FR2723264A1 - Radar aerial array with good directivity e.g. for guided missile - Google Patents
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Abstract
Description
ANTENNE DE RADAR DE TYPE RESEAU FIXE
A POINTAGE OMNIDIRECTIONNEL EN AZIMUT
ET A FORMATION DE FAISCEAUX PAR LE CALCUL
La présente invention concerne les antennes pour radar formées d'un réseau d'aériens fixes à pointage omnidirectionnel en azimut et à formation de faisceaux par le calcul.FIXED NETWORK-TYPE RADAR ANTENNA
WITH AN OMNIDIRECTIONAL POINTING IN AZIMUT
AND BEAM FORMATION BY CALCULATION
The present invention relates to radar antennas formed by a network of fixed aerials with omnidirectional pointing in azimuth and beam formation by calculation.
De manière habituelle, un réseau d'aériens fixes pour antenne radar panoramique est constitué d'éléments rayonnants omnidirectionnels. La formation de faisceaux par le calcul consiste à obtenir un ou plusieurs signaux simultanés de réception au niveau du réseau d'aériens considéré dans sa totalité au moyen d'une ou plusieurs sommations numériques des signaux élémentaires reçus par les divers éléments rayonnants et pondérés individuellement par des coefficients complexes permettant d'ajuster leur phase et leur amplitude. Chaque sommation numérique est caractérisée par sa série de coefficients complexes de pondération qui définit un diagramme particulier de réception retenu en raison de sa direction de pointage et de sa directivité. Usually, a network of fixed aerials for panoramic radar antenna consists of omnidirectional radiating elements. Beam formation by calculation consists in obtaining one or more simultaneous reception signals at the level of the air network considered in its entirety by means of one or more digital summations of the elementary signals received by the various radiating elements and weighted individually by complex coefficients allowing their phase and amplitude to be adjusted. Each numerical summation is characterized by its series of complex weighting coefficients which defines a particular reception diagram chosen because of its pointing direction and its directivity.
Un réseau d'aériens fixes omnidirectionnels permet la poursuite simultanée de plusieurs cibles dispersées angulairement sur 3600 en azimut puisque l'on peut former par le calcul, de manière simultanée, plusieurs faisceaux directifs de réception pointés dans n'importe quel azimut. Il a cependant l'inconvénient de donner lieu, dans un diagramme de réception obtenu par formation de faisceaux par le calcul, à un important rayonnement parasite s'étendant de part et d'autre du lobe formé dans la direction de pointage. I1 a en outre un faible rendement énergétique. A network of omnidirectional fixed aerials allows the simultaneous tracking of several targets angularly dispersed on 3600 in azimuth since it is possible to form by calculation, simultaneously, several directional beams of reception pointed in any azimuth. However, it has the drawback of giving rise, in a reception diagram obtained by beam formation by calculation, to a large parasitic radiation extending on either side of the lobe formed in the pointing direction. It also has a low energy efficiency.
En effet, la focalisation dans un lobe formé dans une direction de pointage ne se fait que pour les énergies capturées par les éléments du réseaux dans un angle limité, centré sur la direction de pointage. Les compléments d'énergie capturés en dehors de cet angle par les éléments omnidirectionnels se combinent de façon diffuse dans toutes les directions extérieures au lobe formé. I1 en résulte un niveau important de rayonnement parasite capturé tout autour du lobe formé qui, pour les réseaux non pleins, s' augmente de lobes de réseau ou d'embryons de lobes de réseau en relation inverse avec le taux de remplissage du réseau. Indeed, the focusing in a lobe formed in a pointing direction is done only for the energies captured by the elements of the grids in a limited angle, centered on the pointing direction. The energy supplements captured outside this angle by the omnidirectional elements combine in a diffuse manner in all directions outside the lobe formed. This results in a significant level of parasitic radiation captured all around the lobe formed which, for the non-filled networks, increases with network lobes or network lobe embryos in inverse relation to the filling rate of the network.
Le rendement énergétique est faible car l'intégrale du rayonnement parasite sur 3600 moins le lobe formé contient plus d'énergie que le lobe formé lui-même. The energy yield is low because the integral of the parasitic radiation on 3600 minus the lobe formed contains more energy than the lobe formed itself.
La présente invention a pour but de lutter contre ces inconvénients. The present invention aims to combat these drawbacks.
Elle a pour objet une antenne de radar de type réseau fixe à pointage omnidirectionel en azimut et à formation de faisceaux par calcul comportant
- une pluralité de sous-réseaux qui sont constitués chacun d'un assemblage d'antennes élémentaires fixes associées à des déphaseurs individuels réglables et qui sont dotés de directivité et orientables en azimut par réglage des déphaseurs individuels associés à leurs antennes élémentaires;
- une pluralité de modules actifs amplificateurs d'émission et/ou de réception associés chacun à un sous-réseau;
- un circuit de formation de faisceaux par le calcul synthétisant des voies de réception en élaborant des sommes des signaux de réception qui sont déllvrés par les modules actifs et qui sont pondérés à l'aide de coefficients complexes de pondération
- un circuit de commande des déphaseurs individuels réglables associés aux antennes élémentaires fixes des sous-réseaux et
- un calculateur de pointage fournissant au circuit de commande des déphaseurs individuels réglables, des valeurs de déphasage déterminant la direction de pointage des sous-réseaux et, au circuit de formation de faisceaux par le calcul, des coefficients complexes de pondération définissant au moins une voie de réception localisée dans un secteur angulaire compris dans le lobe du diagramme de réception des sous-réseaux et centré sur la direction de pointage de ces derniers.It relates to a radar antenna of the fixed network type with omnidirectional pointing in azimuth and beamforming by calculation comprising
a plurality of sub-arrays which each consist of an assembly of fixed elementary antennas associated with adjustable individual phase shifters and which are provided with directivity and orientable in azimuth by adjusting the individual phase-shifters associated with their elementary antennas;
a plurality of active transmission and / or reception amplifier modules each associated with a sub-network;
- a beam forming circuit by calculation synthesizing reception channels by developing sums of reception signals which are shown by the active modules and which are weighted using complex weighting coefficients
- a control circuit for the adjustable individual phase shifters associated with the fixed elementary antennas of the sub-arrays and
- a pointing computer supplying the control circuit with adjustable individual phase shifters, phase shift values determining the pointing direction of the subnetworks and, to the beam forming circuit by calculation, complex weighting coefficients defining at least one channel reception located in an angular sector included in the lobe of the reception diagram of the sub-networks and centered on the pointing direction of the latter.
Avantageusement, chaque sous-réseau est constitué de quatre éléments rayonnants disposés en carré dont trois au moins sont équipés individuellement d'un déphaseur réglable permettant de rendre directif le diagramme de rayonnement de sous-réseau et de pointer ce diagramme en azimut. Advantageously, each sub-network consists of four radiating elements arranged in a square, at least three of which are individually equipped with an adjustable phase shifter making it possible to make the sub-network radiation pattern directive and to point this diagram in azimuth.
Grâce aux déphaseurs individuels réglables équipant les antennes élémentaires des sous-réseaux, il est possible de rendre directif le diagramme d'émission et de réception de chaque sous-réseau et de l'orienter dans un secteur angulaire où l'on veut former des faisceaux par le calcul. On élimine ainsi, dans une large proportion, les énergies émises ou captées dans des directions très éloignées de celle de pointage ce qui concourt à diminuer grandement le rayonnement parasite entourant le lobe formé dans la direction de pointage et à améliorer le rendement énergétique. En contrepartie, on perd la faculté de poursuite simultanée de plusieurs cibles dispersées angulairement sur 3600 en azimut, qui ne subsiste que dans les limites du secteur angulaire couvert par le lobe principal du diagramme d'émission et de réception de chaque sous-réseau. Thanks to the adjustable individual phase shifters equipping the elementary antennas of the sub-networks, it is possible to make the transmission and reception diagram of each sub-network directive and to orient it in an angular sector where one wants to form beams by calculation. This eliminates, to a large extent, the energy emitted or captured in directions very far from that of pointing which contributes to greatly reduce the parasitic radiation surrounding the lobe formed in the pointing direction and to improve energy efficiency. In return, we lose the ability to simultaneously track several targets angularly dispersed over 3600 in azimuth, which only remains within the limits of the angular sector covered by the main lobe of the transmission and reception diagram of each sub-network.
C'est, en fait, un inconvénient mineur puisque l'on peut passer très rapidement d'un secteur angulaire à un autre en changeant les réglages des déphaseurs des sous-réseaux ce qui autorise une poursuite séquentielle sur 3600 en azimut à une cadence supérieure à la plupart des cadences de renouvellement d'informations requises dans la pratique pour la poursuite de cibles ou le guidage de missiles. This is, in fact, a minor drawback since it is possible to move very quickly from one angular sector to another by changing the settings of the phase shifters of the sub-networks, which allows sequential tracking over 3600 in azimuth at a higher rate. at most of the information renewal rates required in practice for the pursuit of targets or the guidance of missiles.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple. Cette description sera faite ci-après relativement au dessin dans lequel
- une figure 1 représente le schéma d'une antenne radar du type réseau fixe à pointage omnidirectionnel en azimut et à formation de faisceaux par le calcul telle qu'elle ressort de l'art antérieur
- une figure 2 donne un exemple de répartition dans la surface d'un cercle des éléments rayonnants omnidirectionnels de l'antenne réseau de la figure 1
- une figure 3 montre, en perspective, de manière schématique, l'aspect que peut présenter l'antenne réseau de la figure 1
- une figure 4 représente un diagramme typique aller et retour obtenu avec l'antenne réseau de la figure 1
- une figure 5 représente le schéma d'une antenne radar du type réseau fixe à pointage omnidirectionnel en azimut et à formation de faisceaux par le calcul telle qu'elle ressort de l'invention;
- une figure 6 donne un exemple de répartition dans un cercle des sous-réseaux directifs à pointage électronique de l'antenne réseau de la figure 5
- une figure 7 montre, en perspective, de manière schématique, l'aspect que peut présenter l'antenne réseau de la figure 5
- une figure 8 représente un diagramme typique, aUer et retour obtenu avec l'antenne réseau de la figure 5
- des figures 9a, b, c, d, e, f, g, h, i, j représentent des diagrammes de rayonnement d'orientation variable de 0 à 900 obtenus pour un sous-réseau fixe à quatre antennes élémentaires omnidirectionnelles et
- une figure 10 illustre, de manière schématique, un sous-réseau fixe à quatre antennes élémentaires omnidirectionnelles disposées en carré. Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the description of an embodiment given by way of example. This description will be made below in relation to the drawing in which
- Figure 1 shows the diagram of a radar antenna of the fixed network type with omnidirectional pointing in azimuth and beam formation by calculation as it emerges from the prior art
- a figure 2 gives an example of distribution in the surface of a circle of the omnidirectional radiating elements of the array antenna of figure 1
- Figure 3 shows, in perspective, schematically, the appearance that the network antenna of Figure 1 may have
- a figure 4 represents a typical round trip diagram obtained with the network antenna of figure 1
- Figure 5 shows the diagram of a radar antenna of the fixed network type with omnidirectional pointing in azimuth and beam formation by calculation as it emerges from the invention;
- Figure 6 gives an example of distribution in a circle of directional subnets with electronic pointing of the network antenna of Figure 5
- Figure 7 shows, in perspective, schematically, the appearance that the network antenna of Figure 5 may have
- a figure 8 represents a typical diagram, aUer and return obtained with the network antenna of figure 5
FIGS. 9a, b, c, d, e, f, g, h, i, j represent radiation patterns of variable orientation from 0 to 900 obtained for a fixed sub-array with four elementary omnidirectional antennas and
- Figure 10 illustrates, schematically, a fixed sub-array with four elementary omnidirectional antennas arranged in a square.
La figure 1 illustre une antenne de radar de type connu. Celle-ci est du genre réseau fixe à pointage omnidirectionnel en azimut et à formation de faisceau par le calcul. Figure 1 illustrates a known type of radar antenna. This is of the fixed network type with omnidirectional pointing in azimuth and beamforming by calculation.
Le réseau est constitué de brins rayonnants 1 tous identiques à diagramme d'émission et réception ominidirectionnel en azimut qui n'ont été représentés qu en nombre restreint et sur une rangée pour la clarté du dessin alors qu'ils peuvent être très nombreux et répartis au sein d'une surface ou d'un volume. The network is made up of radiating strands 1 all identical to an omni-directional transmission and reception diagram in azimuth which have only been represented in a limited number and in a row for the clarity of the drawing whereas they can be very numerous and distributed in the within a surface or a volume.
A chaque brin rayonnant 1 est associé un module actif 2 de type connu essentiellement constitué par des circuits amplificateurs d'émission et de réception, et par un duplexeur séparant les voies d'émission et de réception. Each radiating strand 1 is associated with an active module 2 of known type essentially constituted by amplifying transmission and reception circuits, and by a duplexer separating the transmission and reception channels.
Le signal d'émission appliqué aux modules actifs 2 pour être amplifié avant d'exciter les brins rayonnants 1 est engendré par un circuit pilote 3 relié à la partie émission des modules actifs 2 au moyen d'un répartiteur 4 et d'une série de déphaseurs réglables 5 permettant d'appliquer des retards de phase spécifiques aux différents signaux d'excitation des brins rayonnants pour orienter le plan d'ondes émis par le réseau. The emission signal applied to the active modules 2 to be amplified before exciting the radiating strands 1 is generated by a pilot circuit 3 connected to the emission part of the active modules 2 by means of a distributor 4 and a series of adjustable phase shifters 5 making it possible to apply specific phase delays to the different excitation signals of the radiating strands in order to orient the wave plane emitted by the network.
Les signaux de réception captés par les différents brins rayonnants 1 et amplifiés par les modules actifs 2 sont appliqués à un circuit de formation de faisceaux par le calcul 6. Celui-ci synthétise des voies de réception disponibles en parallèle sur sa sortie S en effectuant des sommations des divers signaux de réception pondérés par des coefficients complexes permettant de les déphaser et d'ajuster leur amplitude pour obtenir du réseau des diagrammes particuliers de réception qui, dans la pratique, présentent chacun un lobe étroit formé dans une direction de pointage choisie en fonction de son intérêt sur 3600 en azimut. The reception signals picked up by the different radiating strands 1 and amplified by the active modules 2 are applied to a beam-forming circuit by calculation 6. The latter synthesizes reception channels available in parallel on its output S by performing summations of the various reception signals weighted by complex coefficients making it possible to phase them and adjust their amplitude to obtain from the network particular reception diagrams which, in practice, each have a narrow lobe formed in a pointing direction chosen as a function of its interest on 3600 in azimuth.
Les déphaseurs commandables 5 qui permettent l'orientation du plan d'ondes émis par le réseau sont commandés par un circuit de commande de déphaseurs 7. The controllable phase shifters 5 which allow the orientation of the wave plane emitted by the network are controlled by a phase shifter control circuit 7.
Un calculateur de pointage 8 fournit au circuit de commande de déphaseurs 7 des valeurs de déphasage déterminant la direction de pointage du réseau à l'émission, et au circuit de formation de faisceaux par le calcul 6, des séries de coefficients complexes de pondération définissant des voies de réception pointées dans diverses directions choisies en fonction de leur intérêt (surveillance, poursuite de cibles, guidage de missiles..) sur 3600 en azimut. A pointing calculator 8 supplies the phase shift control circuit 7 with phase shift values determining the pointing direction of the network on transmission, and to the beam forming circuit by calculation 6, series of complex weighting coefficients defining reception channels pointed in various directions chosen according to their interest (surveillance, target tracking, missile guidance, etc.) on 3600 in azimuth.
La figure 2 donne un exemple d'un tel réseau de type aléatoire raréfié qui comporte des brins rayonnants 1 omnidirectionnels en azimut répartis dans la surface d'un cercle. Ce réseau est dit raréfié car il lui manque une proportion importante, supérieure à 50%, de brins rayonnants par rapport à un réseau plein qui aurait des brins rayonnants régulièrement répartis selon un maillage dont le pas est de l'ordre de À /2, À étant la longueur d'onde de fonctionnement. FIG. 2 gives an example of such a rarefied random type network which comprises radiating strands 1 omnidirectional in azimuth distributed in the surface of a circle. This network is said to be rarefied because it lacks a significant proportion, greater than 50%, of radiating strands compared to a full network which would have radiating strands regularly distributed according to a mesh whose pitch is of the order of λ / 2, At being the operating wavelength.
I1 est dit aléatoire car les positions des brins rayonnants manquants sont réparties aléatoirement à sa surface. I1 is said to be random because the positions of the missing radiating strands are randomly distributed over its surface.
La figure 3, non limitative, montre un aspect que pourrait présenter un tel réseau sur le terrain, avec des brins rayonnants 1 implantés sur des mâts 10 fixés à des socles 11 contenant les modules actifs reliés par des câbles à un équipement central 12 renfermant les circuits de traitement associés : pilote, répartiteur, déphaseurs réglables, circuit de commande des déphaseurs, circuit de formation de faisceaux par le calcul et le calculateur de pointage. Figure 3, not limiting, shows an aspect that could present such a network in the field, with radiating strands 1 implanted on masts 10 fixed to bases 11 containing the active modules connected by cables to a central equipment 12 containing the associated processing circuits: pilot, distributor, adjustable phase shifters, phase shifter control circuit, beam forming circuit by calculation and the pointing computer.
La figure 4 représente un diagramme typique aller et retour obtenu avec le réseau de la figure 2 en utilisant à l'émission une orientation du plan d'ondes dans une direction de pointage choisie comme référence 00, par réglage des déphaseurs et, à la réception, un lobe formé dans la direction de pointage par le circuit de formation de faisceaux par le calcul, le niveau 0 dB correspondant à l'isotrope c'est à dire au niveau que l'on obtiendrait si le réseau ne comportait qu'un seul brin rayonnant ominidirectionnel alimenté par la puissance totale dans le réseau. FIG. 4 represents a typical round-trip diagram obtained with the network of FIG. 2 using on transmission an orientation of the wave plane in a pointing direction chosen as reference 00, by adjusting the phase shifters and, on reception , a lobe formed in the pointing direction by the beam forming circuit by calculation, the 0 dB level corresponding to the isotrope, ie at the level that would be obtained if the network consisted of only one omni-directional radiating strand supplied by the total power in the network.
On constate que le lobe formé dans la direction de pointage a un gain aller et retour d'environ 46 dB par rapport au niveau de l'isotrope et qu'il s'accompagne d'un rayonnement parasite diffus s'étendant sur 3600 en azimut et présentant des pointes supérieures à 10 dB. It can be seen that the lobe formed in the pointing direction has a return gain of around 46 dB relative to the level of the isotrope and that it is accompanied by a diffuse parasitic radiation extending over 3600 in azimuth. and having peaks greater than 10 dB.
Le rayonnement parasite est du au fait que la focalisation dans un lobe formé obtenue par formation de faisceaux par le calcul, ne se fait que pour les énergies élémentaires captées dans un secteur angulaire limité centré sur la direction de pointage du lobe formé et que les compléments d'énergie captés en dehors de ce secteur angulaire en raison du rayonnement omnidirectionnel des brins se combinent de façon diffuse dans toutes les directions. De plus, ce rayonnement parasite qui s'étend sur 3600 en dehors du lobe formé s'augmente, du fait que le réseau est non plein, de lobes de réseau ou d'embryons de lobes de réseau en relation inverse avec le taux de remplissage. The parasitic radiation is due to the fact that the focusing in a formed lobe obtained by formation of beams by calculation, is done only for the elementary energies captured in a limited angular sector centered on the pointing direction of the formed lobe and that the complements of energy captured outside this angular sector due to the omnidirectional radiation of the strands combine in a diffuse manner in all directions. In addition, this parasitic radiation which extends over 3600 outside the lobe formed increases, due to the fact that the network is not full, of network lobes or embryos of network lobes in inverse relation to the filling rate. .
Le rendement énergétique est faible car l'intégrale du rayonnement parasite sur 3600 moins la largeur du lobe formé contient plus d'énergie que le lobe formé lui-même. The energy efficiency is low because the integral of the stray radiation over 3600 minus the width of the lobe formed contains more energy than the lobe formed itself.
On se propose d'abaisser le niveau du rayonnement parasite dans des direction éloignées de celle de pointage et d'améliorer le rendement énergique en remplaçant les brins élémentaires à rayonnement omnidirectionnel du réseau par des sous-réseaux fixes dotés de directivité et orientables électroniquement, et en orientant la directivité des sous-réseaux dans le secteur angulaire où l'on veut former des faisceaux au niveau du réseau. It is proposed to lower the level of the stray radiation in directions distant from that of pointing and to improve the energy efficiency by replacing the elementary strands with omnidirectional radiation of the network by fixed sub-networks provided with directivity and electronically orientable, and by directing the directivity of the sub-networks in the angular sector where one wants to form beams at the level of the network.
Chaque sous-réseau est alors composé d'un certain nombre d'antennes élémentaires associées à des déphaseurs individuels réglables permettant par réglage des phases relatives entre les signaux émis ou captés par les différentes antennes élémentaires de rendre directif le diagramme d'émission ou de réception au niveau du sous-réseau et de pointer ce diagramme dans une direction quelconque sur 3600 en azimut. Le nombre d'antennes élémentaires constituant chaque sous-réseau et leur disposition sont en relation avec la directivité souhaitée pour un sous-réseau et conditionnent la largeur du secteur angulaire dans lequel on peut former des faisceaux simultanés au niveau du réseau. Each sub-network is then composed of a certain number of elementary antennas associated with adjustable individual phase shifters allowing, by adjusting the relative phases between the signals transmitted or picked up by the various elementary antennas, to make the transmission or reception diagram directive. at the subnetwork level and point this diagram in any direction on 3600 in azimuth. The number of elementary antennas constituting each sub-array and their arrangement are in relation to the desired directivity for a sub-array and condition the width of the angular sector in which it is possible to form simultaneous beams at the level of the array.
Pour un accès séquentiel sur 3600 en azimut, le nombre minimum d'antennes élémentaires constituant un sous-réseau est de trois. Ce nombre peut tomber à deux si les secteurs angulaires de pointage souhaités se réduisent à deux angles opposés de typiquement 900 à 1000 d'ouverture chacun. For a sequential access on 3600 in azimuth, the minimum number of elementary antennas constituting a sub-network is three. This number can drop to two if the desired angular sectors of pointing are reduced to two opposite angles of typically 900 to 1000 aperture each.
La figure 5 montre le schéma d'une antenne de radar du genre précité, à réseau constitué de sous-réseaux fixes, directifs et orientables électroniquement, et à formation de faisceaux par le calcul. FIG. 5 shows the diagram of a radar antenna of the aforementioned kind, with a network consisting of fixed, directional and electronically orientable sub-networks, and with the formation of beams by calculation.
Le réseau est constitué d'un ensemble de sous-réseaux 20 formés chacun de quatre brins rayonnants omnidirectionnels 21, 22, 23, 24 disposés en carré dont trois 22, 23, 24 sont équipés d'un déphaseur réglable 25, 26, 27. Comme précédemment, les sous-réseaux n'ont été représentés qu'en nombre restreint et sur une rangée pour la clarté de la figure alors qu'ils peuvent être très nombreux et répartis au sein d'une surface ou d'un volume. The network consists of a set of sub-networks 20 each formed by four omnidirectional radiating strands 21, 22, 23, 24 arranged in a square, three of which 22, 23, 24 are equipped with an adjustable phase shifter 25, 26, 27. As before, the sub-networks have only been represented in a limited number and in a row for the clarity of the figure, whereas they can be very numerous and distributed within a surface or a volume.
A chaque sous-réseau 20 est associé un module actif 30 de type connu essentiellement constitué par des circuits amplificateurs d'émission et de réception et par un duplexeur séparant les voies émission et réception. Each sub-network 20 is associated with an active module 30 of known type essentially constituted by amplifier and transmission amplifier circuits and by a duplexer separating the transmission and reception channels.
Le signal d'émission appliqué aux modules actifs 30 pour être amplifié avant d'être émis par les antennes élémentaires des sous-réseaux 20 est engendré par un circuit pilote 31 relié à la partie émission des modules actifs 30 au moyen d'un répartiteur 32. The transmission signal applied to the active modules 30 to be amplified before being transmitted by the elementary antennas of the sub-networks 20 is generated by a pilot circuit 31 connected to the transmission part of the active modules 30 by means of a distributor 32 .
Les signaux de réception captés par les sous-réseaux 20 et amplifiés par les modules actifs 30 sont appliqués à un circuit de formation de faisceaux par le calcul 33. Celui-ci synthétise des voies de réception disponibles sur sa sortie S en effectuant des sommations des divers signaux de réception pondérés par des coefficients complexes permettant de les déphaser et d'ajuster leur amplitude pour obtenir du réseau des diagrammes particuliers de réception. The reception signals picked up by the sub-networks 20 and amplified by the active modules 30 are applied to a beam forming circuit by calculation 33. The latter synthesizes reception channels available on its output S by summing the various reception signals weighted by complex coefficients making it possible to phase them and adjust their amplitude to obtain particular reception diagrams from the network.
Dans une configuration évitant les pertes à l'émission et à la réception des déphaseurs, les modules peuvent être divisés en quatre sous modules dont les déphaseurs sont situés en amont de l'amplification de puissance et en aval de l'amplification à faible bruit, selon l'art pratiqué dans les antennes actives. In a configuration avoiding losses on transmission and reception of phase shifters, the modules can be divided into four sub-modules whose phase shifters are located upstream of the power amplification and downstream of the low noise amplification, according to the art practiced in active antennas.
Les déphaseurs réglables 25, 26, 27 de chaque sous-réseau 20 qui permettent de rendre directifs et d'orienter les diagrammes d'émission et de réception des sous-réseaux 20 sont commandés par un circuit de commande des déphaseurs 34. The adjustable phase shifters 25, 26, 27 of each sub-network 20 which make it possible to direct and direct the transmission and reception diagrams of the sub-networks 20 are controlled by a control circuit of the phase-shifters 34.
Un calculateur de pointage 35 fournit au circuit de commande des déphaseurs 34, des valeurs de déphasage déterminant la direction de pointage des sous-réseaux 20 à l'émission comme à la réception, et au circuit de formation de faisceaux par le calcul 33, des séries de coefficients complexes de pondération définissant des voies de réception choisies en fonction de leur intérêt dans le secteur angulaire visé par les sous-réseaux 20. A pointing computer 35 supplies the phase shifting control circuit 34 with phase shift values determining the pointing direction of the subnetworks 20 at transmission and at reception, and to the beam forming circuit by calculation 33, series of complex weighting coefficients defining reception channels chosen according to their interest in the angular sector targeted by the sub-networks 20.
La figure 6 donne un exemple de réseau aléatoire raréfié dont les sous-réseaux directifs orientables électroniquement sont répartis dans la surface d'un cercle. Figure 6 gives an example of a rarefied random network whose directional electronically orientable sub-networks are distributed in the surface of a circle.
La figure 7, non limitative, montre un aspect que pourrait prendre un tel réseau sur le terrain. Les quatre antennes élémentaires de chaque sous-réseau équipées de leur déphaseurs sont disposées en carré au sommet d'un mât 40. Le mât est fixé à un socle 41 qui contient un module actif et qui est relié par des câbles à une structure centrale 42 renfermant les circuits de traitement associés pilote, répartiteur, circuit de commande des déphaseurs, circuit de formation de faisceaux par le calcul et calculateur de pointage. Figure 7, which is not limiting, shows an aspect that such a network could take on the ground. The four elementary antennas of each sub-network equipped with their phase shifters are arranged in a square at the top of a mast 40. The mast is fixed to a base 41 which contains an active module and which is connected by cables to a central structure 42 containing the associated processing circuits pilot, distributor, control circuit for phase shifters, circuit for forming beams by calculation and pointing calculator.
La figure 8 représente un diagramme typique aller et retour obtenu avec le réseau à sous-réseaux directifs orientables électroniquement et à formation de faisceaux par le calcul de la figure 5 en utilisant à l'émission une orientation électronique des sous-réseaux dans une direction de pointage choisie comme référence 00 par réglage des déphaseurs, et, à la réception un lobe formé dans la direction de pointage par le circuit de formation de faisceaux par le calcul, le niveau 0 dB correspondant à l'isotrope, c est à dire au niveau que l'on obtiendrait si le réseau ne comportait qu'une antenne élémentaire omnidirectionnelle alimentée par la puissance totale dans le réseau. FIG. 8 represents a typical round trip diagram obtained with the network with directional electronically orientable and beam-forming subnetworks by the calculation of FIG. 5 using on transmission an electronic orientation of the subnets in a direction of pointing chosen as reference 00 by setting the phase shifters, and, on reception a lobe formed in the pointing direction by the beam forming circuit by calculation, the level 0 dB corresponding to the isotropic, ie at the level that would be obtained if the network only included an elementary omnidirectional antenna supplied by the total power in the network.
On constate que le lobe formé dans la direction de pointage a un gain aller et retour d'environ 58 dB par rapport au niveau de l'isotropie au lieu de 46 dB précédemment. En outre le niveau de rayonnement parasite dans un angle très large opposé à la direction de pointage est abaissé d'un facteur typique de 10 à 20 (10 à 13 dB). It can be seen that the lobe formed in the pointing direction has a return gain of around 58 dB relative to the level of the isotropy instead of 46 dB previously. In addition, the level of stray radiation in a very wide angle opposite to the pointing direction is lowered by a typical factor of 10 to 20 (10 to 13 dB).
La somme des gains du réseau à l'émission et à la réception accrus par le gain en directivité des sous-réseaux ou, en d'autres termes, l'amélioration du rendement du réseau permet de réduire d'un facteur typique de 10 la puissance de l'émetteur nécessaire pour obtenir le même rapport signal sur bruit, sur une même cible à la même distance en comparaison avec les réseaux à brins rayonnants ominidirectionnel de l'art antérieur. The sum of the network gains at transmission and reception increased by the gain in directivity of the subnetworks or, in other words, the improvement in network performance makes it possible to reduce by a typical factor of 10 the power of the transmitter necessary to obtain the same signal-to-noise ratio, on the same target at the same distance in comparison with the ominidirectional radiating strand networks of the prior art.
La limite apportée par l'amélioration proposée réside dans le fait que la formation de faisceaux par le calcul doit se faire dans les limites du secteur angulaire couvert par le lobe principal du diagramme de rayonnement des sous-réseaux alors qu'au préalable, elle était possible sur 360 en azimut. Cette possibilité de l'art antérieur était en fait rarement employée par manque de nécessité opérationnelle et en raison du coût de traitement induit par la formation d'un très grand nombre de lobes en sortie du réseau. The limit brought by the proposed improvement lies in the fact that the formation of beams by calculation must be done within the limits of the angular sector covered by the main lobe of the radiation diagram of the sub-networks whereas beforehand it was possible on 360 in azimuth. This possibility of the prior art was in fact rarely used for lack of operational necessity and because of the processing cost induced by the formation of a very large number of lobes leaving the network.
Dans tous les cas où cette limite est acceptable, la solution à sous-réseaux directifs orientables électroniquement est plus performante en niveau de rayonnement parasite et plus économique par augmentation significative du rendement du réseau. Ceci est particulièrement vrai dans le cas d'un radar monostatique où le même réseau est généralement utilisé à l'émission et à la réception. In all cases where this limit is acceptable, the solution with directional electronically orientable sub-networks is more efficient in terms of parasitic radiation and more economical by significantly increasing the efficiency of the network. This is particularly true in the case of a monostatic radar where the same network is generally used for transmission and reception.
Chaque sous-réseau, de par sa directivité, agit comme un filtre spatial qui évite le rayonnement ou la capture d'énergie non focalisable parce qu'orientée dans des directions très éloignées de celle où on veut former un ou des faisceaux focalisés au niveau du réseau. Grâce à cela, les lobes parasites accompagnant le ou les lobes formés au niveau du réseau sont très significativement réduits en dehors de la largeur de lobe du sous-réseau. En outre, par conservation d'énergie, le rendement global du réseau est amélioré d'un facteur également significatif. Each sub-network, by its directivity, acts as a spatial filter which avoids radiation or capture of non-focusable energy because it is oriented in directions very far from the one where we want to form one or more focused beams at the level of the network. Thanks to this, the parasitic lobes accompanying the lobe (s) formed at the level of the network are very significantly reduced outside the width of the lobe of the sub-network. In addition, by energy conservation, the overall efficiency of the network is improved by a factor that is also significant.
Un sous-réseau constitué de quatre antennes élémentaires ominidirectionnelles peut avoir un gain de directivité de quatre avec une largeur de lobe en azimut de l'ordre de 900 à comparer avec les 3600 d'une antenne élémentaire ominidirectionnelle. A subarray made up of four elementary omni-directional antennas can have a directivity gain of four with a lobe width in azimuth of around 900 to compare with the 3600 of an elementary omni-directional antenna.
Les figures 9a, b, c, d, e, f, g, h, i et j donnent des exemples de diagrammes de rayonnement qu'il est possible d'obtenir avec un sous-réseau fixe à quatre antennes ominidirectionnelles montées en carré avec un écartement de 0,25 A ( À étant la longueur d'onde de fonctionnement) avec des directions de pointage échelonnées de 0 à 900, sachant que par double symétrie il est possible de déduire de ceux-ci d'autres diagrammes avec des directions de pointage variant de 900 à 3600. Figures 9a, b, c, d, e, f, g, h, i and j give examples of radiation patterns that can be obtained with a fixed sub-array with four omni-directional antennas mounted in a square with a spacing of 0.25 A (A being the operating wavelength) with pointing directions staggered from 0 to 900, knowing that by double symmetry it is possible to deduce from these other diagrams with directions with a score varying from 900 to 3600.
La figure 9a illustre un diagramme de rayonnement avec une direction de pointage de 00 et une ouverture à 3 dB de 1230. FIG. 9a illustrates a radiation diagram with a pointing direction of 00 and a 3 dB opening of 1230.
La figure 9b illustre un diagramme de rayonnement avec une direction de pointage de 10 et une ouverture à 3 dB de 122,70. FIG. 9b illustrates a radiation diagram with a pointing direction of 10 and a 3 dB opening of 122.70.
La figure 9c illustre un diagramme de rayonnement avec une direction de pointage de 200 et une ouverture à 3 dB de 122,10. FIG. 9c illustrates a radiation diagram with a pointing direction of 200 and a 3 dB opening of 122.10.
La figure 9d illustre un diagramme de rayonnement avec une direction de pointage de 300 et une ouverture à 3 dB de 121,40. FIG. 9d illustrates a radiation diagram with a pointing direction of 300 and a 3 dB opening of 121.40.
La figure 9e illustre un diagramme de rayonnement avec une direction de pointage de 400 et une ouverture de 3 dB de 120,90. FIG. 9e illustrates a radiation diagram with a pointing direction of 400 and a 3 dB opening of 120.90.
La figure 9f illustre un diagramme de rayonnement avec une direction de pointage de 500 et une ouverture à 3 dB de 120,90. FIG. 9f illustrates a radiation diagram with a pointing direction of 500 and a 3 dB opening of 120.90.
La figure 9g illustre un diagramme de rayonnement avec une direction de pointage de 600 et une ouverture de 3 dB de 121,40. FIG. 9g illustrates a radiation diagram with a pointing direction of 600 and a 3 dB opening of 121.40.
La figure 9h illustre un diagramme de rayonnement avec une direction de pointage de 700 et une ouverture à 3 dB de 122,10. Figure 9h illustrates a radiation diagram with a pointing direction of 700 and a 3 dB opening of 122.10.
La figure 9i illustre un diagramme de rayonnement avec une direction de pointage de 800 et une ouverture à 3 dB de 122,70. FIG. 9i illustrates a radiation diagram with a pointing direction of 800 and a 3 dB opening of 122.70.
La figure 9j illustre un diagramme de rayonnement avec une direction de pointage de 900 et une ouverture à 3 dB de 1230. FIG. 9j illustrates a radiation diagram with a pointing direction of 900 and a 3 dB opening of 1230.
Ces diagrammes de rayonnement et leurs différentes orientations sont obtenus grâce à des valeurs spécifiques de déphasage relatif entre les signaux rayonnés ou captés par les quatre antennes élémentaires ominidirectionnelles du sous-réseau figurées par des croix sur les diagrammes de rayonnement précédents. These radiation patterns and their different orientations are obtained by means of specific values of relative phase shift between the signals radiated or picked up by the four elementary omni-directional antennas of the sub-array represented by crosses on the preceding radiation patterns.
En supposant les antennes élémentaires d'un sous-réseau disposées en carré, référencées comme sur la figure 10 par les lettres A, B, C, D attribuées selon le sens inverse des aiguilles d'une montre, la direction de pointage U repérée par l'angle qu'elle fait avec une direction de référence x portée par la médiatrice de l'angle formé par les antennes élémentaires A et D, b, c, d les déphasages relatifs appliqués aux signaux des antennes élémentaires B, C, D par rapport à celui de l'antenne élémentaire A, les valeurs de déphasage à appliquer pour un pointage donné sont données par le tableau suivant
Pointage (O) b (O) c (O) d (O)
0 90,0 90,0 0
30 77,9 122,9 45
60 45 122,9 77,9
90 0 90,0 90,0
120 -45,0 32,9 77,9
150 -77,9 -32,9 45,0
180 -90,0 90,0 0
210 -77,9 -122,9 -45,0
240 -45,0 -122,9 -77,9
270 0 90,0 -90,0
300 -45,0 -32,9 -77,9
330 77,9 32,9 -45,0
On notera que le réseau peut être plein c'est à dire avoir des sous-réseaux régulièrement répartis selon un maillage entre leurs centres dont le pas est de l'ordre A /2 (R étant la longueur d'onde de fonctionnement), lacunaire c'est à dire avoir un faible nombre de sous-réseaux manquants par rapport à un réseau plein, ou raréfié c'est à dire avoir un nombre important de sous-réseaux manquants par rapport à un réseau plein. Les sous-réseaux qui peuvent comporter plus ou moins de quatre antennes élémentaires sont préférablement pleins pour éviter les lobes indésirables (lobes de réseau des sous-réseaux) dans lesquels le filtrage du rayonnement parasite du réseau serait impossible ou amoindri. En pratique, l'emploi de sous-réseaux sans raréfaction ou lacunarité interne permet de filtrer les lobes de réseau et le rayonnement diffus d'un réseau lui même lacunaire ou raréfié. Dans le cas de sous-réseaux à nombre relativement important d'antennes élémentaires le filtrage des lobes de réseau et du rayonnement diffus peut être amélioré par une pondération d'amplitude interne aux sous-réseaux.Assuming the elementary antennas of a sub-array arranged in a square, referenced as in Figure 10 by the letters A, B, C, D allocated in an anti-clockwise direction, the pointing direction U identified by the angle it makes with a reference direction x carried by the perpendicular bisector of the angle formed by the elementary antennas A and D, b, c, d the relative phase shifts applied to the signals of the elementary antennas B, C, D by compared to that of the elementary antenna A, the phase shift values to be applied for a given pointing are given by the following table
Score (O) b (O) c (O) d (O)
0 90.0 90.0 0
30 77.9 122.9 45
60 45 122.9 77.9
90 0 90.0 90.0
120 -45.0 32.9 77.9
150 -77.9 -32.9 45.0
180 -90.0 90.0 0
210 -77.9 -122.9 -45.0
240 -45.0 -122.9 -77.9
270 0 90.0 -90.0
300 -45.0 -32.9 -77.9
330 77.9 32.9 -45.0
It will be noted that the network can be full, that is to say having regularly distributed sub-networks according to a mesh between their centers whose pitch is of the order A / 2 (R being the operating wavelength), incomplete that is to say to have a small number of missing subnets compared to a full network, or rarefied that is to say to have a large number of missing subnets compared to a full network. The sub-arrays which can comprise more or less than four elementary antennas are preferably full to avoid the undesirable lobes (lobes of array of the sub-arrays) in which the filtering of the parasitic radiation of the array would be impossible or lessened. In practice, the use of sub-networks without rarefaction or internal lacunarity makes it possible to filter the lobes of the network and the diffuse radiation of a network which is itself incomplete or rarefied. In the case of sub-arrays with a relatively large number of elementary antennas, the filtering of the array lobes and of the diffuse radiation can be improved by a weighting of amplitude internal to the arrays.
On constate une complémentarité dans laquelle le réseau fournit au premier ordre la directivité des lobes formés et où les sous-réseaux contribuent à la réduction significative en niveau et en étendue angulaire des rayonnements parasites. There is a complementarity in which the network provides first order directivity of the lobes formed and where the sub-networks contribute to the significant reduction in level and angular extent of parasitic radiation.
Claims (5)
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9104858A FR2723264A1 (en) | 1991-04-19 | 1991-04-19 | Radar aerial array with good directivity e.g. for guided missile |
| ITTO920339A IT1257894B (en) | 1991-04-19 | 1992-04-15 | FIXED-BOARD TYPE RADAR ANTENNA WITH OMNIDIRECTIONAL POINTING IN AZIMUT AND WITH FORMATION OF THE BEAMS BY CALCULATION |
| CA002066140A CA2066140A1 (en) | 1991-04-19 | 1992-04-15 | Radar antenna of the omnidirectional azimuth pointing and computational beamforming fixed array type |
| GBGB9208374.0A GB9208374D0 (en) | 1991-04-19 | 1992-04-16 | Radar antenna of the fixed phased-array type with omnidirectional pointing in azimuth and with digital beam forming |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9104858A FR2723264A1 (en) | 1991-04-19 | 1991-04-19 | Radar aerial array with good directivity e.g. for guided missile |
Publications (1)
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
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- 1992-04-15 CA CA002066140A patent/CA2066140A1/en not_active Abandoned
- 1992-04-16 GB GBGB9208374.0A patent/GB9208374D0/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| ITTO920339A0 (en) | 1992-04-15 |
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