EP0762534B1 - Procédé d'élargissement du faisceau d'une antenne stérique - Google Patents

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EP0762534B1
EP0762534B1 EP96401829A EP96401829A EP0762534B1 EP 0762534 B1 EP0762534 B1 EP 0762534B1 EP 96401829 A EP96401829 A EP 96401829A EP 96401829 A EP96401829 A EP 96401829A EP 0762534 B1 EP0762534 B1 EP 0762534B1
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EP
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antenna
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point
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Claude Aubry
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Thomson CSF 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
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array

Definitions

  • the present invention relates to steric antennas, that is to say electronic scanning array antennas, the elements of which radiant are distributed inside a volume instead of being distributed over a reflective, flat or revolving surface, as described for example in document DE 2 822 845.
  • This type of antenna has the advantage of allowing coverage three-dimensional, most often hemispherical or quasi-hemispherical to which participate all the radiating elements. This is not the case for distributed array antennas on a reflecting surface which either when flat, require multiple panels differently oriented of which only one is used at a time, either when they are cylindrical or spherical, use only the radiating elements visible from the intended direction. Due to this property we expect steric antennas for superior performance in gain and directivity. That is why they have been studied for a long time.
  • steric antennas as with other types array antennas, it may be useful to enlarge the main lobe of the diagram of radiation on the emission without giving it distortions asymmetrical or significantly increase the secondary lobes. This is particularly the case in radar technique when we want to enlarge the standby area but this can be useful in other circumstances in other techniques such as radiocommunications or radio astronomy.
  • the techniques for widening the beam radiated by an array antenna currently known relate only to conventional linear or planar antenna arrays.
  • the widening method which, in most cases, proves to be the most efficient, consists in applying to the network a quadratic phase variation law added to the pointing phase variation law.
  • the radiation diagram or field radiated at a great distance by a grouping of elementary antennas equivalent to a planar radiating opening is expressed from the law of illumination or field distribution of the grouping of antennas elementary by means of a Fourrier transform.
  • This method of widening the beam of a linear array of elementary antennas can be easily generalized to a planar array of elementary antennas by summing up the contributions of two phase excitation laws with quadratic variation, one according to the length. x of the network plane with a coefficient ⁇ x and the other along the width y of the network plane with a coefficient ⁇ y . On the other hand, nothing allows a priori to generalize it to a volume network of elementary antennas.
  • the object of the present invention is to widen the beam of a volume array of elementary antennas without asymmetric deformations of the bundle nor significant increase in the secondary lobes.
  • It relates to a method of widening the beam of a steric antenna, emitting a spherical wave, consisting in applying to the radiating elements of the steric antenna, a phase excitation law taking for each radiating element d 'index n the value: 2 ⁇ ⁇ ⁇ not + 2 k ⁇ where ⁇ is the wavelength of the radiation emitted or received and ⁇ n the distance of the radiating element of index n considered at a point I outside the steric antenna located on the axis of the direction of pointing on the side opposite to the pointing direction, point I being such that from this point fictitiously emits the spherical wave emitted, trapped in the solid angle under which the visible outline of the antenna is seen.
  • the law d phase excitation to be applied to give the emitted waves isophase surfaces in the form of spherical sectors centered on a point I located on the axis normal to the grating at its center 0, on the side opposite to the pointing direction, must compensate for the differences path existing between the point I assumed at the origin of the spherical waves and the different radiating elements of the network.
  • ⁇ is the wavelength of the radiation emitted or received.
  • phase excitation law ⁇ e ( x ) can be approximated by: ⁇ e ( x ) ⁇ 2 ⁇ ⁇ ⁇ x 2 2 R + ⁇ 0
  • this focusing law is replaced by a phase law intended to give the waves emitted in the pointing direction OZ a spherical shape centered on a point I outside the network, located on the axis OZ of the direction of pointing on the side opposite to the direction of pointing. From this point I emanates a fictitious spherical wave, trapped in the solid angle ⁇ under which is seen the apparent contour of the network.
  • This second phase excitation law consists, by extension of the geometric optics principle applied to conventional linear gratings, in assigning each of the radiating elements of the phase associated with the spherical wave surface passing through this radiating element.
  • ⁇ not 2 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ not + 2 k ⁇
  • ⁇ n is the distance from point I to the radiating element B n considered.
  • the Gaussian appearance of the beam is only preserved for moderate enlargements of the order of 2 to 3.
  • the same is true for volume networks where the Gaussian form can only be preserved for enlargement values that are not too large.
  • the beam will present more and more bumps pronounced, until becoming shapeless.
  • FIG. 3 shows the general configuration of a device stereo antenna transceiver.
  • the antenna itself is consisting of a network 1 of radiating elements 2 randomly distributed and homogeneous inside an envelope volume 3 in accordance with principle of random rarefied networks.
  • Scarcity consists of removing a large number of elements radiant in a full network. It saves money on the number of radiating elements for a given dimension of the network, that is to say for a given beam opening, and also, if not to eliminate, at least to greatly reduce the coupling between elements which are often the cause of degraded performance of network antennas. In return, it causes the appearance of lobes of network.
  • the hazard reduces the network lobes inherent in regular strides.
  • Each radiating element 2 is supplied individually by a low loss vertical line 4 leading to a clean active module 5 which includes at least one individually controllable phase shifting circuit but which can also include amplifier, filtering circuits, etc. according to the functions assumed by the antenna and the types of signals it may be required to send or receive.
  • a clean active module 5 which includes at least one individually controllable phase shifting circuit but which can also include amplifier, filtering circuits, etc. according to the functions assumed by the antenna and the types of signals it may be required to send or receive.
  • the settings of the phase shift circuits of the active modules 5 allow different values of phase correction resulting from a pointing phase excitation law determined according to the intended direction and, when the need arises feel, from the combination of this pointing phase excitation law with an additional beam widening phase excitation law conforms to that described above. They are made thanks to a circuit pointer 8.
  • the various active modules 5 are connected to a distributor 6 which distributes or sums the signals coming from or going to circuits 7 transmission and / or reception.
  • the beam widening method which has just been described applies to all types of volume networks, whether regular or not regular, rarefied or not rarefied. It also applies to networks so-called "shaped" where the radiating elements are distributed over a surface curve (cylinder, cone, sphere ).

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Description

La présente invention concerne les antennes stériques, c'est-à-dire les antennes réseaux à balayage électronique dont les éléments rayonnants sont distribués à l'intérieur d'un volume au lieu d'être répartis sur une surface réfléchissante, plane ou de révolution, tel que décrit par example dans le document DE 2 822 845.
Ce type d'antenne a l'avantage de permettre une couverture tridimensionnelle, le plus souvent hémisphérique ou quasi-hémisphérique à laquelle participent tous les éléments rayonnants. Ce n'est pas le cas des antennes à réseau réparti sur une surface réfléchissante qui, soit, lorsqu'elles sont planes, nécessitent plusieurs panneaux différemment orientés dont un seul est utilisé à la fois, soit lorsqu'elles sont cylindriques ou sphériques, ne mettent à contribution que les éléments rayonnants visibles de la direction visée. En raison de cette propriété on attend des antennes stériques des performances supérieures en gain et directivité. C'est pourquoi elles sont étudiées depuis longtemps.
Avec les antennes stériques, comme avec les autres types d'antennes réseaux, il peut être utile d'élargir le lobe principal du diagramme de rayonnement à l'émission sans lui apporter des déformations asymétriques ou augmenter de façon importante les lobes secondaires. C'est notamment le cas en technique radar lorsque l'on veut agrandir le domaine de veille mais cela peut être utile en d'autres circonstances dans d'autres techniques telles que celles des radiocommunications ou de la radioastronomie.
Les techniques d'élargissement du faisceau rayonné par une antenne réseau actuellement connues ne concernent que les réseaux d'antennes conventionnels linéaires ou plans. Dans le cas d'un réseau d'antennes linéaire classique alimenté selon une loi d'amplitude symétrique et décroissante à partir du centre, la méthode d'élargissement qui, dans la plupart des cas, s'avère la plus performante, consiste à appliquer au réseau une loi de variation de phase quadratique ajoutée à la loi de variation de phase de pointage. En effet, il est connu que le diagramme de rayonnement ou champ rayonné à grande distance par un groupement d'antennes élémentaires équivalent à une ouverture plane rayonnante s'exprime à partir de la loi d'illumination ou distribution de champ du groupement d'antennes élémentaires au moyen d'une transformée de Fourrier. Or, si l'on adopte une loi d'excitation en amplitude symétrique et décroissante à partir du centre du réseau telle qu'une loi de Gauss tronquée de la forme : e -α x 2    x ≤ L/2 où α est un nombre réel positif, L la longueur du réseau linéaire d'antennes et x l'abscisse le long du réseau avec une origine au centre du réseau, et une loi d'excitation en phase à variation quadratique de la forme -βx2 où β est un nombre réel, on obtient une loi d'illumination en : e -(α+ i β) x 2 qui est une fonction gaussienne à coefficient complexe ayant la propriété d'être une fonction propre de la transformation de Fourier:
Figure 00020001
u étant la variable représentant la direction du rayonnement.
Traduite en termes d'antenne, cette propriété signifie que le diagramme de rayonnement d'une distribution de champ gaussienne est également gaussien tout au moins pour ce qui concerne le lobe principal. Comme la largeur du lobe est liée au module du terme (α + iβ), on voit que l'introduction de la loi de phase quadratique (terme β) permet d'élargir le lobe principal. Pour β égal à zéro on a la largeur nominale minimale et plus |β| augmente plus on élargit le faisceau.
Cette méthode d'élargissement du faisceau d'un réseau linéaire d'antennes élémentaires peut être facilement généralisée à un réseau plan d'antennes élémentaires en sommant les contributions de deux lois d'excitation de phase à variation quadratique, l'une selon la longueur x du plan du réseau avec un coefficient βx et l'autre selon la largeur y du plan du réseau avec un coefficient βy. Par contre rien ne permet a priori de la généraliser à un réseau volumique d'antennes élémentaires.
La présente invention a pour but l'élargissement du faisceau d'un réseau volumique d'antennes élémentaires sans déformations asymétriques du faisceau ni augmentation importante des lobes secondaires.
Elle a pour objet un procédé d'élargissement du faisceau d'une antenne stérique, émettant une onde de forme sphérique, consistant, à appliquer aux éléments rayonnants de l'antenne stérique, une loi d'excitation de phase prenant pour chaque élément rayonnant d'indice n la valeur : 2 πλ ρ n + 2kπ où λ est la longueur d'onde du rayonnement émis ou reçu et ρn la distance de l'élément rayonnant d'indice n considéré à un point I extérieur à l'antenne stérique situé sur l'axe de la direction de pointage du côté opposé à la direction de pointage, le point I étant tel que de ce point émane fictivement l'onde sphérique émise, emprisonnée dans l'angle solide sous lequel est vu le contour apparent de l'antenne.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description ci-après d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple. Cette description sera faite en regard du dessin dans lequel :
  • une figure 1 est un schéma illustrant une interprétation physique de la propriété d'élargissement de faisceau d'un réseau linéaire d'antennes élémentaire due à l'adoption d'une loi d'excitation de phase à variation quadratique ;
  • une figure 2 est un schéma explicitant le procédé d'élargissement de faisceau selon l'invention à partir de l'interprétation physique de la figure 1 ; et
  • une figure 3 représente, de manière schématique, un dispositif émetteur-récepteur à antenne stérique permettant la mise en oeuvre du procédé d'élargissement de faisceau selon l'invention.
La propriété pour une loi d'excitation de phase à variation quadratique d'élargir le faisceau directif d'un réseau linéaire d'antennes élémentaires peut s'expliquer par le fait qu'elle transforme les surfaces isophases des ondes émises ou reçues auxquelles la loi de variation de phase de pointage donne la forme de plans orientés vers la direction de pointage, en surfaces de forme approximative de secteurs sphériques orientés vers la direction de pointage. En effet, soit un réseau linéaire d'éléments rayonnants A1, A2,...,AN. Si l'on fait abstraction de la loi d'excitation de phase de pointage, c'est-à-dire si l'on se place dans le cas d'une direction de pointage perpendiculaire à la direction du réseau linéaire, la loi d'excitation de phase à appliquer pour donner aux ondes émises des surfaces isophases en forme de secteurs sphériques centrés sur un point I situé sur l'axe normal au réseau en son centre 0, du côté opposé à la direction de pointage, doit compenser les différences de trajet existant entre le point I supposé à l'origine des ondes sphériques et les différents éléments rayonnant du réseau. Pour un élément rayonnant situé à l'abscisse x par rapport au centre 0 du réseau, la différence de trajet d vaut : d = R 2 + x 2 - R R étant la distance entre le centre 0 du réseau et le point I centre des secteurs sphériques. Il en résulte un retard de phase ϕ(x) égal à:
Figure 00040001
où λ est la longueur d'onde du rayonnement émis ou reçu.
Pour obtenir des surfaces d'onde en forme de secteurs circulaires il faut donc, en toute rigueur appliquer une loi d'excitation de phase ϕ e (x) de la forme :
Figure 00040002
où ϕ0 est une constante quelconque éventuellement prise égale à: 2π λ R de sorte que, pour obtenir des surfaces d'ondes isophases en forme de secteurs circulaires centrés sur un point I situé sur l'axe normal au réseau en son centre, il suffit d'appliquer aux éléments rayonnants du réseau une loi de correction de phase donnant à chaque élément rayonnant d'abscisse x par rapport au centre 0 du réseau un déphasage : 2πλ ρ x où ρx est la distance de l'élément rayonnant considéré d'abscisse x au point I.
Cependant, si l'on considère que la distance R est grande devant x, c'est-à-dire que l'angle d'ouverture de rayonnement n'est pas trop grand, on peut écrire ;
Figure 00050001
de sorte que la loi d'excitation de phase ϕ e (x) peut être approchée par : ϕ e (x) ≅ 2πλ × x 2 2R + ϕ0
On reconnaít alors une loi d'excitation de phase à variation quadratique. Ainsi, pour des angles d'ouverture de rayonnement pas trop grands, l'écart entre une loi d'excitation de phase pour l'obtention d'une onde sphérique et une loi d'excitation de phase à variation quadratique peut être négligé. Il en résulte que l'on peut réaliser un élargissement de faisceau aussi bien avec une loi d'excitation de phase pour l'obtention d'une onde sphérique qu'avec une loi d'excitation de phase à variation quadratique, la première loi ayant l'avantage de s'étendre facilement aux réseaux volumiques comme le montre la figure 2.
Celle-ci montre un réseau de N éléments rayonnants B1, B2,..., BN répartis à l'intérieur d'un certain volume, ici une boule 10 de centre 0. Pour ne pas encombrer cette figure de tout ce qui ne concerne pas l'invention proprement dite, on n'a pas représenté les lignes d'alimentation des éléments rayonnants avec leur répartiteur et leurs déphaseurs commandés individuels. A chacun des éléments rayonnants est appliquée une loi d'excitation de phase de pointage permettant d'ajouter en phase leur contribution dans une direction de pointage 0Z. C'est l'opération classique de focalisation ou de collimation. Dans le but d'élargir le faisceau autour de la direction de pointage, on substitue à cette loi de focalisation une loi de phase destinée à donner aux ondes émises dans la direction de pointage OZ une forme sphérique centrée sur un point I extérieur au réseau, situé sur l'axe OZ de la direction de pointage du côté opposé à la direction de pointage. De ce point I émane une onde sphérique fictive, emprisonnée dans l'angle solide Ω sous lequel est vu le contour apparent du réseau. Cette deuxième loi d'excitation de phase consiste, par extension du principe d'optique géométrique appliqué aux réseaux linéaires conventionnels, à affecter chacun des éléments rayonnants de la phase associée à la surface d'onde sphérique passant par cet élément rayonnant. Ainsi l'élément rayonnant Bn (1≤n≤N) sera soumis au déphasage : ϕ n = 2πλ × ρ n + 2kπ où ρn est la distance du point I à l'élément rayonnant Bn considéré.
Dans le cas des réseaux rayonnants conventionnels, linéaires ou plans, l'allure gaussienne du faisceau ne se conserve que pour des élargissements modérés de l'ordre de 2 à 3. Il en va de même pour les réseaux volumiques où la forme gaussienne ne saurait être préservée que pour des valeurs d'élargissement pas trop grandes. Pour des valeurs plus conséquentes, tout comme pour les réseaux linéaires ou plans mais pas plus que ceux-ci, le faisceau présentera des bosses de plus en plus prononcées, jusqu'à devenir informe.
La figure 3 montre la configuration générale d'un dispositif émetteur-récepteur à antenne stérique. L'antenne proprement dite est constituée d'un réseau 1 d'éléments rayonnants 2 répartis de façon aléatoire et homogène à l'intérieur d'un volume enveloppe 3 conformément au principe des réseaux raréfiés aléatoires.
Dans le cas d'un réseau d'éléments rayonnants, il est bien connu que l'on doit, pour éviter l'apparition de lobes parasites de réseau dans certains angles de pointage du faisceau, disposer les éléments rayonnants dans le réseau avec un maillage présentant un pas d'écartement inférieur à λ/2, λ étant la longueur d'onde de fonctionnement du réseau. Comme l'ouverture du faisceau obtenu est inversement proportionnelle à la dimension du réseau comptée en longueur d'onde, cela conduit à envisager des réseaux pleins de grandes dimensions avec un très grand nombre d'éléments rayonnants.
La raréfaction consiste à supprimer un grand nombre d'éléments rayonnants dans un réseau plein. Elle permet de faire des économies sur le nombre d'éléments rayonnants pour une dimension donnée du réseau, c'est-à-dire pour une ouverture donnée du faisceau, et également, sinon d'éliminer, du moins de réduire fortement les couplages entre éléments rayonnants qui sont souvent la cause de dégradation des performances des antennes réseau. En contrepartie elle provoque l'apparition de lobes de réseau.
L'aléa permet de réduire les lobes de réseau inhérents aux structures régulières à grands pas.
Pour la clarté du dessin, les proportions respectives entre la longueur des différents éléments rayonnants (en principe voisine d'une demi-longueur d'onde), leurs espacements relatifs (de l'ordre de plusieurs longueurs d'onde), le diamètre du volume de l'enveloppe (de l'ordre de plusieurs dizaines de longueurs d'onde) n'ont pas été respectées. D'ailleurs ces différentes dimensions peuvent varier dans des proportions importantes en fonction des performances souhaitées (gain, finesse du faisceau, etc.)
Chaque élément rayonnant 2 est alimenté individuellement par une ligne verticale à faible perte 4 aboutissant à un module actif propre 5 qui comprend au moins un circuit déphaseur individuellement contrôlable mais qui peut comprendre également des circuits amplificateur, de filtrage, etc. selon les fonctions assumées par l'antenne et les types de signaux qu'elle pourra être amenée à émettre ou à recevoir.
Les réglages des circuits déphaseur des modules actifs 5 permettent d'appliquer aux éléments rayonnants différentes valeurs de correction de phase résultant d'une loi d'excitation de phase de pointage déterminée en fonction de la direction visée et, lorsque le besoin s'en fait sentir, de la combinaison de cette loi d'excitation de phase de pointage avec une loi additionnelle d'excitation de phase d'élargissement de faisceau conforme à celle décrite précédemment. Ils se font grâce à un circuit pointeur 8.
Les différents modules actifs 5 sont raccordés à un distributeur 6 qui répartit ou somme les signaux en provenance ou à destination de circuits 7 d'émission et/ou réception.
Tous les raisonnements précédents ont été faits aussi bien à l'émission qu'à la réception en application du théorème de réciprocité.
Le procédé d'élargissement de faisceau qui vient d'être décrit s'applique à tous les types de réseaux volumiques qu'ils soient réguliers ou non réguliers, raréfiés ou non raréfiés. Il s'applique également aux réseaux dits "conformés" où les éléments rayonnants sont répartis sur une surface courbe (cylindre, cône, sphère...).

Claims (1)

  1. Procédé d'élargissement du faisceau d'une antenne stérique, émettant une onde de forme sphérique, comportant un ensemble d'éléments rayonnants B1, B2,..Bn,..BN, n étant un nombre entier supérieur à 1, répartis dans un volume caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer aux éléments rayonnants de l'antenne stérique une loi d'excitation de phase prenant pour chaque élément rayonnant d'indice n la valeur : 2πλ ρ n + 2k π où λ est la longueur d'onde du rayonnement émis ou reçu et ρn la distance de l'élément rayonnant d'indice n considéré à un point I extérieur à l'antenne stérique situé sur l'axe de la direction de pointage visée, du côté opposé à la direction de pointage, le point I étant tel que de ce point émane fictivement l'onde sphérique émise, emprisonnée dans l'angle solide sous lequel est vu le contour apparent de l'antenne.
EP96401829A 1995-08-29 1996-08-27 Procédé d'élargissement du faisceau d'une antenne stérique Expired - Lifetime EP0762534B1 (fr)

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FR9510167 1995-08-29

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EP0762534A1 EP0762534A1 (fr) 1997-03-12
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DE (1) DE69611018T2 (fr)
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