Brevet FR2641420A1 — publié le 19900706

DISPOSITIF DE FILTRAGE AUTO-ADAPTATIF EN DIRECTION ET POLARISATION D'ONDES RADIO-ELECTRIQUES RECUES SUR UN RESEAU D'ANTENNES COUPLEES A UN RECEPTEUR La présente invention concerne un dispositif de filtrage auto-adaptatif en direction et polarisation d'ondes radio-électriques reçues sur un réseau d'antennes couplées à un récepteur. Elle s'applique notamment à la réalisation de dispositif d'élimination de brouilleurs pour récepteurs d'ondes électromagnétiques transitant par le canal ionosphérique HF. On sait qu'une antenne de réception de haute fréquence tactique notamment doit permettre à tout utilisateur d'établir des liaisons radioélectriques avec différentes stations émettrices et d'écouter simultanément les émissions des autres utilisateurs du canal haute fréquence. Compte tenu de la congestion du canal haute fréquence, le récepteur doit pouvoir rejeter les signaux en provenance de brouilleurs qu'ils soient intentionnels ou non. Cependant- les réseaux d'antennes adaptatives tactiques haute fréquence connus, formés généralement de plusieurs fouets verticaux convenablement espacés, ne permettent pas d'exploiter la polarisation des ondes ionosphériques. Bien que les performances attendues d'une antenne adaptative formée de trois dipôles orthogonaux qui n'a pas les défauts des fouets, soient décrites dans un article de RTE COMPTON intitulé "The tripole antenna: an adaptative array with a full polarisation flexibility" (IEEE trans antenne and propagation. Vol:AP 29 n 6 NOV 81) l'antenne qui y est décrite présente l'inconvénient au plan tactique de devoir être placée en haut d'un mât pour que les diagrammes de rayonnement des dipâles horizontaux soient corrects. Par ailleurs, comme il est très difficile au plan technologique de supprimer les courants hautes fréquences circulant dans les parties externes des câbles co- axiaux reliant les dipôles de l'antenne au récepteur, les performances attendues par cette configuration d'antenne ne' sont. en pratique, pas obtenues. Le but de l'invention est de palier les inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de filtrage auto-adaptatif en direction et polarisation d'ondes radio-électriques reçues sur un réseau d'antennes couplées à un récepteur, caractérisé en ce que le réseau d'antennes est formé par Q cadres croisés disposés autour d'un axe commun suivant des dièdres adjacents de même valeur angulaire et par une antenne rectiligne filaire d'axe longitudinal confondu avec l'axe commun, et en ce que les Q cadres et l'antenne rectiligne filaire ont un même centre de phase situé aux bornes de sortie des Q cadres et à une borne d'extrémité de l'antenne filaire, et sont couplés respectivement à une entrée d'opérande d'un circuit sommateur à Q+1 entrées au travers de Q+4- 1 circuits multiplieurs pour multiplier la valeur X. fournie pour chaque cadre ou par l'antenne filaire par un coefficient complexe de pondération Wj ajustable pour que l'addition des produits Xj.Wj donne un signal résultant exploitable par le récepteur avec un rapport signal utile/bruit maximum. L'antenne selon l'invention, a pour principaux avantages d'être autoadaptative, d'avoir une large bande et un encombrement réduit et de posséder des propriétés de rayonnement qui conviennent pour toutes les distances inférieures à 2000 kilomètres. La structure active de réception, obtenue grâce aux amplificateurs placés au centre de phase de chaque antenne, permet d'obtenir un comportement d'antenne large bande sur une gamme étendue de fréquences comprises entre 2 et 30 MHz. D'autre part, les cadres croisés et le monopole qui forment la partie passive de l'aérien permettent d'obtenir des réponses amplitude/phase distinctes pour toute onde ionosphérique polarisée elliptiquement émise suivant un angle de site et un azimut déterminés. De ce fait, la combinaison linéaire de ces réponses permet de repousser un brouilleur en mode de réception adaptatif et de diminuer l'évanouissement du signal utile en l'absence de brouilleur. 264 1 420 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront ci-après à l'aide de la description qui suit, faite en regard des dessins annexés qui représentent: - la figure 1 une structure d'antennes auto-adaptative formant le dispositif selon l'invention, - la figure 2 un mode de réalisation d'un dispositif de commande de la structure d'antenne de la figure 1 pour réaliser la fonction de filtrage en direction et en polarisation des ondes ionosphériques arrivant sur l'antenne, - les figures 3a et 3k des graphes représentatifs de l'influence des polarisations relatives des ondes incidentes utiles et du brouilleur, - les figures 4a et 4b une configuration dans un espace à trois dimensions, d'une onde plane utile incidente et d'une onde plane représentative d'un brouilleur, relativement à une antenne selon l'invention, - la figure 5 le lieu de projection du vecteur champs électrique dans le plan yoz de la figure 3, d'une onde polarisée elliptiquement, - les figures 6 et 7 deux modes de réalisation des amplificateurs représentés à la figure 2. L'antenne suivant l'invention qui est représentée à la figure I se compose de deux cadres rectangulaires I et 2, et d'une antenne filaire 3. Les cadres 1 et 2 ont des dimensions à peu près identiques et se coupent à angle droit suivant une diagonale commune reliant deux de leurs sommets opposés référencés, sl et s2 sur la figure 1. L'antenne filaire 3 possède un axe longitudinal confondu avec la diagonale commune passant par les sommets sl et s2, et est fixée, par ses extrémités à chacun des deux sommets saI et s2 respectivement, par toutes pièces de fixation connues, non représentées, réalisées en un matériau diélectrique. L'ensemble est fixé par le sommet s2, à un socle plan 4 perpendiculaire à la direction sl s2 des sommets. Le socle 4 repose sur un trépied 5 formé par trois tubes 5a, 5b et 5c pour permettre la pose de l'antenne sur le sol. Un dispositif de commande pour réaliser les fonctions de filtrage en direction et en polarisation. des ondes arrivant sur 264 1 420 l'antenne est représenté sur la figure 2. Sur cette figure, les cadres 1 et 2 sont reliés par leur sommet s2 et leurs bornes de sortie à deux amplificateurs symétriques 6 et 7, et l'antenne filaire 3 est reliée par le même sommet s2 et par sa borne de sortie à un amplificateur non symétrique 8. Cette disposition permet d'avoir un même centre de phase pour les trois aériens actifs formés par les cadres 1 et 2, et l'antenne filaire 3. Les amplificateurs 6, 7, 8 sont placés à l'intérieur du socle 4, figuré par une ligne fermée en pointillés et sont alimentés, de la façon représentée à la figure 1 par des câbles co-axiaux 9a, 9b, 9c introduits à l'intérieur des tubes 5a, 5b et 5c du trépied 5. L'antenne filaire 3 forme avec les tubes métalliques 5a, 5b, c et l'amplificateur non symétrique 8, un dipôle actif. Les sorties des amplificateurs 6, 7 et 8 sont reliées respectivement à une première entrée d'opérande de circuits multiplieurs de nombres complexes, ces circuits étant référencés respectivement de 10 à 12 sur la figure 2. Des signaux ou des poids complexes W1, W2 et W3 de la forme W. = k.eji sont appliquées respectivement sur les deuxièmes entrées i d'opérandes des circuits multiplieurs 10, 11, 12 par des sorties respectives d'un processeur de signal 13. Les sorties des circuits multiplieurs 10 à 12 sont reliées respectivement à des entrées d'opérandes d'un circuit sommateur 14. Le résultat de la sommation fournie par le circuit sommateur 14 est appliquée sur une entrée de signal du processeur 13 et sur l'entrée d'un récepteur d'ondes radio-électriques 15. Il est connu que pour un chemin de propagation HF donné, la polarisation de l'onde incidente sur l'antenne de réception, est fonction des coordonnées du point de sortie de la ionosphère ainsi que de la direction de cette onde sortante par rapport au champ magnétique terrestre. Il en résulte que quelques soient les polarisations des émissions, le signal utile et le brouilleur reçus par l'antenne adaptative ont généralement des polarisations elliptiques distinctes. Cette particularité du canal ionosphérique est exploitée par le processeur 13, qui après détection du signal de sommation fourni par le sommateur 14, execute un programme qui permet de déterminer les poids complexes W1, W2 et W3 qui rendent maximum la qualité de réception d'un signal utile en présence d'un brouilleur. L'algorithme utilisé pour la mise en oeuvre du programme est du type connu sous la désignation "LMS" o LMS qui est l'abréviation de "Least Mean Square". Une description de cet algorithme peut être trouvée dans l'article de RT COMPTON Jr, RJ, USS W.G. Swarner and A.A. Kalensky "Adaptative array for communication systems: an overview of research at "The Ohio State University" IEEE Trans Antennas Propagat, Vol. AP 24, pages 599 à 607, Sept. 1976. Adaptée à la présente invention, l'exécution de cet algorithme permet de rendre maximum le rapport signal/bruit en sortie du circuit sommateur 14. En revenant à la figure 2, si Xl (t), X2(t) et X3(t) désignent respectivement les tensions des signaux sortant des amplificateurs 6, 7 et 8, et W la matrice des poids complexes (Wi, W2, W3), le signal S(t) fourni à la sortie du circuit sommateur 14 apparaît lié par la relation S(t) tX(t) (1) dans laquelle Wt est la matrice transposée de la matrice W et X(t) est la matrice des tensions d'entrée Xl(t), x2(t) et X3(t). Selon les valeurs prises par les poids complexes W1, W2 et W3 le signal S(t) se rapproche plus ou moins du signal utile souhaité D(t) qui peut être reconnu, par tout moyen connu non représenté, à condition qu'il existe un "marquant" dans la modulation du signal utile. En comparant D(t) et S(t) le processeur 13 calcule un signal d'erreur E(t) Avant d'effectuer ce calcul, le processeur 13 effectue de façon connue un échantillonnage des formes d'onde des signaux D(t) et S(t), et un signal d'erreur E(j) est calculé pour chaque échantillon j correspondants des deux signaux t tel que: E(j) = D() - S() = D(j) - X() (2) (j)(j) (j) (c) (j) Le processeur 13 calcule alors les valeurs des poids W1, W2 et W3 pour qu'à chaque instant la réponse du dispositif soit égale, ou la plus proche possible, de la réponse souhaitée. Ceci est obtenu lorsque: 2641420. Wt X = D() Wt X. D (3) J = (j W XN = D(N) Le système d'équations à résoudre est donc un système de N équations à trois inconnues. En choisissant N " 3 il est intéressant d'obtenir une solution de la forme: E. =D -wt X (4) (j) (j) (j) N qui rend minimum la relation 7 E (5) E(j) (5 j-1 L'algorithme LMS permet par itération d'obtenir cette valeur minimum en calculant à chaque itération la relation: W(j+i) = W(j) + k 7 (j) - W(j) est le vecteur poids avant adaptation - W (j+l) est le vecteur poids après adaptation - K est une constante contrôlant le taux de convergence et la s stabilité (k les inconnues. On conçoit également que l'invention n'est pas limitée à la réalisation de réseau fait exclusivement de cadres à forme 26414 2 0 rectangulaire, il apparaîtra clairement à l'homme de l'art que le principe même de l'invention reste applicable pour d'autres types de cadres, de forme circulaire, losange ou carré notamment. Dans la plupart des configurations, l'antenne adaptative selon l'invention apporte, comme le montre les graphes des figures 3a, 3k, une protection contre les brouilleurs au moins égale à 20 décibels. Ceux-ci mettent en évidence des résultats obtenus pour deux types d'adaptations, l'un exploitant les différences de polarisation de l'onde plane utile incidente et de l'onde plane représentative du brouilleur, l'autre les différences de directions d'o proviennent ces mêmes ondes. Pour le tracé des courbes correspondantes, les notations des figures 4a, 4b, d'une part, et 5, d'autre part, ont été utilisées. Les angles de site e(u) et &(b) d'arrivée sur l'antenne de l'onde plane utile et de celle du brouilleur sont ceux représentés à la figure 4a. Les azimuts t (u) et t(v) correspondants sont ceux représentés à la figure 4b. Les angles caractéristiques) et T d'une onde polarisée elliptiquement relativement à un repère orthonormé yoz sont ceux représentés à la figure 5. L'angle v. est l'angle d'aplatissement de l'ellipse défini par ses grands axes a et b. tang$ = L'angle r est l'angle compté positivement dans le sens trigonométrique entre l'axe oy et le grand axe de l'ellipse. L'influence de la polarisation est montré aux figures 3a à 3c. Sur ces figures, les courbes représentées correspondent à des directions d'angles d'arrivée de l'onde utile et de celle du brouilleur, identiques telles que & (u) = &(b), et t(u) = Y (b). Pour annuler l'effet de diagramme, l'angle de site 0(u) = 6(b) est choisi à 60 . L'angle d'azimut est fixé arbitrairement à 45 . Dans le tracé des courbes, l'angle b est placé en abscisse et varie de 0 à . L'angle Y(b) est choisi comme paramètre et prend les valeurs de 30 , 150, 00, -15 et -30 . Et pour chaque courbe, une valeur de _ (u) et de t.(u) est fixée. 26 4 1 4 2 0 (u) varie de -45 à 45 avec un pas de 15 . P (u) varie de 0 à 1800 avec un pas de 30 . Ces courbes font apparaître que dans la majeur partie des cas le rapport signal/bruit obtenu à la sortie du circuit sommateur 14 est supérieur à 10 décibels. En fixant de cette façon le seuil de bruit à -10 décibels, il apparaît que le gain obtenu est de 20 db par rapport à une situation o il n'y aurait pas d'adaptation. Cela montre aussi que le système s'adapte très bien en polarisation. Mais bien évidemment, il apparaît aussi que si les deux ondes, utile et brouilleur, ont même direction et même polarisation, il n'est pas possible de supprimer l'influence du brouilleur. Dans ces conditions, on obtient bien évidemment en sortie du circuit sommateur 14 un rapport signal/bruit de - 10 décibels qui correspond au seuil de bruit de - 10 décibels de départ sans adaptation. La polarisation du brouilleur varie avec les valeurs (b) représentée en abscisse et 3 (b) comme paramètre. On constate que les meilleurs résultats sont obtenus pour les valeurs Y (u) et 21(b) qui ont des signes opposés. Le rapport signal/bruit augmente comme la valeur absolue XL(u) - X(b). Enfin, pour des écarts importants séparant fI.(u) et X (b), le rapport signal/bruit atteint des valeurs supérieures à 20 décibels - voisines de 30 décibels. On peut alors obtenir une suppression totale du brouilleur. Les remarques précédentes correspondent au cas général. Pour les polarisations rectilignes c'est-à-dire pour une propagation ionosphérique à des fréquences inférieures à 3 MHz la nuit et inférieures à 9 ou 10 MHz le jour, des tracés correspondants aux courbes des figures 3d à 3g peuvent être obtenus. Dans le premier réseau de courbes représenté à la figure 3d, les deux ondes ont même direction, l'angle f (u) est choisi comme paramètre et l'onde t (b) est choisie comme variable. Les résultats obtenus montrent que les courbes se déduisent par translation les unes par rapport aux autres quand le paramètre f- (u) varie. Le pic se situe toujours pour F (u) = -(b) et présente, dans tous les cas, les mêmes caractéristiques. La largeur pour un rapport signal/bruit de 10 db du pic est constamment inférieur à 30 . Comme la 2641420 i g valeur de t (u) n'apparaît pas déterminante, cette valeur est fixée sur la figure 3e à 70 , en gardant %. (b) comme variable et &(u) = () (b) = 30 . Il apparaît sur la figure 3e, qu'un 4 9 supérieur ou égal à 15 est toujours suffisant pour obtenir un rapport signal/bruit de 10 décibels. Ce résultat peut également être obtenu pour des angles &(u) = &(b) supérieurs ou égaux à 30 . L'influence de l'angle de site est représentée à la figure 3f. Sur cette figure, il est montré l'influence de la direction sur la valeur de AT. L'angle e(u) est fixé à 60 et 9(b) est pris comme paramètre et varie de 30 à 90 . On constate encore dans ce cas que le brouilleur est éliminé pour t(Pb) = f (u) = 70 . L'influence de l'azimut est représentée à la figure 3g, l'azimut du brouilleur Y (b) étant fixé à 45 et l'azimut du signal - e u) utile étant choisi comme paramètre, et (u) variant de O à 90 . Dans ces conditions, on constate que le brouilleur est éliminé lorsque l'azimut (?u) du signal utile est égal à t(b) celui du brouilleur, et qu'il est plus ou moins éliminé de façon évidente lorsque l'azimut du signal utile s'écarte de celui du brouilleur. Enfin l'influence de l'angle de site et de l'azimut pour des polarisations identiques de l'ondes utile et de l'onde d'un brouilleur est représentée aux figures 3h à 3k. Dans ces représentations, les polarisations choisies sont circulaires. Sur la figure 3h, l'angle de site du brouilleur 0(b) est fixé à 20 et l'angle de site & (u) du signal utile est porté en abscisse pour des valeurs comprises de O à 900. Il apparait que le rapport signal/bruit est minimum pour la valeur de la polarisation 90 , et qu'il est supérieur à 20 db pour un écart d'angle de site supérieur à 40O. La figure 3i montre qu'il y a peu de différence sur le rapport signal/bruit lorsque l'angle de site varie, pour des fréquences de 3 à 30 MHz. Sur la figure 3j, l'onde utile et l'onde du brouilleur ont même angle de site, l'azimut e (b) du brouilleur est fixé à 0 et l'azimut t (u) du signal utile est choisi comme paramètre. La valeur de e(u) est portée en abscisse et varie de O à 360 . On constate qu'une différence d'angle d'azimut supérieure à 40 suffit pour obtenir un gain de 20 décibels en rapport signal/bruit. Enfin, la figure 3k montre l'influence de l'azimut ((b) du brouilleur par rapport à une direction fixe de l'azimut C (u) = 0 du signal utile, pour des polarisations circulaires opposées avec un même angle de site. On constate que quelque soit l'azimut du brouilleur, le rapport signal/bruit est plus grand ou égal à 14 décibels. Pour les distances de transmission inférieures à 800 km, on peut noter que la polarisation est proche de la polarisation circulaire droite ou de la polarisation circulaire gauche. En absence de brouilleur, on pourra alors utiliser uniquement les deux cadres croisés déphasés de + ou - pour obtenir des polarisations proches des polarisations droite ou gauche. Le fait de choisir l'une de ces polarisations a l'avantage qu'il permet de diminuer la profondeur des évanouissements. A cet effet, un commutateur peut être placé sur le récepteur 15 pour permettre d'enclencher la fonction adaptative de l'antenne pour supprimer à tout moment un éventuel brouilleur. Un mode de réalisation d'un amplificateur symétrique 6 ou 7 est représenté à la figure 6. Cet amplificateur comporte deux voies d'amplification identiques 16 et 17 disposées symétriquement par rapport à une ligne de masse M. Comme les deux voies sont identiques, seule la première voie 16 est représentée à l'intérieur d'une ligne formée en pointillés. Elle comprend, reliés dans cet ordre en série, un filtre passe bas, un transistor amplificateur 19 polarisé en base commune, couplé au travers d'un transformateur d'impédance 20 à un transistor amplificateur 21 polarisé suivant le mode émetteur commun. La sortie de la première voie 16 est formée par le collecteur du transistor 21. Les sorties U1 et U2 des première et deuxième voies 16 et 17 sont reliées respectivement aux extrémités de l'enroulement primaire à point milieu relié au circuit de masse M, d'un transformateur d'impédance 22. Les entrées E1 et E2 des première et deuxième voies sont formées par les entrées des filtres passe bas 18 de chacune des voies et sont reliées aux bornes de sortie des cadres 1 et 2 de l'antenne. Un mode de réalisation d'un amplificateur non symétrique 8 est représenté à la figure 7. Il comporte deux voies symétriques 23 et 24 comportant chacune un amplificateur à transistor à effet de champs. Un transformateur adaptateur d'impédance 2 comportant un enroulement primaire assure par deux enroulements secondaires le couplage de l'antenne filaire 3 aux grilles des transistors 25 de chacune des voies. Un adaptateur d'impédance formé par les transformateurs 27, 28 et 29 recombine en un seul signal de sortie les signaux amplifiés par chacune des voies 23 et 24. 26 4 1420 REVENDICATIONS 1. Dispositif de filtrage auto-adaptatif en direction et polarisation d'ondes radio-électriques transitant par le canal ionosphérique HF reçues sur un réseau d'antennes (1, 2, 3) couplées à un récepteur (15), caractérisé en ce que le réseau d'antennes (1, 2, 3) est formé par Q cadres (1, 2) croisés disposés autour d'un axe commun (sl s2) suivant des dièdres adjacents de même valeur angulaire et par une antenne rectiligne filaire (3) d'axe longitudinal confondu avec l'axe commun (sl s2), et en ce que les Q cadres (1, 2) et l'antenne rectiligne filaire (3) ont un même centre de phase (s2) situé aux bornes de sortie des Q cadres et à une borne d'extrémité de l'antenne filaire, et sont couplés respectivement à une entrée d'opérande d'un circuit sommateur (14) à Q+l entrées au travers de Q+1 circuits multiplieurs (10, 11, 12) pour multiplier la valeur X. fournie pour chaque cadre (1, 2) ou par l'antenne filaire (3) par un coefficient complexe de pondération Wj ajustable pour que l'addition des produits Xj.Wj donne un signal résultant exploitable par le récepteur (15) avec un rapport signal utile/bruit maximum. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les coefficients complexes de pondération (Wj) sont fournis par un processeur de signal (13) relié à la sortie du circuit sommateur (14). 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que le processeur de signal (13) calcule les poids complexes W. en comparant par itérations successives le signal obtenu à la sortie du circuit sommateur (14) à un signal de référence D(t) représentatif du signal utile recherché, de manière à obtenir à la sortie du circuit sommateur (13) un signal ayant les caractéristiques les plus proches du signal utile recherché. 26 4 1 420 4. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que le processeur est programmé avec un programme de type LMS. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les bornes de sortie des cadres sont couplées à leurs circuits multiplieurs respectifs au travers d'amplificateurs symétriques (6, 7) et la borne de sortie de l'antenne filaire est couplée à son circuit multiplieur au travers d'un amplificateur non-symétrique (8). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le réseau d'antennes (1, 2, 3) repose à l'endroit o est situé le centre de phase, sur un socle (4) fixé sur un trépied métallique (5). 7. Dispositif selon les revendications 5 et 6 caractérisé en ce que les amplificateurs (6, 7, 8) sont enfermés à l'intérieur su socle (4) et ont leurs entrées reliées directement aux bornes de sorties des cadres (1, 2) et de l'antenne filaire (3) pour conserver à l'ensemble des cadres (1, 2) et de l'antenne (3) le même centre de phase. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 et 7 caractérisé en ce que les pieds du trépied sont formés par des tubes (5a, 5b, 5c) métalliques, et en ce que les amplificateurs (6, 7, 8) sont alimentés et reliés aux circuits multiplieurs (10, 11, 12) au moyen des câbles coaxiaux introduit par les tubes (5a, 5b, 5c) du trépied. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à8 caractérisé en ce que le réseau d'antennes comprend deux cadres croisés à 90 et une antenne filaire rectiligne (3) placée à la croisée des deux cadres (1, 2). 26 4 1420 10. Dispositif selon la revendication 9 caractérisé en ce que les cadres ont une forme rectangulaire, et en ce que l'antenne filaire (3) est reliée par ses extrémités à deux sommets opposés situées sur une même diagonale des cadres (1, 2).