Brevet FR2754638A1 — publié le 19980417

Titre STABILISATION D'ANTENNES A BALAYAGE ELECTRONIQUE La présente invention concerne des systèmes d'antennes auto-adaptatives ou à balayage électronique, et plus particulièrement des systèmes d'antenne qui sont utilisés avec des systèmes de radiocommunication cellulaires. Les systèmes d'antennes auto-adaptatives ou à balayage électronique possèdent une pluralité d'éléments auxquels, en mode émission, sont fournis des signaux de sortie qui ont une amplitude et une relation de phase prédéterminées. Les signaux émis par chaque élément de l'antenne interagissent pour former un faisceau de rayonnement qui peut avoir une orientation fixe ou être balayé selon la relation de phase entre les signaux de sortie appliqués aux éléments de l'antenne. Pour qu'une telle antenne fonctionne de manière satisfaisante, il est nécessaire que les amplitudes et les phases relatives des signaux de chaque branche du système d'antenne soient aussi stables que possible. Jusqu'à présent, ceci a été réalisé grâce à des procédés tels que le réglage physique des composants de l'antenne après sa construction, ou au moyen d'un système asservi analogique à rétroaction qui règle le gain et le défaut d'adaptation de phase entre les éléments de l'antenne, en utilisant des éléments actifs à haute fréquence supplémentaires. Un objet de la présente invention consiste à fournir un procédé et un appareil améliorés permettant de stabiliser l'action d'un système d'antenne à balayage électronique. Bien que l'invention concerne principalement des antennes émettrices, elle peut s'appliquer aux antennes à balayage électronique utilisées en mode réception. Selon l'invention, on fournit un procédé de stabilisation de l'action d'un système d'antenne à balayage électronique, comprenant les opérations de surveillance des amplitudes et des phases de signaux appliqués à ou produits par des éléments de l'antenne, la détection des déviations, par rapport à la norme, des amplitudes et des phases desdits signaux, la déduction de signaux de correction qui se rapportent à ceci, et l'utilisation de signaux de correction pour faire varier l'action d'un réseau de traitement de signal associé aux éléments de l'antenne pour que les amplitudes et les phases des signaux appliqués à ou produits par les éléments d'antenne retrouvent la norme. Les opérations de surveillance des amplitudes et des phases des signaux appliqués à ou produits par les éléments de l'antenne, la détection des déviations, par rapport à la norme, des amplitudes et des phases desdits signaux, et la génération de signaux de correction relativement à ceci peuvent comprendre les opérations d'extraction de proportions identiques desdits signaux, la comparaison des signaux extraits avec un signal de référence, et la dérivation d'un signal de fonction d'erreur lié aux déviations des amplitudes et des phases des signaux extraits par rapport à des valeurs dérivées du signal de référence. La comparaison des signaux extraits avec le signal de référence peut être effectuée en retardant une valeur connue de chacun des signaux extraits par rapport à son prédécesseur, en ajoutant les signaux extraits retardés pour produire un signal complexe composite, et en établissant une convolution entre ce signal et un conjugué complexe inversé dans le temps d'un signal de référence. Une autre façon d'effectuer la comparaison des signaux extraits avec le signal de référence peut consister à comparer, séquentiellement, chaque signal extrait avec le conjugué complexe inversé dans le temps du signal de référence Lorsque l'antenne est utilisée en mode émission, lesdits signaux peuvent comprendre les signaux de sortie appliqués aux éléments de l'antenne et le signal de référence peut être dérivé d'une partie du signal qui doit être transmis par l'antenne. Selon un deuxième aspect de l'invention, on fournit un appareil permettant de stabiliser l'action d'une antenne émettrice à balayage électronique, comprenant un moyen permettant d'appliquer aux éléments rayonnants de l'antenne des signaux de sortie ayant une amplitude prédéterminée et des moyens de relation de phase pour extraire des proportions identiques desdits signaux de sortie, un moyen permettant de comparer les signaux extraits avec un signal de référence, un moyen permettant de produire un signal de fonction d'erreur lié aux différences entre les signaux extraits et le signal de référence et un moyen réagissant au signal de fonction d'erreur pour faire varier l'action du moyen permettant d'appliquer les signaux de sortie aux éléments rayonnants de l'antenne afin de maintenir l'amplitude prédéterminée et les relations de phase desdits signaux de sortie. Selon un troisième aspect de l'invention, on fournit un appareil permettant de stabiliser l'action d'une antenne réceptrice à balayage électronique, comprenant une pluralité de récepteurs, chaque récepteur étant connecté à un élément de l'antenne, un moyen permettant d'extraire une proportion spécifiée de signaux d'entrée produits par les éléments de l'antenne et appliqués aux récepteurs, un moyen permettant de comparer les signaux extraits avec un signal de référence, un moyen permettant de produire un signal de fonction d'erreur lié aux différences entre les signaux extraits et le signal de référence et un moyen réagissant au signal de fonction d'erreur pour agir sur les signaux de sortie provenant des récepteurs afin d'égaliser les amplitudes et les phases des signaux de sortie provenant des récepteurs. Le moyen permettant de comparer les signaux extraits avec le signal de référence peut comprendre une série de dispositifs de retard agencés de telle sorte que chaque signal extrait est retardé de la même valeur que son prédécesseur, un moyen permettant d'ajouter les signaux extraits successivement retardés et de produire un signal composite complexe, un comparateur comprenant un moyen permettant d'établir une convolution entre le signal composite et un conjugué complexe inversé dans le temps du signal de référence et un moyen permettant de dériver un signal de fonction d'erreur lié aux différences entre le signal composite et le signal de référence. Selon une autre solution, le moyen permettant de comparer les signaux extraits avec le signal de référence peut comprendre un moyen permettant de connecter successivement les signaux extraits au comparateur. Lorsque l'antenne est utilisée en mode émission, le moyen permettant d'appliquer les signaux de sortie aux éléments rayonnants de l'antenne peut comprendre un réseau de répartition de signaux de sortie comprenant une pluralité de circuits de pondération, chacun étant connecté à un élément rayonnant associé de l'antenne, et un moyen réagissant au signal de fonction d'erreur pour faire varier l'action des circuits de pondération est inclus afin de maintenir l'amplitude prédéterminée et la relation de phase des signaux de sortie appliqués aux éléments rayonnants de l'antenne. Lorsque l'antenne est utilisée en mode réception, soit le signal reçu provenant d'un élément d'antenne peut être utilisé pour fournir un signal de référence, soit, si la forme du signal reçu est connue, par exemple, si le signal est un signal de radiocommunication qui comprend une partie de référence, alors cette partie du signal peut être générée localement pour fournir le signal de référence. L'invention va maintenant être décrite, à titre d'exemple, en faisant référence aux dessins joints, parmi lesquels, la figure 1 est un schéma fonctionnel de circuit d'un système d'antenne d'émission à balayage électronique représentant l'invention. La figure 2 représente, sous forme d'un diagramme, un signal de comparaison idéalisé. La figure 3 représente, sous forme d'un diagramme, un signal de comparaison idéalisé pour le système d'antenne de la figure 1 en état de déséquilibre. La figure 4 représente l'application de l'invention à un système de radiocommunication cellulaire à accès multiple réparti dans le temps. La figure 5 est un schéma fonctionnel de circuit d'un deuxième système d'émission à balayage électronique représentant l'invention, et la figure 6 est un schéma fonctionnel de circuit d'un système d'antenne de réception à balayage électronique représentant l'invention. En faisant référence à la figure 1, un système d'antenne d'émission à balayage électronique 101 consiste en une pluralité d'éléments rayonnants 102 à chacun desquels un circuit de pondération de formation du faisceau 103, un convertisseur de fréquence 104, un amplificateur de puissance 105 et un diviseur de signal 106 sont connectés. Chaque groupe de ce qui précède forme une branche 107 d'un réseau de répartition de signaux de sortie 108, auquel un signal de sortie provenant d'un modulateur 109 est appliqué. Un réseau de stabilisation 110, consistant en une pluralité de dispositifs de retard 111 agencés de telle sorte que chaque dispositif de retard 111 est connecté à un diviseur de signal 106 respectif, est connecté au réseau de répartition de signaux de sortie 108. Les dispositifs de retard 111 sont connectés à un combineur 112, un convertisseur de fréquence 113, un comparateur sous la forme d'un filtre adapté numérique 114, un calculateur d'erreur complexe 115 et un calculateur de coefficient de correction 116. Une source de signaux de référence 117 est connectée au filtre apparié numérique 114. Le calculateur de coefficient de correction 116 est connecté à chacun des circuits de pondération 103. Un duplexeur 118 connecté entre chaque diviseur de signal 106 et son élément rayonnant associé 102 permettent d'utiliser cet élément en mode réception comme on le décrira plus loin. L'agencement représenté sur la figure 1 est spécifiquement conçu pour une utilisation avec un système de radiocommunication cellulaire numérique et le signal de référence fourni par la source de signal de référence 117 au filtre adapté numérique 114 est dérivé de cette section de chaque salve de signaux utilisés dans de tels systèmes connus sous le nom de miamble. Le système fonctionne de la manière suivante: un signal de sortie courant est généré par le circuit modulateur 109 et appliqué à chaque circuit de pondération 103. Chaque circuit de pondération 103 peut fonctionner indépendamment des autres et agit pour établir l'amplitude et la phase requises pour que le signal soit transmis par son élément d'antenne associé 102. Les diviseurs de signal 106 extraient une fraction identique des signaux appliqués aux éléments d'antenne 102 grâce aux amplificateurs de puissance de sortie 105. Les signaux extraits sont appliqués aux dispositifs de retard 111 respectifs. Les dispositifs de retard 111 sont agencés de telle façon que le nième signal extrait est retardé de n fois la réciproque de la fréquence de récurrence du miamble provenant des salves de signaux. Les signaux extraits retardés sont appliqués au combineur qui produit un signal composite qui a une forme ondulée qui a des propriétés similaires à celle d'une voie de communication dispersive dans le temps. La fréquence des signaux extraits est réduite à une valeur qui convient grâce au convertisseur de fréquence 113 et numérisée. Lorsque la fréquence du signal composite a été convertie et numérisée, elle est à nouveau abaissée pour produire un signal complexe représenté par l'équation - n=M y(t)= Z anr (t-nTm) exp(j 0 (t - n)+ n)....... .....................................(1) n=1 o N est le nombre total de branches 107 du réseau de répartition de signaux 101 an est l'amplitude du nième poids de formation du faisceau In est la phase du nième poids de formation du faisceau r(t) est l'enveloppe du signal de modulation 0(t) est la phase du signal de modulation Tm est la réciproque de la fréquence de récurrence..DTD: du miamble. Le filtre adapté numérique 114 est essentiellement un filtre à réponse impulsionnelle finie ayant M prises o M est égal au nombre de bits de corrélation complexe dans le domaine de la modulation et la pondération de chaque prise est déterminée à partir du conjugué complexe inversé dans le temps du miamble du domaine de la modulation transmis. Le signal de sortie provenant du filtre adapté numérique 114 est donné par l'équation suivante: n=M z(t)= Yanr (t-rC) ep {j 0 (t-n%)+ n} n=1 r(-t) exp {-jO(-t)}.....................................(2) o z(t) est un signal complexe lié à un second moment, 0 indique la convolution et les autres symboles ont la même signification que dans l'équation (1). La fonction du signal de sortie provenant du filtre adapté numérique 114 a N pics de corrélation, un pour chaque branche 107 du réseau de répartition de signaux 108, séparés par un intervalle de nTm. Si la fonction z(t) appliquée au calculateur d'erreur complexe 115 est normalisée sur M, sa sortie est donnée par une fonction d'erreur E(nT m)= M-1z' ( Tm)-anexp(j0n)........................................ ........ (3) O z' (nTm) est le pic de corrélation modifié contenant l'erreur complexe produite dans la nième..DTD: branche 107 du réseau de répartition de signaux 108. La fonction d'erreur e(n-Tm) est appliquée au calculateur de coefficient 116 qui produit des valeurs de fonction de pondération de façon à produire des valeurs appropriées de an et de $n pour maintenir l'équilibre entre les branches 107 du réseau de répartition de signaux 108. La séparation de chaque élément de retard doit avoir au moins la durée de la période du miamble, de façon à résoudre l'amplitude et la phase des signaux liés à toutes les branches N 107 du réseau de répartition de signaux 108 au niveau de la sortie du filtre adapté numérique 114. Si cela n'est pas le cas, il se produit une interférence entre les fonctions de corrélation respectives. La figure 2 représente la forme du signal de sortie complexe provenant du filtre adapté numérique 114 dans le cas o les branches 107 du réseau de répartition de signaux 108 sont parfaitement adaptées. Les différentes magnitudes des pics de corrélation reflètent le fait qu'il existe des différences inhérentes aux composants qui se retrouvent dans les éléments 103, 104, 105 et 106 des branches 107 du réseau de répartition de signaux 108. Lorsqu'une erreur de phase et d'amplitude se produit dans la nième branche 107 du réseau de répartition de signaux par rapport à l'état initial représenté sur la figure 2, sa fonction de corrélation associée est modifiée en conséquence. La figure 3 représente, à titre d'exemple, la situation lorsqu'une erreur s'est produite dans la branche 2 du réseau de répartition de signaux 108. Les changements sont représentés par les lignes en pointillés. Si le système de radiocommunication cellulaire auquel l'invention est appliquée est un système à accès multiple par répartition dans le temps tel que celui connu sous l'acronyme GSM, chaque tranche de temps aura ses coefficients de pondération de formation du faisceau associés et les coefficients de pondération modifiés calculés sur une trame de temps devront être mémorisés jusqu'à ce que la tranche de temps appropriée existe dans la trame de temps suivante. Ceci est illustré par la figure 4, qui représente l'acquisition de N coefficients de corrélation pour la tranche de temps 0 dans la Trame 1, et l'application des coefficients de formation du faisceau modifiés au cours de la période de garde précédant la tranche de temps 0 dans la Trame 2. La figure 5 représente un schéma fonctionnel de circuit d'un deuxième mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 2, ces composants et le mode de réalisation qui sont inchangés par rapport au premier mode de réalisation ont le même numéro de référence. Si l'on se réfère à la figure 5, les dispositifs de retard 111 et le combineur 112 sont remplacés par un commutateur multiple 501 qui connecte chaque signal extrait séquentiellement au convertisseur de fréquence 113. Le reste du système agit comme précédemment. La figure 6 représente un schéma fonctionnel de circuit représentant l'invention appliquée à un système d'antenne à balayage électronique utilisé en mode réception. A nouveau, les composants qui sont communs aux systèmes d'émission et de réception ont les mêmes numéros de référence. Si l'on se réfère à la figure 6, celle-ci représente le côté réception d'un émetteur- récepteur selon l'invention. Un réseau 601 de N radiorécepteurs 602 correspond aux branches 107 du réseau de répartition de signaux 108 du côté émission du système d'antenne. Chacun des récepteurs 602 est connecté à un circuit de pondération du faisceau 603, comme précédemment. Un réseau de stabilisation 604, qui est le miroir du réseau de stabilisation 110 de l'émetteur, est connecté aux éléments d'antenne 102 par l'intermédiaire des circuits diviseurs de signal 605. Comme précédemment, le réseau de stabilisation 604 comprend N dispositifs de retard 606 connectés à un combineur 607, un convertisseur de fréquence 608, un filtre adapté numérique 609 auquel le miamble du signal reçu est appliqué et un calculateur d'erreur complexe 610, qui, dans ce cas, intègre un calculateur de coefficient de correction équivalent au calculateur de coefficient de correction 116. Le fonctionnement du réseau de stabilisation 604 est analogue à celui du côté émission de l'antenne. Une proportion de chacun des signaux reçus est extraite par les diviseurs de signal 605 et appliquée à un dispositif de retard respectif 606, et, par conséquent, au combineur 607. Comme précédemment, le signal composite est converti en fréquence, numérisé et appliqué au filtre adapté numérique 609 auquel un signal de référence (dans le cas d'un système de radiocommunication numérique GSM, le miamble provenant d'une salve de signaux), est également appliqué. Comme dans le cas de l'émission, le filtre adapté numérique 609 produit un signal de sortie complexe qui présente des pics de corrélation correspondant respectivement aux amplitudes et aux phases des signaux provenant de chacun des éléments d'antenne 102. Le signal de sortie complexe provenant du filtre adapté numérique 609 est appliqué en tant que signal de référence au calculateur de fonction d'erreur complexe 610. Une proportion des signaux de sortie respectifs provenant des récepteurs 602 dans le réseau 601 est également appliquée au calculateur de fonction d'erreur complexe 610. Les amplitudes et les phases de ces signaux sont comparés avec les pics correspondants dans le signal de sortie provenant du filtre adapté numérique 609, les signaux de coefficient de correction sont produits et appliqués aux circuits de pondération 603. Les signaux de sortie finale sont combinés et appliqués à un circuit de démodulateur 611. Les commutateurs en duplex 612 connectent les éléments d'antenne au réseau d'émission ou de réception, comme il convient. Comme précédemment, les dispositifs de retard 606 et le combineur 607 peuvent être remplacés par un commutateur séquentiel qui connecte directement chaque diviseur de circuit 606, et par conséquent, son signal extrait, au convertisseur de fréquence 608. REVENDICATIONS 1. Procédé de stabilisation de l'action d'un système d'antenne à balayage électronique, comprenant les opérations suivantes: surveillance des amplitudes et des phases des signaux appliqués à ou produits par les éléments de l'antenne en extrayant des proportions identiques desdits signaux formant les signaux extraits; détection des déviations par rapport à une norme des amplitudes et des phases desdits signaux, comprenant les étapes suivantes: comparaison des signaux extraits avec un signal de référence en retardant chaque signal extrait d'une certaine valeur par rapport à son prédécesseur, en ajoutant les signaux extraits retardés pour produire un signal composite complexe et en établissant une convolution entre ce signal et un conjugué complexe inversé dans le temps d'un signal de référence, et dérivation d'un signal de fonction d'erreur lié aux déviations des valeurs de l'amplitude et de phase des signaux extraits par rapport aux valeurs des mêmes paramètres par rapport au signal de référence; la dérivation de signaux de correction par effacement liés à ceux-ci; et l'utilisation des signaux de correction par effacement pour faire varier l'action d'un réseau de traitement de signal associé aux éléments de l'antenne pour faire revenir à la norme les amplitudes et les phases desdits signaux appliqués aux ou produits par les éléments. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'opération de comparaison des signaux extraits avec le signal de référence comprend les étapes consistant à comparer séquentiellement chaque signal extrait avec le conjugué complexe inversé dans le temps dudit signal de référence. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'antenne constitue une partie d'un émetteur et dans lequel le signal de référence est dérivé du signal de sortie qui doit être émis par l'antenne. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel sont incluses les opérations de dérivation des l1 coefficients d'erreur à partir de la fonction d'erreur, et d'application des coefficient de correction respectivement aux circuits de pondération conçus pour contrôler l'amplitude et la phase des signaux de sortie appliqués à un élément rayonnant associé de l'antenne. 5. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l'antenne constitue une partie d'un système de radiocommunication cellulaire à accès multiple par répartition dans le temps et dans lequel le signal de référence est le miamble des salves de signaux générées par un émetteur associé à l'antenne, dans lequel le signal de sortie a la forme de trames de temps, dans lequel les périodes de transmission de signal sont séparées par des périodes de garde et les coefficients de correction liés aux périodes de transmission de signal données sont calculées au cours d'une trame de temps, mémorisées et appliquées aux circuits de pondération au cours de la période de garde précédent la même période de transmission dans la trame de temps de remise à zéro. 6. Appareil de stabilisation de l'action d'une antenne de réception à balayage électronique comprenant: une pluralité de récepteurs, chaque récepteur étant connecté à un élément de l'antenne; un moyen permettant d'extraire une proportion spécifiée de signaux d'entrée produits par les éléments de l'antenne et appliqués aux récepteurs; un moyen permettant de comparer les signaux extraits avec un signal de référence et produire un signal de fonction d'erreur lié aux différences entre les signaux extraits et le signal de référence, comprenant: une série de dispositifs de retard agencés de telle sorte que chaque signal extrait est retardé de la même valeur par rapport à son prédécesseur, un moyen permettant d'ajouter les signaux extraits retardés successivement, et de produire un signal composite complexe lié à ceux-ci, et un comparateur auquel le signal de référence est appliqué; un moyen réagissant au signal de fonction d'erreur pour agir sur les signaux de sortie provenant des récepteurs pour égaliser les amplitudes et les phases des signaux de sortie provenant des récepteurs; et un moyen permettant de combiner les signaux égalisés provenant des récepteurs. 7. Appareil selon la revendication 6, dans lequel le moyen pour comparer les signaux extraits avec les signaux de référence comprend un commutateur adapté pour connecter, successivement, les signaux extraits à un comparateur auquel le signal de référence est appliqué. 8. Appareil selon la revendication 6, dans lequel le signal de référence est un conjugué complexe inversé dans le temps d'au moins une partie du signal qui doit être reçu par l'antenne et le comparateur est conçu pour établir une convolution entre le signal composite et le signal de référence. 9. Appareil selon la revendication 6, dans lequel le signal de référence est un conjugué complexe inversé dans le temps d'au moins une partie du signal qui doit être émis par l'antenne et le comparateur est conçu pour établir une convolution directement entre chaque signal extrait et le signal de référence. 10. Appareil selon la revendication 6, dans lequel le signal de référence et le signal ou les signaux qui doivent lui être comparés sont des signaux numériques et le comparateur comprend un filtre adapté numérique. 11. Appareil selon la revendication 10, compris dans un système de radiocommunication cellulaire numérique à accès multiple réparti dans le temps, dans lequel les signaux ont la forme de salves de signaux séparées par des périodes de garde, chaque salve de signaux comprenant un signal de référence de miamble, et dans lequel le filtre numérique adapté agit comme filtre à réponse impulsionnelle finie ayant un nombre de prises égal au nombre de bits de corrélation complexe dans chaque salve de signaux et les prises ont un poids dérivé du conjugué complexe inversé dans le temps du miamble des salves de signaux.