Brevet FR2925770A1 — publié le 20090626

ANTENNE RESEAU AVEC ELEMENTS RAYONNANTS, REPARTIS NON UNIFORMEMENT EN SOUS-RESEAUX L'invention vise les antennes réseaux, et plus particulièrement les 5 antennes réseaux dites actives. De manière générale, les antennes réseaux sont constituées d'éléments rayonnants (ou sources rayonnantes) identiques. Classiquement, dans le cas des antennes réseaux linéaires (c'est-à-dire ayant ses éléments rayonnants alignés), les sources sont équidistantes. 10 Par ailleurs, ces sources sont alimentées avec la même valeur de tension. Autrement dit, on applique à l'ensemble des sources rayonnantes une loi de pondération uniforme. Cette loi conduit à l'obtention d'un diagramme de rayonnement présentant des lobes secondaires élevés. On rappelle qu'un diagramme de rayonnement correspond à la transformée de 15 Fourier de la loi d'éclairement de l'antenne réseau qui elle-même traduit la répartition de la puissance lumineuse de l'antenne à différents endroits, autour de l'antenne. Une loi d'éclairement optimale a une croissance régulière entre chaque extrémité de l'antenne réseau et son centre. L'optimum de la puissance 20 lumineuse est atteint aux environs du centre de l'antenne réseau linéaire. La présence de lobes secondaires de forte amplitude dans le diagramme de rayonnement de l'antenne étudiée correspond à une loi d'éclairement très éloignée d'une loi optimale. Dans les systèmes incorporant ce type d'antenne réseau, il est fréquent 25 de préconiser des lobes secondaires faibles, par exemple à l'émission d'un signal. Cela permet d'éviter toute perte de puissance dans des directions angulaires autres que la direction utile de rayonnement (lobe principal de l'antenne) ou encore pour des raisons de pollution électromagnétique (lorsqu'une partie de la puissance du signal émis est dispersée dans une 30 direction non souhaitée). Dans le cas où l'antenne fonctionne en récepteur, il est également préférable d'éviter la présence de lobes secondaires de forte amplitude au sein du diagramme de rayonnement, de manière à s'affranchir de tout risque de perturbation par des brouilleurs d'ondes intentionnels ou non. Il est possible néanmoins de limiter l'amplitude de ces lobes secondaires en appliquant sur les sources de l'antenne réseau une pondération adaptée, à l'aide par exemple une loi de Gauss, de Taylor ou de Chebyshev, ces lois étant bien connues de l'homme du métier. Celles-ci impliquent une modulation de l'amplitude de la tension délivrée aux éléments rayonnants. Une antenne réseau dite active comporte dans son architecture une amplification distribuée, c'est-à-dire que des éléments d'amplification radiofréquences sont positionnés entre le point d'entrée de l'antenne réseau et les éléments rayonnants constituant ladite antenne réseau. Ces éléments d'amplification (ou amplificateurs) sont en général des modules pouvant être utilisés à la fois en réception et en émission. Ils comprennent parfois des éléments de déphasage pour pointer le faisceau émis par l'antenne réseau dans des directions autres que la normale à l'antenne réseau. A l'émission, la puissance pouvant être délivrée par les modules 20 précités est limitée par la technologie. Elle ne peut dépasser un certain niveau lié au point de saturation de l'élément d'amplification. Pour une antenne active, la puissance rayonnée est limitée par la somme des puissances délivrées en sorties des éléments d'amplification radiofréquences. A nombre éléments d'amplification radiofréquences donné, 25 il est préférable que ces éléments fonctionnent avec une puissance de sortie maximale, c'est-à-dire à saturation. Pour une antenne réseau de type active constituée de modules identiques, la puissance de sortie des modules est également identique. Si une pondération de la loi d'éclairement est appliquée en modulant la 30 puissance des éléments d'amplification radiofréquences, on réduit la puissance délivrée (en émission) par ceux situés aux extrémités de l'antenne réseau. Par conséquent, la pondération ainsi effectuée entraîne une perte de la puissance totale générée par l'antenne réseau. Par ailleurs, pour une antenne réseau de type active en mode de réception, sa sensibilité est liée au gain de l'antenne réseau (donc à sa dimension) et au bruit généré par l'antenne réseau. Ce bruit doit donc être minimal. Si l'on effectue une pondération de la loi d'éclairement à l'aide d'atténuateurs positionnés en aval des amplificateurs, s'ensuit alors une augmentation du bruit généré par l'antenne réseau. La sensibilité de l'antenne est par conséquent diminuée. Il est possible d'effectuer la pondération en question, de façon figée par un sommateur de signaux formant les voies utiles du réseau de l'antenne fonctionnant en tant que récepteur. Mais dans ce cas, le diviseur radiofréquence dédié à la répartition du signal lorsque l'antenne réseau fonctionne en émission, ne peut être utilisé pour la sommation des signaux lorsque l'antenne réseau est utilisée en tant que récepteur. Un circuit spécifiquement adapté à la réception de signaux doit alors être implanté au sein de l'antenne. Ceci comporte de nombreux désavantages : l'antenne réseau est encombrante ; il est nécessaire d'ajouter une voie supplémentaire à implanter le réseau d'éléments rayonnants formant l'antenne considérée ; l'architecture globale de l'antenne réseau est complexifiée ; sa masse et son coût de fabrication augmentent. Une autre technique connue pour effectuer une pondération de l'amplitude de la puissance rayonnée par l'antenne est de former des sous- réseaux d'éléments rayonnants. En d'autres termes, on regroupe les éléments rayonnants en bloc, chaque bloc comprenant plus ou moins d'éléments rayonnants. Chacun de ces sous-réseaux est alimenté via un amplificateur, l'ensemble des amplificateurs utilisés au sein de l'antenne réseau étant identiques. Le nombre d'éléments rayonnants que comporte chaque sous-réseau varie en fonction de la puissance moyenne que l'on souhaite que l'élément rayonnant dégage dans le cas où l'antenne fonctionne en émission. En effet, comme chaque sous-réseau est relié au même amplificateur, la même valeur de tension est délivrée à chaque sous-réseau. Par conséquent, plus le sous-réseau comporte d'éléments rayonnants, plus la puissance rayonnée par chacun de ces éléments est faible. Cependant, la loi d'éclairement obtenue avec ce type d'antenne réseau comporte des marches ou créneaux. Par exemple, celle-ci peut être faible sur une première portion de l'antenne, passer à une valeur maximale sur une deuxième portion de l'antenne puis repasser à une valeur faible sur une dernière portion de l'antenne. Cette loi d'éclairement implique une remontée des lobes secondaires, ce qui est particulièrement néfaste pour des antennes réseaux de petite dimension. L'invention vise notamment à apporter une solution à ces problèmes. Un but de l'invention est de proposer une antenne réseau, en particulier une antenne réseau active ayant une loi d'éclairement souhaitée, autrement dit une loi d'éclairement optimale pour l'utilisation faite de l'antenne réseau considérée. A cet effet, il est proposé une antenne réseau comprenant des éléments rayonnants répartis en sous-réseaux, les sous-réseaux étant alimentés via des amplificateurs sensiblement identiques fonctionnant à niveau identique à l'émission. Selon une caractéristique générale de l'invention, les éléments rayonnants d'un même sous-réseau sont répartis de manière non uniforme dans l'espace, la distance entre deux éléments rayonnants adjacents étant fonction de la loi d'éclairement souhaitée pour ladite antenne réseau et des caractéristiques techniques des sous-réseaux. De préférence, l'écart entre deux éléments rayonnants est proportionnel à la longueur d'onde du signal émis par ladite antenne réseau. En d'autres termes, on répartit les éléments rayonnants en fonction de la loi souhaitée tout en tenant compte des caractéristiques techniques des sous-réseaux. On pondère ainsi spatialement la puissance émise ou reçue par l'antenne réseau sans modifier la puissance délivrée par les amplificateurs utilisés pour l'alimentation des éléments rayonnants. Par exemple, une caractéristique technique d'un sous-réseau peut être le nombre d'éléments rayonnants qu'il comporte. De préférence, les sous-réseaux localisés au centre de l'antenne réseau comportent moins d'éléments rayonnants que les sous-réseaux situés à ses extrémités. Selon un mode de réalisation, la position d'un élément rayonnant de rang i au sein de ladite antenne réseau, i étant un entier, peut être déterminée de façon que la densité de puissance dudit élément rayonnant de rang i soit sensiblement égale à la densité de puissance d'un élément rayonnant également de rang i incorporé au sein d'une antenne réseau ayant une répartition uniforme de ses éléments rayonnants, et dont la puissance émise ou reçue par chaque élément rayonnant correspond à la loi d'éclairement souhaitée. Selon un mode de réalisation, les éléments rayonnants peuvent être disposés linéairement. Selon un autre mode de réalisation, les sous-réseaux peuvent être répartis selon deux directions orthogonales. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée des modes de réalisation de l'invention nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : -la figure la illustre une loi d'éclairement pour une antenne réseau selon l'invention ; -la figure 1 b illustre un mode de réalisation d'une antenne réseau de type active selon l'invention ; et - la figure 2 représente un exemple d'un diagramme de rayonnement d'une antenne réseau selon l'invention. On se réfère aux figures la et 1 b. La première figure représente un exemple de loi d'éclairement d'une antenne réseau ANT représentée sur la figure lb, lorsque celle-ci fonctionne en émission. La loi d'éclairement correspond à la variation de la puissance moyenne Pi, rayonnée par les différents éléments rayonnants d'une antenne réseau selon l'invention, ici l'antenne réseau ANT illustrée sur la figure 1 b. Cette variation est donc fonction d'une distance (ici en mètre, m). La loi d'éclairement représentée passe d'une valeur très faible Pmin pour l'élément rayonnant situé à la première extrémité de l'antenne réseau, à une valeur maximale Pmax au centre de l'antenne, puis repasse à la valeur faible Pmin à la seconde extrémité de l'antenne réseau ANT. L'évolution de la valeur minimale Pmin à la valeur maximale Pmax et vice versa, se fait de façon progressive. L'antenne réseau ANT représentée sur la figure 1 b, comporte ici douze éléments rayonnants ELT identiques. Ils sont répartis en quatre sous-réseaux SRI, SR2, SR3 et SR4. Les sous-réseaux SRI et SR4 disposés aux extrémités de l'antenne réseau ANT comprennent chacun quatre éléments rayonnants, tandis que les deux sous-réseaux du centre SR2 et SR3 comprennent respectivement deux éléments rayonnants. Comme on peut le voir sur la figure 1 b, l'espacement entre deux éléments rayonnant ELT n'est pas équidistant. Chaque sous-réseau SRI, SR2, SR3 et SR4 possède sa propre répartition spatiale des éléments rayonnants ELT qu'il incorpore. L'aspect général de cette répartition spatiale interne aux sous-réseaux aboutit à des éléments rayonnants plus resserrés au centre de l'antenne réseau ANT qu'à ses extrémités et, dans chaque sous-réseau, plus resserrés à mesure que l'on se rapproche du centre de l'antenne ANT. Cette répartition permet l'obtention de la loi d'éclairement représentée sur la figure la. Chaque sous-réseau SRI, SR2, SR3 et SR4 est alimenté via un amplificateur radiofréquence, respectivement référencé AMP1, AMP2, AMP3 et AMP4, connectés en entrée ENT de l'antenne réseau ANT. Ces derniers sont aptes à fonctionner à la fois lors de l'émission et lors de la réception d'un signal par l'antenne réseau ANT. Les différents éléments sont couplés entre eux par l'intermédiaire d'un chemin électrique CH formant un sommateur lorsque l'antenne réseau ANT reçoit un signal, et en diviseur lorsque celle-ci émet un signal. On considère ici que les longueurs entre chaque sortie des amplificateurs et les éléments rayonnants auxquels ils sont reliés sont identiques. Chaque amplificateur AMP1, AMP2, AMP3 et AMP4 délivre la même valeur de tension au sous-réseau auquel il est connecté, à savoir sa valeur de saturation. En raison de son architecture en sous-réseaux, l'antenne réseau ANT opère une pondération par bloc sur la puissance rayonnée par ses éléments rayonnants ELT. A celle-ci est adjointe une répartition spatiale à l'intérieur de chaque sous-réseau SRI, SR2, SR3 et SR4. De ce fait, lorsque l'antenne réseau ANT fonctionne en émission, la densité locale de puissance rayonnée (c'est-à-dire la puissance rayonnée par unité de longueur, par exemple le mètre, autour de l'élément rayonnant considéré) par un élément rayonnant ELT est fonction : de la puissance alimentant l'élément, de la surface occupée par l'élément rayonnant considéré, celle-ci étant fonction de la distance aux éléments rayonnants voisins, du nombre d'éléments rayonnants total qu'incorpore le sous-réseau auquel il appartient. Ainsi pour une puissance d'alimentation donnée, plus l'écartement entre l'élément rayonnant considéré et ses voisins est réduit et plus le sous-réseau incorporant l'élément rayonnant comprend un nombre faible d'éléments rayonnants, plus la densité locale de rayonnement est alors importante. On dit dans ce cas que les éléments rayonnants ELT possédant une densité locale de puissance rayonnée importante, sont affectés d'un poids plus important que celui des autres éléments. De même, lorsque l'antenne réseau ANT fonctionne en réception, les éléments rayonnants ELT appartenant à une zone de l'antenne réseau ANT où ces derniers sont plus resserrés, possède un plus grands poids que les autres éléments. Plus précisément, la position de chaque élément rayonnant est calculée en considérant la densité de puissance apportée par un élément rayonnant intégrée au sein d'une antenne réseau passive. Une antenne réseau passive à l'inverse d'une antenne réseau active, ne comporte pas d'amplificateur en aval de ses éléments rayonnants, qui sont quant à eux répartis de façon régulière. Pour une antenne réseau considérée à l'émission, l'élément rayonnant de rang i, positionné au centre d'un segment de longueur D; (correspondant au pas local du sous-réseau non-uniforme), il vient : D, = DoP, /Pond,., où - Do est le pas entre deux sources d'un réseau régulier, - P;=Po/N; tel que Po est la puissance fournie par l'amplificateur relié à l'élément rayonnant de rang i et Ni est le nombre d'éléments au sein du sous-réseau considéré, et - Pond; est la puissance équivalente souhaitée, correspondant à l'application de la loi de pondération souhaitée en regard de la position correspondant à l'élément i d'une l'antenne réseau dont les éléments rayonnants sont répartis uniformément. Une optimisation peut être effectuée, en particulier aux endroits des changements de type de coupleur, c'est-à- dire aux jonctions entre deux-sous-réseaux. Cette optimisation permet de contrecarrer les coupages parasites entre deux éléments rayonnants, en particulier entre deux éléments rayonnants appartenant à deux extrémités adjacentes de deux sous-réseaux distincts. Cette optimisation peut s'apparenter à un lissage de la puissance émise (dans le cas d'une émission). Un exemple de diagramme de rayonnement obtenu avec une antenne réseau selon l'invention, est représenté sur la figure 2. Les premiers lobes secondaires LS sont situés environ 22 dB en dessous du lobe principal LP. Bien entendu, l'antenne réseau peut être linéaire comme pour l'exemple décrit ci-avant, mais également être en deux dimensions. La position des éléments rayonnants est alors définie selon deux directions orthogonales sur la surface de l'antenne. Deux architectures sont alors possibles : la loi d'éclairement est séparable suivant ces deux directions orthogonales et les amplificateurs sont connectés via des diviseurs à des sous-réseaux linéaires d'éléments rayonnants. L'antenne peut être considérée comme l'empilage (c'est-à-dire un montage côte à côte) de réseaux linéaires découpés en sous-réseaux et à pondération spatiale dans chaque sous-réseau un tel que décrit ci- avant, ou les amplificateurs sont connectés via des diviseurs à des sous-réseaux bidimensionnels d'éléments rayonnants ; dans ce cas, on considère une découpe en sous-réseau surfacique et un ajustement de la position des sources suivant les deux directions orthogonales sur la surface de l'antenne réseau. REVENDICATIONS 1- Antenne réseau (ANT) comprenant des éléments rayonnants (ELT) répartis en sous-réseaux (SRI, SR2, SR3, SR4), les sous-réseaux étant alimentés via des amplificateurs (AMP1, AMP2, AMP3, AMP4) sensiblement identiques fonctionnant à niveau identique à l'émission, caractérisé par le fait que les éléments rayonnants (ELT) d'un même sous-réseau sont répartis de manière non uniforme dans l'espace, la distance entre deux éléments rayonnants adjacents étant fonction de la loi d'éclairement souhaitée pour ladite antenne réseau et des caractéristiques techniques des sous-réseaux (SR1, SR2, SR3, SR4). 2-Antenne réseau (ANT) selon la revendication précédente, dans lequel une caractéristique technique d'un sous-réseau est le nombre d'éléments rayonnants (ELT) qu'il comporte. 3- Antenne réseau (ANT) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les sous-réseaux localisés au centre de l'antenne réseau comportent moins d'éléments rayonnants (ELT) que les sous-réseaux situés à ses extrémités. 4 - Antenne réseau (ANT) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la position d'un élément rayonnant de rang i au sein de ladite antenne réseau (ANT), i étant un entier, est déterminée de façon que la densité de puissance dudit élément rayonnant de rang i soit sensiblement égale à la densité de puissance d'un élément rayonnant également de rang i incorporé au sein d'une antenne réseau ayant une répartition uniforme de ses éléments rayonnants, et dont la puissance émise ou reçue par chaque élément rayonnant correspond à la loi d'éclairement souhaitée. 5 - Antenne réseau (ANT) selon la revendication précédente, dans laquelle l'écart entre deux éléments rayonnants est proportionnel à la 30 longueur d'onde du signal émis par ladite antenne réseau (ANT). 6- Antenne réseau (ANT) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les éléments rayonnants sont disposés linéairement. 7 - Antenne réseau (ANT) selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle les sous-réseaux sont répartis selon deux directions orthogonales.5