Brevet FR2553938A1 — publié le 19850426

Procédé et dispositif de traitement de signaux radioélectriques hyperfréquences, en particulier pour l'obtention de diagrammes de rayonnement à pseudopodes. L'invention concerne le traitement de signaux radioélectriques hyperfréquences, notamment dans le but d'optimiser le di > - gramme de rayonnement d'une antenne multi-éléments, et ce tant à la réception qu'à l'émission. Certaines applications demandent aux aériens une grande souplesse. La souplesse intéresse d'une part l'implantation même de l'aérien, qui doit par exemple coller à la peau d'un aéronef ou d'un navire. Elle s'entend d'autre part au sens fonctionnel : le diagramme de rayonnement idéal sera largemen déformable, à la façon de pseudopodes cellulaires. Les solutions connues jusqu'à présent ne répondent que très imparfaitement à ces besoins. La présente invention vient au contraire apporter un progrès substantiel en ce domaine. Très généralement, le dispositif de traitement de signaux radioélectriques hyperfréquences, ici proposé, utilise une antenne à réseau d'éléments rayonnants accessibles individuellement. Selon l'invention, chaque élément du réseau est relié à -.u moins une voie d'accès comprenant, en série, des moyens d'atténuation programmable et des moyens de retard programmable. De préférence, un ensemble amplificateur symétriseur est interposé entre l'élément du réseau et ladite voie d'accès. Avantageusement; l'amplificateur est du type intégré linéaire à large bande, de préférence à sortie symétrique. Un dispositif plus complet comporte une antenne d'émission en réseau et une antenne de réception en réseau, chaque élément de chacune des antennes étant relié à au moins une voie d'accès comportant lesdits moyens. Chaque élément de l'antenne de réception est en outre relié à une voie supplémentaire de référence. Dans un mode de réalisation évolué, le dispositif comporte des moyens reliés auxdites voies de référence, et propres à déterminer des grandeurs de covariance entre différentes paires d'éléments de l'antenne de réception, et de premiers moyens processeurs numériques agencés pour déterminer les coefficients de programmation des différents éléments individuels tant de l'antenne de réception que de celle d'émissioil, à partir des grandeurs de covariance courante, et de grandeursparamètres enregistrées dans une mémoire associée aux premiers moyens processeurs. De préférence, il comporte de seconds moyens processeurs numériques propres à utiliser des informations externes pour définir un diagramme de rayonnement désiré pour les antennes de réception et d'émission. Avantageusement, le dispositif comporte des moyens de sommation recevant les sorties des différents éléments rayonnants de l'antenne de réception, pour les sommer voie par voie, exceptée la voie de référence, puis des circuits de réception sélective, reliés à la sortie des moyens de sommation, ainsi que de troisièmes moyens processeurs numériques reliés aux circuits de réception sélective ainsi qu'aux seconds moyens processeurs, et propres à définir pour chaque voie .n signal à émettre, choisi en fonction du signal reçu et de indication des seconds moyens processeurs, et enfin des moyens -réparti- teurs propres à distribuer, pour chaque voie, et à chaque élément rayonnant d'émission, le signal à émettre correspondant. Dans un mode de réalisation particulier, l'une au moins des antennes comprend deux sous-réseaux opérant à de-s longueurs d'ondes différentes, les éléments du sous-réseau de bande la plus haute étant insérés entre ceux de la bande plus basse, avec lesquels ils coopèrent néanmoins pour la -bande la plus haute. L'invention offre également un procédé de traitement de signaux radioélectriques hyperfréquences qui comprend les étapes suivantes a) déterminer la matrice de covariance courante entre les signaux reçus par différents éléments rayonnants; b) à partir de ladite matrice de covariance courante, et de données prédéterminées comprenant la matrice de covariance du réseau, et des paramètres relatifs à un diagramme de rayonnement standard du réseau, déterminer au moins un jeu de coefficients de pondération respectivement associés aux différents éléments du réseau; c) appliquer lesdits coefficients de pondération aux éléments du réseau; et d) sommer les sorties pondérées des éléments du réseau, avant d'effectuer la réception sélective des signaux radio électriques. Dans la mise en oeuvre préférée, on prévoit en outre des éléments rayonnants d'émission, dont les coefficients de pondération sont également déterminés à l'étape b), et auxquels sont répartis des signaux choisis compte tenu des signaux reçus. Enfin, l'étape b) peut comprendre la résolution d'une relation matricielle linéaire faisant intervenir une transformée choisie de la matrice de covariance courante, la sélection de cette transformée permettant l'obtention de toutes déformatio,:s désirées dans le diagramme de rayonnement de l'antenne de réception, ainsi éventuellement que d'émission. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appa raseront à llexamen de la description détaillée qui va suivre, et des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 illustre un dispositif d'émission radioélectrique; - la figure 2 illustre un dispositif de réception radio électrique; - la figure 3 est le schéma électrique de principe d'un dispo sitif de traitement intégrant les principaux aspects essentiels de l'invention; - les figures 4 et 5 illustrent plus en détail certains éléments des figures 1 et 2; - les figures 6 et 7 montrent une possibilité de déformation d'un diagramme de rayonnement; et - la figure 8 illustre une configuration intéressante d'un réseau rayonnant formé de deux sous-réseaux de taille différente. Les dessins illustrent de nombreux objets à caractère certain; ils sont donc incorporés à la présente description pour contribuer à définir l'invention. L'antenne réseau active à large bande proposée ici peut avoir plusieurs lobes simultanés, à des fréquences identiques u différentes, dirigés dans plusieurs directions privilégUiesx avec un gain de niveau également contrôlé, tout en présentant, dans d'autres directions, à des fréquences identiques ou différentes, des trous de diagramme dont la profondeur est aussi contrôlée. Les déformations des diagrammes de tels réseaux rayonnants font penser aux déformations d'un pseudopode cellulaire. En bref, les réseaux d'émission et de réception sont conformes à la surface du porteur. Ils sont composés pour l'démission de sources élémentaires constituées d'émetteurs autonomes qui amplifient simultanément des signaux dont les lois d'amplitudP et de phase pour les différentes fréquences sont assurées par des modules de commande contrôlés par un processeur spécialise. Ils sont composés pour la réception d'éléments rayonnants de nature semblable attaquant des amplificateurs faible bruit large bande suivis de modules de commande (amplitude,phase) pour les différentes fréquences, contrôlés de la même manière que pour l'émission. La figure 1 illustre un élément d'un réseau rayonnant d'émission, à trois voies d'entrée (EV11 à Ex13). La première voie EV11 comporte, comme ensemble (ELP11) de contrôle, amplitude et phase, des lignes à longueur programmable ELLE11, non dispersives en fréquence, suivies de ligne à atténuation programmable ELAP11 (à raison d'une ligne par direction d'émission à privilégier). Une ligne numérique Eîî fournit les signaux de programme respectivement destinés à ELLP11 et ELAP11. La figure 4 illustre un exemple de réalisation de ligne à atténuation programmable LAP. L'entrée I peut être reliée par un inverseur 2 à un trajet direct 3 ou atténué 4, le signal étant repris par un inverseur 5. Ce montage peut être répété autant que nécessaire comme indiqué de 6 à 9, jusqu'à une sortie S. Les atténuations peuvent s inscrire dans une suite de poids universelle telle que 1db, 2db, etc. La figure 5 illustre un exemple de ligne à longueur programmable LLP. L'entrée I va, par l'inverseur 12, soit vers le trajet 13, de retard T, soit directement, sur l'inverseur de reprise 15. En 16 à 19 est prévu un second étage avec un retard 2Z, etc. jusqu'à la sortie. Les deux autres voies EV12 et EV13 sont agencées de même, avec les ensembles ELP12 et ELP13 à entrées numériques E12 et E13 Les trois voies sont appliquées à un amplificateur microondes linéaire à large bande et faible bruit, LBE, accompagné d'un symétriseur SE qui excite l'élément d'antenne AE. L'amplificateur peut être notamment du type dit MIC (Microwave Integrated Circuit). Le symétriseur peut être un balun. En éléments intégrés l'amplification peut être répartie ie long du circuit et le symétriseur faire partie intégrante de l'amplificateur. Pour fonctionner à large bande, les éléments rayonnants du réseau sont du type imprimé - des spirales pour la polarisation circulaire; - des "Vivaldi" pour la polarisation verticale; - des cornets pour la polarisation horizontale. A l'émission, toutes ces antennes sont attaquées de façon symétrique par le module de puissance organisé suivant la figure 1, illustrée pour trois menaces indépendantes. A la réception, les éléments d'antenne tel AR alimentent de façon symétrique (SR) le dispositif, suivant la figure 2. Le symétriseur SR peut faire partie intégrante de llamplifi- cateur linéaire à large bande et faible bruit LBR (entrée différentielle). La voie de sortie directe RVî0 permet d'effectuer des traitements spécifiques, en particulier l'extraction instantanée du signal pour par exemple faire de l'écartométrie. Les autres voies RV11 à RV13 comportent chacune un ensemble de contrôle en amplitude et phase, respectivement RLP11 à RLP13, avec leurs commandes numériques R11 à R13. Comme précédemment à l'émission, chaque ensemble tel RLPll, se décompose en des lignes h atténuation programmée RLAP11 et des lignes à longueur programmée RLLP11. Sur la figure 3, un réseau rayonnant récepteur comprend n éléments rayonnants ARi (i = 1 à n ) comportant des voies de référence RV. , et chacun trois voies RV. . (j = 1à 3) 10 13 contrôlées en amplitude et phase selon des signaux numériques respectifs Rij. Chaque cercle ARi inclut tous les éléments de la figure 2. Un réseau rayonnant émetteur comprend p éléments rayonnants AEk (k = 1 à p), comportant chacun trois voies d'entrées EVkg (D = 1 à 3), contrôlées en amplitude et phase selon des signaux numériques respectifs Ekg. Chaque cercle AEk contient tous les éléments de la figure 1. Les voies de référence RV. sont appliquées à des corrélateurs 2 21, qui effectuent entre elles les n2 opérations de corrélation permettant d'accéder à une matrice de covariance courante notée en 22. Cette matrice de covariance des signaux reçues bruts peut être déterminée par d'autres moyens équivalents. A la construction, on détermine d'une manière analogue la matrice du réseau, relative aux caractéristiques intrinsèques de celui-ci, compte tenu des gains, déphasages et positions relatifs de ses éléments. Ceci est fait tant pour le réseau de réception que pour celui d'émission. On définit aussi, initiaiement, pour chacun des deux réseaux, un diagramme de rayonnement standard, auquel est associe un jeu prédéterminé des valeurs numériques R . , respectivement EkQ . Ces informations sont rangées dans une mémoire de contraintes 24, qui pourra contenir d'autres informations comme on le comprendra ci-après. Un premier processeur 25, destiné au pilotage des réseaux, est relié aux sorties des organes 22 et 24. Il définit les jeux de coefficients numériques Rij et Ekg comme décrit ci-après. , En ce qui concerne le réseau de réception, le processeur de pilotage peut utiliser algorithme opérant selon la relation matricielle suivante dans laquelle MR désigne la matrice de covariance propre au réseau rayonnant de réception, éventuellement modifiée en fonction d'une condition initiale particulière désirée, et provenant de la mémoire de contraintes; kR désigne une constante choisie pour permettre la conver gence de l'algorithme; o 7b désigne une transformation matricielle correspondant aux contraintes imposées par le processeur de gestion en fonction d'un but à atteindre, par exemple la création d'un trou dans le diagramme de rayonnement; - désigne les éléments de la matrice de covariance courante; A - R. désigne la matrice des inconnues, à savoir les coeffi 3 cients numériques courants à appliquer au réseau de réception pour sa voie j; et désigne la même matrice, mais avec les valeurs connues 3 permettant l'obtention d'un diagramme de rayonnement standard prédéterminé. A partir de la relation ci-dessus, on peut donc déterminer itérativement les coefficients R. . (avec j fixé) à appliquer au réseau de réception. Pour l'émission, le même genre d'algorithme est mis en oeuvre, mais avec la relation où les paramètres indicés E ont la même définition que précédemment avec l'indice R, mais pour l'émission au lieu de la réception, tandis que O garde exactement les mêmes valeurs, et que ER désigne la matrice des inconnues, à savoir les coefficieilçs numériques courants à appliquer au réseau d'émission pour sa voie Q; et désigne la même matrice, mais avec les valeurs connues permettant l'obtention d'un diagramme de rayonnement standard prédéterminé. A partir de la relation ci-dessus, on peut donc déterminer itérativement les coefficients EkQ (avec Q fixé) à appliquer au réseau d'émission. En faisant maintenant varier j et Q, l'installation proposée permet de prendre en compte plusieurs jeux de contraintes imposées, correspondant par exemple à plusieurs menaces. Une variante consiste à utiliser les algorithmes décrits dans l'article "The Power-Inversion Adaptative Array Concept and Performance" de R.T. Compton, JT., IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Volume AES-15, No 6, November 1979. Ces algorithmes s'appliquent en particulier dans le cas où les éléments du réseau rayonnant sont à réponse linéaire, sans couplage entre eux, uniformément répartis, et du type source omnidirectionnelle. Ils permettent la création dans un diagramme de rayonnement de trous pointus possédant une largeur pratiquement nulle. De tels diagrammes à trou cgrrespondent à l'illustration de la figure 7, comparée au diagramme normal de la figure 6. Bien entendu, d'autres déformations peuvent être appliquées au diagramme de rayonnement. Les moyens qui viennent d'être décrits permettent d'appliquer des déformations coordonnées aux diagrammes de rayonnement des réseaux d'émission et de réception, respectivement, et ce compte-tenu du fait que ces réseaux peuvent avoir des conformations différentes, en raison notamment de leur implantation- en différents endroits de la "peau" d'un aéronef ou d'un navire. Ceci est exécuté par le premier processeur 25, sous le control Il en assure aussi la gestion au plan des signaux. Pour le comprendre, on revient maintenant aux éléments d'aériens AR1 à AR n et AE1 à AEp, en ne considérant pour chacun que sa première voie, les autres étant traitées de même. (Chaque voie est destinée par exemple à faire face à une menace respective) Les premières voies RV11 à RVnî de AR1 à AR n sont appliquées à un sommateur 31. Le signal ainsi sommé fait l'objet ensuite d'une réception sélective en 32, avec changements de fréquence, filtrage, analyse spectrale et passage en informations numériques, notamment. Un troisième processeur 35 est informé des signaux identifié en 32. Sous le contrôle du second processeur 30 (comme précédemment indiqué), il définit les signaux à émettre, et commande en conséquence un circuit 33. Le but peut être par exemple de brouiller le radar d'une menace. A cetbeffet, le circuit 33 utilise les signaux reçus en 32, les indications du processeur 35, et, le cas échéant, d'autres signaux hyperfréquences engendrés localement en 34. Un répartiteur 36 distribue alors le signal à émettre aux premières voies respectives EV11 à EV pi des éléments rayonnants AE1 à AEp. Les choses se passent de même pour les voies RV12 à RVn2 en coopération avec EV12 à EVp2 , puis RV13 à RVn3 , en coopération avec EV13 à EVp3 ,et ainsi de suite si plus de trois voies sont prévues. Un matriçage permet à partir des différents signaux à émette de les répartir entre les différents modules d'amplification qui constituent le réseau conforme. Il y a autant de matrices de répartition qu'il y a de signaux indépendants à traiter. Si l'on s'intéresse à une menace donnée, et que l'on prend un plan perpendiculaire à la direction de la menace, vue d'un réseau d'antenne, les circuits LLP précités sont ajustés pour rattraper les différences de distance entre les éléments rayonnants individuels du réseau et ledit plan. Ceci est vrai tant à l'émission qu'à la réception, et pour chaque menace. Les réglages d'amplitude (LAP) permettent de moduler les lobes du diagramme de rayonnement, et en Harticulier de faire des trous dans plusieurs directions données en fonctiondes contraintes opérationnelles. L'invention permet ainsi d'obtenir des effets du type pseudopode, en contrôlant l'amplitude et la phase à chaque fréquence dans chacune des directions de l'espace des signaux émis ou reçus. Ceci peut être assuré par des traitements adaptés à chaque structure de réseau, dès lors que les informations nécessaires aux calculs sont extraites par le réseau rayonnant récepteur. L'invention fournit les structures électroniques qui permettent d'assurer l'extraction des informations et le contrôle généralisé du gain des réseaux large bande, dans une zone d'espace pouvant aller Jusqu'à 4s stéradians. Un exemple de traitement a été donné plus haut. Le but atteint par l'invention est d'augmenter le gain dans les directions privilégiées et dans le cas de plusieurs directions simultanées de répartir l'énergie disponible au mieux entre ces directions. C'est la gestion de puissance" appliques au niveau de l'antenne. On pourrait utiliser une antenne commune pour l'émission et la réception. Cependant, pour faciliter le fonctionnement et en particulie émettre pendant la phase réception, il faut découpler les antennes d'émission et de réception. Ceci est d'autant plus facile que ces antennes ont du gain. Car le gain recherché en découplage est égal au gain utile diminué des gains d'émission et de réception. Il y a donc intérêt à utiliser en réception une antenne similaire à celle d'émission pointant son faisceau dans les directions souhaitées. Le dispositif décrit extrait alors les informations nécessaires à la commande des réseaux émission et réception et permet la poursuite en temps réel des directions, compte tenu des mouvements relatifs du porteur et de l'environnement. Les éléments rayonnants peuvent faire partie intégrante des > réseaux de réception. Seuls les circuits de traitent utilisés en aval des différentes cellules sont spéclfiques. Les réseaux d'émission et de réception peuvent être formés de sous-réseaux - soit pour traiter un plus grand nombre de signaux simultanés sans augmenter de façon prohibitive les cellules de contrôle amplitude-phase des modules; - soit pour utiliser au mie,ux les surfaces disponibles sur la structure du porteur; - soit pour augmenter la couverture spatiale, un réseau élémentaire couvrant un cône d'environ 90 d'ouverture, le but final étant de couvrir le porteur sur 4s stéradians. - soit pour augmenter la couverture en fréquence. Dans ce cas, par exemple, des sous-réseaux à bande limitée peuvent former un réseau à large bande en implantant des éléments rayonnants dans la bande haute dans les interstices laissés entre les éléments rayonnants élémentaires du sous-réseau à bande moins élevée (figure 8). Ainsi, aux fréquences élevées, le facteur de réseau est amélioré d'un coeffi-ient 2, car la partie centrale des éléments larges coopère avec les éléments étroits. Par ailleurs, il est souhaitable que les liaisons entre les éléments AR. et les biocs 21 et 31 compensent au moins partiellement les effets de la non-planéité du réseau PRi, du moins à la fréquence centrale. La meme chose est vraie pour le réseau 5 à 1 'égard du bloc 36. Revendications. 1. Dispositif de traitement de signaux radioélectriques hyperfréquences, utilisant une antenne à réseau d'éléments rayonnants accessibles individuellement, caractérisé en ce que chaque élément du réseau est relié à au moins une voie d'accès comprenant, en série, des moyens d'atténuation programmable (LAP) et des moyens de retard programmable (LLP). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un ensemble amplificateur-symétriseur est interposé entre l'élément du réseau et ladite voie d'accès. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'amplificateur est du type intégré linéaire à large bande, de préférence à sortie symétrique. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une antenne d'émission en réseau, et une antenne de réception en réseau, chaque élément de chacune des antennes étant relié à au moins une voie d'accès comportant lesdits moyens. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque élément de l'antenne de réception est en outre relié à une voie supplémentaire de référence. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu 'L comporte des moyens reliés auxdites voies de référence, et pro pres à déterminer des grandeurs de covariance entre différentes paires d'éléments de l'antenne de réception, et de premiers moyens processeurs numériques agencés pour déterminer les coef fi- cients de programmation des différents éléments individuels tant de l'antenne de réception que de celle d'émission, à partir des grandeurs de covariance courante, et de grandeurs-paramètres enregistrées dans une mémoire associée aux premiers moyens processeurs. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte de seconds moyens processeurs numériques propres d utiliser des informations externes pour définir un diagramme de rayonnement désiré pour les antennes de réception et d'émission. 8. Dispositif selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de sommation recevant les sorties des différents éléments rayonnants de l'antenne de réception, pour les sommer voie par voie, exceptée la voie de référence, puis des circuits de réception sélective, relié à la sortie des moyens de sommation, ainsi que de troisièmes moyens processeurs numériques reliés aux circuits de réception sélective ainsi qu'aux seconds moyens processeurs, et propres à définir pour chaque voie un signal à émettre, choisi en fonction du signal reçu et des indications des seconds moyens processeurs, et enfin des moyens répartiteurs propres à distribuer, pour chaque voie, et à chaque élément rayonnant d'émission, le signal à émettre correspondant. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'une au moins des antennes comprend deux sous-réseaux opérant à des longueurs d'ondes différentes, les éléments du sous-réseau de bande la plus haute étant insérés entre ceux de la bande plus basse, avec lesquels ils coopèrent néanmoins pour la bande la plus haute. 10. Procédé de traitement de signaux radioélectriques hyperfréquences, caractérisépar les étapes suivantes a) déterminer la matrice de covariance courante entre les signaux reçus par différents éléments rayonnants, b) à partir de ladite matrice de covariance courante, et de données prédéterminées comprenant la matrice de covariance du réseau, et des paramètres relatifs à un diagramme de rayonnement standard du réseau, déterminer au moins un jeu de coefficients de pondération respectivement associés aux différents éléments du réseau, c) appliquer lesdits coefficients de pondération aux éléments du réseau, et d) sommer les sorties pondérées des éléments du réseau, avant d'effectuer la réception sélective des signaux radioélectriques. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on prévoit en outre des éléments rayonnants d'émission, dont les coefficients de pondération sont également déterminés å l'étape b), et auxquels sont répartis des signaux choisis compte tenu des signaux reçus. 12. Procédé selon l'une des revendications 10 et ll, caractérise en ce que l'étape b) comprend la résolution d'une relation matricielle linéaire faisant intervenir une transformée choisie de la matrice de covariance courante, la sélection de cette transformée permettant l'obtention de toutes déformations désirées dans le diagramme de rayonnement de l'antenne de réception, ainsi éventuellement que d'émission.