FR2525399A1 - Procede et dispositif de test integre d'une antenne hyperfrequence a balayage electronique - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE ET UN DISPOSITIF DE TEST INTEGRE D'UNE ANTENNE HYPERFREQUENCE A BALAYAGE ELECTRONIQUE. SELON L'INVENTION, ON ASSOCIE A L'EMETTEUR-RECEPTEUR PRINCIPAL RADAR 10 D'UNE ANTENNE 11 A BALAYAGE ELECTRONIQUE UN EMETTEUR AUXILIAIRE 20 A PUISSANCE REDUITE QUI EMET DANS LES INTERVALLES DE TEMPS LIBRE ENTRE DEUX SIGNAUX D'EMISSION DE L'EMETTEUR PRINCIPAL. ON DISPOSE SUR LE TRAJET DES SIGNAUX EMIS DES ELEMENTS HYPERFREQUENCE SENSIBLES DISPOSES EN RESEAU 26 POUVANT PRESENTER DEUX ETATS DISTINCTS ET ON MODULE LOCALEMENT UN NOMBRE MINORITAIRE DE CES ELEMENTS. ON DEPLACE CETTE MODULATION LOCALE ET ON RECUEILLE DANS UN RECEPTEUR AUXILIAIRE 21 UN SIGNAL D'ECHO QUI PERMET DE DETERMINER LES CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT DE L'ANTENNE. L'INVENTION S'APPLIQUE NOTAMMENT AUX ANTENNES RADAR A BALAYAGE ELECTRONIQUE EQUIPANT DES VEHICULES MOBILES.

Description

La présente invention a pour objet un procédé de contrô-

le du fonctionnement d'une antenne à balayage électronique et un

dispositif permettant la mise en oeuvre de ce procédé.

Les radars classiques actuels à surveillance mécanique de l'espace ont des antennes dont les caractéristiques de rayon- nement sont généralement stables en fonction du temps Une panne y est générale et est détectée immédiatement La direction visée

radioélectriquement par le radar est liée directement à l'orien-

tation géométrique donnée mécaniquement à l'antenne Elle est très facilement soumise à un contrôle permanent Les informations fournies par de tels radars jouissent d'un très bon niveau de confiance. Pour des raisons de vitesse de surveillance de l'espace se développent actuellement des radars à balayage électronique, c'est-à-dire des radars dont l'orientation du faisceau émis n'est plus liée à l'inertie mécanique de l'antenne L'antenne est alors fixe et constituée de multiples éléments rayonnants

dans le circuit desquels ou sur le trajet desquels sont inter-

posés des éléments déphaseurs contrôlés assurant la fonction de

balayage électronique du faisceau de l'antenne.

Ces radars à balayage électronique présentent, par

rapport aux radars à balayage mécanique, des avantages d'utilisa-

tion très significatifs, en particulier au niveau de la réalisa-

tion mécanique, de l'agilité du balayage et de l'encombrement volumique Par contre, une panne ou un disfonctionnement possible

des éléments de déphasage entrainent des modifications des carac-

téristiques de rayonnement de l'antenne, en ce qui concerne la forme du diagramme et la direction de surveillance Ces pannes ou disfonctionnements peuvent passer inaperçus, d'o il résulte que le niveau de sûreté des informations fournies par le radar est moins bon que celui des informations fournies par un radar

à balayage mécanique.

De façon plus précise, certains radars ou systèmes à balayage électronique nécessitent une connaissance parfaite de la direction principale de rayonnement de l'antenne, ainsi que l'assurance d'une qualité de lobes secondaires suffisante En

particulier, les systèmes d'atterrissage ou de navigation auto-

matiques demandent une sécurité de fonctionnement absolue Il est donc nécessaire dans ce cas de contrôler en permanence le fonctionnement des antennes à balayage électronique En général ce contrôle se limite à vérifier le bon fonctionnement des déphaseurs équipant l'antenne, contrôle consistant à mesurer les tensions et courants d'alimentation de chaque déphaseur et à les comparer avec les valeurs théoriques qu'ils doivent avoir dans le cas d'un fonctionnement normal Si la tension ou l'intensité mesurées sortent de la fourchette de fonctionnement normal, le déphaseur est déclaré défectueux et un signal de défectuosité

est affiché.

Cependant, la présence d'une ou de plusieurs pannes ne donne aucune indication quant aux conséquences qu'elles peuvent

avoir sur les qualités du diagramme de rayonnement de l'antenne.

Il est fort possible qu'une ou plusieurs pannes localisées n'em-

pêchent pas le fonctionnement correct du radar ou du système concerné. Eventuellement, il est possible d'introduire des notions

statistiques entre le nombre de déphaseurs défectueux et la per-

turbation ou le niveau de confiance que l'on peut avoir dans le

diagramme de l'antenne; il ne s'agit cependant que d'un pis-

aller, et il n'est pas possible de quantifier l'imperfection.

On notera que pour des radars à balayage électronique installés dans des positions fixes au sol, dans un environnement géographique déterminé, et destinés par exemple à guider les avions à l'atterrissage, on peut pour les contrôler diriger leurs

faisceaux sur une balise connue Dans ces conditions, la vérifi-

cation du bon fonctionnement du système est relativement facile.

Cependant, si le radar est installé sur un véhicule mobile, terrestre, maritime ou aérien, on n'a plus de repère fixe,

et le contrôle n'est pas possible.

L'invention a pour objet un procédé et un dispositif permettant de contrôler de façon précise à tout moment le bon fonctionnement d'une antenne à balayage électronique, et en cas de disfonctionnement, de dénombrer les pannes et de chiffrer

précisément leur gravité, ainsi que leur influence sur le dia-

gramme de rayonnement de l'antenne et la direction visée par l'antenne A la limite, ces informations peuvent permettre de reconstituer et corriger les informations réelles qui seraient

normalement fournies si l'antenne fonctionnait correctement.

Conformément à l'invention, ces objets sont atteints

par le fait qu'on utilise un procédé de contrôle du fonctionne-

ment correct d'une antenne à balayage électronique comprenant un émetteur radar lié à des éléments rayonnants avec interposition d'éléments déphaseurs contrôlés assurant la fonction de balayage

électronique du faisceau de l'antenne, ce procédé étant caracté-

risé en ce que: on associe à l'émetteur radar principal un émetteur auxiliaire à puissance réduite qui émet au moins pendant les intervalles de temps libres entre deux signaux d'émission de l'émetteur principal, on relie cet émetteur auxiliaire auxdits éléments rayonnants par le même circuit que celui qui relie l'émetteur principal auxdits éléments rayonnants,

on dispose, sur le trajet des signaux émis, des élé-

ments hyperfréquence sensibles pouvant présenter deux états distincts commutables, on crée localement une coammtation d'état ou modulation intéressant un nombre minoritaire desdits éléments, on déplace cette modulation locale pour intéresser sensiblement tous les circuits correspondant à des éléments rayonnants significatifs du faisceau de l'antenne, on recueille dans un récepteur auxiliaire le signal d'écho de l'émission auxiliaire modulée renvoyée par lesdits éléments hyperfréquence, et on analyse ce signal d'écho pour en déterminer les

caractéristiques, en particulier d'amplitude et de phase, permet-

tant d'en déduire l'état de fonctionnement de l'antenne, eu égard à l'état théorique de bon fonctionnement attendu dans les

conditions de la mesure.

Comme il apparaîtra plus clairement à la description qui

suivra de quelques modes de mise en oeuvre, ce procédé permet de déterminer immédiatement et à tout moment l'état de fonctionnement (forme du diagramme et direction du faisceau) de l'antenne et de déterminer également si le fonctionnement est correct ou s'il ne l'est pas, et dans ce dernier cas de quantifier les déformations ou déviations par rapport à la forme et à la direction théoriques correctes. De préférence, et pour éviter toute perturbation des signaux reçus, on choisit pour l'émetteur auxiliaire une bande de fréquence sensiblement identique à celle de l'émetteur principal, et l'on choisit une puissance d'émission de l'émetteur auxiliaire très inférieure à celle de l'émetteur principal, par exemple dans un rapport de 1 à 10 L'invention concerne en outre un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé précité, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend: associé à l'emètteur-récepteuir radar principal, un émetteur-récepteur auxiliaire à relativement faible puissance et longue durée d'émission, des éléments sensibles hyperfréquence pouvant présenter deux états distincts et disposés en un réseau associé à ladite antenne, des moyens de modulation locale déplaçable de l'état desdits éléments hyperfréquence, et des moyens d'analyse du signal d'écho modulé renvoyé par lesdits éléments hyperfréquence et reçu audit récepteur auxiliaire. Selon un mode de réalisation, les éléments sensibles hyperfréquence sont constitués par un panneau modulateur, de type en soi connu, placé en avant des éléments rayonnants de l'antenne, et comportant des éléments à coefficient de transmission/réflexion modulables pouvant être commandés

successivement par un système d'adressage relié au récepteur.

Dans une telle conception, le dispositif peut s'adapter immédiatement à toute antenne existante, l'adaptation pouvant

se faire de façon économique et rapide.

Dans une autre réalisation, lesdits éléments sensibles hyperfréquence sont constitués par des éléments modulés

intégrés à l'antenne entre les déphaseurs et les éléments rayon-

nants et pouvant être commandés successivement par un système

d'adressage et de modulation relié au récepteur.

L'invention et sa mise en oeuvre apparaîtront plus

clairement à l'aide de la description qui va suivre-faite en

référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est un schéma montrant l'organisation d'un dispositif conçu selon l'invention; la figure 2 montre comme la figure 1 une variante de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, cette figure n' illustrant que la partie du dispositif modifiée par rapport à celui illustré à la figure 1; la figure 3 est un graphique illustrant, en fonction

du temps, l'émission des signaux provenant de l'émetteur princi-

pal et de l'émetteur auxiliaire; la figure 4 illustre, en fonction du temps, l'amplitude des signaux d'écho reçus au récepteur auxiliaire, tandis que l'on déplace la modulation locale des éléments hyperfréquence sensibles aux signaux provenant de l'émetteur auxiliaire; les figures 5 et 6 montrent deux courbes affichées sur un oscilloscope montrant les deux composantes orthogonales du signal d'écho permettant de déterminer l'amplitude et la phase

de ce signal.

On se reportera tout d'abord à la figure 1.

Sur cette figure, on a représenté en traits normaux les composantes classiques d'un système d'antenne radar à balayage

électronique.

Ce système comprend un émetteur-récepteur principal 10 associé à une antenne i 1 à balayage électronique comprenant des éléments rayonnants proprement dits 121, 122, 123, etc, commandés

par des éléments déphaseurs contrôlés 131, 132, 1331 etc, permet-

tant d'effectuer le balayage électronique Les éléments dépha-

seurs 13 V, 1321 t sont commandés à partir d'un dispositif

de pointage ou pointeur 14 lui-même commandé à partir d'un cal-

culateur électronique numérique 15 Pour son fonctionnement, le système comprend en outre un circulateur classique 16 assurant dans un sens l'émission 17 et dans l'autre la réception 18, un

circuit 19 reliant en outre l'émetteur-récepteur 10 au calcula-

teur 15.

Le schéma décrit ci-dessus correspond à une installation classique. Conformément à l'invention, on associe en outre au dispositif un émetteur auxiliaire 20 et un récepteur auxiliaire 21 L'émetteur auxiliaire 20 émettra dans le circuit de l'antenne au moyen de la liaison 22 contrôlée par un commutateur électroni- que 23 qui sera ouvert lors de l'émission de l'émetteur principal du radar, ceci pour éviter toute perturbation De la même façon, le récepteur auxiliaire 21 est lié à l'antenne par un circuit 24 commandé par un contact électronique 25, le contact 25 étant

contrôlé comme le contact 23.

Selon l'exemple illustré, en avant de l'antenne est dis-

posé un panneau modulateur 26 comportant un réseau d'éléments à coefficient de transmission/réflexion modulable pouvant être commandés successivement par un système d'adressage relié au récepteur Il peut s'agir exemplairement d'un panneau comportant

deux réseaux de fils croisés, par exemple sensiblement orthogo-

naux, chargés de diodes pouvant être commandées chacune respec-

tivement en conduction ou non par un système d'adressage ou

commutateur 27 lié au panneau Un tel type de panneau a été notam-

ment décrit dans la demande de brevet français no 81 09855 du

18 mai 1981 déposée par le même demandeur.

Ce qui est essentiel est que par le système d'adressage susmentionné, il soit possible de commander un nombre minoritaire des éléments à coefficient de transmission/réflextion modulable dans un état, tandis que les autres éléments du panneau seront dans un autre état, et de pouvoir déplacer rapidement sur la

surface du panneau les éléments minoritaires concernés.

Pour permettre la mise en oeuvre de l'invention et la lecture des résultats, le commutateur 27 commandant le panneau modulateur 26 est luimême commandé par le calculateur 15 comme indiqué en 28 A partir du calculateur 15 est également commandé le pointeur 14 comme indiqué en 29 Le circuit est complété par une liaison 30 reliant le commutateur 27 au récepteur auxiliaire 21 et par un calculateur auxiliaire 31 formé exemplairement d'un convertisseur analogique digital 32 relié par un calculateur interface 33 au calculateur principal 15 Il y a lieu de noter que le calculateur auxiliaire 31 peut constituer une partie du

calculateur principal 15.

On expliquera maintenant le fonctionnement du dispositif

en faisant notamment référence aux figures 1, 3 et 4.

Suivant l'exemple illustré à la figure 3, on a supposé que l'émetteur principal radar 10 avait une puissance de crête de 1 MW ( 106 W) et émettait toutes les millisecondes (ms) une impulsion. De la même façon, l'émetteur auxiliaire émet de façon sensiblement continue avec une puissance de crête exemplairement de 1 W.

113 Lors-de l'émission principale de l'émetteur radar 10,.

l'émission auxiliaire est coupée par l'ouverture du commutateur 23 (encore que ce commutateur puisse être supprimé compte tenu des puissances relatives de crête de l'émetteur principal et de l'émetteur auxiliaire) Le pointeur 14 contrôlé par le calculateur 15 affiche un certain degré de pointage de l'antenne Le' faisceau émis par les éléments rayonnants 12 V, 122, 1231, traverse le panneau modulateur 26 convenablement adapté commandé en "transparence" lors de cette émission selon une commande appropriée des éléments qui le constituent, et comme il est bien connu A la réception, qui peut se faire à tout moment ultérieur selon la distance de la cible, le panneau 26

n'introduira pas de perturbations appréciables du signal.

Lorsque le signal d'émission de l'émetteur principal du radar est terminé, exemplairement une microseconde après le début de l'émission, le commutateur 23 se ferme et l'émetteur auxiliaire

émet de façon continue pendant l'intervalle de temps 11 millise-

conde) entre deux impulsions de l'émetteur principal.

Le signal d'émission de faible puissance passe par l'antenne pour laquelle le pointeur 14 affiche toujours le même

angle que précédemment.

A partir de ce moment, on met à profit la durée de temps relativement longue ( 1 milliseconde) entre deux signaux de l'émetteur radar principal pour commander successivement et

rapidemment, par exemple en "réflexion" des éléments hyperfré-

quence sensibles minoritaires constituant le panneau modulateur 26 Ceci pourra être fait par exemple en bloquant, ou en rendant passant successivement chacune des diodes du réseau adressé du panneau 26 Ceci revient à déplacer devant l'antenne un "point

brillant" dont l'écho est reçu au récepteur auxiliaire 21.

De façon à augmenter la brillance du point en question,

on module le point brillant en question à une fréquence suffi-

sante, par exemple de l'ordre de 2 M Hz En opérant ainsi, on peut par exemple commander chaque diode "adressée" successive- ment quatre fois en conduction et en blocage, avant de passer à la suivante La figure 4 traduit dans ces conditions l'amplitude du signal d'écho E 2 reçueau récepteur auxiliaire se traduisant par quatre créneaux couvrant deux microsecondes, chaque famille de quatre créneaux tels que e 1, e 2,, correspondant à un "point brillant" adressé La valeur de l'amplitude du signal reçu dépend évidemment à l'endroit considéré de l'amplitude et

de la phase du signal émis.

En d'autres termes, on reçoit au récepteur auxiliaire

21 par le circuit 24 un signal d'écho qui, du fait de la ré-

flexion intervenue, s'écrit: (Ee 4) 2 = E 2 e 2 j t = E 2 (cos 2 + j sin 2 tÀ dans laquelle E est l'amplitude du champ reçu au point considéré du panneau, ? est l'angle de phase du champ, j étant le nombre imaginaire. En d'autres termes, on détecte au récepteur auxiliaire 21 deux signaux synchrones en quadrature fournissant deux sorties proportionnelles respectivement à E 2 cos 2 t et E 2 sin 2 I comme indiqué au schéma de la figure 1 t Connaissant l'angle théorique de pointage affiché par le pointeur 14, il est dans ces conditions facile de vérifier si l'amplitude et la phase du champ reçu en chaque point du panneau modulateur correspond à ce qu'elles devraient être si l'antenne fonctionnait correctement, et de déterminer simultanément la différence éventuelle par rapport aux signaux attendus Ceci permet donc de déduire au niveau de l'ensemble de calcul entouré et repéré 40 à la figure 1: si le fonctionnement de l'antenne est correct, s'il ne l'est pas, de déduire les déviations de forme

et les déviations de pointage du faisceau.

Il peut même être possible de commander à partir de cette détection les rectifications de pointage et de forme du faisceau en faisant appel à un autre groupement contrôlé des éléments

d'émission du radar.

On donnera ci-après un exemple d'application pratique.

Soit une antenne radar à balayage électronique d'envergu- re 50 X sur laquelle on désire effectuer un contrôle dans le plan

de balayage toutes les demi-longueurs d'onde ( A étant la lon-

gueur de l'onde émise).

Le nombre de points de mesure sera donc de 100 L'utili-

sation de diodes PIN de rapidité moyenne pour la réalisation du

panneau modulateur 26 permet une fréquence de commutation d'envi-

ron 2 M Hz (soit 0,5 microseconde) Le temps de mesure élémentaire nécessaire à la détection finale doit être de l'ordre de quelques

périodes de modulation des diodes, soit par exemple 2 microsecon-

des pour 4 périodes La mesure complète de 100 points durera donc

microsecondes.

Pour un radar à moyenne fréquence de récurrence, par exemple de l'ordre de 1 milliseconde, la mesure est donc effectuée en un temps inférieur à une récurrence De plus, la fréquence de

commutation des diodes étant relativement élevée ( 2 M Hz), la fai-

ble perturbation apportée par le système de contrôle se trouve

rejetée en dehors de la bande passante finale du radar Le con-

trôle peut donc être effectué en permanence puisqu'il ne perturbe

pas le fonctionnement du radar.

Pour un radar à impulsions longues, le contrôle peut se faire à l'aide et pendant l'impulsion d'émission Dans ce cas,

on supprime l'émetteur auxiliaire.

Dans l'exemple de réalisation décrit en relation avec la figure 1, on a placé en avant du faisceaude l'antenne un panneau modulateur, exemplairement à diodes PIN, piloté par un commutateur 27 permettant la sélection du point de mesure par adressage par exemple lignes-colonnes Au repos, le panneau est adapté en tous points, les diodes étant toutes dans le même état (inverses par exemple), autrement dit le panneau est transparent aussi bien à l'émission qu'à la réception En période de contrôle, un point de mesure est obtenu en polarisant l'une des diodes dans l'état désadapté (direct) et cette désadaptation est modulé en tout ou

rien pour faciliter la détection.

Dans certains types d'antennes à balayage électronique, le panneau modulateur peut être directement intégré entre les 25253 f 99 déphaseurs 13 et les éléments rayonnants 12 Dans ce cas, il peut prendre la forme de circuits hyperfréquence classiques comme illustré à la figure 2 o ces circuits repérés 391, 392 ' 393,, ont été introduits entre les déphaseurs 131, 132, 133,

, et les éléments rayonnants 121, 122, 123,, de l'antenne.

Pour le reste, le dispositif est identique à ce qui a été décrit en relation avec la figure 1 En période de contrôle, entre deux impulsions de l'émetteur principal, les éléments 391, 392 ' 393 ' , sont modulés faiblement et le signal d'écho reçu permet de déterminer l'état d'amplitude et de phase du signal reçu à la sortie des éléments déphaseurs 131, 132, 133, On notera cependant qu'une telle disposition ne donne pas de renseignements sur l'état de fonctionnement des éléments rayonnants 121, 122, 123,, et qu'en outre une telle construction nécessite qu'elle

soit prévue au moment de la fabrication de l'antenne.

Aux figures 5 et 6 on a montré les courbes enregistrées sur un oscilloscope donnant les signaux d'amplitude E 2 cos 2 a et E 2 sin 2 respectivement en fonction du temps pour une antenne

à fente dépointée à 10 .

Claims (6)

REVENDICATIONS

1 Procédé de contrôle du fonctionnement correct d'une antenne à balayage électronique comportant un émetteur radar lié

à des éléments rayonnants avec interposition d'éléments dépha-

seurs contrôlés assurant la fonction de balayage électronique du faisceau de l'antenne, caractérisé en ce que:

on associe à l'émetteur radar principal ( 10) un émet-

teur auxiliaire ( 20) à puissance de crête réduite qui émet au moins pendant les intervalles de temps libre entre deux signaux d'émission de l'émetteur principal, on relie cet émetteur auxiliaire ( 20) auxdits éléments rayonnants ( 12) et par le même circuit que celui qui relie l'émetteur principal ( 10) auxdits éléments rayonnants, on dispose sur le trajet des signaux émis des éléments hyperfréquence sensibles pouvant présenter au moins deux états distincts, on crée localement une modulation d'état intéressant un nombre minoritaire desdits éléments, on déplace cette modulation locale pour intéresser sensiblement tous les circuits correspondants à des éléments rayonnants significatifs du faisceau de l'antenne, on recueille dans un récepteur auxiliaire 21 le signal d'écho de l'émission auxiliaire modulée renvoyée par lesdits éléments hyperfréquence, et on analyse ce signal d'écho pour en déterminer les caractéristiques en particulier d'amplitude E et de phase permettant d'en déduire l'état de fonctionnement de l'antenne eu égard à l'état théorique de bon fonctionnement attendu dans

les conditions de la mesure.

2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on choisit pour l'émetteur auxiliaire ( 20) une bande de fréquence sensiblement identique à celle de l'émetteur principal

( 10).

3 Procédé selon l'une des revendications précédentes,

caractérisé en ce qu'on choisit une puissance d'émission de crête

de l'émetteur auxiliaire ( 20) très inférieure à celle de l'émet-

teur principal ( 10), par exemple dans un rapport de 1 à 106.

4 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon

l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il

comprend:

associé à l'émetteur-récepteur radar ( 10) un émetteur-

récepteur auxiliaire ( 20,21) à relativement faible puissance de crête et longue période d'émission, des éléments sensibles hyperfréquence pouvant présenter au moins deux états distincts et disposés en un réseau ( 26,39) associé à ladite antenne ( 11), des moyens de modulation ( 27) locale déplaçable de l'état desdits éléments hyperfréquence, et des moyens d'analyse ( 31) du signal d'écho modulé

renvoyé par lesdits éléments hyperfréquence et reçu audit récep-

teur auxiliaire ( 21).

Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de modulation locale déplaçable comprennent un panneau modulateur ( 26) de type en soi connu placé en avant des éléments rayonnants ( 12) de l'antenne ( 11) et comportant des éléments à coefficients de transmission/réflexion modulables pouvant être commandés successivement par un système d'adressage

( 27) relié audit récepteur ( 21).

6 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de modulation locale déplaçable comprennent des éléments modulateurs ( 39) intégrés à l'antenne ( 11) entre les déphaseurs ( 13) et les éléments rayonnants ( 12) et pouvant être commandés successivement par un système d'adressage ( 27)

relié au récepteur ( 21).

7 Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6,

caractérisé en ce que les moyens de modulation locale déplaçable ( 27) sont associés aux moyens ( 15,14) de commande de balayage du faisceau de l'antenne ( 11) pour commander un même calculateur ( 31) qui comparera l'angle de pointage affiché du faisceau et l'angle de pointage calculé à partir des signaux d'écho E 2 sin 2 c, E 2 cos 2 L précités reçus au récepteur auxiliaire

( 21).