Brevet FR2104973A1 — publié le 19720428

La présente invention concerne les antennes à balayage électronique à modules actifs. On sait que ces antennes sont constituées d'un ensemble d'éléments ou modules de structures identiques comportant chacun notamment au moins un 5 élément générateur de puissance hyperfréquence, oscillateur ou amplificateur élémentaire,et qu'il est nécessaire de fournir à ceux-ci des signaux de référence respectifs, â faible puissance, de même fréquence mais de phases respectives différentes. Ces signaux de référence sont obtenus à partir d'un signal initial unique 10 et d'autant de dispositifs de déphasage variable (dêphaseurs ou logiques à diodes), associés à autant de circuits de commande phase et à un calculateur de phase. Dans les dispositifs connus les dêphaseurs doivent être susceptibles de couvrir la plage totale de variation de phase (2it) des éléments rayon-15 nants des modules auxquels ils sont associés. Pour les antennes directives dont le faisceau doit balayer un secteur important, d'ouverture 90° par exemple, cela conduit à un matériel extrêmement coûteux dès que le nombre de modules est grand (couramment 100 par exemple et même plus). L'invention a précisément pour objet de réduire la complexité de la 20 commande des phases. A cet effet, suivant l'invention, les signaux de référence à fréquence F des n modules élémentaires d'une antenne active à balayage électronique sont obtenus de la façon suivante : un oscillateur stable fournit un signal de base à fréquence F/p, p étant un nombre entier élevé, plusieurs dizain^ par exemple 25 de ce signal sont déduits deux signaux conçosants à fréquence F/p en quadrature de phase l'un par rapport â l'autre; l'un au moins de ces signaux en quadrature passe dans un atténuateur variable cotnaandé; n atténuateurs de gains fixes respectifs, respectivement associés aux n modules, fournissent n ondes en phase avec l'un des deux signaux composants; dès signaux inter-30 médiaires de référence à fréquence F/p soïtt obtenus par addition du signal composant non appliqué aux atténuateurs de gain fixe avec respectivement les signaux de sortie de ceux-ci ; ces signaux intermédiaires sont appliqués à n multiplicateurs de fréquence par p : les signaux de sortie de ceux-ci constituent les signaux de référence des modules respectifs; le balayage est 35 effectué par variation de la valeur de l'atténuation variable; un second ! 33096 2104973 2 atténuateur variable peut être placé sur la voie de l'autre composante pour réduire les distorsions entre les phases désirées et la phase des «HMte# de référence qui seraient dues â la non-linéarité de la relation gradient de phase-atténuation. 5 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et en se reportant aux figures paroi lesquelles : - les figures 1, 2 et 3 montrent, à titre de rappel, une antenne modulaire et les éléments essentiels d'exemples démodulés actifs, auxquels se rapporte l'invention ; 10 - la figure 4 représente le schéma de principe d'un circuit générateur de signaux de référence d'une antenne à balayage électronique, à modules actifs, suivant l'invention ; - la figure 5 est on schéma explicatif et la figure 6 est le schéma de principe le plus général d'une antenne à.balayage électronique perfectionnée 15 suivant l'invention. Les antennes connues à balayage électronique à modules actifs fonctionnant à la fréquence F comportent essentiellement une source, pilote P fournissant un signal S pilote de fréquence F, n modules généralement identiques M^, 1-Î2 et n dispositifs de déphasage. ... Dg .... D^. Dans 20 certains modes de réalisation de l'antenne, les dispositifs de déphasage sont incorporés dans les modules respectifs auxquels ils sont associés. Dans tous les cas, un calculateur de phase C, éventuellement constitué par une mémoire morte, fournit à n dispositifs de commande de phase â les valeurs des phases à afficher en - Dq respectivement en fonction de l'angle 0 de la 25 direction de rayonnement. Qu'ils fassent ou non partie intégrante des noduleë, qu'ils soient constitués par des dêphaseurs ou par des ensembles logiques à diodes, les dêphaseurs D^ (i = 1,2.*.. n), dans tous les cas,fournissent^ signaux de référence respectifs S^, S2 à fréquence F, déphasés par rapport au 30 signal pilote de (i = 1,2 ........ n) compris entre 0 et 2"&• Suivant que"le modules comportent comme générateurs de puissance des oscillateurs ou des chaînes d'amplification, le signal S, et, par suite, les signaux (i = 1,2 ...... n) seront de plus ou moins faible puissance, mais dans tous les'Cas, il seront de très faible puissance comparativement à celle 35 rayonnée par les modules. 33096 2104973 3. Sur la figure 1, on a représenté par des traits continus le couplage entre les modules et la source pilote, mais bien entendu le couplage peut être réalisé par rayonnement dans le cas de modules à oscillateurs propres. Si l'antenne est utilisée également en réception, un duplexeur TR, placé 5 entre les déphaseurB et le récepteur, assure l'aiguillage correct des signaux émis et reçus. L'invention se rapporte aux antennes à nodules actifs dans lesquelles les dêphaseurs ne sont pas incorporés dans les modules. A titre de rappel, la figure 2 représente un exemple de module actif 10 connu, dans le cas où l'émission et la réception simultanées sont possibles; le module comporte alors essentiellement : - un oscillateur d'émission OE à fréquence F^ asservi en phase à un signal de synchronisation SE I fréquence au moyen d'une boucle de phase PE comportant essentiellement un détecteur de phase DE et un amplificateur AS. 15 Les signaux produits par l'oscillateur OE peuvent éventuellement être modulés en amplitude par un signal extérieur I. - un oscillateur local OR à fréquence F£ différente de F^ asservi en phase à un signal de synchronisation SR à fréquence au moyen d'une boucle de phase PR comportant essentiellement un détecteur de phase DR et un amplificateur AR. 20 - un mélangeur MR ayant une entrée couplée à l'oscillateur OR et une autre entrée couplée à la borne "réception" du duplexeur DR, couplé d'autre part à l'antenne et à l'oscillateur OE. Les signaux à fréquence intermédiaire à la sortie du mélangeur MR sont amplifiés dans l'amplificateur AI qui est couplé-au récepteur proprement dit, 25 non représenté. Si l'émission et la réception ne sont pas simultanées, (cas le plus fréquent) lin seul oscillateur peut être utilisé suivant le schéma de la figure 3 où les références utilisées ont les mêmes significations que sur la figure 2, SW^ et St^ étant des commutateurs synchronisés avec.le duplexeur. 30 C'est la production des signaux SE et SR qui est précisément l'objet du brevet ces signaux sont analogues aux signaux S^ de la figure 1. Ces signaux sont en général de m^rne puissance et peuvent être obtenus éventuellement à partir de la même source pilote. Dans tous les cas, les signaux S£S qu'ils soient utilisés pour l'émission 35 (signaux analogues â SE) on pour la réception (signaux analogues à SR) 33096 2104973 4. sont obtenus, suivant l'invention à partir d'un signal pilote à fréquence f plus faible, égale â F/p (F étant égale à F^ ou suivant le cas), et de, au plus, deux dispositifs de commande : les ondes de référence S! intermédiaires à fréquence F sont obtenues par addition de deux composantes en 5 quadrature, l'une au moins de ces composantes étant atténuée en fonction de l'angle de la direction de rayonnement désirée, et cette atténuation étant la même pour l'ensemble des modules, et l'une des deux composantes étant en outre atténuée de façon fixe et différente pour chaque nodule. Les signaux sont alors obtenus à partir des signaux S! par multiplication de fréquence. 10 La figure 4 représente le schéma de principe d'un circuit d'élaboration des signaux suivant l'invention : l'oscillateur 0,1 fréquence f = 115 Hc/s par exenqsle,attaque le dispositif MD qui décompose l'onde sinusoïdale à fréquence f en deux ondes composantes à même fréquence déphasées de ir/2 l'une par rapport à l'autre; par exemple le dispositif MD peut être formé d'un 15 transformateur à prises multiples, ou d'un anneau hybride, cela dépend évidemment de l'ordre de grandeur de f* on peut aussi utiliser un oscillateur â sorties en quadrature. Les deux ondes composantes, représentées respectivement par les vecteurs et figure 5 sont appliquées respectivement aux atténuateurs à gain 20 variable AV^ et AV^ dont les gains varient avec la direction de rayonnement désirée, 0. A cet effet un calculateur Ca, éventuellement remplacé par une mémoire motte, fournit aux dispositifs CG^ et CG„ de commande de gain des atténuateurs les valeurs des gains en fonction de 6. La sortie de l'atténuateur AV^, fournissant le signal V^, est direc- 25 testent couplée aux premières entrées de n additionneurs AD^ (i = 1,2 n); l'atténuateur AV^ comporte deux sorties symétriques, fournissant les signaux ^2 ^2 et ~^2 ^2 * eu e^^et» 1&S déphasages ip ^ étant deux à deux opposés (^L = ~ f ) sles déphasages et - lsont obtenus à partir d'un même signal en phase avec l'onde de l'oscillateur et de signaux en quadrature de 30 phase avec celle-ci de même amplitude mais de signes opposés. Si n est pair, les signaux V2 sont appliqués aux n/2 atténuateurs ATn/2 et *es s^8aaux "*2 V2 auX att®Guateurs AT(n/2)+ 1 * * * * ATn* Bien entendu on peut aussi ne former que le signal +k^ et prendre alors pour atténuateurs ATn/z+l •' ATn des atténuateurs â gain négatif. 35 Si n est impair, le signal -k2 V2 alimente les atténuateurs 33096 2104973 5. AT^ .... AT^^2 et le sis113! k2 V2 leS att^nuateurs AT(n+3)/2** "ATn* Les sorties des atténuateurs sont couplées aux secondes entrées des additionneurs couplés aux multiplicateursi pour n impair, la seconde entrée de l'additionneur central (i ■ —|— ) n'est pas alimentée, cet addition-5 neur peut être supprimé. Ce procédé de déphasage est particulièrement intéressant dans le cas d'une antenne d'émission-réception car il ne met en jeu essentiellement que des atténuateurs et des additionneurs, c'est-à-dire des éléments utilisables sur deux fréquences distinctes. On rappelle que^^^signal obtenu par l'addition des deux signaux et 10 k, V_ par exemple, varie entre 0 et ir/4 par rapport â celle de V-; suivant la V valeur de k„, son amplitude varie entre —— pour k9 » 0 et V pour k_ * 1, M 2 c'est-à-dire qu'il est de même ordre de grandeur que V; si on a k^ et k2 V2 la phase est déterminée par le rapport k2/k^ et l'amplitude paify k-^ + k|. La figure 7 est le schéma de principe le plus général d'une antenne 15 d'émission-réception à balayage électronique par modules actifs suivant l'invention. Deux ensembles identiques et E2,mais fonctionnant à des fréquences différentes respectivement f^ et f2 = fi - f^ (ou f^ + f,. ), f^ étant la fréquence intermédiaire utilisée, fournissent respectivement les signaux k^ 20 k2 V2 et -k2 V2 aux fréquences et f2» Les signaux sont appliqués à deux ensembles d'atténuateurs, additionneurs et multiplicateurs B^ et B2 de structures identiques à 1'ensemble AT^ , AD^ de la figure 6. Les sorties de l'ensemble sont couplées aux entrées de référence à 25 l'émission des modules et celles de B2 aux entrées de référence à la réception. Ces entrées peuvent être confondues si les modules comportent des moyens d'aiguillage des signaux à fréquence f^ et f, ou si l'antenne ne fonctionne pas simultanément en émission et réception : dans ce cas l'antenne comportera 30 un ensemble B unique, identique à B^ et B2 et un dispositif de commutation entre et C2. Si f^ n'excède pas le dixième environ de f^, on peut aussi utiliser le même dispositif de décomposition d'onde pour les deux fréquences f^ et f2> Suivant la précision nécessaire sur la phase des signaux S^, on utilisera 35 un système simplifié avec un seul atténuateur variable,qq le système complet 70 33096 6 2104973 suivant la figure 4. A titre d'exemple on donne ci-après les etreurs de phase sur les signaux S'^ dans l'tin et l'autre cas, pour une application particulière,* il s'agit d'une antenne de 19 éléments numérotes 1 à 19, prévue pour un balayage angu- 5 laire maximum de 0,„. M Les coefficients d'atténuation fixes des atténuateurs AT. sont calculés i pour ®M avec = i de façon â obtenir les déphasages ai exacts pour 0,,. Pour'9» Ie déphaâa'^e "" ai/p ^ax*nur- eat et les''erreurs de phase (œj, réel - théorique) sont les suivants : 10' rang i 1 2 3 4 5 6 7 — 1 8 9 i» 19 18 17 16 15 14 13 ' 12 11 avec kj=l 25' 50' 1°5' 1°25' 1°35' 1°35' 1°20' 45' 0 k2=0,404 avec t t i 15 kj-1,35 k2=0,56 10' 20' 20' t 12' 101 1 0° j 5* i j f 0 0 Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés uniquement à titres d'exemples» Notamment on pourra combiner le procédé d'obtention d'ondes de référence 20 suivant l'invention avec des procédés de déphasage classiques, en groupant les modules5 par exemple si n * 9, on peut grouper les modules par trois, déduire de l'onde à fréquence f trois ondes de phases différentes et traiter chacune d'elles comme indiqué figure 4. 33096 2104973 7 HEgEHDICATIOSS 1. Antenne à balayage électronique du type comportant n modules actifs (i ■ 1,2 ... n) et un circuit fournissant aux modules respectivement n signaux de référence â fréquence F dont les phases respectives sont susceptibles de varier dans des intervalles respectifs £ 2 kir, 5 ladite antenne étant caractérisée en ce que ledit circuit comporte : - un oscillateur 3 fréquence f « F/p, p étant un nombre entier, - un dispositif fournissant â partir du signal â fréquence f de l'oscillateur, deux signaux composants à même fréquence f, en quadrature de phase l'un par rapport à l'autre, 10 - au moins un atténuateur variable pour l'atténuation de l'un des signaux composants, - n atténuateurs de gains fixes, l'un des gains étant éventuellement égal â 1, recevant en parallèle l'un des signaux composants, - n additionneurs â deux entrées, respectivement associés aux n atténua-15 teurs, chaque additionneur recevant d'une part le signal conposant non appliqué aux atténuateurs de gains fixes et d'autre part le signal de sortie de l'atténuateur auquel il est associé, - n multiplicateurs de fréquence par p couplés en série respectivement entre les additionneurs et .les modules; au moins un dispositif de 20 commande de gain de l'atténuateur variable, et - un dispositif de calcul de gain de l'atténuateur variable en fonction de la direction du rayonnement de l'antenne, couplé audit dispositif de commande. 2. Antenne suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle 25 comporte en outre un second circuit de structure identique au premier, les fréquences f des dits circuits étant distinctes. 3. Antenne suivant la revendication 2, caractérisée en ce que, la différence antre les fréquences f desdits premier et second circuits étant relativement faible, lesdits dispositifs de déphasage et sulti- 3° plicateurs de fréquence sont communs aux premier et deuxième circuits, us coomutateur étant placé entre les entrées des dispositifs de déphasage et sélectivement les oscillateurs desdits circuits. ?Ô 33096 2104973 8 4. Antenne suivant l'une des revendications 1, 2 ou 3 confortant un second atténuateur variable pour le second signal conposant, un second dispositif de commande associé audit second atténuateur et en ce que ledit calculateur fournit également les valeurs du gain du second atténuateur 5 audit second dispositif de commande.