EP0952624A1 - Electronic multibeam sweep antenna - Google Patents
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
- H01Q3/44—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the electric or magnetic characteristics of reflecting, refracting, or diffracting devices associated with the radiating element
- H01Q3/46—Active lenses or reflecting arrays
Definitions
- the present invention relates to a multibeam electronic scanning antenna. It is particularly applicable for antennas with phase control only in the context for example of communications by satellite or terrestrial requiring simultaneous communication with several variable sites.
- Telecommunication demands are constantly increasing.
- users, soldiers, professional civilians or individuals are demanding increasingly lower costs.
- telecommunications equipment must be very profitable.
- the main advantages of the invention are that it adapts to antennas already made, that it applies to all types of electronically scanned antennas, that it allows a large number of beams to be created simultaneously for the same antenna and that it is simple to implement.
- f ij (x, y) e j ( ⁇ xi + ⁇ yj - ⁇ sp ij + ⁇ 0 )
- ⁇ t ij the total phase equal to ⁇ xi + ⁇ yj - ⁇ sp ij + ⁇ 0 .
- ⁇ tq ij E ( ⁇ t ij / q) ⁇ q
- E ( ⁇ t ij / q) is the integer part of ⁇ t ij / q, q being equal to 2 ⁇ / 2 N.
- ⁇ b1 2 ⁇ (i dx ⁇ sin ⁇ b1 cos ⁇ b1 + j dy ⁇ sin ⁇ b1 sin ⁇ b1 )
- ⁇ b2 2 ⁇ (i dx ⁇ sin ⁇ b2 cos ⁇ b2 + j dy ⁇ sin ⁇ b2 sin ⁇ b2 )
- a phase shift antenna only can therefore be used.
- FIG. 2 illustrates such an approximation in the case of the formation of two beams in directions ⁇ 1 , ⁇ 2 taken in the Oxz plane defined above.
- the ordinate axis represents values A (x) homogeneous to an amplitude modulation as a function of the coordinates taken on the x axis.
- a first sinusoidal curve 21 represents the amplitude modulation A (x) to be applied according to the relation (12).
- the amplitude modulation as represented by curve 21 is according to the invention approached by an amplitude modulation with two states, 1 and -1, represented by a curve 22.
- This modulation with two states has the same period of variation Tx than the previous sinusoidal modulation. It is also of the same sign. In other words, when the function A (x) is positive, the approximation function is equal to 1, and when the function A (x) is negative, the approximation function is equal to - 1. It is it should be noted that the approximation function of the sinusoidal phase modulation A (x) has the same period Tx as the latter, which in particular makes it possible to preserve the information relating to the targeted directions contained in the period Tx, and allows n '' result in no loss of earnings.
- the excitation law f ij applied to each phase shifter D ij is calculated by summing the phase laws ⁇ 1 , ⁇ 2 , ... ⁇ k , ... ⁇ N associated respectively with each direction of order 1, 2, ... k, ... N, according to the preceding relation (14) and by applying the resulting phase shift ⁇ t ij on the phase shifter, without applying the amplitude modulation resulting ⁇ ij .
- -2 ⁇ r ij ⁇ k + ⁇ 0k is a corrective term which only applies in the case of a reflector antenna according to FIG. 1 for example, ⁇ 0k which can be applied to any antenna. Since the reflector 1 is planar and the radiation emitted by the source is spherical, it must be taken into account that not all phase shifters receive this radiation at the same time. This is the term -2 ⁇ r ij ⁇ k which represents the delay linked to the phase shifter D ij and in fact corresponds to the phase shift ⁇ sp ij from the previous relation (4), where r ij is the distance from the source 3 to the phase shifter D ij from the reflective plane. ⁇ 0k represents the phase of the radiation emitted, at the origin O of the reflective plane, and corresponds to the phase shift ⁇ 0 of the relation (5).
- r k a weighting coefficient r k .
- this coefficient is used for determining the phase law applied to a phase shifter D ij , but, as before, the resulting modulation is not actually applied since there is no modulation d amplitude at phase shifters.
- the experiments carried out by the Applicant have indeed shown that several beams could be obtained from the phase law calculated in this way for each phase shifter, without applying amplitude modulation.
- a possible application is for example the formation of a difference channel in one direction and of a sum channel in another direction in order to carry out in particular a removal of angular ambiguity.
- the scanning could be carried out in the plane Ox, Oz as defined previously in a direction ⁇ 1 for the difference channel and in a direction ⁇ 2 for the sum channel.
- r2 being a normalization coefficient which makes it possible to emit the same power in both directions and r 1 is a coefficient which makes it possible to obtain a difference channel in the first direction, r 1 being in fact equal to ⁇ 1 ⁇ 2 .
- FIG. 1 presents an application with a reflector antenna, but it is of course possible to apply the invention to all types of antenna with electronic scanning with phase control only, with active modules or not. Moreover, the invention can a fortiori apply to antennas which are additionally controllable in amplitude. Nor does the network of phase shifters have to be planar.
- phase shifters By way of example, reference has been made to discrete phase shifters, with N bits, but the invention also applies to phase shifters controlled continuously.
- the invention makes it possible to adapt to antennas already produced since it only plays on the phase laws applied to the phase shifters of the antennas. It is also not necessary to make hardware adaptations, the invention is in particular thereby simple to implement. It suffices simply to integrate the laws calculated according to the invention into the control means of the phase shifters. It is also possible to create a large number of beams simultaneously, for example up to several tens, in particular if the number of phase shifters is large, with or without different frequencies.
- An exemplary embodiment of the invention has been presented for a single source reflector antenna, in particular consisting of a horn.
- the invention can however be applied for a reflector antenna with several sources, by associating for example one or two directions per primary source.
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
- Aerials With Secondary Devices (AREA)
Abstract
Description
La présente invention concerne une antenne à balayage électronique à multifaisceaux. Elle s'applique notamment pour des antennes à commande de phase uniquement dans le cadre par exemple de communications par satellites ou terrestres nécessitant une communication simultanée avec plusieurs sites variables.The present invention relates to a multibeam electronic scanning antenna. It is particularly applicable for antennas with phase control only in the context for example of communications by satellite or terrestrial requiring simultaneous communication with several variable sites.
Les demandes de télécommunication augmentent sans cesse. Par ailleurs les utilisateurs, militaires, civils professionnels ou particuliers exigent des coûts de plus en plus réduits. Pour répondre à ces exigences, les matériels de télécommunication doivent être très rentables. A cet effet, il est intéressant d'utiliser des antennes à plusieurs faisceaux qui permettent d'émettre ou de recevoir simultanément dans plusieurs directions différentes, par ailleurs non figées à l'avance. Ainsi, il est avantageux pour un satellite de communication de pouvoir communiquer avec plusieurs stations à la fois, variables en nombre et en position, à partir d'une même antenne. Il en est de même pour des radiocommunications terrestres dans le cas par exemple où plusieurs sites mobiles d'un même réseau peuvent communiquer entre eux simultanément.Telecommunication demands are constantly increasing. In addition, users, soldiers, professional civilians or individuals are demanding increasingly lower costs. To meet these requirements, telecommunications equipment must be very profitable. To this end, it is advantageous to use antennas with several beams which make it possible to transmit or receive simultaneously in several different directions, moreover not fixed in advance. Thus, it is advantageous for a communication satellite to be able to communicate with several stations at the same time, variable in number and in position, from the same antenna. It is the same for terrestrial radiocommunications in the case for example where several mobile sites of the same network can communicate with each other simultaneously.
Il est connu de réaliser des antennes à balayage électronique multifaisceaux, mais ces antennes sont actives, c'est-à-dire qu'elles ne comportent pas simplement des déphaseurs mais des modules actifs commandables en phase mais aussi en modulation d'amplitude, plus particulièrement en modulation de la puissance émise par module. Or, une antenne à modules actifs est coûteuse.It is known to produce multibeam electronic scanning antennas, but these antennas are active, that is to say that they do not simply comprise phase shifters but active modules controllable in phase but also in amplitude modulation, more particularly in modulation of the power emitted by module. However, an antenna with active modules is expensive.
L'invention permet de réaliser une antenne à balayage électronique multifaisceaux non pourvue de modules actifs, c'est-à-dire à commande de phase uniquement, une telle antenne étant plus économique. A cet effet, l'invention a pour objet une antenne à balayage électronique comportant un réseau de déphaseurs Dij caractérisée en ce que N faisceaux simultanés sont obtenus dans N directions indépendantes par une loi d'excitation fij appliquée à chaque déphaseur Dlj qui est calculée en sommant les lois de phases ψ1, ψ2,... ψk,... ψN associées respectivement à chaque direction d'ordre 1, 2,...k,...N selon la relation :
L'invention a pour principaux avantages qu'elle s'adapte à des antennes déjà réalisées, qu'elle s'applique à tous types d'antennes à balayage électronique, qu'elle permet de créer un grand nombre de faisceaux simultanément pour une même antenne et qu'elle est simple à mettre en oeuvre.The main advantages of the invention are that it adapts to antennas already made, that it applies to all types of electronically scanned antennas, that it allows a large number of beams to be created simultaneously for the same antenna and that it is simple to implement.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent :
- la figure 1, un exemple d'antenne à balayage électronique à réflecteur où l'invention peut être appliquée ;
- la figure 2, une approximation d'une modulation d'amplitude par une modulation à deux états, dans le cas d'une antenne à deux faisceaux.
- Figure 1, an example of an electronic scanning antenna reflector where the invention can be applied;
- FIG. 2, an approximation of an amplitude modulation by a two-state modulation, in the case of a two-beam antenna.
La figure 1 présente un exemple d'antenne à balayage électronique, comportant un réflecteur. Dans ce type d'antenne, une source primaire éclaire le réflecteur qui focalise l'énergie reçue dans une direction désirée, la variation de direction s'effectuant par commande du réflecteur. Le réflecteur 1 comporte par exemple un réseau de N×M déphaseurs élémentaires 2, plus particulièrement N déphaseurs selon un premier axe x et M déphaseurs selon un deuxième axe y, par exemple orthogonal au précédent. L'antenne est par exemple à contrôle de phase, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de contrôle d'amplitude. Le réflecteur 1 de l'antenne est éclairé par un élément rayonnant 3. Cet élément rayonnant est par exemple un comet alimenté par une source primaire de façon connue de l'homme du métier. Il est placé à une distance zsp du réflecteur. En considérant l'origine de la phase par exemple au centre géométrique O du plan du réflecteur, qui est par exemple aussi l'origine des deux axes précités x, y, la loi de phase ψ théorique à appliquer à un déphaseur Dij pour pointer un faisceau d'émission obtenu, dans une direction de balayage (θb, ϕb) s'écrit selon les relations suivantes :
- Dij est le déphaseur d'ordre i selon l'axe x et d'ordre j selon l'axe y, i et j étant des entiers relatifs de sorte que deux déphaseurs disposés sur une même droite, parallèle à un des deux axes x, y, mais dont le segment est coupé par un de ces deux axes, qui passent par l'origine O, ont des ordres de signes opposés;
- dx et dy sont respectivement les distances selon les axes x et y, entre les centres de deux déphaseurs contigus ;
- z étant l'axe perpendiculaire aux deux axes précédents x, y, alors θb est l'angle de la direction de pointage du faisceau vu de l'origine O, par rapport à l'axe z, dans le plan O, x, z et ϕb est l'angle de la projection sur le plan O, x, y de la direction de pointage du faisceau vu de l'origine O, par rapport à l'axe x, dans le plan O, y, y , en d'autres termes, θb est l'angle entre la direction de balayage et l'axe Oz et ϕb est l'angle entre la direction de balayage projetée dans le plan O, x, y et l'axe Ox ;
- λ est la longueur de l'onde émise.
- D ij is the phase shifter of order i along the x axis and of order j along the y axis, i and j being relative integers such that two phase shifters arranged on the same straight line, parallel to one of the two axes x , y, but whose segment is cut by one of these two axes, which pass through the origin O, have orders of opposite signs;
- d x and d y are respectively the distances along the axes x and y, between the centers of two contiguous phase shifters;
- z being the axis perpendicular to the two previous axes x, y, then θ b is the angle of the beam pointing direction seen from the origin O, with respect to the z axis, in the plane O, x, z and ϕ b is the angle of the projection on the plane O, x, y of the pointing direction of the beam seen from the origin O, with respect to the x axis, in the plane O, y, y, in other words, θ b is the angle between the scanning direction and the Oz axis and ϕ b is the angle between the scanning direction projected in the plane O, x, y and the Ox axis;
- λ is the length of the emitted wave.
Il faut ajouter à cette phase théorique Ψ, l'opposée de la phase du rayonnement de la source primaire de l'élément rayonnant 3 qui éclaire le réflecteur 1, pour focaliser l'énergie dans la direction de balayage désirée (θb, ϕb). Dans le cas d'une source primaire, située à la distance zsp précitée, zsp étant en fait les coordonnées d'un point représentatif de cette source dans le repère O, x, y, z précédemment défini, il vient, en notant Ψsp la phase de rayonnement de la source primaire 3 :
La relation (4) montre que cette phase Ψsp
Ainsi, l'excitation théorique fij(x, y) associée à un déphaseur Dij pour former un lobe dans une direction donnée (θb, ϕb) est donnée par la relation suivante :
En pratique, les déphaseurs étant par exemple commandés selon N bits, la vraie phase appliquée à un déphaseur Dij est la phase Ψtqij quantifiée au pas du déphaseur q = 2π/2N. En notant Ψtij la phase totale égale à Ψxi + Ψyj -Ψsp
Pour illustrer le fonctionnement en multifaisceaux, un exemple d'émission de deux faisceaux aux mêmes fréquences est d'abord présenté, les deux faisceaux étant dirigés dans des directions (θb1,ϕb1) et (θb2, ϕb2) définies avec les mêmes conventions que précédemment pour la direction (θb, ϕb). Conformément aux relations (1) à (3), les phases Ψb1, et Ψb2 associées à ces deux directions sont données par les relations suivantes :
En tenant compte de la phase -Ψsp
En application des relations (7), (8) et (9) précédentes, l'excitation fij peut également s'écrire selon la relation suivante :
La loi de phase à appliquer aux déphaseurs de l'antenne, pour former les deux faisceaux, est la phase quantifiée :
Ainsi, selon la relation (10), pour former plusieurs faisceaux, il ne suffit pas d'appliquer la loi de phase linéaire
Or, dans le cas d'une antenne à commande de phase uniquement, il n'est pas possible d'agir sur l'amplitude. Dans le cas par exemple de la formation de deux faisceaux, l'invention permet de réaliser une approximation de l'amplitude sinusoïdale selon la relation (12) en une modulation d'amplitude à deux états +1 et -1, ce qui revient en réalité à prendre un module ρij =
La figure 2 illustre une telle approximation dans le cas de la formation de deux faisceaux dans des directions θ1, θ2 prises dans le plan Oxz défini précédemment. L'axe des ordonnées représente des valeurs A(x) homogènes à une modulation d'amplitude en fonction des coordonnées prises sur l'axe x. Une première courbe sinusoïdale 21 représente la modulation d'amplitude A(x) à appliquer selon la relation (12). Pour x = 0, la fonction A(x) est maximale et égale à 2 quand Ψ1 = Ψ2, selon la relation (12), ce qui se vérifie puisque les phases à l'origine des comets, en cas d'utilisation de ces derniers, sont identiques. La période de variation Tx est donnée par la relation suivante :
La modulation d'amplitude telle que représentée par la courbe 21 est selon l'invention approchée par une modulation d'amplitude à deux états, 1 et -1, représentée par une courbe 22. Cette modulation à deux états présente la même période de variation Tx que la modulation sinusoïdale précédente. Elle est aussi de même signe. En d'autres termes, lorsque la fonction A(x) est positive, la fonction d'approximation est égale à 1, et lorsque la fonction A(x) est négative, la fonction d'approximation est égale à - 1. Il est à noter que la fonction d'approximation de la modulation de phase sinusoïdale A(x) présente la même période Tx que cette dernière, ce qui permet notamment de conserver l'information relative aux directions visées contenue dans la période Tx, et permet de n'entraîner aucune perte de gain.The amplitude modulation as represented by
Pour former N faisceaux à la même fréquence dans N directions indépendantes, il suffit de quantifier ou non la phase déduite de l'expression de l'excitation fij liée aux déphaseurs et définie par la relation suivante, pour un déphaseur Dij :
Par extrapolation du cas à deux faisceaux, les expériences menées par la Déposante ont en en effet montré que seul le déphasage Ψtij peut être appliqué, sans appliquer la modulation d'amplitude ρij, c'est-à-dire en prenant ρij = 1. En d'autres termes, selon l'invention, la loi d'excitation fij appliquée à chaque déphaseur Dij est calculée en sommant les lois de phases Ψ1, Ψ2,... Ψk,... ΨN associées respectivement à chaque direction d'ordre 1, 2,...k,...N, selon la relation (14) précédente et en appliquant le déphasage résultant Ψtij sur le déphaseur, sans appliquer la modulation d'amplitude résultante ρij.By extrapolation of the case with two beams, the experiments carried out by the Applicant have indeed shown that only the phase shift Ψt ij can be applied, without applying the amplitude modulation ρ ij , that is to say by taking ρ ij = 1. In other words, according to the invention, the excitation law f ij applied to each phase shifter D ij is calculated by summing the phase laws Ψ 1 , Ψ 2 , ... Ψ k , ... Ψ N associated respectively with each direction of
Pour former N faisceaux à N fréquences différentes, il suffit de quantifier ou non la phase déduite de la relation (14) mais avec une phase Ψk, associée à une kième direction, qui vérifie, relativement à un déphaseur Dij, la relation (15) suivante :
La phase quantifiée à appliquer au déphaseur reste la phase Ψtqij= E(Ψtij /q)× q.The quantified phase to be applied to the phase shifter remains the phase Ψtq ij = E (Ψt ij / q) × q.
Pour obtenir des faisceaux de directions et de caractéristiques données, il est possible d'associer à chaque lobe ou faisceau d'ordre k un coefficient rk de pondération. Selon l'invention, ce coefficient est utilisé pour la détermination de la loi de phase appliquée à un déphaseur Dij, mais, comme précédemment, la modulation résultante n'est pas appliquée en réalité puisqu'il n'y a pas de modulation d'amplitude au niveau des déphaseurs. Les expériences réalisées par la Déposante ont en effet montré que plusieurs faisceaux pouvaient être obtenus à partir de la loi de phase calculée de la sorte pour chaque déphaseur, sans appliquer la modulation d'amplitude.To obtain beams of given directions and characteristics, it is possible to associate with each lobe or beam of order k a weighting coefficient r k . According to the invention, this coefficient is used for determining the phase law applied to a phase shifter D ij , but, as before, the resulting modulation is not actually applied since there is no modulation d amplitude at phase shifters. The experiments carried out by the Applicant have indeed shown that several beams could be obtained from the phase law calculated in this way for each phase shifter, without applying amplitude modulation.
La loi d'excitation fij d'un déphaseur est alors déterminée selon la relation suivante :
Une application possible est par exemple la formation d'une voie différence dans une direction et d'une voie somme dans une autre direction pour effectuer notamment une levée d'ambiguïté angulaire. Dans ce cas, le balayage pourrait s'effectuer dans le plan Ox, Oz tel que défini précédemment dans une direction θ1 pour la voie différence et dans une direction θ2 pour la voie somme. Dans le cas par exemple où l'antenne n'est pas à réflecteur, c'est-à-dire notamment que les déphasages Ψsp et Ψ0 sont nuls, et en application des relations (7) et (8), il vient pour les lois de phase Ψ1 et Ψ2:
Les coefficients r1 et r2 précédents peuvent alors être donnés par les relations suivantes :
r2 étant un coefficient de normalisation qui permet d'émettre la même puissance dans les deux directions et r1 est un coefficient qui permet d'obtenir une voie différence dans la première direction, r1 étant en fait égal à
La figure 1 présente une application avec une antenne à réflecteur, mais il est bien sûr possible d'appliquer l'invention à tous types d'antennes à balayage électronique à commande de phase uniquement, à modules actifs ou non. D'ailleurs, l'invention peut a fortiori s'appliquer à des antennes qui sont en plus commandables en amplitude. Il n'est pas nécessaire non plus que le réseau de déphaseurs soit plan.FIG. 1 presents an application with a reflector antenna, but it is of course possible to apply the invention to all types of antenna with electronic scanning with phase control only, with active modules or not. Moreover, the invention can a fortiori apply to antennas which are additionally controllable in amplitude. Nor does the network of phase shifters have to be planar.
A titre d'exemple, il a été fait référence à des déphaseurs discrets, à N bits, mais l'invention s'applique aussi pour des déphaseurs commandés continûment. L'invention permet de s'adapter à des antennes déjà réalisées puisqu'elle ne joue que sur les lois de phases appliquées aux déphaseurs des antennes. Il n'est pas non plus nécessaire de faire d'adaptations matérielles, l'invention est notamment de ce fait simple à mettre en oeuvre. Il suffit simplement d'intégrer dans les moyens de commande des déphaseurs les lois calculées selon l'invention. Il est par ailleurs possible de créer un grand nombre de faisceaux simultanément, par exemple jusqu'à plusieurs dizaines, notamment si le nombre de déphaseurs est grand, avec ou non des fréquences différentes.By way of example, reference has been made to discrete phase shifters, with N bits, but the invention also applies to phase shifters controlled continuously. The invention makes it possible to adapt to antennas already produced since it only plays on the phase laws applied to the phase shifters of the antennas. It is also not necessary to make hardware adaptations, the invention is in particular thereby simple to implement. It suffices simply to integrate the laws calculated according to the invention into the control means of the phase shifters. It is also possible to create a large number of beams simultaneously, for example up to several tens, in particular if the number of phase shifters is large, with or without different frequencies.
Un exemple de réalisation de l'invention a été présenté pour une antenne à réflecteur à une seule source, constituée notamment d'un cornet. L'invention peut cependant s'appliquer pour une antenne à réflecteur à plusieurs sources, en associant par exemple une ou deux directions par source primaire.An exemplary embodiment of the invention has been presented for a single source reflector antenna, in particular consisting of a horn. The invention can however be applied for a reflector antenna with several sources, by associating for example one or two directions per primary source.
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