EP3329550B1

EP3329550B1 - Dispositif d'emission/reception et antenne associee

Info

Publication number: EP3329550B1
Application number: EP16744792.9A
Authority: EP
Inventors: Vincent Petit; Bruno Louis; Christian Renard; Laurent FEDOROWICZ
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2016-07-29
Publication date: 2021-08-04
Anticipated expiration: 2036-07-29
Also published as: US10454175B2; US20180145413A1; ES2890873T3; WO2017021307A1; EP3329550A1; FR3039726B1; FR3039726A1

Description

La présente invention a pour domaine celui des dispositifs d'émission/réception pour antennes, en particulier les dispositifs d'émission/réception propres à fonctionner dans le domaine hyperfréquence et avec des niveaux de puissance compatibles des applications radars ou de guerres électroniques.
De manière connue en soi, une antenne radar est constituée d'une matrice de moyens d'émission/réception (ou antennes élémentaires) comportant des éléments rayonnants sensiblement plans. Chaque élément rayonnant est associé à un module d'émission/réception (ou T/R module pour « transmission/réception module » en anglais). Le module d'émission/réception est disposé dans le volume situé juste à l'arrière du moyen d'émission/réception. En émission, le module d'émission/réception amplifie un signal d'excitation, de préférence hyperfréquence, reçu d'une électronique de génération de signal déportée et applique le signal d'excitation amplifié au moyen d'émission/réception. En réception, le module d'émission/réception amplifie un signal de réception reçu du moyen d'émission/réception et transmet le signal de réception amplifié à une électronique d'acquisition déportée.
Dans le présent document, l'association d'un moyen d'émission/réception et d'un module d'émission/réception est dénommé dispositif d'émission/réception.
Dans les applications radars ou de guerres électroniques, il y a un besoin pour travailler avec des puissances importantes, aussi bien en émission qu'en réception.
Cependant, les puissances accessibles sont limitées par les propriétés des technologies mises en œuvre pour la réalisation du module d'émission/réception. Les technologies MMIC (pour « Monolithic Microwave Integrated Circuit » an anglais, ou circuit intégré monolithique hyperfréquence) classiquement mises en œuvre sont caractérisées par des puissances maximales acceptables, au-delà desquelles il serait souhaitable de pouvoir travailler pour les applications mentionnées ci-dessus.
Par ailleurs, le document US 2012/188917 A1 divulgue un dispositif d'émission/réception comportant une antenne 411 ayant la forme d'un disque. Le dispositif comporte plusieurs modules d'émission/réception respectivement couplés à l'antenne via des symétriseurs (« baluns »), chaque symétriseur étant couplé à l'antenne par une paire de lignes dont les extrémités sont connectées à des points d'excitation diamétralement opposé l'un à l'autre. Le document US 6009314 A divulgue un commutateur d'antenne pour connecter sélectivement une paire de signaux différentiels de sortie d'un amplificateur de puissance de sortie à un signal asymétrique d'une antenne lors de la transmission et de la connexion sélective d'un différentiel d'entrée paire de signaux d'un amplificateur d'entrée à faible bruit au signal asymétrique de l'antenne lors de la réception.
Le document US 2014/292595 A1 divulgue un dispositif d'antenne comprenant un patch de rayonnement sous la forme d'une plaque plate, un premier point d'alimentation configuré dans une région latérale du patch de rayonnement, et un second point d'alimentation configuré dans une autre région latérale du patch de rayonnement. Le premier point d'alimentation et le second point d'alimentation sont à la même distance d'un plan de masse virtuel formé sur le patch de rayonnement, une alimentation déphasée est fournie au premier point d'alimentation et au second point d'alimentation pour former un diagramme de rayonnement latéral, et une alimentation en phase est fournie au premier point d'alimentation et au second point d'alimentation pour former un diagramme de rayonnement de feu d'extrémité.
L'invention a donc pour but de palier à ce problème.
L'invention a pour objet un dispositif d'émission/réception et une antenne comportant une pluralité de tels dispositifs d'émission/réception selon les revendications annexées.
Pour fonctionner avec des puissances élevées, l'invention utilise deux modules d'émission/réception couplés à deux accès de polarisation, en quadrature l'un de l'autre, d'un même élément rayonnant plan, chacun des modules fonctionnant à une puissance nominale compatible avec la puissance maximale acceptable par la technologie mise en oeuvre pour le fabriquer.
En émission, la recombinaison dans l'espace de la paire d'ondes élémentaires émises par l'élément rayonnant, chaque onde élémentaire étant excitée indépendamment l'une de l'autre par chacun des modules d'émission/réception, conduit à une onde totale dont la puissance est deux fois plus importante (+3 dB) que la puissance de chaque onde élémentaire.
En réception, l'onde totale incidente est décomposée en deux ondes élémentaires, transmises vers chacun des modules d'émission/réception. Une onde élémentaire possède une puissance deux fois plus faible (-3 dB) que la puissance de l'onde totale incidente.
L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation particulier, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, cette description étant faite en se référant au dessin annexé, qui représente schématiquement un dispositif d'émission/réception selon l'invention.
La figure annexée représente schématiquement un dispositif d'émission/réception 10, qui comporte un moyen d'émission/réception 12 et un circuit électronique 13, intégrant un premier module d'émission/réception 14 et un second module d'émission/réception 16. Les premier et second modules 14 et 16 sont respectivement connectés au moyen d'émission/réception 12 par une paire de lignes d'alimentation, 31, 32 et 33, 34 respectivement.
Le moyen d'émission/réception 12, représenté schématiquement en vue de dessus sur la figure, est connu sous le terme d'antenne « patch ». Il comporte un élément rayonnant 22, sensiblement plan, disposé au-dessus d'une couche formant plan de masse, un intervalle étant ménagé entre l'élément rayonnant et la couche formant plan de masse. Cet intervalle est par exemple constitué d'un matériau isolant ou d'un matériau diélectrique. De préférence, l'élément rayonnant 22 est une plaque en un matériau conducteur. Il présente par exemple une forme carrée. En variante, l'élément rayonnant 22 comporte, en plus d'une plaque d'excitation, d'autres plaques métalliques qui sont superposées à la plaque d'excitation. Quelle que soit la géométrie de l'élément rayonnant 22 (carré, disque, etc.), il est possible d'y définir un point central C.
Le plan de l'élément rayonnant 22 est défini par deux directions D1 et D2, orthogonales entre elles : la première direction D1 relie les milieux de deux côtés opposés du carré formé par l'élément rayonnant 22 ; la seconde direction D2 relie les milieux des deux autres côtés opposés du carré formé par l'élément rayonnant 22.
De manière générale, l'excitation de l'élément rayonnant s'effectue par couplage avec l'extrémité d'une ligne d'alimentation.
Ce couplage est par exemple réalisé en connectant électriquement l'extrémité de la ligne d'alimentation à un point d'excitation de l'élément rayonnant. Par exemple, à l'extrémité de la ligne d'alimentation, le courant d'excitation circule vers l'élément rayonnant, à travers le matériau isolant placé entre l'élément rayonnant et la couche formant plan de masse, par exemple au moyen d'un via métallisé permettant de connecter l'extrémité de la ligne d'alimentation conductrice à un picot situé à l'arrière de l'élément rayonnant, au droit du point à exciter.
En variante, ce couplage est réalisé par une fente ménagée dans la couche formant plan de masse. L'extrémité de la ligne d'alimentation est disposée de manière à chevaucher cette fente par au-dessous, l'élément rayonnant étant situé au-dessus de la couche formant plan de masse. Le point d'excitation de l'élément rayonnant est alors situé sensiblement en vis-à-vis du centre de la fente. Sur la figure annexée, c'est un tel couplage qui est mis en œuvre, les fentes dans la couche formant plan de masse étant représentées schématiquement par des pointillés.
D'autres variantes de couplage permettant l'excitation d'une antenne planaire sont connues : ainsi l'excitation peut être effectuée sur le plan même de l'élément rayonnant plan, ou « patch », en l'attaquant directement par une ligne imprimée microruban ou « microstrip », connectée au bord du « patch » ; Ainsi encore, l'excitation peut être effectuée par couplage par proximité à une ligne « microstrip » imprimée à un niveau situé entre le « patch » et la couche formant plan de masse.
Les premier et second modules d'émission/réception 14 et 16 sont identiques entre eux. Ils sont disposés entre, d'une part, une électronique de génération de signal hyperfréquence et une électronique d'acquisition, déportées (non représentées sur la figure), et, d'autre part, le moyen d'émission/réception 12.
Côté aval, c'est-à-dire du côté du moyen d'émission/réception, chaque module est connecté directement au moyen d'émission/réception 12 par une paire de ligne d'alimentation et est donc propre, en émission, à appliquer un signal d'excitation différentiel et, en réception, à acquérir un signal de réception différentiel. Un module d'émission/réception opérant déjà sur des signaux différentiels, le fait de le connecter à une charge de manière différentielle évite d'avoir à interposer un composant, tel qu'un balun (pour « balanced unbalanced transformer ») pour passer d'un signal différentiel à un signal en mode commun. Or un tel composant intermédiaire dégrade le rendement en puissance. Le rendement en puissance du dispositif 10 est donc amélioré.
Le premier module 14 est donc couplé au moyen d'émission/réception 12 par les lignes d'alimentation 31 et 32, dont les extrémités libres sont respectivement couplées à deux points d'excitation P1 et P2 de l'élément rayonnant 22. Les points P1 et P2 sont disposés le long de la première direction D1, symétriquement de part et d'autre du point central C de l'élément rayonnant 22.
De manière similaire, le second module d'émission/réception 16 est couplé au moyen d'émission/réception 12 par les lignes d'alimentation 33 et 34, dont les extrémités libres sont respectivement couplées à deux points d'excitation P3 et P4 de l'élément rayonnant 22. Les points P3 et P4 sont disposés le long de la seconde direction D2, symétriquement de part et d'autre du point central C.
La distance entre deux points d'excitation P1 et P2 ou P3 et P4 est choisie de manière à ajuster l'impédance de la charge que constitue le moyen d'émission/réception 12 connecté aux bornes du module d'émission/réception correspondant, 14 ou 16. Avantageusement, la distance entre les points d'excitation P1 et P2 et celle entre les points P3 et P4 est identique pour que les deux modules soient connectés à une charge de même impédance. Cette distance est de préférence choisie pour que l'impédance du moyen d'émission/réception 12 soit égale à 50 Ohms. La possibilité de choisir l'impédance implique qu'il n'est pas nécessaire d'ajouter au dispositif 10 un composant pour adapter, par transformation d'impédance, l'impédance entre les modules d'émission/réception 14 et 16, d'une part, et le moyen d'émission/réception 12, d'autre part. Ceci participe à l'amélioration du rendement en puissance du dispositif 10, l'intégralité de la puissance en sortie d'un module d'émission/réception étant appliqué au moyen d'émission/réception.
Un module d'émission/réception 14, et 16, comporte différentes fonctionnalités classiques, connues de l'homme du métier.
Un module d'émission/réception comporte ainsi une voie d'émission 110 et une voie de réception 120.
En émission, un signal d'excitation S_E appliqué par l'électronique de génération d'un signal hyperfréquence en entrée du circuit 13 est divisé, par un répartiteur 210, en un premier signal d'excitation appliqué en entrée de la voie d'émission 110 du premier module 14 et un second signal d'excitation appliqué en entrée de la voie d'émission 110 du second module 16. Les premier et second signaux d'excitation sont identiques entre eux, éventuellement à une phase relative θ près.
La voie d'émission 110 comporte des moyens d'amplification du signal d'excitation S_E, en particulier un préamplificateur 114 et un amplificateur haute puissance 116 dans les applications radars et de guerre électronique.
Les premier et second signaux d'excitation sont respectivement transmis au moyen d'émission/réception 12.
En réception, des premier et second signaux de réception, identiques entre eux, éventuellement à une phase relative θ près, sont appliqués par le moyen d'émission/réception 12 en entrée de la voie de réception 120 des premier et second modules d'émission 14 et 16, respectivement.
La voie de réception 120 comporte des moyens de protection, tels qu'un limiteur 118, et un moyen d'amplificateur, tels qu'un amplificateur faible bruit 119.
Les premier et second signaux de réception amplifiés sont sommés par un sommateur 220 du circuit 13, avant que le signal de réception résultant soit transmis vers l'électronique d'acquisition déportée.
Le premier module 14 comporte un interrupteur commandé 124 par un signal de commande S_C de manière à basculer le premier module 14 soit dans un mode de fonctionnement en émission, en connectant la voie d'émission 110 aux lignes d'alimentation 31 et 32, ou en mode de réception, en connectant la voie de réception 120 aux lignes d'alimentation 31 et 32.
Le second module 16 comporte un interrupteur commandé 126 par un signal de commande S_C de manière à basculer le second module 16 soit dans un mode de fonctionnement en émission, en connectant la voie d'émission 110 aux lignes d'alimentation 33 et 34, ou en mode de réception, en connectant la voie de réception 120 aux lignes d'alimentation 33 et 34.
Le signal de commande S_C appliqué à l'interrupteur commandé 124 du premier module 14 est également le signal de commande S_C appliqué à l'interrupteur commandé 126 du second module 16, de manière à ce que les premier et second modules soient synchronisés dans leur mode de fonctionnement.
Si le dispositif 10 est destiné à être intégré dans une antenne active, dans laquelle l'onde émise par un élément rayonnant est déphasée par rapport aux ondes émises par les éléments rayonnants voisins, ceci afin d'orienter le plan d'onde et de dépointer l'antenne, chaque module d'émission/réception intègre un moyen de déphasage commandé par un signal de déphasage S_ϕ. Ainsi, le premier module 14 comporte un premier moyen de déphasage 134 et le second module 16 comporte un second moyen de déphasage 136. Chaque moyen de déphasage comporte par exemple un atténuateur 131 et un déphaseur 132.
Dans le dispositif selon l'invention, les moyens de déphasage 134 et 136 des premier et second modules 12 et 16 sont commandés par un même signal de déphasage S_ϕ, de manière à ce que les premier et second modules 14 et 16 fonctionnent à chaque instant en introduisant un même déphasage soit sur les signaux d'excitation S_E de l'élément rayonnant 22, soit sur les signaux de réception S_R provenant de l'élément rayonnant 22.
Avantageusement, le dispositif d'émission/réception 10 comporte un moyen d'ajustement 140 permettant d'introduire une phase relative θ entre les premier et second signaux d'excitation respectivement appliqués en entrée de la voie d'émission 110 de chacun des modules d'émission/réception 14 et 16. Par conséquent, les ondes élémentaires respectivement excitées par les premier et second modules 14 et 16 seront déphasés l'un par rapport à l'autre. Par recombinaison dans l'air de cette paire d'ondes élémentaires, il est alors possible de générer une onde totale polarisée soit selon une direction verticale V, lorsqu'une phase relative de 0° est appliquée entre les premier et second signaux d'excitation ; selon une direction horizontale H, lorsqu'une phase relative de 180° est appliquée ; une polarisation circulaire gauche, lorsqu'une phase relative de +90° est appliquée ; et une polarisation circulaire droite, lorsque la phase relative est de -90°. Le moyen d'ajustement 140 ajuste la valeur de la phase relative θ à introduire en fonction d'un signal d'ajustement S_θ reçu de l'électronique déportée.
Les signaux de commande S_C, de déphasage S_ϕ et d'ajustement S_θ sont émis par l'électronique déportée et appliqués sur des bornes d'entrée du circuit 13.
Les premier et second modules d'émission/réception 14 et 16 sont réalisés en technologie MMIC. De préférence, une technologie SiGe est utilisée, mais une technologie GaAn pourrait tout aussi bien être utilisée. De manière avantageuse, comme illustré sur la figure, les premier et second modules d'émission/réception 14 et 16 sont réalisés sur un même substrat de manière à constituer un circuit 13 unique. Cette variante présente un encombrement réduit facilitant l'intégration du circuit 13 à l'arrière du moyen d'émission/réception 12.
L'homme du métier constatera que le présent dispositif d'émission/réception présente de nombreux avantages.
Le fait d'exciter l'élément rayonnant par deux signaux d'excitation appliqués à des paires de points d'excitation situés en quadrature l'une de l'autre permet de symétriser le diagramme d'émission/réception de l'antenne.
Comme indiqué précédemment, la puissance des ondes électromagnétiques émises ou reçues peut être supérieure à la puissance nominale de fonctionnement de chaque module, aussi bien en émission qu'en réception. La puissance émise est deux fois plus importante que la puissance nominale. Ceci est particulièrement avantageux lorsque la puissance nominale est proche de la puissance maximale autorisée par la technologie mise en œuvre pour la réalisation des modules d'émission/réception. Bien qu'au niveau de chaque module d'émission/réception, la puissance reste au-dessous de la puissance maximale, le dispositif permet d'émettre des ondes à une puissance supérieure.
En réception, le fait de répartir la puissance de l'onde incidente entre les deux modules d'émission/réception permet au dispositif d'être plus robuste vis-à-vis des agressions extérieures, telles qu'une illumination de l'antenne par un dispositif réalisant un brouillage intentionnel ou non.
Avec les antennes de l'état de la technique, il est également possible d'émettre une onde totale polarisée. Seulement cette onde totale est réalisée par la combinaison de deux ondes élémentaires en polarisation linéaire émises selon des directions orthogonales par deux éléments rayonnants voisins. Un commutateur de sélection de polarisation est interposé entre le module d'émission/réception et l'élément rayonnant pour choisir la direction dans laquelle l'élément considéré doit être excité. Les commutateurs de sélection de polarisation de deux moyens d'émission/réception voisins sont commandés de manière adaptée pour que les deux ondes élémentaires se combinent pour obtenir une onde totale ayant la polarisation recherchée. Au contraire, dans la présente invention, chaque élément rayonnant est propre à générer individuellement une onde totale polarisée. Le lieu d'émission de l'onde totale polarisée coïncide avec le point central C de l'élément rayonnant. De plus, le fait d'éviter l'utilisation d'un composant supplémentaire tel qu'un commutateur de sélection de polarisation améliore encore le rendement du dispositif selon l'invention.
Comme indiqué précédemment, le rendement en puissance du dispositif selon l'invention est optimisé, notamment par la possibilité de connecter directement les modules d'émission/réception au moyen d'émission/réception. Les pertes sont donc réduites.
En conséquence, pour un Radar, la portée de celui-ci est améliorée pour les deux raisons suivantes :

possibilité d'émettre deux fois plus de puissance, comme vu précédemment
meilleur rendement à l'émission et à la réception.

En outre, du fait des pertes réduites, l'échauffement de l'antenne est réduit.
Un tel dispositif peut être utilisé seul ou en combinaison avec d'autres dispositifs identiques dans une antenne.
Le dispositif étant particulièrement compact, il peut être intégré dans une antenne réseau, de préférence à balayage électronique, par exemple utilisée pour des applications de radars embarqués ou pour des applications de guerre électronique au sol. Il est alors adapté pour fonctionner dans le domaine des hyperfréquences, entre 3 et 30 GHz, et avec une puissance élevée.

Claims

Dispositif d'émission/réception (10), associant des premier et second modules d'émission/réception (14, 16) à un moyen d'émission/réception (12) comportant un élément rayonnant (22) sensiblement plan et comportant un point central (C),
le moyen d'émission/réception (12) étant une antenne "patch", chaque module d'émission/réception étant un module d'émission/réception couplé au moyen d'émission/réception de manière à exciter une paire de points d'excitation (P1, P2 ; P3, P4) de l'élément rayonnant, les points d'excitation d'une paire étant disposés symétriquement par rapport au point central de l'élément rayonnant,
les premier et second modules d'émission/réception étant configurés pour exciter respectivement une première paire de points d'excitation disposés selon une première direction (D1) de l'élément rayonnant et une seconde paire de points d'excitation disposés selon une seconde direction (D2) de l'élément rayonnant, les première et seconde direction étant orthogonales entre elles,
caractérisé en ce que les premier et second modules d'émission/réception (14, 16) sont réalisés en technologie MMIC, sur un même substrat de manière à constituer un circuit (13) unique, ledit circuit (13) étant intégré à l'arrière du moyen d'émission/réception (12) dudit dispositif d'émission/réception,
en ce que les premier et second modules d'émission/réception (14, 16) comportent respectivement un interrupteur commandé (124, 126) permettant une alternance du mode de fonctionnement du module qu'il équipe en émission et en réception, un signal de commande (S_C) commun étant appliqué aux interrupteurs commandés des premier et second modules d'émission/réception (14, 16),
et en ce que chacun des premier et second modules d'émission/réception (14, 16) est couplé directement au moyen d'émission/réception par une paire de lignes d'alimentation (31, 32 ; 33, 34), une extrémité libre de chaque ligne étant couplée à un point d'excitation de l'élément rayonnant.
Dispositif d'émission/réception selon la revendication 1, dans lequel les premier et second modules d'émission/réception (14, 16) sont couplés au moyen d'émission/réception (12) de manière à ce que le moyen d'émission/réception constitue, pour chacun des premier et second modules d'émission/réception, une charge de même impédance.
Dispositif d'émission/réception selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel le couplage entre l'extrémité libre d'une ligne d'alimentation et un point d'excitation de l'élément rayonnant est réalisé par une fente ménagée dans une couche formant plan de masse du moyen d'émission/réception, l'extrémité de la ligne d'alimentation étant disposée de manière à chevaucher ladite fente par au-dessous, l'élément rayonnant étant situé au-dessus de la couche formant plan de masse, le point d'excitation de l'élément rayonnant étant alors situé sensiblement en vis-à-vis d'un centre de ladite fente.
Dispositif d'émission/réception selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel une distance entre deux points d'excitation d'une paire de points d'excitation de l'élément rayonnant (22) est adaptée en fonction de l'impédance recherchée pour la charge que constitue le moyen d'émission/réception (12) pour les premier et second modules d'émission/réception (14, 16).
Dispositif d'émission/réception selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel chaque module d'émission/réception comporte une voie d'émission (110) et une voie de réception (120), la voie d'émission (110) de chacun des premier et second modules d'émission/réception (14, 16) comportant des moyens d'amplification d'un signal d'excitation (S_E), la voie de réception (120) de chacun des premier et second modules d'émission/réception (14, 16) comportant des moyens de protection et un moyen d'amplification.
Dispositif d'émission/réception selon la revendication 5, dans lequel les moyens d'amplification sont constitués d'un préamplificateur (114) et d'un amplificateur haute puissance (116), les moyens de protection étant constitués d'un limiteur (118), et le moyen d'amplification étant constitué d'un amplificateur faible bruit (119).
Dispositif d'émission/réception selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comportant en outre un moyen d'ajustement (140) d'une phase relative (θ) entre des premier et second signaux d'excitation appliqués par les premier et second modules sur le moyen d'émission/réception (12).
Dispositif d'émission/réception selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel chacun des premier et second modules (14, 16) comporte un moyen de déphasage (134, 136), un signal de déphasage (S_ϕ) commun étant appliqué aux moyens de déphasage des premier et second modules d'émission/réception (14, 16).
Antenne comportant une pluralité de dispositif d'émission/réception, caractérisée en ce que chaque dispositif d'émission/réception est conforme à un dispositif d'émission/réception (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
Antenne selon la revendication 9 dans laquelle une voie d'émission (110) de chacun des premier et second modules d'émission/réception (14, 16) d'un même dispositif d'émission/réception comporte des moyens d'amplification d'un signal d'excitation (S_E), de préférence constitués d'un préamplificateur (114) et un amplificateur haute puissance (116), et dans laquelle une voie de réception (120) de chacun des premier et second modules d'émission/réception (14, 16) d'un même dispositif d'émission/réception comporte des moyens de protection, de préférence constitués d'un limiteur (118), et un moyen d'amplificateur, de préférence constitué d'un amplificateur faible bruit (119).
Antenne selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10, dans laquelle les premier et second modules (14, 16) d'un même dispositif d'émission/réception sont disposés entre, d'une part, une électronique de génération de signal hyperfréquence de l'antenne et une électronique d'acquisition de l'antenne, et, d'autre part, le moyen d'émission/réception (12) dudit dispositif d'émission/réception, l'électronique de génération de signal hyperfréquence et l'électronique d'acquisition étant déportées à l'écart dudit dispositif d'émission/réception.