EP1955405B1 - Antenne reseau a maillage irregulier et eventuelle redondance froide - Google Patents

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EP1955405B1
EP1955405B1 EP06842043.9A EP06842043A EP1955405B1 EP 1955405 B1 EP1955405 B1 EP 1955405B1 EP 06842043 A EP06842043 A EP 06842043A EP 1955405 B1 EP1955405 B1 EP 1955405B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
sub
radiating elements
arrays
array
array antenna
Prior art date
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EP06842043.9A
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German (de)
English (en)
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EP1955405A1 (fr
Inventor
Gérard Caille
Philippe Voisin
Yann Cailloce
Cécile Guiraud
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
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Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP1955405A1 publication Critical patent/EP1955405A1/fr
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Publication of EP1955405B1 publication Critical patent/EP1955405B1/fr
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/22—Antenna units of the array energised non-uniformly in amplitude or phase, e.g. tapered array or binomial array

Definitions

  • the invention relates to array antennas.
  • network antenna is understood here to mean an antenna capable of operating in transmission and / or reception and comprising a network of sub-networks of at least one radiating element and control means suitable for monitoring by means of active channel (s).
  • active channel s
  • DRA direct radiation array antennas
  • reflector array antennas or more rarely passive
  • certain array antennas such as for example direct radiation antennas with amplifiers distributed just behind the radiating elements, allow operation in multibeam mode, which is a basic property required for example in the framework of multimedia missions in Ka band (18.2 GHz to 20.2 GHz in transmission or 27.5 GHz to 30 GHz in reception), or of reconfiguring beams in flight, for example in the Ku band (10.7 GHz to 12.75 GHz in transmission or 13.75 GHz to 15.6 GHz in reception).
  • these networks have two main drawbacks. They indeed require a large number of active channels as soon as the coverage area has to be broken down into very fine beams (or “spots”) and that there is a strong insulation constraint between nearby areas in order to be able to periodically reuse a same frequency sub-band.
  • the low energy efficiency (determining criterion in transmission) of the amplifiers included in their active chains in the presence of broadband multi-carriers worsens when they are not used at their optimum power level.
  • apodization in English "to type" essential when one wants to obtain a level of secondary lobes (antenna diagrams) rather low. It is recalled that apodization is a technique consisting in putting more energy at the center of the network than at its periphery.
  • a third drawback can be added to the two main previous ones when there is a strong insulation stress between close zones due to frequency reuse. Indeed, the “soft” degradation of performance when a few active chains fail (progressively during the mission) often becomes unacceptable when the percentage of failures becomes significant. To remedy this drawback, it is certainly possible to provide a conventional redundancy of sub-networks of radiating elements, of the “2 for 1” or “3 for 2” or “10 for 8” type, but this results in a unacceptable complexity for large networks, and a significant increase in mass (particularly penalizing drawback for antennas on board satellites).
  • a substitute sub-network When a substitute sub-network is not used, it forms a transmission and / or reception hole in the network, which is taken into account during the optimization of the antenna.
  • the presence of a large number of holes in the array lowers the directivity of the antenna for a given external dimension.
  • the regular mesh of the network before the definition of the holes if one wants to obtain secondary lobes of low level (in particular to prevent the “network lobes” due to the periodicity does not interfere in the useful angular domain) one is obliged to use sub-networks of which the number of radiating elements is low, so that one can only slightly reduce the total number of sub-networks.
  • a document US 6,246,364 B1 discloses a transmit and receive antenna comprising a network of subnetworks.
  • the object of the invention is in particular to make it possible to reduce the number of sub-arrays of an array antenna, an apodization by means of amplifiers of substantially identical power (in the most suitable case of a transmission antenna), as well as a possible redundancy to overcome failures.
  • the array antenna is for direct radiation (or DRA).
  • DRA direct radiation
  • the invention is not limited to this type of network. It also relates to reflector array antennas.
  • a reflector array antenna is made up of radiating elements responsible for intercepting with minimum losses of waves, comprising radiofrequency signals to be transmitted, delivered by a primary source, in order to reflect them in a chosen direction, called direction pointing.
  • each radiating element is equipped with a phase control device with which it constitutes a passive or active phase shifting cell.
  • the array antenna is dedicated to the transmission of radiofrequency signals.
  • the invention is not limited to this case. It relates in fact to network antennas dedicated to the transmission and / or reception of radiofrequency signals.
  • MFF beam-forming module
  • All the radiating elements of an R array are generally of the same type. These are, for example, pavers (or “patches”), cones, dipoles, or helices.
  • the blocks (or patches), which are compact but not very directive elements, are preferably used in sub-networks, that is to say in (more directive) subsets made up of several patches linked by fixed lines, as is the case on the figure 5 , which we will come back to later. They therefore lend themselves particularly well to a variable arrangement with fine granularity (without excessive cost), which is one of the objectives of the present invention.
  • Each active chain Cm comprises a phase shifter Dm, responsible for applying a selected phase shift to the signals that the associated sub-network must transmit in the form of waves, and a power amplifier Am, responsible for applying a selected amplification to the phase shifted signals before be transmitted by the radiating elements concerned in the form of waves (or electromagnetic radiation).
  • a phase shifter Dm responsible for applying a selected phase shift to the signals that the associated sub-network must transmit in the form of waves
  • a power amplifier Am responsible for applying a selected amplification to the phase shifted signals before be transmitted by the radiating elements concerned in the form of waves (or electromagnetic radiation).
  • Am amplifiers are most often of the so-called SSPA (“Solid State Power Amplifier” type - solid state power amplifier delivering a power of a few Watts). More rarely, if the power to be supplied exceeds ten Watts, and a low consumption is preponderant in relation to the increase in mass, the amplifiers can be "mini-tubes" (compact version of the "Progressive Wave Tubes (or TOP)" used since long in the field of radar and satellite communication systems).
  • SSPA Solid State Power Amplifier
  • mini-tubes compact version of the "Progressive Wave Tubes (or TOP)" used since long in the field of radar and satellite communication systems.
  • the MFF beamforming module (x) can be either analog type or digital type. It is responsible for supplying the various active chains Cm with signals to be phase shifted (to simultaneously re-point all the beams, in the event of parasitic movement of the carrier of the array antenna), and to amplify (as well as possibly to filter ). In cases where it is desired that the directions of each of the beams be controllable independently, the controllable phase shifters, shown in the figure figure 1 , are also included in the beamforming module (x) MFF: there are then as many as there are beams and radiating elements.
  • phase and / or amplitude law The set of phases and amplification levels which must be applied to the signals by the various active chains Cm is called a phase and / or amplitude law.
  • This law defines a diagram (here of emission) for the antenna AR.
  • the number of different patterns that an AR antenna can generate simultaneously depends on the number of input ports Pn of the beamforming module (x) MFF.
  • Each input port Pn is in fact responsible for activating a given diagram.
  • Each (emission) diagram corresponds to the emission of a beam of waves in a given direction so as to cover an area (or spot).
  • an AR antenna can simultaneously transmit several beams corresponding to different digraphs activated by different input ports Pn (this is then referred to as multibeam operation).
  • the antenna is called “fixed beam”, often called “passive antenna”. Otherwise, the antenna is said to be reconfigurable, often called an “active antenna”, because the presence of controllable elements is almost always associated with that of amplifiers distributed over all the channels. It then understands, as illustrated on figure 1 , an EC configuration input (i.e. a wired connection with a pre-programmed control module).
  • a network antenna dedicated to reception has an arrangement similar to that of the network antenna dedicated to the transmission presented above. What differentiates them is the fact that the energy is transmitted in the opposite direction (from the radiating elements to the beamforming module (x)) via low noise amplifiers (or LNAs for ("Low Noise Amplifiers ”).
  • LNAs Low Noise Amplifiers
  • the invention relates to the particular arrangement of the array R of sub-arrays SR of radiating elements ER.
  • the subnetworks SR of the network R comprise an average number of radiating elements ER which increases from the center PC of the network R to its periphery PP (except in the case of the figure 2 , which illustrates an intermediate configuration not taking into account all the criteria), and on the other hand are arranged with respect to each other so as to constitute an irregular mesh.
  • the term “average number of radiating elements ER” is understood here to mean an average number with respect to a set of sub-networks SR located in the same region of the network R (for example a central part PC or a peripheral part PP). It is therefore not necessarily a question of having in the same region of the network R sub-networks SR whose number of radiating elements ER is systematically smaller than that of sub-networks SR located in another region of the network R , further from its center. But, this is often the case.
  • the network R comprises a central part PC in which the sub-networks SR comprise between one and three radiating elements ER, or even between one and two radiating elements ER, and a peripheral part PP surrounding the part.
  • central PC and in which the sub-networks SR include between one and fourteen radiating elements ER, or between three and fourteen elements.
  • the variation of the average number of radiating elements ER from the center PC to the periphery PP makes it possible to obtain an apodization of the illumination with a minimum of spatial variation of the power of the power amplifiers Am coupled to each sub-network.
  • SR This makes it possible to use power amplifiers Am operating with powers substantially equal (“equi-power") at +/- 1dB at three standard deviations (3 ⁇ ), for example.
  • These power amplifiers Am are thus optimized to obtain the best possible energy efficiency, while avoiding the costly case of using several types of amplifiers of different powers.
  • the irregular mesh by means of sub-arrays SR of numbers of different ER radiating elements and / or of different shapes, makes it possible to obtain diagrams of which the sidelobes are of low intensity as well as a high gain in a privileged direction (since very many holes in the network are avoided).
  • the more irregular the mesh the lower the level of the "lattice lobes". These “lattice lobes” are in fact the highest secondary lobes, due to the periodicity of the mesh of a conventional lattice.
  • This irregular mesh results for example from a distribution of the sub-networks SR of pseudo-random type under constraint (s). It is determined as a function of the specifications on the secondary lobes of the antenna, the isolation between close zones in the case of frequency reuse, and the constraint (s) on the shape of the sub-networks.
  • constraint can be envisaged, such as for example the shape (s) of the sub-networks (sub-networks with a rectangular outline are easier to achieve for example with small cones or radiating blocks), or the decomposition of the network in symmetrical quadrants.
  • the mesh is determined by means of a specialized algorithm, such as for example a genetic algorithm (based on successive draws organized in a judicious manner), a so-called “simulated annealing” algorithm, or any other type of algorithm. known to specialists in optimization of discrete variable problems.
  • a genetic algorithm based on successive draws organized in a judicious manner
  • a so-called “simulated annealing” algorithm or any other type of algorithm. known to specialists in optimization of discrete variable problems.
  • each sub-network SR is delimited by continuous lines, while the radiating elements ER of a sub-network SR are separated by dotted lines.
  • the central part PC essentially comprises sub-arrays SR whose average number of radiating elements ER is equal to two and is less than that (equal to approximately three) of the sub-arrays.
  • SR networks located in the peripheral part PP which also includes SR sub-networks of small numbers of radiating elements (two, or even just one).
  • FIG. 3 A second example of an irregular mesh network R according to the invention is illustrated.
  • all the adjacent identical symbols define radiating elements ER of the same sub-network SR, connected to an active chain Cm.
  • the central part PC comprises sub-arrays SR whose number of radiating elements ER is between one and two
  • the intermediate part PI comprises sub-arrays SR whose number of radiating elements ER is between one and three
  • the peripheral part PP comprises sub-arrays SR whose number of radiating elements ER is between one and fourteen.
  • FIG 4 A third example of a network R having both an irregular mesh and cold redundancies is illustrated.
  • all the adjacent identical symbols define radiating elements of the same sub-network, connected to an active chain Cm.
  • Each gray area represents an SRS substitution subnetwork connected to an active chain Cm called in cold redundancy.
  • the latter is described in detail in the patent document FR 2762937 . It will therefore not be re-described here. It is simply recalled that an active chain Cm is said to be in cold redundancy when it remains off (or not activated) as long as it does not have to replace one or more other active (non-redundant) chains that have failed.
  • active chains in cold redundancy simply requires integrating low level switches in the beamforming module (x) MFF.
  • active chains in cold redundancy do not lead to over-consumption since they are only supplied with power when they are used to replace at least one faulty active chain (whose supply is then cut off or by a specific command. or automatically in case of fuse protection against short-circuits).
  • the network R therefore comprises substitution subnetworks SRS and so-called main subnetworks SRP (used when their respective active chains Cm are not down).
  • SRS substitution subnetworks are located at selected locations so that transmission and / or reception can continue to be be done normally (that is to say with one or more diagrams almost unchanged).
  • the locations, shapes and numbers of the ER radiating elements of the SRS substitution subnetworks are preferably determined together with those of the main SRP subnetworks. To do this, an additional initial constraint is introduced into the calculation from the start, consisting of providing transmission and / or reception holes.
  • most of the SRS substitution subnetworks can preferably be installed in the intermediate PI and peripheral parts PP of the network R.
  • the apodization is strong because there is no hole in the central part ; but the compensation for failures occurring in the central part is only imperfect. Consequently, several options exist on the constraints that are given on the locations of the SRS substitution subnetworks, according to the relative weights assigned for the application considered to the various "quality criteria" of the antenna array to be designed. .
  • FIG. 5 A third example of an irregular mesh network R according to the invention is illustrated.
  • This example of a network is well suited to antenna arrays on board satellites (for example in telecommunications applications).
  • each geometric block (square or rectangular) represents a sub-network of at least two radiating elements ER of the compact planar type, such as for example small metal blocks (or patches). More precisely, the irregular mesh here is made up from three different types of sub-networks.
  • Each first sub-network SR1 consists of a group of four compact planar radiating elements ER.
  • Each second sub-network SR2 consists of a group of eight compact planar radiating elements ER.
  • Each third sub-network SR3 consists of a group of sixteen compact planar radiating elements ER.
  • the radiating elements ER of the same sub-network SR1, SR2 or SR3 are connected to an active chain Cm.
  • each sub-network can be formed from a stack comprising for example a structure (for example made of aluminum) defining first cavities and the channels of the various lines of excitation, then a circuit (for example in duroid or in quartz polyimide) defining so-called "director" blocks and including the distribution lines, then a structure (for example in aluminum) defining second cavities, then a circuit (for example in duroid or polyimide quartz) defining so-called “parasitic” blocks, and finally a radiation protection circuit.
  • a structure for example made of aluminum
  • a circuit for example in duroid or in quartz polyimide
  • the first sub-networks SR1 (which contain the lowest number of radiating elements ER) are placed in a central part PC of the network R
  • the second sub-networks SR2 (which contain an intermediate number of radiating elements ER) are placed in an intermediate part PI of the network R
  • the third sub-networks SR3 (which contain the largest number of radiating elements ER) are placed in a peripheral part PP of the network R.
  • first SR1, second SR2 and third SR3 sub-arrays comprising respectively 2, 4 and 8 compact planar radiating elements ER, or else 2, 8 and 16 compact planar radiating elements ER, or else 2, 8 and 32 compact planar radiating elements ER. All other values can be considered.
  • an irregular mesh can be defined from two types of sub-networks or more than three types.
  • the number of active channels of the array antenna, and therefore its cost, can be significantly reduced, compared to a conventional array antenna (that is to say with regular mesh) exhibiting substantially equivalent performance. .
  • This reduction can reach 50% in certain cases not using an active chain in cold redundancy.
  • Operation in cold redundancy requires an addition of approximately 10% of strings active in cold redundancy, so that the overall reduction becomes less than or equal to 40%.
  • it makes it possible to maintain better performance for the network antenna in the presence of failures of the main active channels.
  • the invention makes it possible to use amplifiers of substantially the same power, which further makes it possible to reduce the cost of the array antenna and to improve its energy efficiency (it is in fact recalled that in an array antenna with a mesh regular apodization requires strongly different powers).

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Description

  • L'invention concerne les antennes réseau.
  • On entend ici par « antenne réseau » une antenne pouvant fonctionner en émission et/ou en réception et comprenant un réseau de sous-réseaux d'au moins un élément rayonnant et des moyens de contrôle propres à contrôler au moyen de chaîne(s) active(s) l'amplitude et/ou la phase des signaux radiofréquences à transmettre (ou en sens inverse, reçus de l'espace sous forme d'ondes) par chacun des sous-réseaux afin qu'ils émettent (ou reçoivent) des signaux radiofréquences selon un diagramme choisi. Par conséquent, il s'agira aussi bien des antennes-réseau dites à rayonnement direct (souvent désignées par leur acronyme anglais DRA), actives ou plus rarement passives, que des « antennes réseau-réflecteur » (ou « reflectarray antennas »).
  • Comme le sait l'homme de l'art, certaines antennes réseau, comme par exemple les antennes à rayonnement direct à amplificateurs répartis juste derrière les éléments rayonnants, permettent de fonctionner en mode multifaisceaux, ce qui est une propriété de base requise par exemple dans le cadre de missions multimédia en bande Ka (18,2 GHz à 20,2 GHz en émission ou 27,5 GHz à 30 GHz en réception), ou de reconfigurer des faisceaux en vol, par exemple dans la bande Ku (10,7 GHz à 12,75 GHz en émission ou 13,75 GHz à 15,6 GHz en réception).
  • Cependant, ces réseaux présentent deux principaux inconvénients. Ils nécessitent en effet un grand nombre de chaînes actives dès que la zone de couverture doit être décomposée en faisceaux très fins (ou « spots ») et que l'on a une forte contrainte d'isolation entre zones proches afin de pouvoir réutiliser périodiquement une même sous-bande de fréquences. En outre, le faible rendement énergétique (critère déterminant en émission) des amplificateurs inclus dans leurs chaînes actives en présence de multi-porteuses large bande empire lorsqu'ils ne sont pas utilisés à leur niveau de puissance optimal. Cela résulte en effet de ce que l'on appelle l'apodisation (en anglais « taper ») indispensable lorsque l'on veut obtenir un niveau de lobes secondaires (des diagrammes d'antenne) assez bas. Il est rappelé que l'apodisation est une technique consistant à mettre plus d'énergie au centre du réseau qu'à sa périphérie.
  • Un troisième inconvénient peut venir s'ajouter aux deux principaux précédents lorsque l'on est en présence d'une forte contrainte d'isolation entre zones proches du fait d'une réutilisation de fréquence. En effet, la dégradation « douce » des performances lorsque quelques chaînes actives tombent en panne (progressivement en cours de mission) devient souvent inacceptable lorsque le pourcentage de pannes devient significatif. Pour remédier à cet inconvénient il est certes possible de prévoir une redondance classique de sous-réseaux d'éléments rayonnants, de type « 2 pour 1 », ou « 3 pour 2 », ou encore « 10 pour 8 », mais cela entraîne une complexité inacceptable pour les grands réseaux, et une augmentation significative de la masse (inconvénient particulièrement pénalisant pour les antennes embarquées à bord de satellites).
  • Pour tenter de remédier aux inconvénients précités, il a été proposé dans le document brevet FR 2762937 une antenne réseau lacunaire à « redondance froide ». Cette solution consiste à prévoir en des endroits choisis du réseau un nombre restreint de sous-réseaux de substitution et de chaînes actives de contrôle associées, qui ne sont utilisés qu'en cas de panne d'une ou plusieurs chaînes actives de contrôle. Les emplacements de ces sous-réseaux de substitution sont choisis de sorte que l'émission et/ou la réception continue de répondre aux besoins : en première approximation, la loi de répartition apodisée de l'énergie doit rester globalement similaire avant et après activation de certaines des redondances.
  • Lorsqu'un sous-réseau de substitution n'est pas utilisé, il forme un trou d'émission et/ou de réception dans le réseau, qui est pris en compte lors de l'optimisation de l'antenne. Cependant, la présence d'un nombre important de trous dans le réseau abaisse la directivité de l'antenne pour une dimension extérieure donnée. Par ailleurs, en raison du maillage régulier du réseau avant la définition des trous, si l'on veut obtenir des lobes secondaires de niveau faible (pour éviter en particulier que les « lobes de réseau » dus à la périodicité ne viennent interférer dans le domaine angulaire utile) on est obligé d'utiliser des sous-réseaux dont le nombre d'éléments rayonnants est faible, si bien que l'on ne peut que réduire légèrement le nombre total de sous-réseaux.
  • Un document US 6 246 364 B1 divulgue une antenne d'émission et de réception comprenant un réseau de sous-réseaux.
  • Aucune solution connue n'apportant une entière satisfaction, l'invention a donc pour but d'améliorer la situation.
  • Elle propose à cet effet une antenne réseau d'émission et/ou de réception selon la première revendication.
  • L'antenne réseau selon l'invention peut comporter d'autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment :
    • ses sous-réseaux peuvent être agencés les uns par rapport aux autres selon une distribution de type pseudo-aléatoire optimisée sous contrainte(s), par exemple avec des algorithmes de type « génétique » ou « recuit simulé »;
    • son réseau peut par exemple comprendre une partie centrale dans laquelle les sous-réseaux comprennent entre un et quatre (et par exemple entre un et deux) éléments rayonnants, et entourée par une partie périphérique où ils comprennent de préférence entre un et seize éléments, avec un nombre moyen beaucoup plus élevé que dans la partie centrale ;
    • le maillage irrégulier peut être réalisé à partir de sous-réseaux constitués de groupes d'au moins deux éléments rayonnants planaires compacts ;
      • Figure imgb0001
        le maillage irrégulier est par exemple réalisé à partir de premiers deuxièmes et troisièmes sous-réseaux constitués de groupes comportant respectivement quatre, huit et seize éléments rayonnants planaires compacts ;
      • Figure imgb0001
        les éléments rayonnants planaires compacts sont par exemple des petits pavés métalliques (ou « patches ») ;
    • certains sous-réseaux, dits « de substitution», implantés en des endroits choisis, peuvent n'être prévus que pour être utilisés en cas de défaillance d'au moins un autre sous-réseau. Dans ce cas, la plupart des sous-réseaux de substitution peuvent par exemple être implantés dans une partie périphérique du réseau, là où la présence de « trous » dans l'illumination de l'antenne n'est pas pénalisante (mais contribue avec la maille irrégulière à créer l'apodisation nécessaire) ;
    • elle peut se présenter sous la forme d'une antenne active à rayonnement direct (communément appelée DRA). Dans ce cas, ses moyens de contrôle comprennent un « formateur de faisceau » (dont l'acronyme anglais est BFN), commandable au non, et des amplificateurs de signaux (ou chaînes actives) associés chacun à l'un des sous-réseaux (y compris ceux dits de substitution, lorsqu'ils existent) et chargés de fonctionner selon des puissances sensiblement identiques à l'émission;
      Figure imgb0001
      un tel formateur de faisceau, couplé aux chaînes actives, est en particulier indispensable pour permettre l'émission et/ou la réception d'au moins deux faisceaux de signaux radiofréquences selon des directions choisies ;
      • les moyens de formation de faisceaux peuvent être reconfigurables de manière à permettre la modification des directions choisies des faisceaux et/ou le nombre de faisceaux ;
    • dans une variante, elle peut se présenter sous la forme d'une antenne réseau réflecteur. Dans ce cas, on n'a pas de formateur de faisceau(x) sous forme de circuit. La distribution du signal en émission (ou sa sommation en réception) s'effectue en espace libre depuis (ou vers) une source primaire, et la forme et l'orientation du faisceau sont commandables grâce à des dispositifs intégrés aux éléments rayonnants.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels :
    • la figure 1 illustre de façon très schématique et fonctionnelle un exemple de réalisation d'une antenne réseau à rayonnement direct à laquelle peut s'appliquer l'invention,
    • la figure 2 illustre de façon très schématique un premier exemple de réseau à maillage irrégulier selon l'invention, dans une phase intermédiaire d'optimisation,
    • la figure 3 illustre de façon très schématique un deuxième exemple de réseau à maillage irrégulier selon l'invention,
    • la figure 4 illustre de façon très schématique un exemple de réseau à maillage irrégulier et redondance froide.
    • la figure 5 illustre de façon très schématique un troisième exemple de réseau à maillage irrégulier selon l'invention.
  • Les dessins annexés pourront non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.
  • L'invention a notamment pour objet de permettre la réduction du nombre de sous-réseaux d'une antenne réseau, une apodisation au moyen d'amplificateurs de puissances sensiblement identiques (dans le cas le mieux adapté d'une antenne d'émission), ainsi qu'une éventuelle redondance pour pallier les pannes.
  • Dans ce qui suit, on considère à titre d'exemple non limitatif que l'antenne réseau est à rayonnement direct (ou DRA). Mais, l'invention n'est pas limitée à ce type de réseau. Elle concerne également les antennes réseau réflecteur.
  • Il est rappelé qu'une antenne réseau réflecteur est constituée d'éléments rayonnants chargés d'intercepter avec des pertes minimales des ondes, comportant des signaux radiofréquences à transmettre, délivrées par une source primaire, afin de les réfléchir dans une direction choisie, appelée direction de pointage. Afin de permettre la reconfigurabilité du diagramme d'antenne, chaque élément rayonnant est équipé d'un dispositif de contrôle de phase avec lequel il constitue une cellule déphaseuse passive ou active.
  • Pour simplifier la description, on considère dans ce qui suit que l'antenne réseau est dédiée à l'émission de signaux radiofréquences. Mais, l'invention n'est pas limitée à ce cas. Elle concerne en effet les antennes réseau dédiées à l'émission et/ou la réception de signaux radiofréquences.
  • On se réfère tout d'abord à la figure 1 pour décrire une antenne réseau à rayonnement direct AR capable de mettre en œuvre l'invention.
  • Comme cela est schématiquement et fonctionnellement illustré sur la figure 1, une antenne réseau à rayonnement direct AR comporte un réseau R de M (M>1) sous-réseaux d'au moins un élément rayonnant (non représentés), M chaînes actives Cm (m = 2 à M) couplées chacune à l'un des M sous-réseaux, éventuellement par l'intermédiaire d'un filtre Fm, par exemple de type passe-bande, et un module (ou réseau) de formation de faisceau(x) MFF (ou BFN pour « Beam Forming Network ») comprenant N ports d'entrées Pn (n = 1 à N, N>0) et M ports de sortie couplés chacun à l'entrée d'une chaîne active Cm.
  • Tous les éléments rayonnants d'un réseau (ou panneau d'éléments rayonnants) R sont généralement du même type. Il s'agit par exemple de pavés (ou « patches »), de cornets, de dipôles, ou d'hélices. Les pavés (ou patches), qui sont des éléments compacts mais peu directifs, sont utilisés de préférence en sous-réseaux, c'est-à-dire en sous-ensembles (plus directifs) constitués de plusieurs patches reliés par des lignes fixes, comme c'est le cas sur la figure 5, sur laquelle on reviendra plus loin. Ils se prêtent donc particulièrement bien à un agencement variable à granularité fine (sans coût excessif), ce qui est l'un des objectifs de la présente invention.
  • Chaque chaîne active Cm comprend un déphaseur Dm, chargé d'appliquer un déphasage choisi aux signaux que le sous-réseau associé doit transmettre sous forme d'ondes, et un amplificateur de puissance Am, chargé d'appliquer une amplification choisie aux signaux déphasés devant être transmis par les éléments rayonnants concernés sous la forme d'ondes (ou rayonnement électromagnétique).
  • Les amplificateurs Am sont le plus souvent de type dit SSPA (« Solid State Power Amplifier » - amplificateur de puissance à état solide délivrant une puissance de quelques Watts). Plus rarement, si la puissance à fournir excède la dizaine de Watts, et qu'une faible consommation est prépondérante par rapport à l'augmentation de la masse, les amplificateurs peuvent être des « mini-tubes » (version compacte des « Tubes à Ondes Progressives (ou TOP)» utilisés depuis longtemps dans le domaine des radars et des systèmes de communication par satellite).
  • Le module de formation de faisceau(x) MFF peut être soit de type analogique, soit de type numérique. Il est chargé d'alimenter les différentes chaînes actives Cm en signaux à déphaser (pour re-pointer simultanément tous les faisceaux, en cas de mouvement parasite du porteur de l'antenne-réseau), et à amplifier (ainsi qu'éventuellement à filtrer). Dans les cas où l'on veut que les directions de chacun des faisceaux soient commandables indépendamment, les déphaseurs commandables, représentés sur la figure 1, sont également inclus dans le module de formation de faisceau(x) MFF : il y en a alors autant que de faisceaux et d'éléments rayonnants.
  • L'ensemble des phases et niveaux d'amplification qui doivent être appliqués aux signaux par les différentes chaînes actives Cm est appelé une loi de phase et/ou d'amplitude. Cette loi définit un diagramme (ici d'émission) pour l'antenne AR. Le nombre de diagrammes différents qu'une antenne AR peut générer simultanément dépend du nombre de ports d'entrée Pn du module de formation de faisceau(x) MFF. Chaque port d'entrée Pn est en effet chargé d'activer un diagramme donné. Chaque diagramme (d'émission) correspond à l'émission d'un faisceau d'ondes dans une direction donnée de manière à couvrir une zone (ou spot).
  • Il est important de noter qu'une antenne AR peut émettre simultanément plusieurs faisceaux correspondant à des digrammes différents activés par des ports d'entrée Pn différents (on parle alors de fonctionnement multifaisceaux). Par ailleurs, lorsque la programmation des diagrammes est figée dans le module de formation de faisceau(x) MFF, l'antenne est dite « à faisceaux fixes », souvent appelée « antenne passive ». Dans le cas contraire, l'antenne est dite reconfigurable, souvent appelée « antenne active », car la présence d'éléments commandables est presque toujours associée à celle d'amplificateurs répartis sur toutes les voies. Elle comprend alors, comme illustré sur la figure 1, une entrée de configuration EC (c'est-à-dire une connexion filaire avec un module de commande pré-programmé).
  • On notera par ailleurs qu'une antenne réseau dédiée à la réception présente un agencement similaire à celle de l'antenne réseau dédiée à l'émission présentée ci-avant. Ce qui les différencie c'est le fait que l'énergie est transmise en sens inverse (des éléments rayonnants vers le module de formation de faisceau(x)) par l'intermédiaire d'amplificateurs à faible bruit (ou LNAs pour (« Low Noise Amplifiers »).
  • L'invention porte sur l'agencement particulier du réseau R de sous-réseaux SR d'éléments rayonnants ER.
  • Plus précisément, selon l'invention et comme illustré sur les trois exemples non limitatifs des figures 2 à 4, les sous-réseaux SR du réseau R, d'une part comprennent un nombre moyen d'éléments rayonnants ER qui croît du centre PC du réseau R vers sa périphérie PP (sauf dans le cas de la figure 2, qui illustre une configuration intermédiaire ne prenant pas en compte la totalité des critères), et d'autre part sont agencés les uns par rapport aux autres de manière à constituer un maillage irrégulier.
  • On entend ici par « nombre moyen d'éléments rayonnants ER », un nombre moyen par rapport à un ensemble de sous-réseaux SR situés dans une même région du réseau R (par exemple une partie centrale PC ou une partie périphérique PP). Il ne s'agit donc pas obligatoirement d'avoir dans une même région du réseau R des sous-réseaux SR dont le nombre d'éléments rayonnants ER est systématiquement plus petit que celui des sous-réseaux SR situés dans une autre région du réseau R, plus éloignée de son centre. Mais, cela est souvent le cas. Ainsi, on peut par exemple envisager que le réseau R comprenne une partie centrale PC dans laquelle les sous-réseaux SR comprennent entre un et trois éléments rayonnants ER, voire même entre un et deux éléments rayonnants ER, et une partie périphérique PP entourant la partie centrale PC et dans laquelle les sous-réseaux SR comprennent entre un et quatorze éléments rayonnants ER, ou bien entre trois et quatorze éléments.
  • Il est important d'insister sur le fait que la croissance moyenne du nombre d'éléments du centre vers la périphérie, ou en d'autres termes la décroissance de la densité des points d'alimentation du centre vers la périphérie, permet d'obtenir une apodisation avec des amplificateurs de même puissance.
  • En effet, la variation du nombre moyen d'éléments rayonnants ER du centre PC vers la périphérie PP permet d'obtenir une apodisation de l'illumination avec un minimum de variation spatiale de la puissance des amplificateurs de puissance Am couplés à chaque sous-réseau SR. Cela permet d'utiliser des amplificateurs de puissance Am fonctionnant avec des puissances sensiblement égales (« équi-puissance ») à +/-1dB à trois écarts types (3σ), par exemple. Ces amplificateurs de puissance Am sont ainsi optimisés pour obtenir le meilleur rendement énergétique possible, tout en évitant le cas coûteux d'utilisation de plusieurs types d'amplificateurs de puissances différentes.
  • Le maillage irrégulier, au moyen de sous-réseaux SR de nombres d'éléments rayonnants ER différents et/ou de formes différentes, permet d'obtenir des diagrammes dont les lobes secondaires sont de faible intensité ainsi qu'un gain élevé dans une direction privilégiée (puisqu'on évite de très nombreux trous dans le réseau). Plus le maillage est irrégulier, plus le niveau des « lobes de réseau » est faible. Ces « lobes de réseau » sont en effet les lobes secondaires les plus élevés, dus à la périodicité du maillage d'un réseau classique.
  • Ce maillage irrégulier résulte par exemple d'une distribution des sous-réseaux SR de type pseudo-aléatoire sous contrainte(s). Il est déterminé en fonction des spécifications sur les lobes secondaires de l'antenne, de l'isolation entre zones proches dans le cas d'une réutilisation de fréquence, et de la ou des contraintes sur la forme des sous-réseaux. De nombreux types de contrainte peuvent être envisagés, comme par exemple la ou les formes des sous-réseaux (des sous-réseaux à contour rectangulaire sont plus faciles à réaliser par exemple avec des petits cornets ou des pavés rayonnants), ou la décomposition du réseau en quadrants symétriques.
  • La détermination du maillage se fait au moyen d'un algorithme spécialisé, comme par exemple un algorithme génétique (basé sur des tirages au sort successifs organisés de manière judicieuse), un algorithme dit « de recuit simulé », ou tout autre type d'algorithme connu des spécialistes en optimisation de problèmes à variables discrètes.
  • Sur la figure 2 se trouve illustré un premier exemple de réseau R à maillage irrégulier selon l'invention, dans une phase intermédiaire d'optimisation (c'est-à-dire avant prise en compte du critère d'apodisation par la géométrie). Dans ce premier exemple, chaque sous-réseau SR est délimité par des traits continus, tandis que les éléments rayonnants ER d'un sous réseau SR sont séparés par des pointillés.
  • Par exemple, si l'on se réfère aux axes X (abscisses) et Y (ordonnées) du repère :
    • entre les ordonnées -12 et -11 (partie périphérique PP) et entre les abscisses -3 et +3 on trouve trois sous-réseaux SR de forme rectangulaire comportant chacun deux éléments rayonnants ER,
    • entre les ordonnées -11 et -10 (partie périphérique PP) et entre les abscisses -5 et +5 on trouve deux sous-réseaux SR comportant chacun deux éléments rayonnants ER et deux sous-réseaux SR comportant chacun quatre éléments rayonnants ER,
    • entre les abscisses -2 et +2 on trouve quatre colonnes qui s'étendent entre les ordonnées -8 et +8, chaque colonne comportant huit sous-réseaux SR rectangulaires de deux éléments rayonnants ER. Il s'agit d'une zone située dans la partie centrale PC du réseau R,
    • entre les abscisses -4 et -2 et les ordonnées -6 et -4 on trouve un sous-réseau SR carré de quatre éléments rayonnants ER.
  • Cet exemple correspond à une situation évoquée ci-avant, dans laquelle la partie centrale PC comprend essentiellement des sous-réseaux SR dont le nombre moyen d'éléments rayonnants ER est égal à deux et est inférieur à celui (égal à environ trois) des sous-réseaux SR situés dans la partie périphérique PP, qui comprend également des sous-réseaux SR de petits nombres d'éléments rayonnants (deux, voire même un seul).
  • Sur la figure 3 se trouve illustré un deuxième exemple de réseau R à maillage irrégulier selon l'invention. Dans ce deuxième exemple, tous les symboles identiques adjacents définissent des éléments rayonnants ER d'un même sous-réseau SR, connecté à une chaîne active Cm.
  • Cet exemple correspond plus clairement au critère évoqué ci-avant, dans laquelle la partie centrale PC comprend des sous-réseaux SR dont le nombre d'éléments rayonnants ER est compris entre un et deux, puis la partie intermédiaire PI comprend des sous-réseaux SR dont le nombre d'éléments rayonnants ER est compris entre un et trois, et la partie périphérique PP comprend des sous-réseaux SR dont le nombre d'éléments rayonnants ER est compris entre un et quatorze. On a donc bien des sous-réseaux SR pour lesquels le nombre moyen d'éléments rayonnants ER croît nettement du centre vers la périphérie.
  • Sur la figure 4 se trouve illustré un troisième exemple de réseau R ayant à la fois un maillage irrégulier et des redondances froides. Dans cet exemple, tous les symboles identiques adjacents définissent des éléments rayonnants d'un même sous-réseau, connecté à une chaîne active Cm. Chaque zone grisée représente un sous-réseau de substitution SRS connecté à une chaîne active Cm dite en redondance froide. Cette dernière est décrite en détail dans le document brevet FR 2762937 . Elle ne sera donc pas re-décrite ici. Il est simplement rappelé qu'une chaîne active Cm est dite en redondance froide lorsqu'elle demeure éteinte (ou non activée) tant qu'elle ne doit pas remplacer une ou plusieurs autres chaînes actives (non redondantes) tombées en panne.
  • L'utilisation de chaînes actives en redondance froide impose simplement d'intégrer des commutateurs à bas niveau dans le module de formation de faisceau(x) MFF. Par ailleurs, les chaînes actives en redondance froide n'entraînent pas de sur-consommation puisqu'elles ne sont alimentées que lorsqu'elles sont utilisées pour remplacer au moins une chaîne active défaillante (dont l'alimentation est alors coupée soit par une commande spécifique, soit automatiquement en cas de protection par fusible contre les courts-circuits).
  • Dans la situation illustrée sur la figure 4, le réseau R comprend donc des sous-réseaux de substitution SRS et des sous-réseaux dits principaux SRP (utilisés lorsque leurs chaînes actives Cm respectives ne sont pas en panne).
  • Ces sous-réseaux de substitution SRS sont implantés en des endroits choisis de sorte que l'émission et/ou la réception puisse continuer de se faire normalement (c'est-à-dire avec un ou plusieurs diagrammes quasi inchangés). Les emplacements, formes et nombres d'éléments rayonnants ER des sous-réseaux de substitution SRS sont de préférence déterminés en même temps que ceux des sous-réseaux principaux SRP. Pour ce faire, on introduit dans le calcul, dès le début, une contrainte initiale supplémentaire consistant à prévoir des trous d'émission et/ou de réception.
  • Comme cela est illustré sur la figure 4, la plupart des sous-réseaux de substitution SRS peuvent être de préférence implantés dans les parties intermédiaire PI et périphérique PP du réseau R. Dans cette situation optionnelle, l'apodisation est forte car il n'y a pas de trou dans la partie centrale ; mais la compensation des pannes survenant dans la partie centrale n'est qu'imparfaite. Par conséquent plusieurs options existent sur les contraintes que l'on se donne sur les emplacements des sous-réseaux de substitution SRS, selon les poids relatifs attribués pour l'application considérée aux différents « critères de qualité » de l'antenne-réseau à concevoir.
  • Sur la figure 5 se trouve illustré un troisième exemple de réseau R à maillage irrégulier selon l'invention. Cet exemple de réseau est bien adapté aux antennes-réseaux embarquées sur des satellites (par exemple dans des applications de télécommunication).
  • Dans ce troisième exemple, chaque bloc géométrique (carré ou rectangulaire) représente un sous-réseau d'au moins deux éléments rayonnants ER de type planaire compact, comme par exemple des petits pavés métalliques (ou patches). Plus précisément, le maillage irrégulier est ici constitué à partir de trois types différents de sous-réseaux. Chaque premier sous-réseau SR1 est constitué d'un groupe de quatre éléments rayonnants planaires compacts ER. Chaque deuxième sous-réseau SR2 est constitué d'un groupe de huit éléments rayonnants planaires compacts ER. Chaque troisième sous-réseau SR3 est constitué d'un groupe de seize éléments rayonnants planaires compacts ER.
  • Comme dans les autres exemples, les éléments rayonnants ER d'un même sous-réseau SR1, SR2 ou SR3 sont connectés à une chaîne active Cm.
  • Comme cela est bien connu de l'homme de l'art, chaque sous-réseau peut être constitué à partir d'un empilement comprenant par exemple une structure (par exemple en aluminium) définissant des premières cavités et les canaux des différentes lignes d'excitation, puis un circuit (par exemple en duroïd ou en quartz polyimide) définissant des pavés dits « directeurs » et incluant les lignes de répartition, puis une structure (par exemple en aluminium) définissant des secondes cavités, puis un circuit (par exemple en duroïd ou en quartz polyimide) définissant des pavés dits « parasites », et enfin un circuit de protection contre les radiations.
  • Comme cela est illustré, les premiers sous-réseaux SR1 (qui contiennent le nombre d'éléments rayonnants ER le plus faible) sont placés dans une partie centrale PC du réseau R, les deuxièmes sous-réseaux SR2 (qui contiennent un nombre intermédiaire d'éléments rayonnants ER) sont placés dans une partie intermédiaire PI du réseau R, et les troisièmes sous-réseaux SR3 (qui contiennent le nombre d'éléments rayonnants ER le plus grand) sont placés dans une partie périphérique PP du réseau R. On a donc bien des sous-réseaux SR pour lesquels le nombre moyen d'éléments rayonnants ER croît nettement du centre vers la périphérie.
  • Bien entendu, le nombre d'éléments rayonnants planaires compacts ER des différents types de sous-réseau peut être différent de celui illustré. Par exemple, on peut avoir des premiers SR1, deuxièmes SR2 et troisièmes SR3 sous-réseaux comportant respectivement 2, 4 et 8 éléments rayonnants planaires compacts ER, ou bien 2, 8 et 16 éléments rayonnants planaires compacts ER, ou encore 2, 8 et 32 éléments rayonnants planaires compacts ER. Toutes autres valeurs peuvent être envisagées.
  • Par ailleurs, un maillage irrégulier peut être défini à partir de deux types de sous-réseaux ou bien de plus de trois types.
  • Grâce à l'invention, le nombre de chaînes actives de l'antenne réseau, et donc son coût, peut être notablement réduit, comparé à une antenne réseau classique (c'est-à-dire à maille régulière) présentant des performances sensiblement équivalentes. Cette réduction peut atteindre 50% dans certains cas n'utilisant pas de chaîne active en redondance froide. Le fonctionnement en redondance froide nécessite un ajout d'environ 10% de chaînes actives en redondance froide, si bien que la réduction globale devient inférieure ou égale à 40%. Mais, il permet de conserver de meilleures performances pour l'antenne réseau en présence de pannes de chaînes actives principales.
  • Par ailleurs, l'invention permet d'utiliser des amplificateurs sensiblement de même puissance, ce qui permet encore de réduire le coût de l'antenne réseau et d'améliorer son rendement énergétique (il est en effet rappelé que dans une antenne réseau à maillage régulier l'apodisation nécessite des puissances fortement différentes).

Claims (9)

  1. Antenne réseau d'émission et/ou réception (AR) comprenant un réseau (R) de sous-réseaux (SR) d'au moins un élément rayonnant (ER) et des moyens de contrôle (Cm, MFF) propres à contrôler l'amplitude et/ou la phase des signaux radiofréquences à transmettre ou reçus sous forme d'ondes par chacun desdits sous-réseaux (SR), lesdits sous-réseaux (SR) comprenant un nombre moyen d'éléments rayonnants (ER) qui croît du centre dudit réseau (R) vers sa périphérie, chaque sous-réseau étant couplé à une chaîne active comportant un déphaseur (Dm) et un amplificateur (Am) permettant d'activer l'amplitude et/ou la phase des signaux hyperfréquences à transmettre ou reçus, lesdits sous-réseaux étant agencés les uns par rapport aux autres de manière à constituer un maillage irrégulier offrant des lobes secondaires de diagramme de faible intensité et un gain élevé dans une direction privilégiée, caractérisé en ce que les éléments rayonnants (ER) constituant un même sous-réseau (R) sont couplés à une même chaîne active (Cm), les amplificateurs (Am) des différentes chaines actives étant configurés pour fonctionner avec des puissances sensiblement égales.
  2. Antenne réseau selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit réseau (R) comprend une partie périphérique (PP) entourant une partie centrale (PC) dans laquelle lesdits sous-réseaux (SR) comprennent entre un et quatre éléments rayonnants (ER).
  3. Antenne réseau selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite partie centrale (PC) ne comporte que des sous-réseaux (SR) comprenant entre un et deux éléments rayonnants (ER).
  4. Antenne selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ledit maillage irrégulier est réalisé à partir de sous-réseaux constitués de groupes d'au moins deux éléments rayonnants planaires compacts.
  5. Antenne réseau selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ledit maillage irrégulier est réalisé à partir de premiers sous-réseaux constitués de groupes de quatre éléments rayonnants planaires compacts, de deuxièmes sous-réseaux constitués de groupes de huit éléments rayonnants planaires compacts, et de troisièmes sous-réseaux constitués de groupes de seize éléments rayonnants planaires compacts.
  6. Antenne selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisée en ce que lesdits éléments rayonnants planaires compacts sont des petits pavés métalliques.
  7. Antenne réseau selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que lesdits moyens de contrôle (Cm, MFF) comprennent des moyens de formation de faisceaux (MFF), couplés auxdites chaînes de contrôle actif (Cm
  8. Antenne réseau selon la revendication 7, caractérisée en ce que lesdits moyens de formation de faisceaux (MFF) sont reconfigurables.
  9. Antenne réseau selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle est du type dit « antenne réseau réflecteur ».
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