Brevet FR2043634A1 — publié le 19710219

i 2043634 L'invention concerne un procédé de poursuite automatique d'une source mobile de rayonnement par une antenne directive à éléments multiples du type dit "phased array", consistant en modules disposés en lignes et colonnes parallèles dans un 5 plan, dont les sorties des signaux dans l'emploi de l'antenne en réception (les entrées de signaux dans l'emploi en émission) sont réunies, et dont chacun présente une ligne de retard couvrant la gamme haute fréquence (HF) ou moyenne fréquence (MF), dont le temps de propagation peut être ajusté par une tension de 10 commande. On connaît des antennes directives équipées de dispositifs pour la poursuite automatique d'une source mobile de rayonnement (en anglais "tracking"). Un grand nombre de ces procédés connus sont applicables aux réseaux d'antennes directionnelles 15 du type "array" ou à rideau plan, comportant comme organe intermédiaire important un calculateur fonctionnant en général sur base numérique qui fournit les instructions nécessaires pour les divers retards des signaux dans les éléments individuels. Dans de nombreuses applications, par exemple dans le trafic radio entre 20 satellites et avions ou bateaux, ou dans les appareils de bord dans la technique du radar secondaire, une telle installation serait d'un prix, d'un volume et d'un poids prohibitif, alors que d'autre part les exigences en gain d'antenne et exactitude de la poursuite ne sont pas trop élevées. Comme les antennes à 25 poursuite à rotation mécanique sont inutilisables dans ce cas pour des raisons de prix et de réalisation technique, il reste à résoudre le problème de créer une antenne simple du type "phased array" dont l'équipement de poursuite automatique peut être commandé sans emploi de calculateurs. 30 Selon l'invention on y parvient simplement du fait que chaque fois une partie des tensions de sortie des modules - découplée du signal utile appliqué au récepteur - est interconnectée de façon telle que dans la direction des lignes et dans la direction des colonnes, les signaux des modules pairs d'une 35 part et les signaux des modules impairs d'autre part sont réunis entre eux, fournissant respectivement deux sorties pour les directions des lignes et des colonnes, que les signaux incidents sur les deux sorties par direction des modules sont appliqués respectivement aux deux entrées d'un discriminateur de phase et 40 que de chaque discriminateur de phase on extrait une tension 70 18517 2 2043634 continue positive ou négative selon le signe de l'angle d'incidence du signal arrivant, dont des portions différentes sont respectivement utilisées comme tensions de commande pour les lignes de retard des modules dans la ligne ou colonne correspon-5 dante, de façon a former un circuit de régulation fermé qui est en équilibre quand les signaux de sortie de.tous les modules sont en phase. Selon la situation spatiale d'un front d'onde reçu, lorsque les temps de propagation des cellules de retard sont égaux, les signaux de sortie réunis s'ajoutent vectoriellement 10 aux sorties des lignes et colonnes de la façon habituelle. Du fait du décalage des groupes d'une quantité égale à l'écart modulaire dans la direction des colonnes et dans la direction des lignes, la phase des signaux additionnés appliqués à chaque discriminateur de phase dépend des angles d'inclinaison dans la di-B rection des lignes et dans la direction des colonnes entre le plan du rideau et le plan du front d'onde. Une condition du fonctionnement correct de l'antenne à rideau plan est sous ce rapport le découplage réciproque de tous les éléments rayonnants. D'autres particularités de l'invention vont être 20 exposées ci-dessous en se référant à un exemple de réalisation représenté au dessin. A titre d'exemple on utilise une antenne plane à 6x6 éléments, dans laquelle les colonnes et les lignes sont disposées perpendiculairement les.unes aux autres suivant les 25 axes x et y. Chaque module de l'antenne à rideau plan possède une ligne de retard L dans le plan haute fréquence (HF) ou moyenne fréquence (MF). Dans ce dernier cas la moyenne fréquence est formée par transposition à l'aide d'un générateur de transposition commun, avec une alimentation en phase. Le temps de propa-30 gation des cellules de retard L est ajusté par une tension continue, sensiblement proportionnellement à cette tension. Pour donner une meilleure vue d'ensemble chaque module est représenté deux fois dans la figure, c'est-à-dire dans une configuration de rideau supérieure et dans une configuration inférieure. Le 3â rideau supérieur reçoit symboliquement les lignes de retard commandées L, le rideau inférieur les autres composants de modules M ayant chacun deux sorties de signaux. Ces deux sorties de signaux sont toutes réunies en une sortie A sur laquelle on recueille le signal d'antenne destiné au récepteur. Dans la disposition réelle 40 les portions qui sont représentées en haut et en bas au même 70 18517 3 2043634 emplacement dans leur rideau sont les constituants d'un seul et même module. Dans la partie inférieure de la figure les sorties qui sont interconnectées dans la direction x sont désignées par x. Il en est de même pour la direction y. Dans les deux direc-5 tions, pour toutes les lignes (indice n) les sorties correspondantes des modules pairs (xn2* xn4* xn6' resPec't:*-vemen't Yn2' Yn4' yn6) ou impairs (xnl, xn3, xn5, respectivement ynl, yn3, yn5) sont réunies. Les signaux des deux groupes x sont appliqués à un discriminateur de phase PI de direction x, ceux des deux groupes 1° y à un discriminateur de phase de même type P2 de direction y. Les entrées des discriminateurs PI et P2 sont découplées de la sortie A par des amplificateurs de découplage E. Les tensions continues fournies par les discriminateurs PI et P2 sont amplifiées dans deux amplificateurs, VI pour la direction x et V2 15 pour la direction y, et appliquées par deux commutateurs S en commande unique aux entrées de commande des lignes de retard L qui sont représentées à la partie supérieure de la figure. Les tensions de commande fournies par les amplificateurs VI et V2 sont subdivisées chacune dans un diviseur de 20 tension consistant dans un réseau série de résistances égales R, avec extraction d'une tension croissant linéairement par échelons suivant la position de la prise. Pour les deux directions chaque prise alimente une série d'entrées de commande* La tension fournie à chaque module pour la direction x et y est additionnée et 25 appliquée en commun à la ligne de retard L de ce module cornue tension de commande. Par l'utilisation des diviseurs de tension, et grâce au fait que la relation entre la tension de commande et le temps de retard de groupe des lignes de retard L identiques entre 30 elles est presque linéaire, il résulte qu'on obtient un diagramme de rayonnement de concentration approximativement optimale, indépendamment des deux tensions de commande. L8intensité de la tension de commande x et y détermine seulement la direction du faisceau de rayons par rapport au plan du rideau. 35 un signal arrivant perpendiculairement au plan du rideau fournit une tension de signal de même phase à toutes les sorties de modules. Les deux discriminateurs de phase PI et P2 fournissent des tensions nulles et le circuit de régulation est en équilibre. Si le front d'onde change de direction, les ten-40 sions des modules respectivement réunis ne s'additionnent plus 70 18517 4 2043634 linéairement, mais vectoriellement. Il existe entre les sommes des tensions des deux lignes conduisant à un discriminateur PI ou P2, du fait du désalignement des groupes suivant l'écart angulaire du front d'onde en direction x ou y, une différence de phase qui 5 provoque l'apparition d'une tension de commande correspondante sur les sorties des discriminateurs de phase. Pour une polarité correcte des amplificateurs VI et V2, il se produit chaque fois une variation différente du temps de propagation dans les lignes de retard L, telle que les tensions de toutes les sorties 10 s'ajoutent de nouveau à peu près linéairement. Le rayon dirigé est ainsi repointé sur la source de rayonnement. Afin d'obtenir un comportement stable, le gain de boucle du circuit de régulation est pris de grandeur telle que, pour la déviation maximale du rayon dirigé, par exemple + 60°, il suffit des tensions de sortie des discriminateurs de phase PI et P2 en direction x et y qui apparaissent pour des différences de phase de quelques degrés, par exemple 3°. Si au début il n'arrive pas de signal, les commutateurs S réunissent respectivement les deux lignes de commande, 20 non aux sorties des discriminateurs de phase PI et P2, mais à deux générateurs SG, qui fournissent des-tensions périodiquement variables de fréquence différente. Ces tensions ont pour effet de provoquer une exploration périodique de l'espace par le rayon dirigé» Quand au cours d'une phase de recherche il apparaît à la 25 sortie un signal d'intensité suffisante, les commutateurs S sont inversés par un organe de commutation B avec une vitesse suffisante pour engager le processus de poursuite. En diminuant la largeur de bande des canaux de liaison avec les discriminateurs, on réduit la sensibilité de 30 la poursuite vis-à-vis du bruit et perturbations similaires. Mais en même temps on diminue également la vitesse de poursuite réalisable, qui cependant dépend aussi des conditions de stabilité de la boucle de régulation. La largeur de bande des canaux de liaison est avantageusement adaptée à la constitution du 35 spectre du signal reçu. Les antennes "phased-array" ou à rideau plan peuvent servir à l'émission en plus de la réception. Les modules ont alors chacun une branche émission et une branche réception, qui, en cas de fréquence d'émission et de réception égale, sont 40 connectées alternativement à l'élément rayonnant, ou en cas de 70 18517 5 2043634 fréquence d'émission et de réception différente, sont connectées à l'élément rayonnant par des aiguillages de fréquence. Sous ce rapport différents types de connexion des lignes de retard commandées- sont possibles. On peut utiliser des antennes d'émis-5 sion et de réception séparées ayant chacune un jeu de lignes de retard dans le plan HF ou dans le plan MF. Dans ce cas, les tensions de commande apparaissant du côté réception pendant le processus de poursuite et servant aux lignes de retard de l'antenne à rideau de réception, sont également appliquées aux li-10 gnes de retard correspondantes de l'antenne à rideau d'émission. Cependant pour une même fréquence d'émission et de réception et une utilisation alternée de l'émetteur et du récepteur, la valeur de la tension de commande formée à la réception doit être mise en mémoire pour l'émission subséquente dans la direction de ré-15 ception. Si on emploie une antenne à rideau plan commun pour la réception et l'émission, on peut par exemple installer chaque fois un jeu de lignes de retard dans les parties MF de l'émetteur et du récepteur, ou bien un jeu commun de lignes de retard dans le plan des ondes courtes (plan HF). Il existe aussi des disposi-20 tions appliquant la technique de transposition qui ont une partie à moyenne fréquence commune à l'émission et à la réception, laquelle contient aussi une ligne de retard commune. Dans tous ces cas il est possible selon l'invention, avec emploi de la même fréquence d'émission et de réception d'émettre à la suite d'un 25 processus de réception, dans cette même direction avec des antennes directives ajustées en conséquence, quand les tensions de commande de poursuite dans les diverses directions, disponibles à la réception, sont mémorisées jusqu'au processus d'émission dans une mémoire connue quelconque, et appliquées pendant l'émission 30 aux diviseurs de tension. Dans l'exemple de réalisation la mémorisation se fait dans une mémoire C, d'où les valeurs de tension de commande mémorisées sont appelées pour la direction spéciale après un ordre d'émission donnée par l'entrée de commande D, par l'intermédiaire des commutateurs S. 70 18517 6 2043634 - RFVFNDT CATIONS - 1. Procédé de poursuite automatique d'une source mobile de rayonnement par une antenne directive à éléments multiples du type dit "phased array", consistant en modules dis- 5 posés en lignes et colonnes parallèles dans un plan, dont les sorties des signaux dans l'emploi de l'antenne en réception (les entrées de signaux dans l'emploi en émission) sont réunies, et dont chacun présente une ligne de retard couvrant la gamme haute fréquence (HF) ou moyenne fréquence (MF), dont le temps de pro-10 pagation peut être ajusté par une tension de commande, caractérisé en ce que chaque fois une partie des tensions de sortie des modules - découplée du signal utile appliqué au récepteur - est interconnectée de façon telle que dans la direction des lignes et dans la direction des colonnes,les signaux des modules pairs 15 d'une part et les signaux des modules impairs d'autre part sont réunis entre eux, fournissant respectivement deux sorties pour les directions des lignes et des colonnes, que les signaux incidents sur les deux sorties par direction des modules sont appliqués respectivement aux deux entrées d'un discriminateur 20 de phase et que de chaque discriminateur de phase on extrait une tension continue positive ou négative selon le signe de l'angle d'incidence du signal arrivant, dont des portions différentes sont respectivement utilisées comme tensions de commande pour les lignes de retard des modules dans la ligne ou colonne corres-25 pondante, de façon à former un circuit de régulation fermé qui est en équilibre quand les signaux de sortie de tous les modules sont en phase. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au passage de la réception à l'émission dans la même direc- 30 tion et avec emploi de la même fréquence pour l'émission et la réception, les tensions-de commande des lignes de retard obtenues pendant la phase de réception sont mises en mémoire pour le processus d'émission enclenché consécutivement. 3. Procédé selon une des revendications 1 et 2, 35 caractérisé en ce que, en l'absence d'un signal de réception, les lignes transmettant les tensions de commande des lignes de retard sont reliées, non plus aux sorties des discriminateurs, mais avec autant de générateurs de tension fournissant chacun une tension de fréquence différente à variation périodique (phase de 40 recherche). 70 18517 20436Ï4 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que, pendant la phase de recherche où le générateur de tension est connecté à l'apparition d'un signal dépassant un seuil d'amplitude prédéterminé sur la sortie des modules réunis prévue 5 pour la connexion au récepteur, un dispositif de commutation déconnecte l'admission de la tension du générateur de tension aux lignes de retard avec une rapidité suffisante et enclenche le circuit de régulation, de façon à mettre en fonctionnement le processus de poursuite. 10 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce que la largeur de bande des canaux d'amenée aux discriminateurs de phase est adaptée aux caractéristiques spectrales du signal de poursuite reçu. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 15 1» 2, 3, 4, 5 , caractérisé en ce que le temps de propagation des lignes de retard réciproques est modifié d'une façon sensiblement proportionnelle à la variation de la tension continue de commande. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 20 1, 2, 3, 4, 5, 6, caractérisé en ce que les tensions de commande fournies par les discriminateurs de phase sont subdivisées chacune dans un diviseur de tension formé d'un réseau série de résistances égales, avec une tension croissant linéairement par échelons suivant la position de la prise, que pour les direc-25 tions des lignes et des colonnes chaque prise alimente respectivement les entrées de commande des modules d'une ligne ou d'une colonne, et que chaque tension de commande globale des lignes de retard des différents modules se compose d'une composante des diviseurs de tension pour la direction des lignes et d'une com-30 posante pour la direction des colonnes. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, caractérisé en ce que le gain de boucle dans le circuit de régulation de poursuite est choisi assez grand pour que les tensions de sortie des discriminateurs de 3> phase engendrées par des différences de phase de quelques degrés (par exemple 3°) soient suffisantes pour la déviation maximale (par exemple + 60°) du faisceau. 9. Dispositif pour 1'application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 40 caractérisé en ce que des amplificateurs (VI, V2) sont connectés 70 18517 2043634 derrière les discriminateurs de phase (PI, P2). 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les colonnes et les lignes sont perpendiculaires les unes aux autres (direction x et y). 5 11. Dispositif selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que l'écart entre modules a pour valeur une demi-longueur d'onde du signal à recevoir ou à émettre.