FR2947913A1 - Procede de caracterisation d'une antenne reseau et dispositif correspondant - Google Patents

Abstract

L'invention vise un procédé de caractérisation d'une antenne réseau (ANT), comprenant la réalisation d'une matrice de paramètres relative à l'ensemble de l'antenne réseau (ANT). On dissocie (10) ladite antenne en plusieurs blocs fonctionnels montés en cascade, et l'on caractérise indépendamment (20) des autres blocs au moins l'un desdits blocs, de façon à réaliser une matrice de paramètres relative à chacun desdits blocs caractérisés (30), ladite matrice de paramètres relative à l'ensemble de l'antenne réseau étant réalisée à l'aide des matrices de paramètres relatives à chaque bloc caractérisé (40).

Description

Procédé de caractérisation d'une antenne réseau et dispositif correspondant.

L'invention porte sur les antennes réseaux, et plus particulièrement les antennes réseaux mettant en oeuvre un balayage électronique du faisceau. Classiquement, une fois l'antenne réseau fabriquée, une procédure de caractérisation de l'antenne est mise en oeuvre, de façon notamment, à vérifier que les valeurs des paramètres de fonctionnement réels de l'antenne correspondent effectivement aux valeurs souhaitées. Généralement, les valeurs des paramètres de fonctionnement de l'antenne sont déterminées à partir de mesures. Ces mesures nécessitent d'immobiliser une, voire plusieurs bases de mesure de l'antenne. Ces bases de mesure peuvent être par exemple des bases de mesures dites longue , des chambres anéchoÏques (c'est-à-dire une salle d'expérimentation dont les murs et le plafond sont totalement absorbants aux ondes sonores ou électromagnétiques, et qui par conséquent ne provoquent aucun écho venant perturber les mesures) ou encore des bases de mesures dites en champ proche . Ces dernières sont décrites par exemple, dans l'article de E. Joy et al. Basic theory of probe compensated near-field measurements, IEEE, vol.AP-26, mai 1978. Le temps nécessaire pour effectuer ces mesures est particulièrement long, du fait des nombreux paramètres à prendre en compte (diagramme de rayonnement, précision de pointage, directivité, puissance rayonnée, rapport gain à température de bruit...). En outre, ces mesures sont à effectuer : dans toutes les plages angulaires de déflexion du 25 faisceau, à plusieurs fréquences fixes ou dans une bande instantanée glissante à l'intérieur de la plage fréquentielle totale de fonctionnement, dans la gamme de température opérationnelle.

Ce temps de mesure particulièrement long peut être très gênant lorsque l'antenne se trouve en phase de production en série, où les cadences et la quantité d'informations à obtenir ne peuvent être alors conciliées que : de par l'utilisation de plusieurs bases, ou - par la réduction drastique du nombre de valeurs à mesurer. Les deux compromis énoncés ci-dessus posent notamment des problèmes de coût et/ou de précision des mesures. Certaines mesures, en particulier les mesures concernant les températures sont également très difficiles à obtenir. Ces dernières nécessitent des infrastructures importantes (par exemple, une ventilation et un dispositif d'assèchement de l'air) et exige un temps relativement long pour que les conditions environnementales puissent être considérées comme stables. Un but de l'invention est notamment de proposer une solution aux 20 problèmes énoncés ci-dessus. A cet effet, selon un premier aspect de l'invention, il est proposé un procédé de caractérisation d'une antenne réseau, comprenant la réalisation d'une matrice de paramètres relative à l'ensemble de l'antenne réseau. 25 Selon une caractéristique générale de ce premier aspect, on dissocie ladite antenne en plusieurs blocs fonctionnels montés en cascade, et l'on caractérise indépendamment des autres blocs au moins l'un desdits blocs, de façon à réaliser une matrice de paramètres relative à chacun desdits blocs caractérisés, ladite matrice de paramètres relative à l'ensemble de l'antenne réseau étant réalisée à l'aide des matrices de paramètres relatives à chaque bloc caractérisé. En d'autres termes, au lieu de réaliser la totalité des mesures directement sur l'antenne entière, on dissocie celle-ci en blocs (ou sous-ensembles). Plus précisément, la caractérisation de l'antenne est simplifiée de par le fait qu'au moins l'un des blocs est caractérisé séparément du reste des éléments de l'antenne. Selon un mode de mise en oeuvre, l'ensemble desdits blocs issus de la dissociation peut être caractérisé indépendamment des autres blocs. Selon un mode de mise en oeuvre, on peut caractériser les blocs considérés à l'aide de données préexistantes. Selon un mode de mise en oeuvre, les données préexistantes peuvent correspondre à des modèles comportementaux des blocs 15 considérés. Selon un mode de mise en oeuvre, ladite antenne réseau peut être une antenne réseau active à balayage électronique. Selon un mode de mise en oeuvre, ladite antenne réseau peut présenter une structure hyper-fréquence. 20 Selon un mode de mise en oeuvre, l'un desdits blocs peut être formé par les N éléments rayonnants de ladite antenne réseau, N étant un entier, la matrice de paramètres relative aux éléments rayonnants étant réalisée à l'aide du diagramme de rayonnement de chaque élément rayonnant. 25 Selon un mode de mise en oeuvre, l'un desdits blocs peut être formé par les moyens de couplages des éléments rayonnants, ladite matrice réalisée étant dite matrice de couplage. Selon un mode de mise en oeuvre, ladite matrice de couplage peut intégrer en outre des phénomènes de couplage externes entre les N 30 éléments rayonnants, ladite matrice de couplage étant alors réalisée à l'aide d'une simulation d'un réseau formé de N éléments rayonnants, N étant un entier. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un dispositif de caractérisation d'une antenne réseau, en particulier de forme logicielle, caractérisé par le fait qu'il soit apte à mettre en oeuvre un procédé tel que décrit ci-avant. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé une utilisation d'un dispositif tel que mentionné ci-dessus, au sein d'un radar, en particulier un radar dit monopulse.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre et d'un mode de réalisation selon l'invention, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 illustre de manière très schématique un exemple 15 d'antenne réseau couplée à un exemple de dispositif selon l'invention, la figure 2 représente un mode de mise en oeuvre des différentes étapes d'un procédé de caractérisation d'une antenne selon l'invention, 20 la figure 3 symbolise les différentes matrices associées aux blocs formant une antenne réseau, et la figure 4 représente les différents angles de balayage d'une antenne réseau. On se réfère à la figure 1. La référence ANT désigne une antenne 25 réseau, en particulier active et à balayage électronique, présentant un structure hyper-fréquence. L'antenne ANT représentée sur cette figure est un exemple d'antenne pouvant être mis en oeuvre dans l'invention, et n'est absolument pas limitatif. L'invention peut s'appliquer à tout type d'antenne réseau. 30 Celle-ci est formée de N éléments rayonnants (N étant un entier), respectivement référencés ELT1, ELT2, ELT3, ..., ELTN.

Un plan métallique PM est disposé à la base de ces éléments. Ce dernier permet un découplage entre les éléments rayonnants ELT1, ELT2, ELT3, ..., ELTN et le reste du circuit de l'antenne réseau ANT. Chaque élément rayonnant ELT1, ELT2, ELT3, ..., ELTN est relié à un moyen de transmission/réception respectivement référencé MTR1, MTR2, MTR3, ..., MTRN. Ces derniers ont pour fonction de permettre le réglage de l'amplitude et/ou du déphasage du faisceau de chaque élément rayonnant ELT1, ELT2, ELT3, ..., ELTN à l'émission et à la réception. L'ensemble des moyens de transmission/réception MTR1, MTR2, MTR3, ..., MTRN est relié à un moyen de distribution/sommation MDS. Ce dernier somme les signaux reçus par les éléments rayonnants ELT1, ELT2, ELT3, ..., ELTN lorsque l'antenne réseau ANT fonctionne en réception. A l'inverse, lorsqu'elle fonctionne en émission, le moyen de distribution/sommation MDS distribue le signal à émettre à chaque élément rayonnant ELT1, ELT2, ELT3, ..., ELTN. En amont de ce moyen de distribution/sommation MDS, est couplé un formateur de voies dit monopulse référencé FMV. Ce formateur de voies bien connu de l'homme du métier, est disposé au sein d'un circuit lorsque le signal source est de type monopulse , autrement dit lorsque le signal présente à la réception au moins deux voies et génère au moins deux diagrammes de rayonnement : un diagramme dit de somme , et au moins un diagramme dit de différence . Par exemple, le formateur FMV de la figure 1 comporte deux 25 éléments, référencés respectivement SOM1 et SOM2. Le premier élément SOM1, réalisé à partir d'un commutateur ou d'un circulateur, dirige les voies les signaux en provenance de deux voies affectées à un signal somme : une première voie VSE affectée au signal somme lorsque l'antenne ANT fonctionne en émission, et une deuxième 30 voie VSR affectée au signal somme lorsque l'antenne ANT fonctionne en réception.

Lorsque l'antenne ANT fonctionne en émission, le signal somme de la voie réception est à 0 . A l'inverse, lorsque l'antenne ANT fonctionne en réception, le signal somme de la voie émission est à 0 .

Le deuxième élément SOM2 est ici un sommateur connu de l'homme du métier sous le nom de Té magique . II distribue à l'émission le signal issu de l'élément SOM1 vers le moyen de distribution/sommation MDS. En réception, le sommateur SOM2 effectue la sommation des signaux issus du moyen de distribution/sommation MDS, en phase pour l'envoyer vers l'élément SOM1 puis vers la deuxième voie VSR (voie affectée au signal somme ), et en opposition de phase pour l'envoyer vers une troisième voie VD (voie affectée au signal différence ). L'ensemble des voies VD, VSR et VSE sont regroupées au sein d'un même ensemble référencé VI.

Cette configuration est adaptée à l'utilisation de l'antenne ANT au sein d'un radar dit monopulse. Ces radars monopulses sont relativement proches des radars dits à balayage conique (bien connu de l'homme du métier) mais intègrent une caractéristique supplémentaire. En effet, au lieu d'émettre le signal tel quel à la sortie de l'antenne, le faisceau est divisé en plusieurs lobes (deux le plus souvent) chacun dirigé dans une direction légèrement différente tout en gardant un certain recouvrement. Ensuite, les signaux réfléchis sont reçus, amplifiés et traités séparément puis comparés les uns aux autres. On détermine ainsi le signal reçu le plus puissant et, en conséquence la direction de la cible. Étant donné que la comparaison se fait sur des signaux émis pendant le même train, généralement quelques microsecondes, le radar monopulse permet de s'affranchir des changements de position ou de direction de la cible. Symboliquement, chacun des éléments de l'antenne ANT est 30 couplé à un dispositif DIS de caractérisation de l'antenne ANT, réalisé de préférence de façon logicielle.

Un exemple d'un procédé mis en oeuvre par ce dispositif DIS est illustré sur la figure 2. Une première étape 10 de ce procédé comprend une dissociation de l'antenne ANT en plusieurs blocs montés en cascade.

Dans l'exemple de la figure 1, ces différents blocs sont : - un premier bloc BLOC1 formé par les éléments rayonnants ELT1, ELT2, ELT3, ..., ELTN, un deuxième bloc BLOC2 formé par le plan métallique PM, - un troisième bloc BLOC3 formé par les moyens de ~o transmission/réception MTR1, MTR2, MTR3, ..., MTRN, - un quatrième bloc BLOC4 formé par le moyen de distribution/sommation MDS, un cinquième bloc BL005 formé par le formateur de voies monopulse FMV, et 15 un sixième bloc BLOC6 formée par les différentes voies VI. Les blocs précités sont symbolisés sur la figure 3. On se réfère à nouveau à la figure 2. Suite à l'étape de dissociation, est réalisée une caractérisation 20 d'au moins un bloc issu de l'étape précédente 10. Dans la suite du texte, il sera considéré que tous les 20 blocs issus de l'étape de dissociation 10 sont caractérisés indépendamment des autres. De préférence, les blocs sont caractérisés 30 à l'aide de données préexistantes, non mesurées afin de réduire considérablement le temps nécessaire pour cette étape. 25 Par exemple, le diagramme de rayonnement du bloc BLOC1 regroupant l'ensemble des éléments rayonnants ELT1, ..., ELTN est déterminé à partir du diagramme de rayonnement de chaque élément rayonnant, ces derniers étant connus. On rappelle que pour un élément ELTi, un diagramme de rayonnement est, pour une configuration donnée, de la 30 forme f,. (F, 0,0) , où F est la fréquence d'émission ou de réception, O l'angle de balayage du faisceau de l'antenne, et 0 l'angle de pointage du faisceau de l'antenne. Ces différents angles sont, à titre informatif, représentés dans un repère tridimensionnel sur la figure 4 pour une direction dir donnée.

La fonction f prend également en compte les valeurs de commande en amplitude fonction de tables de calibration. Le diagramme de rayonnement global de l'antenne ANT symbolisé par le bloc BLOC1 est alors obtenu en faisant la somme vectorielle de tous les diagrammes f, i variant de 1 à N, en tenant compte de la position géométrique des éléments rayonnants ELT au sein du réseau. Ces derniers sont connus à l'aide de mesures ou préférentiellement à l'aide de simulations faites sur ordinateur. Le bloc référencé BLOC2 symbolise la matrice traduisant les couplages entre les éléments rayonnants ELT du réseau d'antenne ANT en présence du plan métallique PM. En effet, en rayonnement, à l'émission ou en réception un phénomène supplémentaire doit être de préférence pris en compte : les couplages externes entre les différents éléments rayonnants ELT1, ..., ELTN (par un rayonnement interne et par conduction). Ces phénomènes se manifestent de deux façons : de par l'existence d'ondes issues de chaque voie VI, et venant se coupler avec un certain coefficient complexe (en amplitude et en phase) vers chaque voie reliant les différents éléments rayonnants ELT1, ..., ELTN au reste du circuit de l'antenne ANT ; l'ensemble de ces coefficients de couplage peuvent être mis sous la forme d'une matrice [S] de dimension N*N, pour une antenne ANT de N éléments rayonnants ; de par la modification des diagrammes de rayonnement de tous les éléments rayonnants en comparaison du diagramme de rayonnement de tous les éléments rayonnants ELT1, ..., ELTN en comparaison du diagramme de rayonnement de l'élément rayonnant isolé (classiquement appelé diagramme de rayonnement actif par l'homme du métier) ; chaque élément rayonnant indicé i a son diagramme de rayonnement propre f fonction non seulement de la direction angulaire (9,0) et de sa fréquence F, mais aussi de sa place dans le réseau.

La matrice [S] de couplage peut provenir de mesures effectuées sur une maquette comportant N éléments rayonnants ou encore, de résultats de calculs issus d'une simulation exacte d'un réseau de N éléments rayonnants. Les autres blocs BLOC3, BLOC4, BL005 et BLOC6 peuvent être par exemple caractérisés à l'aide de modèles comportementaux. Finalement, comme illustré sur la figure 2, une matrice de caractérisation de l'antenne 40 est réalisée à partir des matrices de caractérisation de chaque bloc BLOC1, BLOC2, BLOC3, BLOC4, BL005 et BLOC6. Par exemple, la matrice de paramètres relative à l'ensemble de l'antenne réseau ANT peut être réalisée à l'aide d'un logiciel de simulation à apte à traiter l'ensemble des matrices de paramètres relatives à chaque bloc BLOC1, BLOC2, BLOC3, BLOC4, BL005 et BLOC6 de façon à fournir une matrice générale. Outre, les différentes manières précitées pour obtenir les matrices 20 de paramètres, il est possible de corriger certaines erreurs de calcul et/ou de simulation, grâce à l'ajout de biais de phase et/ou d'amplitude. Ces défauts peuvent être : des défauts de positionnement des blocs, conduisant par exemple à des défauts de phase, voire à des défauts dans la 25 topologie du réseau des éléments rayonnants ELT1, ..., ELTN à prendre en compte pour l'établissement du diagramme de rayonnement, des défauts de la structure mécanique (par exemple des défauts de positionnement ou de mise à la masse du plan 30 métallique PM).

Ces défauts peuvent être très facilement détectés à l'aide de mesures.5

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de caractérisation d'une antenne réseau (ANT), comprenant la réalisation d'une matrice de paramètres relative à l'ensemble de l'antenne réseau (ANT), caractérisé par le fait que l'on dissocie (10) ladite antenne en plusieurs blocs fonctionnels montés en cascade, et que l'on caractérise indépendamment (20) des autres blocs au moins l'un desdits blocs, de façon à réaliser une matrice de paramètres relative à chacun desdits blocs caractérisés (30), ladite matrice de paramètres relative à l'ensemble de l'antenne réseau étant réalisée à l'aide des matrices de paramètres relatives à chaque bloc caractérisé (40).
2. 2. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'ensemble desdits blocs issus de la dissociation est caractérisé indépendamment des autres blocs.
3. 3. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel on caractérise les blocs considérés à l'aide de données préexistantes.
4. 4. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel les données préexistantes correspondent à des modèles comportementaux des blocs considérés.
5. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite antenne réseau (ANT) est une antenne réseau active à 25 balayage électronique.
6. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite antenne réseau (ANT) présente une structure hyper-fréquence.
7. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'un desdits blocs est formé par les N éléments rayonnants (ELT1, 30 ELT2, ELT3, ..., ELTN) de ladite antenne réseau, N étant un entier, la matrice de paramètres relative aux éléments rayonnants (ELT1, ELT2, ELT3,ELTN ) étant réalisée à l'aide du diagramme de rayonnement de chaque élément rayonnant.
8. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'un desdits blocs est formé par les moyens de couplages (PM) des éléments rayonnants (ELT1, ELT2, ELT3, ..., ELTN), ladite matrice réalisée étant dite matrice de couplage.
9. 9. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel ladite matrice de couplage intègre en outre des phénomènes de couplage externes entre les N éléments rayonnants (ELT1, ELT2, ELT3, ..., ELTN), ladite matrice de couplage étant alors réalisée à l'aide d'une simulation d'un réseau formé de N éléments rayonnants, N étant un entier.
10. 10. Dispositif (DIS) de caractérisation d'une antenne réseau (ANT), en particulier de forme logicielle, caractérisé par le fait qu'il soit apte à mettre en oeuvre un procédé selon l'une des revendications 1 à 9.
11. 11. Utilisation d'un dispositif selon la revendication 10, au sein d'un radar, en particulier un radar dit monopulse.20