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EP0407243A1 - Système d'antenne à faisceaux multiples à modules actifs, et formation de faisceaux par le calcul numérique - Google Patents

Système d'antenne à faisceaux multiples à modules actifs, et formation de faisceaux par le calcul numérique Download PDF

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Publication number
EP0407243A1
EP0407243A1 EP90401676A EP90401676A EP0407243A1 EP 0407243 A1 EP0407243 A1 EP 0407243A1 EP 90401676 A EP90401676 A EP 90401676A EP 90401676 A EP90401676 A EP 90401676A EP 0407243 A1 EP0407243 A1 EP 0407243A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ffc
modules
signals
network
diagram
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP90401676A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0407243B1 (fr
Inventor
Jean-Louis Pourailly
Joseph Roger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thomson CSF SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=9383440&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP0407243(A1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Thomson CSF SA filed Critical Thomson CSF SA
Publication of EP0407243A1 publication Critical patent/EP0407243A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0407243B1 publication Critical patent/EP0407243B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Revoked legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0025—Modular arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q25/00—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to an antenna system with active modules and beam forming by digital calculation.
  • the digital FFC consists in digitally executing this weighted summation of the signals delivered by the elementary antennas.
  • an electronic scanning is carried out by applying a variable and controlled phase shift to the signals delivered by the elementary antennas (or, in transmission, applied to them), so that the cumulation of the different phase shifts, combined with the pitch of the network, producing a "main lobe" whose direction with the central axis of the network forms a variable angle, modified according to needs.
  • a beamforming antenna by digital calculation comprises: - a plurality of elementary antennas configured in a network, a plurality of active transmitting and / or receiving amplifier modules, in a number equal to that of the elementary antennas and each associated, respectively, with one of these (a set of elements will be called "active module”) assets - such as power amplifiers for transmission, low noise amplifiers for reception, phase shifters, etc.
  • FFC module the input of which receives the microwave signal after low noise amplification, the output of which is in the form of a complex number representative of the analog input signal - that is to say a number with two parameters, corresponding to two quadrature channels, called " sine channel "and” cosine channel ")
  • FFC processor means developing, from the complex digital data delivered by the various FFC modules of the system, weighted sums of these data, the weighting corresponding to a reception channel defining a narrow beam of the antenna radiation diagram.
  • an FFC module is placed at the output of each channel for receiving the active modules.
  • the second technique consists in grouping the elementary antennas of the network into adjacent sub-networks obtained by combining the signals from neighboring active modules, and not provide only one FFC module for each subnet.
  • One of the aims of the invention is to remedy these various drawbacks by proposing an FFC antenna architecture with active modules making it possible to manage several beams simultaneously, while however significantly limiting the amount of information to be processed by the processor and, in one embodiment, also significantly reducing the number of FFC modules required.
  • the system further comprises a plurality of spatial pre-filtering circuits, each of which receives as input a plurality of signals from the active modules arranged upstream and delivers a signal at the output, to an associated FFC module arranged downstream, which is an amplitude-weighted sum of some of the signals received at the input, each FFC module thus being associated with a sub-network of the network of elementary antennas, the various sub -networks thus formed being nested between them and the weighting of the signals of each subnetwork being chosen so that the diagram thereof is a sectoral diagram essentially letting pass only the signals coming from a restricted area of the space, the number of these space pre-filtering circuits as well as the FFC modules associated with them is less than the number of elementary antennas, and -
  • the FFC processor means simultaneously process the
  • spatial prefiltering essentially serves to reduce the amount of information to be processed by the FFC processor, without seeking to reduce the number of FFC modules.
  • FFC modules are placed immediately after each corresponding active module (the two modules can be, moreover, integrated), and the subnets are then formed by calculating sums weighted directly from the signals thus digitized.
  • the system further comprises spatial pre-filtering means receiving as input the signals delivered by the FFC modules arranged upstream and delivering as output, to the FFC processor means disposed downstream, amplitude-weighted sums of some of the signals received at input, so as to constitute a sub-network of the network of elementary antennae, the different subnetworks thus formed being nested between them and the weighting of the signals of each subnetwork being chosen so that the diagram thereof is a sectoral diagram essentially letting pass only the signals coming from a restricted area of the space, and the FFC processor means process the signals at the output of the spatial pre-filtering means so as to obtain for the radiation pattern of the antenna an equivalent number of simultaneous, distinct beams of uniform quality.
  • the spatial pre-filtering means can in particular be implemented by a programmable controller.
  • the weighting carried out by the FFC processor means is an adaptive weighting ensuring the convergence of the pointing in the direction of the space sought.
  • Figure 1 schematically illustrates the first embodiment of the invention.
  • the reference 1 designates the elementary antennas of the array (for clarity of the drawing, only a limited number of these elementary antennas have been shown, which in reality are in much higher number, typically of the order of 4000 to 5000 ).
  • Each elementary antenna is associated with an active module 2, of a type known per se (and the structure of which will be described below with reference to FIG. 3), essentially consisting of the receiving and / or transmitting amplifier circuits.
  • a plurality of nested subnets (three in FIG. 1) is formed, by means of equi-amplitude and equi-phase 3 distributors which distribute the signals from the amplifiers to distribute them to a certain number (three, in the example illustrated) of spatial pre-filtering networks 4 whose role is to sum the signals they receive as input by applying to these signals amplitude weighting coefficients, characteristic of each of the sub - networks that we want to build.
  • the surface of the sub-networks can, thanks to the nesting, be chosen to obtain diagrams having a very specific secondary radiation, that is to say a diagram very close to an ideal sectoral diagram, because we can indeed assign to each sub-network a sufficient number of signals to establish the desired weighting.
  • the output signal from each of these spatial pre-filtering circuits 4 (that is to say the signal corresponding to each of the subnets that have been formed) is applied as input to an FFC module 5 of known type ( and the structure of which will be described below with reference to FIG. 4) which outputs a complex digital value, in the form of two signals I and Q (the "sine channel” and “cosine channel” mentioned above).
  • the I and Q components of the complex values delivered by the different FFC modules of the system are applied to an FFC 6 processor which will simultaneously process the digital values corresponding to each of the subnets, thus making it possible, as we are looking for, to obtain a plurality brushes of uniform quality.
  • the FCC computer can, advantageously, be a looped, “intelligent” device, delivering, by means of appropriate algorithms, an adaptive signal making it possible to point in the precise direction of the space where it is needed, avoiding jammers by creating “holes” in the diagram in the direction of these: we thus obtain the desired result of an antenna whose diagram is constituted by a “cluster” of narrow beams, precisely adjustable, anti-scrambled and of high quality homogeneous.
  • FIG. 5 shows an example of a diagram taken for one of the nested sub-networks (that is to say of a diagram obtained by an appropriate weighting in one of the spatial pre-filtering circuits 4), with, as we can see it, a central main lobe defining approximately the ideal sectoral diagram mentioned above.
  • FIG. 6 shows the network diagram obtained by the FFC modules alone, that is to say without the prefiltering of the subnets
  • FIG. 7 shows this same diagram after prefiltering, that is to say the diagram obtained by combining the separate diagrams in FIGS. 5 and 6: it can thus be seen that the large lobes of the diagram in FIG. 6 practically disappear completely after passing through the sub-network prefilter.
  • FIG. 8 illustrates the possibility that one has, with the same data set, of forming FFC lobes in the entire area defined by the prefilter; for this purpose, by an electronic scan resulting from an appropriate control of the FFC modules, the diagram of FIG. 6 is translated by a few degrees or fractions of a degree to the right or to the left, and therefore the central lobe thereof. , so as to scan by the latter the entire angular sector defined by the sub-network.
  • FIG. 8 thus corresponds to a series of homologous diagrams of the diagram of FIG. 7, obtained with the same spatial pre-filtering diagram (that of FIG. 5) but by shifting a few degrees or fractions of degrees to the left or to the right the diagram of FIG. 6 by an appropriate command of the FFC modules.
  • FIGS. 9 and 10 instead of a pointing in the axis, there has been a shift of + 30 °, the diagram in FIG. 5 becoming that of FIG. 9 and the diagram in FIG. 7, that in Figure 10.
  • each of the spatial pre-filtering circuits uses the signals delivered by the entire system
  • this characteristic is not essential, and, in practice (in particular to limit the noise factor of the antenna when the latter comprises a high number of active modules), it could be necessary to limit the number of signals assigned to each sub-network.
  • the pre-filtering takes place downstream (in the direction of reception) of the modules active, you can use the signals from their amplifiers for several prefilters, so achieve a very high nesting without penalizing the signal / noise ratio.
  • linear network has been taken for example.
  • the invention is however not limited to such a type of network, and applies to networks of any shape, in particular surface or volume networks.
  • the FFC network need not be, as illustrated, a regular pitch network; the distribution can be arbitrary, provided that no network lobes are generated inside the prefiltered zone.
  • FIG. 2 illustrates a second embodiment of the invention, also using the same spatial prefiltering technique, but replacing the mesh between the distributors 3 and the spatial prefiltering circuit 4 by a distribution operated by calculation, directly on values digital.
  • each active module 2 is associated with an FFC module 5 (the two modules being able, moreover, to be physically integrated into a single circuit) delivering the complex digital values I and Q to a digital prefilter 4 such that '' a distributed computer (preferably a programmable controller) which will directly constitute the sub-networks by calculation by determining the appropriate weighted sums from the signals digitized upstream.
  • FFC module 5 the two modules being able, moreover, to be physically integrated into a single circuit
  • This architecture also provides, compared to that of the embodiment of FIG. 1, the advantages of simplification of the connections, of reduction in the number of coding bits of the digital converters (because, due to the spatial pre-filtering, the dynamics of the signals may be weaker) and of distribution of the computing power near the modules where the data are produced - that is to say that most of the digital mass processing will take place near the active and FFC modules, thereby relieving the task of the computer 6.
  • FIGS. 3 and 4 Illustrated in FIGS. 3 and 4, respectively, the general structure of the active modules 2 and of the FFC modules 5. These modules have only been shown schematically insofar as, essentially, they are structures in themselves known.
  • Each active module 2 is made up (FIG. 3) of a phase shifter 10 making it possible to orient the wave plane at will.
  • This phase shifter is connected on the one hand to the transmission and reception circuits and on the other hand to a switch 11.
  • this switch connects the phase shifter to a power amplifier consisting of stages 12, 13 supplying the antenna elementary 1 via a circulator 14 and a harmonic filter 15; on reception, the elementary antenna 1 supplies, via the filter 15 and the circulator 14, a low noise amplifier 16, generally via a limiting stage 17.
  • the amplifier 16 delivers the signal picked up and amplified to the phase shifter 10 (via the transmission switch / reception 11) by means of an attenuator 18 used for adjusting the level, in particular for the amplitude weighting of the elementary antenna in the network.
  • FIG. 4 illustrates the diagram of an FFC 5 module, of analog type.
  • the latter receives as input a microwave signal S, which is lowered to a first intermediate frequency, of the order of 1000 MHz, by a mixer 20 supplied by a local oscillator OL1, common to all the FFC modules.
  • the signal output from the melan geur is filtered at 21 and amplified at 22, then subjected to a second frequency change (to result in a second intermediate frequency of the order of 60 MHz), this second frequency change being carried out on two similar channels each comprising a mixer 23, 23 ′, a low-pass filter 24, 24 ′ and a video amplifier 25, 25 ′.
  • an amplitude / phase demodulation must be carried out using two local oscillator signals OL2 in quadrature, which are respectively applied to each of the two mixers 23 and 23 ′.
  • each of the two quadrature signals is digitized by a respective analog / digital converter 26, 26 ′ to give the signals I (reference signal) and Q (quadrature signal) delivered by each of the FFC modules.
  • this description corresponds to an analog FFC module, that is to say in which the analog / digital conversion is carried out after demodulation; it is also possible to provide a digital FFC module, that is to say in which, the digitization being performed upstream, the amplitude / phase demodulation is performed digitally, by calculation, and not by mixing and filtering of signals.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

Un tel système comprend, typiquement : une pluralité d'antennes élémentaires (1) configurées en réseau, avec chacune un module actif (2) associé ; une pluralité de modules FFC (5), recevant chacun un signal hyperfréquence provenant des modules actifs et délivrant des données numériques complexes (I, Q) représentatives du signal d'entrée ; et des moyens processeurs FFC (6) élaborant des sommes pondérées à partir de ces données numériques complexes, la pondération correspondant à une voie de réception définissant un faisceau étroit du diagramme de rayonnement de l'antenne. Selon l'invention : - le système comporte en outre une pluralité de circuits de préfiltrage spatial (4), dont chacun reçoit une pluralité de signaux en provenance des modules actifs (2) et délivre à un module FFC associé (5) un signal qui est une somme pondérée en amplitude de certains des signaux reçus en entrée, chaque module FFC étant ainsi associé à un sous-réseau, les différents sous-réseaux ainsi constitués étant imbriqués entre eux et la pondération étant choisie de manière que le diagramme du sous-réseau soit un diagramme sectoral ne laissant essentiellement passer que les signaux en provenance d'une zone restreinte de l'espace, - le nombre des circuits de préfiltrage spatial (4) et des modules FFC (5) est inférieur à celui des antennes élémentaires, et - les moyens processeurs FFC (6) traitent simultanément les signaux en sortie des circuits de préfiltrage spatial, de manière à obtenir pour le diagramme de rayonnement de l'antenne un nombre équivalent de faisceaux simultanés, distincts et de qualité homogène.

Description

  • La présente invention concerne un système d'antenne à modules actifs et formation de faisceaux par le calcul numérique.
  • Dans la formation de faisceaux par le calcul (FFC), on élabore, à partir de signaux délivrés par des antennes élémentaires configurées en un réseau, un signal somme de tous ces signaux après les avoir pondérés par des coefficients appropriés ; lorsqu'il existe une relation de phase entre les ondes incidentes captées par les antennes élémentaires, on peut montrer qu'alors, sous certaines conditions, le signal somme est le signal qui serait obtenu par l'an­tenne réseau formée des antennes élémentaires mais avec une loi d'illumination définie par les coefficients de pondération.
  • La FFC numérique consiste à exécuter numériquement cette sommation pondérée des signaux délivrés par les antennes élémentaires.
  • Par ailleurs, on réalise un balayage électronique par application d'un déphasage variable et contrôlé aux signaux délivrés par les antennes élémentaires (ou, en émission, appliqués à celles-­ci), de manière que le cumul des différents déphasages, combiné au pas du réseau, produise un « lobe principal » dont la direction avec l'axe central du réseau forme un angle variable, modifié en fonction des besoins.
  • Typiquement, une antenne à formation de faisceaux par le calcul numérique comprend :
    - une pluralité d'antennes élémentaires configurées en un réseau,
    - une pluralité de modules actifs amplificateurs d'émis­sion et/ou de réception, en nombre égal à celui des antennes élémen­taires et associés chacun, respectivement, à l'une de celles-ci (on appellera « module actif » un ensemble d'éléments actifs - tels qu'amplificateurs de puissance pour l'émission, amplificateurs faible bruit pour la réception, déphaseurs, etc. - situés à proximité d'un élément rayonnant d'une antenne réseau ; de façon générale, l'énergie à l'intérieur du module actif reste à la fréquence hyperfréquence du radar),
    - une pluralité de modules FFC, recevant chacun un signal hyperfréquence provenant des modules actifs et délivrant en sortie des données numériques complexes représentatives du signal reçu en entrée (on appellera « module FFC » un tel organe, dont l'en­trée reçoit le signal hyperfréquence après amplification faible bruit, et dont la sortie se présente sous la forme d'un nombre complexe représentatif du signal analogique d'entrée - c'est-à-dire d'un nombre à deux paramètres, correspondant à deux voies en quadra­ture, dites « voie sinus » et « voie cosinus »), et
    - des moyens processeurs FFC élaborant, à partir des données numériques complexes délivrées par les différents modules FFC du système, des sommes pondérées de ces données, la pondéra­tion correspondant à une voie de réception définissant un faisceau étroit du diagramme de rayonnement de l'antenne.
  • On connaît actuellement deux techniques pour équiper ainsi une antenne réseau active de modules FFC.
  • Dans la première technique, on place un module FFC à la sortie de chaque voie de réception des modules actifs.
  • Cette solution, bien qu'elle autorise toutes les configura­tions possibles, présente cependant l'inconvénient de nécessiter un très grand nombre de modules FFC (les antennes réseaux actuelle­ment réalisées comprennent, typiquement, 4000 à 5000 antennes élémentaires et donc autant de modules actifs).
  • Il en résulte deux conséquences très pénalisantes :
    - tout d'abord, un coût très élevé (du fait du nombre élevé de modules FFC à prévoir),
    - et d'autre part un très grand flux de données à gérer par le processeur FFC, puisque celui-ci devra traiter en temps réel autant de signaux complexes qu'il y a de modules FFC, c'est-à-dire plusieurs milliers de signaux complexes.
  • La seconde technique consiste à regrouper les antennes élémentaires du réseau en sous-réseaux adjacents obtenus par combinaison des signaux issus de modules actifs voisins, et de ne prévoir qu'un seul module FFC pour chaque sous-réseau.
  • Cette solution réduit fortement, bien entendu, les inconvénients mentionnés plus haut puisque le nombre de modules FFC peut être considérablement réduit. Elle présente cependant l'inconvénient de n'autoriser qu'un seul faisceau de bonne qualité, car si l'on s'écarte de la direction de pointage, les faisceaux calculés vont présenter des lobes de réseau, souvent inacceptables.
  • Pour pointer les sous-réseaux dans la direction d'analyse, il est nécessaire de prévoir un balayage électronique et un traite­ment séquentiel - et non plus simultané , comme dans le premier cas de figure - des informations, ce qui rend cette technique pénali­sante en termes de cadence de renouvellement de l'information lorsque l'on doit gérer plusieurs directions (c'est-à-dire lorsque l'on a besoin de plusieurs faisceaux), en raison de ce mode de fonctionne­ment séquentiel.
  • L'un des buts de l'invention est de remédier à ces divers inconvénients, en proposant une architecture d'antenne FFC à modules actifs permettant de gérer simultanément plusieurs fais­ceaux, en limitant cependant de façon notable la quantité d'informa­tions à traiter par le processeur et, dans l'un des modes de réalisa­tion, en réduisant également de façon notable le nombre de modules FFC nécessaire.
  • Ainsi, dans un premier mode de réalisation on va cher­cher principalement à réduire le nombre de modules FFC en asso­ciant à chaque module FFC un sous-réseau dont le diagramme est sectoral, et qui ne laissera donc passer que les signaux en prove­nance de la zone de l'espace dans laquelle on voudra établir la fonc­tion multifaisceaux.
  • Cette caractéristique, qui sera par la suite désignée « préfiltrage spatial » est rendue possible, selon le premier mode de réalisation de l'invention, par le fait que, dans un système d'an­tennes FFC du type énoncé plus haut :
    - le système comporte en outre une pluralité de circuits de préfiltrage spatial, dont chacun reçoit en entrée une pluralité de signaux en provenance des modules actifs disposés en amont et délivre en sortie, à un module FFC associé disposé en aval, un signal qui est une somme pondérée en amplitude de certains des signaux reçus en entrée, chaque module FFC étant ainsi associé à un sous-­réseau du réseau des antennes élémentaires, les différents sous-­réseaux ainsi constitués étant imbriqués entre eux et la pondération des signaux de chaque sous-réseau étant choisie de manière que le diagramme de celui-ci soit un diagramme sectoral ne laissant essen­tiellement passer que les signaux en provenance d'une zone restreinte de l'espace,
    - le nombre de ces circuits de préfiltrage spatial ainsi que des modules FFC qui leur sont associés est inférieur au nombre des antennes élémentaires, et
    - les moyens processeurs FFC traitent simultanément les signaux en sortie des circuits de préfiltrage spatial, de manière à obtenir pour le diagramme de rayonnement de l'antenne un nombre équivalent de faisceaux simultanés, distincts et de qualité homo­gène.
  • Dans un second mode de réalisation de l'invention, le « préfiltrage spatial » sert essentiellement à réduire la quantité d'in­formation à traiter par le processeur FFC, sans chercher à réduire le nombre des modules FFC.
  • Dans ce cas, on prévoit autant de modules FFC que de modules actifs, on dispose ces modules FFC immédiatement après chaque module actif correspondant (les deux modules pouvant être, d'ailleurs, intégrés), et les sous-réseaux sont alors constitués en calculant des sommes pondérées directement à partir des signaux ainsi numérisés.
  • Plus précisément, selon ce second mode de réalisation de l'invention :
    - le système comporte en outre des moyens de préfil­trage spatial recevant en entrée les signaux délivrés par les modules FFC disposés en amont et délivrant en sortie, aux moyens proces­seurs FFC disposés en aval, des sommes pondérées en amplitude de certains des signaux reçus en entrée, de manière à constituer un sous-réseau du réseau des antennes élémentaires, les différents sous-réseaux ainsi constitués étant imbriqués entre eux et la pondé­ration des signaux de chaque sous-réseau étant choisie de manière que le diagramme de celui-ci soit un diagramme sectoral ne laissant essentiellement passer que les signaux en provenance d'une zone restreinte de l'espace, et
    - les moyens processeurs FFC traitent les signaux en sortie des moyens de préfiltrage spatial de manière à obtenir pour le diagramme de rayonnement de l'antenne un nombre équivalent de faisceaux simultanés, distincts et de qualité homogène.
  • Dans ce second mode de réalisation, les moyens de préfil­trage spatial peuvent notamment être mis en oeuvre par un auto­mate programmable.
  • Avantageusement, dans l'un ou l'autre des modes de réalisation la pondération réalisée par les moyens processeurs FFC est une pondération adaptative assurant la convergence du pointage dans la direction de l'espace recherchée.
  • On va maintenant décrire un exemple de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés.
    • La figure 1 est une illustration schématique du premier mode de réalisation précité de l'invention.
    • La figure 2 est une illustration schématique du second mode de réalisation précité de l'invention.
    • La figure 3 est un schéma par blocs montrant la struc­ture, en elle-même connue, d'un module actif.
    • La figure 4 est un schéma par blocs montrant la struc­ture, en elle-même connue, d'un module FFC.
    • La figure 5 est un exemple de diagramme de chacun des sous-réseaux imbriqués, relevé pour le mode de réalisation de la figure 1.
    • La figure 6 correspond, dans ce même cas, aux diagrammes de réseau obtenus par les seuls récepteurs FFC.
    • La figure 7 correspond à la combinaison des diagrammes des figures 5 et 6, c'est-à-dire au diagramme final du faisceau FFC après préfiltrage.
    • La figure 8 illustre les possibilités de balayage électro­nique par les modules FFC à l'intérieur du diagramme de la figure 5.
    • Les figures 9 et 10 sont, respectivement, homologues des figures 5 et 7, mais avec application d'une valeur de dépointage de 30° environ par un contrôle appropriée des modules actifs.
  • La figure 1 illustre de façon schématique le premier mode de réalisation de l'invention. La référence 1 désigne les antennes élémentaires du réseau (pour la clarté du dessin, on n'a représenté qu'un nombre limité de ces antennes élémentaires, qui en réalité sont en nombre beaucoup plus élevé, typiquement de l'ordre de 4000 à 5000).
  • A chaque antenne élémentaire est associé un module actif 2, de type en lui-même connu (et dont la structure sera décrite plus bas en référence à la figure 3), essentiellement constitué par les circuits amplificateurs de réception et/ou d'émission.
  • De façon caractéristique de l'invention, on forme une pluralité de sous-réseaux imbriqués (trois sur la figure 1), au moyen de répartiteurs équi-amplitude et équi-phase 3 qui distribuent les signaux issus des amplificateurs pour les distribuer à un certain nombre (trois, dans l'exemple illustré) de réseaux de préfiltrage spatial 4 dont le rôle est d'effectuer la sommation des signaux qu'ils reçoivent en entrée en appliquant à ces signaux des coefficients de pondération en amplitude, caractéristiques de chacun des sous-­réseaux que l'on veut constituer.
  • A cet effet, la surface des sous-réseaux peut, grâce à l'im­brication, être choisie pour obtenir des diagrammes ayant un rayon­nement secondaire très propre, c'est-à-dire un diagramme très proche d'un diagramme sectoral idéal, car on peut en effet affecter à chaque sous-réseau un nombre de signaux suffisants pour établir la pondération voulue.
  • Le signal de sortie de chacun de ces circuits de préfil­trage spatial 4 (c'est-à-dire le signal correspondant à chacun des sous-réseaux que l'on a constitué) est appliqué en entrée à un module FFC 5 de type connu (et dont la structure sera décrite plus bas en référence à la figure 4) qui délivre en sortie une valeur numé­rique complexe, sous forme de deux signaux I et Q (les « voie sinus » et « voie cosinus » mentionnées plus haut).
  • Les composantes I et Q des valeurs complexes délivrées par les différents modules FFC du système sont appliquées à un processeur FFC 6 qui traitera simultanément les valeurs numéri­ques correspondant à chacun des sous-réseaux, permettant ainsi, comme on le recherche, d'obtenir une pluralité de pinceaux simul­tanés et de qualité homogène.
  • Le calculateur FCC peut, avantageusement, être un dispositif bouclé, « intelligent », délivrant grâce à des algorithmes appropriés un signal adaptatif permettant d'effectuer le pointage dans la direction précise de l'espace où l'on en a besoin, en évitant les brouilleurs par création de « trous » dans le diagramme dans la direction de ceux-ci : on obtient ainsi le résultat voulu d'une antenne dont le diagramme est constitué par une « grappe » de faisceaux étroits, ajustables avec précision, antibrouillés et de qualité homo­gène.
  • La figure 5 montre un exemple de diagramme relevé pour l'un des sous-réseaux imbriqués (c'est-à-dire d'un diagramme obtenu par une pondération appropriée dans l'un des circuits de préfiltrage spatial 4), avec, comme on peut le voir, un lobe principal central définissant approximativement le diagramme sectoral idéal mentionné plus haut.
  • La figure 6 montre le diagramme de réseau obtenu par les modules FFC seuls, c'est-à-dire sans le préfiltrage des sous-ré­seaux, et la figure 7 montre ce même diagramme après préfiltrage, c'est-à-dire le diagramme obtenu en combinant les diagrammes séparés des figures 5 et 6 : on voit ainsi que les lobes de réseau importants du diagramme de la figure 6 disparaissent pratiquement complètement après passage dans le préfiltre des sous-réseaux.
  • La figure 8 illustre la possibilité que l'on a, avec un même jeu de données, de former des lobes FFC dans toute la zone définie par le préfiltre ; à cet effet, par un balayage électronique résultant d'une commande appropriée des modules FFC, on trans­late de quelques degrés ou fractions de degré vers la droite ou vers la gauche le diagramme de la figure 6, et donc le lobe central de celui-ci, de façon à faire balayer par ce dernier la totalité du secteur angulaire défini par le sous-réseau.
  • La figure 8 correspond ainsi à une série de diagrammes homologues du diagramme de la figure 7, obtenus avec un même diagramme de préfiltrage spatial (celui de la figure 5) mais en déca­lant de quelques degrés ou fractions de degré vers la gauche ou vers la droite le diagramme de la figure 6 par une commande appropriée des modules FFC.
  • Enfin, à l'aide des déphaseurs électroniques des modules actifs (et non de ceux des modules FFC, qui ne servent qu'au poin­tage fin), il est possible d'orienter différemment le secteur angulaire du préfiltre, en fonction des besoins.
  • Ainsi, sur les figures 9 et 10, au lieu d'un pointage dans l'axe on a opéré un dépointage de +30°, le diagramme de la figure 5 devenant celui de la figure 9 et le diagramme de la figure 7, celui de la figure 10.
  • On voit ainsi que l'on peut sans difficulté balayer une zone de l'espace relativement étendue, tout en conservant les propriétés d'étroitesse du faisceau (et donc d'antibrouillage) permise par la technique FFC.
  • On notera que, bien que sur la figure 1 chacun des circuits de préfiltrage spatial (c'est-à-dire des sous-réseaux) utilise les signaux délivrés par l'ensemble du système, cette caractéristique n'est pas indispensable, et, en pratique (notamment pour limiter le facteur de bruit de l'antenne lorsque celle-ci comporte un nombre élevé de modules actifs) on pourrait être amené à limiter le nombre de signaux affectés à chaque sous-réseau. Cependant, du fait que le préfiltrage a lieu en aval (dans le sens de la réception) des modules actifs, on peut utiliser les signaux issus des amplificateurs de ces derniers pour plusieurs préfiltres, donc réaliser une imbrication très importante sans pénaliser le rapport signal/bruit.
  • Néanmoins, si l'on peut réaliser la numérisation du signal directement au niveau du module actif, cette contrainte d'augmentation du facteur de bruit ne joue plus, de sorte que l'on pourra ajuster au mieux le préfiltrage spatial sans être obligé de limiter le nombre des signaux affectés à chaque sous-réseau.
  • Par ailleurs, pour simplifier la description, on a pris pour exemple un réseau linéaire l'invention n'est cependant pas limitée à un tel type de réseau, et s'applique à des réseaux de forme quel­conque, notamment des réseaux surfaciques ou volumiques.
  • De même, le réseau FFC n'a pas besoin d'être, comme illustré, un réseau à pas régulier ; la répartition peut être quel­conque, à condition de ne pas générer de lobes de réseau à l'intérieur de la zone préfiltrée.
  • La figure 2 illustre un second mode de réalisation de l'in­vention, utilisant également la même technique de préfiltrage spatial, mais remplaçant le maillage entre les répartiteurs 3 et le circuit de préfiltrage spatial 4 par une distribution opérée par le calcul, directement sur des valeurs numériques.
  • A cet effet, on associe à chaque module actif 2 un module FFC 5 (les deux modules pouvant d'ailleurs être, physiquement, intégrés en un circuit unique) délivrant les valeurs numériques complexes I et Q à un organe de préfiltrage numérique 4 tel qu'un calculateur réparti (de préférence, un automate programmable) qui va constituer directement par le calcul les sous-réseaux en détermi­nant les sommes pondérées appropriées à partir des signaux numé­risés en amont.
  • Ces sommes pondérées sont délivrées au calculateur FFC 6, qui les traitera de la même façon que dans le cas du premier mode de réalisation.
  • Cette solution ne permet certes pas de réduire le nombre des modules FFC par rapport aux solutions de l'art antérieur, mais offre néanmoins l'avantage de limiter considérablement le flux d'in­ formations à traiter par le calculateur FFC 6 du fait du préfiltrage spatial opéré en amont par l'organe 4.
  • Cette architecture procure en outre, par rapport à celle du mode de réalisation de la figure 1, les avantages de simplification de la connectique, de diminution du nombre de bits de codage des convertisseurs numériques (car, du fait du préfiltrage spatial, la dynamique des signaux pourra être plus faible) et de répartition de la puissance de calcul à proximité des modules où sont produites les données - c'est-à-dire que la majeure partie du traitement numé­rique de masse aura lieu à proximité des modules actifs et FFC, déchargeant d'autant la tâche du calculateur 6.
  • On a illustré sur les figures 3 et 4, respectivement, la structure générale des modules actifs 2 et des modules FFC 5. Ces modules n'ont été représentés que schématiquement dans la mesure où, pour l'essentiel, il s'agit de structures en elles-mêmes connues.
  • Chaque module actif 2 est constitué (figure 3) d'un déphaseur 10 permettant d'orienter à volonté le plan d'onde. Ce déphaseur est relié d'une part aux circuits d'émission et de réception et d'autre part à un commutateur 11. En émission, ce commutateur relie le déphaseur à un amplificateur de puissance constitué d'étages 12, 13 alimentant l'antenne élémentaire 1 via un circula­teur 14 et un filtre d'harmoniques 15 ; en réception, l'antenne élémentaire 1 alimente, via le filtre 15 et le circulateur 14, un ampli­ficateur faible bruit 16, généralement via un étage limiteur 17. L'amplificateur 16 délivre le signal capté et amplifié au déphaseur 10 (via le commutateur émission/réception 11) par l'intermédiaire d'un atténuateur 18 servant au réglage du niveau, notamment pour la pondération en amplitude de l'antenne élémentaire dans le réseau.
  • La figure 4 illustre le schéma d'un module FFC 5, de type analogique.
  • Celui-ci reçoit en entrée un signal S hyperfréquence, qui est abaissé à une première fréquence intermédiaire, de l'ordre de 1000 MHz, par un mélangeur 20 alimenté par un oscillateur local OL1, commun à tous les modules FFC. Le signal en sortie du mélan­ geur est filtré en 21 et amplifié en 22, puis soumis à un second chan­gement de fréquence (pour aboutir à une seconde fréquence intermé­diaire de l'ordre de 60 MHz), ce second changement de fréquence étant effectué sur deux voies semblables comportant chacune un mélangeur 23, 23′, un filtre passe-bas 24, 24′ et un amplificateur vidéo 25, 25′. Pour obtenir un signal complexe représentatif à la fois de l'amplitude et de la phase du signal de base, on doit effectuer une démodulation amplitude/phase à partir de deux signaux d'oscilla­teur local OL2 en quadrature, qui sont respectivement appliqués à chacun des deux mélangeurs 23 et 23′.
  • Enfin, chacun des deux signaux en quadrature est numé­risé par un convertisseur analogique/numérique respectif 26, 26′ pour donner les signaux I (signal de référence) et Q (signal en quadrature) délivré par chacun des modules FFC.
  • On notera que cette description correspond à un module FFC analogique, c'est-à-dire dans lequel la conversion analo­gique/numérique est effectuée après démodulation ; il est également possible de prévoir un module FFC numérique, c'est-à-dire dans lequel, la numérisation étant effectuée en amont, la démodulation amplitude/phase est effectuée de façon numérique, par le calcul, et non par mélange et filtrage de signaux.

Claims (5)

1. Un système d'antenne à modules actifs et formation de faisceaux par le calcul numérique, comprenant:
- une pluralité d'antennes élémentaires (1) configurées en un réseau,
- une pluralité de modules actifs (2) amplificateurs d'é­mission et/ou de réception, en nombre égal à celui des antennes élémentaires et associés chacun, respectivement, à l'une de celles-ci,
- une pluralité de modules FFC (5), recevant chacun un signal hyperfréquence provenant des modules actifs et délivrant en sortie des données numériques complexes (I, Q) représentatives du signal reçu en entrée, et
- des moyens processeurs FFC (6) élaborant, à partir des données numériques complexes délivrées par les différents modules FFC du système, des sommes pondérées de ces données, la pondération correspondant à une voie de réception définissant un faisceau étroit du diagramme de rayonnement de l'antenne,
caractérisé en ce que :
- le système comporte en outre une pluralité de circuits de préfiltrage spatial (4), dont chacun reçoit en entrée une pluralité de signaux en provenance des modules actifs (2) disposés en amont et délivre en sortie, à un module FFC associé (5) disposé en aval, un signal qui est une somme pondérée en amplitude de certains des signaux reçus en entrée, chaque module FFC étant ainsi associé à un sous-réseau du réseau des antennes élémentaires, les différents sous-réseaux ainsi constitués étant imbriqués entre eux et la pondé­ration des signaux de chaque sous-réseau étant choisie de manière que le diagramme de celui-ci soit un diagramme sectoral ne laissant essentiellement passer que les signaux en provenance d'une zone restreinte de l'espace,
- le nombre de ces circuits de préfiltrage spatial (4) ainsi que des modules FFC (5) qui leur sont associés est inférieur au nombre des antennes élémentaires, et
- les moyens processeurs FFC (6) traitent simultané­ ment les signaux en sortie des circuits de préfiltrage spatial, de manière à obtenir pour le diagramme de rayonnement de l'antenne un nombre équivalent de faisceaux simultanés, distincts et de qualité homogène.
2. Le système d'antenne de la revendication 1, dans lequel la pondération réalisée par les moyens processeurs FFC (6) est une pondération adaptative assurant la convergence du pointage dans la direction de l'espace recherchée.
3. Un système d'antenne à modules actifs et formation de faisceaux par le calcul numérique, comprenant :
- une pluralité d'antennes élémentaires (1) configurées en un réseau,
- une pluralité de modules actifs (2) amplificateurs d'émission et/ou réception, en nombre égal à celui des antennes élémentaires et associés chacun, respectivement, à l'une de celles-ci,
- une pluralité de modules FFC (5), en nombre égal à celui des modules actifs et associés chacun, respectivement, à l'un de ceux-ci, recevant chacun le signal hyperfréquence provenant du module actif et délivrant en sortie des données numériques complexes (I, Q) représentatives du signal reçu en entrée, et
- des moyens processeurs FFC (6) élaborant, à partir des données numériques complexes délivrées par les différents modules FFC du système, des sommes pondérées de ces données, la pondération correspondant à une voie de réception définissant un faisceau étroit du diagramme de rayonnement de l'antenne,
caractérisé en ce que :
- le système comporte en outre des moyens de préfil­trage spatial (4) recevant en entrée les signaux délivrés par les modules FFC (5) disposés en amont et délivrant en sortie, aux moyens processeurs FFC (6) disposés en aval, des sommes pondé­rées en amplitude de certains des signaux reçus en entrée, de manière à constituer un sous-réseau du réseau des antennes élémentaires, les différents sous-réseaux ainsi constitués étant imbriqués entre eux et la pondération des signaux de chaque sous-­réseau étant choisie de manière que le diagramme de celui-ci soit un diagramme sectoral ne laissant essentiellement passer que les signaux en provenance d'une zone restreinte de l'espace, et
- les moyens processeurs FFC (6) traitent les signaux en sortie des moyens de préfiltrage spatial de manière à obtenir pour le diagramme de rayonnement de l'antenne un nombre équivalent de faisceaux simultanés, distincts et de qualité homogène.
4. Le système d'antenne de la revendication 3 dans lequel les moyens de préfiltrage spatial (4) sont mis en oeuvre par un automate programmable.
5. Le système d'antenne de la revendication 3, dans lequel la pondération réalisée par les moyens processeurs FFC (6) est une pondération adaptative assurant la convergence du pointage dans la direction de l'espace recherchée.
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