EP0524622B1 - Antenne-réseau pour ondes hyperfréquences - Google Patents

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EP0524622B1
EP0524622B1 EP92112576A EP92112576A EP0524622B1 EP 0524622 B1 EP0524622 B1 EP 0524622B1 EP 92112576 A EP92112576 A EP 92112576A EP 92112576 A EP92112576 A EP 92112576A EP 0524622 B1 EP0524622 B1 EP 0524622B1
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EP
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array
array antenna
sources
source
unit
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EP92112576A
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Gérard Caille
Frédéric Magnin
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Alcatel Espace Industries SA
Original Assignee
Alcatel Espace Industries SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/22—Antenna units of the array energised non-uniformly in amplitude or phase, e.g. tapered array or binomial array
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/08—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart the units being spaced along or adjacent to a rectilinear path

Definitions

  • the present invention relates to an array antenna for microwave waves, this array being for example, but not limited to, a linear array intended to be placed along the focal line of a cylindro-parabolic reflector.
  • the array antennas are designed with a view to obtaining adaptive diagrams from a multitude of elementary sources such as: horns, helices, dipoles, "patches” (small conductive patterns or “blocks", for example of rectangular shape , and etched on a substrate), etc ...
  • the simplest array antenna is the conventional linear array antenna which comprises, on the same line, a greater or lesser number of identical elementary sources and spaced at a regular pitch, the pitch being the distance from the center of a source to that of the adjacent source.
  • the antenna of D1 is reconfigurable in orientation by a phase shift applied between sub-arrays, and supplied by the respective sources.
  • the electronic orientation of the beam of the antenna D1 is limited in precision and in angular displacement by the performance compromises accepted at the level of the antenna in order to obtain more affordable production costs.
  • the elementary sources constituting the network remain identical to each other.
  • the invention aims to remedy these drawbacks.
  • a network antenna comprising a series of similar elementary sources (C0, C1d, C1g, C2d, C2g, C3d, C3g, ...) arranged one beside the other to form at least one linear network.
  • these elementary sources in a first direction which joins the center of said network at its ends, these elementary sources being arranged so that the effective space of separation between two successive sources is chosen so that there are no holes of illumination in this network (space practically zero or equal to half a wavelength): characterized in that : the width of these elementary sources, measured in said first direction, gradually increases according to the distance from a source to said center of said network towards its ends.
  • this progressive widening of the dimensions of the sources follows a law of variation in geometric progression.
  • these horns are not identical, and their width L, and thereafter the pitch p which separates the respective axes of two adjacent horns, gradually increases, on either side of the central horn Co and in the same way right as to the left of the latter, as one moves away from this central horn Co towards the ends, right and left respectively, of this network 1.
  • the pitch pn is defined from the pitch po by the same relation.
  • the antenna array according to FIG. 1 can, for example, be provided to be placed along the focal line of a conventional cylindro-parabolic reflector (not shown), in order to sweep a fine lobe through such an antenna. in the plane determined by the network and the line of the vertices of the parabolic sections.
  • This scheme is a priori fairly conventional in structure. It comprises a microwave transceiver (4) which is coupled, via a bi-directional link 5, to a distributor 6 having the role of effecting a uniform distribution of the energy emitted, or received, on its different output channels. , or input, referenced Vo, V1d, V1g, V2d, V2g, V3d, V3g, ..., and respectively supplying the horns Co, C1d, C1g, C2d, C2g, C3d, C3g, ...
  • This power very advantageously corresponds to the maximum and optimal power for which these amplifiers are calculated. Total power is therefore maximized, and energy efficiency is optimized because each amplifier operates at the maximum efficiency for which it is built.
  • the central horn Co has the same width, for example about 2 cm, as that of a regular network of the prior art.
  • the progressive increase in their width will be carried out by groups of horns. For example, five successive cones, on the right as on the left, will have the same width each time, the following five being all identical and a little wider, etc ...
  • the plaintiff was thus able to halve the number of horns necessary for a linear network of nearly 6 meters having to sweep a beam lengthened by about 6 degrees on either side of its normal.
  • the drop in gain was only on the order of 0.35 to 0.4 dB.
  • FIG. 3 An exemplary embodiment of an antenna network of the same type, but based on resonant blocks, or "patches", is shown very schematically in Figure 3, where the denominations CO, C1d, C1g, C2d, C2g ,. .., for the elementary sources have been respectively replaced by PO, P1d, P1g, P2g, P2g, ..., designating the replacement patches of the previous horns.
  • Each of these patches is connected to its corresponding amplifier and phase shifter block by a respective line Lo, L1d, L1g, L2d, L2g ....
  • the invention is not limited to the preceding embodiments. It also applies to the realization of two-dimensional plane networks: in such a case, the dimension of the sources increases from the center of the network towards its edges, both along the abscissa axis and along the ordinate axis. In the case of a network with a planar structure of revolution, the progressive increase in the dimensions of the sources takes place, similarly, from the center towards the periphery of this structure.
  • each of these generators comprises a series of radiating elements comprising, as for example in Figures 3 and 4, a central element framed on either side, by radiating elements similar, but gradually increasing in width and arranged so as not to create illumination holes on this generator.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Structure Of Receivers (AREA)

Description

  • La présente invention se rapporte à une antenne-réseau pour ondes hyperfréquences, ce réseau étant par exemple, mais non limitativement, un réseau linéaire destiné à être placé selon la ligne focale d'un réflecteur cylindro-parabolique.
  • Les antennes-réseau sont conçues en vue de l'obtention de diagrammes adaptatifs à partir d'une kyrielle de sources élémentaires telles que : cornets, hélices, dipôles, "patchs" (petits motifs conducteurs ou "pavés", par exemple de forme rectangulaire, et gravés sur un substrat), etc...
  • En associant à chacune de ces sources élémentaires un déphaseur commandable, ou réalise une antenne à balayage électronique dont le faisceau peut "dépointer" (c'est à dire : balayer) très rapidement.
  • L'antenne réseau la plus simple est l'antenne réseau linéaire classique qui comporte, sur une même ligne, un plus ou moins grand nombre de sources élémentaires identiques et espacées d'un pas régulier, le pas étant la distance du centre d'une source à celui de la source adjacente.
  • En réalisant un réseau de façon similaire, mais selon deux dimensions orthogonales au lieu d'une seule, on obtient un "réseau plan", souvent de contour rectangulaire, éventuellement avec des coins tronqués.
  • De manière semblable, et à condition d'adopter une maille hexagonale, on peut réaliser un réseau de révolution dans un plan.
  • L'inconvénient de toutes ces antennes-réseau à pas régulier réside dans le fait que, pour une antenne de grandes dimensions, le nombre de sources élémentaires à prévoir peut devenir très élévé, de sorte que ce genre d'antenne est souvent d'un prix de revient prohibitif.
  • Pour diminuer le nombre de sources élémentaires, certains auteurs ont pensé à la création de réseaux dits" raréfiés" ou "lacunaires", par suppression de certaines sources soit de façon aléatoire, soit selon une loi déterministe établie mathématiquement en fonction de la théorie des antennes, le nombre de sources enlevé augmentant vers les bords de l'antenne-réseau. le document D1 = DE-A1 38 39 945 du 31.05.1990 décrit un système d'antenne réseau tel que montré sur la figure 4, dans lequel un dépointage électronique peut être obtenu dans une gamme angulaire limitée moyennant un déphasage unique appliqué à une pluralité de sources élémentaires réunies au sein d'un sous-réseau, ledit système comprenant une pluralité de sous-réseaux constitués chacun d'une pluralité de sources identiques, lesdits sous-réseaux étant constitués d'un nombre variable de sources, ce nombre ayant parfois tendance à croître selon la distance du centre dudit réseau (voir figures 12,13).
  • Ainsi, l'antenne de D1 est reconfigurable en orientation par un déphasage appliqué entre sous-réseaux, et fourni par les sources respectives. Néanmoins, l'orientation électronique du faisceau de l'antenne D1 est limitée en précision et en débattement angulaire par les compromis de performances admises au niveau de l'antenne pour obtenir des coûts de réalisation plus abordables. Dans toutes ces formes de réalisation, les sources élémentaires constitutives du réseau restent identiques entre elles.
  • Cette raréfaction permet de diminuer le nombre de sources élémentaires sans détériorer la forme du lobe principal ni faire apparaître dans le diagramme de rayonnement de l'antenne des "lobes de réseau", c'est à dire des pics dans des directions non désirées. Elle entraîne malheureusement une importante baisse du gain de l'antenne, qui chute de 10 log R, R désignant la proportion de sources restantes : si l'on enlève la moitié des sources élémentaires, on perd 3dB sur le gain total de l'antenne.
  • Dans de nombreuses applications, une telle perte de gain est prohibitive :
    • . pour une antenne d'émission de télécommunications, il faudrait, pour garder le même bilan de liaison, doubler la puissance émise, ce qui est rarement possible;
    • . pour une antenne radar, pour laquelle le gain intervient à la fois en émission et en réception, il faudrait alors quadrupler cette puissance émise.
  • L'invention vise à remédier à ces inconvénients. Elle se rapporte à cet effet à une antenne réseau comprenant une kyrielle de sources élémentaires analogues (C0, C1d, C1g, C2d, C2g, C3d, C3g,...) disposées les unes à coté des autres pour former au moins un réseau linéaire selon une première direction qui réunit le centre dudit réseau à ses extrémités, ces sources élémentaires étant disposées de manière à ce que l'espace effectif de séparation entre deux sources successives est choisi de manière à ce qu'il n'y ait pas de trous d'illumination dans ce réseau (espace pratiquement nul ou égal à une demi longueur d'onde) :
       caractérisée en ce que :
       la largeur de ces sources élémentaires, mesurée selon ladite première direction, augmente progressivement selon la distance d'une source audit centre dudit réseau vers ses extrémités.
  • Préférentiellement, cet élargissement progressif des dimensions des sources suit une loi de variation en progression géométrique.
  • De toute façon, l'invention sera bien comprise, et ses avantages et autres caractéristiques ressortiront, lors de la description suivante de quelques exemples non-limitatifs de réalisation en référence au dessin schématique annexé dans lequel :
    • . Figure 1 est une vue de face de la partie centrale d'un réseau linéaire conforme à l'invention et composé d'une kyrielle de cornets, ce réseau étant par exemple destiné à être placé selon la ligne focale d'un réflecteur cylindro-parabolique;
    • . Figure 2 est un schéma synoptique du circuit d'émission-réception à balayage électronique de faisceau qui peut être associé au réseau selon la figure 1;
    • . Figure 3 est une vue en plan simplifiée d'une réalisation semblable à celle selon Figure 1, mais réalisée à l'aide de pavés résonnants ou "patchs"; et . Figure 4 est une variante d'une réalisation connue de l'art antérieur par le document D1
  • En se reportant aux figures 1 et 2, il s'agit d'un réseau linéaire 1 composé d'une kyrielle de cornets rayonnants adjacents, dont un cornet central Co encadré de part et d'autre par deux séries, identiques et symétriques par rapport à l'axe central 2 du cornet Co et donc du réseau 1, de cornets :
    • . une première série de cornets C1d,C2d,C3d,..., à droite (sur le dessin) de ce cornet central Co; et
    • . une deuxième série de cornets C1g,C2g,C3g,..., à gauche de ce cornet central Co.
  • Afin qu'il n'y ait pas de trous d'illumination dans le diagramme de rayonnement de ce réseau 1 il n'est pratiquement pas prévu d'espace effectif de séparation entre deux cornets adjacents, ceux-ci étant de ce fait séparés l'un de l'autre par une paroi commune, telle que la paroi référencée 3 sur le dessin et réalisant la jonction entre le cornet Co et le cornet C1d.
  • Par ailleurs, ces cornets ne sont pas identiques, et leurs largeur L, et par la suite le pas p qui sépare les axes respectifs de deux cornets adjacents, croit progressivement, de part et d'autre du cornet central Co et de même façon à droite comme à gauche de ce dernier, au fur et à mesure que l'on s'éloigne de ce cornet central Co en direction des extrémités, droite et gauche respectivement, de ce réseau 1.
  • La loi de variation en largeur des cornets est préférentiellement une loi en progression géométrique, par exemple de la forme : l n = l o (1 + k) n-1
    Figure imgb0001
     où k est un facteur d'accroissement constant, par exemple égal à 0,1 , lo la largeur du cornet central Co, et ln la largeur du cornet de rang n, Cnd ou Cng.
  • Bien entendu, en particulier dans le cas de l'antenne réseau 1 représentée où toutes les sources se touchent, le pas pn est défini à partir du pas po par la même relation.
  • Le réseau d'antenne selon Figure 1 peut, à titre d'exemple, être prévu pour être placé selon la ligne focale d'un réflecteur classique cylindro-parabolique (non-représenté), afin de faire balayer par une telle antenne un lobe fin dans le plan déterminé par le réseau et la ligne des sommets des sections paraboliques.
  • Le schéma synoptique du bloc électronique associé au réseau 1 est représenté en Figure 2.
  • Ce schéma est à priori de structure assez classique. Il comporte un émetteur-récepteur hyperfréquences (4) qui est couplé, via une liaison bi-directionnelle 5, à un répartiteur 6 ayant pour rôle d'effectuer une distribution uniforme de l'énergie émise, ou reçue, sur ses différentes voies de sortie, ou d'entrée, référencées Vo,V1d, V1g,V2d,V2g,V3d,V3g ,..., et alimentant respectivement les cornets Co,C1d,C1g,C2d,C2g,C3d,C3g,...
  • Sur chacune desdites voies, on trouve successivement :
    • . un déphaseur respectif Do....,D3d,D3g,..., recevant sur sa borne de commande Bo,...,B3d,B3g,..., un signal de commande de déphasage provenant d'un pointeur lui-même piloté par un calculateur central (non représentés), ce dernier élaborant classiquement la loi de phase en fonction du pointage souhaité;
    • . puis, entre ce déphaseur et le cornet associé, un amplificateur de puissance hyper-fréquences, respectivement HPAo,..., HPA3d,HPA3g,...
  • Dans les réseaux réguliers de l'art antérieur, il était nécessaire de prévoir, en aval des cornets ou autres sources élémentaires, des amplificateurs hyperfréquences dont le gain était décroissant au fur et à mesure que l'on s'écartait du cornet central, car le diagramme de rayonnement souhaité pour ce genre d'antenne nécessite que la densité de puissance émise diminue progressivement au fur et à mesure que l'on s'éloigne du centre du réseau.
  • Avec le réseau conforme à l'invention, cette condition de variation de puissance est réalisée par construction, puisque le pas du réseau s'agrandit progressivement au fur et à mesure que l'on s'éloigne du cornet central Co.
  • En conséquence, il n'est plus besoin d'avoir des amplificateurs de puissance HPAo,...,HPA3d,HPA3g,..., dont le gain varie de l'un à l'autre, et ces amplificateurs sont, selon une caractéristique avantageuse de l'invention, tous identiques et de même puissance.
  • Cette puissance correspond très avantageusement à la puissance maximale et optimale pour laquelle ces amplificateurs sont calculés. La puissance totale est donc maximisée, et le rendement énergétique est optimisé du fait que chaque amplificateur fonctionne au rendement maximal pour lequel il est construit.
  • Le cornet central Co a la même largeur, par exemple 2 cm environ, que celui d'un réseau régulier de l'art antérieur.
  • Avantageusement, afin de ne pas trop augmenter le nombre de types de cornets, l'accroissement progressif de leur largeur sera effectué par groupes de cornets. Par exemple, cinq cornets successifs, à droite comme à gauche, auront à chaque fois la même largeur, les cinq suivants étant tous identiques et un peu plus larges, etc...
  • La demanderesse a pu ainsi diviser par deux le nombre de cornets nécessaire pour un réseau linéaire de près de 6 mètres devant balayer un faisceau allongé d'environ 6 degrés de part et d'autre de sa normale. Pour une qualité comparable du diagramme de rayonnement, la baisse de gain n'a été que de l'ordre de 0,35 à 0,4 dB.
  • Un exemple de réalisation d'un réseau d'antenne du même type, mais constitué à base de pavés résonnants, ou "patchs", est représenté très schématiquement en Figure 3, où les dénominations CO,C1d,C1g,C2d,C2g,..., pour les sources élémentaires ont été respectivement remplacées par PO,P1d,P1g,P2g,P2g,..., désignant les patchs de remplacement des cornets précédents.
  • Chacun de ces patchs est relié à son bloc amplificateur et déphaseur correspondant par une ligne respective Lo, L1d, L1g, L2d, L2g....
  • Conformément à l'invention, les dimensions, c'est à dire en fait les largeurs non-résonnantes lo,l1d,l1g,l2d,l2g,..., de ces patchs, augmentent progressivement du centre Po du réseau vers ses deux extrémités, selon par exemple la loi géométrique précédement définie, et donc telle que : l n /l n-1 = 1+k
    Figure imgb0002
  • Par ailleurs, de façon que, toujours conformément à l'invention, il n'y ait aucun trou d'illumination dans ce réseau, tous les patchs sont séparés l'un de l'autre d'une même distance d entre bords adjacents qui est égale à la demi-longueur d'ondes guidée, cette condition étant, comme il est bien connu dans cette technique, la condition nécessaire pour éviter de tels trous d'illumination.
  • Comme il va de soi, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui précédent. Elle s'applique de même façon à la réalisation de réseaux plans à deux dimensions : dans un tel cas, la dimension des sources s'accroît du centre du réseau vers ses bords, aussi bien le long de l'axe des abscisses que le long de l'axe des ordonnées. Dans le cas de réseau à une structure plane de révolution, l'accroissement progressif des dimensions des sources s'effectue, de façon similaire, du centre vers la périphérie de cette structure.
  • Dans le cas d'une antenne comprenant un réseau conformé sur une surface de révolution de profil quelconque (cylindrique circulaire, tronconique,...), par exemple selon la demande de Brevet en Europe N°92 07 598.2 déposée le 6.05.1992 au nom de la Demanderesse, comportant plusieurs génératrices d'éléments rayonnants, chacune de ces génératrices comporte une série d'éléments rayonnants comprenant, comme par exemple en Figures 3 et 4, un élément central encadré de part et d'autre, par des éléments rayonnants semblables, mais de largeur croissant progressivement et disposés de façon à ne pas créer de trous d'illumination sur cette génératrice.

Claims (14)

  1. Antenne réseau pour ondes hyperfréquences, comprenant une kyrielle de sources élémentaires analogues (C0, C1d, C1g, C2d, C2g, C3d, C3g,...) disposées les unes à coté des autres pour former au moins un réseau linéaire selon une première direction qui réunit le centre dudit réseau à ses extrémités, ces sources élémentaires étant disposées de manière a ce qu'il n'y a pratiquement pas d'espace effectif de séparation entre deux sources successives afin qu'il n'y ait pas de trous d'illumination dans ce réseau,
       caractérisée en ce que :
       la largeur de ces sources élémentaires, mesurée selon ladite première direction, augmente progressivement selon la distance d'une source audit centre dudit réseau vers ses extrémités.
  2. Antenne réseau pour ondes hyperfréquences, comprenant une kyrielle de sources élémentaires analogues (C0, C1d, C1g, C2d, C2g, C3d, C3g) disposées les unes à coté des autres pour former au moins un réseau linéaire selon une première direction qui réunit le centre dudit réseau à ses extrémités, ces sources élémentaires étant disposées de manière a ce que l'espace effectif de séparation entre deux sources successives est égale à la demi-longueur d'ondes guidée, afin qu'il n'y ait pas de trous d'illumination dans ce réseau :
       caractérisée en ce que :
       la largeur de ces sources élémentaires, mesurée selon ladite première direction, augment progressivement selon la distance d'une source dudit centre dudit réseau vers ses extrémités.
  3. Antenne réseau selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que ladite augmentation progressive de la largeur desdites sources élémentaires suit une loi de variation en progression géométrique en fonction de ladite distance dudit centre, par exemple la largeur (Ln) de la source de rang (n) est liée à la largeur (Ln-1) de la source de rang (n-1) par une relation de la forme : Ln/Ln-1 = (1+k), où k est positif et représent un facteur d'accroissement constant.
  4. Antenne réseau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un déphaseur commandable (D0, D1d, D1g, D2d, D2g, D3d, D3g) derrière chaque source élémentaire (C0, C1d, C1g, C2d, C2g, C3d, C3g) ainsi qu'un amplificateur de puissance hyperfréquence (HPA0, HPA1d, HPA1g, HPA2d, HPA2g, HPA3d, HPA3g,...) également derrière chacune de ces sources, et en ce que ces amplificateurs sont tous identiques et délivrent tous la même puissance correspondant à leur puissance optimale commune de fonctionnement.
  5. Antenne-réseau selon la revendication 1, caractérisée en ce que, lesdites sources élémentaires étant des cornets rayonnants (C0,..., C3d,C3g...), chaque comet est séparé du cornet adjacent par une paroi commune (3).
  6. Antenne-réseau selon la revendication 2, caractérisée en ce que, lesdites sources élémentaires sont des pavés rayonnants ou "patchs" (P0,...,P2d,P2g,...).
  7. Antenne réseau plane en deux dimensions, comprenant une pluralité d'antennes réseau linéaires selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.
  8. Antenne réseau plane de révolution en deux dimensions, comprenant une pluralité d'antennes réseau linéaires selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.
  9. Antenne conformée sur une surface de révolution en trois dimensions, cette surface comportant plusieurs génératrices de ladite surface, et chaque génératrice comportant une pluralité de sources élémentaires d'antennes réseau linéaires selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, ledit réseau linéaire de ladite antenne étant disposé selon ladite génératrice.
  10. Antenne réseau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un amplificateur à faible bruit pour chaque source élémentaire (C0, C1d, C1g, C2d, C2g, C3d, C3g) ainsi qu'un déphaseur commandable (D0, D1d, D1g, D2d, D2g, D3d, D3g,...) derrière chaque amplificateur à faible bruit.
  11. Antenne réseau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un déphaseur commandable (D0, D1d, D1g, D2d, D2g, D3d, D3g,...) derrière chaque source élémentaire (C0, C1d, C1g, C2d, C2g, C3d, C3g,...) ainsi qu'un amplificateur de puissance hyperfréquence (HPA0, HPA1d, HPA1g, HPA2d, HPA2g, HPA3d, HPA3g,...) également derrière chacune de ces sources.
  12. Antenne-réseau active selon les revendications 10 et 11, pour des applications radar, caractérisée en ce qu'elle comporte une voie émission et une voie réception, commutables alternativement, chacune comprenant un amplificateur hyperfréquence spécifique.
  13. Antenne réseau selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que tous les amplificateurs fonctionnant en émission délivrent tous la même puissance correspondant à leur puissance optimale commune de fonctionnement.
  14. Antenne réseau selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 placée suivant la ligne focale d'un réflecteur cylindro-parabolique assurant ainsi une antenne à grand gain balayant électroniquement dans le plan formé par le réseau linéaire et la ligne des sommets des sections paraboliques.
EP92112576A 1991-07-26 1992-07-23 Antenne-réseau pour ondes hyperfréquences Expired - Lifetime EP0524622B1 (fr)

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FR9109506 1991-07-26
FR9109506A FR2679704B1 (fr) 1991-07-26 1991-07-26 Antenne-reseau pour ondes hyperfrequences.

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EP (1) EP0524622B1 (fr)
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