FR2883104A1 - Antenne a balayage electronique actif et a ponderation spatiale - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une antenne à balayage électronique actif.L'antenne à balayage électronique actif comporte un ensemble de sources élémentaires adaptées notamment à l'émission d'un signal et réparties sur la surface de l'antenne. Les sources élémentaires forment un réseau principal alimenté par un ou plusieurs amplificateurs. Les sources élémentaires sont réparties spatialement dans au moins une direction selon une loi de répartition non constante, la densité de sources élémentaires au centre de l'antenne étant plus élevée qu'aux extrémités de l'antenne.L'invention s'applique à une antenne à balayage électronique actif et à pondération spatiale intégrée, par exemple dans un radar aéroporté météorologique
Description
Antenne à balayage électronique actif et à pondération spatiale
L'invention concerne une antenne à balayage électronique actif. En particulier, l'invention s'applique à une antenne à balayage électronique actif et à pondération spatiale intégrée, par exemple dans un radar aéroporté météorologique.
La mise en oeuvre d'un balayage électronique actif du faisceau permet notamment de doter par exemple un radar aéroporté météorologique de capacités multi-modes simultanés, d'optimiser la gestion du temps et exploiter au mieux les possibilités de filtrage doppler.
Or, dans le cadre de la réalisation de radars ou de systèmes de communication mettant en oeuvre une antenne active à balayage électronique, se pose de plus le problème du coût de conception, de production et d'exploitation.
De plus, la conception d'une antenne active doit répondre à l'optimisation d'un ensemble de paramètres parfois antagonistes parmi lesquels on peut citer: É le bilan de portée; É l'amplitude du balayage de l'antenne; É le nombre de voies d'émission et de réception; É la complexité des circuits d'émission et de réception et des circuits de contrôles; É la puissance élémentaire de chaque module actif; É le diagramme d'antenne en émission et en réception.
II s'agit donc de réaliser une antenne à balayage électronique actif à faible coût présentant tout à la fois un gain élevé et un niveau de lobe secondaire très bas.
Actuellement, les radars à antennes actives utilisent des modules actifs répartis uniformément sur la surface de l'antenne, chacun de ces modules comprenant notamment un amplificateur de puissance hyperfréquence (HPA) utilisé pour l'émission radar. Chaque module actif émet une partie de la puissance nécessaire au radar pour assurer un bilan de portée donné. La sommation des différentes sources d'émission s'effectue de façon cohérente au niveau d'une antenne réseau comprenant un grand nombre de sources.
Les modules actifs étant tous identiques, on cherche en général à optimiser le rendement et le bilan de portée en faisant fonctionner les amplificateurs de puissance en régime saturé, c'est à dire à puissance maximale. Cela est également justifié par la nécessité de simplifier les circuits de contrôle de la puissance élémentaire générée par chacun des modules actifs. On cherche généralement aussi à maximiser le gain de l'antenne, ce qui se traduit par une architecture rayonnante régulière avec un espacement minimum entre les sources de rayonnement, fonction du domaine de balayage souhaité.
En contrepartie, la densité de puissance ainsi réalisée étant uniforme sur l'antenne, le diagramme d'antenne d'émission obtenu présente un niveau relativement élevé de lobes secondaires, par exemple -13 dB pour le premier lobe secondaire dans le cas d'une antenne rectangulaire à éclairement uniforme. Si une réjection importante des lobes secondaires est nécessaire, la solution classiquement mise en oeuvre est de pondérer le diagramme d'antenne en réception, en atténuant chacune des voies de réception suivant une loi prédéfinie, avant sommation cohérente des différentes voies de réception. C'est le cas par exemple pour les radars aéroportés, où l'on souhaite minimiser le retour de sol en optimisant le diagramme d'antenne en émission et en réception.
Cette méthode présente notamment comme inconvénient les pertes liées à la pondération qui dégradent de façon sensible le bilan de portée, en particulier si la réjection recherchée est très importante. (par exemple inférieure à -60 dB en aller retour entre le lobe principal et les premiers lobes secondaires). Dans certains cas, la pondération réalisée en réception peut même s'avérer insuffisante pour assurer le niveau de performance souhaité.
L'invention a notamment pour but de pallier les inconvénients précités.
A cet effet, l'invention a pour objet une antenne à balayage électronique actif comportant un ensemble de sources élémentaires adaptées notamment à l'émission d'un signal et réparties sur la surface de l'antenne. Les sources élémentaires forment un réseau principal alimenté par un ou plusieurs amplificateurs. Les sources élémentaires sont réparties spatialement dans au moins une direction selon une loi de répartition non constante, la densité de sources élémentaires au centre de l'antenne étant plus élevée qu'aux extrémités de l'antenne.
Les sources élémentaires peuvent être alimentées par un signal électrique d'alimentation de même amplitude sur l'ensemble du réseau, le signal électrique d'alimentation étant délivré par un ou plusieurs amplificateurs fonctionnant à leur point de compression La distance minimum entre deux sources élémentaires du réseau principal peut être inférieure à la moitié de la longueur d'onde du signal en 15 émission.
La loi de répartition peut par exemple être sensiblement la fonction f(x) =cos2(x) avec une distance minimum entre deux sources élémentaires de 40% de la longueur d'onde du signal en émission.
Le signal électrique d'alimentation reçu par chaque source élémentaire peut être pondéré par un facteur avant d'être émis.
Les sources élémentaires du réseau principal peuvent être disposées 25 en lignes, chaque ligne étant alimentée par un amplificateur fonctionnant à son point de compression.
Les sources élémentaires du réseau principal peuvent être disposées en lignes, chaque ligne étant alimentée par plusieurs amplificateurs, 30 connectés sur des points d'entrée différents répartis le long de la ligne.
Des sources élémentaires peuvent être disposées dans les intervalles disponibles du réseau principal de sources élémentaires de l'antenne. Ces sources élémentaires peuvent être alimentées en phase, la phase appliquée correspondant à la phase idéale qui serait appliquée à la source élémentaire centrale virtuelle. Ces sources élémentaires peuvent être alimentées en répartissant la puissance de sortie d'un même amplificateur sur plusieurs sources élémentaires.
L'antenne peut être adaptée à la détection et à la localisation des phénomènes météorologiques. Elle peut notamment être incluse dans un radar météorologique aéroporté fonctionnant dans la bande de fréquence X. Le balayage peut être réalisé mécaniquement en gisement et par balayage électronique en site.
L'invention a notamment pour avantages qu'elle permet de simplifier l'architecture de l'antenne et des modules actifs. De plus, l'invention permet d'obtenir une antenne peu sensible aux variations de puissance émises par les différents modules actifs ainsi qu'aux variations de la phase d'alimentation des sources. Le fonctionnement de l'antenne selon l'invention en mode dégradé est possible, le radar pouvant fonctionner quelle que soit la voie d'émission ou de réception en panne. La pondération est effective tant à l'émission qu'à la réception sans circuit électronique spécifique.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent: É la figure 1, la répartition des lignes de sources élémentaires sur un plateau rayonnant; É la figure 2, une ligne de sources élémentaires; É la figure 3, une antenne selon l'invention comportant trente cinq lignes; É la figure 4, une antenne comportant des regroupements de lignes.
La figure 1 montre un plateau rayonnant comportant à titre d'exemple 35 douze lignes de sources horizontales espacées irrégulièrement. Un radar météorologique aéroporté fonctionnant dans la bande de fréquence X, c'est à dire avec une longueur d'onde de l'ordre de 3,1 cm, est adapté à la détection et à la localisation de phénomènes météorologiques. Un tel radar peut notamment comporter une antenne à balayage mécanique en gisement et à balayage électronique actif en site, afin d'avoir: É des domaines de couverture de l'ordre de 180 en gisement et de 80 en site; É une ouverture d'antenne de l'ordre de 2,5 à 5 dans les deux plans.
Afin d'obtenir un taux de réjection élevé des lobes secondaires, sans toutefois avoir recours à une pondération en amplitude du diagramme d'antenne en réception, il est possible de recourir aux techniques de pondérations spatiales. Ces techniques sont usuellement appliquées à la définition de réseaux dits lacunaires. Un réseau est dit lacunaire lorsque l'intervalle entre les sources élémentaires 2 ne respecte pas sur l'ensemble du réseau les critères d'échantillonage de Nyquist, c'est à dire un intervalle inférieur à la moitié de la longueur d'onde pour un dépointage maximum. Le réseau ainsi obtenu présente un nombre d'éléments rayonnants moindre par rapport à un réseau plein de même dimension pour lequel l'espacement entre les sources élémentaires 2 est égal à 50 % de la longueur d'onde en émission. Ces réseaux lacunaires présentent donc comme inconvénients une perte de gain liée à la diminution du nombre d'éléments rayonnants et à des dégradations du diagramme d'antenne, notamment si le taux de lacunarité est important.
On revient à la figure 1. Le plateau rayonnant 1 comporte un ensemble de lignes L, douze dans l'exemple de la figure 1. Chaque ligne L comporte elle-même des sources élémentaires 2 assurant notamment les fonctions d'émission et de réception de signaux. Les sources élémentaires 2 de l'ensemble des lignes L sont alimentées par un signal électrique d'alimentation de même amplitude. Cependant le signal électrique d'alimentation est déphasé selon la ligne L concernée d'une valeur cp dépendant de la direction de pointage souhaitée de l'antenne.
La figure 2 montre une ligne de sources élémentaires. Ces sources élémentaires peuvent être utilisées en émission et/ou en réception. Les sources élémentaires horizontales 2 peuvent être réparties uniformément sur la longueur de la ligne L à laquelle elles appartiennent. La ligne L reçoit un signal électrique d'alimentation déphasé d'une valeur (p.
Chaque source élémentaire 2 reçoit le signal électrique d'alimentation pondéré par un facteur a, propre à chaque source élémentaire 2. Cette pondération peut notamment être obtenue en agissant sur le couplage entre chaque source élémentaire 2 et le circuit de distribution qui l'alimente.
L'espacement horizontal entre deux sources élémentaires 2 d'une même ligne L peut par exemple être de l'ordre de 60% de la longueur d'onde du signal en émission, soit 1,86 cm par exemple.
La figure 3 présente une antenne selon l'invention comportant à titre d'exemple trente cinq lignes. Les sources élémentaires 2 forme un réseau principal composé notamment de lignes L de sources élémentaires. La répartition verticale des lignes L sur l'antenne est irrégulière. Toutefois, en moyenne l'espacement est de l'ordre de 50% de la longueur d'onde du signal en émission, soit 1,55 cm. Un espacement minimum entre deux lignes L est déterminé. Cet espacement minimum correspond aux deux lignes situées à mi-hauteur de l'antenne et peut par exemple prendre une valeur de l'ordre de 40 % de la longueur d'onde du signal en émission. Chaque ligne L suivante est placée sur l'antenne de façon à ce que la densité finale des lignes obtenues sur l'axe vertical coïncide au mieux avec une loi de pondération d'amplitude de la densité de courant souhaité. La densité des sources élémentaires 2, c'est à dire le nombre de sources élémentaires 2 par unité de longueur, croit à mesure que l'on se rapproche du centre d'une ligne L. La loi de pondération peut par exemple être la fonction f(x) = cos2(x). Le choix de cette fonction assure un niveau de lobes secondaires très bas, de l'ordre de -30dB.
L'antenne représentée sur la figure 3 est ainsi architecturée. Les trente cinq lignes L qu'elle comporte ont un espacement moyen de l'ordre de 50 % de la longueur d'onde du signal en émission. Les lignes L sont disposées selon une loi de répartition correspondant à la fonction f(x) =cos2(x). Le gain surfacique est équivalent à celui d'une antenne comprenant trente cinq lignes espacées régulièrement de 40 % de la longueur d'onde du signal en émission.
Dans un mode de réalisation, chaque ligne L est alimentée par un amplificateur fonctionnant à son point de compression. La puissance d'un tel amplificateur adapté à une antenne active selon l'invention est par exemple de l'ordre de 1 à 2 watts. Chaque source élémentaire 2 est alors alimentée avec un même niveau de puissance.
Dans un autre mode de réalisation, chaque ligne L est alimentée par plusieurs amplificateurs, connectés sur des points d'entrée différents répartis le long de la ligne L. Ainsi l'invention permet tout à la fois de maximiser la puissance disponible pour chaque source élémentaire 2, d'optimiser la qualité du diagramme d'antenne au niveau des lobes secondaires et de maximiser le gain effectif de l'antenne.
Dans un autre mode de réalisation, l'antenne réalise un balayage électronique dans plusieurs plans. Les sources élémentaires 2 forme un réseau principal composé notamment de lignes L et de colonnes de sources élémentaires 2. Ainsi, dans la réalisation d'une antenne à balayage sur deux plans, la répartition verticale et horizontale des sources élémentaires 2 sur l'antenne est irrégulière. Toutefois, en moyenne l'espacement est de l'ordre de 50% de la longueur d'onde du signal en émission, soit 1,55 cm. Un espacement minimum entre deux sources élémentaires 2 est déterminé. Cet espacement minimum correspond aux sources élémentaires 2 situées au centre de l'antenne et peut par exemple prendre une valeur de l'ordre de 40 % de la longueur d'onde du signal en émission. Chaque source élémentaire 2 suivante est placée sur l'antenne de façon à ce que la densité finale des lignes obtenues sur l'axe vertical et horizontal coïncide au mieux avec une loi de pondération d'amplitude de la densité de courant souhaité. La densité des sources élémentaires 2, c'est à dire le nombre de sources élémentaires 2 par unité de longueur, croit à mesure que l'on se rapproche du centre de l'antenne. La loi de pondération pour la direction verticale et horizontale peut par exemple être la fonction f(x) = cos2(x).
La figure 4 montre un autre mode de réalisation de l'antenne. Les intervalles disponibles sur le réseau de sources élémentaires 2 de l'antenne peuvent être complétés par des regroupements de lignes. Ainsi, les lignes L du réseau principal existant sont remplacées, là où l'intervalle entre les lignes L le permet, par deux lignes L' de sources élémentaires réparties da façon symétrique par rapport à l'emplacement d'origine des lignes L concernées. Il peut s'agir notamment des lignes L extrême du réseau principal puisque celles-ci sont suffisament espacées pour pouvoir être remplacées par deux lignes. La position des lignes L' peut notamment être obtenue grâce à un algorithme de minimisation sous contrainte. Ainsi la surface effective de rayonnement de l'antenne est augmentée.
Ces lignes L' regroupées deux à deux peuvent être alimentées en phase quelle que soit la position de pointage. Pour un pointage donné, la phase appliquée correspond dans ce cas à la phase idéale qui serait appliquée à une ligne centrale virtuelle, correspondant à la ligne L remplacée.
Les lignes L' peuvent être alimenté chacune avec une puissance sensiblement égale au quart de la puissance qui était utilisée pour alimenter la ligne L avant sa substitution par les deux lignes L'.
Dans un mode de réalisation, l'alimentation des lignes L' est obtenue par exemple en répartissant la puissance de sortie d'un même amplificateur sur plusieurs lignes L'.
Dans le cas d'une antenne à balayage électronique deux plans, les intervalles disponibles sur le réseau principal de sources élémentaires 2 de l'antenne peuvent être remplacées par un regroupement de plusieurs sources élémentaires 2, comblant les intervalles disponibles sur l'antenne, là ou l'espacement entre les sources élémentaires le permet. Chaque regroupement de sources élémentaires 2 peuvent être alimentées en phase quelle que soit la position de pointage. Pour un pointage donné, la phase appliquée correspond dans ce cas à la phase idéale qui serait appliquée à la source élémentaire 2 centrale virtuelle remplacée par un regroupement de plusieurs sources élémentaires 2. Le positionnement de ces sources élémentaires 2 peut être adapté sous contrainte de façon à conserver un gabarit de lobes secondaires satisfaisant. L'alimentation des sources élémentaires 2 du réseau secondaires est obtenue par exemple en répartissant la puissance de sortie d'un même amplificateur sur le regroupement de plusieurs sources élémentaires 2.
L'antenne peut être réalisée en technologie circuit imprimé de façon à permettre la juxtaposition de lignes L de sources élémentaires 2 les plus rapprochées à un intervalle inférieur à 50% de la longueur d'onde du signal en émission.
L'invention a été décrite pour un radar appliqué à la météorologie. Néanmoins, l'invention s'applique à d'autres types de radar, notamment de surveillance.
Claims (13)
1. Antenne à balayage électronique comportant un ensemble de sources élémentaires (2) adaptées notamment à l'émission d'un signal et réparties sur la surface de l'antenne, l'ensemble desdites sources élémentaires (2) formant un réseau principal alimenté par un ou plusieurs amplificateurs caractérisée en ce que les sources élémentaires (2) sont réparties spatialement dans au moins une direction selon une loi de répartition non constante, la densité de sources élémentaires (2) au centre de l'antenne étant plus élevée qu'aux extrémités de l'antenne.
2. Antenne selon la revendication 1 caractérisée en ce que les sources élémentaires (2) sont alimentées par un signal électrique d'alimentation de même amplitude sur l'ensemble du réseau, le signal électrique d'alimentation étant délivré par un ou plusieurs amplificateurs fonctionnant à leur point de compression
3.Antenne selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que la distance minimum entre deux sources élémentaires (2) du réseau principal est inférieure à la moitié de la longueur d'onde du signal en émission.
4. Antenne selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que la loi de répartition est sensiblement la fonction f(x)=cos2(x) avec une distance minimum entre deux sources élémentaires (2) de 40% de la longueur d'onde du signal en émission.
5. Antenne selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que le signal électrique d'alimentation reçu par chaque source élémentaire (2) est pondéré par un facteur (a) avant d'être émis.
6. Antenne selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que les sources élémentaires (2) du réseau principal sont disposées en lignes (L), chaque ligne (L) étant alimentée par un amplificateur fonctionnant à son point de compression.
7. Antenne selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que les sources élémentaires (2) du réseau principal sont disposées en lignes (L), chaque ligne étant alimentée par plusieurs amplificateurs, connectés sur des points d'entrée différents répartis le long de la ligne (L).
8. Antenne selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que des sources élémentaires (2) sont disposées dans les intervalles disponibles du réseau principal de sources élémentaires (2) de l'antenne.
9. Antenne selon la revendication 8 caractérisée en ce que les sources élémentaires (2) sont alimentées en phase, la phase appliquée correspondant à la phase idéale qui serait appliquée à la source élémentaire (2) centrale virtuelle.
10. Antenne selon la revendication 9 caractérisée en ce que les sources élémentaires (2) sont alimentées en répartissant la puissance de sortie d'un même amplificateur sur plusieurs sources élémentaires (2).
11. Antenne selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce 20 qu'elle est adaptée à la détection et à la localisation des phénomènes météorologiques.
12. Antenne selon la revendication 11 caractérisée en ce qu'il s'agit d'une antenne incluse dans un radar météorologique aéroporté fonctionnant dans 25 la bande de fréquence X.
13. Antenne selon la revendication 11 caractérisée en ce que le balayage est réalisé mécaniquement en gisement et par balayage électronique en site.
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