Brevet FR2864710A1 — publié le 20050701

L'invention décrite et revendiquée dans le présent document se rapporte aux antennes à formation adaptative de faisceaux par le calcul, ou FFC adaptative, permettant la formation simultanée de plusieurs faisceaux d'émission-réception. L'invention se rapporte également aux antennes comportant des sources ponctuelles regroupées en sous-réseaux les sousréseaux étant combinés pour constituer les faisceaux d'antenne. Elle se rapporte enfin aux problèmes de lobes de réseaux qui dégrade le diagramme des antennes à sous-réseaux lorsque la direction du faisceau constitué n'est pas perpendiculaire aux plans de phase des sous-réseaux. L'invention 1 o s'applique en particulier au domaine des antennes multifaisceaux à balayage électronique présentant une résistance aux brouilleurs. Les antennes à balayage électronique à formation de faisceau par le calcul, sont généralement constituées d'un certain nombre de sources primaires ou TIR formant un réseau. Le lobe d'antenne est reconstitué en effectuant une combinaison vectorielle, en amplitude et en phase, des signaux émis et reçus par chacun de modules. De manière connue, pour faire varier la direction de pointage du lobe d'antenne ainsi constitué, il suffit de faire varier l'amplitude et la phase des signaux émis ou reçus par chacun des modules. Cependant pour des raisons de coût et d'encombrement cette variation d'amplitude et de phase n'est réalisée qu'au niveau de groupes de modules ou sous-réseaux. L'antenne est ainsi constituée de structures intermédiaires, les sous-réseaux, chaque sous-réseau se comportant comme une antenne unitaire avec son propre centre de phase. L'avantage de l'arrangement des sources en sous-réseaux est une diminution de la complexité du circuit de commande d'amplitude et de phase. L'inconvénient est l'apparition d'un caractère lacunaire lié à l'espacement des centres de phases des sous-réseaux les uns par rapport aux autres. Cet espacement, généralement supérieur à la demi longueur d'onde émise 2J2, est responsable de l'apparition de lobes de réseaux qui accompagne chaque lobe formé dans une direction de faisceau non perpendiculaire au plan de phase des sous-réseaux. Pour Réaliser une antenne multifaisceaux à FFC adaptative dépourvue de lobe de réseaux parasites, on peut adopter une structure plus complexe telle que la structure en cluster décrite par la déposante dans la demande française publiée sous le numéro 2838244 le 10/10/2003. Une telle architecture qui revient à réaliser autant de réseaux d'antenne que de faisceaux à former, évite par nature l'apparition de lobes de réseaux. En revanche c'est une architecture coûteuse et relativement complexe. Pour supprimer le phénomène d'apparition de lobes parasites, il est également possible de réaliser une antenne à sous-réseaux comportant des moyens permettant de synthétiser pour chaque sous-réseau une voie somme et des voies de correction. La voie somme est obtenue en effectuant la somme pondérée de tous les signaux provenant des modules constituant le sous-réseau. Elle constitue un lobe de sous-réseau perpendiculaire au plan de phase du sous-réseau. Les voies de correction sont obtenues en effectuant une combinaison en phase et amplitude des signaux reçus. Cette combinaison a pour résultat d'élaborer pour chaque faisceau à former un signal correcteur. Ce signal correcteur est destiné à être appliqué au signal somme de façon à ce que le lobe du sous-réseau soit orienté dans la direction du faisceau. L'application du signal correcteur permet de réaliser une antenne à sous-réseaux dépourvu elle aussi de lobes de réseaux. Une telle antenne est notamment décrite par la déposante dans la demande française déposée sous la référence 0313493 Iel8/11/2003. Une telle architecture, quoi que plus simple que l'architecture en clusters, reste néanmoins relativement complexe et encombrante. Afin de pallier les inconvénients cités précédemment, le procédé selon l'invention propose une méthode permettant d'optimiser la définition d'une architecture d'antenne multifaisceaux à FFC adaptative. Cette méthode permet de réaliser un compromis correct entre les performances souhaitées en ce qui concerne le niveau acceptable de lobes de réseaux parasites et la complexité de la structure de l'antenne et des circuits de commande et de combinaison. A cet effet le procédé selon l'invention se rapporte aux antennes comportant des modules d'émission-réception arrangés sur des structures élémentaires, 35 ou pavés, identiques et arrangés en sous réseaux. Dans l'architecture selon l'invention certain pavé participe à la constitution de plusieurs sous-réseaux, créant ainsi des sous-réseaux imbriqués. Ce chevauchement partiel, réalisé par mise en commun de certains pavés par plusieurs sous-réseaux, permet avantageusement de conserver un écartement des centres de phase des différents sous-réseaux sensiblement égal à l'écartement entre les centres de phase des pavés au sein d'un même réseau. Les sous-réseaux sont ensuite combinés entre eux par un circuit de commande, pour former les différents lobes d'antenne orientés dans la direction des faisceaux à former. Cette architecture en assemblage de pavés présente l'avantage de permettre la réalisation d'une antenne en associant des pièces identiques. Chaque pavé se présente avantageusement comme un assemblage de modules d'émission-réception espacés les uns des autres d'une distance inférieure à 2J2. Dans un même pavé, les modules sont combinés entre eux au moyen de circuits combineurs qui effectue la combinaison des signaux issus des modules, selon des lois de pondération données. Les pondérations effectuées sont ici de simples pondérations d'amplitude qui présente l'avantage d'être faciles à réaliser. Chaque pavé peut comporter un seul circuit combineur, la loi de combinaison étant déterminée par la position que le pavé est destiné à occuper dans le sous-réseau. On a alors autant de pavés différents que de positions possibles pour un pavé dans la structure du sous-réseau. Suivant un mode de réalisation préféré l'architecture de l'antenne réalisée comporte une succession de pavés identiques comportant autant de circuits combineurs différents qu'il peut occuper de position dans un sous-réseau. Dans cette forme de réalisation, un même pavé est combiné aux pavés constituant un sous-réseau donné au travers du circuit combineur réalisant la pondération conforme à la position du pavé dans le sous- réseau. Un sous-réseau entier est ainsi réalisé avec un seul type de pavé. Du fait du recouvrement partiel des sous-réseaux un pavé peut appartenir à un nombre variable de sous-réseaux suivant sa place dans l'assemblage. Cette structure par recouvrement présente l'avantage de limiter la multiplication des lobes de réseaux, l'écartement entre les pavés étant toujours le même. En outre, elle permet la réalisation de réseau de grande taille et contribue ainsi avantageusement à la réalisation d'un filtrage spatial du lobe global de l'antenne qui limite également l'amplitude des lobes de réseaux. En effet il est connu que pour une antenne à sous-réseaux, le diagramme global est le produit des diagrammes des sous-réseau qui la composent, par le diagramme constitué par l'ensemble des sous réseaux. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au cours de la description qui suit, description faite en regard des figures annexées qui représentent: La figure 1, un schéma illustrant sur un exemple, la méthode permettant de définir une architecture d'antenne à sous-réseaux imbriqués. La figure 2, un schéma illustrant l'arrangement des différents types de pavés dans un sous réseaux tel que celui utilisé dans l'exemple de la figure 1. La figure 3, l'application du principe illustré par la figure 1 au cas d'un arrangement de sous réseaux comportant seize (4X4) pavés par décalage successif de deux pavés dans chaque axe. La figure 4, l'application du principe illustré par la figure 1 au cas d'un arrangement de sous réseaux comportant quatre (2X2) pavés par décalage successif d'un pavé dans chaque axe; ce cas correspondant à un mode de réalisation préféré. La figure 5, une illustration du principe de formation d'un lobe du sous réseau par recombinaison des signaux issus des pavés composant un 30 sousréseau. Cette illustration correspond à un mode de réalisation préféré. La figure 1 permet d'illustrer de façon graphique une manière de définir l'architecture d'une antenne à sous-réseaux imbriqués. La définition d'une telle antenne résulte principalement de la détermination 35 des dimensions de l'antenne désirée, ainsi que du nombre de modules d'émission-réception qu'elle doit comporter et de la structure d'un pavé. Cette définition résulte également du nombre, de la taille et du degré de chevauchement des sous-réseaux composant l'antenne. Le choix de la taille et du taux de recouvrement des sous-réseaux est en particulier le fruit d'un compromis entre l'efficacité du filtrage spatial du lobe d'antenne qui est fonction de la taille des sous-réseaux et la nécessité d'avoir des sous-réseaux dont les centre de phase soient les plus proche possible les uns des autres. En effet il est connu que lorsque la distance d séparant les centres de phase est supérieure à la valeur ?J2 on assiste à l'apparition de lobes de réseaux parasites ayant notamment pour conséquence de rendre l'antenne sensible aux brouillages. Pour éviter l'apparition d'un tel phénomène il convient de décomposer l'antenne en sous-réseaux dont les centres de phase soient les plus proches possibles les uns des autres, contrainte qui est difficilement compatible de l'utilisation de sous-réseaux de grandes dimensions. Cette dualité peut cependant être soutenue en utilisant, comme le propose le dispositif selon l'invention, des sous réseaux imbriqués. Toutefois dans la mesure où les sous-réseaux utilisés sont de grande taille le taux de recouvrement des sous-réseaux doit être important. Cette contrainte conduit à réaliser une antenne plus complexe et plus coûteuse. Dans la pratique la structure d'une antenne à sous-réseaux imbriqués résulte d'un compromis entre la taille des sous-réseaux et le taux de recouvrement. Ce compromis a par ailleurs une conséquence directe sur la structure des pavés. Dans l'exemple de principe de la figure 1, la structure de d'antenne choisie est constituée de sous-réseaux imbriqués identiques, de structure rectangulaire, comportant quatre lignes de neuf pavés 16. Les sousréseaux sont positionnés sur l'antenne de façon à présenter entre eux un recouvrement de cinq pavés dans la direction horizontale H et d'un pavé 16 dans la direction verticale V. La structure globale de l'antenne est ainsi constituée par duplication d'un sous-réseau générique ayant la structure du sous-réseau 11, en juxtaposant des sous-réseaux 12, 13 ou 14, identiques au sous-réseau 11, avec un recouvrement partiel. La position d'un sous-réseau est déterminée par rapport à un sous-réseau contigu par un décalage de quatre pavés dans la direction H ou de trois pavés dans la direction V. Ainsi par exemple, la position du sous-réseau 12 est déduite de celle du sous-réseau 11 par décalage de quatre pavés selon l'axe H, alors que celle du sous-réseau 14 est déduite de celle du sous-réseau 11 par décalage de trois pavés selon l'axe V. La structure globale de l'antenne étant ainsi définie, la définition détaillée comporte une première étape durant laquelle on s'intéresse à la structure du sousréseau générique 11 et en particulier au nombre minimum de types de pavés nécessaire pour réaliser ce sous-réseau. Si l'on considère la structure de la figure 1, on constate que, parmi les zones ne comportant que des pavés appartenant à un seul sous-réseau, le nombre N de pavés contenus dans la plus petite de ces zones est égal à douze. D'une façon plus générale, N est égal au produit du nombre a de décalages en ligne, c'est à dire selon l'axe H par le nombre R de décalages en colonne, c'est à dire selon l'axe V, ces décalages correspondant à ceux effectués pour définir la position d'un sous-réseau par rapport aux sous-réseaux contigus. Dans l'exemple de la figure 1 on a a = 4 et R = 3. Une façon de constituer le sous-réseau consiste alors à couvrir de pavés la surface du sous-réseau générique 11, selon un arrangement, de type mosaïque, reproduisant celui d'une cellule élémentaire 15 constituée des douze pavés repérés de A à L. De la sorte la structure de l'antenne comporte douze types différents de pavés. L'étape suivante de la définition détaillée consiste à déterminer le nombre de combineurs que doit comporter chacun des douze types de pavés définis. Pour effectuer cette détermination il convient de dénombrer le nombre de positions différentes que peut occuper un pavé dans un sousréseau 11, le dénombrement devant tenir compte des imbrications des sousréseaux les uns dans les autres. Le principe du dénombrement est illustré sur la figure au travers des pavés de type A et de type G. Sur la figure 1, les positions possibles des pavés A et G peuvent être repérées par leurs coordonnées dans le plan (HV). Dans une définition telle que celle prise en exemple dans la figure 1, un pavé de type A peut occuper six positions distinctes dans un sous-réseau: A11, A51, A91, A14, A54 et A94. En comparaison, on peut constater qu'un pavé de type G ne peut quant à lui occuper que deux positions: G32 et G72. 2864710 7 Le dénombrement des positions possibles des autres pavés est effectué de façon identique. L'opération de répartition permet ainsi de définir la composition détaillée d'un sous-réseau. Cette répartition au sein du sous-réseau est illustrée par la figure 2. Sachant que le nombre de circuits combineurs différents que doit comporter un pavé est au moins égal au nombre de positions que le pavé peut occuper dans le sous-réseau, la détermination du nombre de positions possibles pour un pavé de type donné, définit complètement la structure du pavé. Ainsi un pavé de type A comportera au moins six circuits combineurs effectuant la o combinaison des signaux selon six lois de pondération différentes. Un pavé de type G en comportera quant à lui au moins deux. D'une manière plus générale, si l'on appelle Np le nombre de combineurs différents, c'est à dire le nombre de jeux de pondérations différents, que doit au minimum comporter un module d'un type donné en fonction de ses positions possibles dans le sous-réseau, on peut écrire: Np = [1 + int((Ph i) / a)]* [1 + int((P j) / 13)] [Il où a et 13 représente les valeurs des décalages définis précédemment, i et j 20 les coordonnées du pavé dans la cellule élémentaire 15. L'expression "int" représentant ici la fonction "partie entière". Ainsi pour le pavé de type A, de coordonnées (1,1) dans la cellule 15, on obtient Np = 6, tandis que pour un pavé de type G de coordonnées (3,2), on 25 Obtient Np = 2. La méthode décrite ici pour une architecture d'antenne comportant des sous-réseaux de forme rectangulaire peut bien entendu être généralisée à des modèles d'architecture plus complexes. L'idée générale de la méthode exposée, consiste dans la recherche de l'élément unitaire 15 le plus approprié pour établir un compromis entre la diversité des pavés utilisés et leur complexité. La figure 3 illustre un premier exemple d'application de la méthode de 35 définition d'une antenne à sous-réseaux imbriqués, décrite précédemment. Cette antenne en forme de croix comporte quatre-vingt quatre pavés arrangés en sous-réseaux 32 carrés comportant seize pavés et imbriqués de façon à ce que chaque sous-réseau partage avec les sous-réseaux contigus huit pavés selon l'axe horizontal ou selon l'axe vertical. Dans un tel arrangement, il est possible, conformément à l'exemple de la figure 1, de définir une cellule élémentaire 31, carrée, comportant quatre types de pavés A, B, C et D. Dans cet exemple N est égal à quatre. De même, en suivant la méthode illustrée par la figure 1, on peut définir le nombre de circuits combineurs que doit comporter chaque pavé. Dans ce premier exemple d'application, en raison de légalité des décalages suivant les deux axes, chacun des quatre types de pavés doit comporter au moins quatre combineurs. On définit ainsi une antenne comportant 14 sous-réseaux pouvant être associés à quatorze circuits récepteurs 33. La méthode de définition décrite dans le texte qui précède, permet avantageusement de définir une antenne réalisant un compromis intéressant ente le nombre de types différents de pavés utilisés et la complexité de réalisation des différents pavés. Elle permet notamment de déterminer le nombre maximum de types pavés que l'on peut définir. Cependant II est bien entendu toujours possible dans le cas particulier où l'on souhaite privilégier l'emploi d'un type unique de pavé de constituer des sous réseaux comportant un type de pavé unique, ce pavé comportant lui-même autant de combineurs qu'il peut occuper de positions différentes dans le sous réseau. Néanmoins une telle solution n'est vraiment plus avantageuse que dans le cas d'une antenne constituée de sous-réseaux comportant un petit nombre de pavés. La figure 4 illustre un deuxième exemple d'application qui correspond à un mode de réalisation préféré d'une antenne à sous-réseaux imbriqués. Dans cet exemple l'antenne est constituée de sous-réseaux 42 de forme rectangulaire comportant quatre pavés et imbriqués les uns dans les autres de façon à présenter un chevauchement d'un pavé suivant l'axe horizontal H ou l'axe vertical V. La figure 4 présente de manière schématique sur une représentation partielle, la façon dont les pavés 41 sont associés pour former les différents sous-réseaux. Dans cet arrangement simple, la cellule élémentaire se trouve réduite à un pavé, ce pavé pouvant occuper quatre positions possibles dans un sousréseau. Sur la figure 4, les pavés sont représentés de manière schématique par des figures rectangulaires comprenant quatre structures qui figurent les quatre circuits combineurs différents 43, 44,45, et 46, nécessaires pour constituer un sous-réseau. L'association des pavés est réalisée par les circuits sommateurs 47 L'illustration de la figure 4 permet de constater qu'une antenne comportant des sous-réseaux imbriqués 48 constitués de quatre pavés 41 dont la structure est judicieusement arrangée, présente de gros avantages quant à la réalisation tant au niveau du pavé unique qui ne comporte que quatre circuits combineurs distincts, qu'au niveau du montage des pavés en sous- réseaux qui peut être optimisé par l'adoption d'un positionnement judicieux des circuits combineurs sur le pavé. Avec des circuits combineurs disposés par exemple dans les angles des pavés, on peut réaliser une structure régulière telle que celle illustrée par la figure 4, dans laquelle tous les circuits sommateurs sont alignés. L'assemblage des sous-réseaux est réalisé par simple juxtaposition des pavés et connexion des sorties situées aux angles adjacents de quatre pavés contigus. Dans cette application, les centres de phase des sous-réseaux sont situés à l'endroit où sont positionnés les circuits sommateurs 47. Ils sont avantageusement espacés les uns des autres d'une distance égale à celle séparant les centres de phase des pavés. Ceci permet notamment de ne pas multiplier les directions d'apparition des lobes de réseaux. La figure 5, illustre pour l'application précédente, la façon dont un lobe de sous-réseau est reconstitué par l'assemblage de quatre pavés élémentaires A11, Al2, A21 et A22 identiques. Chaque pavé 53 est ici, associé aux trois autres pavés constituant le sous-réseau considéré, au travers du circuit combineur 54 dont la loi de pondération correspond à la position du pavé dans le sous-réseau. Il peut en outre simultanément être combiné aux pavé constituant un sous-réseau contigu. Ainsi un pavé situé en position A21 dans un sous-réseau sera situé en position A11, Al2 ou A22 dans les sous-réseaux contigus et sera associé aux autres pavé aux travers de l'un des trois autres circuits combineurs 55, 56 et 57. La figure 5 montre également comment chaque pavé occupant une position donnée dans le sous-réseau, contribue à la réalisation du lobe 51 du sous- réseau considéré. La figure 5 se rapporte à une architecture d'antenne tel que celle mentionnée dans la partie de la description relative à la figure 4. Cette Architecture comportant des sous-réseaux identiques, de forme de préférence géométrique et comportant eux-mêmes quatre pavés de structure identique, est considérée comme un mode de réalisation préféré car elle présente de grands avantages. En premier lieu c'est une architecture basée sur des éléments unitaires, les pavés, dont la réalisation présente peu complexité. En second lieu, c'est une architecture répétitive, consistant en la juxtaposition de pavés tous identiques et dont l'association peut-être simplifiée pour peu que la structure du pavé unitaire soit développée à cet effet. C'est par ailleurs une architecture qui réalise un bon compromis entre un filtrage spatial satisfaisant des lobes de réseaux des faisceaux dépointés et le nombre de faisceaux dépointés réalisables, sans perte significative, à partir du lobe d'antenne filtré. L'architecture décrite au travers des figures 4 et 5 présente une antenne constituée en sous-réseaux de forme rectangulaire, les sous-réseaux étant eux-mêmes constitués de pavés carrés. Cette architecture est donnée exclusivement à titre d'exemple de réalisation, simple et non limitatif. Le concept sous-tendu par cet exemple est la constitution d'antennes comportant des sous-réseaux de structures géométriques régulières, permettant d'utiliser une architecture répétitive constituée de pavés de structure identique. Une architecture basée sur des pavés de forme octogonale est par exemple tout à fait envisageable. 11 REVENDICATIONS 1. Procédé d'optimisation de l'architecture d'une antenne FFC multifaisceaux à sous-réseaux imbriqués identiques, caractérisé en ce qu'il comporte au moins: - une première étape consistant à déterminer le nombre minimum de types de pavés (16) formant la cellule élémentaire (15) permettant de réaliser un sous-réseau (11) ce nombre étant fonction du taux d'imbrication des sous-réseaux, - une deuxième étape consistant à déterminer le nombre de combineurs que doit comporter chacun des types de pavés, ce nombre étant o déduit du nombre de positions différentes que peut occuper un pavé dans un sous- réseau (11), le dénombrement résultant des imbrications des sous-réseaux les uns dans les autres. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour une architecture comportant des sous-réseaux (11) à structure rectangulaire comportant des pavés disposés sur des lignes et des colonnes, les sousréseaux étant uniformément imbriqués, chaque sous-réseau étant décalé du sous-réseau contigu de a pavé en ligne ou de 3 pavés en colonne, le nombre de pavés contenus dans la cellule élémentaire (15) est donnée par N= a.(3. 3. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, pour une architecture comportant des sous-réseaux (11) à structure rectangulaire comportant des pavés (16) disposés sur des lignes et des colonnes, les sous-réseaux étant uniformément imbriqués, le nombre minimum de combineurs que doit comporter un pavé d'un type déterminé, est donné par la formule: Np =[1+int((Ph i)la)]*[1+int((Pv j)1r3)]. 4. Antenne FFC multifaisceaux à sous-réseaux imbriqués dont la structure est obtenue par le procédé selon l'une des revendications 1 à 3. 5. Antenne FFC multifaisceaux à sous-réseaux imbriqués, caractérisée en ce qu'elle comporte des sous-réseaux de structure identique, réalisés avec un seul type de pavés, un pavé comportant autant de circuits combineurs qu'il peut occuper de positions dans le sous-réseau. 6. Antenne FFC multifaisceaux à sous-réseaux imbriqués, de structure rectangulaire comportant des sous-réseaux (42) caractérisée en ce que chaque sous-réseau comporte quatre pavés rectangulaires (41) identiques comportant quatre circuits combineurs, disposés sur deux lignes et deux colonnes, chaque sous-réseau présentant un recouvrement de deux pavés en ligne ou en colonne avec les sous-réseaux contigus, chacune des quatre sorties des circuits combineurs étant placé à l'un des angles du pavé, les pavés étant assemblés par l'intermédiaire de circuits sommateurs (47), l'ensemble des circuits sommateurs étant alignés et espacé d'une distance égale à la distance séparant les centres de phases des pavés.