FR2930845A1

FR2930845A1 - Antenne active d'emission/reception a balayage electronique un plan

Info

Publication number: FR2930845A1
Application number: FR0802466A
Authority: FR
Inventors: Christian Renard; Gerard Debionne; Jean-Francois Dupire; Marc Yves Lienhart; Michel Soiron
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2008-05-05
Filing date: 2008-05-05
Publication date: 2009-11-06
Anticipated expiration: 2028-05-05
Also published as: FR2930845B1

Abstract

L'invention concerne une antenne à balayage électronique comportant des éléments rayonnants reliés en amont à des circuits de déphasage (2), les éléments rayonnants étant implantés sur des axes parallèles entre eux, caractérisé en ce que les éléments rayonnants (11-14) d'un même axe (1) sont reliés à un unique circuit de déphasage (2) variable au moyen d'un circuit passif de distribution (71) de signaux RF conçu de façon que la longueur électrique des lignes RF entre l'entrée de chaque élément rayonnant (11-14) d'un même axe (1) et la sortie du circuit de déphasage (2) correspondant soit identique.L'invention s'applique à des radars et des moyens de télécommunications civiles ou militaires dans le domaine des ondes radiofréquences.

Description

ANTENNE ACTIVE D'EMISSION/RECEPTION A BALAYAGE ELECTRONIQUE UN PLAN Le domaine de l'invention concerne les antennes actives d'émission et/ou de réception à balayage électronique un plan pour applications radars et télécommunications civiles ou militaires dans le domaine des ondes radiofréquences. Le domaine d'application de l'antenne est celui des ondes hyperfréquences, ou encore appelées micro-ondes, correspondant à une certaine partie du spectre des ondes radiofréquences, celle des ondes submétriques jusqu'aux ondes millimétriques, c'est-à-dire au moins la bande de fréquences de 300 MHz à 300 GHz , soit en longueurs d'onde de 1 m à 1 mm , étendue parfois à la bande de 100 MHz à 1 000 GHz, soit de 3m à0,3mm.

Une antenne réseau active pour radar présente une architecture à amplification distribuée, c'est-à-dire qu'elle comprend des éléments d'amplification RF positionnés entre le point d'entrée de l'antenne et les éléments rayonnants constituant le réseau, à un niveau donné de l'architecture. On appelle antennes actives à balayage électronique les dispositifs antennaires dont on est capable de modifier la directivité et l'orientation du faisceau par commande électronique. On est ainsi capable, dans des temps relativement courts, d'assurer soit un balayage continu de l'espace, soit des pointages successifs dans des directions bien déterminées, soit des alternances faisceaux étroits/ faisceaux étendus, soit tout autre combinaison de ces situations. Concernant un domaine d'application, on peut citer les radars aéroportés pouvant réaliser un balayage tridimensionnel du faisceau antennaire sans mouvement physique de l'antenne. Le radar est ainsi capable par exemple de mettre en oeuvre un mode de détection et de poursuite automatique à grande distance de cibles aériennes. Il est nécessaire de disposer d'une électronique de commande pour piloter le faisceau antennaire. Pour une antenne réseau comportant une centaine d'éléments rayonnants de réception et émission devant être individuellement pilotés, les moyens électroniques de commande deviennent alors nombreux et donc onéreux en coût, en consommation et en masse. Pour des applications aéronautiques aux contraintes strictes, ces problèmes deviennent alors critiques.

On connaît dans l'art antérieur, des solutions permettant de mettre en commun des éléments de l'électronique de commande pour piloter les circuits de déphasage d'un module TR d'émission et de réception d'un élément rayonnant. Par exemple, comme illustré par la figure 1, dans le cas d'une antenne active à balayage électronique, l'antenne possède des ~o éléments de déphasage 2 pour pointer le faisceau dans des directions autres que la normale au réseau. Afin de réduire le nombre d'éléments à réaliser, à implémenter dans le réseau et à commander, les éléments de déphasage sont fréquemment communs aux voies émission et réception implantées dans les modules TR. L'élément rayonnant 11 d'une voie 15 d'émission/réception est connecté à un circulateur 6 ou un commutateur séparant la voie d'émission T et la voie de réception R. Un circulateur RF est un dispositif à plusieurs ports, permettant à un signal RF de circuler dans une seule direction. Si on considère un circulateur avec trois ports p1, p2, p3, un signal injecté dans un port p1 est transmis au port p2 et isolé du port p3, 20 tandis qu'un signal entrant via le port p2 est transmis au port p3 et isolé du port p1. On a ainsi un découplage des signaux émis et reçus. Le déphaseur 2 d'une voie émission/réception est implanté dans un ensemble appelé circuit multifonctions MFC, fréquemment associé à un amplificateur variable 5, un système de commutateurs 3 permettant de les insérer soit dans la 25 chaîne émission T, soit dans la chaîne réception R de la voie considérée. Les amplificateurs d'émission 41 sont dimensionnés pour l'obtention de la puissance rayonnée souhaitée, les amplificateurs de réception 42 positionnés au plus près des éléments rayonnants 11 sont dimensionnés pour l'obtention d'un bruit faible dans les chaînes de réception R. Cette 30 solution permet de réduire l'électronique de commande en mettant en commun les circuits pour les voies d'émission et de réception. Toutefois, une antenne réseau active à balayage électronique comportant plus d'une centaine de voies d'émission/réception nécessite des moyens électroniques de déphasage et de commande conséquents. Le pointage du faisceau dans une direction (0,4)), où 4 est l'angle de roulis et 0 l'angle de déflexion du faisceau compté à partir de l'axe du réseau rayonnant, est assuré en appliquant à l'émission ou à la réception sur chaque élément rayonnant positionné dans le réseau en (x,y) une phase y telle que y=2ir/? (xsin0co$ + ysin0sin(), où 2 est la longueur d'onde à la fréquence considérée. Dans le cas d'une antenne destinée à effectuer un balayage électronique du faisceau dans un seul plan, par exemple dans le plan vertical comme illustré par la figure 2, 4 = 7E/2, le réseau antennaire peut être considéré comme réparti en lignes 1 et 10. Le pointage du faisceau dans une direction 0 comptée à partir du plan du réseau rayonnant est assuré en appliquant sur chaque élément rayonnant, à l'émission ou à la réception, une phase y égale à y = 27E (ysin0) /X. Le pointage du faisceau est donc obtenu en générant un déphasage entre les lignes 1 du réseau, égal, entre 2 lignes consécutives espacées de d dans un réseau régulier, à ocp =2it (dsin0) /2 On peut donc considérer que dans l'antenne, ou dans une portion de l'antenne, le nombre de déphaseurs et de module TR nécessaires est égal au nombre de lignes du réseau. Cependant, si un déphaseur relié à l'ensemble des éléments rayonnants d'un même axe n'est pas à équidistance de longueur de lignes des éléments rayonnants, cette différence de longueur modifie la phase des signaux RF entre les éléments rayonnants d'un même axe. De plus, dans une antenne réseau active, les points suivants sont à considérer. Pour un système mettant en oeuvre une antenne active en émission, la portée est fonction du gain directif de l'antenne, donc à sa dimension, et de la puissance rayonnée. La puissance rayonnée est liée à la somme des puissances RF en sortie de tous les amplificateurs des modules actifs. Pour une antenne active en réception, la sensibilité est liée au gain directif de l'antenne, donc à sa dimension, et au bruit généré par l'antenne, qui doit être minimisé. En premier lieu, il faut utiliser des amplificateurs à faible bruit, et les pertes RF en amont de ces amplificateurs doivent être minimisées. Pour des raisons de technologie, d'implantation et de dissipation thermique, il est préférable, à puissance rayonnée donnée, de mettre en oeuvre un plus grand nombre d'amplificateurs délivrant une puissance moindre. Plus précisément, l'invention concerne une antenne RF à balayage électronique comportant des éléments rayonnants reliés en amont à des circuits de déphasage, les éléments rayonnants étant implantés sur des axes parallèles entre eux, caractérisé en ce que les éléments rayonnants d'un même axe sont reliés à un unique circuit de déphasage variable au moyen d'un circuit passif de distribution de signaux RF conçu de façon que la longueur électrique des lignes RF entre l'entrée de chaque élément rayonnant d'un même axe et la sortie du circuit de déphasage correspondant soit identique. La valeur de déphasage entre les circuits de déphasage de deux axes d'éléments rayonnants parallèles et adjacents est égale à Lcp=2t(dsine)/X, avec d égal à la distance entre les deux axes d'éléments rayonnants, A égal à la direction comptée à partir du plan des éléments rayonnants, égal à la longueur d'onde des signaux RF. Avantageusement, les circuits de distribution de l'antenne comportent une structure arborescente de coupleurs. Avantageusement, les circuits de distribution comportent à leur sortie des modules amplificateurs connectés au plus près de chaque point d'entrée des éléments rayonnants. La solution proposée permet d'utiliser à l'émission des modules amplificateurs de puissance au plus près des éléments rayonnants et donc d'obtenir la puissance rayonnée désirée avec des amplificateurs délivrant une puissance réduite. Cette solution permet également d'utiliser à la réception des modules amplificateurs faible bruit au plus près des éléments rayonnants et donc d'obtenir une meilleure performance en bruit. Ces deux caractéristiques sont avantageuses par rapport à des amplificateurs implantés en amont dans la chaîne et communs à plusieurs voies. L'intérêt majeur est de réduire le nombre de circuits multifonctions et donc de faciliter leur implantation, de réduire le nombre de circuits électroniques de commande, notamment les circuits de commande des déphaseurs, et par conséquent de réduire les coûts de l'antenne. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : La figure 1 représente une implantation classique selon l'art antérieur d'une voie émission/réception d'une antenne active à balayage électronique. Dans cette configuration, le circuit MFC est individuel à chaque module TR d'émission/réception et y est directement connecté. La figure 2 représente le plan (x,y) d'un réseau d'éléments rayonnants d'une antenne à balayage électronique du faisceau dans un seul plan. 0, non représenté sur la figure, est l'angle de directivité dans le plan (y, z) et cl) est l'angle de directivité dans le plan (x,y). La figure 3a représente une implantation d'une architecture à quatre voies émission/réception par un circuit MFC pour une antenne active à balayage électronique 1 plan.

La figure 3b représente le circuit MFC en fonctionnement émission. La figure 3c représente le circuit MFC en fonctionnement réception. L'invention s'applique à tout type d'antenne à balayage électronique un plan comportant plusieurs éléments rayonnants. Elle peut s'appliquer à des applications radars ainsi que toutes applications de transmission pour les télécommunications radiofréquence. L'invention ne se restreint pas à un type d'élément rayonnant ; l'antenne peut par exemple intégrer des pavés de technologie microruban ainsi que des dipôles, voire des groupements de quelques éléments rayonnants. Une caractéristique essentielle de l'invention consiste à connecter un circuit de distribution, tel que représenté par exemple par les lignes de guide d'onde 71 selon la figure 3a, comportant des lignes de même longueur électrique entre des éléments rayonnants 11 à 14 devant émettre des signaux RF à une même phase et un circuit de déphasage 2. Les circuits de déphasage 2 des axes consécutifs 1 et 10 d'éléments rayonnants espacés d'une distance d présentent un déphasage Acp égal à 2n (dsin0) où 0 est égal à la direction comptée à partir du plan des éléments rayonnants et 2 est égal à la longueur d'onde des signaux RF de l'antenne. A titre d'exemple non limitatif, le circuit de distribution comporte une architecture arborescente de coupleurs 7 comportant une entrée et deux sorties. Un coupleur est un dispositif à plusieurs ports permettant de distribuer l'énergie provenant du port d'entrée en parties égales ou non entre les ports de sortie. Le nombre de sorties d'un coupleur dépendant du nombre d'éléments rayonnants devant être connectés à un même circuit de déphasage. En concevant des distributions d'énergie différentes entre les éléments rayonnants d'une même ligne 1 et le circuit de déphasage 2, les longueurs physiques des lignes des circuits de distribution 71 et 72 peuvent être différentes mais présentent des longueurs électriques égales. Les éléments constituant le circuit de distribution ne limitent pas la portée de l'invention et des éléments autres que des coupleurs peuvent être utilisés. L'utilisation d'un circuit de distribution passif permet de ne pas avoir à intégrer à l'antenne des circuits de commande individuels à chaque élément rayonnant. De cette manière, le circuit de déphasage 2 peut être éloigné des éléments rayonnants devant émettre ou recevoir des signaux RF de même phase et peut alimenter plusieurs de ces éléments. Ainsi on arrive à réduire dans une antenne réseau à balayage électronique le nombre de circuits de déphasage et de circuits électroniques de commande associés et l'objectif de réduction de coût de l'antenne est ainsi atteint.

Les signaux RF issus des éléments rayonnants 11 à 14 d'un même axe 1 présentent la même phase cp=2n(ysinO)/k. Le faisceau antennaire effectue alors un balayage dans le plan (y,z) orthogonal au plan (x,y) selon une direction 0 lorsque cp varie. Par conséquent, les axes d'implantation 1 et 10 sont orthogonaux au faisceau de l'antenne. Le circuit de distribution dans notre application est de technologie imprimée sur substrat diélectrique connue de l'homme du métier, comme par exemple microruban , triplaque ou coplanaire . A titre d'exemple non limitatif illustré par les figures 3a, 3b et 3c, l'invention concerne une antenne d'émission et de réception. Elle comporte plusieurs parties, chaque partie assurant, pour chaque élément rayonnant d'un même axe, le contrôle de la phase et l'aiguillage des signaux RF entre les voies d'émission et de réception des éléments rayonnants, et ces parties comprenant chacune, un circuit multifonction MFC relié à deux circuits de distribution 71 et 72 et des éléments imprimés 6 reliant chaque élément rayonnant aux deux circuits de distribution; le circuit MFC comprend un circuit de déphasage 2, le premier circuit de distribution 71 utilisé pour la voie de réception est relié à une première sortie du circuit MFC et le second 72 utilisé pour la voie d'émission est relié à la seconde sortie du circuit MFC.

Dans un premier mode de mise en oeuvre, les éléments imprimés (6) sont des circulateurs RF. Dans un second mode de mise en oeuvre, les éléments imprimés 6 sont des commutateurs. Ces éléments imprimés 6 ont pour fonction de séparer les voies d'émission et de réception. Avantageusement, le circuit MFC comporte également un système de trois commutateurs 31 à 33, un premier commutateur 31 permettant de relier la sortie du circuit de déphasage 2 à la voie d'émission ou à l'entrée du MFC, un deuxième commutateur 32 permettant de relier l'entrée du circuit de déphasage à la voie de réception ou à l'entrée du MFC et un troisième commutateur 33 permettant de relier l'entrée du MFC à l'entrée du circuit de déphasage ou à la sortie du circuit de déphasage, le système de commutateurs permettant d'insérer le circuit de déphasage soit dans la voie d'émission 72, soit dans la voie de réception 71. Avantageusement, les circuits de distribution comportent à leur sortie les amplificateurs 41 et 42 connectés au plus près de chaque point d'entrée des éléments rayonnants et l'architecture de l'antenne comporte des éléments de guide d'onde à faible perte entre les modules amplificateurs et les éléments rayonnants. La figure 3a représente un axe comportant quatre éléments rayonnants mais il est clair que l'invention ne se limite à cette configuration. En fonctionnement d'émission, les amplificateurs 41 de ~o l'antenne sont des amplificateurs de puissance délivrant une puissance réduite par rapport à une solution où les amplificateurs situés en amont sont communs à plusieurs voies. Ils sont situés au plus près de l'élément rayonnant et connectés par des guides d'ondes à faible pertes. Cette solution est avantageuse par rapport aux problèmes de dissipation de l'énergie et de 15 consommation par exemple. On évite également d'utiliser des guides d'onde à faible perte, plus coûteux, pour la conception des circuits de distribution 72. En fonctionnement de réception, les amplificateurs 42 sont à faible bruit. On obtient ainsi de meilleures performances à la réception. De même les circuits de distribution 71 ne requièrent pas dans cette architecture d'être à faible 20 perte, au contraire d'une architecture où les amplificateurs sont en aval et communs à plusieurs voies. Avantageusement, l'antenne est fixée sur un support réalisant par des moyens mécaniques simples un balayage dans un plan unique perpendiculaire au plan de balayage du faisceau de l'antenne, les moyens 25 mécaniques étant pilotés par des moyens de commandes couplés aux moyens de commande des circuits de déphasage de façon que le faisceau antennaire soit orientable dans un espace tridimensionnel. Une antenne selon l'invention disposant d'un mécanisme simple de rotation dans un plan permet de réaliser une antenne pouvant diriger son faisceau dans l'espace 30 tridimensionnel et dispose de circuits électroniques allégés par rapport à une antenne à balayage électronique multidimensionnel. On réalise ainsi une antenne combinant des moyens électroniques et mécaniques simples par rapport à des solutions entièrement mécaniques ou entièrement électroniques plus coûteuses.

L'invention concerne les antennes actives à balayage électronique d'émission et/ou de réception de signaux RF. II est clair que le choix des technologies de lignes de guide d'onde et des éléments rayonnants ne porte pas atteinte à l'esprit et à la portée de l'invention. L'invention peut s'appliquer à toute application radar ou antenne de transmission de données à balayage ~o électronique. Elle s'applique particulièrement aux radars aéroportés.

Claims

REVENDICATIONS1. Antenne RF à balayage électronique comportant des éléments rayonnants reliés en amont à des circuits de déphasage (2), les éléments rayonnants étant implantés sur des axes (1),(10) parallèles entre eux, caractérisé en ce que les éléments rayonnants (11-14) d'un même axe (1) sont reliés à un unique circuit de déphasage (2) variable au moyen d'un circuit passif de distribution (71) de signaux RF conçu ~o de façon que la longueur électrique des lignes RF entre l'entrée de chaque élément rayonnant (11-14) d'un même axe (1) et la sortie du circuit de déphasage (2) correspondant soit identique.
2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le circuit de distribution (71) comporte une structure arborescente de 15 coupleurs (7).
3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle fonctionne en mode d'émission et de réception et en ce qu'elle comporte plusieurs parties, chaque partie assurant, pour chaque élément rayonnant d'un même axe, le contrôle de la phase et 20 l'aiguillage des signaux RF entre les voies d'émissions et de réception des éléments rayonnants, et ces parties comprenant chacune, un circuit multifonction MFC relié à deux circuits de distribution (71-72) et des éléments imprimés (6) reliant chaque élément rayonnant aux deux circuits de distribution; le circuit MFC comprend un circuit de 25 déphasage (2), le premier circuit de distribution (71) utilisé pour la voie de réception est relié à une première sortie du circuit MFC et le second (72) utilisé pour la voie d'émission est relié à la seconde sortie du circuit MFC.
4. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que les 30 éléments imprimés (6) sont des circulateurs RF.
5. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que les éléments imprimés (6) sont des commutateurs.
6. Antenne selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisée en ce que le circuit MFC comporte également un système de trois commutateurs (31-33), un premier commutateur (31) permettant de relier la sortie du circuit de déphasage (2) à la voie d'émission ou à l'entrée du MFC, un deuxième commutateur (32) permettant de relier l'entrée du circuit de déphasage à la voie de réception ou à l'entrée du MFC et un troisième commutateur (33) ~o permettant de relier l'entrée du MFC à l'entrée du circuit de déphasage ou à la sortie du circuit de déphasage, le système de commutateurs permettant d'insérer le circuit de déphasage soit dans la voie d'émission (72), soit dans la voie de réception (71).
7. Antenne selon la revendication 6, caractérisée en ce que les 15 circuits de distribution (71), (72) comportent à leur sortie des modules amplificateurs (41), (42) connectés au plus près de chaque point d'entrée des éléments rayonnants (11-14).
8. Antenne selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comporte des éléments de guide d'onde à faible perte entre les 20 modules amplificateurs (41), (42) et les éléments rayonnants (11-14).
9. Antenne à balayage électronique selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle est fixée sur un support réalisant par des moyens mécaniques un balayage dans un plan unique perpendiculaire au plan de balayage du faisceau de l'antenne, les moyens mécaniques 25 étant pilotés par des moyens de commandes couplés aux moyens de commande des circuits de déphasage de façon que le faisceau antennaire soit orientable dans un espace tridimensionnel.