentaires entre niveaux, cependant, comme il a été indiqué, ils peuvent être intégrés dans les modules ou, pour le moins, réalisés sur les plaquettes supports de ces modules.We have not considered the additional phase shifters between levels, however, as indicated, they can be integrated into the modules or, at the very least, produced on the support plates of these modules.

En ce qui concerne le cheminement des liaisons à l'intérieur des modules, celles-ci sont difficiles à réaliser en faisant appel aux techniques dites "planar" (planes), du fait des croisements nécessaires de ces liaisons, lorsque l'on considère un seul plan.As far as the routing of the connections inside the modules is concerned, these are difficult to achieve by using the so-called "planar" techniques, due to the necessary crossings of these connections, when considering a single plan.

On peut naturellement penser à utiliser des cavaliers ou éléments similaires. Cependant cette solution conduirait à une dégradation de l'isolation radiofréquence.One can naturally think of using jumpers or similar elements. However, this solution would lead to a degradation of the radiofrequency insulation.

Pour résoudre ce problème, on peut faire appel à la technologie plane multicouche, avec des traversées radiofréquences.To solve this problem, it is possible to use planar multilayer technology, with radio frequency crossings.

La figure 18 illustre une telle disposition. On a pris comme exemple le jeu de module 1 de la figure 5. Ce jeu comprend deux rangées de trois cellules "DFT" unidimensionnelles 3×3 : 11-13 et 14-16, respectivement. On suppose qu'il est réalisé sur un seul support qui se confond avec le jeu 1 lui-même.Figure 18 illustrates such an arrangement. The set of module 1 in FIG. 5 was taken as an example. This set comprises two rows of three 3 × 3 one-dimensional "DFT" cells: 11-13 and 14-16, respectively. It is assumed that it is produced on a single support which merges with the set 1 itself.

Aucun problème ne se pose pour les entrées-sorties du jeu de modules 1, car il n'y a pas de croisements.No problem arises for the input-output of the set of modules 1, because there are no crossings.

Par contre, les liaisons entre les modules des deux rangées s'effectuent à l'aide de lignes de transmission disposées sur deux niveaux d'un diélectrique. Ce dernier sert également de support aux cellules ou modules 11 à 16. Les liaisons 110 (cellule 11 à cellule 14), 111 (cellule 11 à cellule 15), 122 (cellule 12 à cellule 15), 132 (cellule 13 à cellule 15) et 133 (cellule 13 à cellule 16) n'occupe qu'un niveau (plan supérieur). Par contre, les liaisons 112 (cellule 11 à cellule 16), 121 (cellule 12 à cellule 14), 123 (cellule 12 à cellule 16) et 131 (cellule 13 à cellule 14) occupent deux niveaux (plans supérieur et inférieur). Chacune de ces liaisons se divise en trois tronçons : 112-112'-112", 121-121'-121", 123-123'-123" et 131-131'-31", respectivement. Les lignes de transmission "inférieures" sont reliées aux lignes de transmissions "supérieures à l'aide de traversées radiofréquences : 1120-1121, 1210-1211, 1230-1231 et 1310-1311, respectivement.On the other hand, the connections between the modules of the two rows are effected by means of transmission lines arranged on two levels of a dielectric. The latter also serves as a support for cells or modules 11 to 16. The links 110 (cell 11 to cell 14), 111 (cell 11 to cell 15), 122 (cell 12 to cell 15), 132 (cell 13 to cell 15 ) and 133 (cell 13 to cell 16) occupies only one level (upper plane). On the other hand, the links 112 (cell 11 to cell 16), 121 (cell 12 to cell 14), 123 (cell 12 to cell 16) and 131 (cell 13 to cell 14) occupy two levels (upper and lower planes). Each of these links is divides into three sections: 112-112'-112 ", 121-121'-121", 123-123'-123 "and 131-131'-31", respectively. The "lower" transmission lines are connected to the "upper" transmission lines using radio frequency feed-throughs: 1120-1121, 1210-1211, 1230-1231 and 1310-1311, respectively.

Le matériau diélectrique, compte-tenu de la gamme de fréquences mise en oeuvre est du type dit substrats "doux" ("soft"). Plus précisément, le matériau utilisé peut être, par exemple, du Téflon, chargé ou non en céramique, ou de l'alumine.The dielectric material, taking into account the frequency range used, is of the type known as "soft" substrates. More specifically, the material used can be, for example, Teflon, loaded or not with ceramic, or alumina.

Comme il est bien connu, des éléments ou circuits d'adaptation peuvent être nécessaires à proximité des traversées radiofréquences.As is well known, adaptation elements or circuits may be necessary near the radio frequency crossings.

Différentes variantes technologiques peuvent être mises en oeuvre.Different technological variants can be implemented.

Une de ces variantes est illustrée par la figure 19. On recourt à des lignes du type ruban ("stripline"), en film épais ou mince selon l'application précise et les méthodes de fabrication mises en jeu. L'élément représenté, en coupe, sur cette figure comprend trois plans de masse métalliques parallèles PM1, PM2 et PM3 et, entre ces plans de masses, deux couches, D1 et D2, formant supports, en matériau diélectrique. Deux lignes rubans métalliques, une ligne supérieure L1 et une ligne inférieure L2, sont enterrées dans les supports diélectriques, respectivement dans D1 et D2. Aux endroits où une interconnexion doit être réalisée entre les lignes L1 et L2, on prévoit une traversée radiofréquence TR1 sous la forme d'un trou métallisé. Naturellement, un orifice de plus grand diamètre, ou de façon plus générale de plus grandes dimensions, est réalisé dans le plan de masse intermédiaire M2. Ce dernier joue le rôle d'écran radioélectrique entre les deux lignes L1 et L2. Cette disposition assure donc un très haut niveau d'isolation radiofréquence.One of these variants is illustrated in FIG. 19. Ribbon-type lines ("stripline") are used, in thick or thin film depending on the precise application and the manufacturing methods involved. The element shown, in section, in this figure comprises three parallel metallic ground planes PM 1 , PM 2 and PM 3 and, between these ground planes, two layers, D 1 and D 2 , forming supports, of dielectric material. Two metallic ribbon lines, an upper line L 1 and a lower line L 2 , are buried in the dielectric supports, respectively in D 1 and D 2 . At the places where an interconnection must be made between the lines L 1 and L 2 , provision is made for a radiofrequency crossing TR 1 in the form of a metallized hole. Naturally, an orifice of larger diameter, or more generally of larger dimensions, is produced in the intermediate ground plane M 2 . The latter plays the role of radio screen between the two lines L 1 and L 2 . This arrangement therefore ensures a very high level of radiofrequency insulation.

Une autre solution, non illustrée, consisterait à prévoir une ligne guide d'onde sur un niveau et une ligne ruban sur l'autre. Cette solution offre un minimum de complexité, cependant l'isolation radiofréquence n'est pas aussi importante que celle offerte par les lignes rubans. On peut quand même atteindre un degré d'isolation suffisant en augmentant l'épaisseur du diélectrique.Another solution, not illustrated, would be to provide a waveguide line on one level and a ribbon line on the other. This solution offers a minimum of complexity, however the radiofrequency insulation is not as important as that offered by the ribbon lines. However, a sufficient degree of insulation can be achieved by increasing the thickness of the dielectric.

D'autres solutions sont encore possibles. Dans tous les cas, pour réaliser le cheminement de liaisons d'interconnexions, deux niveaux de lignes de transmission sont nécessaires, avec un bon niveau d'isolation radiofréquence entre lignes et de faibles pertes aux traversées. En fonction des gammes de fréquences considérées, on fera appel à des technologies de films minces ou épais, à des substrats en matériaux flexibles ou en céramique, à des traversées radiofréquences du type trous métallisés ou broches ("pins").Other solutions are still possible. In all cases, to carry out the interconnection link routing, two levels of transmission lines are necessary, with a good level of radiofrequency isolation between lines and low losses at crossings. Depending on the frequency ranges considered, thin or thick film technologies, substrates made of flexible materials or ceramic, with radiofrequency feedthroughs such as metallized holes or pins ("pins").

Enfin, lorsque la complexité devient très importante, il est nécessaire de faire appel à d'autres solutions : connecteurs, câbles coaxiaux, etc., comme il a été explicité en regard de la figure 17.Finally, when complexity becomes very important, it is necessary to call on other solutions: connectors, coaxial cables, etc., as explained with reference to FIG. 17.

La masse du conformateur de faisceaux hexagonal, pour le cas d'une antenne à grille de forme hexagonale, peut être estimée comme suit : Masse = (N r ×M r ) + (N n ×M n ) + (N t ×M c )

Figure imgb0045
   relation dans laquelle :

  • N r est le nombre de modules de base R×R ;
  • M r est la masse de chacun de ces modules, incluant les boîtiers et les connecteurs ;
  • N n est le nombre de modules de base N×N ;
  • M n est la masse de chacun de ces modules, incluant les boîtiers et les connecteurs ;
  • N t est le nombre total d'entrées du conformateur de faisceau hexagonal ;
  • M c est la masse d'un câble coaxial, incluant les connecteurs d'extrémité.
The mass of the hexagonal beam former, for a hexagonal grid antenna, can be estimated as follows: Mass = (N r × M r ) + (N not × M not ) + (N t × M vs )
Figure imgb0045
relationship in which:
  • N r is the number of basic modules R × R ;
  • M r is the mass of each of these modules, including the boxes and connectors;
  • N n is the number of basic modules N × N;
  • M n is the mass of each of these modules, including the boxes and connectors;
  • N t is the total number of inputs of the hexagonal beam former;
  • M c is the mass of a coaxial cable, including the end connectors.

Pour fixer les idées, dans le cas d'un conformateur de faisceaux hexagonal, de dimensions 48×48, implanté comme illustré par la figure 17, avec R = 3 et N = 4, utilisant la technologie proposée, et avec les estimations suivantes : M r = 25 g, M n = 35 g et M c = 20 g, la masse totale serait d'environ 2,2 Kg.To fix the ideas, in the case of a hexagonal beam former, of dimensions 48 × 48, implanted as illustrated in figure 17, with R = 3 and N = 4, using the proposed technology, and with the following estimates: M r = 25 g, M n = 35 g and M c = 20 g, the total mass would be around 2.2 Kg.

La masse par noeud "BFN" (de l'anglo-saxon "BeamForming Network" ou Réseau Conformateur de faisceaux) est inférieure à 1 g. Le nombre de noeuds est défini comme étant le produit du nombre de faisceaux par le nombre d'éléments rayonnants. Dans l'art connu, un rapport de 10 g par noeud est couramment admis comme rapport de référence lorsque l'on effectue des estimations de masse totale pour des réseaux conformateurs de faisceaux radiofréquences, en ayant recours aux technologies habituelles du domaine.The mass per node "BFN" (from the Anglo-Saxon "BeamForming Network") is less than 1 g. The number of nodes is defined as the product of the number of beams by the number of radiating elements. In the known art, a ratio of 10 g per node is commonly accepted as a reference ratio when total mass estimates are made for conforming networks of radiofrequency beams, using the usual technologies in the field.

L'architecture de l'invention permet donc une diminution de la masse totale dans un rapport d'environ 1 à 10.The architecture of the invention therefore allows a reduction in the total mass in a ratio of about 1 to 10.

Il doit être clair que l'invention n'est pas limitée aux seuls exemples de réalisations précisément décrits, notamment en relation avec les figures 2 à 19. Notamment, l'intégration des cellules de base en modules peut s'effectuer en ayant recours à d'autres technologies. Les interconnexions peuvent s'effectuer également, comme il a été montré, en faisant appel à diverses technologies : multicouches, câbles coaxiaux, etc.
commander des réseaux d'une antenne à grille de forme triangulaire, qui ne nécessitent pas d'être contigus ni d'être hexagonaux en périphérie.
It should be clear that the invention is not limited only to the examples of embodiments precisely described, in particular in relation to FIGS. 2 to 19. In particular, the integration of the basic cells into modules can be carried out by using other technologies. Interconnections can also be carried out, as has been shown, by using various technologies: multilayers, coaxial cables, etc.
order networks of a triangular-shaped grid antenna, which do not need to be contiguous or to be hexagonal at the periphery.

Enfin, il est possible d'interposer, entre le réseau conformateur de faisceau et les éléments rayonnants de l'invention, des moyens de pondération en amplitude classiques, y compris le cas spécial de la pondération à zéro (pour les éléments rayonnants absents), ce qui permet d'obtenir très simplement des formes de faisceaux à recouvrement important.Finally, it is possible to interpose, between the beam shaping network and the radiating elements of the invention, conventional amplitude weighting means, including the special case of zero weighting (for the radiating elements absent), which allows to obtain very simply beam forms with significant overlap.

Bien que particulièrement adaptée à des applications spatiales, on ne saurait cantonner l'invention à ce seul type d'applications. Elle s'applique à toutes antennes radiofréquence du type antenne réseau à commande de phase pour la génération de faisceaux multiples.Although particularly suitable for space applications, the invention cannot be confined to this single type of application. It applies to all radio frequency antennas of the network antenna type with phase control for the generation of multiple beams.

Claims (22)

Réseau conformateur de faisceaux (CFH, CFH') pour antenne radiofréquence comprenant un nombre déterminé d'éléments rayonnants (El 1 à El 27 ) pour la génération de faisceaux multiples, ledit réseau conformateur (CFH, CFH') comprenant un nombre déterminé d'entrées de signaux (e 1 à e 27 ), un nombre de sorties de signaux de commande des éléments rayonnants (El 1 à El 27 ) égal audit nombre prédéterminé d'entrées de signaux(e 1 à e 27 ) et effectuant sur les signaux d'entrées une transformée discrète de Fourier hexagonale bidimensionnelle, caractérisé en ce que ledit nombre prédéterminé d'entrées et de sorties étant égal à N t , avec N t = R×N 2 , R et N étant des nombres entiers, les circuits composant ledit réseau conformateur de faisceaux (CFH, CFH") sont divisés en des premières et secondes couches de circuits effectuant, respectivement, une transformée discrète de Fourier unidimensionnelle de lignes et une transformée discrète de Fourier unidimensionnelle de colonnes ; en ce que la première couche de circuits est constituée d'une rangée (4, 5) de N 2 cellules (41 à 49, 51a à 54d) munies chacune de R entrées et de R sorties, chaque cellule recevant un signal présent sur l'une desdites N t entrées et effectuant, sur les signaux présents sur ses R entrées, une transformée discrète de Fourier unidimensionnelle ; en ce que la seconde couche de circuits est constituée de R jeux indépendants (1 à 3, 7 à 9) de cellules, munies chacune de N entrées et N sorties, chaque jeu comportant une première (11 à 13, 22 à 23 31 à 33 ; 71 à 74, 81 à 84, 91 à 94) et une seconde rangée (14 à 16, 24 à 26, 34 à 36 ; 75 à 78, 85 à 88, 95 à 98) de N cellules, chaque cellule effectuant, sur les signaux présents sur ses N entrées, une transformée discrète de Fourier unidimensionnelle ; chacune des sorties des cellules de ladite seconde rangée commandant un desdits éléments rayonnants ; en ce que lesdites première et seconde couches de circuits sont reliées par un premier ensemble d'interconnexions (4a, 6), établissant des connexions entre les sorties des cellules de ladite rangée de N 2 cellules et les entrées des N cellules de la première rangée des R jeux indépendants de cellules ; les sorties de rang i de chaque cellule étant connectées, chacune, à l'une des entrées de cellule du jeu indépendant de même rang ; avec i ∈ {1, R}; et en ce que lesdites première et seconde rangées de cellules de chacun desdits R jeux indépendants sont reliées par un second ensemble d'interconnexions (CLC1 à CLC3, 79, 89 99), établissant des connexions entre les sorties des N cellules de la première rangée et les entrées des N cellules de la seconde rangée ; la sortie de rang j de chaque cellule du premier rang étant connectée à une entrée de la cellule de même rang de la seconde rangée ; avec j ∈ {1, N}. Beam shaping network (CFH, CFH ') for radiofrequency antenna comprising a determined number of radiating elements ( El 1 to El 27 ) for the generation of multiple beams, said shaping network (CFH, CFH') comprising a determined number of signal inputs ( e 1 to e 27 ), a number of radiating element control signal outputs ( El 1 to El 27 ) equal to said predetermined number of signal inputs ( e 1 to e 27 ) and effecting on the signals of inputs a discrete two-dimensional hexagonal Fourier transform, characterized in that said predetermined number of inputs and outputs being equal to N t , with N t = R × N 2 , R and N being whole numbers, the component circuits said beam shaping network (CFH, CFH ") are divided into first and second layers of circuits performing, respectively, a one-dimensional discrete Fourier transform of lines and a discrete Fouri transform one-dimensional columns; in that the first layer of circuits consists of a row (4, 5) of N 2 cells (41 to 49, 51a to 54d) each provided with R inputs and R outputs, each cell receiving a signal present on the one of said N t inputs and effecting, on the signals present on its R inputs, a discrete one-dimensional Fourier transform; in that the second layer of circuits consists of R independent sets (1 to 3, 7 to 9) of cells, each provided with N inputs and N outputs, each set comprising a first (11 to 13, 22 to 23 31 to 33; 71 to 74, 81 to 84, 91 to 94) and a second row (14 to 16, 24 to 26, 34 to 36; 75 to 78, 85 to 88, 95 to 98) of N cells, each cell performing , on the signals present on its N inputs, a discrete one-dimensional Fourier transform; each of the outputs of the cells of said second row controlling one of said radiating elements; in that said first and second circuit layers are connected by a first set of interconnections (4a, 6), establishing connections between the outputs of the cells of said row of N 2 cells and the inputs of N cells of the first row R independent sets of cells; the outputs of rank i of each cell being connected, each, to one of the cell inputs of the independent game of the same rank; with i ∈ {1, R }; and in that said first and second rows of cells of each of said R independent sets are connected by a second set of interconnections (CLC 1 to CLC 3 , 79, 89 99), establishing connections between the outputs of the N cells of the first row and the entries of the N cells of the second row; the output of row j of each cell of the first row being connected to an input of the cell of the same rank of the second row; with j ∈ {1, N }. Réseau (CFH') selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des matrices de circuits de commutation de faisceaux, et en ce que ces circuits sont divisés en une première couche (Co1) disposée entre lesdites entrées de signaux en nombre déterminé (e1-e27) et ladite première couche de circuits (4) de N 2 cellules, en une deuxième couche (Co2) disposée entre les sorties dudit premier ensemble d'interconnexions (4a, 6) et les cellules (11 à 33) de la première rangée desdits R jeux indépendants, et une troisième couche (Co3) disposée entre les sorties dudit second ensemble d'interconnexions (CLC1 à CLC3) et les cellules (14 à 36) de la seconde rangée desdits R jeux indépendants.Network (CFH ') according to claim 1, characterized in that it further comprises arrays of beam switching circuits, and in that these circuits are divided into a first layer (Co 1 ) disposed between said signal inputs determined number (e 1 -e 27 ) and said first layer of circuits (4) of N 2 cells, in a second layer (Co 2 ) disposed between the outputs of said first set of interconnections (4a, 6) and the cells (11 to 33) of the first row of said R independent sets, and a third layer (Co 3 ) disposed between the outputs of said second set of interconnections (CLC 1 to CLC 3 ) and the cells (14 to 36) of the second row of said R independent games. Réseau (CFH') selon la revendication 2, caractérisé en ce que les matrices de commutation sont des matrices carrées, en ce que les matrices de commutation de la première couche (Co1) sont de dimension R×R, et en ce que les matrices des deuxième et troisième couches sont des matrices de dimensions N×N. Network (CFH ') according to claim 2, characterized in that the switching matrices are square matrices, in that the switching matrices of the first layer (Co 1 ) are of dimension R × R, and in that the matrices of the second and third layers are matrices of dimensions N × N. Réseau (CFH) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, N t étant égal à 27, N étant égal à 3 et R étant égal à 3, toutes les cellules (41 à 49, 11 à 36) effectuant la Transformée de Fourier Discrète unidimensionnelle sont identiques et comprennent 3 entrées et 3 sorties.Network (CFH) according to any one of claims 1 to 3, characterized in that, N t being equal to 27, N being equal to 3 and R being equal to 3, all the cells (41 to 49, 11 to 36 ) performing the one-dimensional Discrete Fourier Transform are identical and include 3 inputs and 3 outputs. Réseau (CFH") selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que N t étant égal à 48, N étant égal à 4 et R étant égal à 3, toutes les cellules (51a à 54d) effectuant la Transformée de Fourier Discrète unidimensionnelle de ladite rangée (5) de N 2 cellules sont identiques et comprennent 3 entrées et 3 sorties et en ce que toutes les cellules (71 à 98) effectuant la Transformée de Fourier Discrète unidimensionnelle des premières et secondes rangées desdits R jeux indépendants (7, 8, 9) sont identiques et comprennent 4 entrées et 4 sorties.Network (CFH ") according to any one of claims 1 to 3, characterized in that N t being equal to 48, N being equal to 4 and R being equal to 3, all the cells (51a to 54d) performing the Transform Discrete Fourier of said row (5) of N 2 cells are identical and include 3 inputs and 3 outputs and in that all cells (71 to 98) performing the Unidimensional Discrete Fourier Transform of the first and second rows of said R games independent (7, 8, 9) are identical and include 4 inputs and 4 outputs. Réseau (CFH, CFH', CFH") selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdites cellules effectuant une transformée de Fourier Discrète sont réalisées sous la forme d'au moins une puce de circuit intégré monolithique hyperfréquence en Arséniure de Gallium.Network (CFH, CFH ', CFH ") according to any one of claims 1 to 5, characterized in that said cells performing a discrete Fourier transform are produced in the form of at least one microwave monolithic integrated circuit chip in Gallium arsenide. Réseau (CFH, CFH', CFH") selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdites puces sont des circuits passifs en technologie hybride à base de capacités et d'inductances à constantes localisées en bandes de fréquences L ou S.Network (CFH, CFH ', CFH ") according to claim 6, characterized in that said chips are passive circuits in hybrid technology based on capacitors and inductors with constants located in L or S frequency bands. Réseau (CFH, CFH', CFH") selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdites cellules (11, 71) étant de dimensions X×X, avec X entier égal à N ou à R, ces cellules sont réalisées en reliant chaque entrée (I1 à I4) à une sortie de même rang (O1 à O4) par une inductance (L) de valeur déterminée, en reliant chaque entrée (I1 à I4) aux [X-1] autres entrées (I1 à I4) par une inductance (L) de la même valeur déterminée, en reliant chaque sortie (O1 à O4) aux [X-1] autres sorties (O1 à O4) par une inductance (L) de la même valeur déterminée, et en reliant chaque entrée (I1 à I4) et chaque sortie (O1 à O4) au potentiel de la terre (Ma) par des capacités (C) d'une même première valeur déterminée.Network (CFH, CFH ', CFH ") according to claim 7, characterized in that said cells (11, 71) being of dimensions X × X , with X integer equal to N or to R , these cells are produced by connecting each input (I 1 to I 4 ) to an output of the same rank (O 1 to O 4 ) by an inductance (L) of determined value, by connecting each input (I 1 to I 4 ) to the [X-1] other inputs (I 1 to I 4 ) by an inductor (L) of the same determined value, by connecting each output (O 1 to O 4 ) to the [X-1] other outputs (O 1 to O 4 ) by an inductor (L ) of the same determined value, and by connecting each input (I 1 to I 4 ) and each output (O 1 to O 4 ) to the earth potential (M a ) by capacitors (C) of the same first value determined. Réseau (CFH, CFH', CFH") selon la revendication 8, caractérisé en ce que en ce que chaque capacité (C) est constituée d'une capacité fixe (C') d'une seconde de valeur déterminée inférieure à ladite première valeur déterminée en parallèle sur un transistor de type MESFET (Tr), dont la grille (G) est reliée à ladite capacité fixe (C') et le source et le drain sont reliés au potentiel de la terre (Ma) de manière à former une capacité variable, et en ce qu'une tension de commande (Vc) est appliquée sur la grille (G) de manière à modifier la valeur de la capacité composite formée par ladite capacité fixe (C') et ledit transistor (Tr) de manière à obtenir ladite première valeur déterminée.Network (CFH, CFH ', CFH ") according to claim 8, characterized in that each capacity (C) consists of a fixed capacity (C') of a second of determined value less than said first value determined in parallel on a MESFET type transistor (T r ), the gate (G) of which is connected to said fixed capacitance (C ') and the source and drain of which are connected to the earth potential (M a ) so as to form a variable capacitance, and in that a control voltage (V c ) is applied to the gate (G) so as to modify the value of the composite capacitance formed by said fixed capacitance (C ') and said transistor (T r ) so as to obtain said first determined value. Réseau (CFH, CFH', CFH") selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite tension de commande (Vc) est unique et appliquée à toutes les cellules.Network (CFH, CFH ', CFH ") according to claim 9, characterized in that said control voltage (V c ) is unique and applied to all cells. Réseau (CFH, CFH', CFH") selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que lesdites puces sont implantées sur des substrats en matériau diélectrique et en ce que les interconnexions (111 à 133) entre puces sont réalisées par des lignes de transmissions multicouches, les connexions entre couches étant réalisées par des traversées radiofréquences (1120 à 1231).Network (CFH, CFH ', CFH ") according to any one of claims 6 to 10, characterized in that said chips are implanted on substrates of dielectric material and in that the interconnections (111 to 133) between chips are made by multilayer transmission lines, the connections between layers being made by radio frequency crossings (1120 to 1231). Réseau (CFH, CFH', CFH") selon la revendication 11, caractérisé en ce que lesdites lignes de transmission (L1, L2) sont réalisées sous la forme de lignes microrubans comprenant des premier et second plans de masse métalliques externes (M1 et M3), un plan de masse intermédiaire (M2) disposé entre les premier et second plan de masse métalliques et formant écran entre lesdites lignes de transmission (L1, L2), en ce que les trois plans (M1 à M3) sont parallèles entre eux, en ce que le volume compris entre ceux-ci et le plan intermédiaire est remplis d'un matériau diélectrique (D1, D2), en ce que lesdites lignes de transmission sont constituées de rubans métalliques (L1, L2) noyés dans les matériaux diélectriques (D1, D2) et disposés parallèlement auxdits plans (M1 à M3), et en ce que les interconnexions entre ces lignes sont réalisées par des trous métallisés formant traversée radiofréquence (Tr1), ledit plan intermédiaire (M2) comportant des ouvertures (Tr2) de section plus importante que la section de ces traversées, de manière à laisser libre passage auxdites traversées (Tr1).Network (CFH, CFH ', CFH ") according to claim 11, characterized in that said transmission lines (L 1 , L 2 ) are produced in the form of microstrip lines comprising first and second external metallic ground planes (M 1 and M 3 ), an intermediate ground plane (M 2 ) disposed between the first and second metallic ground plane and forming a screen between said transmission lines (L 1 , L 2 ), in that the three planes (M 1 to M 3 ) are parallel to each other, in that the volume between these and the intermediate plane is filled with a dielectric material (D 1 , D 2 ), in that said transmission lines consist of metallic ribbons (L 1 , L 2 ) embedded in the dielectric materials (D 1 , D 2 ) and arranged parallel to said planes (M 1 to M 3 ), and in that the interconnections between these lines are made by metallized holes forming radiofrequency crossing (Tr 1 ), said intermediate plane (M 2 ) having openings (Tr 2 ) of larger section than the section of these crossings, so as to allow free passage to said crossings (Tr 1 ). Structure pour l'implantation mécanique d'un réseau (CFH) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que, lesdites cellules étant réalisées sous forme de puces de circuits intégrés monolithiques hyperfréquence, elles sont implantées sur une carte de circuit imprimé multicouche (PCB), et en ce que lesdits premiers et second ensembles d'interconnexions (CLC1 à CLC3) sont implantés sous la formes de lignes de transmission multicouches sur ladite carte de circuits imprimé (PCB).Structure for the mechanical implantation of a network (CFH) according to any one of Claims 1 to 12, characterized in that, the said cells being produced in the form of monolithic microwave integrated circuit chips, they are implanted on a multilayer printed circuit (PCB), and in that said first and second sets of interconnections (CLC 1 to CLC 3 ) are installed in the form of multilayer transmission lines on said printed circuit board (PCB). Structure pour l'implantation mécanique d'un réseau (CFH") selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce qu'elle comprend un bâti (S) se présentant sous la forme d'un polyèdre, en ce que les cellules (51a à 51b) ladite rangée (5) de N 2 cellules sont disposées sur une première face (S1) dudit polyèdre (S) et en ce que chacun desdits R jeux indépendants (7, 8, 9) est disposé sur les R faces restantes (S2, S3, S4) dudit polyèdre (S).Structure for the mechanical implantation of a network (CFH ") according to any one of claims 1 to 12, characterized in that it comprises a frame (S) in the form of a polyhedron, in that the cells (51a to 51b) said row (5) of N 2 cells are arranged on a first face (S 1 ) of said polyhedron (S) and in that each of said R independent sets (7, 8, 9) is arranged on the remaining R faces (S 2 , S 3 , S 4 ) of said polyhedron (S). Structure selon la revendication 14, caractérisée en ce que lesdites N 2 cellules sont disposées sur ladite première face du polyèdre (S) selon une configuration matricielle de N colonnes et de N lignes.Structure according to claim 14, characterized in that said N 2 cells are arranged on said first face of the polyhedron (S) according to a matrix configuration of N columns and N rows. Structure selon les revendications 14 ou 15, caractérisée en ce que les cellules des première (71 à 74) et seconde (75 à 78) rangées desdits R jeux indépendants (7) étant réalisées sous forme de puces de circuits intégrés monolithiques hyperfréquence, chaque cellule (71 à 74, 75 à 78) est disposée sur un substrat plan de forme parallélépipèdique rectangle, en ce que les faces (S2 à S4) sur lesquelles sont disposés ces R jeux sont munies chacune d'un premier ensemble de N connecteurs (C71 à C74), parallèles entre eux, dans chacun desquels viennent s'enficher un desdits substrats plans supportant une cellule (71 à 74) de la première rangée, de manière à constituer, avec N t lignes de connexion supplémentaires, ledit premier ensemble d'interconnexions (6), établissant des connexions entre les sorties des cellules de ladite rangée de N 2 cellules et les entrées des N cellules de la première rangée des R jeux indépendants de cellules, en ce que ces substrats supportent, du côté opposé au côté d'insertion dans les connecteurs (C71 à C74), un second ensemble de N connecteurs (C75 à C78), ces connecteurs étant parallèles entre eux et orthogonaux aux connecteurs (C71 à C74) dudit premier ensemble, de manière à constituer lesdits seconds ensemble d'interconnexions (79), établissant des connexions directes entre les sorties des N cellules de la première rangée et les entrées des N cellules de la seconde rangée.Structure according to Claims 14 or 15, characterized in that the cells of the first (71 to 74) and second (75 to 78) rows of said R independent sets (7) being produced in the form of monolithic microwave integrated circuit chips, each cell (71 to 74, 75 to 78) is arranged on a flat substrate of rectangular parallelepiped shape, in that the faces (S 2 to S 4 ) on which these R games are arranged are each provided with a first set of N connectors (C 71 to C 74 ), mutually parallel, in each of which is plugged one of said planar substrates supporting a cell (71 to 74) of the first row, so as to constitute, with N t additional connection lines, said first set of interconnections (6), establishing connections between the outputs of the cells of said row of N 2 cells and the inputs of N cells of the first row of R independent sets of cells, in that these s ubstrates support, on the side opposite the insertion side in the connectors (C 71 to C 74 ), a second set of N connectors (C 75 to C 78 ), these connectors being parallel to each other and orthogonal to the connectors (C 71 to C 74 ) of said first set, so as to constitute said second set of interconnections (79), establishing direct connections between the outputs of the N cells of the first row and the inputs of the N cells of the second row. Structure selon la revendication 16, caractérisée en ce que lesdites N t lignes de connexions supplémentaires sont constituées par des câbles coaxiaux (60), dont une première extrémité est connectée à l'une des sorties des cellules de ladite rangée (5) de N 2 cellules (51a à 54d) et la seconde extrémité à l'une des entrées des N cellules (71 à 74, 81 à 84, 91 à 94) des premières rangées desdits R jeux indépendants (7, 8, 9), via l'un desdits connecteurs du premier ensemble (C71 à C74), supporté par l'une des faces (S2 à S3) dudit polyèdre (S).Structure according to claim 16, characterized in that said N t additional connection lines are formed by coaxial cables (60), a first end of which is connected to one of the outputs of the cells of said row (5) of N 2 cells (51a to 54d) and the second end at one of the inputs of the N cells (71 to 74, 81 to 84, 91 to 94) of the first rows of said R independent sets (7, 8, 9), via the one of said connectors of the first set (C 71 to C 74 ), supported by one of the faces (S 2 to S 3 ) of said polyhedron (S). Structure selon l'une quelconque des revendications 14 à 17, caractérisée en ce que, R étant inférieur ou égal à 5, ladite structure (S) est un cube.Structure according to any one of Claims 14 to 17, characterized in that, R being less than or equal to 5, said structure (S) is a cube. Structure pour l'implantation mécanique d'un réseau (CFH) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 ou 5 à 13, caractérisée en ce que, N t étant égal à 27, N étant égal à 3 et R étant égal à 3, les cellules étant réalisées sous forme de puces de circuits intégrés monolithiques hyperfréquence, chaque cellule de ladite rangée de N 2 cellules (42 à 48) est disposée sur un substrat plan indépendant, de forme parallélépipédique rectangle, ces N substrats plans étant parallèles entre eux, en ce que les cellules de chacun desdits R jeux indépendants (1, 2, 3), sont disposées sur un substrat plan commun, de forme parallélépipèdique rectangle, ces R substrats plans étant parallèles entre eux, en ce que lesdits N substrats plans sont disposés orthogonalement auxdits R substrats plans, et en ce que lesdits N substrats plans supportent sur l'un de leur côté R connecteurs (C1, C2, C3) dans chacun desquels vient s'enficher l'un desdits R substrats plans de manière à former ledit premier ensemble de liaisons.Structure for the mechanical installation of a network (CFH) according to any one of claims 1 to 4 or 5 to 13, characterized in that, N t being equal to 27, N being equal to 3 and R being equal to 3, the cells being produced in the form of monolithic microwave integrated circuit chips, each cell of said row of N 2 cells (42 to 48) is arranged on an independent flat substrate, of rectangular parallelepiped shape, these N flat substrates being parallel between them, in that the cells of each of said R independent sets (1, 2, 3), are arranged on a common planar substrate, of rectangular parallelepiped shape, these R planar substrates being parallel to each other, in that said N planar substrates are arranged orthogonally to said R flat substrates, and in that said N flat substrates support on one of their side R connectors (C 1 , C 2 , C 3 ) in each of which is plugged one of said R substrates planes so as to form said first set of connections. Structure selon la revendication 19, caractérisée en ce que le dit second ensemble de liaisons est réalisé par des lignes de transmission multicouches (111 à 133) entre cellules des première (11 à 13, 21 à 23, 31 à 33) et seconde (14 à 16, 24 à 26, 34 à 36) rangées desdits R jeux indépendants (1, 2, 3), les connexions entre couches étant réalisées par des traversées radiofréquences (1120 à 1231).Structure according to claim 19, characterized in that said second set of connections is produced by multilayer transmission lines (111 to 133) between cells of the first (11 to 13, 21 to 23, 31 to 33) and second (14 to 16, 24 to 26, 34 to 36) rows of said R independent sets (1, 2, 3), the connections between layers being made by radiofrequency crossings (1120 to 1231). Application d'un réseau (CFH, CFH', CFH") selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 à la commande d'antennes radiofréquences du type réseau à commande de phase pour la génération de faisceaux multiples.Application of a network (CFH, CFH ', CFH ") according to any one of claims 1 to 13 to the control of radio frequency antennas of the network type with phase control for the generation of multiple beams. Application selon la revendication 21, caractérisée en ce que les éléments rayonnants (El 1 à El 27 ) de ladite antenne sont disposés sur une grille hexagonale et en ce que l'antenne est embarquée sur un satellite.Application according to claim 21, characterized in that the radiating elements ( El 1 to El 27 ) of said antenna are arranged on a hexagonal grid and in that the antenna is carried on a satellite.
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