Brevet FR2903233A1 — publié le 20080104

Dispositif électronique d'antenne pour radar L'invention concerne un dispositif électronique d'antenne pour radar. Les radars de la nouvelle génération sont à balayage électronique. Cela suppose qu'au lieu d'un aérien unique, ils comportent une multiplicité d'éléments d'antenne. Ceux-ci définissent ensemble ce qu'on appelle une "antenne-réseau". Le balayage électronique, et d'autres fonctions utiles, sont obtenus en agissant sur le décalage de phase (ou décalage temporel) auquel sont soumis les signaux d'émission allant vers chaque élément d'antenne, et les signaux de réception provenant de chaque élément d'antenne. Les moyens d'émission du radar comportent un générateur de fréquence et au moins un amplificateur d'émission; les moyens de réception comprennent en tête des étages d'amplification faible bruit à large bande, suivis d'étages de réception plus sélective. Les dispositifs électroniques d'antenne ont encore à assurer deux autres fonctions. La fonction "duplexeur" sépare l'émission de la réception. Dans les antennes-réseau, au moins une fonction "distributeur" est nécessaire, car les signaux émis aussi bien que reçus doivent se distibuer sur l'ensemble des éléments d'antenne. Les structures actuelles des antennes à balayage électronique sont généralement du type dit "antenne passive". En bref, cela signifie que les circuits d'émission, de réception et duplexeur sont pratiquement les mêmes qu'avec une antenne à balayage mécanique. On a simplement associé à chaque élément d'antenne un déphaseur qui lui est propre. Ce déphaseur doit être réciproque (bidirectionnel) dans les antennes à balayage électronique dites passives. Les projets actuels s'orientent vers une antenne dite "active". Dans une telle antenne, on prévoit un distributeur d'émission et 2903233 2 un distributeur de réception séparés. Les fonctions de décalage de phase, d'amplification, de duplexage et autres sont implantées, pour chaque élément d'antenne, sur la voie qui relie cet élément d'antenne au distributeur concerné. Pour l'émission, il 5 ne reste à l'extérieur de l'antenne que le générateur de fréquences en amont du distributeur. En aval du distributeur de réception commencent les étages récepteurs sélectifs. Ce concept d'antenne active fait l'objet d'intenses recherches, 10 car il offre des avantages importants au niveau de la richesse des possibilités de traitement à la réception. Cependant, il pose des problèmes de faisabilité et/ou de coût, lorsque par exemple on recherche, en bande X, une valeur élevée 15 du produit de la largeur de bande d'émission par la puissance d'émission. En effet, la réalisation avec une miniaturisation suffisante d'amplificateurs capables de telles performances est très délicate. 20 Ceci fait que, malgré ses nets avantages, le mode de réalisation à antenne active tarde à venir sur le marché lorsque de fortes puissances sont nécessaires. Là où il est disponible, son coût le rend inapplicable en pratique. 25 La Demanderesse s'est posé le problème de lever cet obstacle, en cherchant malgré tout à bénéficier des avantages précités de richesse en réception. Un autre but de l'invention est d'obtenir un dispositif électro- 30 nique d'antenne qui soit sujet à des pertes de signal en hyperfréquence meilleures que celles des antennes passives dont on dispose actuellement, et approchant celles des antennes actives que l'on souhaite fabriquer à l'avenir. 35 L'invention a également pour but de permettre l'application à des radars nécessitant une forte puissance d'émission sur une large bande. 2903233 3 Le dispositif proposé est du type comportant : - des circuits d'antenne, comprenant une antenne-réseau formée d'une pluralité d'éléments d'antenne, à chacun desquels est couplé au moins un élément déphaseur , 5 - des moyens d'émission comprenant un générateur de fréquences, et au moins un amplificateur d'émission, - des moyens de réception comprenant des étages de tête, suivis d'étages de réception sélective, - des moyens duplexeurs et distributeurs interconnectant les 10 circuits d'antenne avec les moyens d'émission et de réception. Selon l'invention, l'amplificateur d'émission est monté entre le générateur de fréquences et un distributeur-démultiplexeur, dont les sorties sont reliées à des déphaseurs haut niveau, suivis de 15 l'entrée de duplexeurs, aboutissant chacun à un élément d'antenne respectif, tandis que la sortie de réception de chaque duplexeur est reliée à une voie de réception qui, après ses étages de tête (essentiellement, un amplificateur à large bande et faible bruit, précédé éventuellement d'une protection), est munie d'un 20 déphaseur autonome bas niveau, dont la sortie aboutit à une entrée respective d'un distributeur-multiplexeur, qui alimente les étages de réception sélective. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaî- 25 tront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est le schéma de principe du dispositif électronique d'antenne pour un radar à balayage électronique à antenne 30 passive; - la figure 2 est un schéma semblable, mais pour un radar à antenne active; et 35 - la figure 3 illustre le schéma préconisé selon la présente invention. 2903233 4 L'illustration des dessins annexés est de caractère certain. En conséquence, les dessins sont à considérer comme incorporés à la description. Ils pourront servir non seulement à compléter celle-ci, mais aussi à la définition de l'invention si nécessaire. 5 Sur la figure 1, la partie émission d'un radar comprend un générateur de fréquence GF, suivi d'un amplificateur d'émission AE, comprenant avantageusement au moins un tube à ondes progressives TOP. Le générateur de fréquence est nécessaire, compte tenu 10 par exemple du fait que la fréquence d'émission d'un radar est souvent modifiée pour différentes raisons. La largeur de bande utile de l'antenne est donc définie par toute la bande que le radar doit pouvoir couvrir, compte tenu de ses 15 différentes fréquences d'émission et de réception. La partie réception commence généralement par un étage de protection RP qui peut être de facture classique. Suit un étage récepteur de tête formant amplificateur à faible bruit RT, qui 20 possède a priori la même bande que l'antenne. Ensuite interviennent des étages de réception sélective RS, à l'intérieur desquels commence à s'effectuer le traitement des signaux radar. Ces parties d'émission et de réception sont respectivement 25 connectées aux bornes correspondantes d'un duplexeur DX. Dans un radar à balayage électronique passif, on connecte la partie bidirectionnelle du duplexeur DX à un distributeur bidirectionnel DB, dont les sorties sont reliées à différents 30 éléments d'antenne Al à An, l'élément courant étant noté Ai. Sur chaque voie i, il est prévu un déphaseur ou ajusteur de phase PHi, qui est réciproque, c'est-à-dire bidirectionnel et de mêmes caractéristiques dans les deux sens. 35 La réalisation du distributeur bidirectionnel DB ne pose pas de problèmes fondamentaux. Par contre, l'homme de l'art sait que la construction de déphaseurs réciproques présentant une faible perte d'insertion est une chose délicate. Les déphaseurs le plus 2903233 5 souvent utilisés à cet effet sont à base de matériaux dits "Ferrite" (à ne pas confondre avec les ferrites classiques en chimie). Ces matériaux ont des propriétés complexes. Il a cependant été possible d'obtenir une bonne "réciprocité" de tels 5 déphaseurs. L'homme de l'art sait que le distributeur bidirectionnel DB et chacun des déphaseurs réciproques PHi atténuent les signaux (utiles) qui les traversent. Par contre, tous les étages de 10 réception étant en aval, le bruit du récepteur situé en aval ne subit pas cette atténuation. Ceci pénalise le rapport signal à bruit. La figure 2 illustre le schéma d'un dispositif à antenne active, 15 tel qu'on le prévoit actuellement. Le générateur de fréquence GF est connecté à un distributeur d'émission DE, à partir duquel chaque voie est individualisée jusqu'à un élément d'antenne Ai. Une voie comporte un déphaseur 20 PEi, suivi d'amplificateurs hyperfréquences d'émission AEli et AE2i, à réaliser en technologie de circuits intégrés ce qui, comme indiqué plus haut pose des problèmes coût/faisabilité. On trouve ensuite un duplexeur DXi qui alimente l'élément d'antenne Ai. La sortie de réception de ce duplexeur est appliquée à un 25 étage de protection RPi, suivi d'un amplificateur de tête RTi, puis d'un déphaseur de réception PRi. Les sorties des différents déphaseurs de réception sont regroupées dans un distributeur DR qui alimente les étages de réception sélective RS. 30 L'avantage de ce dispositif serait de placer les éléments atténuateurs (distributeur DE et déphaseurs PEi) en amont des étages d'amplification de l'émission. A l'émission, l'atténuation qu'ils introduisent est donc compensée en augmentant le gain de l'amplificateur AEi d'une quantité correspondante. 35 A la réception, l'atténuation introduite par les déphaseurs PRi et le distributeur DR porte simultanément sur le signal reçu par les éléments d'antenne Ai et sur le bruit généré au niveau des 2903233 6 étages de tête RTi; elle n'induit donc pas une dégradation des performances du radar. La faisabilité d'un tel dispositif dépend d'abord de celles des 5 amplificateurs d'émission de forte puissance sous faible volume. Mais il faut aussi pouvoir intégrer en regard des éléments d'antenne, outre les amplificateurs d'émission et de réception, les distributeurs d'émission DE et de réception DR, et les 10 déphaseurs PEi et PRi, avec leurs circuits de commande. Ces déphaseurs, dont les pertes ne sont plus critiques, peuvent être réalisés sous la forme de déphaseurs plus simples, par exemple à diodes. Dans le cas considéré, le déphasage s'effectue 15 à bas niveau dans les deux cas : le niveau est bas pour la réception comme il est habituel. Le niveau est bas pour l'émission car le déphasage est effectué avant l'amplification. A noter que ceci suppose que l'amplification conserve bien la phase sur l'ensemble de la bande de travail. 20 Les recherches de la Demanderesse ont montré qu'il est possible de réaliser un circuit intermédiaire entre les antennes passive et active, circuit dont le schéma de principe est donné sur la figure 3. En amont du distributeur d'émission DE, on retrouve le générateur de fréquence GF et le tube amplificateur de puissance à ondes progressives AE. 30 En aval du distributeur de réception DR, on trouve les étages de réception sélective RS. Chaque élément d'antenne Ai est associé à un duplexeur DXi. La voie de réception comprend l'étage de réception RPi, l'ampli- 35 ficateur RPi et le déphaseur PRi qui peuvent être les mêmes que précédemment. La voie d'émission de celui-ci comprend simplement un déphaseur PEI. 25 2903233 7 L'homme de l'art, lorsqu'il explore cette possibilité, se heurte immédiatement aux problèmes suivants: - superposer un distributeur de puissance à faible pertes (émission) avec un ou des distributeurs de réception. 5 - réaliser au niveau de la voie d'émission un déphaseur susceptible d'encaisser toute la puissance d'émission d'une voie. Et des raisons pratiques font qu'il n'est pas recommandé d'utiliser les déphaseurs réciproques à Ferrite des antennes passives, malgré leurs faibles pertes, à cause de la complexité de leur commande 10 et de la puissance d'alimentation nécessaire à cette commande. En effet, il faut encore pouvoir loger dans l'espace restreint disponible en regard de chaque élément d'antenne non seulement le déphaseur et ses circuits de commande, mais aussi les circuits 15 complémentaires requis pour la réception. Ceci a été rendu possible par l'usage comme déphaseur PEI de déphaseurs à diodes de puissance du type PIN, dont la commande est relativement simple. Le déphaseur PRi peut être un déphaseur en particulier en technologie monolithique à arséniure de gallium utilisant des transistors FET pour les commutations de lignes hyperfréquence de longueur variable. 25 La difficulté essentielle de réaliser les distributeurs peut être résolue de la manière suivante: - on prévoit une antenne à fentes classique. - on place dans le champ proche de cette antenne des éléments de 30 réception interne indépendants; la fonction de distribution d'émission est réalisée par ce couple antenne à fentes/ éléments récepteurs internes. - les sorties de ces récepteurs internes traversent une structure "triplaque", pour se coupler à leurs voies d'émission respectives 35 composées de déphaseurs respectifs DEi, suivis des circulateurs DXi et des éléments d'antenne externes DXi. - à coté de chaque voie d'émission est prévue une voie de réception, constituée comme déjà indiqué. 20 2903233 8 - la ou les sorties de chaque voie de réception rejoignent la structure triplaque, qui, de manière connue, effectue des sommations ou autres recombinaisons pondérées des signaux des différentes voies. 5 - Matériellement, les circuits de commande peuvent être partagés entre deux couples de voies émission/réception, et logées entre celles-ci. Les sorties de signaux utiles se font en bordure de la structure triplaque, de même que les alimentations et commandes, notamment pour les déphaseurs. 10 Si l'on note Lo les pertes en hyperfréquence associées au dispositif d'antenne de la figure 1, celui de la présente invention permet d'avoir des pertes hyperfréquence inférieures de 4 db environ. Il procure l'avantage d'avoir une grande 15 richesse de traitement, puisque les déphasages sont gérés indépendamment à l'émission et à la réception, et que l'on a une liberté totale pour faire des recombinaisons pondérées adaptées des information disponibles sur les voies de réception. Plusieurs distributeurs de réception DR peuvent être utilisés, suivis 20 d'autant de voies de réception sélective. Le circuit décrit présente encore l'avantage de permettre l'utilisation d'un tube à ondes progressives, c'est-à-dire de n'être pas gêné en termes de produit de la puissance d'émission 25 par la largeur de bande d'émission, comme c'était le cas avec les dispositifs intégrés qui sont nécessaires dans le mode de réalisation de la figure 2. En outre, le coût du dispositif d'antenne ici proposé est 30 nettement inférieur à celui que l'on peut prévoir pour les antennes actives du futur. Revendications 1. Dispositif d'antenne pour radar, du type comportant: - des circuits d'antenne, comprenant une antenne-réseau formée d'une pluralité d'éléments d'antenne (Ai), à chacun desquels est couplé au moins un élément déphaseur (PHIi), - des moyens d'émission comprenant un générateur de fréquences (GF), et au moins un amplificateur d'émission (AE), - des moyens de réception comprenant des étages de tête (RP,RT), suivis d'étages de réception sélective (RS), - des moyens duplexeurs et distributeurs (DB) interconnectant les circuits d'antenne avec les moyens d'émission et de réception, caractérisé en ce qu'au moins un amplificateur d'émission (AE) est monté entre le générateur de fréquences (GF) et un distributeur-démultiplexeur (DE), dont les sorties sont reliées à des déphaseurs haut niveau (PEi), suivis de l'entrée de duplexeurs (DXi), aboutissant chacun à un élément d'antenne respectif (Ai), tandis que la sortie de réception de chaque duplexeur (DXi) est reliée à une voie de réception de tête à faible bruit respective (RPi,RTi), munie d'un déphaseur autonome bas niveau (PRi), dont la sortie aboutit à une entrée respective d'un distributeur-multiplexeur (DR), qui alimente les étages de réception sélective (RS). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les déphaseurs haut niveau (PEi) sont des déphaseurs à diodes de puissance (PIN). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les déphaseurs bas niveau (PRi) sont des déphaseurs en technologie monolithique à Arséniure de Gallium. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'amplificateur d'émission (AE) comprend un tube à ondes progressives. 9