Brevet FR2548467A1 — publié le 19850104

La présente invention est relative aux radars à antenne réseau commandée en phase et concerne en particulier la manière de commander les différents éléments d'antenne d'un tel réseau depuis une unité centrale de commande. Bien que le principe de radar à réseau commandé en phase présente de grands avantages d'utilisation, surtout dans le domaine militaire, la mise au point de tels systèmes a été retardée par le problème de la commande de la 10 phase par élément Dans le détail, on considère différemment le système pour les réseaux émetteurs ou récepteurs, et les problèmes dépendent de la technique adoptée Fondamentale ment, en émission, il convient de transmettre aux éléments d'antenne, depuis une unité centrale de commande: (I) une fréquence instantanée dans la gamme des hyperfréquen (Il) la phase de cette onde hyperfréquence (III) la synchronisation des fronts d'impulsions. La différence de phase entre les éléments établit la direction du faisceau et la synchronisation des fronts d'impulsions est établie pour maintenir constant dans le domaine temporel le niveau d'impulsion dans les lobes latéraux pour différentes directions de faisceau. A la réception, le contrôle des éléments du radar à antenne réseau commandée en phase concerne à nouveau la 25 fréquence et la phase de l'onde hyperfréquence, pour l'oscillateu local, mais les informations sur le cibles doivent en outre être recueillies de chaque élément. Jusqu'ici, dans la technique courante des systèmes de radar à antenne réseau commandée en phase pour la réception 30 et l'émission, un signal à la fréquence d'émission ou locale, ou à un sous-harmnonique de cette fréquence, est fourni à ces éléments par l'intermédiaire d'un distributeur hyperfréquence constitué généralement d'une ligne coaxiale, d'un E ligne en bande ou d'un guide d'ondes En émission, un déphaseur 35 est prévu dans chaque élément pour déterminer la phase à la sortie de l'élément On peut utiliser dans un réseau d'antennes réceptrices un certain nombre d'autres procédés en réalisant le déphasage en HF, FI ou dans la bande de base. Cependant, la présente invention concerne les sys" tèmes de radars à antenne réseau commandée en phase o les informations de réglage sont transmises à chacun des éléments d'antenne par modulation de fréquence en hyperfréquen10 ce d'une porteuse optique Le distributeur peut alors Atre remplacé par un faisceau de fibres optiques monomodes, ce qui permet une compacité beaucoup plus grande. On notera que, à moins que les différentes fibres optiques par lesquelles chaque élément d'antenne est rélié à 15 l'unité centrale de commande n'aient toutes la même longueur, les phases relatives de toute modulation en hyperfréquenceappliquée aux signaux optiques par l'unité centrale ne sont généralement pas les mêmes que les phases relatives apparaissant au niveau des différents éléments d'antennes. 20 Il est possible, en principe, de faire en sorte que les fibres soient coupées avec précision à la même longueur optique effective et qu'elles soient réalisées dans un: matériaupour basses températures afin que les variations thermiques n'aient pas de conséquences sensibles sur 25 cette longueur Cependant, ce procédé est délicat et incertain La présente invention concerne en particulier une autre technique dans laquelle les modifications de longueur de parcours sont surveillées et des mesures appropriées sont prises. Selon la présente invention, il est réalisé un radar à antenne réseau commandée en phase par voie optique, dans lequel le fonctionnement des éléments d'antenne du radar est commandé depuis une unité centrale de commande par des signaux en hyperfréquence modulant des ordes porteuses optiques transmises entre l'unité centrale et les différents éléments d'antenne par des liaisons de transmission individuelles à guide d'ondesoptique, dans lesquelles chaque liaison comporte un dispositif pour contrôler le déphasage en hyperfréquence causé par cette liaison et produire un signal correcteur qui sert soit à régler la longueur du trajet optique, soit à;compenser le déphasage de la modulation en hyperfréquence d'un signal optique appliqué à cette liaison par l'unité centrale de commande. Une manière avantageuse de contrôler le déphasage consiste à monter un coupleur directionnel à quatre accès sur la liaison du côté de l'unité centrale de commande et à utiliser des photodétecteurs reliés à deux des accès pour détecter respectivement 15 une partie de la lumière envoyée et une partie de la lumière revenue après réflexion du côté de l'antenne. Les sorties des détecteurs sont mélangées pour fournir un signal représentatif du déphasage, à la fréquence de modulation en hyperfréquence, causé par le trajet aller 20 et retour. Les différents objets et caractéristiques de l'invention seront maintenant détaillés dans la description qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées qui représentent: 25 la figure 1, un schéma de principe du système de radar, les figures 2 et 3, deux réalisations des modulateurs dans l'unité centrale de commande du système, la figure 4, une réalisation d'une liaison de transmission entre l'unité centrale de commande et un élément d'antenne du système, et les figures 5 et 6, les représentationsrespectives, pour l'émission et pour la réception, 35 de l'élément d'antenne du système. La figure 1 est un schéma de principe de radar à antenne réseau commandée en phase à réglage optique et montre une unité centrale 10 de commande reliée à chacun des éléments d'antenne 11 d'une antenne réseau au moyen 5 de liaisons de transmission optique individuelles 12. Dans l'unité centrale, une modulation en hyperfréquence doit être appliquée à une porteuse optique qui est avantageusement produite par une diode laser à injection. Trois procédés concurrents existent pour appliquer une modulation à haute fréquence à une source constituée d'une diode laser On peut utiliser unemodulation séparée à la sortie du laser ou une modulation de courantdu laser par une onde carrée, associée à un retard d'un bit de modulation dans un interféromètre de Mach-Zehnder en série. 15 On peut également utiliser deux lasers dans un circuit en boucle à verrouillage de phase à la fréquence de décalage de la modulation nécessaire Ce dernier procédé a l'avantage d'être applicable aux fréquences d'ondes millimétriques aussi facilement qu'aux fréquences plus basses 20 de la gamme, à la différence des modulateurs séparés qui ne sont actuellement réalisables que dans la bande inférieure des hyperfréquences Cependant, la boucle à verrouillage de phase est un procédé qui présente l'inconvénient que le réglage de phase est réalisé d'une 25 façon plutôt moins pratique parce qu'il faut fournir une référence de phase en hyperfréquence au lieu d'établir la phase directement en réglant la phase optique relative grâce à une entrée analogique appliquée à une commande de phase. La figure 2 représente une réalisation du procédé par modulation directe A l'entrée, la lumière se propageant dans un guide d'ondes 20 en circuits optiques intégrés au niobate de lithium est injectée dans un séparateur 21 à deux voies dont une des branches alimente un second 35 séparateur 22 à deux voies Une branche de ce second 254846 ? séparateur traverse des éléments retardateurs de phase 23 et 24, tandis que l'autre branche traverse un élément retardateur de phase 25, puis les deux branches sont combinées dans un combinateur 26 La sortie de ce combinateur alimente une branche d'entrée d'un second combinateur 27 dont l'autre branche est alimentée par l'autre sortie du premier séparateur 21 à deux voies qui a d'abord traversé un élément retardateur de phase 28 Les éléments retardateurs de phase 24 et 25 sont commandés par une source à hyperfréquence (non représentée à la figure 2) avec un déphaseur à 90 29 en hyperfréquence sur un des trajets de commande, si bien que les excitations sont en quadrature de phase De la sorte, cette partie du circuit entre le séparateur 22 à deux 15 voies et le combinateur 26 est l'équivalent optique direct d'un modulateur classique à bande latérale unique, le retard de phase de l'élément 23 étant établi à une valeur fixe qui compense toute discordance optique de phase au niveau du combinateur 26 attribuée à des 20 différences de longueur dn trajet optique dans les deux branches en l'absence de l'application d'Tune modulation aux éléments 24 et 25 La phase de la modulation en hyperfréquence de la porteuse optique sortant du combinateur 27 est réglée par le retard optique de phase intro25 duit par l'élément retardateur de phase 28, avec un changementde phase à fréquence optique de x" au niveau de l'élément 28 produisant un changement de phase équivalent de x" dans la modulation en hyperfréeuence à la sortie du combinateur 27. La figure 3 représente une réalisation de l'autre système de modulation en hyperfréquence commandée par une boucle à verrouillage de phase Un laser à injection est commandé par le circuit de commande et de stabilisation de fréquence 31 pour fournir un signal optique sta35 bilisé en fréquence à une fréquence fl, qui est injecté dans un guide d'ondes optique 32 Cette lumière est hétérodynée dans un coupleur directionnel 33, avec la lumière d'un second laser à injection 34 opérant à une fréquence f 2 ' La fréquence différentielle (fl f 2) est la fréquence de la modulation en hyperfréquence à appliquer à la porteuse optique A-cet effet, le second laser 34 est excité par le circuit de commande de fréquence 35 qui reçoit son signal de commande d'un détecteur 36 sensible aux différences de phase recevant un premier signal 10 d'un oscillateur local 37 à hyperfréquence qui fonctionne à la fréquence de modulation désirée, et un second signal à hyperfréquence obtenu en détectant une partie de la porteuse optique modulée A cet effet, un second coupleur directionnel 38 sert à 15 prélever une petite partie du signal optique. Celle-ci est fournie à un détecteur 39 dont la sortie alimente le détecteur 36 sensible aux différences de phase Normalement, le même oscillateur local 37 est utilise pour commander chaque modulateur du réseau, et donc un 20 déphaseur en hyperfréquence 300 peut être monté entre l'oscillateur local 37 et le détecteur 36 sensible aux différences de phase pour régler la phase de la modulation hyperfréquence de la porteuse optique La figure 3 représente aussi un contact optique 301 commandé par un synchroniseur d'impulsions 302 pour mettre en ou hors circuit la modulation. La figure 4 est une représentation schématique de la liaison optique 12 entre l'unité centrale de commande 10 et un des éléments d'antenne La première 30 partie de cette liaison est construite sous la forme d'un système optique intégré 40 qui peut être solidaire d'une partie de l'unité centrale de commande, tandis que le reste de la liaison est fourni par une longueur 41 de fibre optique monomode Le sous-système optique intégré comprend un coupleur directionnel 42 ayant un accès branché pour recevoir la lumière venant de l'unité centrale de commande; un autre accès est relié à la fibre optique 41 et les autres accès sont reliés aux photodiodes 43 et 44 La diode 44 reçoit une partie 5 de la lumière émise par l'unité centrale vers l'élément d'antenne 11 L'accouplement de la fibre 41 à l'élément d'antenne est délibérément conçu pour produire une réflexion, et peut comporter en ce point un réflecteur partiel (non représenté) Le signal réfléchi revient au 10 sous- système optique intégré 40 o une partie de celui-ci est couplée à la diode 43 Les phases relatives des signaux en hyperfréquence à la sortie des deux diodes 43 et 44 dépend donc de la longueur du trajet optique de la liaison Ces signaux sont donc fournis à 15 un détecteur 45 sensible aux différences de phase pour produire un signal de commande sur la ligne 46 servant soit à réguler la longueur du trajet optique de la liaison optique pour maintenir une valeur préétablie à peu près constante le déphasage de la fréquence de modu20 lation en hyperfréquence apporté par- la liaison, soit pour compenser ce déphasage dans le réglage de la phase de la modulation appliquée à la liaison par l'unité centrale de commande Une manière de maintenir une longueur de trajet optique à peu près constante pour la 25 liaison est de prévoir sur le trajet optique un réseau de commutation tel que celui représenté en 47, par lequel des longueurs supplémentaires de guide d'ondes optique peuvent être électriquement introduites dans le trajet optique Dans le réseau représenté schématiquement en 30 46 sont inclus cinq commutateurs de guides d'ondes optiques à quatre accès, 48 à 48 e et quatre "boucles" de guides d'ondes introduisant respectivement des longueurs supplémentaires de trajet optique de 8 s, 4 s, 2 S et s Le comme tateur 48 a peut être actionné pour diriger la lumière 35 de l'unité centrale de commande soit dans la boucle 8 s, soit dans sa dérivation Le commutateur 48 b peut être actionné pour diriger la lumière venant de la boucle 8 S ou de sa dérivation dans la boucle 4 S ou sa dérivation, et ainsi de suite Les commutateurs 48 a et 48 e peuvent être réalisés par des coupleurs directionnels simples & commutation électrique Il faut néanmoins une plus grande souplesse pour les commutateurs 48 b, 48 c et 48 d qui peuvent être réalisés par des paires jumelées de coupleurs directionnels à commutation électrique. Une autre technique d'utilisation du signal de la ligne de commande 46 pour compenser ailleurs le déphasage de la fréquence de modulation en hyperfréquence induit par la liaison entre l'unité centrale de commandeet l'élément d'antenne est plus simple à mettre en oeuvre si on 15 utilise le type de modulateur décrit précédemment en référence à la figure 2 Dans ce cas, on peut appliquer le signal directement à l'élément retardateur de phase 28 ou à un autre élément retardateur de phase (non représenté) jumelé avec l'élément 28, car en ce point un chan20 gement de phase optique produit un changement de phase équivalent de la modulation de fréquence en hyperfréquence Si on utilise le type de modulateur décrit précédemment en référence à la figure 3, le signal de commande est appliqué au déphaseur de fréquence en hyperfréquence 300. 25 On notera que le procédé particulier de contrôle des retards de phase donné à titre d'exemple à la figure 4, étant lié à une comparaison entre la phase d'un signal injecté et celle d'un signal réfléchi, mesure en fait le retard de phase apporté par la double traversée de 30 la liaison et laisse donc non résolue une ambiguité dans la mesure du retard de phase induit par une seule traversée (Un retard de phase de x" après une traversée unique donne un retard de phase de 2 x O après une double traversée, et le même retard de phase après une double 35 traversée est également obtenu par un retard de phase de (x + 180) après une traversée unique) 254 i 467 En pratique, cependant, il ne doit pas y avoir de problème si on choisit le système pour que les dimensions de toutes les liaisons permettent d'obtenir à peu près le même retard de phase dans le premier cas, et si la 5 conception assure que l'ampleur maximale des déviations dues au milieu ambiant se situe bien en-deçà de la limite d'ambiguité de 180 On peut aussi prendre des mesures supplémentaires pour lever l'ambiguit 6, quoiqu'au prix d'une plus grande complexité du système. Considérant maintenant l'élément d'antenne 11 dont la structure est représentée à la figure 5, la question principale, en supposant que le signal en hyperfréquence de phase correcte a été fourni par la liaison à un photodétecteur , est d'éliminer les variations de phase dans un étage amplificateur de puissance 51 On y parvient en introduisant un déphaseur en hyperfréquence à commande électrique 52, entre la sortie du photodétecteur 50 et l'entrée de l'amplificateur 51 Une partie du signal sortant du photodétecteur est prélevée et fournie à un 20 détecteur 53 sensible aux variations de phase o sa phase est comparée à celle du courant prélevé à la sortie de l'amplificateur pour produire le signal de commande adéquat pour régler le déphaseur 52. Bien que la description spécifique ci-dessus en 25 référence aux dessins ait concerné exclusivement des radars à antenne réseau commandée en phase fonctionnant en dmission, il est clair qu'un radar à antenne réseau commandé en phase fonctionnant en réception nécessite que soient transmises entre l'unité centrale de commande et les éléments d'antenne à peu près les m&mes informations que celles dont Ont besoin les éléments du réseu d'émission Il est donc également clair que la présente invention peut aussi servir pour des radars à antenne réseau commandée en phase à réglage optique pour la 35 réception, quoique de nombreux organes des éléments d'antennes soient entièrement différents pour répondre & la fonction tout à fait différente de ces éléments. Normalement, dans l'élément d'antenne 11 ' (figure 6) d'un radar récepteur, le signal d'entrée du radar est fourni à un mélangeur/changeur de fréquence 60 o il est comparé à un signal venant d'un amplificateur/ oscillateur 61 dont la fréquence et la phase sont réglées par la sortie d'une photodiode 62 L'amplificateur/oscillateur 61 peut comporter le même type de 10 réglage de phase par boucle à verrouillage de phase que décrit précédemment à propos de l'amplificateur 51 de l'élément d'antenne de la figure 5 Le signal de sortie du mélangeur/changeurde fréquence 60 peut être dans la bande de base ou à une moyenne fréquence d'une fréquence bien inférieure à la fréquence d'exploitation en hyperfréquence du radar, Si bien que sa rémission vers l'unité centrale de commande ne présente pas les problèmes de l'émission des signaux de commande en hyperfréquence entre l'unité centrale et les élements d'an20 tenne Il est donc inutile de l'appliquer sur une porteuse optique. Il est également clair que l'invention s'applique également à un radar à antenne réseau commandée en phase à réglage optique fonctionnant alternativement en émission et 25 en réception. D'une manière générale, il est bien évident que les descriptions qui précèdent ont été données qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Radar à antenne réseau commandée en phase à réglage o tique, caractérisé en ce que le fonctionnement des éléments d'antenne du radar est commandé depuis uiie unité centrale de commande par des signaux en hyperfréquence appliqués à des ondes porteuses optiques acheminées entre l'unité centrale de commande ( 10) et les différents éléments d'antenne ( 11) par des liaisons individuelles d'émission ( 12) en guides d'ondes 10 optiques et en ce que chaque liaison comporte un dispositif ( 45) pour contrôler le déphasage en hyperfréquence apporté par cette liaison et produire un signal de compensation ( 46) qui sert soit à réguler la longueur du trajet optique de cette liaison, soit 15 à corriger la phase de la modulation en hyperfréquence d'un signal optique appliqué à cette liaison par l'unité centrale. 2 Radar à antenne réseau commandé en phase selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de 20 contrôle du déphasage comporte un coupleur directionnel ( 42) installé du côté de l'unité centrale ( 10) de chaque liaison d'émission ( 41) avec un premier photodétecteur ( 44) relié optiquement à un accès pour détecter une partie de la lumière injectée dans la liaison du côté de l'unité centrale, un second photodétecteur ( 43) relié optiquement à un autre accès pour détecter une partie de la lumière renvoyée à travers la liaison une fois réfléchie du côté de l'antenne, et un détecteur ( 45) sensible aux différencesde phase relié aux sorties 30 des deux photodétecteurs. 3 Radar à antenne réseau commandée en phase selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, pour chaque liaison, le signal de modulation en hyperfréquence appliqué à la porteuse optique au moyen d'un modulateur à bande 35 latérale unique (BLU), et la sortie du modulateur BLU sont mélangés à une composante de la porteuse non modulée par le signal de modulation en hyperfréquence, composante transmise par un élément retardateur de phase commandé au moins en partie par le signal de compensation. 4 Radar à antenne réseau commandé en phase selon la revendication 1, 2,ou 3, caractérisé en ce que ce radar peut fonctionner en mode émission. Radar à antenne réseau commandé en phase selon la revendication 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que ce radar peut 10 fonctionner en mode réception.