FR2830988A1

FR2830988A1 - ELECTRONIC SCANNING ANTENNA WITH REDUCED POWER

Info

Publication number: FR2830988A1
Application number: FR0113195A
Authority: FR
Inventors: Claude Chekroun
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2001-10-12
Filing date: 2001-10-12
Publication date: 2003-04-18
Anticipated expiration: 2021-10-12
Also published as: EP1304763A1; FR2830988B1

Abstract

La présente invention concerne une antenne à balayage électronique à puissance dissipée réduite. L'antenne comporte un ensemble de modules (1) actifs à l'émission et passifs à la réception, les circuits de réception étant placés dans un récepteur cryogénique (9).Dans un mode de réalisation un module actif est composé d'une voie d'émission comportant au moins un déphaseur (4) et une antenne élémentaire (2) et d'une voie de réception comportant au moins un déphaseur (10) et une antenne élémentaire (2). Les voies de réception des modules sont reliées au récepteur cryogénique (9) par un circuit de distribution (11). L'invention s'applique notamment pour les antennes actives de systèmes d'émission et de réception d'ondes électromagnétiques tels que des radars par exemple.The present invention relates to an electronic scanning antenna with reduced power dissipation. The antenna comprises a set of modules (1) active on transmission and passive on reception, the reception circuits being placed in a cryogenic receiver (9). In one embodiment, an active module is composed of a channel transmission comprising at least one phase shifter (4) and one elementary antenna (2) and a reception channel comprising at least one phase shifter (10) and one elementary antenna (2). The module reception channels are connected to the cryogenic receiver (9) by a distribution circuit (11). The invention applies in particular to the active antennas of systems for transmitting and receiving electromagnetic waves such as radars for example.

Description

lentille diélectrique, une lentille de Fresnel.dielectric lens, a Fresnel lens.

La présente invention concerne une antenne à balayage électronique à puissance dissipée réduite. Elle s'applique notamment pour les antennes actives de systèmes d'émission et de réception d'ondes électromagnétiques tels que des radars par exemple. Les antennes à balayage électronique sont couramment constituces d'un ensemble d'éléments rayonnants émettant une onde hyperfréquence dont la phase est électroniquement commandable, indépendamment pour chaque élément ou groupe d'éléments. A cet effet un déphaseur commandable est associé à chaque élément ou groupe d'éléments. Plus généralement un circuit d'émission est associé à chaque élément. Outre un déphaseur, ce circuit comprend par exemple un amplificateur destiné à amplifier l'onde à émettre. Une telle solution peut notamment éviter l'utilisation d'un émetteur central à tube. La commande des déphasages des signaux émis par les éléments rayonnants permet en particulier d'orienter les faisceaux d'émission de l'antenne, cela de façon connue. Les éléments rayonnants, à structure d'antenne élémentaire, captent par ailleurs les signaux de réception, notamment les échos des sig naux ém is dans le cas d 'applications radar. Un circuit de réception est donc aussi associé à chaque élément rayonnant ou groupe d'éléments. Les circuits de réception comportent des déphaseurs commandables notamment The present invention relates to an electronic scanning antenna with reduced power dissipation. It applies in particular to the active antennas of systems for transmitting and receiving electromagnetic waves such as radars for example. Electronic scanning antennas commonly consist of a set of radiating elements emitting a microwave wave whose phase is electronically controllable, independently for each element or group of elements. To this end, a controllable phase shifter is associated with each element or group of elements. More generally, a transmission circuit is associated with each element. In addition to a phase shifter, this circuit includes for example an amplifier intended to amplify the wave to be emitted. Such a solution can in particular avoid the use of a central tube transmitter. The control of the phase shifts of the signals emitted by the radiating elements makes it possible in particular to orient the emission beams of the antenna, this in known manner. The radiating elements, with an elementary antenna structure, also receive the reception signals, in particular the echoes of the signals em is in the case of radar applications. A reception circuit is therefore also associated with each radiating element or group of elements. The reception circuits include controllable phase shifters in particular

pour commander l'orientation des faisceaux de réception. to control the orientation of the reception beams.

z Les avantages d'une antenne active, notamment à balayage électronique sont bien connus. A la simplification mécanique s'ajoute l'agilité des faisceaux d'antennes ainsi que la souplesse d'utilisation, d'entretien ou The advantages of an active antenna, in particular with electronic scanning, are well known. To the mechanical simplification is added the agility of the antenna beams as well as the flexibility of use, maintenance or

de mise au point qui découle de la structure modulaire de l'antenne. focusing which results from the modular structure of the antenna.

Cette structure modulaire impose néanmoins un grand nombre de composants associés à chaque élément rayonnant, en émission et en réception. Le nombre de ces éléments peut par ailleurs être très grand. Les composants, qui sont notamment des déphaseurs, des amplificateurs, des circulateurs et autres circuits d'émission et de réception, provoquent chacun des pertes de puissance. En final, sur l'ensemble d'une antenne la perte globale est loin d'étre négligeable, ce qui joue en défaveur du rendement This modular structure nevertheless requires a large number of components associated with each radiating element, in transmission and in reception. The number of these elements can also be very large. The components, which are in particular phase shifters, amplifiers, circulators and other transmission and reception circuits, each cause power losses. In the end, over the whole of an antenna, the overall loss is far from negligible, which works against performance

énergétique de l'antenne.antenna energy.

Un but de l'invention est notamment de pallier cet inconvénient. A cet effet, I'antenne a pour objet une antenne à balayage électronique comportant un ensembie de modules actifs à l'émission et passifs à la réception, les circuits de réception étant placés dans un récepteur cryogénique. Dans un mode de réalisation, un module actif est composé d'une voie d'émission comportant au moins un déphaseur et une antenne élémentaire et d'une voie de réception comportant par exemple au moins une antenne élémentaire, et un déphaseur. L'antenne élémentaire étant commune aux voies d'émission et de réception, un circulateur An object of the invention is in particular to overcome this drawback. To this end, the object of the antenna is an electronic scanning antenna comprising a set of modules active on transmission and passive on reception, the reception circuits being placed in a cryogenic receiver. In one embodiment, an active module is composed of a transmission channel comprising at least one phase shifter and an elementary antenna and a reception channel comprising for example at least one elementary antenna, and a phase shifter. The elementary antenna being common to the transmission and reception channels, a circulator

hyperfréquence relie l'antenne et les voies. microwave links the antenna and the channels.

Les voies de réception des modules sont reliées au récepteur cryogénique par un circuit de distribution. Les voies d'émission des moduies sont relices à une ligne d'arrivée hyperfréquence par un circuit de distribution. Avantageusement, la voie d'émission des modules comporte un The modules' reception channels are connected to the cryogenic receiver by a distribution circuit. The emission channels of the modouches are linked to a microwave finish line by a distribution circuit. Advantageously, the emission channel of the modules includes a

amplificateur de puissance.power amplifier.

L'invention a pour principaux avantages qu'elle permet d'augmenter la puissance émise par un système d'émission et de réception d'ondes électromagnétiques, qu'elle simplifie le calibrage d'une antenne à The main advantages of the invention are that it makes it possible to increase the power emitted by a system for transmitting and receiving electromagnetic waves, that it simplifies the calibration of an antenna with

balayage électronique et qu'elle est économique. electronic scanning and that it is economical.

D'autres caractéristiques et avantages de l' invention appara'^tront Other characteristics and advantages of the invention will appear.

à l'aide de la description qui suit, faite en regard de l'unique figure qui with the aid of the description which follows, made opposite the single figure which

représente par un synoptique un exemple de structure d'antenne selon l'invention. La figure présente donc par un synoptique un exemple de structure d'antenne selon l'invention. L'antenne présente toujours une structure modulaire. Elle comporte en particulier un ensemble de modules 1 répartis en colonnes ou en lignes, ou en lignes et en colonnes. Pour des facilités de présentation, seuis deux modules sont représentés, les composants d'un seul étant détaillés. Un module comporte donc au moins un shows a block diagram an example of antenna structure according to the invention. The figure therefore presents, by a block diagram, an example of antenna structure according to the invention. The antenna always has a modular structure. It comprises in particular a set of modules 1 distributed in columns or in rows, or in rows and columns. For presentation facilities, only two modules are shown, the components of only one being detailed. A module therefore includes at least one

élément rayonnant 2, une voie d'émission et une voie de réception. radiating element 2, a transmission channel and a reception channel.

L'élément rayonnant 2 et les voies d'émission et de réception sont classiquement reliées par un circulateur hyperfréquence 3, de sorte qu'un signal émis par la voie d'émission se dirige via le circulateur vers l'élément rayonnant et qu'un signal reçu par ce dernier se dirige vers la voie de réception. La voie d'émission d'un module 2 comporte au moins un déphaseur commandable. Le module étant actif à l'émission, sa voie d'émission comporte alors par ailleurs un amplificateur de puissance 5. Un module 2 a donc une entrée destince à recevoir une partie de l'onde à émettre. Cette onde est issue d'une source hyperfréquence disposée dans le système d'émission et de réception, par exemple le radar. Elle doit être divisée et dirigée vers chacun des modules. A cet effet, I'antenne comporte un circuit de répartition 6 pour l'émission. Ce circuit est par exemple composé de lignes hyperfréquence 61 reliées à une même ligne principale 7 véhiculant l'onde hyperfréquence à émettre. Les lignes secondaires 61 sont reliées par ailleurs chacune à l'entrée d'un module 1. La ligne principale 7 comporte par exemple un pré-amplificateur 8 pour effectuer une première The radiating element 2 and the transmission and reception channels are conventionally connected by a microwave circulator 3, so that a signal transmitted by the transmission channel is directed via the circulator to the radiating element and that a signal received by the latter goes to the reception channel. The transmission channel of a module 2 comprises at least one controllable phase shifter. The module being active on transmission, its transmission channel then also includes a power amplifier 5. A module 2 therefore has an input intended to receive part of the wave to be transmitted. This wave comes from a microwave source arranged in the transmission and reception system, for example the radar. It must be divided and directed to each of the modules. To this end, the antenna includes a distribution circuit 6 for transmission. This circuit is for example composed of microwave lines 61 connected to the same main line 7 carrying the microwave wave to be transmitted. The secondary lines 61 are also each connected to the input of a module 1. The main line 7 comprises for example a pre-amplifier 8 for performing a first

amplification de l'onde.amplification of the wave.

Une onde hyperfréquence issue d'une source, non représentée, A microwave wave from a source, not shown,

destinée à être émise attaque donc, après division, les modules 1. intended to be issued therefore attacks, after division, modules 1.

La voie de réception d'un module 1 comporte de préférence très peu d'éléments, les circuits classiques de réception étant implantés dans un récepteur centralisé 9. Selon l'invention, ce récepteur 9 est un récepteur cryogénique. En particulier, ce récepteur comporte un ou plusieurs amplificateurs à faible bruit. Les modules 1 comportent par exemple, sur leur voie de réception, un déphaseur commandable 10 dans le but notamment de permettre une commande des faisceaux de réception. Les déphaseurs d'émission 4 et les déphaseurs de réception 10 sont par exemple The reception channel of a module 1 preferably comprises very few elements, the conventional reception circuits being located in a centralized receiver 9. According to the invention, this receiver 9 is a cryogenic receiver. In particular, this receiver comprises one or more low noise amplifiers. The modules 1 include, for example, on their receiving channel, a controllable phase shifter 10 for the particular purpose of enabling control of the receiving beams. The transmission phase shifters 4 and the reception phase shifters 10 are for example

commandés par des moyens de commande centralisés non représentés. controlled by centralized control means not shown.

Ces déphaseurs sont par exemple des déphaseurs à diode connus par ailleurs commandables sur plusieurs bits. Leurs moyens de commande sont par exemple des circuits numériques par exemple intégrés aux moyens de These phase shifters are, for example, known diode phase shifters which can be controlled over several bits. Their control means are for example digital circuits for example integrated into the means of

traitement d'un radar.radar processing.

En raison du récepteur de réception centralisé, un module n'a notamment pas à comporter de limiteur de puissance et de double circulateur. La sortie de réception de chaque module est reliée au récepteur cryogénique 9 par l'intermédiaire d'un circuit de répartition de réception 11, composé par exemple de lignes hyperfréquence 111 reliées en une ligne Due to the centralized reception receiver, a module does not in particular have to include a power limiter and a double circulator. The reception output of each module is connected to the cryogenic receiver 9 by means of a reception distribution circuit 11, composed for example of microwave lines 111 connected in a line

hyperfréquence 12 elle-même relise à l'entrée du récepteur cryogénique 9. microwave 12 itself rereads at the input of the cryogenic receptor 9.

Le récepteur cryogénique 9 est par exemple composé de circuits de réception classiques, notamment un ou plusieurs amplificateurs. Des moyens de conditionnement maintiennent le récepteur à basse température, par exemple inférieure à -100 C. A la réception, la variation AF du facteur de bruit en fonction de la variation de température AT est approxivement donnée par la relation suivante: AT = - O,ldB/1 0 C (1) et la variation du gain AG en fonction de la variation de température est approximativement donnse par la relation suivante: A = - 0,1 5dB /1 0 C (2) Ce qui exprime que le gain varie environ de 0,15dB lorsque la The cryogenic receiver 9 is for example composed of conventional reception circuits, in particular one or more amplifiers. Conditioning means keep the receiver at low temperature, for example below -100 C. On reception, the variation AF of the noise factor as a function of the temperature variation AT is approximately given by the following relation: AT = - O , ldB / 1 0 C (1) and the variation of the gain AG according to the variation of temperature is approximately given by the following relation: A = - 0.1 5dB / 1 0 C (2) Which expresses that the gain varies around 0.15dB when the

température diminue de 1 0 C.temperature decreases by 1 0 C.

A titre d'exemple, si on considère des circuits de réception classique en fonctionnement, leur température peut être généralement d'environ 60 C. En considérant le récepteur cryogénique 9 d'une antenne selon l'invention conditionné pour fonctionner par exemple à la température de -140 C, la différence de température de fonctionnement AT à la réception entre une architecture d'antenne classique et une structure d'antenne selon l'invention est donc dans ce cas de l'ordre de 200 C. Entre les deux architectures, il en résulte un accroissement de gain: AG = 200 x 0,15/10 = 3dB (3) et: AF = 200 x O,1/10 = 2dB Cet accroissement de gain de l'ordre de 2dB sur le facteur de bruit For example, if we consider conventional reception circuits in operation, their temperature can generally be around 60 C. By considering the cryogenic receiver 9 of an antenna according to the invention conditioned to operate for example at the temperature of -140 C, the difference in operating temperature AT on reception between a conventional antenna architecture and an antenna structure according to the invention is therefore in this case of the order of 200 C. Between the two architectures, this results in an increase in gain: AG = 200 x 0.15 / 10 = 3dB (3) and: AF = 200 x O, 1/10 = 2dB This increase in gain of the order of 2dB on the noise factor

AF est à l'avantage d'une antenne selon l'invention. AF has the advantage of an antenna according to the invention.

A cet accroissement de gain s'ajoute un autre accroissement obtenu du fait de la suppression de certains composants dans les modules, au niveau de la voie de réception. La suppression des limiteurs et des To this gain increase is added another increase obtained due to the elimination of certain components in the modules, at the level of the reception channel. The removal of limiters and

doubles circulateurs peut permettre d'atteindre un gain de l'ordre de 1dB. double circulators can achieve a gain of around 1dB.

Cela donne un gain équivalent global escompté de l'ordre de 3dB. This gives an expected overall equivalent gain of around 3dB.

Ce gain dû à la basse température du récepteur 9 et à la suppression de quelques circuits au niveau des modules 1 est néanmoins annulé, notamment par la présence du circuit de répartition de réception 11 non présent dans une architecture classique et par la nscessité d'ajouter un deuxième déphaseur 10 dans la voie de réception des modules. Dans une architecture classique, le déphaseur à l'émission est généralement le même que le déphaseur à la réception. Dans un premier ordre de grandeur, la perte de gain causée par ces éléments est sensiblement égale, en valeur absolue, au gain précité. Le gain global à la réception peut donc être considéré comme équivalent entre une antenne active d'architecture classique et une antenne selon l'invention (à 1dB près). La perte de gain causée par les circuits supplémentaires, notamment le circuit de répartition de réception 11 et les déphaseurs de réception seule 10 est donc compensée par le récepteur cryogénique et dans une moindre mesure par la suppression de This gain due to the low temperature of the receiver 9 and the elimination of some circuits at the level of the modules 1 is nevertheless canceled, in particular by the presence of the reception distribution circuit 11 not present in a conventional architecture and by the need to add a second phase shifter 10 in the module reception channel. In a conventional architecture, the phase shifter on transmission is generally the same as the phase shifter on reception. In a first order of magnitude, the loss of gain caused by these elements is substantially equal, in absolute value, to the aforementioned gain. The overall gain on reception can therefore be considered as equivalent between an active antenna of conventional architecture and an antenna according to the invention (to within 1 dB). The loss of gain caused by the additional circuits, in particular the reception distribution circuit 11 and the reception phase shifters only 10 is therefore compensated by the cryogenic receiver and to a lesser extent by the elimination of

circuits de réception dans les modules. receiving circuits in the modules.

Une antenne selon l'invention apporte cependant beaucoup d'avantages. Dans une antenne selon l'invention, la puissance dissipée à la réception, au niveau des modules, est fortement diminuée du fait de la suppression des circuits de réception. Cette diminution peut atteindre de l'ordre de 1000 Watts pour une antenne d'un radar aéroporté. La puissance évacuée peut donc être d'autant plus forte à l'émission, c'est-à-dire que les modules peuvent en conséquence évacuer chacun une plus forte puissance d'émission. Ce qui est notamment intéressant pour un radar. Il est en effet plus avantageux pour un radar d'augmenter la puissance du signal d'émission que d'améliorer le gain à la réception, notamment dans une ambiance brouillée. En particulier, le gain à la réception amplifie autant un signal utile qu'un signal parasite. En revanche, un signal émis plus puissant An antenna according to the invention however brings many advantages. In an antenna according to the invention, the power dissipated on reception, at the level of the modules, is greatly reduced due to the elimination of the reception circuits. This reduction can reach around 1000 Watts for an antenna of an airborne radar. The evacuated power can therefore be all the stronger on transmission, that is to say that the modules can consequently evacuate each one a higher emission power. This is particularly interesting for a radar. It is in fact more advantageous for a radar to increase the power of the transmission signal than to improve the gain on reception, in particular in a scrambled environment. In particular, the gain at reception amplifies as much a useful signal as a spurious signal. On the other hand, a stronger signal

augmente la puissance du signal utile reçu. increases the strength of the received useful signal.

Une antenne selon l'invention a aussi un calibrage simplifié, car les modules 1 ne comportent pas de circuits analogiques de réception. En particulier, les déphaseurs utilisés dans les modules 1 sont par exemple des An antenna according to the invention also has a simplified calibration, since the modules 1 do not include analog reception circuits. In particular, the phase shifters used in the modules 1 are for example

déphaseurs à diodes commandables classiquement sur plusieurs bits. diode shifters conventionally controllable over several bits.

Une antenne selon l'invention est par ailleurs économique dans la mesure o elle économise des circuits au niveau des modules, en particulier des circuits qui peuvent être coûteux du type de puces multifonctions dites MFC (selon l'expression anglo-saxonne Multifunction Carrier), ces puces An antenna according to the invention is also economical insofar as it saves circuits at the module level, in particular circuits which can be costly of the type of multifunction chips known as MFC (according to the English expression Multifunction Carrier), these chips

comportant notamment un amplificateur faible bruit et un atténuateur. including in particular a low noise amplifier and an attenuator.

Le mode de réalisation de l'unique figure est présenté à titre d'exemple. En particulier la structure des modules pourrait être différente. Un module pourrait par exemple comporter une voie d'émission reliée à une antenne d'émission et autre antenne pour la réception reliée à la voie de réception. D'autres modes de réalisation sont bien sûr possibles, dès lors o les modules sont actifs à l'émission et passifs à la réception, dans ce sens qu'ils ne comportent pas les circuits de réception, ces derniers étant dans le The embodiment of the single figure is presented by way of example. In particular, the structure of the modules could be different. A module could for example include a transmission channel connected to a transmission antenna and another antenna for reception connected to the reception channel. Other embodiments are of course possible, as soon as the modules are active on transmission and passive on reception, in the sense that they do not include the reception circuits, the latter being in the

récepteur cryogénique 9.cryogenic receptor 9.

Claims

1. Electronic scanning antenna, characterized in that it comprises a set of modules (1) active on transmission and passive on reception, the reception circuits being placed in a receiver

cryogenic (9).

2. Antenna according to claim 1, characterized in that an active module (1) is composed of a transmission channel comprising at least one phase shifter (4) and an elementary antenna (2) and of a reception channel

comprising at least one elementary antenna (2).

3. Antenna according to claim 2, characterized in that the elementary antenna (2) being common to the transmission and

reception, a microwave circulator (3) connects the antenna and the channels.

4. An antenna according to any one of claims 2 or 3,

characterized in that the receiving channels of the modules (1) are connected

to the cryogenic receiver (9) by a distribution circuit (11).

5. An antenna according to any one of claims 2 to 4,

characterized in that the emission channels of the modules (1) are connected to

a microwave finish line by a distribution circuit (6).

6. An antenna according to any one of claims 2 to 5,

characterized in that the transmission path of the modules (1) includes a

power amplifier (5).

7. Antenna according to any one of claims 2 to 6,

characterized in that the module reception channel (1) includes a