FR2993714A1 - Dispositif et procede de pointage multifrequences pour antenne a balayage electronique - Google Patents

Abstract

L'invention a pour objet un dispositif de pointage multifréquences (302) pour antenne à balayage électronique (300) comprenant des moyens pour : - Définir une loi de déphasage deltaphi applicable aux éléments rayonnants (311) de ladite antenne (300) pour une première fréquence F1 et un premier ensemble de directions observables theta1, - Déterminer un second ensemble de directions theta2 observables simultanément à une seconde fréquence F2, différente de la première fréquence F1, qui sont solutions de ladite loi de déphasage deltaphi appliquée à la seconde fréquence F2. L'invention porte également sur une antenne à balayage électronique comprenant un tel dispositif ainsi qu'un procédé de détermination des directions observables theta2 par une antenne (300) à balayage électronique à plusieurs fréquences simultanées

Description

Dispositif et procédé de pointage multifréquences pour antenne à balayage électronique L'invention concerne le domaine des antennes à balayage 5 électronique à très large bande de réception, de telles antennes étant composées de plusieurs éléments rayonnants. L'invention porte plus précisément sur un dispositif et un procédé de pointage multifréquences pour une antenne à balayage électronique. 10 Les antennes à balayage électronique sont traditionnellement constituées d'une pluralité d'éléments rayonnants disposés linéairement ou dans un plan. Le contrôle de la direction de pointage de l'antenne est réalisé en imposant des différences de marche prédéterminées entre les signaux émis 15 ou reçus par les différents éléments rayonnants. Ces différences de marche peuvent être configurées par le biais de lignes à retard ou de déphaseurs. Classiquement, une antenne à balayage électronique fonctionne dans une bande de fréquence instantanée faible, par exemple de l'ordre de quelques Mhz à quelques dizaines de Mhz et le traitement couplé à 20 l'antenne, par exemple un traitement relatif à une application radar, est réalisé dans une bande de fréquence étroite. Pour être compatible d'applications futures, une antenne à balayage électronique doit pouvoir traiter des bandes de fréquence instantanées très élevées, de l'ordre de quelques GHz. En outre, elle doit pouvoir être utilisée 25 pour gérer plusieurs applications simultanément, par exemple un traitement de veille radar d'une part et un traitement d'écoute d'autre part. Pour cela, l'antenne doit offrir la capacité de balayer l'espace simultanément à plusieurs fréquences différentes et potentiellement éloignées au sein d'une bande instantanée très large. 30 Les antennes à balayage électronique classiques ne permettent pas d'offrir cette fonctionnalité de balayage simultané car, pour configurer la 2 2993714 direction de pointage souhaitée, une unique loi de déphasage est appliquée à l'ensemble des éléments rayonnants et cette loi dépend de la fréquence du signal. Une seule loi de déphasage ne permet pas de commander les faisceaux dans les directions de pointage souhaitées pour toutes les applications utilisant une bande instantanée très large. Les solutions connues permettant de résoudre le problème précité consistent généralement à se ramener à une problématique de bande étroite et d'application unique.

Par exemple, l'antenne peut être découpée en une pluralité de sous- réseaux antennaires qui sont pilotés indépendamment les uns des autres pour être associés à des fréquences différentes correspondant aux applications mises en oeuvre. Un inconvénient de cette solution est qu'elle ne permet pas d'exploiter l'intégralité ou le maximum disponible des ressources antennaires pour une application donnée. Une autre solution connue consiste à démultiplier la voie de réception, par exemple en utilisant deux formateurs de faisceau en parallèle associés à deux lois de déphasage qui pilotent chacun l'ensemble des éléments antennaires. Cette deuxième solution présente l'inconvénient principal qu'elle nécessite de dupliquer voire démultiplier les voies de réception et est donc très couteuse en termes d'équipements à mettre en place. Afin de résoudre les limitations des solutions de l'art antérieur, l'invention propose une solution permettant le fonctionnement d'une antenne 25 à balayage électronique simultanément à plusieurs fréquences différentes. L'invention consiste à tirer parti du fait qu'une exploration, par l'antenne, de l'espace pour une fréquence donnée permet également une exploration à une autre fréquence mais avec un domaine angulaire et une durée de balayage différents. Ainsi, en réalisant des balayages d'opportunité 30 en complément des balayages de l'application principale, l'antenne à balayage électronique adaptée selon l'invention permet un fonctionnement simultané à plusieurs fréquences distinctes. L'invention permet ainsi de faire fonctionner plusieurs applications à des fréquences différentes simultanément et d'optimiser les ressources en 5 autorisant l'association de plusieurs récepteurs de nature différente avec une seule et même antenne. L'invention porte à la fois sur le dispositif de pointage multifréquences, l'antenne à balayage électronique adaptée pour fonctionner à plusieurs fréquences simultanément et le procédé de détermination des 10 directions observables mis en oeuvre par le dispositif de pointage. L'invention a pour objet un dispositif de pointage multifréquences pour antenne à balayage électronique caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour : 15 Définir une loi de déphasage bop applicable aux éléments rayonnants de ladite antenne pour une première fréquence F1 et un premier ensemble de directions observables 91, Déterminer un second ensemble de directions 92 observables simultanément à une seconde fréquence F2, différente de la 20 première fréquence F1, qui sont solutions de ladite loi de déphasage El(f) appliquée à la seconde fréquence F2. Selon un aspect particulier de l'invention, le second ensemble de directions 92 observables simultanément à une seconde fréquence F2 est 25 déterminé en résolvant l'équation suivante : sin(02) sin(81) = K p où K est le rapport entre la première fréquence F1 et la seconde fréquence F2, P est le pas du réseau de l'antenne exprimé en nombre de longueurs d'onde à la première fréquence F1 et R est un nombre entier nul, positif ou 30 négatif.

Dans une variante de réalisation de l'invention, un facteur de sous-échantillonnage N spatial est appliqué en sortie des voies de ladite antenne pour la seconde fréquence F2 uniquement et l'équation à résoudre devient : sin(82) K sin(91) = N. P L'invention a également pour objet une antenne à balayage électronique comprenant au moins un dispositif de pointage multifréquences selon l'invention et un moyen de sous-échantillonnage des sorties des voies de ladite antenne adapté à délivrer l'intégralité des signaux de sortie desdites voies à un récepteur principal fonctionnant à ladite première fréquence F1 et à délivrer une sélection parmi les signaux de sortie desdites voies à un récepteur secondaire fonctionnant à ladite seconde fréquence F2. L'invention a encore pour objet un procédé de détermination des directions observables 82 par une antenne à balayage électronique à plusieurs fréquences simultanées F1,F2 caractérisé en ce qu'il comporte les 15 étapes suivantes : Détermination d'une première loi de déphasage Elq) applicable aux éléments rayonnants de ladite antenne pour une première fréquence F1 et un premier ensemble de directions observables 81, Détermination d'un second ensemble de directions 82 observables 20 simultanément à une seconde fréquence F2, différente de la première fréquence F1, qui sont solutions de ladite loi de déphasage $5(p appliquée à la seconde fréquence F2. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention 25 apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit en relation aux dessins annexés qui représentent : La figure 1, un schéma illustrant le principe à la base de la détermination, à partir d'une loi de déphasage, de la direction de pointage d'un réseau antennaire, Les figures 2a, 2b et 2c, trois diagrammes représentant plusieurs exemples de couverture angulaire du pointage du système antennaire selon l'invention en fonction de la fréquence du signal, La figure 3, un synoptique d'un système antennaire adapté selon l'invention. La figure 1 illustre, sur un schéma, le principe à la base de la détermination de la direction de pointage d'un réseau antennaire. L'exemple est donné pour un réseau linéaire mais on verra plus loin qu'il peut s'étendre 10 à un réseau plan. Une antenne à balayage électronique A, indifféremment appelée par la suite antenne ou réseau antennaire, est constituée d'une pluralité d'éléments rayonnants R1,R2,R3 agencés linéairement. La direction de pointage de l'antenne A est donnée par l'angle e entre 15 l'onde incidente au point confondu avec un élément rayonnant et la surface de l'antenne. Pour maitriser cet angle et donc la direction de pointage, et piloter le balayage de l'antenne, une méthode connue consiste à configurer la différence de marche entre les ondes incidentes en deux éléments 20 rayonnants adjacents. Par construction, cette différence de marche ST est égale à la distance d entre deux éléments rayonnants adjacents R1,R2, encore appelée pas du réseau antennaire, que multiplie le sinus de l'angle de pointage O. ST = dsin(9) (1) Ainsi, en jouant sur la valeur de la différence de marche, il est possible 25 de choisir l'angle de pointage 8 pour privilégier une direction de pointage de l'antenne. La différence de marche correspond également au retard entre la réception (ou l'émission) de l'onde incidente par deux éléments rayonnants adjacents. Ce retard est directement lié au déphasage entre les signaux reçus (ou émis) par les deux éléments rayonnants adjacents.

Ainsi, pour piloter le balayage de l'antenne et orienter le faisceau dans une direction de pointage privilégiée, les antennes à balayage électronique comportent le plus souvent un déphaseur par élément antennaire ou par sous-réseau contenant plusieurs éléments antennaires. Le déphaseur peut également être remplacé par un dispositif permettant d'imposer un retard pur tel qu'une ligne à retard. Un dispositif de pointage, encore appelé pointeur, permet de piloter l'ensemble des déphaseurs à partir d'une loi de déphasage qui est calculée pour obtenir un profil de balayage donné pour l'antenne. Autrement dit, la loi de déphasage bop est déterminée pour réaliser, par exemple, un balayage d'un domaine angulaire [emin, emax] en une durée donnée. La loi de déphasage bop peut être exprimée en fonction de l'angle de pointage A à l'aide de la relation (2) : 8q) = 8T = dsin(0) (2), avec À la longueur d'onde du signal. La loi de déphasage bop dépend de la fréquence du signal F=c/ À, où c est la célérité de l'onde. A partir d'une loi de déphasage i5cp déterminée pour une première fréquence F1 de la bande de fréquence compatible de l'antenne, l'invention consiste à déterminer quelles directions de pointage sont observables pour une deuxième fréquence F2 différente de la première fréquence F1. Autrement dit, l'invention consiste notamment à déterminer quelles sont les directions de pointage pour lesquelles un faisceau d'antenne existe à la deuxième fréquence F2 lorsque l'antenne a été configurée pour mettre en oeuvre une loi de déphasage adaptée à la première fréquence F1. Pour arriver à ce but, une solution consiste à rechercher l'ensemble des angles de pointage 82 qui vérifient la relation suivante : 2n- 8(p = -- 2irdsin091) = dsin(92) modulo 2n- (3) Â1 A.2 7 2993714 La relation (3) traduit le fait que pour une unique loi de déphasage bcp, deux domaines de pointage angulaire peuvent être observables pour deux fréquences (indirectement deux longueurs d'onde) différentes.

5 La relation (3) s'écrit également : sin(s92) sin(01) = - (4) avec K le rapport entre les longueurs d'onde considérées K= À2/ À1, P est le pas du réseau antennaire exprimé en nombre de longueurs d'onde À1 et R est un nombre entier qui peut prendre des valeurs négatives, positives ou nulles et qui traduit l'égalité modulo 2Tr de l'équation (3).

10 Ainsi, en fixant une direction de pointage el pour la fréquence F1, il est possible, en résolvant l'équation (4) de déterminer si un faisceau existe et est observable à la fréquence F2 et pour quelles directions angulaires 82.

15 Dans une variante de réalisation de l'invention, un sous- échantillonnage spatial est appliqué en sortie des éléments antennaires afin d'augmenter le pas du réseau P d'un facteur N. La relation (4) devient alors : sin a2) sin(01) = -N. p (5) Le sous-échantillonnage spatial a pour inconvénient de dégrader le 20 niveau et la qualité du signal reçu mais présente l'avantage de permettre l'élargissement du domaine angulaire exploitable à la deuxième fréquence F2 du fait que les solutions de l'équation (5) sont d'autant plus nombreuses que le facteur de sous-échantillonnage N est important comme cela est illustré par la suite.

25 L'exemple illustré à la figure 1 concerne une antenne linéaire. Dans le cas d'une antenne plan, la direction de pointage est définie par deux angles, et non plus un seul. Dans ce cas, deux lois de déphasages indépendantes sont appliquées selon chaque axe du plan de l'antenne, le principe à la base 2993 714 8 de l'invention reste identique mais s'applique à chacun des deux angles de pointage, typiquement l'angle d'azimut et l'angle de gisement. Les figures 2a,2b et 2c représentent, pour trois exemples, la relation 5 entre le domaine angulaire associé au balayage principal de l'antenne à la première fréquence F1 et le domaine angulaire exploitable par balayage d'opportunité pour exploiter le signal à la seconde fréquence F2. L'exemple des figures 2a,2b,2c concerne une antenne linéaire dont la mission principale fonctionne à une fréquence F1=10 GHz et la mission 10 secondaire à une fréquence F2= 3 GHz. Le pas du réseau de l'antenne est égal à À112 avec À1 la longueur d'onde à la fréquence F1. La figure 2a représente, sur un diagramme la direction de pointage 02 observable à la fréquence F2 (axe des ordonnées) en fonction de la direction de pointage el pilotée pour la fréquence F1 (axe des abscisses). Le domaine 15 d'observation de l'antenne à la fréquence F1 est obtenu par un balayage de l'espace entre les directions angulaires -60° et 60°. On remarque que le domaine observable à la fréquence F2 est dans ce cas limité à l'intervalle [20°, 20°] car en dehors de cet intervalle, l'antenne ne forme pas de faisceau à la fréquence F2. Le balayage d'opportunité à la fréquence F2 n'est donc 20 accessible que pendant un intervalle de temps inférieur au temps de balayage à la fréquence F1 et pour un domaine angulaire d'observation plus réduit. La figure 2b illustre, sur le même diagramme, le domaine d'observation de l'antenne à la fréquence F2 lorsqu'un sous-échantillonnage 25 spatial d'un facteur N=2 est appliqué en sortie des éléments antennaires. On remarque que dans ce cas, le domaine d'observation, et indirectement le temps d'observation, est augmenté par rapport au cas de la figure 2a. La figure 2c illustre les résultats obtenus pour un facteur de sous-échantillonnage N = 3. Dans ce cas, on voit que le domaine d'observation à 30 la fréquence F2 est quasi identique au domaine d'observation à la fréquence F1. Le balayage d'opportunité à la fréquence F2 est dans ce cas environ trois fois plus rapide que le balayage principal à la fréquence F2 mais permet de couvrir tout le secteur angulaire recherché. Comme indiqué ci-dessus, le choix du facteur de sous-échantillonnage réside dans un compromis entre la disponibilité souhaitée du 5 domaine d'observation à la seconde fréquence F2 et une perte de gain du signal reçu ou émis à cette seconde fréquence. Les exemples des figures 2a,2b,2c sont donnés à titre purement illustratifs et non limitatifs, pour expliquer la relation qui peut être dérivée entre les deux domaines angulaires d'observation ainsi que l'influence du 10 sous-échantillonnage spatial. En particulier, les valeurs numériques ne sont données qu'à titre d'exemple. La figure 3 représente un exemple de système antennaire 300 adapté selon l'invention.

15 Le système antennaire 300 comporte, de façon classique, une pluralité de voies d'antenne 301,30n qui comprend chacune un élément rayonnant 311, un limiteur 312, un filtre radio-fréquence 313, un amplificateur faible bruit 314 et un moyen 315 de pilotage de l'élément rayonnant en phase et an amplitude. Un tel moyen 315 est, par exemple, constitué d'un 20 déphaseur 316 et d'un amplificateur ou commande en gain 317. Le système antennaire 300 selon l'invention comporte en outre un dispositif de pointage multi-fréquences 302, un dispositif de sous-échantillonnage 303 et au moins une voie de réception principale 304 et une voie de réception secondaire 305 fonctionnant à deux fréquences F1,F2 25 distinctes. Le synoptique de la figure 3 donne un schéma de principe des principaux éléments constituants d'une antenne à balayage électronique. Sans sortir du cadre de l'invention, toute mise en oeuvre équivalente des modules décrits à la figure 3, est également compatible de l'invention. Le système antennaire 300 a pour fonction principale celle associée à 30 la voie de réception principale 304 et à la première fréquence F1.

2 9 9 3 7 1 4 10 Le dispositif de pointage multi-fréquences 302 selon l'invention comporte des moyens aptes à déterminer la loi de déphasage souhaitée, à la fréquence F1, pour orienter l'antenne selon une première direction d'observation, ou direction de pointage donnée. Les déphaseurs 316 de chaque élément antennaire sont pilotés en conséquence à partir de la loi de déphasage calculée. Le dispositif de pointage 302 est en outre adapté à déterminer les directions observables pour l'antenne à la seconde fréquence F2 et/ou la durée d'observation possible à cette seconde fréquence F2. Cette information permet notamment au second récepteur 305 de savoir à quel instant un faisceau est créé par l'antenne à la seconde fréquence F2 et ainsi à quel instant un signal est exploitable à cette seconde fréquence. Les signaux de sortie des voies d'antenne 301,30n sont fournies aux récepteurs 304,305 qui comportent des moyens de filtrage du signal aux fréquences souhaitées F1,F2. Le dispositif de pointage 302 est également adapté à piloter le sous-échantillonneur 303 pour appliquer un facteur de sous-échantillonnage N en sortie des voies d'antenne. Si N est différent de 1, le dispositif de sous-échantillonnage 303 transmet l'intégralité des signaux au récepteur principal 304 fonctionnant à la première fréquence F1 et transmet un signal sur N au récepteur secondaire 305 fonctionnant à la seconde fréquence F2. Le sous-échantillonneur 303 peut être avantageusement implémenté au sein d'un formateur de voies. Le calcul des directions observables e2 à la seconde fréquence F2, est fait en résolvant les équations (4) ou (5). Les opérations peuvent être précalculées et stockées sous forme de table ou calculées directement par des moyens logiciels ou matériels ou tout autre moyen de calcul adapté aux ressources de l'application visée. Dans le cas d'une antenne plan, les directions observables sont 30 calculées selon les deux axes du plan à partir des deux lois de déphasage en azimut et gisement programmées pour la fréquence principale F1.

11 2993714 Avantageusement, le récepteur secondaire 305 met en oeuvre une fonction passive qui est adaptée à un balayage d'opportunité. Ainsi, lorsque l'antenne effectue le balayage principal selon la loi de déphasage calculée pour la fonction principale à la fréquence F1, la fonction secondaire peut 5 bénéficier d'un balayage d'opportunité dans un domaine d'observation et un temps de balayage réduits, prédictibles mais non maitrisables. Le procédé selon l'invention s'applique pour une antenne fonctionnant en réception. Il permet ainsi de combiner plusieurs applications passives entre elles ou une application principale active avec plusieurs applications 10 passives. Une application active désigne une application qui nécessite alternativement des périodes d'émission et des périodes de réception. Une application passive ne nécessite à l'inverse qu'une antenne fonctionnant en réception. Le procédé selon l'invention, bien qu'étant appliqué pour la phase de 15 réception des applications visées, est également compatible de la combinaison de plusieurs applications actives entre elles. Deux applications actives peuvent fonctionner simultanément, par exemple selon le principe suivant. En émission, chaque application envoie ses impulsions de signal en 20 commandant les déphaseurs des voies d'antenne dans la direction souhaitée en fonction de la loi de déphasage configurée. Un exemple de séquence de fonctionnement consiste à émettre une première impulsion dans la direction de pointage associée à l'application principale puis à émettre une seconde impulsion, juxtaposée à la première impulsion, dans la direction de pointage 25 associée à l'application secondaire. En réception, le procédé selon l'invention tel que décrit ci-dessus est appliqué pour réaliser le balayage principal associé à l'application principale et le balayage d'opportunité associé à l'application secondaire. La séquence de fonctionnement émission-réception est réitérée avec une période de récurrence donnée.

12 2993714 L'utilisation d'un sous-échantillonnage des voies d'antenne permet d'augmenter le domaine d'observation et le temps au cours duquel un faisceau est formé à la seconde fréquence F2. L'antenne selon l'invention peut également comporter plus de deux 5 voies de réception. Dans ce cas, il existe toujours une voie de réception principale associée à une première fréquence F1 et plusieurs voies de réception secondaires qui fonctionnent en opportunité. 10

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de détermination des directions observables 82 par une antenne (300) à balayage électronique à plusieurs fréquences simultanées F1,F2 caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : Détermination d'une première loi de déphasage 6(p applicable aux éléments rayonnants de ladite antenne (300) pour une première fréquence F1 et un premier ensemble de directions observables 01, Détermination d'un second ensemble de directions 82 observables simultanément à une seconde fréquence F2, différente de la première fréquence F1, qui sont solutions de ladite loi de déphasage bcp appliquée à la seconde fréquence F2.
2. 2. Procédé de détermination des directions observables 82 par une antenne (300) à balayage électronique à plusieurs fréquences simultanées F1,F2 selon la revendication 1 dans lequel le second ensemble de directions 82 observables est déterminé en résolvant l'équation suivante : ernCê) rai) = où K est le rapport entre la première fréquence F1 et la seconde fréquence F2, P est le pas du réseau de l'antenne (300) exprimé en nombre de longueurs d'onde à la première fréquence F1 et R est un nombre entier nul, positif ou négatif.
3. 3. Procédé de détermination des directions observables 82 par une antenne (300) à balayage électronique à plusieurs fréquences simultanées F1,F2 selon la revendication 2 pour lequel un facteur de sous-échantillonnage N spatial est appliqué en sortie des voies (301,30n) de ladite antenne (300) pour la seconde fréquence F2 uniquement et l'équation à résoudre devient :s Lez (el) = N P
4. 4. Dispositif de pointage multifréquences (302) pour antenne à balayage électronique (300) caractérisé en ce qu'il comprend des moyens adaptés pour Définir une loi de déphasage 6(p applicable aux éléments rayonnants (311) de ladite antenne (300) pour une première fréquence F1 et un premier ensemble de directions observables 01, Déterminer un second ensemble de directions 02 observables simultanément à une seconde fréquence F2, différente de la première fréquence F1, qui sont solutions de ladite loi de déphasage 6(p appliquée à la seconde fréquence F2.
5. 5. Dispositif de pointage multifréquences selon la revendication 4 pour lequel le second ensemble de directions 02 observables simultanément à une seconde fréquence F2 est déterminé en résolvant l'équation suivante : S = - où K est le rapport entre la première fréquence F1 et la seconde fréquence F2, P est le pas du réseau de l'antenne (300) exprimé en nombre de longueurs d'onde à la première fréquence F1 et R est un nombre entier nul, positif ou négatif.
6. 6. Dispositif de pointage multifréquences selon la revendication 5 pour lequel un facteur de sous-échantillonnage N spatial est appliqué en sortie des voies (301,30n) de ladite antenne (300) pour la seconde fréquence F2 uniquement et l'équation à résoudre devient : n(61) = R N. P
7. 7. Antenne à balayage électronique (300) comprenant au moins un dispositif de pointage multifréquences (302) selon l'une des revendications 4 à 6 et un moyen de sous-échantillonnage (303) des sorties des voies (301,30n) de ladite antenne (300) adapté à délivrer l'intégralité des signaux de sortie desdites voies à un récepteur principal (304) fonctionnant à ladite première fréquence F1 et à délivrer une sélection parmi les signaux de sortie desdites voies à un récepteur secondaire (305) fonctionnant à ladite seconde fréquence F2.10