FR2931948A1

FR2931948A1 - Procede et dispositif de mesure en champ proche du facteur de merite d'une antenne

Info

Publication number: FR2931948A1
Application number: FR0802985A
Authority: FR
Inventors: Gilles Chevalier; Christian Renard; Michel Dudome
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2009-12-04
Anticipated expiration: 2028-05-30
Also published as: FR2931948B1

Abstract

L'invention concerne un dispositif comportant des moyens de mesure du facteur de mérite d'une antenne active, ledit facteur de mérite étant égal à PIRE*Gant/Tsant où PIRE est la puissance isotrope rayonnée équivalente, Gant est le gain de l'antenne à la réception et Tsant la température de bruit de l'antenne, le dispositif comprenant au moins une antenne de référence (6) et une sonde (2) d'émission et de réception de signaux RF et des moyens de calcul, caractérisé en ce qu'il comporte également un plan (3) comprenant une surface de mesure comportant un maillage de points de positionnement de la sonde à des distances connues, lesdites distances étant d'environ quelques longueurs d'onde de travail.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE EN CHAMP PROCHE DU FACTEUR DE MERITE D'UNE ANTENNE Le domaine de l'invention concerne un procédé de détermination en champ proche du facteur de mérite d'une antenne active d'émission et de réception. Le procédé s'applique particulièrement aux Radars comme par exemple un Radar aéroporté de pointe avant d'avion. Les performances d'un Radar de pointe avant d'avion sont en 1 o particulier caractérisées par la portée de celui-ci sur une cible de caractéristique donnée. Pour garantir cette portée, l'antenne du Radar doit à l'émission concentrer la puissance à rayonner dans la direction de la cible, avec la plus grande efficacité, et, à la réception, garantir une directivité importante en direction de la cible et des pertes faibles afin de pouvoir 15 extraire le signal utile du bruit thermique. Rapportée à l'antenne, cette performance du Radar est chiffrée par son facteur de mérite . Le facteur de mérite de l'antenne Radar est tantôt défini par le produit (PIRE)x(G/T), tantôt par le produit (PIRE)x(G/T)x(FF), où FF est le facteur de forme du Radar, c'est-à-dire le rapport entre la durée de l'impulsion émission et le 20 temps de répétition entre deux impulsions, soit l'inverse de la fréquence de récurrence du Radar. Ce dernier terme étant une caractéristique donnée pour le fonctionnement du Radar, la portée de l'invention se veut plus générale et concerne donc, pour la mesure de l'antenne, seul le produit (PIRE)x(G/T). Le terme PIRE correspond à la Puissance Isotrope Rayonnée 25 Équivalente, EIRP en langage anglo-saxon. Dans une antenne classique, (élément rayonnant unitaire, antenne réseau simple, antenne réseau à balayage électronique sans amplification répartie), cette PIRE est égale au produit (Pe)x(Ge) de la puissance Pe envoyée à l'entrée de l'antenne et du gain Ge de l'antenne à l'émission, ce qui peut être mesuré et déterminé 30 aisément. La notion de température de bruit relie le bruit additionnel généré par un système à une température équivalente additionnelle à l'entrée du système, qui produirait ce niveau de bruit. Le terme (GfT) correspond pour une antenne classique au rapport (Gr)/(Tr) du Gain Gr de l'antenne à la réception à la Température de bruit Tr de l'antenne, générée en particulier par les pertes à l'intérieur de l'antenne, ce qui peut être mesuré et déterminé aisément. Exprimé en décibels, le facteur de mérite s'écrit comme la somme de la PIRE, exprimée en dBW, et du G/T, exprimé en dBK-1 (W pour Watt, et K pour Kelvin). Pour une définition de la PIRE et du G/T des antennes passives et actives, on peut se référer à l'ouvrage de Robert J. Mailloux , Phased array antenna handbook , publié chez Artech House, 1994, chapter 1, pages 40 à 44. Pour la mesure générale de la température de bruit et du G/T, on peut se référer à l'ouvrage IEEE standard test procedures for antennas publié par IEEE, 1979, chapter 12. 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. Il s'agit pour un Radar de modules pouvant être utilisés à l'émission et à la réception. Dans le cas d'une antenne active à balayage électronique, l'antenne possède aussi des éléments de déphasage pour pointer le faisceau dans des directions autres que la normale au réseau. L'antenne active peut comporter plusieurs centaines de tels modules. La mesure du facteur de mérite d'une antenne active est compliquée par la présence des amplificateurs au sein de l'architecture de l'antenne : les notions de gain, à l'émission comme à la réception, n'ont plus de signification propre, la puissance rayonnée dépend de la puissance RF en sortie des amplificateurs émission des différentes voies, non directement accessible à la mesure, et la température de bruit dépend des pertes en amont et en aval des amplificateurs réception, et des caractéristiques de ces amplificateurs, comme par exemple le facteur de bruit et le gain, tous termes non directement accessibles à la mesure quand l'antenne est montée.

De façon classique, la mesure des paramètres permettant la détermination du facteur de mérite s'effectue dans une base en champ lointain, ou en base compacte. Pour une antenne de dimension D, le diagramme de rayonnement se stabilise à une distance R = ND2/X, dite distance de champ lointain, où est la longueur d'onde de travail, et N un facteur choisi entre 2 et 6 en fonction du niveau des lobes secondaires du diagramme de rayonnement. C'est à partir de cette distance qu'on considère que les ondes émises par l'antenne sont des ondes planes. Ainsi, pour une antenne de diamètre 600mm fonctionnant à 10 GHz et présentant des lobes faibles, une base de mesure de longueur de l'ordre de 100 mètres est nécessaire. Une solution alternative consiste en l'utilisation d'une base de mesure dite base compacte où un réflecteur parabolique est utilisé entre une sonde de mesure positionnée en son foyer et l'antenne à tester positionnée dans son ouverture. Le réflecteur parabolique a pour rôle de créer une onde plane localement incidente sur l'antenne, simulant une base de mesure de longueur infinie. On peut citer le document de Sauerman, A compact antenna test range built to meet the unique testing requirements for active phased array antennas décrivant une base compacte et le procédé pour déterminer les paramètres de PIRE, de gain en réception et de température de bruit d'une antenne active. Plus précisément, l'invention concerne un procédé de mesure permettant de calculer le facteur de mérite d'une antenne active et comportant au moins une première étape de calcul de la PIRE par comparaison des puissances rayonnées par l'antenne active et par une antenne de référence, et une seconde étape de calcul du gain en réception par comparaison des puissances captées par l'antenne active et par l'antenne de référence, caractérisé en ce que les étapes de mesure de puissance du procédé sont réalisées au moyen d'une sonde positionnée à une distance d'environ quelques longueurs d'onde de travail de l'antenne active, la sonde étant fixée sur un plan en avant des antennes et ce plan comprenant une surface de mesure comportant un maillage permettant de positionner et de déplacer la sonde. L'invention est avantageuse car le procédé permet l'utilisation d'une base de mesure de plus faible dimension, comparée à une base champ lointain ou une base compacte à réflecteur parabolique. De plus le procédé permet de ne pas perturber les mesures par un environnement extérieur souvent sujet à des nuisances dans le cas de bases longues. II est également possible de regrouper la mesure de facteur de mérite avec d'autres mesures effectuées sur ce type de base comme par exemple la vérification de bon fonctionnement de l'antenne active, les opérations de calibration, la détermination de diagrammes de rayonnement ou le calcul de la directivité. De plus, le fait d'utiliser une base en champ proche permet de réaliser aisément les mesures dans le cadre d'un banc de maintenance disponible auprès de l'utilisateur du matériel.

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 un schéma du système de mesure dans la configuration permettant de mesurer la performance en émission.de 20 l'antenne active. La figure 2 représente un schéma du système de mesure dans la configuration permettant de mesurer le gain en réception de l'antenne active. La figure 3 représente un schéma du système de mesure dans la configuration permettant de mesurer la température de bruit de l'antenne. 25 L'invention concerne un procédé et une base de mesure en champ proche permettant de déterminer le facteur de mérite d'une antenne active réseau d'émission et de réception. Le procédé permet de déterminer les différents termes composant le facteur de mérite, la PIRE et le gain en réception de l'antenne, en calculant le produit de la puissance rayonnée par 30 la directivité de l'antenne, ledit paramètre de directivité étant obtenu par calcul et par la mesure du champ électrique en champ proche. Dans une configuration de base de mesure en champ proche on est capable de déterminer la puissance émise par l'antenne en mesurant la puissance captée sur un plan en avant de l'antenne. Une base de mesure champ proche est appelée ainsi car les mesures s'effectuent très en deçà de la distance R = N*D21X, distance à laquelle on peut considérer le diagramme de rayonnement formé et indépendant de la distance. Le type de base champ proche le plus fréquemment utilisé est dit base en champ proche plan . Ce type de base est utilisé traditionnellement lors du regroupement des antennes réseaux pour vérifier le bon comportement des différentes voies, pour effectuer différents types de calibration, c'est-à-dire relever les écarts entre la mesure du rayonnement de chaque voie et la valeur attendue, et pour obtenir par calcul d'une part le diagramme de rayonnement de l'antenne, d'autre part sa directivité, à partir de la mesure par la sonde du champ électrique rayonné ou capté selon que l'antenne est en émission ou en réception. Avantageusement, le procédé de détermination du facteur de mérite de l'antenne comporte les étapes suivantes : une première étape de calcul de la PIRE pendant laquelle, on mesure les puissances rayonnées de l'antenne active et de l'antenne de référence en mesurant et en sommant des échantillons de puissance captés sur la surface de mesure, on détermine la puissance rayonnée de l'antenne active par comparaison des puissances mesurées sur la surface de mesure et rayonnées par l'antenne active et l'antenne de référence et on calcule la PIRE par le produit de la puissance rayonnée et la directivité de l'antenne active, la directivité étant obtenue par calcul à partir des mesures du champs électrique sur la surface de mesure. une seconde étape de calcul du gain en réception pendant laquelle, on mesure les puissances rayonnées de l'antenne active et de l'antenne de référence en mesurant et en sommant des échantillons de puissance Pra captés sur la surface de mesure, on détermine la puissance rayonnée de l'antenne active par comparaison des puissances mesurées Pma et Pmh sur la surface de mesure et rayonnées par l'antenne active et l'antenne de référence et on calcule la PIRE par le produit de la puissance rayonnée et la directivité de l'antenne active, la directivité étant obtenue par calcul à partir des mesures du champs électrique sur la surface de mesure. une troisième étape d'évaluation du bruit de l'antenne ~o active avec un composant générateur de bruit. et une quatrième étape de calcul du facteur de mérite. Pour rappel, le calcul du diagramme de rayonnement d'une antenne à partir de mesures en champ proche est basé sur la propriété que le champ électrique E rayonné en champ lointain par une ouverture peut être

15 déterminé analytiquement à partir de la transformée de Fourier du champ électrique tangentiel EO sur l'ouverture. E(r, 9, 1)) = k cos 9 l 27cr e-'~A(kxs , kys) avec :

20 Â(kXs,kys) = 27rejkzd JJÊo(x,y,d)ej(kxX+kY dxdy ouverture où kXS = k sinOco$ et kyS = k sinOsin L'ouverture sera considérée ici comme une surface parallèle à

25 l'antenne à tester, située à distance proche de celle-ci, généralement quelques longueurs d'onde, à travers laquelle passe toute l'énergie rayonnée par l'antenne considérée à l'émission. Si le processus est restreint à une surface finie du plan, avec des mesures échantillonnées aux pas px et py, ce qui est le cas des mesures effectuées dans une base champ proche :

30 jkZd j(nPXkXs+nPykys ) A(kxs, kys) = pxpye E~mpx npy)e m n Ainsi, à partir des mesures effectuées en champ proche de l'antenne, le diagramme vectoriel complet peut être calculé dans tout 5 l'espace. Par définition, la directivité du diagramme d'une antenne est: JJE(a,tf)2 dd2 Emax est la valeur maximum du champ électrique E dans la 10 polarisation adéquate, et S2 est l'angle solide sur lequel s'applique l'intégration. Le champ électrique vectoriel ayant été calculé dans tout l'espace à partir des mesures en champ proche, la détermination de la directivité Dant de l'antenne à l'émission ou à la réception est immédiate. La figure 1 représente la base de mesure mise en oeuvre pour 15 évaluer l'antenne en fonctionnement d'émission. Le dispositif comprend au moins une antenne de référence 6 et une sonde 2 d'émission et de réception de signaux RF et des moyens de mesure et de calcul 5, et avantageusement il comporte également un plan 3 comprenant une surface de mesure comportant un maillage de points de positionnement de la sonde à des 20 distances connues, lesdites distances étant d'environ quelques longueurs d'onde de travail. Les mesures sont effectuées par la sonde qui se déplace dans le plan positionné en avant de l'antenne à tester 1 et orthogonal au faisceau antennaire, ce plan est également appelé surface de mesure. L'antenne de référence est un cornet dont les paramètres sont connus. La 25 surface de mesure peut représenter une partie ou la totalité du plan. Avantageusement, la surface de mesure est définie de façon que les niveaux de puissance à l'extérieur de la surface de mesure soient sensiblement nuls par rapport au niveau maximum mesuré sur la surface de mesure. 30 Avantageusement, le maillage de la surface de mesure est formé d'un pas régulier et inférieur à la longueur d'onde de travail divisé par deux. z D = 4TC IEmax l Avantageusement, lorsque l'antenne active 1 et l'antenne de référence 6 sont en fonctionnement d'émission de signaux RF générés par un synthétiseur de signaux 4 et que la sonde 2 est en fonctionnement de réception et capte des échantillons de puissance pra, la PIRE est calculée à partir des mesures de puissances de l'antenne active et de l'antenne de référence et à partir de la directivité de l'antenne active calculée à partir de mesures du champ électrique sur la surface de mesure. Les mesures de puissances sont réalisées sur la surface de mesure selon deux axes orthogonaux.

Plus exactement, la puissance totale PmA rayonnée par l'antenne active et captée par la sonde est calculée au moyen d'un analyseur de réseau 5 à partir de la sommation des signaux RF pmA reçus, pour toute la surface de mesure. Elle est proportionnelle à la puissance PrA rayonnée par l'antenne, juste à la sortie du plan rayonnant avec PmA = k*PrA et k défini comme le facteur de proportionnalité. A une distance sensiblement égale, la puissance totale Pmh, mesurée par la sonde sur la surface de mesure, avec le même maillage, et rayonnée par le cornet directif de référence, est proportionnelle à la puissance Prh rayonnée par le cornet : avec Pmh = k * Prh, k étant le même facteur de proportionnalité car la sonde utilisée est la même.

Si le cornet est sans pertes, Prh est égale à Ph. Sinon Prh est égale à la puissance P;h alimentant le cornet diminuée du rendement de celui-ci. II s'agit de la différence entre sa directivité, calculée à partir des mesures champ proche, et son gain. La PIRE de l'antenne s'obtient alors à partir de l'expression : PIRE = PrA * DantE avec PrA = PmA * Prh / Pmh et DantE, la directivité de l'antenne en émission évaluée à partir des mesures Champ Proche. La figure 2 représente la base de mesure mise en oeuvre pour 30 évaluer l'antenne en fonctionnement de réception. Le dispositif comprend les mêmes appareils utilisés pour l'évaluation des performances en émission de l'antenne active, ainsi que la même disposition, particulièrement la distance entre la sonde et l'antenne active, à la différence que pour le calcul du gain en réception, on mesure une puissance captée par l'antenne active 1 et l'antenne de référence 6, on détermine le gain électrique de l'antenne active par comparaison des puissances captées entre l'antenne active et l'antenne de référence, on calcule le gain en réception par le produit du gain électrique et de la directivité, la directivité étant obtenue par calcul à partir des mesures du champs électrique sur la surface de mesure. Avantageusement, lorsque l'antenne active et l'antenne de référence sont en fonctionnement de réception et que la sonde est en fonctionnement d'émission, l'antenne active et l'antenne de référence mesurant la puissance émise par la sonde, le gain en réception est calculé à partir de la puissance captée par l'antenne active et par l'antenne de référence et à partir de la directivité de l'antenne active calculée à partir de mesures du champ électrique sur la surface de mesure. Au niveau de la face rayonnante de l'antenne active 1 à tester, la puissance totale PmA rayonnée par la sonde et captée par l'antenne est calculée à partir de la sommation des signaux RF pmA mesurés pour toute la surface de positionnement de la sonde, la surface de positionnement comportant le même maillage que celui utilisé à la première étape de mesure. Au niveau de l'antenne de référence, Pmh représente la puissance totale rayonnée par la sonde et captée par le cornet. Comme la même sonde avec la même puissance est utilisée pour rayonner vers l'antenne et vers le cornet de référence, les puissances totales incidentes sur l'antenne et sur le cornet de référence sont égales: P;h = P;A = P. Si l'antenne passive de référence est sans pertes, Prh est égale à P;h. Sinon on suppose que la puissance reçue Prh est égale à la puissance P;h entrant dans le cornet, diminuée du rendement de celui-ci, il s'agit de la différence entre sa directivité déterminée à partir des mesures en champ proche et son gain.

Le Gain GAflt de l'antenne active s'obtient avec: Ant = GeqAnt DantR où GeqAnt le gain électrique de l'antenne active en réception est : GeqAnt = PmA / Pmh Et DantR, la directivité de l'antenne en réception, évaluée à partir des mesures champ proche. La figure 3 représente la configuration du banc de mesure pour évaluer la température de bruit de l'antenne active. L'évaluation de température de bruit s'effectue au moyen d'un composant électronique de bruit. Dans le mode de mise en oeuvre décrit par la figure 3, l'évaluation fait appel à la mesure on/off d'une diode de bruit, connaissant son ENR, Excess Noise Ratio en langage anglo-saxon. Le composant 7 et 8 représente une diode de bruit, pour une première mesure la diode est en fonctionnement OFF 7, et pour une seconde mesure la diode est en fonctionnement ON 8. La relation générale entre puissance de bruit P et température de bruit T est : P=k*OF*T, où: k = constante de Boltzman (1.38.10-23 J/K), AF est la bande du récepteur. Trois mesures sont réalisées au moyen d'un récepteur de bruit 91 20 pour mesurer les puissances de bruit : Pod = k*OF*Tod Pld = k*LxF*T,d P2Ant = k*OF*T2Ant Soit Gt le gain du récepteur de bruit et Tr la température de bruit 25 de la chaîne réception de mesure de bruit. Tod=Gt*(Tr+Tc), Tld=Gt*(Tr+Td), T2Ant = Gt *( Tr + TsAnt ), où Tc est la température ambiante et, par définition, 30 Td = (10 ENR/10 + 1 )*Tc La température de bruit en sortie antenne TsAnt s'obtient par élimination de Tr et Gt dans les relations ci-dessus : TSAnt = [( P2Ant ù POd )/( Pod ù Pld )*(Tc û Td) + Tc Par ailleurs, TsAnt = ( Text + Tadd )*GeqAnt où Text est la température externe vue de l'antenne et Tadd la température additionnelle apportée par l'antenne active. Finalement, la valeur du facteur de mérite s'obtient par la formule suivante: (PIRE)*(GAnt)/(Tsant)= (PmA*Prh/Pmh*DantE) *(GegAnt*DantRlTSant)•

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif comportant des moyens de mesure du facteur de mérite d'une antenne active (1), ledit facteur de mérite étant égal à PIRE*Gant/Tsant où PIRE est la puissance isotrope rayonnée équivalente, Gant est le gain de l'antenne à la réception et Tsant la température de bruit de l'antenne, le dispositif comprenant au moins une antenne de référence (6) et une sonde (2) d'émission et de réception de signaux RF et des moyens de mesure et calcul (5), caractérisé en ce qu'il comporte également un plan (3) comprenant une surface de mesure comportant un maillage de points de positionnement de la sonde à des distances connues, lesdites distances étant d'environ quelques longueurs d'onde de travail.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lorsque l'antenne active (1) et l'antenne de référence (6) sont en fonctionnement d'émission et que la sonde (2) est en fonctionnement de réception et capte des échantillons de puissance (pra), la PIRE est calculée à partir des mesures de puissances de l'antenne active et de l'antenne de référence et à partir de la directivité de l'antenne active calculée à partir de mesures du champ électrique sur la surface de mesure (3).
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lorsque l'antenne active et l'antenne de référence sont en fonctionnement de réception et que la sonde est en fonctionnement d'émission, l'antenne active et l'antenne de référence mesurant la puissance émise (pma) par la sonde, le gain en réception est calculé à partir de la puissance captée par l'antenne active et par l'antenne de référence et à partir de la directivité de l'antenne active calculée à partir de mesures du champ électrique sur la surface de mesure (3).
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la surface de mesure (3) est définie de façon que les niveaux de puissance à l'extérieur de la surface de mesure soient sensiblement nuls par rapport au niveau maximum mesuré sur la surface de mesure.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le maillage de la surface de mesure est formé d'un pas régulier et inférieur à la longueur d'onde de travail divisé par deux.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on réalise les mesures de puissances sur la surface de mesure selon deux axes orthogonaux.
7. Procédé de mesure permettant de calculer le facteur de mérite d'une antenne active (1), le facteur de mérite étant égal à PIRE*Gant/Tsant où PIRE est la puissance isotrope rayonnée équivalente, Gant est le gain de l'antenne à la réception et Tsant la température de bruit de l'antenne, et le procédé comportant au moins une première étape de calcul de la PIRE par comparaison des puissances rayonnées par l'antenne active (1) et par une antenne de référence (6), et une seconde étape de calcul du gain en réception par comparaison des puissances captées par l'antenne active et par l'antenne de référence, caractérisé en ce que les étapes de mesure de puissance du procédé sont réalisées au moyen d'une sonde (2) positionnée à une distance d'environ quelques longueurs d'onde de travail de l'antenne active, la sonde étant fixée sur un plan (3) en avant des antennes et ce plan comprenant une surface de mesure comportant un maillage permettant de positionner et de déplacer la sonde.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que pour le calcul de la PIRE, on mesure les puissances rayonnées de l'antenne active et de l'antenne de référence en mesurant et en sommant des échantillons de puissance (pua) captés sur la surface de mesure, on détermine la puissance rayonnée de l'antenne active par comparaison des puissances mesurées (Pma, Pmh) sur la surface de mesure et rayonnées par l'antenne active et l'antenne de référence et on calcule la PIRE par le produit de la puissance rayonnée et la directivité de l'antenne active, la directivité étant obtenue par calcul à partir des mesures du champ électrique sur la surface de mesure.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que pour le calcul du gain en réception, on mesure les puissances captées (Pb) par l'antenne active et l'antenne de référence (P;h) en mesurant et sommant des échantillons de puissance obtenus à partir du rayonnement de la sonde se déplaçant sur la surface de mesure, on détermine le gain électrique de l'antenne active par comparaison des puissances mesurées sur l'antenne active (Pma) et sur l'antenne de référence (Pmh), on calcule le gain en réception par le produit du gain électrique et la directivité, la directivité étant obtenue par calcul à partir des mesures du champ électrique sur la surface de mesure.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on réalise une troisième étape d'évaluation du bruit de l'antenne active (Tsant) avec un composant générateur de bruit (7-8), et une quatrième étape de calcul du facteur de mérite.