Brevet FR2672436A1 — publié le 19920807

i Dispositif de contrôle électronique du diagramme de rayonnement d'une antenne à un ou plusieurs faisceaux de direction ettou de largeur variable La présente mvention concerne un dispositif de contrôle électro- nique du diagramme de rayonnement d'une antenne à un ou plu- sieurs faisceaux de direction et/ou de largeur variable. Elle s'applique notamment à la réalisation d'antennes dites " contrarotatives ", qui sont des antennes à balayage continu, mon- tées sur un satellite affecté d'un mouvement de rotation permanent sur son axe, et dans lesquelles le balayage du faisceau de l'antenne s'effectue à la même vitesse que la rotation du satellite mais en sens contraire, de manière à maintenir une direction de pointage inchan- gée en dépit de la rotation du satellite. Bien entendu, cette configuration, si elle constitue l'un des modes de réalisation avantageux de l'invention, n'est en aucune façon limi- tative et les enseignements de l'invention peuvent, comme on le verra, s'appliquer à une très grande variété d'antennes à un ou plu- sieurs faisceaux contrôlés électroniquement. De même, on décrira l'antenne essentiellement en mode d'émis- sion mais tous les enseignements pourront en être transposés, mutatis mutandis, à un fonctionnement en réception par simple application du principe de réciprocité, la structure des circuits et leurs liaisons restant les mêmes mais le signal cheminant du réseau d'antennes vers les circuits d'émission/réception au lieu de cheminer en sens inverse Bien entendu, les étages amplificateurs, qui sont placés aux mêmes endroits, sont dans ce cas des étages amplifica- teurs faible bruit dont l'entrée est située côté antenne et la sortie côté circuit d'émission/réception Les deux types d'amplificateurs (amplificateurs de puissance pour l'émission et amplificateurs faible bruit pour la réception) peuvent d'ailleurs coexister dans un même module, moyennant une commutation ou un duplexage appropriés. Lorsqu'il s'agit de rayonner (ou de recevoir) de la puissance radioélectrique par balayage électronique d'un ou de plusieurs fais- ceaux dans un domaine angulaire étendu avec un rendement opti- mum, on peut utiliser soit des antennes passives, soit des antennes actives. Les antennes dites " passives " comportent, essentiellement, un amplificateur principal suivi d'un diviseur de puissance, fixe ou variable, ainsi que de déphaseurs et/ou de commutateurs. En émission, les principaux inconvénients sont la nécessité d'avoir un générateur de forte puissance (puisque l'amplificateur est unique), de présenter des pertes importantes en aval de ce généra- teur (puisque ce dernier est situé en amont du reste du dispositif) et d'impliquer des commutations à haut niveau de puissance En récep- tion, inversement, l'amplificateur faible bruit étant situé tout en aval du système, le signal subit des pertes importantes avant ampli- fication, dégradant ainsi notablement le rapport signal/bruit. Enfin, dans tous les cas, du fait de l'unicité de l'amplificateur d'émission et/ou de réception, une panne de celui-ci empêche tout fonctionnement du système, puisqu'un fonctionnement en " mode dégradé " n'est pas possible, une panne se répercutant sur la totalité du processus d'émission ou de réception. Un tel exemple d'antenne passive est illustré figures 1 et 2, avec un réseau circulaire 10 comportant un nombre important de radia- teurs élémentaires (au nombre de trente-deux dans cet exemple) répartis régulièrement sur une surface cylindrique, comme illustré schématiquement sur la figure 2 qui représente une vue en plan du réseau 10 Les éléments successifs de ce réseau circulaire ont été numérotés de 1 à 32. Ce réseau 10 est alimenté par une source de signal 20 Ce signal est amplifié par un étage 30 et appliqué à un réseau de formation de faisceau et de balayage 40, 50 comportant d'une part, un étage divi- seur de puissance 40 et, d'autre part, une série de commutateurs à quatre directions 50. L'étage diviseur de puissance 40 comporte, dans cet exemple, un diviseur de puissance à quatre voies 41 dont les sorties sont appli- quées en entrée de diviseurs variables à deux voies 42 Le diviseur 41 est un diviseur fixe, équiphase et équiamplitude, tandis que les diviseurs 42 sont des diviseurs équiphase à amplitude variable. Chacune des sorties des diviseurs de puissance variable 42 est reliée à un commutateur à quatre voies 50 alimentant quatre radia- teurs non contigus et décalés angulairement de 90 sur le réseau cir- culaire La sortie de chaque diviseur 42 est ainsi appliquée à l'un des radiateurs d'un sous-réseau, chaque sous-réseau étant constitué de quatre radiateurs élémentaires présentant le rang indiqué sur la figure (le premier sous-réseau est constitué des radiateurs de rang 1, 9, 17 et 25, le second sous-réseau, des radiateurs de rangs 5, 13, 21 et 29, etc). Par une combinaison appropriée des déphasages variables (divi- seurs 42) et des commutations (commutateurs 50), il est possible d'obtenir un balayage circulaire progressif du faisceau: par exem- ple, trois éléments centraux (par exemple les éléments 2, 3 et 4) sont excités en phase par un quart de la puissance, et la répartition du dernier quart est variée progressivement d'un élément extérieur (dans cet exemple, l'élément 1) vers l'autre (l'élément 5), également en phase, produisant ainsi le balayage progressif. Cette configuration n'est pas dénuée d'inconvénients Le princi- pal en est la perte très importante de puissance entre le signal en sortie de l'amplificateur et le signal effectivement rayonné par le réseau, du fait des nombreux éléments traversés; en général, cette perte est de l'ordre de 40 %. Un autre inconvénient tient au fait que, comme l'on ne joue que sur les amplitudes pour réaliser le balayage, les phases d'excitation des radiateurs élémentaires sont loin de l'optimum, introduisant ainsi une dégradation de la qualité du faisceau. Une autre configuration connue, décrite par exemple dans un article de Boris Sheleg intitulé A Matrix-Fed Circular Array for Continuous Scanning, paru dans les Proceedings of the IEEE, Vol 56, n'11, de novembre 1968, pages 2016 à 2027, utilise une matrice de Butler unique pour une application similaire. Cette configuration, illustrée schématiquement figure 3, com- porte, entre le réseau 10 et la source de signal 20 avec son amplifica- teur de puissance 30, un ensemble constitué, d'amont en aval: d'un diviseur de puissance équiphase et équiamplitude 40 comportant autant de sorties que de radiateurs élémentaires, d'un ensemble déphaseur 60 comportant, pour chacune des sorties du diviseur 40, un déphaseur fixe 61 et un déphaseur variable 62, et d'une matrice de Butler 70 dont les entrées sont reliées aux sorties des déphaseurs et dont les sorties sont reliées aux différents radiateurs élémen- taires du réseau 10 (comme on le sait, une matrice de Butler est un réseau passif sans perte théorique comprenant N entrées et N sor- ties, N étant généralement une puissance de 2; les entrées sont iso- lées entre elles, et un signal appliqué à l'une quelconque des entrées produit sur toutes les sorties des courants d'amplitudes égales mais dont les phases varient linéairement d'un élément au suivant). Dans le dispositif de la figure 3, le balayage est réalisé par action sur les déphaseurs 62 de manière à obtenir une progression linéaire de la phase sur les entrées de mode, tout en maintenant fixes les amplitudes de mode. Cette structure, bien qu'elle élimine les difficultés liées à la pré- sence de commutateurs, présente néanmoins les mêmes autres inconvénients que ceux du dispositif de la figure 1. Le second type d'antenne est constitué par les antennes dites " actives ", dans lesquelles l'amplification n'est plus concentrée en un point mais répartie sur une pluralité d'amplificateur. Plus précisément, à chaque élément rayonnant est associé un amplificateur monté au voisinage immédiat du radiateur L'inconvé- nient principal est que, pour une antenne à quatre (ou six) facettes par exemple, on n'utilisera, à un instant donné, qu'un amplificateur sur quatre (ou six), toute la puissance étant concentrée dans le seul amplificateur associé à l'élément correspondant utilisé Cet inconvé- nient limite l'utilisation de ce principe à des antennes devant pré- senter un domaine de balayage étendu. Le US-A-4 901 085, au nom de Spring et al, décrit par ailleurs une configuration pour un système d'alimentation d'antennes à fais- ceaux multiples comprenant une pluralité de modules formant amplificateurs de puissance à matrice hybride Ces modules, de pré- férence tous identiques, comportent chacun une matrice d'entrée et une matrice de sortie présentant entre elles une symétrie en miroir et interconnectées par une batterie d'amplificateurs de puissance. Chacun des modules ainsi constitué est monté entre, d'une part, un réseau de formation de faisceaux à bas niveau et, d'autre part, les éléments rayonnants. Une telle structure, qui implique un dédoublement des matrices, est de ce fait relativement complexe, encombrante et lourde ca- ractéristiques fortement désavantageuses dans le cas d'une antenne embarquée sur satellite. En second lieu, dans la configuration décrite par ce brevet le réseau formateur de faisceaux relie certains ports de sélection de faisceaux à certains ports d'entrée des modules, dont certains autres ports n'ont aucun signal qui leur est appliqué Dès lors, les divers amplificateurs ne sont pas chargés identiquement, aboutissant donc à une perte d'efficacité du système. Enfin et surtout, le système décrit par cette antériorité ne per- met aucune variation continue de pointage du faisceau tout en con- servant une charge uniforme sur les amplificateurs, alors qu'il s'agit là de la caractéristique essentielle recherchée, comme on le verra, par la présente invention. En effet, l'un des buts de la présente invention est de proposer un dispositif de contrôle électronique du diagramme de rayonnement d'une antenne active à balayage électronique, à un ou plusieurs fais- ceaux, opérant dans un domaine angulaire étendu et avec un rende- ment optimum. Essentiellement, ce dispositif comporte un réseau de radiateurs subdivisés en un certain nombre de groupes, chaque faisceau utili- sant typiquement un ou deux éléments de chaque groupe (pour cha- que groupe, les éléments ne sont jamais tous simultanément exci- tés) L'amplification y est réalisée de façon répartie par une pluralité d'amplificateurs, en nombre égal à celui des radiateurs, et la liaison entre radiateurs et amplificateurs est effectuée par l'intermédiaire d'un coupleur hybride, des moyens étant en outre prévus pour opti- miser et ajuster les phases des signaux avant amplification (en émission) ou après amplification (en réception) afin de contrôler la distribution d'énergie entre les éléments. Ceci permet, par application des phases appropriées, d'orienter la puissance au mieux vers les éléments correspondant à la (aux) direc- tion(s) de rayonnement voulue(s), et d'assurer une variation de puis- sance continue d'une partie à l'autre de l'antenne pour en changer le diagramme de rayonnement. En outre, l'amplification répartie selon l'invention présente l'avantage que, par rapport à une antenne active à un module ampli- ficateur associé directement à chaque élément rayonnant, la puis- sance par module peut être réduite essentiellement dans le rapport du nombre d'éléments contribuant à un faisceau au nombre total d'éléments. On atteint ainsi un double avantage: tout d'abord, on réduit la puissance unitaire des amplificateurs, ce qui en accroît la fiabilité; d'autre part, en cas de panne d'un ou de deux amplificateurs les per- formances globales sont peu affectées par cette panne puisque, à un instant donné, les amplificateurs du dispositif participent tous, cha- cun pour leur part, à la formation du faisceau. En outre, les amplificateurs recevant tous, et de façon perma- nente, des signaux d'amplitudes égales, on peut optimiser l'efficacité de la fonction d'amplification. Plus précisément, la présente invention concerne un dispositif du type générique précité, c'est-à-dire comprenant: un réseau de N radiateurs, subdivisé en P sous-réseaux de M radiateurs chacun, avec M P = N, chaque faisceau du diagramme recherché utilisant une pluralité de radiateurs choisis parmi les radiateurs d'au moins certains des sous- réseaux; une source de signal, commune à tous les radiateurs du réseau; des moyens diviseurs de puissance, à une entrée et N sorties, pour distribuer le signal délivré par la source; des moyens pour amplifier ledit signal; et des moyens pour exciter sélectivement par le signal amplifié, avec un déphasage contrôlé, au moins certains des radiateurs de manière à obtenir le diagramme de rayonnement voulu pour l'antenne. Selon l'invention, il est prévu dans ce dispositif, entre les moyens diviseurs de puissance et les radiateurs: P groupes de M modules déphaseurs-amplificateurs, placés en sortie des moyens diviseurs de puissance; et P coupleurs à M entrées et M sorties chacun, ces M entrées étant reliées aux M sorties correspondantes du groupe de modules déphaseurs-amplificateurs associé, et ces M sorties étant reliées aux M radiateurs du sous-réseau associé, le déphasage intro- duit par les modules déphaseurs-amplificateurs étant choisi de manière à diriger la puissance délivrée par la source vers les radia- teurs participant au diagramme de rayonnement recherché, et à réa- liser ainsi une amplification répartie du signal émis par la source en maintenant sur chaque amplificateur une charge essentiellement identique et constante quelles que soient les modifications apportées au diagramme. Lorsque le diagramme comprend une pluralité de faisceaux dis- tincts, lesdits moyens diviseurs de puissance peuvent notamment comporter, en nombre égal à celui des faisceaux, une pluralité d'en- sembles diviseurs de puissance élémentaires à une entrée et N sor- ties, les sorties homologues des ensembles élémentaires respectifs étant couplées entre elles par des moyens déphaseurs variables pour donner N sorties appliquées aux N entrées des N modules dépha- seurs-amplificateurs. Avantageusement, ledit réseau est un réseau cylindrique, excité de manière à réaliser un balayage circulaire dudit faisceau ou de chacun desdits faisceaux, et/ou excité de manière à réaliser une modification de la largeur dudit faisceau ou de chacun desdits fais- ceaux. D'autre caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels les mêmes références numériques désignent partout des éléments fonctionnellement semblables. Les figures 1 et 2, précitées, montrent schématiquement un pre- mier type connu d'antenne passive à balayage circulaire. La figure 3, précitée, montre un second type connu d'antenne passive à balayage circulaire. Les figures 4 et 5 illustrent schématiquement un premier mode de réalisation du dispositif de l'invention, correspondant à une antenne à balayage circulaire à faisceau unique. Les figures 6 et 7 montrent un second mode de réalisation de l'in- vention, correspondant à une antenne à balayage circulaire à deux faisceaux simultanés. La figure 8 illustre un troisième mode de réalisation de l'inven- tion, correspondant à une antenne à faisceau unique à pointage fixe mais à largeur variable. Sur les figures 4 et 5, on a représenté un premier mode de réali- sation de l'invention, pour une antenne cylindrique à seize sources et à faisceau unique Cette configuration correspond, typiquement, à celle d'une antenne contrarotative pour satellite, mais de très nom- breuses autres applications sont bien entendu parfaitement envi- sageables. La figure 4 montre, en vue de dessus, la configuration d'ensemble du réseau circulaire et des circuits qui lui sont associés, tandis que la figure 5 se réfere uniquement au schéma électrique définissant les liaisons entre ces différents éléments. Les éléments rayonnants du réseau 10 sont subdivisés en grou- pes A, B, C et D de quatre radiateurs chacun (A 1, A 2, A 3, A 4, etc), le faisceau utilisant typiquement un ou deux éléments de chaque groupe: ainsi, dans l'exemple illustré, le faisceau dont la direction est à utilise les cinq sources A 1, B 1, C 1, D 1 et D 4; les sources A 1, Bl et Cl sont excitées chacune typiquement par un quart de la puis- sance totale, le dernier quart étant réparti entre les deux sources Dl et D 4, avec une variation continue (le niveau de puissance plus ou moins élevé a été symbolisé sur les figures 4 et 5 par une zone ha- churée plus ou moins importante associée à chaque élément excité). Les phases de chacune des trois sources centrales (dans cet exemple les sources A 1, Bl et C 1) peuvent être optimisées, celles des deux sources extérieures (D 1 et D 4) sont égales mais de valeurs réglables: on peut ainsi maximiser le rayonnement dans une direc- tion variable de manière continue ou non. À chaque groupe de radiateurs est associé un coupleur multiport généralisé 80, ou une matrice de Butier, à quatre entrées et quatre sorties dans l'exemple illustré De tels coupleurs sont par exemple décrits, avec leurs conditions de fonctionnement, dans l'ouvrage de Y T Lo et S W Lee intitulé Antenna Handbook Theory, Applica- tions and Design, publié chez Van Nostrand Reinhold Company, New York, notamment aux pages 19-101 à 19-111 du chapitre Beam-Forming Feeds, ou encore dans l'article de S Egami et M Kawai intitulé An Adaptative Multiple Beam System Concept, paru dans le IEEE Journal on Selected Areas in Communications, volume SAC-5, N O 4 de mai 1987, pages 630 à 636. Chacun des coupleurs 80 associé aux différents groupes A, B, C et D permet de relier chaque élément d'un groupe (par exemple, pour le coupleur du groupe A, les radiateurs A 1, A 2, As et A 4) à un nombre égal de modules amplificateurs 30 et déphaseurs 60, les déphaseurs étant variables et commandables de manière à ajuster le déphasage avant amplification (à l'émission) ou après amplification (à la réception). Chacun des déphaseurs 60 (qui sont donc au nombre de 4 x 4 = 16) est alimenté par l'une des sorties d'un diviseur de puissance équi- phase, équiamplitude 40, lui-même alimenté par la source de signal (et inversement en réception). Les propriétés des coupleurs 80 sont telles qu'il est possible, par un choix approprié des phases appliquées par les déphaseurs 60 au signaux provenant du diviseur 40, de focaliser la puissance d'entrée vers une, deux ou quatre des sorties du coupleur; ici, on focalisera la puissance vers une ou deux sorties pour aboutir au résultat voulu. En outre, dans le cas de deux sorties utilisées, il est de plus possible d'en ajuster les niveaux relatifs ainsi que, dans une certaine mesure, la phase, de manière à orienter au mieux la puissance vers les élé- ments correspondant à la direction de rayonnement voulue. Les figures 6 et 7 illustrent une généralisation du mode de réali- sation précédent à une antenne à balayage circulaire à deux fais- ceaux simultanés, correspondant aux deux directions référencées A et A'. Comme on peut le voir sur ces figures, la structure est compa- rable à celle du cas précédent en ce qui concerne les coupleurs multi- port 80 et les amplificateurs 30. En revanche, du fait de la pluralité de faisceaux et donc de la pluralité de sources ( 20 et 20 '), on dédouble les déphaseurs; on pré- voit ainsi, pour chacun des amplificateurs 30, deux déphaseurs 60 et ' permettant de coupler les signaux issus des deux sources 20 et 20 ' tout en leur appliquant, séparément, un déphasage distinct ap- proprié. La figure 8 illustre un autre mode de réalisation de l'invention, dans une application à une antenne " zoom " c'est-à-dire une an- tenne produisant un faisceau de direction donnée (A), mais de lar- geur variable en fonction des besoins En particulier, de telles anten- nes peuvent être très utiles dans le cas des satellites présentant une orbite elliptique à forte excentricité, car elles permettent de mainte- nir une zone d'illumination sensiblement constante en dépit des va- riations périodiques d'altitude du satellite. A cet effet, on fait varier le nombre des éléments rayonnants uti- lisés, un faisceau large utilisant un faible nombre d'éléments rayon- nants et un faisceau fortement directif en utilisant un nombre plus important Ainsi, dans l'exemple de la figure 8, on utilise un réseau (circulaire ou plan) de huit éléments répartis en deux groupes imbriqués A 1, A 2, A 3, A et B 1, B 2, B 3, B 4 Un faisceau large utili- sera les deux éléments centraux B 2 et A 3, un faisceau un peu moins large utilisera les quatre éléments centraux A 2, B 2, A 3, B 3, etc et le faisceau le plus étroit utilisera la totalité des éléments On notera que, dans ce cas, tous les éléments pointent dans la même direction et que, par ailleurs, le réseau peut être agrandi, de manière en elle- même connue, par un système optique. Les quatre radiateurs de chacun des deux groupes sont réunis à la première série d'accès d'un coupleur 80, dont la deuxième série d'accès est attaquée par les amplificateurs 30, en nombre égal à celui des radiateurs À chaque amplificateur est associé un module déphaseur 60, lui-même alimenté par l'une des sorties du diviseur de puissance 40 alimenté par la source de signal 20. Les enseignements de la présente invention peuvent être appli- qués à de très nombreuses configurations d'antennes parmi les- quelles on peut citer, outre les antennes contrarotatives pour satellites et les antennes " zoom " à faisceau de largeur variable, déjà exposées: les antennes de télécommande et de télémesure pour satel- lites, sondes, avions spatiaux et lanceurs, les antennes pour communications entre véhicules spatiaux, les antennes pour astronautes, les antennes pour terminaux mobiles maritimes, aéronauti- ques ou terrestres, les antennes pour balises radioélectriques échangeant des signaux (en émission et/ou en réception) avec des satellites ou des avions, les antennes pour terminaux de radionavigation par satellites, les antennes de réception de télévision pour satellites placées sur des positions différentes, ou encore les antennes pour radars au sol ou radars de bord. Selon les besoins, les radiateurs du réseau pourront être répartis sur une surface conforme, sphérique, cylindrique, conique ou à fa- cettes pour étendre le domaine angulaire de l'antenne. REVENDICATIONS 1 Un dispositif de contrôle électronique du diagramme de rayon- nement d'une antenne à un ou plusieurs faisceaux de direction et/ou de largeur variable, ce dispositif comprenant: -un réseau ( 10) de N radiateurs, subdivisé en P sous-réseaux (A, B, C, D) de M radiateurs chacun, avec M P = N, chaque faisceau du diagramme recherché utilisant une pluralité de radiateurs choisis parmi les radiateurs d'au moins certains des sous-réseaux, une source ( 20) de signal, commune à tous les radiateurs du réseau, des moyens diviseurs de puissance ( 40), à une entrée et N sor- ties, pour distribuer le signal délivré par la source, des moyens ( 30) pour amplifier ledit signal, et des moyens pour exciter sélectivement par le signal amplifié, avec un déphasage contrôlé, au moins certains des radiateurs de manière à obtenir le diagramme de rayonnement voulu pour l'antenne, dispositif caractérisé en ce qu'il est prévu, entre les moyens divi- seurs de puissance et les radiateurs: P groupes de M modules déphaseursamplificateurs ( 30, 60), placés en sortie des moyens diviseurs de puissance, et P coupleurs ( 80) à M entrées et M sorties chacun, ces M entrées étant reliées aux M sorties correspondantes du groupe de modules déphaseurs-amplificateurs associé, et ces M sor- ties étant reliées aux M radiateurs du sous-réseau associé, le déphasage introduit par les modules déphaseurs-amplifica- teurs étant choisi de manière à diriger la puissance délivrée par la source vers les radiateurs participant au diagramme de rayonne- ment recherché, et à réaliser ainsi une amplification répartie du signal émis par la source en maintenant sur chaque amplificateur une charge essentiellement identique et constante quelles que soient les modifications apportées au diagramme. 2 Le dispositif de la revendication 1, dans lequel, le diagramme comprenant une pluralité de faisceaux distincts, lesdits moyens divi- seurs de puissance comportent, en nombre égal à celui des faisceaux, une pluralité d'ensembles diviseurs de puissance élémentaires ( 40, 40 ') à une entrée et N sorties chacun, les sorties homologues des ensembles élémentaires respectifs étant couplées entre elles par des moyens déphaseurs variables ( 60, 60 ') pour donner N sorties appli- quées aux N entrées des N modules déphaseurs-amplificateurs. 3 Le dispositif de l'une des revendications 1 et 2, dans lequel ledit réseau ( 10) est un réseau cylindrique, excité de manière à réali- ser un balayage circulaire dudit faisceau ou de chacun desdits fais- ceaux. 4 Le dispositif de l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le réseau est un réseau excité de manière à réaliser une modification de la largeur dudit faisceau ou de chacun desdits faisceaux.