FR2903233A1 - Electronic antenna device for electronically scanning radar, has duplexer, whose output connected to receiving stage, head amplifier and receiving phase-shifter, whose output reaches input of receiving distributor - Google Patents
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Abstract
Description
Dispositif électronique d'antenne pour radar L'invention concerne unThe invention relates to an antenna device for radar.
dispositif électronique d'antenne pour radar. Les radars de la nouvelle génération sont à balayage électronique. Cela suppose qu'au lieu d'un aérien unique, ils comportent une multiplicité d'éléments d'antenne. Ceux-ci définissent ensemble ce qu'on appelle une "antenne-réseau". Le balayage électronique, et d'autres fonctions utiles, sont obtenus en agissant sur le décalage de phase (ou décalage temporel) auquel sont soumis les signaux d'émission allant vers chaque élément d'antenne, et les signaux de réception provenant de chaque élément d'antenne. Les moyens d'émission du radar comportent un générateur de fréquence et au moins un amplificateur d'émission; les moyens de réception comprennent en tête des étages d'amplification faible bruit à large bande, suivis d'étages de réception plus sélective. Les dispositifs électroniques d'antenne ont encore à assurer deux autres fonctions. La fonction "duplexeur" sépare l'émission de la réception. Dans les antennes-réseau, au moins une fonction "distributeur" est nécessaire, car les signaux émis aussi bien que reçus doivent se distibuer sur l'ensemble des éléments d'antenne. electronic antenna device for radar. The radars of the new generation are electronic scanning. This assumes that instead of a single air, they include a multiplicity of antenna elements. These together define what is called a "network antenna". The electronic scanning, and other useful functions, are obtained by acting on the phase shift (or time shift) to which the transmission signals to each antenna element are subjected, and the reception signals from each element. antenna. The transmitting means of the radar comprise a frequency generator and at least one transmission amplifier; the receiving means comprise broadband low noise amplification stages at the top, followed by more selective reception stages. Antenna electronics still have two other functions to perform. The "duplexer" function separates the transmission from the reception. In the network antennas, at least one "distributor" function is necessary because the signals transmitted as well as received must be distributed over all the antenna elements.
Les structures actuelles des antennes à balayage électronique sont généralement du type dit "antenne passive". En bref, cela signifie que les circuits d'émission, de réception et duplexeur sont pratiquement les mêmes qu'avec une antenne à balayage mécanique. On a simplement associé à chaque élément d'antenne un déphaseur qui lui est propre. Ce déphaseur doit être réciproque (bidirectionnel) dans les antennes à balayage électronique dites passives. Les projets actuels s'orientent vers une antenne dite "active". The current structures of electronic scanning antennas are generally of the so-called "passive antenna" type. In short, this means that the transmit, receive and duplexer circuits are essentially the same as with a mechanical scanning antenna. Each antenna element has simply been associated with a phase shifter of its own. This phase shifter must be reciprocal (bidirectional) in so-called passive electronic scanning antennas. Current projects are moving towards an "active" antenna.
Dans une telle antenne, on prévoit un distributeur d'émission et 2903233 2 un distributeur de réception séparés. Les fonctions de décalage de phase, d'amplification, de duplexage et autres sont implantées, pour chaque élément d'antenne, sur la voie qui relie cet élément d'antenne au distributeur concerné. Pour l'émission, il 5 ne reste à l'extérieur de l'antenne que le générateur de fréquences en amont du distributeur. En aval du distributeur de réception commencent les étages récepteurs sélectifs. Ce concept d'antenne active fait l'objet d'intenses recherches, 10 car il offre des avantages importants au niveau de la richesse des possibilités de traitement à la réception. Cependant, il pose des problèmes de faisabilité et/ou de coût, lorsque par exemple on recherche, en bande X, une valeur élevée 15 du produit de la largeur de bande d'émission par la puissance d'émission. En effet, la réalisation avec une miniaturisation suffisante d'amplificateurs capables de telles performances est très délicate. In such an antenna, there is provided an emission distributor and a separate receiving distributor. The phase shift, amplification, duplexing and other functions are implemented, for each antenna element, on the path connecting this antenna element to the distributor concerned. For the transmission, only the frequency generator upstream of the antenna remains outside the antenna. Downstream of the receiving distributor start the selective receiving stages. This concept of active antenna is the subject of intense research, 10 because it offers significant advantages in terms of the wealth of processing possibilities at the reception. However, it poses problems of feasibility and / or cost, for example when a high value of the product of the transmission bandwidth is sought by the transmission power in the X-band. Indeed, the realization with sufficient miniaturization of amplifiers capable of such performance is very delicate.
20 Ceci fait que, malgré ses nets avantages, le mode de réalisation à antenne active tarde à venir sur le marché lorsque de fortes puissances sont nécessaires. Là où il est disponible, son coût le rend inapplicable en pratique.This means that, despite its clear advantages, the active antenna embodiment is slow to come on the market when high power is needed. Where it is available, its cost makes it inapplicable in practice.
25 La Demanderesse s'est posé le problème de lever cet obstacle, en cherchant malgré tout à bénéficier des avantages précités de richesse en réception. Un autre but de l'invention est d'obtenir un dispositif électro- 30 nique d'antenne qui soit sujet à des pertes de signal en hyperfréquence meilleures que celles des antennes passives dont on dispose actuellement, et approchant celles des antennes actives que l'on souhaite fabriquer à l'avenir.The Applicant has posed the problem of removing this obstacle, while still seeking to benefit from the aforementioned advantages of rich reception. Another object of the invention is to obtain an electronic antenna device which is subject to microwave signal losses better than those of passive antennas currently available, and approaching those of active antennas that the we want to manufacture in the future.
35 L'invention a également pour but de permettre l'application à des radars nécessitant une forte puissance d'émission sur une large bande.The invention also aims to allow the application to radars requiring a large transmission power over a wide band.
2903233 3 Le dispositif proposé est du type comportant : - des circuits d'antenne, comprenant une antenne-réseau formée d'une pluralité d'éléments d'antenne, à chacun desquels est couplé au moins un élément déphaseur , 5 - des moyens d'émission comprenant un générateur de fréquences, et au moins un amplificateur d'émission, - des moyens de réception comprenant des étages de tête, suivis d'étages de réception sélective, - des moyens duplexeurs et distributeurs interconnectant les 10 circuits d'antenne avec les moyens d'émission et de réception. Selon l'invention, l'amplificateur d'émission est monté entre le générateur de fréquences et un distributeur-démultiplexeur, dont les sorties sont reliées à des déphaseurs haut niveau, suivis de 15 l'entrée de duplexeurs, aboutissant chacun à un élément d'antenne respectif, tandis que la sortie de réception de chaque duplexeur est reliée à une voie de réception qui, après ses étages de tête (essentiellement, un amplificateur à large bande et faible bruit, précédé éventuellement d'une protection), est munie d'un 20 déphaseur autonome bas niveau, dont la sortie aboutit à une entrée respective d'un distributeur-multiplexeur, qui alimente les étages de réception sélective. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaî- 25 tront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est le schéma de principe du dispositif électronique d'antenne pour un radar à balayage électronique à antenne 30 passive; - la figure 2 est un schéma semblable, mais pour un radar à antenne active; et 35 - la figure 3 illustre le schéma préconisé selon la présente invention.The proposed device is of the type comprising: antenna circuits, comprising a network antenna formed of a plurality of antenna elements, each of which is coupled at least one phase-shifting element; transmission comprising a frequency generator, and at least one transmission amplifier; reception means comprising head stages, followed by selective reception stages; duplexer and distributor means interconnecting the antenna circuits with the transmitting and receiving means. According to the invention, the transmission amplifier is connected between the frequency generator and a distributor-demultiplexer, the outputs of which are connected to high-level phase-shifters, followed by the input of duplexers, each leading to a d-element. respective antenna, while the reception output of each duplexer is connected to a reception channel which, after its head stages (essentially a broadband amplifier and low noise, possibly preceded by a protection), is provided with a low level autonomous phase shifter, the output of which results in a respective input of a distributor-multiplexer, which supplies the selective reception stages. Other features and advantages of the invention will be apparent from the following detailed description and the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a schematic diagram of the electronic antenna device for a passive antenna electronic scanning radar; - Figure 2 is a similar diagram, but for an active antenna radar; and Figure 3 illustrates the preferred scheme according to the present invention.
2903233 4 L'illustration des dessins annexés est de caractère certain. En conséquence, les dessins sont à considérer comme incorporés à la description. Ils pourront servir non seulement à compléter celle-ci, mais aussi à la définition de l'invention si nécessaire.The illustration of the attached drawings is of a certain character. Accordingly, the drawings are to be considered as incorporated in the description. They can serve not only to complete this one, but also to the definition of the invention if necessary.
5 Sur la figure 1, la partie émission d'un radar comprend un générateur de fréquence GF, suivi d'un amplificateur d'émission AE, comprenant avantageusement au moins un tube à ondes progressives TOP. Le générateur de fréquence est nécessaire, compte tenu 10 par exemple du fait que la fréquence d'émission d'un radar est souvent modifiée pour différentes raisons. La largeur de bande utile de l'antenne est donc définie par toute la bande que le radar doit pouvoir couvrir, compte tenu de ses 15 différentes fréquences d'émission et de réception. La partie réception commence généralement par un étage de protection RP qui peut être de facture classique. Suit un étage récepteur de tête formant amplificateur à faible bruit RT, qui 20 possède a priori la même bande que l'antenne. Ensuite interviennent des étages de réception sélective RS, à l'intérieur desquels commence à s'effectuer le traitement des signaux radar. Ces parties d'émission et de réception sont respectivement 25 connectées aux bornes correspondantes d'un duplexeur DX. Dans un radar à balayage électronique passif, on connecte la partie bidirectionnelle du duplexeur DX à un distributeur bidirectionnel DB, dont les sorties sont reliées à différents 30 éléments d'antenne Al à An, l'élément courant étant noté Ai. Sur chaque voie i, il est prévu un déphaseur ou ajusteur de phase PHi, qui est réciproque, c'est-à-dire bidirectionnel et de mêmes caractéristiques dans les deux sens.In FIG. 1, the transmission part of a radar comprises a frequency generator GF, followed by an emission amplifier AE, advantageously comprising at least one traveling wave tube TOP. The frequency generator is necessary, given, for example, that the transmission frequency of a radar is often changed for different reasons. The useful bandwidth of the antenna is therefore defined by the entire band that the radar must be able to cover, given its different transmission and reception frequencies. The reception part generally starts with a RP protection stage which can be of conventional invoice. Follows a low noise amplifier head receiver stage RT, which has a priori the same band as the antenna. Subsequently, there are selective reception stages RS, within which the processing of the radar signals begins. These transmitting and receiving portions are respectively connected to the corresponding terminals of a duplexer DX. In a passive electronic scanning radar, the bidirectional part of the DX duplexer is connected to a bidirectional distributor DB, the outputs of which are connected to different antenna elements A1 to An, the current element being denoted by Ai. On each channel i, there is provided a phase shifter or phase adjuster PHi, which is reciprocal, that is to say bidirectional and the same characteristics in both directions.
35 La réalisation du distributeur bidirectionnel DB ne pose pas de problèmes fondamentaux. Par contre, l'homme de l'art sait que la construction de déphaseurs réciproques présentant une faible perte d'insertion est une chose délicate. Les déphaseurs le plus 2903233 5 souvent utilisés à cet effet sont à base de matériaux dits "Ferrite" (à ne pas confondre avec les ferrites classiques en chimie). Ces matériaux ont des propriétés complexes. Il a cependant été possible d'obtenir une bonne "réciprocité" de tels 5 déphaseurs. L'homme de l'art sait que le distributeur bidirectionnel DB et chacun des déphaseurs réciproques PHi atténuent les signaux (utiles) qui les traversent. Par contre, tous les étages de 10 réception étant en aval, le bruit du récepteur situé en aval ne subit pas cette atténuation. Ceci pénalise le rapport signal à bruit. La figure 2 illustre le schéma d'un dispositif à antenne active, 15 tel qu'on le prévoit actuellement. Le générateur de fréquence GF est connecté à un distributeur d'émission DE, à partir duquel chaque voie est individualisée jusqu'à un élément d'antenne Ai. Une voie comporte un déphaseur 20 PEi, suivi d'amplificateurs hyperfréquences d'émission AEli et AE2i, à réaliser en technologie de circuits intégrés ce qui, comme indiqué plus haut pose des problèmes coût/faisabilité. On trouve ensuite un duplexeur DXi qui alimente l'élément d'antenne Ai. La sortie de réception de ce duplexeur est appliquée à un 25 étage de protection RPi, suivi d'un amplificateur de tête RTi, puis d'un déphaseur de réception PRi. Les sorties des différents déphaseurs de réception sont regroupées dans un distributeur DR qui alimente les étages de réception sélective RS.The realization of the bidirectional distributor DB does not pose any fundamental problems. On the other hand, one skilled in the art knows that building reciprocal phase shifters with low insertion loss is a tricky thing. The most often used phase shifters for this purpose are based on so-called "ferrite" materials (not to be confused with conventional ferrites in chemistry). These materials have complex properties. It has, however, been possible to obtain a good "reciprocity" of such phase shifters. Those skilled in the art know that the bidirectional distributor DB and each reciprocal phase shifter PHi attenuate the (useful) signals that pass through them. On the other hand, all the receiving stages being downstream, the noise of the downstream receiver does not undergo this attenuation. This penalizes the signal-to-noise ratio. Figure 2 illustrates the diagram of an active antenna device as currently provided. The frequency generator GF is connected to an emission distributor DE, from which each channel is individualized to an antenna element Ai. One channel comprises a PEi phase shifter 20, followed by emitter microwave amplifiers AEli and AE2i, to be produced in integrated circuit technology, which, as indicated above, poses cost / feasibility problems. Then there is a DXi duplexer which feeds the antenna element Ai. The reception output of this duplexer is applied to a protection stage RPi, followed by a head amplifier RTi and then a reception phase-shifter PRi. The outputs of the different reception phase-shifters are grouped together in a distributor DR which supplies the selective reception stages RS.
30 L'avantage de ce dispositif serait de placer les éléments atténuateurs (distributeur DE et déphaseurs PEi) en amont des étages d'amplification de l'émission. A l'émission, l'atténuation qu'ils introduisent est donc compensée en augmentant le gain de l'amplificateur AEi d'une quantité correspondante.The advantage of this device would be to place the attenuator elements (distributor DE and phase shifters PEi) upstream of the amplification stages of the emission. On transmission, the attenuation they introduce is therefore compensated by increasing the gain of the amplifier AEi by a corresponding amount.
35 A la réception, l'atténuation introduite par les déphaseurs PRi et le distributeur DR porte simultanément sur le signal reçu par les éléments d'antenne Ai et sur le bruit généré au niveau des 2903233 6 étages de tête RTi; elle n'induit donc pas une dégradation des performances du radar. La faisabilité d'un tel dispositif dépend d'abord de celles des 5 amplificateurs d'émission de forte puissance sous faible volume. Mais il faut aussi pouvoir intégrer en regard des éléments d'antenne, outre les amplificateurs d'émission et de réception, les distributeurs d'émission DE et de réception DR, et les 10 déphaseurs PEi et PRi, avec leurs circuits de commande. Ces déphaseurs, dont les pertes ne sont plus critiques, peuvent être réalisés sous la forme de déphaseurs plus simples, par exemple à diodes. Dans le cas considéré, le déphasage s'effectue 15 à bas niveau dans les deux cas : le niveau est bas pour la réception comme il est habituel. Le niveau est bas pour l'émission car le déphasage est effectué avant l'amplification. A noter que ceci suppose que l'amplification conserve bien la phase sur l'ensemble de la bande de travail.On reception, the attenuation introduced by the phase shifters PRi and the distributor DR simultaneously bears on the signal received by the antenna elements Ai and on the noise generated at the level of the six head stages RTi; it does not induce a deterioration of radar performance. The feasibility of such a device depends primarily on those of the high power amplifiers at low volume. But it must also be possible to integrate antenna transmitters, in addition to the transmit and receive amplifiers, the DE and receive transmitters DR, and the phase shifters PEi and PRi, with their control circuits. These phase shifters, whose losses are no longer critical, can be made in the form of simpler phase shifters, for example diodes. In the case considered, the phase shift takes place at low level in both cases: the level is low for reception as it is usual. The level is low for the emission because the phase shift is performed before the amplification. Note that this assumes that the amplification keeps the phase well over the entire working band.
20 Les recherches de la Demanderesse ont montré qu'il est possible de réaliser un circuit intermédiaire entre les antennes passive et active, circuit dont le schéma de principe est donné sur la figure 3. En amont du distributeur d'émission DE, on retrouve le générateur de fréquence GF et le tube amplificateur de puissance à ondes progressives AE.The Applicant's researches have shown that it is possible to produce an intermediate circuit between the passive and active antennas, the circuit of which the block diagram is given in FIG. 3. Upstream of the emission distributor DE, we find the GF frequency generator and the AE traveling power amplifier tube.
30 En aval du distributeur de réception DR, on trouve les étages de réception sélective RS. Chaque élément d'antenne Ai est associé à un duplexeur DXi. La voie de réception comprend l'étage de réception RPi, l'ampli- 35 ficateur RPi et le déphaseur PRi qui peuvent être les mêmes que précédemment. La voie d'émission de celui-ci comprend simplement un déphaseur PEI.Downstream of the receiving distributor DR are the selective receiving stages RS. Each antenna element Ai is associated with a duplexer DXi. The receive channel includes the receive stage RP 1, the amplifier RP 1 and the phase shifter PR 1 which may be the same as before. The transmission path of this one simply includes a PEI phase shifter.
25 2903233 7 L'homme de l'art, lorsqu'il explore cette possibilité, se heurte immédiatement aux problèmes suivants: - superposer un distributeur de puissance à faible pertes (émission) avec un ou des distributeurs de réception. 5 - réaliser au niveau de la voie d'émission un déphaseur susceptible d'encaisser toute la puissance d'émission d'une voie. Et des raisons pratiques font qu'il n'est pas recommandé d'utiliser les déphaseurs réciproques à Ferrite des antennes passives, malgré leurs faibles pertes, à cause de la complexité de leur commande 10 et de la puissance d'alimentation nécessaire à cette commande. En effet, il faut encore pouvoir loger dans l'espace restreint disponible en regard de chaque élément d'antenne non seulement le déphaseur et ses circuits de commande, mais aussi les circuits 15 complémentaires requis pour la réception. Ceci a été rendu possible par l'usage comme déphaseur PEI de déphaseurs à diodes de puissance du type PIN, dont la commande est relativement simple. Le déphaseur PRi peut être un déphaseur en particulier en technologie monolithique à arséniure de gallium utilisant des transistors FET pour les commutations de lignes hyperfréquence de longueur variable.One skilled in the art, when exploring this possibility, immediately comes up against the following problems: - superimposing a low loss power distributor (emission) with one or more receiving distributors. 5 - perform at the transmission channel a phase shifter capable of absorbing all the transmission power of a channel. And practical reasons that it is not recommended to use ferrite reciprocating phase shifters passive antennas, despite their low losses, because of the complexity of their control 10 and the power supply required for this command . Indeed, it is still necessary to accommodate in the restricted space available next to each antenna element not only the phase shifter and its control circuits, but also the complementary circuits required for the reception. This has been made possible by the use as a PEI phase shifter of phase shifters with PIN type power diodes, the control of which is relatively simple. The PRi phase shifter can be a phase-shifter in particular monolithic gallium arsenide technology using FET transistors for the switching of microwave lines of variable length.
25 La difficulté essentielle de réaliser les distributeurs peut être résolue de la manière suivante: - on prévoit une antenne à fentes classique. - on place dans le champ proche de cette antenne des éléments de 30 réception interne indépendants; la fonction de distribution d'émission est réalisée par ce couple antenne à fentes/ éléments récepteurs internes. - les sorties de ces récepteurs internes traversent une structure "triplaque", pour se coupler à leurs voies d'émission respectives 35 composées de déphaseurs respectifs DEi, suivis des circulateurs DXi et des éléments d'antenne externes DXi. - à coté de chaque voie d'émission est prévue une voie de réception, constituée comme déjà indiqué. 20 2903233 8 - la ou les sorties de chaque voie de réception rejoignent la structure triplaque, qui, de manière connue, effectue des sommations ou autres recombinaisons pondérées des signaux des différentes voies. 5 - Matériellement, les circuits de commande peuvent être partagés entre deux couples de voies émission/réception, et logées entre celles-ci. Les sorties de signaux utiles se font en bordure de la structure triplaque, de même que les alimentations et commandes, notamment pour les déphaseurs.The essential difficulty of producing the distributors can be solved in the following way: a conventional slot antenna is provided. in the near field of this antenna are placed independent internal reception elements; the transmission distribution function is performed by this slot antenna / internal receiver element pair. the outputs of these internal receivers pass through a "triplate" structure, to couple with their respective transmission channels composed of respective phase-shifters DEi, followed by the DXi circulators and the external antenna elements DXi. - Next to each channel of emission is provided a reception channel, constituted as already indicated. The outlet (s) of each reception channel join the triplate structure, which, in known manner, performs summations or other weighted recombinations of the signals of the different channels. 5 - Materially, the control circuits can be shared between two pairs of transmit / receive channels, and housed therebetween. The useful signal outputs are at the edge of the stripline structure, as are the power supplies and controls, especially for phase shifters.
10 Si l'on note Lo les pertes en hyperfréquence associées au dispositif d'antenne de la figure 1, celui de la présente invention permet d'avoir des pertes hyperfréquence inférieures de 4 db environ. Il procure l'avantage d'avoir une grande 15 richesse de traitement, puisque les déphasages sont gérés indépendamment à l'émission et à la réception, et que l'on a une liberté totale pour faire des recombinaisons pondérées adaptées des information disponibles sur les voies de réception. Plusieurs distributeurs de réception DR peuvent être utilisés, suivis 20 d'autant de voies de réception sélective. Le circuit décrit présente encore l'avantage de permettre l'utilisation d'un tube à ondes progressives, c'est-à-dire de n'être pas gêné en termes de produit de la puissance d'émission 25 par la largeur de bande d'émission, comme c'était le cas avec les dispositifs intégrés qui sont nécessaires dans le mode de réalisation de la figure 2. En outre, le coût du dispositif d'antenne ici proposé est 30 nettement inférieur à celui que l'on peut prévoir pour les antennes actives du futur.If Lo is noted the microwave losses associated with the antenna device of FIG. 1, that of the present invention makes it possible to have microwave losses lower by about 4 db. It has the advantage of having a great deal of processing, since the phase shifts are managed independently on transmission and on reception, and there is complete freedom to make suitable weighted recombinations of the information available on them. reception channels. Several DR receiving distributors can be used, followed by as many selective receive channels. The circuit described has the further advantage of allowing the use of a traveling wave tube, that is to say of being uncomfortable in terms of the product of the transmission power by the bandwidth as was the case with the integrated devices which are necessary in the embodiment of FIG. 2. In addition, the cost of the antenna device proposed here is much lower than that which can be provide for active antennas of the future.
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FR9109049A Withdrawn FR2903233A1 (en) | 1991-07-17 | 1991-07-17 | Electronic antenna device for electronically scanning radar, has duplexer, whose output connected to receiving stage, head amplifier and receiving phase-shifter, whose output reaches input of receiving distributor |
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- 1992-07-10 DE DE4222802A patent/DE4222802A1/en active Pending
Also Published As
Publication number | Publication date |
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ST | Notification of lapse |
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