Brevet FR2960100A1 — publié le 20111118

Calibration d'une antenne électronique à balayage comportant un réseau d'éléments rayonnants Le domaine de l'invention concerne les antennes actives d'émission et/ou de réception à balayage électronique pour applications radars et télécommunications civiles ou militaires dans le domaine des ondes radiofréquences. Le domaine d'application de l'antenne est celui des ondes hyperfréquences, ou encore appelées micro-ondes, correspondant à une certaine partie du spectre des ondes radiofréquences, celle des ondes submétriques jusqu'aux ondes millimétriques, c'est-à-dire au moins la bande de fréquences de 300 MHz à 300 GHz , soit en longueurs d'onde de 1 m à 1 mm , étendue parfois à la bande de 100 MHz à 1 000 GHz , soit de 3 m à 0,3 mm. Une antenne réseau active présente une architecture à amplification distribuée, c'est-à-dire qu'elle comprend des éléments d'amplification radiofréquence positionnés entre le point d'entrée de l'antenne et les éléments rayonnants constituant le réseau, à un niveau donné de l'architecture. On appelle antennes actives à balayage électronique les dispositifs antennaires dont on est capable de modifier la directivité et l'orientation du faisceau par commande électronique. On est ainsi capable, dans des temps relativement courts, d'assurer soit un balayage continu de l'espace, soit des pointages successifs dans des directions bien déterminées, soit des alternances faisceaux étroits/ faisceaux étendus, soit tout autre combinaison de ces situations. Concernant un domaine d'application, on peut citer les radars aéroportés pouvant réaliser un balayage tridimensionnel du faisceau antennaire sans mouvement physique de l'antenne. Le radar est capable par exemple de mettre en oeuvre un mode de détection et de poursuite automatique à grande distance de cibles aériennes. Dans une implantation classique d'une voie d'antenne réseau à balayage électronique active pour radar, chaque élément rayonnant est associé à un module comportant différentes fonctions : pilotage du faisceau antennaire principalement réalisé par un circuit de déphasage, commutation entre les voies d'émission et de réception et amplification des voies d'émission et de réception. La technologie utilisée pour la propagation des ondes électromagnétiques dans le module est le plus souvent une technologie imprimée sur substrat diélectrique : microruban (« microstrip »), ligne coplanaire (« coplanar waveguide ») ou triplaque (« stripline »). On connaît des technologies d'éléments rayonnants, typiquement utilisés dans ces antennes réseaux à balayage électronique, de type pavés imprimés. Ces pavés imprimés microruban, « microstrip patch » en langage anglo-saxon, sont de fabrication relativement aisée. On utilise de préférence des pavés imprimés pour réaliser les éléments rayonnants car on obtient ainsi un encombrement de l'antenne moindre sur l'axe de direction du faisceau. De plus, la surface du plan rayonnant est mieux exploitée. Un plan de masse est généralement situé sous les pavés dans un plan parallèle à ceux-ci. Des pavés de type multicouches peuvent être utilisés pour élargir la bande de fréquence de fonctionnement de l'antenne. L'excitation de chacun des pavés rayonnants peut être réalisée au moyen d'une connexion réalisée par soudure d'un brin métallique sur le pavé. Le brin métallique traverse le substrat support du pavé et le plan de masse associé. L'excitation du pavé peut également être réalisée par couplage électromagnétique de proximité. On peut, par exemple, réaliser ce couplage au moyen d'une ouverture réalisée dans le plan de masse permettant de coupler le pavé à un module électronique situé sous le plan de masse. Pour qu'une antenne réseau à balayage électronique satisfasse les performances radioélectriques souhaitées, il est nécessaire d'identifier et de compenser les erreurs excessives apportées sur la loi d'éclairement complexe (amplitude, phase) du réseau rayonnant. Pour une antenne réseau, une opération de calibration permet dans la bande de fréquence et la gamme de température d'utilisation de l'antenne : - de déterminer les différences de longueur électrique et d'amplitude entre les voies (chaînes complètes) du réseau antennaire, à l'émission d'une part, à la réception d'autre part, ces informations étant mémorisées dans une table de calibration, - de compenser ces différences par action sur des éléments commandés (amplificateurs variables et déphaseurs variables) contrôlant la loi d'éclairement sur le réseau, et appliquer ainsi un niveau et un déphasage adéquats entre les voies du réseau, à l'émission ou la réception, afin de dépointer le faisceau rayonné dans la direction souhaitée, avec la forme du faisceau et la topologie des lobes secondaires visées. Après l'opération de calibration, des tests d'évaluation de l'antenne, permettant de vérifier et quantifier ses performances, consistent à mesurer un certain nombre de caractéristiques radioélectriques comme par exemple les diagrammes de rayonnement, la précision de pointage, et la puissance rayonnée, de caractéristiques électriques comme par exemple la consommation et de caractéristiques temporelles comme la vitesse de commutation du faisceau. Deux types de techniques de calibration existent : - Les techniques de calibration dite interne : le signal radioélectrique utilisé pour la calibration est injecté et capté à l'intérieur de l'antenne, par l'intermédiaire de coupleurs insérés dans les voies du réseau, le plus souvent au niveau des éléments actifs (modules émission-réception). Ce sont des techniques souvent utilisées en mode opérationnel, c'est à dire après installation de l'antenne sur le site où elle est utilisée. - Les techniques de calibration dites externe, où un signal radioélectrique transite entre l'antenne réseau et une sonde extérieure au réseau, utilisée à l'émission ou à la réception. Ces techniques font donc intervenir les éléments rayonnants du réseau, et sont mises en oeuvre lors de la calibration en usine, dans des bases de mesure dédiées. Les mesures pour les tests d'évaluation sont effectuées sur une ou plusieurs bases de mesures d'antennes. On peut citer par exemple les bases de mesures en champ lointain (bases « longues » extérieures et chambres anéchoïques), les bases de mesures « compactes », et enfin les bases de mesures en champ proche. Les moyens de simulation radioélectriques devenant plus performants, ceux-ci seront appliqués pour une partie des opérations de 15 calibration et de tests des matériels futurs, ou en complément de ceux-ci. Les techniques de calibration interne nécessitent d'implanter des circuits dédiés (coupleurs, circuit de distribution radiofréquence) à l'intérieur de l'architecture, dans des zones où l'espace disponible est en général 20 restreint. Ceci conduit à une complexification de l'architecture, une augmentation des pertes ohmiques et un accroissement des coûts. Ces techniques de calibration interne ne font pas intervenir les éléments rayonnants et leurs effets, comme par exemple les couplages pouvant intervenir entre les différents éléments rayonnants. 25 Les techniques de calibration externe nécessitent soit l'immobilisation d'une base de mesure dédiée, soit l'implantation d'une sonde extérieure au réseau à réaliser et à utiliser dans un environnement radioélectrique adéquat. Les tests de caractérisation des antennes à balayage électronique 30 nécessitent l'immobilisation d'une base pour laquelle les mesures peuvent s'avérer longues. Si cette immobilisation peut être envisagée en intégration ou en phase prototype, il ne peut en être de même en phase de production en série, ou lors de l'utilisation opérationnelle du matériel par l'utilisateur final. Les opérations de calibration ou de tests d'évaluation en environnement opérationnel, en particulier les mesures en température, sont longues et délicates, voire impossibles. A titre d'exemple. Il est quasiment impossible de gérer en environnement opérationnel le phénomène de condensation pour les mesures en température basse. Les besoins de calibration et de tests en mode opérationnel sont 10 donc insuffisamment couverts. L'invention vise à pallier tout ou partie des problèmes cités plus haut en proposant une antenne électronique à balayage comprenant des moyens de calibration internes simples à mettre en oeuvre et permettant de 15 tenir compte des phénomènes de couplage. A cet effet, l'invention a pour objet une antenne électronique à balayage comportant un réseau d'éléments rayonnants de type pavé imprimé disposés en regard d'un plan de masse et des moyens de calibration de l'antenne, chaque pavé recevant une excitation destinée à l'utilisation 20 nominale de l'antenne et traversant le plan de masse, caractérisée en ce que les moyens de calibration comprennent, vers chaque pavé à calibrer, une liaison électromagnétique couplée au pavé par proximité et destinée à exciter le pavé avec la même polarisation que celle obtenue par l'excitation nominale. 25 Les moyens de calibration sont étalonnés à partir de simulations et/ou de mesures effectuées par exemple en champ proche de l'antenne, afin de déterminer son comportement en amplitude et phase sur chacune des voies, en fonction de la fréquence de travail de l'antenne. Par la suite, on utilise le terme calibration de façon large aussi bien pour des opérations de calibration proprement dite que pour des tests d'évaluation de l'antenne ou de vérification de l'intégrité de l'antenne. Les moyens de calibration selon l'invention restent installés à demeure dans l'antenne et les éventuels couplages qu'ils génèrent sont pris en compte dans l'opération de calibration. Les opérations de calibration, réalisées grâce aux moyens de l'invention, peuvent être réalisées aussi bien en laboratoire qu'en environnement opérationnel. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : la figure 1 représente un pavé rayonnant couplé à des moyens de 15 calibration et recevant une excitation nominale au moyen d'une première variante de couplage ; la figure 2 représente un pavé rayonnant couplé à des moyens de calibration et recevant une excitation nominale au moyen d'une seconde variante de couplage ; 20 la figure 3 représente un exemple de moyen permettant d'exciter les moyens de calibration ; la figure 4 représente un exemple d'organisation matricielle d'une antenne électronique à balayage. 25 La figure 1 représente un élément rayonnant 10 d'une antenne électronique à balayage. Généralement, ce type d'antenne comprend un grand nombre d'éléments rayonnants identiques, par exemple organisés en matrice. L'élément rayonnant représenté est réalisé sous la forme d'un pavé 10 imprimé sur une face externe 11 d'un substrat 12. Le pavé 10 a, sur la figure, une forme rectangulaire. D'autres formes, par exemple elliptiques, peuvent être mise en oeuvre dans le cadre de l'invention. Le substrat 12 comprend une face interne formant un plan de masse 13 et une seconde face externe 14 opposée à la face 11. Le plan de masse 13 sépare les deux faces externes 11 et 14. La face externe 14 porte des lignes permettant l'excitation des éléments rayonnants de l'antenne en utilisation nominale. L'excitation de chacun des pavés rayonnants, dont le pavé 10, est réalisée au moyen d'un brin métallique 15 traversant le plan de masse 13 et reliant le pavé 10 à une ligne imprimée 17 réalisée sur la face externe 14. Le brin métallique 15 est raccordé au pavé 10 au moyen d'une soudure 16. Le plan de masse 13 comprend une épargne 18 évitant tout contact électrique entre le brin métallique 15 et le plan de masse 13. La forme du pavé 10 et la position de la soudure 16 sur le pavé 10 sont définis de façon à obtenir une polarisation linéaire dont la direction est donnée par la flèche 19. A titre d'alternative, la liaison 15 peut être réalisée par métallisation latérale d'un trou ouvert dans le substrat 12 (technique dite 'trou métallisé'). A titre d'alternative, le brin métallique 15 peut ne pas être en contact direct avec le pavé 10 et assurer un couplage avec celui-ci par proximité. L'excitation du pavé 10, obtenue par le brin métallique 15, est dite « excitation nominale ». Il s'agit de l'excitation mise en oeuvre en utilisation opérationnelle de l'antenne. Selon l'invention l'antenne comprend des moyens de calibration comprenant, vers chaque pavé 10 à calibrer, une liaison électromagnétique 20 couplée au pavé 10 par proximité et susceptible d'exciter le pavé avec la même polarisation que celle obtenue par l'excitation nominale. L'excitation obtenue au moyen de la ligne 20 est appelée excitation de calibration par opposition à l'excitation nominale. L'excitation de calibration est utilisée pour calibrer l'antenne ou réaliser des tests sur celle-ci. Plus précisément, la liaison électromagnétique est réalisée au moyen d'une ligne 20 s'étendant suivant la direction de la polarisation linéaire recherchée. Une extrémité 21 de la ligne 20 est située à une distance « d » du pavé 10. La distance d est définie pour obtenir un couplage plus faible que celui obtenu au moyen du brin métallique 15. Typiquement le couplage de calibration est au moins 20dB inférieur au couplage nominal. Ainsi en utilisation nominale, l'antenne ne perdra qu'environ 1/100 de la puissance nominale vers les circuits de calibration au travers du couplage de calibration. La face 14 est occupée par des circuits d'excitation nominaux. On pourrait disposer des circuits d'excitation de calibration sur cette même face 14. Néanmoins, cette face est souvent déjà bien chargée et il serait difficile d'y ajouter d'autres circuits. Pour pallier ce problème, la ligne 20 est avantageusement imprimée dans un plan situé du même coté du plan de masse 13 que le plan 11 dans lequel le pavé 10 est imprimé. Ceci permet également de séparer, par le plan de masse, les circuits d'excitation nominaux et les circuits d'excitation de calibration pour éviter qu'ils ne se couplent de façon non souhaitée. II est possible de réaliser un élément rayonnant sous forme de plusieurs pavés parallèles. Dans le cas d'un pavé 10 réalisé dans un seul plan, en l'occurrence le plan 11, pour simplifier la réalisation de l'antenne, le plan contenant la ligne imprimée 20 et le plan 11 contenant le pavé 10 sont confondus. Lorsque le pavé est multicouche, la ligne 20 est imprimée dans un des plans du pavé. La figure 2 représente le pavé 10 excité de façon nominale, non plus au moyen d'un brin métallique, mais au moyen d'une ouverture 25 réalisée dans le plan de masse 13 et assurant un couplage entre le pavé 10 et la ligne imprimée 17 réalisée sur la face externe 14. L'ouverture 25 a, par exemple, une forme de fente permettant une polarisation linéaire du pavé 10 dont la direction est donnée par la flèche 19. Dans cette variante de réalisation le niveau de couplage de la ligne 20 est défini comme dans la première variante pour obtenir un couplage plus faible que celui obtenu au moyen de l'ouverture 25 et typiquement au moins inférieur de 20dB. Les lignes imprimées 20, raccordées à chacun des pavés 10 d'une antenne, peuvent être connectées à un distributeur 1 vers N de type arborescent, comme pour un système classique de calibration interne. L'encombrement du distributeur peut se révéler pénalisant. Avantageusement, il est possible de réunir un certain nombre de ces lignes 20 sur une cascade de coupleurs alignés, arrangés en un système fonctionnant en mode progressif. La figure 3 représente une telle cascade. Une ligne 30 s'étend le long de plusieurs pavés 10 alignés. Sur cette figure, quatre pavés sont représentés. II est bien entendu possible de mettre en oeuvre une telle cascade pour un plus grand nombre de pavés 10. Des coupleurs 31 relient chacune des lignes 20 à la ligne 30. Le couplage s'effectue par exemple par proximité. Chaque coupleur 31 prélève une faible partie d'un signal incident E émis à une extrémité 32 de la ligne 30. Le reliquat de puissance du signal E, non transmis aux lignes 20, est dissipé dans une charge 33 implantée à l'autre extrémité 34 de la ligne 30. La ligne 30 et les coupleurs 31 forment la cascade de coupleurs alignés. La figure 4 représente un exemple d'organisation matricielle d'une antenne électronique à balayage 40. Les pavés 10, formant les éléments rayonnants de l'antenne 40, sont organisés en matrice de I lignes et m colonnes. Sur la figure 4, l'antenne 40 comprend à titre d'exemple quatre lignes 41 à 44 et quatre colonnes 45 à 48. Pour chacune des lignes 41 à 44, toutes les lignes 20 sont réunies sur une cascade de coupleurs alignés. Avantageusement toutes les cascades reçoivent leur signal d'excitation E sur un même bord 50 de l'antenne 40, ce qui simplifie l'émission du signal E. REVENDICATIONS1. Antenne électronique à balayage comportant un réseau d'éléments rayonnants de type pavé imprimé (10) disposés en regard d'un plan de masse (13) et des moyens de calibration de l'antenne, chaque pavé (10) recevant une excitation destinée à l'utilisation nominale de l'antenne et traversant le plan de masse (13), caractérisée en ce que les moyens de calibration comprennent, vers chaque pavé (10) à calibrer, une liaison électromagnétique (20) couplée au pavé (10) par proximité et destinée à exciter le pavé (10) avec la même polarisation (19) que celle obtenue par l'excitation nominale. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la liaison électromagnétique (20) des moyens de calibration assure un couplage au moins inférieur de 20dB au couplage du pavé (10) prévu pour l'utilisation nominale de l'antenne. 3. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la liaison électromagnétique destinée à la calibration est réalisée au moyen d'une ligne imprimée (20) dans un plan (11) situé du même coté du plan de masse (13) qu'un plan (11) dans lequel le pavé (10) est imprimé. 4. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que le plan (11) contenant la ligne imprimée (20) destinée à la calibration et un plan (11) contenant le pavé (10) sont confondus. 5. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que plusieurs liaisons électromagnétiques (20) sont réunies sur une cascade (30, 31) de coupleurs alignés, la cascade fonctionnant en mode progressif. 6. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que les éléments rayonnants (10) sont organisés en matrice de 1 lignes et m colonnes, et en ce que pour chacune des lignes (41 à 44), toutes les liaisons électromagnétiques (20) sont réunies sur une cascade (30, 31) de coupleurs alignés. 7. Antenne selon la revendication 6, caractérisée en ce que toutes les cascades reçoivent leur signal d'excitation (E) sur un même bord (50) de l'antenne (40). 8. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'excitation destinée à l'utilisation nominale de l'antenne est réalisée au moyen d'un brin métallique (15) traversant le plan de masse (13). 9. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'excitation destinée à l'utilisation nominale de l'antenne est réalisée au moyen d'une ouverture (25) réalisée dans le plan de masse (13). 10. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'élément rayonnant est de type pavé imprimé multicouches.