Brevet FR2762937A1 — publié le 19981106

AUTENME ACTIVE À RESEAU D'.EHm S RAYOUWIS À ARCEITECTaMRE REDOEMAY L' invention est relative à une antenne active a réseau d'éléments rayonnants à architecture redondante. Pour émettre ou recevoir des rayonnements électro- magnétiques, notanmment dans le domaine des hyperfréquences, on utilise, selon les besoins, divers types d'antennes. L'antenne active à réseau d'éléments rayonnants est particulièrement inté- ressante car elle permet un diagramme d'émission ou de réception qui peut être configuré à volonté; elle permet aussi d'engendrer plusieurs diagrammes d'émission ou de réception. Les éléments du réseau d'une même antenne sont, en général, de même type, c'est-à-dire qu'ils sont tous soit pla- naires, soit sous forme de cornet, soit des dipôles, soit des hélices, etc. L'amplitude et la phase du signal d'alimentation de chaque élément détermine les caractéristiques du diagramme de rayonnement. Un réseau formateur de faisceau est prévu pour ali- menter les éléments. Ce réseau comporte des déphaseurs et, le cas échéant, des atténuateurs. Le nombre de sorties de ce réseau est égal au nombre d'éléments. Chaque sortie est reliée à un élément par l'intermédiaire d'un amplificateur de puissance et, éventuel- lement, d'un filtre. Dans le cas d'une antenne de réception, à la place d'un amplificateur de puissance, on prévoit un amplifi- cateur à faible bruit. La voie associée à un élément rayonnant est appelée une chaîne active. Le réseau formateur de faisceau fournit à chaque élé- ment un signal d'une amplitude et d'une phase adaptées au diagramme de rayonnement souhaité. Dans certaines antennes, la programmation du réseau formateur de faisceau est modifiable. Dans ce cas, le réseau est dit actif. Dans le cas contraire (la programmation n'est pas modifiable), le réseau est dit passif. De telles antennes sont notamment utilisées à bord de véhicules, en particulier de satellites ou véhicules spatiaux. Pour les applications embarquées, telles que les applications spatiales, il est nécessaire de prévoir des dispositions qui limitent les effets des pannes éventuelles sur les performances de l'antenne, c'est-à-dire qui permettent à l'antenne de satis- faire à des spécifications au cours d'une durée de vie déterminée malgré une occurrence de pannes décidée a priori. Les dégradations pouvant se produire du fait des pannes sont, pour une antenne d'émission, une diminution de la Puissance Isotrope Rayonnée Équivalente (P.I.R.E.), pour la réception, le rapport G/T (G est le gain et T la température de bruit de l'an- tennrme) et, dans les deux cas, une remontée des lobes secondaires, c'est-à-dire une altération du diagramme spécifié d'émission ou de réception. En général, les pannes interviennent sur les chaines actives. Diverses solutions sont utilisées jusqu'à présent pour permettre à l'antenne que la P.I.R.E. ou le coefficient G/T ainsi que le diagramme restent dans des limites acceptables. Pour les antennes d'émission, une première solution consiste à surdimensionner les amplificateurs de puissance et à leur faire délivrer une puissance supérieure aux spécifications. Mais une consrommation excessive d'énergie n'est jamais favorable, surtout dans une application spatiale. De plus, cette solution ne permet pas de corriger les remontées des lobes secondaires qu'entraînent les pannes. Une seconde solution, qui est applicable à la fois à l'émission et à la réception, consiste à prévoir un nombre d'élé- ments rayonnants supérieur aux besoins. Par exemple si, pour répondre aux spécifications, il faut un nombre N de sources rayonnantes, on en ajoutera un nombre Q pour tenir compte des pannes. Cette solution présente également 1 'inconvénient de nécessiter une surconsommation d'énergie en début de vie de l'antenne. De plus, si le réseau formateur de faisceau est passif, c'est-à-dire si l'amplitude et la phase du signal d'alimentation de chaque élément ne sont pas commandables, les performances ini- tiales doivent être surdimensionnées pour que l'antenne résiste aux pannes. Cette contrainte oblige à prévoir un surdimen- sionnement et, le plus souvent, elle ne permet pas de compenser les effets des pannes; en particulier, des performances sen- sibles telles que le niveau des lobes secondaires sont dégradées sans possibilité de compensation. Si le réseau formateur de faisceau est actif, on peut reconfigurer l'antenne après appari- tion des pannes; mais, dans ce cas, subsiste l'inconvénient - mentionné ci-dessus - de surconsommation en début de vie. Dans une troisième solution, on prévoit des redondances des amplificateurs et, éventuellement, dans le réseau formateur de faisceau. Par exemple, on prévoit un certain nombre d'amplifi- cateurs en réserve pour remplacer des amplificateurs défaillants. Pour que le câblage reste dans des limites raisonnables de sim- plicité et d'encombrement, chaque amplificateur en réserve ne peut être affecté qu'au remplacement d'un nombre très limité d'amplificateurs actifs. Cette contrainte ne permet pas de mini- miser le nombre d'amplificateurs en réserve. De plus, le remplacement nécessite des équipements complémentaires tels que des éléments de commutation, ce qui rend la réalisation plus com- plexe et accroit la masse et le coût ainsi que l'encombrement. Bien que cette solution permette théoriquement de préserver les performances, elle n'est cependant pas toujours satisfaisante, car l'augmentation de la masse et de l'encombrement ne sont pas optimales, surtout pour les applications spatiales. L'invention remédie à ces inconvénients. Elle permet de conserver des performances d'émission et/ou de réception optimales avec une augmentation minimale de masse et d'encombrement. L'antenne selon l'invention est caractérisée en ce que le réseau émetteur (ou récepteur) comporte un nombre d'éléments et de chaines actives associées qui est supérieur aux besoins en émission (ou réception), et en ce que, en fonctionnement, le nom- bre d'éléments, et donc de chaines actives, utilisés est égal aux besoins. Ainsi, dans le cas de l'émission, tant en début de vie de l'antenne (avant les pannes) qu'ultérieurement, on n'est pas obligé de prévoir une surconsommation. Quand une chaîne active tombe en panne, la chaine active d'un (ou plusieurs) élément(s) préalablement inutilisé(s) est(sont) mise en action. L'emplacement de cet élément activé est choisi pour que l'émission (et/ou la réception) continue de répondre aux besoins. Autrement dit, la possibilité de maintien des performances est facilitée par le degré de liberté supplémen- taire que constitue le choix de l'emplacement de l'élément de remplacement. Cette propriété est particulièrement importante lorsque les alimentations en amplitude et en phase des éléments ne peuvent être modifiées (c'est-à-dire quand le réseau formateur de faisceau est de type passif) car, si on ne disposait pas de cette possibilité de choix, les performances de l'antenne risque- raient de se dégrader malgré l'activation d'un élément après la panne d'un autre élément. Les augmentations de masse et de complexité qu'entraî- nent les dispositions de 1' invention sont inférieures aux augmentations correspondantes pour les antennes connues qui offrent une bonne résistance aux pannes. En effet, le nombre de chaines actives en réserve est minimisé. Ainsi, selon une caractéristique de l'invention, le nombre d'éléments en réserve et leurs alimentations est égal au nombre minimal nécessaire pour répondre aux besoins, compte tenu des possibilités de pannes pouvant intervenir au cours de la durée de vie de l'antenne. Pour dimensionner une antenne selon 1 'invention, on procède de la façon suivante: on dimensionne l'antenne raréfiée de façon à ce qu'elle réponde à l'ensemble des besoins spécifiés. La raréfaction consiste, à partir d'un réseau plein légèrement surdimensionné par rapport aux besoins, à supprimer un certain nombre Q de sources, afin de garantir, après la suppression, les performances de rayonnement spécifiées. La suppression est effectuée par optimisation du diagramme de rayonnement en utili- sant par exemple la nméthode décrite dans l'un des articles suivants: Y.T. LO et S.W. TLEE: "A study of space-tapered arrays", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol AP-14, n l, Jan. 1966, pages 22-30; - B.D. STEINBERG: "The peak sidelobe of the phased array having randoamly located elements", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol AP-20, n 2, March 1972, pages 129-136; - - M.I. SKOLNIK, J.W. SHERMAN III et F.C. OGG Jr.: "Statistically designed density-tapered arrays", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol AP- 12, March 1964, pages 408-417; - Y.TSUNODA et N. GOTO: "Sidelobe suppression of planar arrays antennas by the multistage decision method", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol AP-35, n 9 Sep. 1987, pages 1017- 1021; - T. NUMAZAKI, S. MANO, T. KATAGI et M. MIZUSAWA: "An improved thinning method for density tapring of planar arrays antennas", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol AP-35, n 9 Sep. 1987, pages 1066-1070. L'antenne obtenue après le calcul effectué avec la méthode d'optimisation nécessite un nombre N de sources actives pour satisfaire aux besoins. Les Q sources supprimées sont consi- dérées comme nominalement inutiles. Les sources inutiles sont équipées de la même électro- nique que les sources utiles, mais chaque source non-utile est nominalement non active. Ce type de redondance est appelé une "redondance froide". Comme indiqué ci-dessus, l'électronique des sources n'est activée qu'à l'apparition d'une parmnne. Le nombre de sources réactivées est par exemple égal au nombre de sources en pannes. Ces sources réactivées sont choisies pour garantir, dans tous les cas, que les performances de rayonnement répondent aux spécifications. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réa- lisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci- annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma d'une antenne réseau active, la figure 2 est un schéma d'un panneau connu d'éléments rayonnants, la figure 3 est un schéma analogue à celui de la figure 2, mais pour un panneau selon l'invention, et la figure 4 est un schéma d' antenne conforme à l' invention. On décrira tout d'abord, en relation avec la figure 1, le principe connu d'une antenne à panneau d'éléments rayonnants (émetteurs ou récepteurs). Cette description concerne une antenne d'émission, mais on indiquera comment ces principes peuvent s'appliquer à une antenne de réception. Le rayonnement des ondes électromagnétiques hyper- fréquences est effectué à l'aide d'un panneau rayonnant 10 comprenant une pluralité d'éléments rayonnants 121, 122,..., 12n (figure 2). Dans l'exemple, les éléments 12 ont une forme cir- culaire. Leur nombre est de 151. Ils sont tous dans un même plan. Cependant, une autre forme de surface pourrait convenir. Les éléments sont alimentés selon une loi d'amplitude et de phase permettant d'obtenir le diagramme voulu d'émission (ou réception) pour l'antenne. A cet effet, l'antenne comporte un réseau formateur de faisceau 14. Il comporte n sorties 161, 162,..., 16n. Chaque sortie 16i est reliée à l'élément rayonnant correspondant 12i par 1'intermédiaire d'un amplificateur de puissance 18i et d'un filtre 20i. Le réseau 14 comporte par ailleurs p entrées 221,... 22p, p étant égal à 5 dans l'exemple. Chaque entrée correspond à l'activation d'un diagramme. Quand un diagramme est activé sur une entrée 22j, le réseau 14 délivre une loi d'alimentation en amplitude et en phase qui correspond à un diagramme déterminé Dj d'émission (ou récep- tion). Chaque diagramme correspond à l'émission vers un empla- cement déterminé, appelé spot. On peut aussi appliquer simul- tanément un signal d'activation sur plusieurs entrées d'activation 22 de façon à émettre simultanément plusieurs diagrammres. Si pour chaque diagramme Dj la programmation du réseau 14 - c'est-à-dire l'ensemble j de signaux délivrés sur les sorties 16 - ne peut être modifiée, le réseau est dit passif. Si la programmation peut être modifiée, par 1' intermédiaire d'une entrée de commande 24, le réseau est dit actif. Une antenne de réception présente la même structure avec les différences suivantes: l'énergie est transmise, en sens inverse de l'émission, du panneau 10 vers le réseau 14, par l'intermédiaire d'amplificateurs à faible bruit (non montrés). Un mode de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en se référant aux figures 3 et 4. Sur ces figures, on a adopté les mêmes chiffres de référence que ceux des figures 1 et 2 pour les composants analogues. Pour tenir compte des occurrences de pannes qui peuvent intervenir au cours d'une durée de vie déterminée de l'antenne, le panneau 10 comporte N+Q éléments rayonnants. Le nombre N est le nombre d'éléments, et de chaines actives associées, qui est nécessaire pour satisfaire correctement aux besoins d'émission, c'est-à-dire l'émission ayant le diagramme voulu et la puissance voulue, sans plus. Au cours du fonctionnement, seuls ces N éléments - et les chaines actives associées - sont utilisés, les chaines actives des Q éléments restants étant normalement inactivées. Ces Q éléments et leurs chaines actives constituent une réserve qui est utilisée au fur et à mesure que le besoin s'en fait sentir quand certaines des N premières chaînes actives sont défaillantes. Sur la figure 3, les éléments actifs 121, 122,..., 12N sont représentés en blanc et les éléments en réserve 12N+1,..., 12N+Q sont représentés avec des hachures. Dans cet exemple, le nombre N est de 127 et le nombre Q de 24. Chaque élément rayonnant 12i - actif ou en réserve - est associé à un amplificateur 18i et un filtre 20i (figure 4). L'activation (et l'inactivation) est réalisée en met- tant sous tension (ou hors tension) les chaînes actives de l'an- tenne. Dans l'exemple, cette activation (et l'inactivation) est obtenue en faisant intervenir un commutateur ou interrupteur 30i en série entre la sortie 16i du réseau 14 et l'amplificateur 18i. L'interrupteur est commandé par une sortie 34i d'une unité centrale 32. A la sortie de chaque amplificateur 18i est connecté un détecteur 36i de panne et/ou de calibration qui transmet un signal indicateur de la puissance du signal en sortie de l'ampli- ficateur 18i vers une entrée 38i de l'unité centrale 32. Le réseau formateur de faisceau étant actif dans cet exemple, une sortie 40 de l'unité centrale 32 est connectée à l'entrée d'un circuit 42 de commande de reconfiguration du réseau 14 formateur de faisceau. La sortie du circuit 42 est reliée à l'entrée 24 du réseau 14. Un élément rayonnant 12i est actif quand l'interrupteur correspondant 30i est fermé c'est-à-dire quand la chaîne active associée est sous tension; il est inactif quand cet interrupteur est ouvert, c'est-à-dire quand la chaine active est hors tension. En début de vie de l'antenne, les emplacements des élé- ments inactifs 12N+1... 12N+Q - dont les interrupteurs corres- pondants 30i sont ouverts - sont choisis en tenant compte notamment des possibilités futures de panne, de la durée de vie espérée de l'antenne et de son utilisation au cours de cette durée de vie. Lorsqu'un détecteur 36i fournit à l'unité centrale 32 l'information selon laquelle l'élément activé correspondant 12i ne reçoit pas de signal ou un signal incorrect ou insuffisant, cette unité centrale 32 commande la fermeture d'un interrupteur 30j, préalablement ouvert, de façon à activer l'élément rayonnant 12j correspondant qui était en réserve. En d'autres termes, 1 'unité centrale met hors service la chaine active défaillante et met en service une chaîne préalablement en réserve. A cet effet, on prévoit un programme en mémoire de l'unité centrale qui permet de fournir un nouvel ensemble de signaux sur les sorties 16 du réseau 14. Ainsi ce programme, tenant compte de l'élément i inac- tivé, choisit l'élément j à activer et redistribue les N signaux actifs sur les sorties 16 de manière à obtenir le diagramme d'émission voulue malgré la parmnne. Dans une variante de réalisation à réseau formateur de faisceau de type passif - c'est-à-dire que les lois d'alimen- tation en amplitude et en phase ne sont pas commandées - en cas de panne, seule la géométrie de l'antenne est reconfigurée, c'est-à-dire qu'on redistribue les éléments rayonnants, par la redistribution des chaînes actives correspondantes, pour obtenir le diagramme désiré. Dans le cas d'un réseau formateur de faisceau de type actif, après une panne, les lois de commande d'amplitude et de phase sont reprogrammies électroniquement, c'est-à-dire qu'on effectue à la fois une redistribution géométrique et une modifi- cation électronique. Dans le cas d'une antenne embarquée, les programmes de redistribution - ou reconfiguration - sont soit embarqués, soit transmis, par télécommande, à distance depuis une station de contrôle. Ce type de prévention des pannes des antennes réseau actives s'avère la seule solution satisfaisante pour des antennes réalisant des spots fixes et dont les lois d'alimentation en amplitude et en phase sont figées (réseau formateur de faisceau de type passif). Ces antennes ne présentant aucune configu- rabilité électronique, la perte de sources signifierait une perte sèche des performances de rayonnement. La solution conforme à 1 'invention d'une antenne raréfiée équipée de redondances froides présente l'avantage d'offrir une reconfigurabilité physique qui permet de rattraper ou compenser les dégradations. Les besoins de PIRE sont satisfaits sans surdimen- sionnement de la puissance rayonnée et donc de la puissance consommée pour compenser les dégradations liées à l'apparition des pannes. Quand on a affaire à une antenne à réseau formateur de faisceau de type actif, la redondance selon l'invention offre un degré de liberté supplémentaire pour reconfigurer l'antenne en cas de panne, ce résultat étant obtenu avec un accroissement de masse et de complexité inférieur aux augmentations corres- pondantes des solutions antérieurement connues. L'antenne selon 1' invention, qui comporte des éléments non actifs, mais activables en cas de besoin, est dite à "redondance froide". Les éléments en réserve et leurs alimentations sont identiques aux éléments actifs et leurs alimentations. Les dimensions du panneau 10 (fig. 3) de l'antenne conforme à l'invention sont seulement légèrement supérieures à celles d'un panneau classique répondant aux mêmes besoins d'émis- sion (ou de réception). La comparaison des figures 2 et 3 donne un ordre de grandeur du surdimensionnement. Les performances de l'antenne peuvent être maintenues au cours de sa durée de vie. Il n'est pas nécessaire d'émettre de la puissance excé- dentaire pour tenir compte des pannes futures. La liberté de choix de l'emplacement des éléments actifs permet, par rapport à une antenne du type de celle de la figure 2, d'obtenir des performances de rayonnements toujours optimisées, tant en début de vie qu'en cas de panne. En d'autres termes, l'antenne selon l'invention pré- sente un degré de liberté supplémentaire (1 'emplacement de l'élément de remplacement), qui vient s'ajouter au choix de la phase de l'élément rayonnant. Cette antenne est ainsi très résis- tante aux pannes, et ses performances peuvent être optimisées, tant à l'émnission qu'à la réception. REVAMDICTIONS 1. Antenne d'émission et/ou réception comprenant un réseau (10) d'éléments rayonnants (12) et des moyens (14,18,20) pour commander l'amplitude et/ou la phase des signaux émis ou reçus par chaque élément afin que l'antenne soit apte à émettre ou recevoir selon un diagramme déterminé, caractérisée en ce que le réseau (10) comprenant un nombre (N+ Q) d'éléments rayonnants en excédent par rapport aux besoins, l'antenne comporte un dispo- sitif de commande (30,32,42) pour activer le nombre (N) d'élé- ments qui est juste nécessaire pour répondre aux besoins. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif de commande met en action un élément (12N+1, 12N+Q) en réserve en cas de détection de panne d'un élément actif. 3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le dispositif de commande (32,42) sélectionne l'emplacement de l'élément en réserve qui est mis en action de façon à obtenir le diagramme d'émission et/ou réception spécifié. 4. Antenne selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le dispositif de commaande (32, 42, 14) est apte à modi- fier la distribution des signaux appliqués à chaque élément pour optimiser le diagramme d'émission et/ou réception. 5. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'un amplificateur (18i) étant associé à chaque élément (12i), le dispositif de commande permet de mettre en ou hors circuit chacun de ces amplificateurs. 6. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'à chaque élément (12i) est associé un détecteur (36i) de panne de cet élément ou de son alimentation (18i). 7. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'à l'alimentation (18i) de cha- que élément est associé un détecteur (36i)de calibration. 8. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le nombre d'éléments en réserve et leurs alimentations est égal au nombre minimal néces- saire pour répondre aux besoins, compte tenu des pannes pouvant intervenir au cours de la durée de vie de 1' antenne. 9. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les éléments en réserve et leurs alimentations sont identiques, respectivement, aux éléments actifs et à leurs alimentations. 10. Antenne d'émission selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif de commande permet que la puissance d'émission soit maintenue sensiblement constante au cours de la durée de vie de l'antenne. 11. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le réseau a la forme d'un panneau. 12. Application de l'antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes à l'émission et/ou la réception de signaux à bord d'un véhicule, notamment un véhicule spatial ou satellite.