Brevet FR2941818A1 — publié le 20100806

Antenne réseau. L'invention porte sur les antennes réseau, en particulier les antennes réseau utilisées pour équiper des radars. Bien que l'invention concerne tout type d'antenne réseau, elle vise plus particulièrement les antennes à balayage électronique selon au moins 5 un plan de balayage. Une antenne à balayage électronique est une antenne réseau comportant des moyens électroniques permettant des changements d'états de la forme du faisceau émis. Selon leur nature, ces moyens électroniques (déphaseurs, commutateur, filtres...) qui sont connectés aux éléments 10 rayonnants de l'antenne, agissent sur la forme, la direction, la fréquence ou la polarisation de l'onde formée. Parmi les antennes à balayage électronique, on distingue les antennes dites actives et les antennes dites passives. Une antenne à balayage électronique active correspond à une 15 antenne passive dont les moyens d'amplifications des signaux émis ou reçus sont inclus dans l'antenne. Elle peut également contenir des moyens électroniques avancés de réception, comme la conversion de fréquence ou le codage des signaux. Par rapport à une antenne réseau passive, une antenne réseau active est caractérisée par le fait que ses modules actifs sont 20 disposés entre les N éléments rayonnants et leurs sorties. Parmi les utilisations possibles, on dénombre les radars tridimensionnels à balayage électronique classiquement employés pour sonder l'atmosphère sans avoir à utiliser d'antenne mobile. Les radars employés pour le suivi de cibles très mobiles mettent 25 également en oeuvre ces antennes à balayage électronique. Un inconvénient des antennes à balayage électronique est notamment leur coût très élevé notamment du fait de leur architecture complexe. La faible reproductibilité des éléments constituant les antennes à balayage électronique, forme également un frein à leur développement. Un but de l'invention est notamment de résoudre les problèmes énoncés ci-dessous. A cet effet, selon un premier aspect de l'invention, il est proposé une antenne de type réseau apte à émettre et à recevoir un signal via des éléments rayonnants, comprenant une carte mère disposée le long d'une de ses faces. Selon une caractéristique générale de ce premier aspect, ladite ~o antenne comprend en outre : - un moyen de distribution du signal à émettre et recevoir, disposé le long de la carte mère, - une série de supports sous forme de plaques, parallèles entre elles et fixées perpendiculairement à la carte mère, 15 - au moins un module disposé le long de chaque support, chaque module comportant un nombre N desdits éléments rayonnants, et - des voies de distribution couplées entre le moyen de distribution et chaque module d'éléments rayonnants, chaque voie de distribution comprenant N sous-voies de distribution incorporées au sein du module 20 auquel elle est couplée, chaque sous-voie étant apte à acheminer le signal vers un élément rayonnant auquel elle est associée. L'invention a pour avantage de proposer une antenne réseau combinant une architecture modulaire des éléments rayonnants et une répartition par plaques. 25 Grâce au caractère modulaire et répétitif de la structure, la production d'une telle antenne revient à réaliser facilement un type d'objet donné (modules incluant des éléments rayonnants) en plusieurs exemplaires, ce qui permet d'optimiser les coûts de production. Il est également envisageable d'utiliser une architecture donnée de 30 module pour des antennes différentes (par exemple en terme de surface rayonnante, type de découpe, nombre total d'éléments rayonnants). Le caractère modulaire rend donc possible l'utilisation d'un objet générique (module incluant des éléments rayonnants) pour plusieurs produits différents (différentes antennes), ce qui permet : - d'augmenter le nombre d'objets identiques à produire - de réduire les coûts unitaires de production. Au final les coûts de production sont fortement diminués. Selon un mode de réalisation, l'antenne peut comprendre au moins deux modules identiques. Selon un mode de réalisation, dans le cas où une antenne 10 comprend plusieurs types de modules différents, chaque type de module peut comprendre un nombre distinct d'éléments rayonnants. Selon un mode de réalisation, l'antenne peut comprendre au moins un module couplé à au moins deux voies de distribution différentes. Selon un mode de réalisation, les éléments rayonnants peuvent 15 comprendre des composants de type hyperfréquences montés en surface. Selon un mode de réalisation, chaque module peut comprendre en entrée un bloc de distribution des signaux à émettre ou à recevoir, et en amont de chaque élément rayonnant : - un moyen de déphasage/atténuation, 20 - un premier moyen d'amplification apte à fonctionner lorsque l'antenne fonctionne en émission, et en parallèle, - un deuxième moyen d'amplification apte à fonctionner lorsque l'antenne fonctionne en réception. Selon un mode de réalisation, chaque module peut comprendre 25 entre le premier et le deuxième moyen de réception et l'élément rayonnant, un premier circulateur associé à une charge. En variante, chaque module peut comprendre un deuxième circulateur couplé entre le premier circulateur et l'élément rayonnant. Par exemple, l'antenne peut être de type active. 30 Par exemple, l'antenne peut être de type à balayage électronique selon au moins un plan de balayage. Selon un deuxième aspect de l'invention, il est proposé une utilisation d'une antenne telle que mentionnée ci-dessus, au sein d'un radar. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée et de modes de réalisation de l'invention, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : les figures 1 et 2 illustrent selon deux angles différents un mode de réalisation d'une antenne selon l'invention, les figures 3 et 4 représentent deux variantes de ~o l'architecture de l'antenne selon l'invention, et la figure 5 illustre plus en détail un mode de réalisation des éléments rayonnants de l'antenne selon l'invention, la figure 6 illustre un exemple d'implémentation d'un 15 module selon l'invention. On se réfère à la figure 1 où la référence ANT désigne une antenne réseau selon l'invention. L'antenne ANT peut être de type à balayage électronique, selon au moins un plan de balayage. Cette antenne ANT comprend une carte mère CM, classiquement, 20 un circuit imprimé multicouches. La carte mère CM est fixée au support de l'antenne (non représenté à des fins de simplification) par l'intermédiaire d'un élément de structure mécanique MCCM représenté sur la figure 2. Cette figure 2 représente une portion de l'antenne ANT illustrée sur la figure 1, vue de profil. Les éléments communs entre ces deux figures portent les mêmes 25 références. On se réfère de nouveau à la figure 1. Sur la carte mère CM, est fixé un moyen de distribution MDI du signal à émettre et recevoir (signal hyperfréquence) par l'antenne ANT. Ce moyen de distribution MDI est encore appelé moyen de distribution 30 hyperfréquence. Perpendiculairement à la carte mère CM sont disposées des plaques PL également appelées poutres. Ces plaques PL sont parallèles entre-elles. Les plaques PL servent de support à des modules MOD qui incluent des éléments rayonnants ELR. Elles assurent également le refroidissement des modules MOD en évacuant la chaleur vers l'arrière de l'antenne ANT. Les éléments rayonnants ELR sont alimentés via des voies d'alimentation VAL reliées à la carte mère. Plus précisément, comme représenté sur la figure 2, les voies d'alimentation VAL sont reliées à des plots d'alimentation PAL connectés sur la carte mère CM. Par ailleurs, les éléments rayonnants ELR sont regroupés en plusieurs modules MOD comme illustré sur la figure 1. Dans cet exemple chaque module MOD comprend N éléments rayonnants ELR, N étant un entier. Sur la figure 1, les N élément rayonnants ELR d'un module MOD sont disposés sur un même support physique. Toutefois, en variante, il est possible de réaliser les éléments rayonnants ELR sur différents supports, connectés entre eux, de façon à former le module MOD. Chaque module MOD est relié au moyen de distribution 20 hyperfréquence MDI par l'intermédiaire de voies de distribution VDI, dites voies de distribution hyperfréquence. Chaque voie de distribution VDI comprend N sous-voies de distribution SV1, ..., SVN incorporées au sein du module MOD auquel elle est couplée. Chaque sous-voie est respectivement associée à un élément 25 rayonnant ELR. Chaque sous-voie SV1, ..., SVN est apte à acheminer le signal hyperfréquence vers l'élément rayonnant ELR auquel elle est associée. Comme illustré sur la figure 2, le signal hyperfréquence est acheminé vers le moyen de distribution hyperfréquence via des liaisons 30 radiofréquences LRF. La répartition des éléments rayonnants ELR en module permet de faciliter la fabrication des éléments constitutifs de l'antenne ainsi que le montage de ces derniers. La répartition des modules par plaque permet de mutualiser certaines fonctions, telles que le refroidissement des éléments rayonnant. Par ailleurs, cette répartition facilite l'établissement des connexions servant à l'alimentation des éléments rayonnants et à la transmission des signaux hyperfréquences vers ces derniers. Comme on peut le voir sur la figure 2, l'antenne ANT comporte également un plan réflecteur PL au travers duquel passent les éléments rayonnants ELR (à des fins de clarté, ce plan réflecteur n'est pas représenté sur la figure 1). Le plan réflecteur PL est une plaque conductrice, en général métallique, placée à la base des éléments rayonnants. On se réfère à présent à la figure 3. Celle-ci représente très simplement une antenne ANT selon l'invention vue de face. Chaque rectangle symbolise une plaque PL équipée d'un ou plusieurs modules d'éléments rayonnants ELR. Selon le nombre d'éléments rayonnants que comprennent les modules d'une plaque donnée, celle-ci est représentée en gris ou en blanc. Ainsi, les modules des plaques centrales grises comprennent N1 éléments rayonnants, et les plaques externes blanches comprennent N2 éléments rayonnants. La cohabitation de différents types de modules est particulièrement utilisée pour la réalisation d'antennes dont la surface rayonnante n'est pas à découpe rectangulaire. Elle offre la possibilité d'approcher au mieux une découpe circulaire ou courbe. La figure 4 représente une variante des modules MOD selon l'invention. Selon cette variante un même module MOD peut être connecté à deux voies de distribution différentes, ici VDIA et VDIB. Une partie des éléments rayonnants du module (n1 dans cet exemple) reçoit un premier signal hyperfréquence, et une autre partie (n2 éléments dans cet exemple) reçoit un autre signal hyperfréquence. Cette variante permet de moduler au plus près la loi d'éclairement de l'antenne ANT. On se réfère à présent à la figure 5 qui illustre plus en détail les éléments rayonnants ELR et la portion de la voie de distribution hyperfréquence auxquels ils sont connectés. On considère ici les éléments rayonnants ELR1 ... ELR2 d'un 10 module donné MOD. La voie d'alimentation VAL est connectée à chacun des éléments rayonnants ELR de façon à les alimenter. La voie de distribution VDI est connectée à un bloc commun BLC apte à distribuer les signaux hyperfréquences correspondant vers chacune 15 des N sous-voies SV1, ..., SVN lorsque l'antenne fonctionne en émission, et à sommer les signaux reçus sur l'ensemble des N sous-voies, lorsque l'antenne fonctionne en réception. Par ailleurs, sur chaque sous-voie de distribution SV1, ..., SVN, est disposé un moyen de déphasage/atténuation DAI, DA2,..., DAN. Ces 20 moyens ont pour fonction de commander le gain et/ou la phase de chaque signal hyperfréquence à émettre ou reçu. Les moyens de déphasage/atténuation DA1, DA2,..., DAN seront décrits plus en détail ci-après. En sortie de ces moyens de déphasage/atténuation DAI, DA2,..., 25 DAN, chaque sous-voie de distribution SV1, ..., SVN est divisée en deux parties : - une partie associée à la réception d'un signal, et - une partie associée à l'émission d'un signal. La partie associée à l'émission comprend tout d'abord un 30 préamplificateur (� driver� en langue anglaise) DR1, DR2, ..., DRN. La sortie de chaque préamplificateur DR1, DR2, ..., DRN est connectée à un amplificateur HPA1, HPA2, ..., HPAN (premiers moyens d'amplification), par exemple de type HPA (pour � High Power Amplifier � en langue anglaise). Ces derniers amplifient le signal à émettre. Un premier circulateur (ou élément circulatoire) CIR12, CIR21, ..., CIRN1 achemine le signal de la sortie de l'amplificateur HPA1, HPA2, ..., HPAN vers l'élément rayonnant correspondant ELR1, ELR2, ..., ELRN. Une charge adaptée CHI, CH2, ..., CHN est couplée à chaque circulateur CIR11, CIR21, ..., CIRN1. L'autre partie associée à la réception comprend, en sortie de chaque élément rayonnant ELR1, ELR2, ..., ELRN, un deuxième circulateur CIR12, CIR22, ..., CIRN2, apte à acheminer le signal reçu vers l'entrée d'un limiteur LM1, LM2, ...LMN. La sortie de chaque limiteur LM1, LM2, ...LMN est reliée à un amplificateur de type faible bruit LNA1, LNA2, ..., LNAN (deuxièmes moyens d'amplification) apte à amplifier le signal reçu par l'élément rayonnant ELR1, ELR2, ..., ELRN. La sortie de chaque amplificateur de type faible bruit LNA1, LNA2, ..., LNAN est reliée au moyen de déphasage/atténuation DA1, DA2,..., DAN correspondant. Les limiteurs LM1, LM2, ...LMN ont pour fonction de protéger les entrée des amplificateurs LNA1, LNA2, ..., LNAN lorsque l'antenne fonctionne en émission ou lorsqu'elle est soumise à des champs forts. Plus précisément, lorsque l'antenne fonctionne en émission, les deux circulateurs CIR11 et CIR12 (dans le cas de la sous-voie de distribution SV1, mais le principe est le même pour toutes les voies de distribution) acheminent le signal de la sortie de l'amplificateur HPA1 vers l'élément rayonnant ELR1. Toutefois une petite partie du signal à émettre est réfléchie par l'élément rayonnant ELR1 vers la sous-voie de distribution SV1. L'association des deux circulateurs CIR11, CIR12 et de la charge CHI a pour avantage qu'en mode émission, la portion de signal réfléchie par l'élément rayonnant ELR1, traverse le circulateur CIR12, se réfléchit sur le limiteur LM1 et aboutit (est absorbé) dans la charge adaptée via le circulateur CIR11. Dans ce cas, le limiteur LM1 placé sur la voie de réception se 5 comporte donc comme un court-circuit. Ainsi, aucune énergie parasite ne se trouve redirigée vers l'entrée de l'élément rayonnant ELR1. Si tel était le cas, ce rayonnement parasite viendrait perturber le rayonnement souhaité de l'antenne, et son fonctionnement par des désadaptations de la partie rayonnante. 10 En outre, l'absence des circulateurs CIR11, de la charge associée CH1 (avec la sortie de l'amplificateur HPA1 directement reliée au circulateur CIR12), entrainerait une réflexion du signal renvoyé par l'élément rayonnant ELR1 sur le limiteur LM1. Le signal réfléchi par le limiteur LM1 serait renvoyé sur la sortie de 15 l'amplificateur HPA1 (avec un risque de fragilisation de ce dernier) puis, après réflexion sur la sortie de l'amplificateur HPA1 d'une portion résiduelle de l'énergie, à un rayonnement parasite au travers de l'élément rayonnant ELR1. De même, en mode réception, la présence des deux circulateurs 20 CIR11, CIR12 et de la charge CH1 procure une meilleure isolation de la sortie de l'amplificateur HPA1. On évite ainsi les effets de réflexions parasites sur l'amplificateur HPA1 et sur l'élément rayonnant ELR1. On améliore également la robustesse vis-à-vis d'éventuelles agressions de l'antenne par des champs forts. 25 On note qu'en variante, un seul circulateur CIR11, CIR N1 associé à une charge pourrait être connecté entre chaque élément rayonnant et le premier et deuxième moyen d'amplification. Un exemple de moyen de déphasage/atténuation DAN est représenté sur la loupe de la figure 5. Par exemple, chaque moyen de déphasage/atténuation peut être un circuit intégré monolithique hyperfréquence réalisé en arséniure de gallium. L'entrée du moyen de déphasage/atténuation DAN comprend un premier commutateur COMN1 apte à connecter l'entrée ES du moyen de déphasage/atténuation DAN vers la borne BI dans le cas où l'antenne fonctionne en réception et vers la borne B2 dans le cas où l'antenne fonctionne en émission. On se place dans le cas où le commutateur COMN1 est connecté 10 sur la borne B2. Le signal à émettre est transmis vers un premier amplificateur AMPN1 pour être amplifié. La sortie de cet amplificateur AMPN1 est reliée à un autre commutateur COMN2, qui dirige le signal hyperfréquence à émettre avec un déphaseur DEPN. En fonction de la loi d'éclairement de l'antenne le 15 déphaseur DEPN est apte à appliquer un déphasage au signal hyperfréquence. Le signal hyperfréquence déphasé est alors amplifié par un autre amplificateur AMPN2 puis contrôlé en amplitude par un moyen d'atténuation ou atténuateur ATTN. 20 Le signal est de nouveau amplifié par un autre amplificateur AMPN3 puis délivré vers une sortie SI connecté au préamplificateur DR1 via un commutateur COMN3 et un amplificateur de sortie AMPN4. En réception, le signal est reçu par le moyen de déphasage/atténuation DAN sur une entrée E2. Il est transmis vers le 25 déphaseur DEPN qui permet d'orienter la réception du signal selon la l'angle de provenance de celui-ci. Le signal reçu est alors amplifié par l'amplificateur AMPN2 puis l'atténuateur pondère le signal reçu par exemple, selon que l'élément rayonnant est localisé au centre ou sur les bords de l'antenne considéré. Le signal est de nouveau amplifié par l'amplificateur AMPN3 puis délivré par la sortie ES du moyen de déphasage/atténuation DAN, via le commutateur COMN3 et un amplificateur de sortie AMPN6. On se réfère à présent à la figure 6 qui illustre un exemple d'implémentation d'un module MOD selon l'invention. Les éléments en communs avec les figures précédentes conservent les mêmes références. Le module MOD est formé ici d'un circuit imprimé multicouche CI sur lequel sont montés des composants, dans cet exemple : un préamplificateur DR, un circulateur CIR, un limiteur LM et un amplificateur de type faible bruit LNA. De préférence, les composants de type hyperfréquence, ici le préamplificateur DR, le limiteur LM et l'amplificateur de type faible bruit LNA, sont montés en surface, selon une technologie dite CMS (� Composants Montés en Surface �). Cette technologie permet un montage simultané et facile des composants, notamment dans le cas de structure répétitive, telle qu'une structure basée sur des modules. Ces composants et le circuit imprimé Cl sont refroidis à l'aide des plaques et plus particulièrement par l'intermédiaire d'un fluide FL circulant au 20 sein d'un circuit monté au sein des plaques PL. Par ailleurs, d'autres composants analogiques ou numériques CMP1, CMP2 peuvent être montés sur le circuit imprimé Cl. Ces composants peuvent être des puces ou encore des circuits logiques de type FPGA (� Field Programmable Gate Array � en langue anglaise). 25 REVENDICATIONS1. Antenne (ANT) de type réseau apte à émettre et à recevoir un signal via des éléments rayonnants (ELR), comprenant une carte mère (CM) disposée le long d'une de ses faces, caractérisée par le fait que ladite antenne comprend en outre : - un moyen de distribution (MDI) du signal à émettre et recevoir, disposé le long de la carte mère, ~o - une série de supports (PL) sous forme de .plaques, parallèles entre elles et fixées perpendiculairement à la carte mère (CM), - au moins un module (MOD) disposé le long de chaque support, chaque module comportant un nombre N desdits éléments rayonnants (ELR), et 15 - des voies de distribution (VDI) couplées entre le moyen de distribution (MDI) et chaque module (MOD) d'éléments rayonnants, chaque voie de distribution (VDI) comprenant N sous-voies de distribution (TERM1, TERMN) incorporées au sein du module (MOD) auquel elle est couplée, chaque sous-voie étant apte à acheminer le signal vers un élément 20 rayonnant (ELR) auquel elle est associée. 2. Antenne selon la revendication précédente, comprenant au moins deux modules identiques. 3. Antenne selon l'une des revendications précédentes, comprenant plusieurs types de modules différents, chaque type de module 25 (MOD) comprenant un nombre distinct d'éléments rayonnants (ELR). 4. Antenne selon l'une des revendications différentes, comprenant au moins un module (MOD) couplé à au moins deux voies de distribution différentes (VDIA, VDIB). 5. Antenne selon l'une des revendications précédentes, dans 30 lequel les éléments rayonnants (ELR) comprennent des composants de type hyperfréquences montés en surface. 6. Antenne selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque module (MOD) comprend en entrée un bloc de distribution (BLC) des signaux à émettre ou à recevoir, et en amont de chaque élément rayonnant : - un moyen de déphasage/atténuation (DA1, DA2, ..., DAN), - un premier moyen d'amplification apte à fonctionner lorsque l'antenne fonctionne en émission, et en parallèle, - un deuxième moyen d'amplification apte à fonctionner lorsque l'antenne fonctionne en réception. 7. Antenne selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque module (MOD) comprend entre le premier et le deuxième moyen de réception et l'élément rayonnant, un premier circulateur associé à une charge. 8. Antenne selon la revendication précédente, dans lequel chaque 15 module (MOD) comprend un deuxième circulateur couplé entre le premier circulateur et l'élément rayonnant. 9. Antenne selon l'une des revendications précédentes, de type active. 10. Antenne selon l'une des revendications précédentes, étant de 20 type à balayage électronique selon au moins un plan de balayage. 11. Utilisation d'une antenne selon l'une des revendications précédentes, au sein d'un radar. 25