Brevet FR3034932A1 — publié le 20161014

La présente invention concerne un procédé de tarage et de test intégré pour une antenne de réception active utilisant un amplificateur de tête à haute impédance d'entrée. Cette antenne est typiquement un monopôle court, utilisable notamment dans le cadre des applications de réception par antenne numérique du domaine radio HF (Hautes Fréquences, 3-30 MHz). Ces applications sont par exemple les grands réseaux d'antennes HF (guerre électronique, radars HF à ondes de surface), plus particulièrement en cas de numérisation large bande en pied d'antenne. Dans ce type d'applications, les fonctions de transfert différentielles des différentes antennes doivent être soit stables, soit connues pour être compensées numériquement. Dans l'art existant, la stabilité est souvent obtenue en utilisant des antennés actives de type cadre, dont la basse impédance de l'aérien favorise la construction d'amplificateurs stables et appariés. Les antennes large bande de type monopôle court, ont cependant l'avantage, dans certaines applications (radars HF à ondes de surface par exemple), de posséder une faible sensibilité de réception aux signaux à incidence élevée. Leur inconvénient est de nécessiter un amplificateur à haute impédance d'entrée, qui utilise généralement un transistor à effet de champ (FET, Field Effect Transistor) comme élément d'entrée, connecté par sa grille au brin rayonnant. Dans l'art existant, la variation en température des paramètres de ce transistor, notamment de la capacité parasite d'entrée, modifie sensiblement la fonction de transfert globale de l'antenne, ici définie comme le rapport entre le signal de sortie de l'antenne et le champ électrique qui constitue le signal d'entrée. L'invention concerne notamment l'injection d'un signal de référence en série entre le brin rayonnant lui-même et l'entrée de l'amplificateur à haute impédance, ainsi qu'une mise à la masse de cette entrée par des charges, afin de mesurer ou suivre les variations de la fonction de transfert de l'ensemble de la chaîne de réception, dans le but de les compenser numériquement. Après un rappel des principes utilisés dans l'art existant, la description qui suit détaille les caractéristiques et avantages de l'invention, avec une application notamment dans les réseaux d'antennes pour radars HF à onde de surface. Sont annexées les figures suivantes : 3034932 2 - La Figure 1 donne le schéma simplifié d'un système de réception avec antenne active de type monopôle court large bande en HF, selon l'art existant. - La Figure 2 donne le schéma simplifié d'un système de réception avec antenne active de type monopôle court large bande en HF, avec circuit de tarage selon l'invention. - La Figure 3 donne un exemple d'application de l'invention, pour l'auto-tarage dans un réseau d'antennes numériques de récéption. 10 Art existant Dans l'art existant, le schéma simplifié d'une antenne de réception active large bande est donné sur la Figure 1. L'antenne est constituée d'un brin rayonnant (1), typiquement un monopôle court, connecté à un amplificateur (2). Celui-ci est classiquement construit à partir d'un étage d'entrée haute impédance 15 à FET (3), ici monté en drain commun (suiveur) et avec une impédance de charge 1?5, suivi d'un étage de sortie basse impédance (4). Le brin rayonnant peut être modélisé au premier ordre par une source de tension hE générée par le champ électrique environnant, en série avec une résistance Ra de quelques ohms, et avec une faible capacité Ca, de l'ordre de quelques picofarads. La capacité 20 parasite Cg sur la grille du FET est également de l'ordre de quelques picofarads. La capacité d'entrée de l'amplificateur est donc de l'ordre de celle du brin rayonnant, avec laquelle elle forme un diviseur capacitif. La variation des capacités parasites de l'amplificateur, notamment en température, se reporte alors directement sur la fonction de transfert globale de l'amplificateur. Le signal de 25 sortie de l'amplificateur est dirigé vers le récepteur (5). Description de l'invention L'invention, présentée par le schéma simplifié de la Figure 2, concerne notamment l'utilisation d'un signal de référence, injecté en série sur l'entrée de 30 l'amplificateur à haute impédance par le biais du dispositif d'injection (6). Celui-ci est typiquement constitué : 3034932 3 - d'un amplificateur d'injection (7) travaillant à basse impédance de sortie Z0 (typiquement Zo =50 ohms ou Zo =100 ohms), - d'un transformateur d'impédance (8), de rapport N : M - d'une résistance de charge (9) réalisant l'adaptation d'impédance de 5 l'amplificateur d'injection au secondaire du transformateur. Cette résistance de charge doit cependant rester suffisamment faible pour que la fréquence de coupure du filtre passe-bas qu'elle constitue avec les capacités en aval soit très grande devant la fréquence maximale d'utilisation de l'antenne. Avec un transformateur de rapport N : M, la résistance de charge possède une 10 valeur nominale de Z0M/N , et la résistance « vue » par l'entrée de l'amplificateur est Z0M/2N. En pratique, NiM sera compris entre 1 et 8, l'adaptation d'impédance de la sortie de l'amplificateur d'injection (7) devenant plus délicate avec l'augmentation de N/M pour un transformateur réel. Le rapport entre la tension aux bornes de la résistance 15 de charge et la tension de sortie de l'amplificateur d'injection (7) est nominalement de 1/NiN/M La stabilité (notamment en température) de l'ensemble d'injection, plus simple à obtenir à basse impédance, est supposée acquise (alternativement, son comportement en température est supposé connu, afin de permettre sa 20 compensation en amont). Enfin, un ensemble commutateur optionnel (10) permet de commuter sur l'entrée de l'amplificateur soit le brin rayonnant (position de repos), soit une charge nulle, soit une charge intermédiaire R.. Lors des opérations de tarage, le générateur (11) émet un signal vers 25 l'amplificateur d'injection, et vers le récepteur (5). Celui-ci peut alors déterminer la fonction de transfert globale de la chaîne d'amplification (amplitude-phase) à toute fréquence de fonctionnement. En mode réception simple, le commutateur (10) connecte le brin rayonnant à l'amplificateur et la sortie de l'amplificateur d'injection est coupée, tout en gardant la même impédance de sortie. 3034932 4 Le tarage de base se fait sans le commutateur (10) (ou avec le commutateur (10) en position de repos). Le signal d'injection s'ajoute alors au signal d'antenne hE. En rapportant la mesure de la fonction de transfert H, obtenue à une référence préétablie, le système peut calculer et coi-npenser les variations de la 5 fonction de transfert de la chaîne de réception complète, notamment celles de l'étage d'entrée à FET (notoirement importantes), en supposant que l'impédance du brin rayonnant (Z, = Ra +V jec,w) reste stable. Cette compensation est facilitée dans le cas d'une réalisation du dispositif avec un générateur et un récepteur numériques. En mode de test intégré, une panne est détectée si la 10 compensation est en dehors d'une plage de variations autorisées. En cas de perturbation de la mesure par un fort signal radio, diverses stratégies peuvent être mises en place, par exemple la mesure à une ou plusieurs fréquences légèrement décalées, et/ou l'utilisation d'un temps de mesure plus long. 15 La compensation peut encore être affinée par la détermination de l'impédance Za du brin lui-même. En commutant la charge nulle par le commutateur (10), court-circuitant l'entrée de l'amplificateur à la masse, le système peut mesurer la fonction de transfert Ho de la chaîne de réception, hors perturbations radio et avec une très faible influence de la capacité d'entrée de 20 l'amplificateur, l'impédance de la source alimentant celui-ci valant = Z0ili/2N , négligeable devant l'impédance d'entrée Ze de l'amplificateur. En commutant la charge intermédiaire R. (typiquement de l'ordre de 10 I REVENDICATIONS1 - Procédé permettant le tarage et le test intégré d'une antenne de réception active, laquelle intègre notamment un amplificateur à haute impédance 5 d'entrée relié au brin rayonnant, et comprenant : - un dispositif d'injection (6) d'un signal de référence en série sur l'entrée de l'amprificateur à haute impédance d'entrée pendant la phase de tarage, - un dispositif de commutation (10) permettant de connecteur l'entrée de l'amplificateur au brin rayonnant (position de repos), ou à une charge nulle, 10 ou à une charge intermédiaire, une étape 1 de mesure de la fonction de transfert entre le signal injecté et le signal de sortie de l'antenne active, avec l'entrée de l'ami)lificateur de tête connecté à la charge nulle, une étape 2 de mesure de la fonction de transfert entre le signal injecté et le 15 signal de sortie de l'antenne active, avec le brin rayonnant connecté à la charge intermédiaire, une étape 3 de calcul permettant de remonter à l'impédance d'entrée de l'amplificateur à partir des résultats des deux étapes précédentes, et/ou de détecter une défaillance si l'impédance est en dehors d'une plage autorisée. 20 une étape 4 de mesure de la fonction de transfert entre le signal injecté et le signal de sortie de l'antenne active, avec la mise hors fonction (en position de repos) du dispositif de commutation (10), - une étape 5 de calcul de la compensation à apporter à la fonction de transfert globale (champ électrique vers signal en sortie de récepteur), à 25 partir d'un modèle préétabli (fixe) des éléments rayonnants, de la mesure de la fonction de transfert de l'étape 4 et du calcul de l'impédance d'entrée de l'amplificateur de l'étape 3, pour une ou plusieurs directions d'arrivée du signal radioélectrique. 30 2 - Procédé selon le procédé de la revendication 1, intégrant deux étapes supplémentaires : - une étape 4a de calcul permettant de déterminer l'impédance du brin rayonnant à partir des résultats des étapes précédentes, 3034932 8 - une étape 4b de calcul permettant d'ajuster les paramètres variables du modèle des éléments rayonnants de l'antenne (essentiellement la conductivité et la permittivité du sol) à partir. de l'impédance calculée à l'étape précédente. Le modèle affiné des éléments rayonnants obtenu à l'étape 4 est alors utilisé pour l'étape 5 de calcul, en lieu et place du modèle préétabli.