FR2696553A1 - Méthode de calibration d'antenne en champ proche pour antenne active. - Google Patents

Abstract

La méthode selon l'invention consiste à relever les éléments d'une matrice de fonction de transfert à l'aide d'une sonde en champ proche, pour chaque source rayonnante d'une antenne active. Pour effectuer les mesures, la sonde est placée successivement devant chaque source, et à tour de rôle, chaque source est excitée en opposition de phase, alors que toutes les autres sources du réseau sont excitées normalement. Dans le cas de superposition linéaire de champs rayonnés, les mesures selon la méthode de l'invention permettent d'obtenir directement les éléments de la matrice de fonction de transfert, qui comprend les erreurs de phase et d'amplitude dues aux composants de l'antenne active, ainsi que les effets de couplage entre sources voisines, qui viennent modifier les caractéristiques théoriques de l'antenne. Dans le cas non-linéaire, les mesures sont répétées et la matrice est obtenue par itération à partir d'une comparaison entre les valeurs théoriques utilisées pour commander l'antenne, et les mesures des champs effectivement obtenus. Des mesures des modules actifs individuels avant l'assemblage peuvent également être exploitées selon une variante de la méthode.

Description

METHODE DE CALIBRATION D'ANTENNE EN CHAMP PROCHE POUR ANTENNE ACTIVE

La présente invention concerne la mesure et la fabrication des antennes actives, qui comprennent un grand nombre N de voies en parallèle Les antennes 5 actives utilisent ce nombre N de voies pour former le diagramme de rayonnement de l'antenne, par superposition des champs résultant de l'excitation de chaque élément. Lors de la conception d'une antenne, des calculs théoriques permettent, à partir des caractéristiques radioélectriques désirées, la détermination de la géométrie des sources rayonnantes, ainsi que celle des paramètres de fonctionnement de ces sources et des modules actifs qui leur sont associés; ces paramètres sont notamment le gain des amplificateurs, la dynamique,15 et/ou le déphasage relatif nécessaire pour obtenir un dépointage recherché Ces calculs sont d'une part faits à partir de certaines hypothèses et de relations mathématiques qui décrivent des principes physiques, et d'autre part à partir des données physiques concernant20 l'antenne et ses composants Ces données doivent être déterminées ou confirmées par des mesures des caractéristiques radioélectriques de l'antenne. L'invention concerne une méthode de calibration d'antennes actives, qui, à partir de mesures effectuées en champ proche sur l'antenne et ses sources rayonnantes, permet, par un calcul spécifique, la détermination des paramètres de commande à appliquer aux modules actifs, et les champs résultants en champ lointain. L'antenne active, objet de la méthode selon l'invention, peut fonctionner soit en émission, soit en réception, soit dans les deux configurations en alternance (cas des antennes radar). Dans le cas d'une antenne fonctionnant en émission, le signal provenant d'un émetteur centralisé bas niveau est divisé en N signaux supposés identiques sur N voies à l'aide d'un répartiteur de puissance; ensuite, sur chaque voie, un module actif amplifie le signal selon un gain commandable, et applique un déphasage commandable, avant de transmettre le signal amplifié vers la source rayonnante (voir la figure 1). 5 Dans le cas d'une antenne fonctionnant en réception, le signal reçu sur chaque source rayonnante est amplifié et déphasé dans un module actif dont le gain et le déphasage sont commandables Les N signaux amplifiés sur les N voies sont ensuite rassemblés par un combineur de10 puissance, et transmis sur une voie unique vers un récepteur centralisé (voir la figure 2) Cette disposition est l'inverse de la disposition précédente, et, du point de vue théorique, son traitement est rigoureusement symétrique à cette dernière.15 Dans le cas des antennes fonctionnant en émission et en réception en alternance, telles les antennes radar, un dispositif unique est appelé à servir comme combineur à la réception et comme répartiteur à l'émission, et les modules actifs comportent un commutateur entre une voie20 de réception munie d'un amplificateur à faible bruit, et une voie d'émission munie d'un amplificateur de puissance Selon la conception du module actif, un déphaseur et un atténuateur commandables sont prévus pour chaque voie, ou alors s'ils sont de type réciproque, ils25 peuvent être disposés sur une voie unique, reliée en alternance aux deux voies émission/réception par un commutateur SPDT (voir la figure 3). Dans la conception d'une antenne active, les signaux de commande nécessaires à la formation de faisceaux sont calculés par ordinateur à partir d'hypothèses et approximations qui rendent les calculs possibles, mais qui ne sont pas toujours conformes à la réalité mesurable en ce qui concerne les performances de l'antenne. Par exemple, les sources sont présumées identiques, alors qu'elles sont sujettes à de petites variations de leurs caractéristiques radioélectriques, provenant des aléas de leur fabrication Il en est de même pour les

modules actifs: impédance, gain, pertes d'insertion et déphasage peuvent varier d'un module à l'autre, de sorte qu'un signal de commande identique ne produit pas un5 déphasage ou une amplitude identiques d'une source à une autre.

D'autre part, les commandes de gain sont supposées rigoureusement exactes, et totalement indépendantes de

celles de phase et réciproquement, alors qu'en pratique,10 elles ne le sont pas, et une faible influence de l'une sur l'autre est inévitable.

De plus, la position d'une source dans le réseau peut influencer les caractéristiques radioélectriques de cette source, par couplage avec les sources avoisinantes.15 Par exemple, les caractéristiques d'une source située à une extrémité du réseau sont différentes de celles d'une source plus centrale, entourée par des sources voisines. Finalement, on présume, pour les calculs théoriques, que les amplificateurs des sources sont linéaires Ceci signifie que les champs résultants à la source sont prévisibles à partir du niveau de commande appliqué aux

amplificateurs Or, si l'amplificateur fonctionne près de la saturation, ce qui est souvent le cas en émission, les signaux de commande nécessaires pour obtenir une25 amplitude recherchée diffèrent des calculs théoriques linéaires.

La méthode de calibration selon l'invention permet de tenir compte, lors des calculs théoriques de champs lointains, de ces écarts entre la réalité et la situation30 théorique idéale dans la caractérisation et la conception d'une antenne active Les résultats obtenus sont particulièrement appréciables pour les antennes ayant des diagrammes de rayonnement précisément formés, notamment les antennes à formation de faisceaux par calcul.35 Le problème soulevé par l'existence de ces erreurs, par rapport à l'antenne idéale réalisée uniquement avec des composants idéaux, n'est pas nouveau On rappelle pour le lecteur les trois types d'erreurs visés par la méthode selon l'invention: la dispersion (résultant de la fabrication) des caractéristiques radioélectriques des 5 composants; les erreurs de commande (en phase et en gain); et les couplages (variables) entre sources rayonnantes, suivant leur position dans le réseau Les solutions apportées par l'art antérieur restent insatisfaisantes, pour les raisons énumérées ci-après.10 Pour pallier la dispersion des caractéristiques radioélectriques entre les modules, supposés identiques pour des composants identiques, il est connu d'incorporer à l'antenne active des circuits de calibration spécifiques Pour une antenne fonctionnant en émission, ces circuits prélèvent une fraction connue du signal issu de chaque module actif, et la renvoient vers l'unité de

contrôle de l'antenne: pour une antenne fonctionnant en réception, ces circuits injectent un signal connu dans le circuit de réception, et le récupèrent après qu'il ait20 suivi le trajet normal d'une voie de réception de l'antenne.

Cette solution souffre de deux inconvénients majeurs: la nécessité d'un circuit spécifique pour chaque module ajoute un surcoût considérable au prix déjà25 élevé d'une antenne active; de même, l'encombrement, le poids, la consommation de puissance électrique, la dissipation thermique, et la complexité de l'ensemble croissent en conséquence D'autre part, la calibration résultante ne tient compte que des dispersions affectant30 les circuits, mais néglige l'influence de couplage entre sources, ainsi que l'influence de la dispersion de fabrication des sources rayonnantes elles-mêmes. Une autre méthode connue consiste à installer une antenne de test, par exemple un cornet ou un dipôle à une certaine distance de l'antenne active à calibrer La fonction de transfert entre l'antenne de test et chacune des voies est déterminée par la mesure successive du

champ délivré par chaque voie, selon la méthode suivante. Toutes les voies, sauf la voie à mesurer, sont commutées hors circuit pendant la mesure d'une voie donnée, chaque 5 voie à tour de rôle.

La mise en oeuvre de cette solution de l'art antérieur requiert des modifications dans la réalisation

du module actif de base, pour incorporer la fonction de mise sur charge adaptée pour toutes les voies, sauf celle10 à mesurer, à tour de rôle.

Une variante consiste à maintenir fixes les commandes des autres voies, pendant que la voie scrutée

est commandée de façon variable, ce qui fait tourner la phase Ceci permet théoriquement de caractériser les15 différents états de phase de cette voie.

Mais cette méthode souffre du problème de couplage entre sources voisines, qui n'est pas mesuré dans des

conditions représentatives de l'état de fonctionnement normal: en faisant tourner la phase de la voie sous20 calibration, on perturbe quelque peu le rayonnement des autres sources, donc la mesure du champ rayonné.

Le problème de modélisation théorique de ces couplages a aussi été abordé dans l'art antérieur De nombreuses modélisations ont été proposées, selon le type25 de source rayonnante Les modèles visent à savoir par le calcul, quel sera le véritable rayonnement de la source Si lorsqu'elle est entourée des N-1 autres sources Sj, j # i, qui sont toutes excitées par des ondes aj Cependant, les sources réelles sont très difficiles à modéliser correctement, notamment les antennes imprimées (connues sous le nom "patches" en anglais) Or, ces "patches" se trouvent employés de plus en plus souvent dans les antennes actives, et les couplages entre des

sources rayonnantes de ce type sont particulièrement35 importants.

Les méthodes de calcul théorique de couplage sont souvent entachées d'erreur, de même que les méthodes de modification de ces couplages (pour diminuer la désadaptation induite sur l'antenne) par des trous de 5 couplage pratiqués entre les guides d'accès, par la disposition judicieuse d'un radôme diélectrique, Les méthodes de prédiction théorique des couplages pourraient surtout permettre de corriger par le calcul leurs effets perturbateurs dans une séquence de10 calibration; mais ceci est toujours, dans l'art antérieur, indépendant de la mesure des dispersions de fabrication, ou des erreurs de commande. La méthode selon l'invention permet de pallier ces inconvénients de l'art antérieur, et qui plus est, de

corriger simultanément les trois types d'erreur rappelés ci-dessus.

A ces fins, l'invention propose une méthode de calibration d'une antenne active comprenant N sources rayonnantes; caractérisée en ce que: une sonde est20 placée successivement devant chaque source rayonnante de façon à mesurer le champ proche devant cette source; la mesure étant effectuée pour une configuration d'antenne désirée en vue d'obtenir un diagramme de rayonnement recherché; et en ce que: lors de ladite mesure du champ25 proche devant ladite source, un déphaseur sur chaque voie, à tour de rôle, est commandé de façon à commuter la

phase de rayonnement de cette voie à 180 de déphasage par rapport à sa valeur nominale, toutes les N-1 autres sources étant commandées selon leurs valeurs nominales de30 fonctionnement dans cette configuration en vue d'obtenir le diagramme de rayonnement recherché.

L'invention propose ainsi une méthode de calibration d'une antenne active comprenant N sources rayonnantes disposées dans un réseau, cette disposition en réseau35 donnant lieu à un couplage entre lesdites sources, ces sources étant alimentées par des modules actifs, ces modules actifs comportant des moyens de commande de phase et des moyens de commande de gain; ces sources, ces modules actifs, ces moyens de commandes de phase et ces moyens de commande de gain présentant de faibles 5 dispersions de caractéristiques dues à la fabrication de ces différents éléments, ces moyens de commande de phase et de gain présentant également des imprécisions de réponse suscitées par une commande donnée; caractérisée en ce que: utilisant une sonde appropriée, l'on effectue10 des mesures en champ proche caractérisant simultanément les effets desdits couplages entre sources, desdites dispersions de caractéristiques dues à la fabrication, et desdites imprécisions desdits moyens de commande. Dans une méthode plus précise selon l'invention, les valeurs de commandes de gain et de phase pour une configuration d'antenne désirée en vue d'obtenir un diagramme de rayonnement recherché sont d'abord déterminées par la méthode précitée, et ces valeurs de commandes sont appliquées auxdits moyens de commande;20 cette méthode plus précise étant caractérisé en ce que: les mesures en champ proche sont répétées avec ces valeurs de commande, de manière à obtenir des corrections plus fines à ces valeurs Au besoin, cette procédure peut être répétée; une itération de cette procédure25 pendant un nombre suffisant de cycles permettant d'obtenir une précision arbitraire des paramètres spécifiés. Dans une autre méthode plus précise selon l'invention, un tableau de calibration est formulé à partir de mesures effectuées sur les modules actifs avant l'assemblage de l'antenne, et ce tableau fournit ensuite

les valeurs affinées des commandes de déphasage et de gain qui seront mises en oeuvre pour contrôle après une seule mesure en champ proche, selon la méthode de base35 présentée au début de ce texte.

La méthode selon l'invention et ses variantes peuvent être appliquées à des antennes actives fonctionnant en émission, en réception, ou alternativement en émission et en réception. 5 Dans le cas d'une antenne radar, la méthode selon l'invention sera appliquée deux fois: une fois pour l'antenne fonctionnant en émission, pour déterminer les valeurs de commandes de déphasage et de gain en émission; et l'autre fois pour l'antenne fonctionnant en

réception, afin de déterminer les valeurs de commandes de déphasage et de gain en réception.

La méthode selon l'invention procure de nombreux avantages par rapport aux méthodes de l'art antérieur pour la calibration d'antennes actives La méthode selon15 l'invention permet la calibration de l'antenne en tenant compte de toutes les dispersions qui génèrent des écarts entre le diagramme de rayonnement réel et le diagramme théorique calculé par logiciel. Dans l'art antérieur, la caractérisation d'une antenne par mesure en champ proche demande un nombre de relevés ponctuels bien plus élevé Pour chacune des N sources rayonnantes (les autres étant sur charge adaptée) il faut effectué un relevé à chaque point d'un quadrillage en carrés de côté ?/2, sur une surface25 débordant nettement ceile de l'antenne: en prenant pour exemple une antenne de N= 96 sources, chacune d'une

surface de 2,8 12, environ 100 000 relevés sont nécessaires pour la calibration complète des 96 sources; tandis que la méthode selon l'invention ne demande que N30 (N+ 1) mesures, o N est le nombre de sources rayonnantes, soit 9312 dans l'exemple choisi.

La méthode selon l'invention procure ainsi un gain de temps considérable pour la calibration de l'antenne gain d'un facteur 11 dans l'exemple ci-dessus) De plus,35 la méthode proposée est bien adaptée à une itération permettant d'approcher à une précision arbitraire les p l performances finales de l'antenne, et dans les conditions réelles de fonctionnement. Puisque la méthode selon l'invention prend en compte des variations des caractéristiques radioélectriques des composants de l'antenne, il est possible d'élargir là fourchette des tolérances admises pour ces composants. Le coût des composants peut être diminué de cette manière, réduisant ainsi le coût global de l'antenne. Par rapport à certaines méthodes de l'art antérieur, la réalisation de l'antenne est aussi simplifiée, car la méthode selon l'invention ne requiert pas de circuits spécifiques de prélèvement ou d'injection de signaux de calibration. D'autres avantages et caractéristiques de la méthode

de l'invention ressortiront de la description détaillée qui suit, avec ses dessins annexés dont:

la figure 1, déjà citée, montre schématiquement une antenne active fonctionnant en émission; la figure 2, déjà citée, montre schématiquement une20 antenne active fonctionnant en réception; la figure 3, déjà citée, montre schématiquement une antenne active de radar, fonctionnant alternativement en émission et en réception; la figure 4, montre symboliquement la relation entre

différentes quantités vectorielles et matricielles déterminées par la méthode selon l'invention.

Sur les figures, les mêmes éléments portent les mêmes références, et aux fonctions immatérielles sont

attribuées des symboles pour faciliter l'explication de30 la méthode de l'invention.

La figure 1 montre schématiquement en coupe un exemple d'une antenne active disposée en réseau linéaire, fonctionnant en émission L'exemple montré sur cette figure est facilement généralisable au cas d'un réseau35 bidimensionnel ou similaire Sur la figure, un émetteur 1 de bas niveau alimente, à travers un répartiteur passif de puissance 2, les N sources rayonnantes du réseau linéaire, Sl,Si, SN Entre le répartiteur 2 et les sources Si, des modules actifs Mi effectuent un déphasage Ci et une amplification avec un 5 gain Ai, les valeurs de déphasage et de gain d'amplification étant commandables par l'unité de commande 3 A la sortie des modules actifs Mi, les signaux utiles complexes ai sont acheminés vers les sources rayonnantes Si, d'o ils sont rayonnés En cas10 de désadaptation d'impédance entre les modules M et les sources S, il y aura éventuellement des signaux réfléchis bi se propageant en sens inverse par rapport aux signaux utiles. Les ondes rayonnées par les sources S se superposent avec les amplitudes et phases qui leur sont attribuées, selon un calcul de formation de faisceaux, pour rayonner selon une direction voulue avec un lobe formé selon l'application envisagée. La figure 2 montre schématiquement en coupe un exemple d'une antenne active disposée en réseau linéaire, fonctionnant en réception L'exemple montré sur cette figure est facilement généralisable au cas d'un réseau bidimensionnel ou similaire Sur la figure, un récepteur il est alimenté, à travers un combineur25 passif 12, par les N sources du réseau linéaire, S j Si, SN Entre le combineur 12 et les sources Si, des modules actifs Mi effectuent un déphasage Fi et une amplification avec un gain Ai, les valeurs de déphasage et de gain d'amplification étant commandables, notamment30 par l'unité de commande 13 Les signaux utiles complexes ai sont acheminés depuis les sources rayonnantes Si vers les entrées des modules actifs Mi, o ils sont amplifiés avec les gains et phases commandables pour chaque signal. En cas de désadaptation d'impédance à l'entrée des35 sources S, il y aura éventuellement des signaux réfléchis il bi se propageant en sens inverse par rapport aux signaux utiles. Les ondes arrivant sur les sources S, combinées avec les amplitudes et les phases qui leur sont attribuées par un calcul de formation de faisceaux, arrivent ensuite sur le récepteur 11, d'une façon cohérente, provenant d'une direction déterminée, avec un lobe formé selon l'application envisagée. La figure 3 montre schématiquement une antenne active de radar, fonctionnant alternativement en émission et en réception L'alternance des fonctions émission / réception est assurée par des commutateurs 25, 52 commandés par une horloge de synchronisation 24 Sur la figure 3, des polarisations orthogonales peuvent être15 sélectionnées par le commutateur 26, pour la réception comme pour l'émission Comme dans les deux exemples précédents, la phase et le gain sont commandables par des moyens de commande 23, aussi bien en émission qu'en réception Les valeurs de commande qui seront fournies20 pour la commande d'une voie de réception donnée, ne sont pas forcément les mêmes que pour la même voie utilisée pour l'émission. Sur la figure, un seul module actif émission / réception est montré, comprenant le déphaseur commandable 27 et un atténuateur commandable 28, pour ajuster le gain du module Cependant, il faut un module actif par voie, et, dans cet exemple, il y a m-m' voies, chaque voie étant reliée à une source rayonnante composée de K 11 sk patches 1 i à Si J m' étant le nombre de colonnes de sources, dont seule la première et la deuxième sont

(partiellement) représentées.

En mode émission, l'émetteur 21 fournit ses signaux à un répartiteur/combineur 22, qui alimente les modules actifs E/R La phase et l'atténuation du signal seront déterminées par le déphaseur commandable 27 et l'atténuateur commandable 28, selon les instructions données par le calculateur de commande 23 Ensuite, les

commutateurs 25 et 52 seront commandés par l'horloge 24 pour engager la voie de puissance, et le signal sera amplifié par l'amplificateur de puissance 29, avant 5 d'être envoyé sur les sources rayonnantes Sij -

En mode réception, le récepteur 31 reçoit les signaux du combineur/répartiteur 22, qui sont acheminés

par les modules actifs E/R Dans les modules E/R, les signaux provenant des sources rayonnantes Sij sont10 commutés par les commutateurs 25, 52 sur la voie réception et traversent un amplificateur faible bruit 30.

Ensuite, le déphasage et l'atténuation sont appliqués par le déphaseur commandable 27 et l'atténuateur commandable 28, commandés par le calculateur de15 commande 23.

Ces architectures d'antennes selon les figures 1 à 3 sont bien connues de l'homme de l'art, et une description

plus détaillée n'est pas nécessaire pour illustrer les principes de l'invention.20 Pour mieux faire comprendre la méthode de calibration selon l'invention, une description sera

proposée ci-après utilisant un formalisme mathématique appartenant à l'algèbre matricielle Dans cet exposé, les quantités scalaires seront désignées par des lettres25 romaines, comportant éventuellement des indices qui indiquent leur position dans un vecteur ou dans une matrice; les quantités vectorielles seront désignées par des lettres romaines soulignées; et les quantités matricielles seront désignées par des majuscules GRAS.30 Toutes les quantités sont complexes, comportant une amplitude et une phase La relation entre ces quantités est représentée symboliquement sur la figure 4. Par exemple, le vecteur: Ci ci CN représente les N commandes de l'antenne active, en amplitude et en phase, avec I Ci Imax = 1 t ce qui veut dire que le gain maximal des voies est pris comme référence, soit O d B. A ail A ai La N représente les N excitations réelles, qui

sont les ondes incidentes sur les sources rayonnantes.

Nous définissons une matrice de dispersions D qui nous donne la relation entre les commandes et les excitations A = DC La matrice D est Nx N et diagonale, avec l'élément di = ai/ci qui représente la différence en amplitude et en phase entre l'excitation commandée et l'excitation réelle de la voie i Cette matrice prend en compte les effets de dispersions de caractéristiques dus à la

fabrication, ainsi que les imprécisions de commandes.

Le vecteur I représente "l'illumination" ou "le champ sur l'ouverture": I = -Il Ii -IN. Ces termes sont utilisés couramment dans la littérature spécialisée pour caractériser le champ électromagnétique sur le plan rayonnant Pour simplifier les calculs, on suppose que les sources rayonnantes sont monomodes et on s'intéresse qu'à la direction de polarisation nominale La conséquence de ces hypothèses est que la distribution de ce champ électrique peut être ainsi caractérisée par un seul nombre complexe (amplitude 5 et phase) Quelques exemples serviront à illustrer ce propos: * Dans le cas o les sources rayonnantes sont des guides ouverts, Ii représente l'amplitude et la phase du

champ électrique à l'endroit o il est maximal, dans le10 plan médian parallèle aux petits côtés du guide pour une onde en mode fondamental, TE 10.

* Si les sources rayonnantes sont des dipôles demi- onde, Ii représente le courant en leur milieu; si ce

sont des "patches", Ii représente la densité de courant15 en leur centre.

* Si les sources rayonnantes sont des fentes résonnantes dans la paroi d'un guide, Ii représente la

tension entre les deux bords de la fente au milieu de sa longueur, c'est à dire à l'endroit ou cette tension est20 maximale.

Ces deux derniers exemples nous montrent que la grandeur physique de Ii n'est pas forcément un champ

magnétique ou électrique, mais peut être une autre grandeur qui caractérise le rayonnement de la source,25 cette grandeur étant proportionnelle au champ sur l'ouverture de la source.

Nous définissons ensuite une matrice R caractérisant les phénomènes de rayonnement, qui nous permet d'obtenir l'illumination I à partir des excitations réelles A par30 la relation: I = RA R est une matrice Nx N qui serait diagonale en l'absence de couplage entre les sources: Ii = riai montre que l'illumination ne dépendrait dans ce cas que de l'onde incidente sur la source i. Mais comme nous l'avons souligné ci- dessus, les couplages entre les sources avoisinantes introduisent des erreurs d'estimation de champs rayonnés s'ils ne sont pas pris en compte dans les calculs Donc notre matrice R comprend des éléments non- diagonaux, qui représentent des contributions, à l'illumination d'un endroit donné, des sources avoisinantes Ainsi, le champ sur la source Si 5 dépend des ondes aj incidentes sur les autres sources, par des coefficients rij de couplage N Ii = rij aj j= 1 qui s'écrit en notation matricielle: I = RA Si l'on prend l'exemple précité de dipôles ou des "patches", les couplages peuvent être écrits sous la forme classique d'une matrice de difraction S ayant les éléments lsijl; à l'onde incidente ai sur la source Si, se superpose une onde réfléchie: N bi = S 1 ij* aj j= 1 Dans ce formalisme, l'élément sii représente le coefficient de réflexion de la source Si entourée, avec toutes les autres sources SiÉj mises sur charge. Le rayonnement est en fait proportionnel au courant normalisé par rapport à l'impédance de la ligne: N Ii a -bi = ai Y sij aj j= 1 ou: I = (U S)A, U étant la matrice diagonale unitaire Nx N. Dans un deuxième exemple, nous considérons le cas d'un réseau de guides à fentes, avec toutes les fentes identiques et disposées de la même façon dans chaque guide L'illumination dépend alors des tensions sur les fentes, soit: N Ii = fi = ai + bi = ai + Ssij aj j=l ou: I = (U + S)A, U étant la matrice diagonale unitaire Nx N, et S étant toujours la matrice "de diffraction" des coefficients de couplage. Lorsque l'on place une sonde "champ proche" à quelques longueurs d'onde en face du centre de la source Si, on recueille un champ électrique N Ei = Pij-Ij j= 1 Nous observons que Ei est ainsi une fonction linéaire des illuminations de chaque source, dont

principalement la source Si mais aussi les autres.

Nous définissons ainsi un vecteur colonne "champ proche" E et la matrice Nx N "rayonnement champ proche" P telle que E = Pl avec: El E= Ei EN L'ultime étape dans la construction de ce formalisme est de relever le diagramme en champ lointain de l'antenne active Pour effectuer cette mesure, on place une antenne réceptrice de test à une distance grande par rapport à 2 D 2/X, o D est la plus grande dimension du20 plan rayonnant de l'antenne, et X la longueur d'onde du rayonnement En faisant tourner l'antenne active, on échantillonne son diagramme de rayonnement en un nombre suffisant p directions de l'espace, en relevant chaque fois l'amplitude et la phase du signal reçu par l'antenne25 de test, pour obtenir les valeurs Fj du "diagramme champ lointain" que l'on représente par le vecteur colonne: F 1 F= Fj Fp Ensuite nous définissons une matrice Nxp "rayonnement champ lointain" L: F = LI Le formalisme exposé jusqu'ici est strictement linéaire, et ne peut prendre en compte les non- linéarités dues, par exemple, à des amplificateurs fonctionnant près de la saturation Pour un traitement plus exact dans ce cas, la méthode

doit être adaptée comme nous expliquerons ci-après De toute manière, ce phénomène ne concerne que10 la transformation: A = DC, toutes les autres relations restant linéaires.

Dans le cas d'une antenne fonctionnant en réception, toutes les équations restent linéaires Nous considérons d'abord le cas le plus simple d'une antenne linéaire en15 émission pour illustrer le principe de la méthode de calibration selon l'invention Il s'agit d'abord de mesurer chacun des Nx N termes complexes qij de la matrice: Q = PRD, que nous obtenons à partir de: E = QC = PRDC.20 En effet, la sonde en champ proche nous permet de mesurer directement les éléments Ei du vecteur E comme nous l'avons expliqué ci-dessus. La méthode de calibration selon l'invention permet d'obtenir les valeurs de tous les vecteurs et des matrices à partir d'un ensemble de mesures en champ proche effectuées pour un nombre N de positions de la sonde égal au nombre de sources de rayonnement: pour chaque position, on effectue N+ 1 relevés (commande initiale + commutation de chacun des N bits par 180 );30 le nombre total de mesures est donc N (N+ 1) La calibration initiale peut être suivie d'une recalibration de façon itérative, pour obtenir une précision voulue donnée Nous décrivons d'abord la calibration initiale. La mesure est effectuée de la manière suivante: 1) on commande une loi équi-amplitude et équi-phase, c'està-dire ci = 1 pour tout i de i = 1 à N; 2) on place successivement la sonde champ proche devant chaque source Si; on relève alors un signal complexe zi sur le récepteur, proportionnel au champ électrique Ei au niveau de la sonde;10 3) on commute le bit 180 du déphaseur de la voie N j de l'antenne active; on relève alors un nouveau signal z'ij sur le récepteur. Ces deux mesures sont caractérisées par les équations suivantes: N zi = q Yqij-cj = q(qil Cl+ +qijcj+ +qi Nc N); j= 1 ( 1) o la constante q caractérise la base de mesure du champ proche (q est une fonction de la sonde et du récepteur). Z j = q(qilcî+ +qij(-Cj)+ +qi Nc N); ( 2) En faisant la différence complexe entre ces deux équations ( 1) et ( 2), on obtient: zi Z'ij = 2 q(qij cj) soit, car nous avons pris cj = 1: Zi Zlj

qij -

2 q ( 3) A chaque position de la sonde devant une source Si, la mesure de zi est effectuée, puis les N mesures des Z j sont effectuées en commutant à tour de rôle les bits 180 de toutes Ies voies Par la relation ( 3) ci-dessus, l'on30 obtient immédiatement les N éléments qij de la ligne i de la matrice Q. Le récepteur utilisé pour la sonde doit pouvoir mesurer les signaux complexes avec une bonne précision, par exemple un récepteur à deux mélangeurs et à deux voies I (en phase) et Q (Quadrature de phase). La matrice Q ainsi obtenue est appelée matrice de calibration initiale, car elle nous permet le calcul des commandes pour obtenir un diagramme de rayonnement voulu en champ lointain Le diagramme de rayonnement est caractérisé par le vecteur F de p valeurs de champ relevées ou calculées Pour effectuer la formation de faisceau, ces p valeurs spécifiées par le calcul10 représentent le rayonnement voulu dans ces principales caractéristiques Le calcul doit ensuite déterminer comment obtenir ces valeurs de champ lointain à partir de paramètres de commande qui seront appliqués au niveau de la commande de l'antenne.15 Les valeurs de commande peuvent être obtenues à partir du vecteur F par des transformations matricielles utilisant la matrice de calibration initiale Q Nous résumons: Les mesures par sonde en champ proche nous donnent20 E = Pl = QC Nous avons également: F = LI > I = L-1 F. Il en résulte que: C = Q 1 E = Q-1 Pl = QPLF Les commandes sont ainsi calculées par: C = Q-1 PL-1 F Q-1 s'obtient par inversion de la matrice Nx N de calibration initiale Q, dont la mesure, terme par terme, à été décrite ci-dessus L-1 représente la transformation du champ lointain au champ sur l'ouverture, et P est la transformation du champ sur l'ouverture au champ proche Ces deux dernières matrices35 sont régies par les formules de base de la théorie des antennes, familières à l'homme de l'art; leur mise sous forme informatique matricielle ne présente aucune difficulté. Ainsi, l'on peut obtenir, par la méthode de calibration selon l'invention, la matrice M = Q-l PL-1 qui nous précise les commandes nécessaires pour obtenir un champ lointain recherché, dans le cas linéaire Les dispersions de fabrication sont prises en compte dans cette matrice M, car Q = PRD, ou D est la matrice de dispersion Les couplages sont pris en compte également,10 dans la matrice R. Pour une antenne fonctionnant en réception, les relations ci-dessus restent les mêmes: comme seule

différence, lors des mesures en champ proche, la sonde émet et l'antenne active reçoit.

Dans le cas d'une antenne émission non-linéaire, les valeurs de commande issus de cette première mesure peuvent s'avérer insuffisamment exactes Pour les améliorer, il est possible de faire une itération à partir de ces premières valeurs, comme décrit ci-après.20 Pour pallier les erreurs de commande provenant des non-linéarités des amplificateurs, ou des imperfections des déphaseurs et des atténuateurs commandables, (nonlinéarités aussi), la méthode selon une variante préférée de l'invention commence avec un premier ensemble de25 mesures tel que décrit ci-dessus Les valeurs de commande C issus de cette calibration sont appliquées à leurs déphaseurs et atténuateurs respectifs La procédure de mesures est ensuite répétée, pour obtenir une deuxième matrice de calibration Q', légèrement30 différente de la première Q, car la matrice de dispersion D aura quelque peu changé pour les nouvelles commandes ci La nouvelle matrice de dispersion D' aura des termes diagonaux de la forme d 1 =a/1

di =ai / Ci.

On calcule alors une deuxième valeur des commandes: C' = (Q'-l PL-)F, ainsi que l'écart quadratique entre cette loi de commande et la précédente: N 2 a 2 = C i= 1 Si l'écart quadratique est inférieur à l'objectif de précision visé, le processus itératif s'arrête là; par exemple pour un objectif de précision de 10 en phase et 0,15 d B en amplitude, on prendra: a 2-= N( 82 + a 2 N x 3 14 = ( a) = x 6,0310, ou go et Sa sont les précisions exprimées en radians et en amplitude

relative.

Si le critère de convergence n'est pas respecté, le processus d'itération continue de la même manière, en mesurant la nouvelle matrice de calibration Q" pour les commandes C', pour obtenir les nouvelles commandes15 réoptimisées: C" = (Q" 1-1 PL-1)F L'itération continue ainsi jusqu'au niveau de précision visé En pratique, il faut quelques itérations seulement. Dans quelques cas la méthode selon l'invention peut prendre en compte des données de mesures qui ont été déjà effectuées avant la calibration de l'antenne Par exemple, une antenne active comportant plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de modules actifs, est généralement réalisé avec des composants qui ont subi25 des essais avant leur intégration à l'antenne En outre, des caractéristiques de commande peuvent être relevés sur des modules actifs, à l'unité, pour vérifier le bon fonctionnement de ces derniers avant l'assemblage. Selon une variante de la méthode de l'invention, les erreurs de commande sont prises en compte dans la calibration de l'antenne, à partir des données concernant chaque module actif Ces données consistent en une valeur complexe (d'amplitude et de phase) pour chaque module actif considéré, en fonction de la commande appliquée La mesure des champs proche de l'antenne est ensuite effectuée comme avant, pour une loi d'excitation uniforme ci=l, pour tout i; ensuite pour chaque 5 diagramme en champ lointain recherché, on calcule les commandes C= Q-l PL-1 F en prenant dans Q= PRD la matrice de dispersion pour ci = 1, pour tout i; mais pour C trouvée, D sera légèrement différente (D'), d'o une nouvelle valeur C'; et ainsi de suite par un petit10 logiciel travaillant à partir des tableaux de mesures des modules Dans cette variante on effectue donc qu'un relevé champ proche; il sert à calculer la commande C adaptée à chaque diagramme F, grâce à ce logiciel annexe. L'itération porte uniquement sur la matrice de15 dispersion D, en tant que composante de la transformation matricielle Q = PRD Cette dernière équation nous montre

que les deux méthodes sont théoriquement équivalentes, dans la mesure ou les matrices P et R sont indépendantes de l'état de commande.20 Le choix entre ces deux variantes sera fait en fonction des critères de facilité de mise en oeuvre.

Dans la première variante, on effectue M itérations, chacune comportant N(N+ 1) mesures de sonde en champ proche, et ceci pour chaque diagramme de rayonnement25 différent souhaité Dans la deuxième variante, chaque module actif doit être caractérisé individuellement, mais

ensuite, pour déterminer les éléments de la matrice de calibration Q, on aura besoin que d'une seule mesure de N(N+ 1) valeurs en champ proche, toutes les autres lois de30 commande pouvant être calculées à partir de Q et le tableau de mesures effectuées sur les modules actifs.

Bien sur, la méthode selon l'invention peut donner des mesures plus précises si l'on est prêt à effectuer un

plus grand nombre de relevés de champ proche, par exemple35 K fois plus, ou K est un facteur multiplicatif (K = nombre entier).

Selon une variante de la méthode de l'invention, lorsque chaque module actif est relié à un "sous-réseau" de patches rayonnants, dont la surface est nettement supérieure au quadrillage X/2 x X/2 optimal en précision 5 pour relever le champ proche de l'antenne, on effectue les relevés avec K positions par sous réseau Ceci permet de se rapprocher du quadrillage idéal, au coût d'une augmentation de la durée de la calibration Mais la précision est améliorée en moyennant chaque groupe de10 K mesures par une "projection" mathématique du champ proche en ces K points rayonné par un seul sous-réseau rayonnant La manière d'accomplir cette "projection" mathématique sera décrite dans les paragraphes suivants. On effectue les relevés champ proche, notés: Enk

en N-K points, ce qui correspond à un nombre égal de directions p = N- K d'échantillonage du champ lointain.

On dispose ainsi de K fois trop de mesures Enk pour caractériser les N commandes de l'antenne La "projection sur le diagramme champ proche d'une source" consiste à suivre les étapes suivantes: * Avant la calibration de l'antenne active complète, on mesure le diagramme champ proche e e 1 e =ei e K d'une source rayonnante seule, aux K points

d'échantillonage de sa surface choisis plus haut.

* Après avoir relevé les Enk en p = N K points devant l'antenne active (K points devant chaque source rayonnante, donnant la "maille" du relevé champ proche), on projete sur e les K relevés correspondant à chaque30 maille; soit pour la maille de numéro no: E En = E. -n O En O LE j -n O K Mathématiquement cette projection s'exprime par le produit scalaire complexe e*

Eno En O -

ou le symbole 11 * 11 indique le conjugué complexe Ensuite on remplace les N K releves Enk par N valeurs: E 1 E= Ei EN qui sont les moyennes des diagrammes champ prodche sur

chaque maille, pondérées par le diagramme de la source située en face de cette maille.

À A partir de cette étape, on procède au calcul de la matrice Nx N de calibration Q comme précédemment, o l'on a fait correspondre N relevés champ proche En à chaque15 jeu de N commandes ci L'opération mathématique de projection peut être representé dans une formalisme matricielle par l'équation E = T-E', ou T est une matrice N x p La formule de calibration devient alors: C = (Q-1 T'P'L-1)F Dans cette équation, F est une matrice colonne de p = N-K termes; P et L sont des matrices carrées de p x p termes; T ramène à N termes seulement; Q est toujours une matrice Nx N; et

C est une matrice colonne de N termes.

L'avantage de cette variante est l'augmentation de la précision des résultats d'un facteur K 1/2, en moyennant K mesures pour la maille située en face de

chaque source Cette avantage est au prix d'un nombre de mesures augmenté par un facteur de K, et l'augmentation de la taille des matrices à calculer dans les mêmes 5 proportions.

Le choix sera ainsi optimisé en fonction du nombre de modules actifs, du nombre de diagrammes de rayonnement différents, du nombre d'itérations nécessaires pour avoir la précision requise.10 La méthode selon l'invention et ses variantes présentent entre autres les avantages sus-mentionnés La matrice de calibration Q = lqijl relie directement les commandes de l'antenne active au champ proche rayonné, et prend en compte toutes les dispersions qui génèrent des15 écarts entre les diagrammes de rayonnement réel et théorique calculé par logiciel Les dispersions de fabrication sont prises en compte dans la matrice D = ldil Les imperfections des éléments commandables déphaseurs, contrôle de gain sont prises en compte par20 le processus itératif, ou par des mesures effectuées individuellement sur les modules actifs L'influence des couplages entre les sources rayonnantes sur leurs diagrammes élémentaires sont prises en compte par les termes non-diagonaux de la matrice R = lrijl.25 La calibration selon l'invention est donc meilleure que les calibrations de l'art antérieur, car elle prend en compte des erreurs qui ne sont pas prises en compte dans les méthodes de l'art antérieur De plus, les mesures de la présente méthode sont plus rapides à30 effectuer, car un seul balayage de la sonde en champ proche est nécessaire (s'il n'y a pas besoin d'itérations successives, si par exemple les modules actifs sont mesurés individuellement), avec seulement N positions de mesure, ou N est le nombre de modules actifs Dans l'art35 antérieur, il faut faire une cartographie de tout le champ proche, avec un espacement maximal de (X/2)2 sur

une surface 2 à 3 fois supérieure à celle de l'antenne.

La commutation des N bits 1800 pour chaque position de la sonde se fait très rapidement pour une antenne à commande électronique.

Du fait que les dispersions de fabrication sont prises en compte par la méthode selon l'invention, la fourchette de valeurs admises pour ces paramètres (gain, déphasage en fonction de commandes) peut être élargie. Les spécifications sévères qui entraînent le rejet d'un10 grand nombre de composants, deviennent inutiles En outre, la méthode selon l'invention ne requiert aucun circuit spécifique dans l'antenne active Les méthodes de l'art antérieur par contre, demandent par exemple l'intégration d'un "BFN de calibration", d'un récepteur15 spécifique par module, ou encore un commutateur pour mise sur charge individuelle de chaque module uniquement pour

les besoins de calibration.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1 Méthode de calibration d'une antenne active comprenant N sources rayonnantes; caractérisée en ce que: une sonde est placée successivement devant chaque source rayonnante de-façon à mesurer le champ proche devant cette source; la mesure étant effectuée pour une configuration d'antenne désirée en vue d'obtenir un10 diagramme de rayonnement recherché; et en ce que: lors de ladite mesure du champ proche devant ladite source, un déphaseur sur chaque voie, à tour de rôle, est commandé de façon à commuter la phase de rayonnement de cette voie à 180 de déphasage par rapport à sa valeur nominale,, toutes les N-1 autres sources étant commandées selon leurs valeurs nominales de fonctionnement dans cette configuration en vue d'obtenir le diagramme de rayonnement recherché. 2 Méthode de calibration d'une antenne active comprenant N sources rayonnantes disposées dans un réseau, cette disposition en réseau donnant lieu à un couplage entre lesdites sources, ces sources étant alimentées par des modules actifs, ces modules actifs comportant des moyens de commande de phase et des moyens25 de commande de gain; ces sources, ces modules actifs, ces moyens de commandes de phase et ces moyens de commande de gain présentant de faibles dispersions de caractéristiques dues à la fabrication de ces différents éléments, ces moyens de commande de phase et de gain présentant également des imprécisions de réponse suscitées par une commande donnée; caractérisée en ce

que: utilisant une sonde appropriée, l'on effectue des mesures en champ proche caractérisant simultanément les effets desdits couplages entre sources, desdites35 -dispersions de caractéristiques dues à la fabrication, et desdites imprécisions desdits moyens de commande.

3 Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans laquelle les valeurs de commande de gain et de

phase pour une configuration d'antenne désirée en vue d'obtenir un diagramme de rayonnement recherché sont 5 d'abord déterminées par l'une des méthodes des revendications précitées, et ces valeurs de commande sont

appliquées auxdits moyens de commande; cette méthode étant en outre caractérisée en ce que: les mesures en champ proche sont répétées avec ces valeurs de commande,

de manière à obtenir des corrections plus fines à ces valeurs, par itérations successives au besoin.

4 Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que: un tableau de calibration

est formulé à partir de mesures effectuées sur les15 modules actifs avant l'assemblage de l'antenne; et en ce que: après avoir déterminé les commandes par l'une des méthodes de la revendication precitee, on affine les commandes grâce à un logiciel itératif annexe utilisant ledit tableau de calibration des modules.20 5 Méthode de calibration selon la revendication 1 d'une antenne active dont les modules sont arrangés selon un maillage nettement supérieur à X/2 dans l'une au moins des dimensions de l'antenne, caractérisée en ce que l'on effectue devant chaque source rayonnante K des25 relevés de champs proche correspondant à un maillage voisin de 1/2, et l'on moyenne ensuite ces K relevés par

projection sur le diagramme champ proche d'une source isolée. 6 Méthode selon l'une quelconque des revendications

1 à 4, caractérisée en ce que: la méthode est appliquée

à des antennes actives fonctionnant en émission.

7 Méthode selon l'une quelconque des revendications

1 à 4, caractérisée en ce que: la méthode est appliquée

à des antennes actives fonctionnant en réception.

8 Méthode selon l'une quelconque des revendications

1 à 4, caractérisée en ce que: la méthode est appliquée à des antennes actives fonctionnant alternativement en

émission et en réception.

9 Méthode selon la revendication 7, caractérisée en ce que la méthode est appliquée à une antenne radar, et en ce que la méthode sera appliquée deux fois: une fois pour l'antenne fonctionnant en émission, pour déterminer les valeurs de commandes de déphasage et de gain en émission; et l'autre fois pour l'antenne fonctionnant en réception, afin de déterminer les valeurs de commande de

déphasage et de gain en réception.