Brevet FR2636475A1 — publié le 19900316

"Procédé et dispositif de production simultanée de plusieurs diagrammes d'antenne pouvant être commandés en temps réel" L'invention concerne un procédé de production simultanée de plusieurs diagrammes d'antenne pouvant être commandés en temps réel, et se rapporte aux dispositifs de mise en oeuvre de ce procédé. L'établissement de diagrammes d'antenne au moyen d'antennes actives commandées en phase a pris une importance croissante au cours de ces dernières années. Le rayonnement de ces antennes actives s'effectue par un groupe d'éléments sources de rayonnement. Chacun de ces éléments sources de rayonnement émet ou reçoit des signaux micro-obdes. Les propriétés de rayonnement (diagramme(s) d'antenne> de l'antenne active globale sont déterminées par la caractéristique de rayonnement des éléments individuels et par leurs amplitudes et phases relatives. Le système global d'antenne active est constitué par un réseau de modelage de faisceau, et par les éléments sources de rayonnement avec des amplificateurs/récepteurs qui leur sont conjugués. Dans le mode émission, le signal d'antenne est rayonné par les éléments sources de rayonnement et, dans le mode réception, le signal d'antenne est reçu par les éléments sources de rayonnement. Dans le cas d'une antenne d'émission, le réseau de modelage de faisceau (ou les réseaux de modelage de faisceau) génère simple et plus économique. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que l'on utilise une antenne constituée de plusieurs sources actives de rayonnement microondes, rayonnant directement, et par le fait que les sources de rayonnement micro-ondes sont commandées par un réseau optique de modelage de faisceau. Parmi les différents modes de mise en oeuvre possibles, l'invention prévoit notamment que: - pour chaque diagramme d'antenne, un laser est modulé par le signal du canal micro-ondes concerné; - dans le réseau optique de modelage de faisceau, dans le mode émission, les signaux sont distribués par fibres optiques à des amplificateurs agencés en amont des éléments-sources de rayonnement, et les caractéristiques directionnelles des diagrammes d'antenne individuels sont établies par des diaphragmes dans le plan focal des lasers modulés; - dans le réseau optique de modelage de faisceau, dans le mode réception, les signaux sont rassemblés par des fibres conductrices de lumière et sont additionnés optiquement, et les caractéristiques directionnelles des diagramses d'antenne individuels sont établies par des diaphragmes dans le plan focal, en avant des détecteurs; - le rayon lamer de référence d'un oscillateur local est focalisé sur et couplé aux coeurs des fibres du faisceau de fibres par une plaque holographique; - le pivotement des diagrammes d'antenne individuels est effectué par déplacement latéral des lasers dans le plan Y-Z; - le pivotement des diagramms d'antenne individuels est effectué par déplacement latéral des fibres amorces des lasers dans le plan Y-Z; - le pivotement des diagrames d'antenne individuels s'effectue par commutation des canaux micro-ondes sur les entrées de modulation des différents lasers, ou encore par comutation des fibres amorces entre les différents lasers; - le pivotement des diagrammes d'antenne individuels s'effectue par pivotoemnt électro-optique du faisceau laser; - le contour du lobe principal des diagrams d'antenne est établi par des diaphragmes; plusieurs diagramms d'antenne sont produits par une optique de Fourier à plusieurs lentilles; - tous les diagrammes d'antenne sont simultanément déplacés en pivotement par déplacement latéral de l'oscillateur local. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparattront plus complètement dans la description présentée dans ce qui suit, à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux dessins annexés dont les figures représentent: - la figure 1, une antenne active pour un canal mi cro-ondes; - la figure 2, un réseau de modelage de faisceau pour un canal micro-ondes; - la figure 3, un système optique cohérent de modelage de faisceau; - la figure 4, un système optique de modelage de faisceau, pour le mode réception; - la figure 5, un réseau de modelage de faisceau pour émetteur à plusieurs canaux micro-ondes; 0 - la figure 6, un autre réseau de modelage de faisceau pour émetteur à plusieurs canaux micro-ondes; - la figure 7, un réseau de modelage de faisceau pour émetteur à plusieurs canaux microondes, avec commande électro-optique de faisceau; - la figure 8, l'objet dg la figure 7, avec un oscillateur local couplé par l'intermxdiaire d'une fibre de verre; - la figure 9, un réseau de modelage de faisceau pour récepteur à plusieurs canaux micro-ondes; - la figure 10, un réseau de modelage de faisceau pour émetteur/récepteur à plusieurs canaux microondes; - la figure 11, un réseau de modelage de faisceau pour émetteur à plusieurs canaux micro-ondes, par utilisation de plusieurs lentilles; et la figure 12, un réseau de modelage de faisceau pour émetteur à plusieurs canaux micro-ondes, par utilisation de plusieurs lentilles et d'un oscillateur local central. La figure 1 représente le schéma fonctionnel, par blocs, d'une antenne active pour un canal micro-ondes. Entre le canal micro-ondes 1 et les amplificateurs 2 pour les éléments sources de rayonnement individuels 3 est disposé le réseau 4 de modelage de faisceau qui se rapporte à l'objet de la présente invention. Un réseau classique de modelage de faisceau selon la figure 2 est constitué par une commnde d'antenne 5, un réseau distributeur 6, des décaleurs de phase 7 et des organes de réglage d'amplitude 8. La cownsnde d'antenne calcule le réglage des décaleurs de phase et des organes de réglage d'amplitude. La complexité des calculs & cet effet est si grande qu'une commande en temps réel d'un diagramme d'antenne est très compliquée et onéreuse avec l'état actuel de la technique. Il existe déjà de très nombreuses méthodes pour mltriser l'important flux d'informtions de la commande d'antenne aux décaleurs de phase et organes de réglage d'amplitude. Pour produire plusieurs diagrames d'antenne avec des réseaux de modelage de faisceau classiques, le modelage exige, pour chaque diagrame d'antenne d'un canal d'émission ou de réception un réseau séparé de modelage de faisceau. La commande d'antenne est constituée par un calculateur numrique de processus. Le réseau distributeur et les décaleurs de phase peuvent être réalisés avec des composants micro-ondes ainsi qu'avec des composants optiques et électro-optiques. Par rapport à la réalisation optique et électro-optique, une réalisation d'un réseau distributeur avec des composants micro-ondes présente une grande msse et un encombrement important. Il est donc intéressant qu'un nombre aussi grand que possible des composants du réseau de modelage de faisceau soient réalisés optiquemant et que l'on réalise ainsi une économie de poids pouvant atteindre 90 %. Il faut pour cela, aux entrées du réseau de modelage de faisceau, transformer le sIgnal micro-ondes en le faisant passer dans le domaine optique et, à la sortie du réseau de modelage de faisceau, reconvertir les signaux optiques par transformtion vers le domaine des micro-ondes. Pour un canal d'émission, le flux de signaux va de la gauche vers la droite sur la figure 2. Dans ce cas, le signal du canal micro-ondes module l'auplitude d'un rayon laser. Le signal optique est réparti au moyen de fibres optiques. Par détection des signaux optiques, ces derniers sont reconvertis dans le domaine des micro-ondes. Si le décaleur de phase et l'organe de réglage d'amplitude sont réalisés avec des composants micro-ondes, le signal optique est détecté avant le décaleur de phase. Si le décaleur de phase est réalisé opto-électroniquenent, le signal optique est détecté après le décaleur de phase. X]me si l'organe de réglage d'amplitude est réalisé opto-électroniquement, ce qui est toutefois impossible dans l'état connu de la technique, le signal optique est détecté après l'organe de réglage d'amplitude. Dans les systèmes classiques, les décaleurs de phase et organes de réglage d'amplitude sont réalisés soit avec des composants micro-ondes, soit aussi avec des composants optiques. Coxe il est difficile de réaliser optiquement les décaleurs de phase et les organes de réglage d'amplitude, il est avantageux, dans l'état actuel de la technique, de les intégrer dans les amplificateurs de la figure 1 et d'exécuter le réglage de phase et d'amplitude dans le domaine des micro- ondes. Pour un canal de réception, le flux de signaux va de la droite vers la gauche, sur la figure 2. Les signaux micro-ondes de chaque élément source de rayonnement modulent en amplitude un rayon laser. Les signaux optiques individuels sont transmis par des fibres optiques et sont rassemblés et détectés de manière que les signaux micro-ondes démodulés s'additionnent avec les phases relatives correctes. Dans les systèmes électro-optiques classiques, les Z636475 signaux sont répartis de manière réitérée, par optique à fibres, entre les canaux micro-ondes et les éléments sources de rayonnement, les décaleurs de phase et les organes de réglage d'amplitude. Toutefois, la cnommnde d'antenne s'effectue par calculateur. La répartition des signaux de la comande d'antenne aux décaleurs de phase s'effectue aussi par une optique à fibres. Cone le calcul des caractéristiques de phase et amplitude présentes à l'ouverture des éléments source de rayonnement implique une transformation de Fourier, il va de soi que la transformation de Fourier soit effectuée à l'aide d'une optique de Fourier. Dans un système de modelage de faisceau à optique de Fourier, il est en principe possible de réaliser optiquement non seulement le réseau distributeur mis aussi la commande d'antenne. Un tel système est connu et décrit quant à son principe dans: Koepf, G.A. Optical Processor for Phased-Array Antenna Beau formation, SPIE Vol. 477, pp.74-81, 1984. Le procédé présenté dans cet ouvrage n'utilise un réseau distributeur à fibres optiques que pour le système émetteur. Pour la réception, il faut recourir à une répartition et addition des signaux au moyen de composants micro-ondes. Au-delà de montages d'essai, aucune réalisation de ce concept pour une antenne active n'est connue par les ouvrages publiés. Afin de faciliter la compréhension, on va d'abord expliquer en détail le procédé pour l'émission, puis pour la réception. Contrairement à la figure 2, la répartition des signaux, la commande d'antenne, le réglage de phase et d'amplitude sont remplaces, dans l'ouvrage précité, par un système à optique de Fourier. La figure 3 est tirée de cet ouvrage précité et montre le schéma par blocs 26364?5 d'une antenne d'émission à comnide de phase. Le signal du canal microondes est transform par conversion dans le domaine optique en modulant le modulateur électro- optique. La commande d'antenne, les décaleurs de phase et le réglage d'amplitude selon la figure 2 sont remplacés par des lentilles de transformation de Fourier d'oscillateur local y relative, fzxf, puis additionnés. Cela signifie que le réseau distributeur qui, dans ce cas, est aussi un réseau additionneuru du canal de réception est réalisé dans le domaine des micro-ondes et est donc beaucoup plus lourd et plus encombrant qu'un réseau optique. Comme le réseau distributeur pour la réception doit être réalisé avec des composants micro-ondes, la réalisation correspondant & la conception décrite dans ce qui précède ne présente pas les avantages de poids et encombrement réduits inhérents à la transmission par fibres optiques du signal micro-ondes pour le système de réception. En outre, cette méthode n'est utilisable que pour le modelage d'un diagramme d'antenne individuel (pour Iémission ou la réception). O Ces deux inconvénients sont évités par l'invention présentée ici, dont les avantages et possibilités sont expliqués dans ce qui suit. La compacité et la légèreté d'un système de modelage de faisceau exigent que l'ensemble du modelage de faisceau s'effectue au moyen d'un réseau optique de modelage de faisceau, aussi bien pour le système d'émission que pour le système de réception, et que la distribution des signaux s'effectue par fibres optiques. Cela est impossible avec la méthode présentée dans la référence bibliographique précitée. L'utilisation du nouveau procédé présenté ici, conforme à l'invention, permt de produire plusieurs diagrames d'antenne pouvant être commandés en temps réel, et permet, avec l'antenne active commandée en phase, d'émettre ou de recevoir plusieurs canaux dans des directions identiques ou différentes. La méthode présentée plus haut repose sur un réseau optique de modelage de faisceau pour un diagramme d'antenne, avec une distribution par fibres optiques pour l'émission. L'objet de l'invention présente deux particularités supplémentaires avantageuses, à savoir, d'une part, la possibilité de produire plusieurs diagrammes d'antenne pouvant être commandés en temps réel, pour l'opération simeultanée en émission ou réception de plusieurs canaux micro-ondes, ]o selon les directions identiques ou différentes, et, d'autre part, la possibilité d'utiliser la distribution de signaux par fibres optiques non seulement pour l'émission mais-aussi pour la réception, ce grâce à quoi le système de modelage de faisceau devient très compact et léger. Pour générer plusieurs diagrammes d'antenne pour le mode émission, on utilise plusieurs lasers modulés 10. Pour chaque diagramme d'antenne, le signal du canal ]0 micro-ondes 11 module un laser 10 (voir figures 5, 6 et 7. Le pivotement des diagrammes d'antenne individuels peut être effectué, selon la figure 5, par déplacement latéral des lasers dans le plan y-z, mais peut aussi s'effectuer, selon la figure 6, par déplacement latéral des fibres amorces des lasers 12 dans le plan y-z. En outre, le pivotement peut s'effectuer par comuutation des canaux micro-ondes sur les entrées de modulation des différents lasers, ou encore par commutation des fibres amorces entre les différents lasers, par exemple par des commutateurs à fibres optiques. Toutes les fibres optiques utilisées pour la distribution ou le rassemblement doivent être des fibres uni-odales. Com-e le diamtre de l'ouverture de sortie des fibres est directement proportionnel à la largeur à demi-amplitude du diagrazme d'antenne, il faut que le rayon dans la fibre soit élargi de manière correspondante, par une optique disposée devant l'extrémité de fibre. Lors de l'application de la lumière modulée et de la lumière du laser de référence au faisceau de fibres, seule une petite partie de la lumière arrive sur l'ouverture d'entrée (coeur) des fibres optiques. Le rayon laser de référence de l'oscillateur local 13 est focalisé sur et couplé aux coeurs des fibres du faisceau de fibres 15, soit par un 1] dispositif partiteur de rayon, soit par une plaque holographique 14. Afin de simplifier l'explication du procédé, on va admettre ici que le plan d'onde ou plan de phase de l'oscillateur local 13 est plan et parallèle à l'ouverture du faisceau de fibres 15 allant aux éléments sources de rayonnement 3. Avec une rotation de phase supplémentaire des signaux micro- ondes par rapport aux éléments sources de rayonnement 3, l'angle du front de phase ou front d'onde peut aussi être différent. Les longueurs d'onde de baset du laser modulé et de l'oecillateur local sont mutuellement couplées. Si l'oscillateur local 13 est couplé non pas par une plaque holographique mis par un dispositif partiteur de rayon, un déplacement latéral de l'oscillateur local 13 permet alors de faire pivoter simultanément tous les diagrammes d'antenne. Au lieu de déplacer dans le plan y-z les lasers modulés 10 ou les extrémités des fibres amorces faisceau laser est dévié, par un pivotement électro- optique de rayon 17, sur une fibre qui correspond à la position désirée du faisceau laser dans le plan y-z. Cette méthode autorise un pivotement rapide des diagrammes d'antenne. Une optique 18 disposée devant l'ouverture d'entrée des fibres permet d'accroître le rendement du couplage de la lumière laser aux fibres du faisceau 16. Pour obtenir une grande résolution angulaire des diagrammes d'antenne, il est important que, pour la sortie de lumière des fibres du faisceau 16, la gaine-.soit aussi mince que possible par rapport au coeur. Comme,- là encore, le diamètre de l'ouverture de sortie des fibres estdirectement proportionnel & la largeur à demi-amplitude de l'antenne, il faut que le rayon dans chaque fibre soit élargi de manière appropriée, par une optique (19) disposée devant l'extrémité de la fibre. - La figure 8 montre co ment l'oscillateur local 13 peut aussi être couplé via le faisceau de fibres 16, avant la lentille de transformation de Fourier 20. L'oscillateur local 13 (laser ou groupe de lasers Laser array") est focalisé sur une fibre de manière produire, dans le plan focal du faisceau de fibres 15, un front de phase ou front d'onde parallèle à l'ouverture d'entrée. Afin de produire, selon la figure 9, plusieurs diagrammes d'antenne pour le mode réception, les signaux optiques des fibres optiques de chaque élément source de rayonnement, modulés en micro-ondes, sont amplifiés chacun par un laser. Il est important que les longueurs d'onde de base' des lasers individuels soient mutuellement couplées. Comme il est indispensable qu'il y ait une cohérence des rayons lasers dans le plan des trous d'épingle* cohérence des signaux optiques. Au lieu de rayonner - dans de telles fibres, les lasers doivent rayonner dans le plan focal s'étendant sur des "trous d'épingle' 21. En aval de l'optique de Fourier 20, le signal d'un canal micro-ondes 11 avec diagramme d'antenne correspondant est capté à chaque fois par un détecteur correspondant 22. Pour le pivotement du faisceau, il est en principe possible de déplacer les détecteurs 22 de mnaniére analogue aux lasers. Toutefois, il est plus simple de capter tous les canaux microondes ou diagrammes d'antenne possibles avec un groupe de détecteurs puis, au moyen d'un Dultiplexeur 23, de sélectionner les canaux micro-ondes ou diagrammes d'antenne désirés. Codmme dans le plan des détecteurs, les rayons lasers interfèrent entre eux, le couplage supplémentaire d'un faisceau de référence, par exemple de l'oscillateur local, n'est pas nécessaire mais peut toutefois être utilisé afin de détecter avec une sensibilité accrue les signaux optiques modulés. Si le Ame système de modelage de faisceau doit être utilisé pour l'émission et la réception, on peut aussi, selon la figure 10, utiliser des faisceaux de fibres en amont et en aval de la lentille de transformation de Fourier 20. Dans le mode émission, les signaux des lasers 10 modulés en amplitude, sortant des fibres optiques 12, sortent par des extrémités de fibres déplaçables latéralement, comme sur la figure 6. Les signaux ayant subi la transformation de Pourier sont couplés à un faisceau de fibres 15, comme sur les figures 5, 6 et 7. Toutefois, le mélange avec l'oscillateur local 13 s'effectue dans un coupleur à 3dB, 24, sur le trajet de la fibre. Lors de la réception, les lasers-oscillateurs locaux sont commutés et servent de lasers amplificateurs des signaux optiques venant des éléments sources de rayonnement. Ceux-ci sont soumis A transformation de Fourier (lentille de Fourier 20), et couplés aux fibres amorces 12 selon la figure 10, et captés par un détecteur 25. Là encore, comme plus haut, les dia /tres des ouvertures d'entrée et de sortie sont déterminants pour ]4 la largeur à demi amplitude du diagramme d'antenne. Le contour des lobes principaux des diagrammes d'antenne pour un système d'émission peut être établi par des diaphragmes dans le plan focal du laser modulé. Dans ce cas, les diaphragmes remplacent les 'trous d'épingle' 21. Une modification du contour peut alors être obtenue par une modification de diaphragme. Le diaphragme peut être réalisé mécaniquement ou au moyen d'un composant électro-optique, tel qu'une matrice LCD. Une autre possibilité de modelage du contour est l'intégration ou rassemblement de plusieurs diagrammes individuels. Le contour des lobes principaux des diagrammes d'antenne pour un système de réception peut être établi, de manière analogue, par des diaphragmes dans le plan focal des détecteurs. Là encore, une modification du contour peut être obtenue par modification de diaphragme. Ce diaphragme peut également être réalisé mécaniquement, ou au moyen d'un composant électro-optique tel qu'une matrice LCD. L'intégration ou rassemblement de plusieurs diagrammes individuels constitue, là aussi, une autre possibilité de modelage du contour. Plusieurs diagram es d'antenne peuvent aussi être générés avec plusieurs lentilles. La figure 11 montre deux groupes lasers 1On, 10b qui peuvent être constitués par un ou plusieurs lasers et qui rayonnent, via des lentilles différentes 20a, 20b, sur le faisceau de fibres 15. Cet agencement est également possible pour plus de deux groupes lasers. La figure 11 ne montre qu'un seul laser-oscillateur local 13, avec plaque holographique 14, pour tous les lasers modulés. Il est également possible d'utiliser, pour les lasers de chaque groupe, une longueur d'onde propre et de coupler un oscillateur local propre 13. Si chaque oscillateur local 13 est couplé non pas au moyen d'une plaque holographique mais au myen d'un dispositif partiteur de rayon, il est alors possible, par déplacement de l'oscillateur local 13, de faire pivoter le groupe des diagrammes d'antenne correspondants. Les procédés selon les figures 6, 7 et 8 sont également utilisables pour l'agencement selon la figure 11. La figure 12 montre deux groupes lasers 10a, 10b avec deux lentilles 20a, 20b et un oscillateur local central 13 avec lentille 13a. L'invention offre un nouveau procédé avec lequel on peut produire plusieurs lobes d'antenne pouvant être commandés en temps réel. Cette méthode diffère essentiellement de l'idée présentée dans l'ouvrage cité en référence et considéré en détail, par la co-mmnde des diagrammes d'antenne, autorisant l'activité simultanée de plusieurs canaux et le couplage plus efficace de l'oscillateur local 13 par une plaque holographique. Selon l'invention, le système d'émission et le système de réception sont tous les deux réalisés non pas avec des composants pour micro- ondes mais avec des moyens optiques et électro- optiques. Le procédé est donc fondamentalement différent de l'objet de la référence bibliographique précitée. Dans le procédé présenté ici, on ne recourt qu'& l'optique et & l'électro-optique pour le modelage de faisceau de plusieurs diagrammes d'antenne pouvant être commandés en temps réel. On obtient donc un gain de compacité et de poids par rapport à tous les ystèmes classiques. 263e475 ]6 REVENDICATIONS: 1. Procédé de production simultanée de plusieurs diagrammes d'antenne pouvant être commandés en temps réel, caractérisé par le fait que l'on utilise une antenne constituée de plusieurs sources actives de rayonnement micro-ondes (3), rayonnant directement, et par le fait que les sources de rayonnement micro-ondes (3> sont commandées par un réseau optique (10, 21, 13, 14, 15) de modelage de faisceau. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, pour chaque diagramme d'antenne, un laser (10) est modulé par le signal du canal micro- ondes concerné. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que, dans le réseau optique de modelage de faisceau, dans le mode émission, les signaux sont distribués par fibres optiques à des amplificateurs (2) agencés en amont des éléments-sources de rayonnement (3), et par le fait que les caractéristiques directionnelles des diagra mEs d'antenne individuels sont établies par des diaphragmes focal des lasers modulés. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que, dans le réseau optique de modelage de faisceau, dans le mode réception, les signaux sont rassemblés par des fibres conductrices de lumière et sont additionnés optiquement, et par le fait que les caractéristiques directionnelles des diagrammes d'antenne individuels sont établies par des diaphragmes (21) dans le plan focal, en avant des détecteurs (22). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le rayon laser de référence d'un oscillateur local (13> est focalisé sur et couplé aux coeurs des fibres du faisceau de fibres par une plaque holographique 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le pivotement des diagrammes d'antenne individuels est effectué par déplacement latéral des lasers (10>)-dans le plan Y-Z. 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le pivotement des diagrammes d'antenne individuels est effectué par déplacement latéral des fibres amorces 8. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le pivotement des diagrames d'antenne individuels s'effectue par commutation des cannux micro-ondes sur les entrées de modulation des différents lasers fibres amorces (12) entre les différents lasers. 9. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le pivotement des diagrammes d'antenne individuels s'effectue par pivotement électro-optique du faisceau laser. 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le contour du lobe principal des diagrammes d'antenne est établi par des diaphragmes lentilles (20a, 20b). 12. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que tous les diagrammes d'antenne sont simultanément déplacés en pivotement par déplacement latéral de l'oscillateur local 13. Dispositif pou- la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque aes revendicationsprécédentes caractérisé par le fait qu'il comprend une antenne constituée de plusieurs sources actives de rayonnement micro-ondes rayonnant directement commandées par un réseau optique de modelage de faisceau. 14. Dispositif selon la revendication 13 caractérisé par le fait qu'il comprend un oscillateur local muni d'un laser de référence coopérant avec une plaque holographique pour la focalisation sur les coeurs des fibres optiques;