Brevet FR2118937A1 — publié le 19720804

i 2118937 L'invention concerne une antenne-réseau à déphasage (ou antenne à commande de phase) comportant des éléments rayonnants individuels, agencés en lignes et en colonnes dans un plan, dont la phase peut être réglée par des déphaseurs digitaux à variations commandées électroniquement, qui sont alimentés par un élément rayonnant central délivrant une onde sphérique,avec utilisation d'éléments rayonnants collecteurs, associés aux déphaseurs et,recevant cette onde sphérique, les signaux de sortie desdits éléments rayonnants collecteurs étant respectivement transmis a des déphaseurs, dont les phases sont respectivement réglées par un calculateur de phase unique pouvant commander tous les déphaseurs, et dont les signaux de sortie sont respectivement transmis à des éléments rayonnants émetteurs respectivement associés à ces déphaseurs, de sorte que ces émetteurs rayonnent une onde plane, dont la phase de déviation, déterminant l'angle d'orientation, est réglée par un calculateur de phase, conjointement avec la phase de focalisation convertissant l'onde sphérique en une onde plane, ledit calculateur calculant, en vue de. l'excitation des éléments rayonnants collecteurs, situés dans un plaa, à la place de la variation de la phase ayant l'allure d'un hyperboloïde de révolution qui est idéal pour l'indépendance de la phase de focalisation par rapport à l'angle d'orientation, une variation ayant l'allure d'un paraboloïde et a laquelle est chaque fois ajoutée la phase de'déviation qui dépend (de l'angle d'orientation. Le faisceau dirigé de radars modernes pour la poursuite de nombreuses cibles, par exemple des fusées ou des satellites, ne peut être orienté de façon suffisamment rapide qu'à l'aide de méthodes électroniques. On utilise pour cela le plus souvent des structures d'antenne planes avec une pluralité d'éléments rayonnants individuels. Si la phase du courant des éléments rayonnants individuels dépend linéairement de leur emplacement, l'antenne rayonne de façon préférentielle dans une direction. La phase est réglée dans des déphaseurs à variations commandées électroniquement qui, par exemple, fonctionnent avec des ferrites ou avec des diodes. Ces systèmes sont appelés antennes-réseaux à déphasage. La construction d'antenne-réseau à déphasage de grandes dimensions se simplifie lorsque les déphaseurs ne sont pas alimentés par un système de lignes avec plusieurs dériva- 71 45664 2 2118937 tions, mais au contraire à l'aide d'une alimentation par radiation. L'onde sphérique en provenance d'un élément rayonnant central, par exemple un cornet d'alimentation de l'émetteur, rencontre un mur d'éléments rayonnants collecteurs. La phase de la 5 tension haute fréquence s'y trouve modifiée à-IJaide de déphaseurs et elle est finalement rayonnée par des éléments rayonnants émetteurs, sous la forme d'une onde plane. Dans cette forme de réalisation de l'antenne, les déphaseurs doivent aussi, outre la commutation de lobes,' convertir l'onde sphérique en une onde 10 plane. Le réglage j^.(x, y).des déphaseurs, effectué dans un calculateur de phase, peut, par conséquent, se décomposer en deux parties qui sont la phase de déviation^ a == 15 Les facteurs d'inclinaison*^ etB caractérisant les phases de déviation dépendent de la direction de rayonnement de l'antenne. Cette deuxième composante Aj2£qui représente la phase de focalisation,est examinée de façon précise ci-dessous. Si on règle seulement la phase de focalisation, les courants dans 20 tous les éléments rayonnants émetteurs sont en phase. Pour cela, les déphaseurs. doivent compenser les éloignements variables entre, d'une part les différents éléments rayonnants collecteurs et, d'autre part, l'élément rayonnant central. Cet éloignement dépend de l'emplacement (x, y) de l'élément rayonnant collecteur , con-25 formément à la relation suivante : r =\/f2 + x2 + y2 ' Dans cette relation f représente la distance entre le plan collecteur et le centre de phase des ondes s:phériques dans l'élément rayonnant central. Le parcours 30 !X . 2~" ? ro "V o Y° depuis ce point jusqu'aux éléments rayonnants situés dans un coin de la surface de l'antenne (+ xQ, + yQ) est de tous le plus long» Les déphaseurs de ces éléments rayonnants ne doivent, par 35 conséquent, compenser aucune différence de parcours. Tous les autres déphaseurs doivent pour la focalisation établir une différence de parcours électrique ; &r = rQ + x2 + y2' Cette dernière équation représente un'hyperboloïde de révolution 40 dont la surface asymptotique forme un cône avec un demi-angle 71 45664 3 2118.937 d'ouverture de 45°. A chaque valeur de &r correspond une phase de focalisation : A/ = 2ir Ar ~X~ Avant d'orienter le rayonnement de l'antenne dans une nouvelle 5 direction, la phase de déviation j6 de chaque déphaseur doit à G nouveau être calculée. Ensuite, la phase de focalisation, indépendante de l'angle d'orientation, est additionnée à cette valeur. Ce calcul ne peut être effectué que dans un calculateur normal dans le cas d'intervalles relativement longs entre deux 10 orientations. Dans la plupart des cas, on introduit un calculateur spécial - le calculateur de phases - comportant de nombreuses unités de calcul montées en parallèle,, Si la fréquence ou la focalisation du rayonnement d'une installation n'est pas modifiée, les valeurs pour la phase de focalisation ne sont calculées qu'une 15 fois et peuvent alors être mises en mémoire. Bien entendu, lorsque la fréquence ou la focalisation du rayonnement de l'installation varie, les phases de focalisation doivent alors être à nouveau calculées. Par consé- • quent, ce procédé de traitement de la phase ne convient que pour 20 des systèmes relativement lents et simples. Même dans ce cas, on utilise, par suite de la nécessité d'avoir beaucoup d'emplacements de mémoire,un procédé dans lequel la phase de focalisation pour chaque direction de rayonnement est à nouveau calculée simultanément avec la phase de déviation. Cette dernière opération 25 s'effectue dans un calculateur de phase combiné. Cependant, dans le cas d'un tel calculateur de phase, un calcul exact de l'allure hyperbolique présente des difficultés, par suite de la racine carrée qui apparaît. En tant qu'approximation, 1'hyperboloïde de révolution peut, par exemple, 30 être remplacé par un paraboloïde de révolution d'ordre plus élevé, comme cela a été démontré par Burrell H. Hatcher "Colli-raation of Row-and-Column Steered Phased Arrays" dans Proceedings of the IEEE, Vol 56, No.11, Nov. 1968. CSd = 2]t . Ar* = C + C„ (x2 + y2) + C. (x4 + y4) + 35 A o * * Dans cette équation, Co, C^ et C^ représentent des paramètres de la parabole. Un calcul plus simple de la phase de focalisation et satisfaisant en ce qui concerne sa précision par rapport au paraboloïde cité précédemment s'obtient par l'approximation : 40 71 45664 4 2118937 = Co + C2 (x2 + y2) » Co + C2 x2 + C2 y2 • Cette représentation est bien compatible avec l'agencement des éléments d'antennes en lignes et en colonnes, sous la forme d'un réseau plan étant donné que, non seulement la phase de déviation mais aussi la phase de focalisation peuvent être représentées avec des termes qui ne dépendent que de l'une des coordonnées x et y de l'emplacement. La phase jd peut aussi, dans le cas du procédé connu, être calculée en deux étapes. 1. Calcul de la phase de colonne : 4 ■ *• y + co + c2 y2 2. Addition des phases de lignes JÂ î +4 . x + c2 X2 En reraplaçant dans y>s par sa valeur obtenue en 1, on obtient pour la représentation de la phase, le paraboïde de révolution défini par : . x . y + CQ + C2 (x2 + y2). Ce paraboloïde de révolution présente cependant l'inconvénient qui consiste en ce qu'il créé, dans le cas d'antennes allongées, une excitation très imprécise, étant donné que les lignes d'intersection, produites perpendiculairement aux lignes ou aux colonnes d'antenne, forment toujours des paraboles identiques qui sont décalées seulement en hauteur les unes par rapport aux autres. La présente invention a pour objet de régler les déphaseurs au moyen d'un calculateur ne présentant aucune complication supplémentaire de façon qu'il produise un rayonnement d'antenne plus précis que celui produit dans le cas des antennes connues, dont les déphaseurs sont excités conformément"à un paraboloïde de révolution. Ceci est obtenu conformément à l'invention qui concerne une antenne-réseau à déphasage du type cité précédemment par le fait que les déphaseurs, disposés dans un plarç, sont réglés grâce au fait que le calculateur de phase calcule pour la phase de focalisation, un paraboloïde général de la forme = a . x2 + a . y2 + b x2 . y2 + c x y auquel est ajoutée la phase de déviation pour l'angle d^iienta*» 71 45664 2118937 tion,ax, a^, b et c représentant les paramètres du paraboloïde et les paraboles d'intersection associées aux lignes n'étant pas congruentes pour les différentes valeurs de y. Sans que cela nécessite une forme de réalisation 5 spéciale pour le calculateur, on peut améliorer le rayonnement, étant donné que les paramètres a et a peuvent être dimensionnes x ^2 2 de façon différente et que le terme b x y est en plus* Dans le cas d'antennes allongées, par conséquent dans le cas d'antennes transportables, on peut obtenir une précision de rayonnement qui 10 est notablement plus élevée. La variation hyperbolique idéale de la phase est approximée par un paraboloïde général qui peut être calculé facilement, et de ce fait, le gain de l'antenne et la focalisation du rayonnement sont diminués aussi peu que-possible et le rayonnement parasite n'augmente que très peu. 15 On peut tenir compte de la dépendance des dépha seurs utilisés, par rapport à la fréquence, dans le calculateur de phase prévu pour la variation parabolique de la phase. On prévoit avantageusement, pour le calcul de la variation ayant l'allure d'un paraboloïde, plusieurs additionneurs 20 couplés. Pour le calcul de la phase, la formation des carrés est ramené à une série d'additions. Le coût de la réalisation d'une addition dans un calculateur est bien plus faible que celui d'une multiplication. Une autre caractéristique avantageuse de l'in-25 vention consiste à prévoir une combinaison constituée par un calculateur unique associé aux colonnes , appelé calculateur vertical et par des calculateurs respectivement associés aux lignes et appelés calculateurs horizontaux, et à prévoir respectivement des éléments de mémoire à tous les emplacements des éléments 30 rayonnants individuels de l'antenne et à monter à l'entrée les calculateurs horizontaux, commandés par le calculateur vertical et alimentant les éléments de mémoire et également les éléments de mémoire, sous la forme d'un registre à décalage. De ce fait, il est possible d'enregistrer dans 35 les éléments de mémoire des valeurs de phase pour une nouvelle direction, alors que des valeurs de phase déjà réglées provoquent encore le rayonnement dans une autre direction. D'autre part, le calculateur vertical inscrit déjà à l'entrée dans les calculateurs horizontaux, qui -déterminent ces nouvelles valeurs de 40 phase,des paramétrés pour la direction de rayonnement immédiate- 71 45664 6 2118937 ment suivante. Grâce au fonctionnement en parallèle qui vient d'être décrit de plusieurs unités de calcul dans un calculateur de phase, on peut obtenir une succession rapide d'angles d'orien-5 tation très différents sans que cela n'impose des conditions de vitesse élevée pour le calculateur. A titre d'exemple, on a décrit ci-dessous et illustré au dessin annexé une forme de réalisation du dispositif suivant l'invention. 10 La figure 1 représente la structure du principe d'une antenne alimentée par radiation. La figure 2 représente la .construction de principe d'un calculateur de phase. La figure 3 représente une unité de calcul prévue 15 pour le calcul d'une représentation parabolique. La structure d'antenne de la figure 1 est alimentée par un émetteur 1 ou commande un récepteur 2, la commutation entre l'émetteur 1 et le récepteur étant effectuée de façon connue au moyen d'un commutateur émetteur-récepteur 3. Un élément 20 rayonnant central 4, par exemple un cornet d'alimentation, est relié à ce commutateur 3 et rayonne une onde sphérique 5. L'onde sphérique 5 en provenance de l'élément rayonnant central 4 arrive sur un mur d'éléments rayonnants cellecteurs 6. Des déphaseurs 7 sont respectivement reliés aux éléments rayonnants collecteurs 7. 25 La phase de la tension haute-fréquence est influencée par les grandeurs de sortie d'un calculateur de phase 8 et cette tension est rayonnée par les éléments rayonnants émetteurs 9 sous la forme d'une onde plane 10. Les déphaseurs 7 convertissent par conséquent l'onde sphérique 5 en une onde approximativement plane 30 io. La phase de focalisation (x, y) est utilisée pour cette conversion, tandis que la phase de déviation fi (x, y) détermine le changement de direction du rayonnement de l'onde plane 10. La phase de focalisation 0 (x, y) et la phase de déviation 6 (x, y) a a dépendant linéairement de l'emplacement (x, y), sont additionnées 35 et donnent la phase globale 0 (x, y), sur laquelle sont réglés les déphaseurs 7 par:1'intermédiaire du calculateur de phase 8. La figure 2 représente la constitution d'un cal-. culateur de phase combiné, prévu pour le calcul de la phase de déviation et de la phase de focalisation-. Ce calculateur de phase 40 est-constitué par un seul calculateur digital vertical H action 71 45664 2118937 né par une commande de radar 20 et par autant de calculateurs horizontaux 12 qu'il y a de lignes d'antennes, ces calculateurs horizontaux alimentant des éléments de mémoire 13,agencés suivant une matrice et disposés aux emplacements des éléments rayon-5 nant individuels de l'antenne et, réglant dans des déphaseurs 21 la phase desdits éléments rayonnants individuels 22. Par raison de simplicité, on a représenté seulement deux des déphaseurs digitaux 21 et deux éléments rayonnants individuels 22. Le calculateur vertical 11 présente trois unités de calcul pour la dé-10 termination de trois paramètres K, L et Q d'une\ parabole « k + Lx + Qx2 qui peuvent être différents pour chaque ligne (K = terme constant, L = terme linéaire, Q = terme quadratique). Ces valeurs 15 définissant la parabole sont introduites dans le circuit d'entrée du premier calculateur horizontal 10, qui règle les éléments de mémoire 13 de la ligne située le plus bas. Au cours de l'impulsion de cadence suivante, ces valeurs définissant la parabole sont décalées dans le calculateur horizontal suivant qui, de son côté, 20 règle la phase des éléments de mémoires de la deuxième ligne en partant du bas. Les calculateurs horizontaux sont par conséquent branchés suivant un montage du type registre à décalage. En outre, ils contiennent chacun une unité de calcul, des paraboles différentes pouvant toutefois être réglées pour les différentes lignes 25 d'antennes, étant donné que, en ce qui concerne les données d'entrées pour le calculateur horizontal 12, non seulement le terme constant mais également le terme linéaire L et le terme quadratique Q peuvent être différents. Les valeurs des phases verticales des différentes 30 lignes sont tout d'abord calculées avec le calculateur vertical IL Ensuite, à l'aide d'un calculateur horizontal 12 prévu pour chaque ligne, les valeurs des phases horizontales sont ajoutées aux valeurs des phases verticales et sont enregistrées dans le circuit d'entrée des éléments de mémoire montés à la manière d'un 35 registre à décalage. Ces valeurs des phases sont disponibles, après une impulsion de commutation, en vue du réglage des déphaseurs digitaux 21. La figure 3 représente le schéma équivalent de principe d'un générateur de paraboles, la formation du carré 40 étant ramenée à une série d'additions. Le coût de la réalisation 71 45664 s 2118937 d'une addition dans un calculateur est bien plus faible que celui d'une multiplication. Deux additionneurs 14 et 15 combinent les informations de sortie respectives de deux mémoires 16 et 17 ou 17 et 19, en les additionnant. Au début du calcul, les grandeurs 5 k, 1 et q sont enregistrées dans les mémoires 16,-17 et 18. Cela est effectué par exemple à l'aide d'une combinaison de portes ET ou CU, qui agissent comme des commutateurs. Selon l'état des signaux auxiliaires A et A, c'est , soit le trajet de signal inférieur (enregistrement), soit le trajet de signal supérieur 10 (calcul) qui est ouvert. Un signal de cadence est désigné par R. Après l'enregistrement, le premier additionneur 14 forme la première somme intermédiaire = q + 1. Après n opérations ZR peut s'écrire sous la forme Zn = nq + 1. Cette somme intermédiaire est utilisée comme terme d'une somme pour le deuxième ad-15 ditionneur 15. Le premier résultat peut s'écrire sous la forme S, = Z,+ k = q + 1+k. La somme est donnée par la relation : n n 20 Zm + k = \ (ra.q+1) + k, m =1 m =1 S = n . (n+1) .q+n.l+k, n . 2 le premier terme possédant une composante quadratique. Grâce à un choix convenable de q, 1 et k, S peut prendre une allure 25 parabolique quelconque. 71 45664 2118937 REVENDICATIONS 1. Antenne-réseau à déphasage comportant des éléments rayonnants individuels, agencés en lignes et en colonnes dans un plan, dont la phase peut être réglée par des déphaseurs 5 digitaux à variations commandées électroniquement, qui sont alimentés par un élément rayonnant central délivrant une onde sphérique-, avec utilisation d'éléments rayonnants collecteurs, associés aux déphaseurs et, recevant cette onde sphérique, les signaux de sortie desdits éléments rayonnants collecteurs étant respecti-10 vement transmis à des déphaseurs, dont les phases sont respectivement réglées par un calculateur de phase unique pouvant commander tous les déphaseurs, et dont les signaux de sortie sont respectivement transmis à des éléments rayonnants émetteurs- respectivement associés à ces déphaseurs, de sorte que ces émetteurs 15 rayonnent une onde plane, dont la phase de déviation, déterminant l'angle d'orientation, est réglée par un calculateur de phase, conjointement avec la phase de focalisation convertissant l'onde sphérique en une onde plane, ledit calculateur calculant, en vue de l'excitation des éléments rayonnants collecteurs, situés dans 20 un plan, à la place de la variation de la phase ayant l'allure d'un hyperboloïde de révolution qui est idéale pour l'indépendance de la phase de focalisation par rapport à l'angle d'orientation, une variation ayant l'allure d'un paraboloïde et à laquelle est chaque fois ajoutée la phase de déviation qui dépend de l'angle 25 d'orientation, caractérisé par le fait que les déphaseurs, disposés dans un plan, sont réglés grâce air fait que le calculateur de phase calcule,pour la phase de focalisation, un paraboloïde général de la forme , o 2 2 2 Ap = ax«x +a^.y + bx .y + c 30 auquel est ajoutée la phase de déviation pour l'angle d'orientation, a , a , b et c représentant les paramètres du paraboloïde x y et les paraboles d'intersection associées aux lignes n'étant pas congruentes pour les différentes valeurs de y. 2. Antenne suivant la revendication 1, caractérisé 35 par le fait que l'on prévoit, pour le calcul de la variation ayant l'allure d'un paraboloïde, p lu s ieur.s additionneurs couplés. 3. Antenne suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'on prévoit une combinaison cons- 40 tituée par un calculateur unique associé aux colonnes, appelé 71 45664 10 2118937 calculateur vertical et, par des calculateurs respectivement associés aux lignes et appelés calculateurs horizontaux, et que l'on prévoit des éléments de mémoire respectivement à tous les emplacements des éléments rayonnants individuels de l'antenne et que l'on monte à l'entrée les calculateurs horizontaux, commandés par le calculateur vertical et alimentant les éléments de mémoire, ainsi que les éléments de mémoire eux-mêmes sous la forme d'un registre à décalage.