FR2705169A1

FR2705169A1 - Two-dimensional array antenna, with transmitter-receiver modules distributed over the surface of the antenna, and with electronic scanning

Info

Publication number: FR2705169A1
Application number: FR8603649A
Authority: FR
Inventors: Marchais Jean-Claude; Gautier Francois; Sadones Henri-Francois
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1986-03-14
Filing date: 1986-03-14
Publication date: 1994-11-18
Also published as: SE8701037L; SE8701037D0; IT8767099A0; GB8706073D0

Abstract

This two-dimensional array antenna, with transmitter-receiver modules (5i) distributed over the surface of the antenna, and with electronic scanning, of the type with radiating elements (6j) grouped together into waveguides (1i) each associated with a transmitter-receiver module, further includes, arranged in front of this array, an active lens (2) able to create electronic scanning in the plane E of the electric field which it receives, preceded or not preceded by a polarisation-rotating grid (3) according to whether this electronic scanning is in the plane E of the electric field or in the plane H of the magnetic field. Application particularly to radar.

Description

ANTENNE RESEAU BIDIMENSIONNEL, A MODULES
EMETTEURS-RECEPTEURS REPARTIS SUR LA SURFACE
DE L'ANTENNE, ET A BALAYAGE ELECTRONIQUE
La présente invention concerne une antenne réseau bidimensionnel, à modules émetteurs-récepteurs répartis sur la surface de l'antenne, et à balayage électronique.TWO-DIMENSIONAL, MODULAR NETWORK ANTENNA
SURFACE TRANSCEIVERS
ANTENNA, AND ELECTRONICALLY SCANNED
The present invention relates to a two-dimensional array antenna, with transceiver modules distributed over the surface of the antenna, and with electronic scanning.

I1 est connu qu'une antenne à émetteurs-récepteurs répartis sur sa surface, dite encore antenne active, présente de nombreux avantages, tels que: utilisation de composants semi-conducteurs compatibles avec un haut niveau d'intégration, fiabilité, souplesse d'emploi due en particulier à la possibilité de réaliser de manière simple une antenne à balayage électronique ou une antenne multifaisceaux. I1 is known that an antenna with transceivers distributed over its surface, also called active antenna, has many advantages, such as: use of semiconductor components compatible with a high level of integration, reliability, flexibility of use due in particular to the possibility of simply making an electronic scanning antenna or a multibeam antenna.

La réalisation de ce type d'antenne peut se faire sous la forme de réseau bidimensionnel d'éléments rayonnants, associés chacun à un module émetteur-récepteur comportant des amplificateurs d'émission et de réception, et des organes de contrôle d'amplitude et de phase. This type of antenna can be produced in the form of a two-dimensional array of radiating elements, each associated with a transceiver module comprising transmit and receive amplifiers, and amplitude and phase.

Ce principe se heurte toutefois en pratique à des limitations qui sont d'une part la non disponibilité actuelle des composants, faute d'avoir atteint un degré de miniaturisation suffisant et d'autre part le coût élevé d'une telle réalisation. En effet, pour une antenne de dimension moyenne, par exemple 20 X (S étant la longueur d'onde utilisée), il faudrait environ un millier de modules émetteursrécepteurs répartis sur la surface de l'antenne. Une telle antenne n'est donc pas réalisable actuellement. Pour certaines applications, il est connu que l'on peut trouver un compromis en associant un module émetteur-récepteur non plus à chaque élément rayonnant mais à un groupe d'éléments rayonnants disposés suivant une dimension donnée et rayonnant par l'intermédiaire d'un guide d'onde commun. En reprenant l'exemple précédent d'une antenne de dimension 20 X, le nombre de modules émetteurs-récepteurs est alors ramené à moins de 80. La construction de l'antenne s'en trouve considérablement simplifiée tout en conservant l'essentiel des avantages de l'antenne active cités plus haut. This principle however encounters in practice limitations which are on the one hand the current unavailability of the components, for want of having reached a sufficient degree of miniaturization and on the other hand the high cost of such an embodiment. Indeed, for a medium-sized antenna, for example 20 X (S being the wavelength used), it would take about a thousand transceiver modules distributed over the surface of the antenna. Such an antenna is therefore not currently feasible. For certain applications, it is known that a compromise can be found by associating a transmitter-receiver module no longer with each radiating element but with a group of radiating elements arranged according to a given dimension and radiating via a common waveguide. Using the previous example of a 20 X antenna, the number of transceiver modules is reduced to less than 80. The construction of the antenna is considerably simplified while retaining the main advantages of the active antenna mentioned above.

En ce qui concerne la possibilité de faire du balayage électronique, il convient alors de remarquer qu'un tel réseau ne permet d'effectuer un balayage électronique que dans le plan perpendiculaire à l'axe longitudinal des guides d'onde qui en pratique est généralement le plan du champ électrique E en sortie de ce réseau. As regards the possibility of carrying out electronic scanning, it should then be noted that such a network only makes it possible to carry out electronic scanning in the plane perpendicular to the longitudinal axis of the waveguides which in practice is generally the plane of the electric field E at the outlet of this network.

I1 est par ailleurs connu, notamment par le brevet français N" 79 03272 d'associer à un tel réseau un dispositif permettant de réaliser un balayage électronique suivant le plan du champ magnétique H en sortie de ce réseau, afin d'obtenir une antenne active à balayage électronique suivant deux plans. I1 is also known, in particular from French patent N "79 03272 to associate with such a network a device making it possible to carry out an electronic scanning along the plane of the magnetic field H at the output of this network, in order to obtain an active antenna. electronically scanned in two planes.

Ce dispositif, qui réalise les fonctions d'une lentille active, consiste essentiellement en un système de réseaux de fils conducteurs placés parallèlement au champ électrique E reçu par la lentille, et pouvant être rendus à volonté soit continus, soit coupés, par des interrupteurs tels que des diodes alimentées par les fils sur lesquels elles sont montées. Cette lentille active permet ainsi de réaliser un balayage électronique suivant un plan perpendiculaire aux réseaux de fils, c'est-à-dire, lesdits fils étant disposés parallèlement au champ électrique E reçu par la lentille, suivant le plan H du champ magnétique reçu par la lentille. This device, which performs the functions of an active lens, essentially consists of a system of networks of conductive wires placed parallel to the electric field E received by the lens, and which can be made at will either continuous or cut, by switches such as diodes supplied by the wires on which they are mounted. This active lens thus makes it possible to carry out an electronic scanning along a plane perpendicular to the networks of wires, that is to say, said wires being arranged parallel to the electric field E received by the lens, along the plane H of the magnetic field received by The lens.

I1 se trouve donc que cette lentille active plan H a par nature un rôle complémentaire de l'antenne active plan E et que l'on est ainsi naturellement conduit à les associer. It is therefore found that this planar active lens H has by nature a role complementary to the planar active antenna E and that it is thus naturally led to associate them.

La présente invention a au contraire pour objet l'utilisation d'une lentille active procurant un balayage suivant le plan E, en association avec une antenne active à balayage électronique suivant un plan, afin d'obtenir une antenne active à balayage électronique suivant deux plans orthogonaux. The subject of the present invention, on the contrary, is the use of an active lens providing scanning along the plane E, in association with an active antenna with electronic scanning along a plane, in order to obtain an active antenna with electronic scanning along two planes. orthogonal.

Suivant l'invention, une antenne réseau bidimensionnel, à modules émetteurs-récepteurs répartis sur la surface de l'antenne, et à balayage électronique, du type à éléments rayonnants regroupés suivant des moyens de guidage associés chacun à un module émetteur-récepteur, est essentiellement caractérisée en ce qu'elle comporte en outre, disposée devant ce réseau, une lentille active apte à créer un balayage électronique dans le plan E du champ électrique qu'elle reçoit, précédée ou non d'une grille de rotation de polarisation suivant que ce réseau balaye suivant le plan E du champ électrique, ou suivant le plan H du champ magnétique. According to the invention, a two-dimensional array antenna, with transceiver modules distributed over the surface of the antenna, and with electronic scanning, of the type with radiating elements grouped according to guidance means each associated with a transceiver module, is essentially characterized in that it further comprises, disposed in front of this array, an active lens capable of creating an electronic scan in the plane E of the electric field which it receives, preceded or not by a polarization rotation grid depending on whether this network scans along the plane E of the electric field, or along the plane H of the magnetic field.

D'autres objets et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, faite en relation avec les dessins ciannexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue de côté d'une antenne active à balayage électronique suivant l'invention; - la figure 2 est un schéma montrant l'association d'un module émetteur-récepteur et d'un groupe d'éléments rayonnants, suivant une autre caractéristique de l'invention; - les figures 3 et 4 sont des schémas relatifs à la formation de plusieurs faisceaux simultanés en réception, au moyen d'une antenne suivant l'invention. Other objects and characteristics of the present invention will appear more clearly on reading the following description of exemplary embodiments, made in relation to the attached drawings in which: - Figure 1 is a side view of an active antenna with electronic scanning according to the invention; - Figure 2 is a diagram showing the association of a transceiver module and a group of radiating elements, according to another characteristic of the invention; - Figures 3 and 4 are diagrams relating to the formation of several simultaneous beams in reception, by means of an antenna according to the invention.

Sur la figure 1 on a représenté, vue de côté, une antenne active dont les éléments rayonnants sont, à titre d'exemple, disposés suivant des guides d'onde tels que li, horizontaux, c'est-à-dire perpendiculaires au plan de figure, et juxtaposés verticalement de manière à couvrir toute la surface de l'antenne. In Figure 1 there is shown, side view, an active antenna whose radiating elements are, for example, arranged along waveguides such as li, horizontal, that is to say perpendicular to the plane of figure, and juxtaposed vertically so as to cover the entire surface of the antenna.

Cette antenne réseau permet de réaliser un balayage électronique dans un plan orthogonal à l'axe longitudinal des guides, c'est dire dans l'exemple considéré dans le plan vertical, ce plan pouvant être le plan E du champ électrique ou le plan H du champ magnétique. This array antenna makes it possible to carry out an electronic scan in a plane orthogonal to the longitudinal axis of the guides, that is to say in the example considered in the vertical plane, this plane possibly being the plane E of the electric field or the plane H of the magnetic field.

Cette antenne réseau est suivie d'une lentille active 2 apte à réaliser un balayage électronique suivant le plan E de l'onde électromagnétique qu'elle reçoit. Dans le cas où l'antenne réseau balaye également suivant le plan E, cette lentille active 2 est ellemême précédée d'une grille 3 de rotation de polarisation. Dans l'exemple considéré, le champ électrique E en sortie de la grille de rotation de polarisation est alors perpendiculaire au plan de figure. This array antenna is followed by an active lens 2 capable of carrying out an electronic scanning along the plane E of the electromagnetic wave which it receives. In the case where the array antenna also scans along the plane E, this active lens 2 is itself preceded by a grid 3 of polarization rotation. In the example considered, the electric field E at the output of the polarization rotation grid is then perpendicular to the plane of the figure.

Dans le cas où l'antenne réseau balaye suivant le plan H, la grille 3 de rotation de polarisation n'est pas prévue; c'est pourquoi cette grille a été représentée en pointillés. In the case where the array antenna scans along the plane H, the grid 3 for polarization rotation is not provided; this is why this grid has been shown in dotted lines.

L'ensemble formé par les éléments 1 et 2, ou 1, 2 et 3 suivant le cas considéré, procure donc un balayage électronique suivant deux plans orthogonaux. The assembly formed by elements 1 and 2, or 1, 2 and 3 depending on the case under consideration, therefore provides an electronic scan along two orthogonal planes.

On trouvera une description d'une lentille active à balayage électronique suivant le plan E notamment dans le brevet français N" 79 27873. A description of an electronically scanned active lens according to the plane E will be found in particular in French patent N "79 27873.

Cette lentille active fonctionne suivant un principe analogue à celle décrite dans le brevet français n" 79 03272, mais permet, grâce à une découpe des fils d'un même réseau en plusieurs tronçons alimentés de façon distincte, de retrouver en quelque sorte les propriétés de déphasage d'un système de réseaux de fils disposés perpendiculairement à celui-ci, et d'effectuer ainsi, tout en ayant toujours des fils disposés parallèlement au champ électrique, un balayage électronique non plus suivant le plan H mais suivant le plan
E du champ électrique reçu par la lentille.This active lens works according to a principle analogous to that described in French patent n ° 79,03272, but allows, thanks to a cutting of the wires of the same network into several sections supplied in a separate manner, to find in a way the properties of phase shift of a system of arrays of wires arranged perpendicularly to the latter, and thus to perform, while still having wires arranged parallel to the electric field, an electronic scan no longer along the H plane but along the plane
E of the electric field received by the lens.

La grille de rotation de polarisation est par ailleurs un dispositif classique en antenne; elle ne sera pas décrite ici. The polarization rotation grid is also a conventional antenna device; it will not be described here.

La lentille active à balayage suivant le plan H utilisée dans le brevet français NO 79 03272 en association avec une antenne active permet par ailleurs de compenser la dispersion en fréquence due à la localisation des différents modules émetteurs-récepteurs à l'extré- mité des guides associés à chacun de ces modules. The active lens with scanning along the H plane used in French patent NO 79 03272 in association with an active antenna also makes it possible to compensate for the frequency dispersion due to the location of the various transceiver modules at the end of the guides. associated with each of these modules.

Suivant une autre caractéristique de l'invention, cette dispersion en fréquence est évitée grâce à un réseau de distribution parallèle 4i entre chacun des modules émetteurs-récepteurs 5i et les différents éléments rayonnants 6. qui lui sont associés (j étant un indice qui varie horizontalement et i un indice qui varie verticalement). Ceci apparaît sur la figure 2 qui est une vue dans un plan orthogonal au plan de la figure 1. According to another characteristic of the invention, this frequency dispersion is avoided thanks to a parallel distribution network 4i between each of the transmitter-receiver modules 5i and the different radiating elements 6. which are associated with it (j being an index which varies horizontally and i an index which varies vertically). This appears in FIG. 2 which is a view in a plane orthogonal to the plane of FIG. 1.

Ces réseaux de distribution parallèle 4i remplacent en fait les guides d'onde li précédents. L'égalité des différents chemins possibles à l'intérieur de ces réseaux de distribution parallèle évite ainsi le phénomène de dispersion en fréquence rencontré précédemment avec des guides alimentés à une de leurs extrémités. These parallel distribution networks 4i in fact replace the previous waveguides li. The equality of the different possible paths inside these parallel distribution networks thus avoids the frequency dispersion phenomenon encountered previously with guides supplied at one of their ends.

Ces réseaux de distribution parallèle peuvent être réalisés notamment au moyen de lignes du type "microstrip" ou "triplaque". These parallel distribution networks can be produced in particular by means of lines of the "microstrip" or "triplate" type.

Le nombre de divisions successives réalisées à l'intérieur de ces réseaux dépend de la largeur de l'intervalle entre deux éléments rayonnants adjacents.The number of successive divisions made within these networks depends on the width of the interval between two adjacent radiating elements.

Sur la figure 2 apparaît également la constitution des modules émetteurs-récepteurs 5 Chacun de ces modules comporte une chaîne émission et une chaîne réception, chacune d'elle comportant à son tour des amplificateurs (respectivement 7 8. et 9., 10.) des
I I I organes de réglage d'amplitude (respectivement 11. et 12.) et des
I I organes de réglage de phase (respectivement 13. et 14.).In FIG. 2 also appears the constitution of the transceiver modules 5 Each of these modules comprises a transmission chain and a reception chain, each of which in turn comprising amplifiers (respectively 7 8 and 9, 10, 10.)
III amplitude adjustment devices (respectively 11. and 12.) and
II phase adjustment devices (respectively 13. and 14.).

i i
La voie émission- est munie d'une entrée C. et une sortie Ei, la
I I voie réception est munie d'une entrée Di et d'une sortie B..ii
The emission channel has an input C. and an output Ei, the
II reception channel has an input Di and an output B ..

i i
Les points D. et E. sont alternativement reliés au point d'accès
I i
F. au réseau de distribution parallèle 4i par l'intermédiaire d'un
i i organe de commutation 15i.ii
Points D. and E. are alternately connected to the access point
I i
F. to the 4i parallel distribution network via a
ii switching device 15i.

Les points B. et Ci sont alternativement reliés, par l'inter
i i médiaire d'un organe de commutation 16i, au point d'accès A. à un réseau de distribution hyperfréquence comportant éventuellement une formation de voies monopulse ou de faisceaux simultanés préformés.
Points B. and Ci are alternately connected, via the inter
ii medium of a switching member 16i, at the access point A. to a microwave distribution network possibly comprising the formation of monopulse channels or of preformed simultaneous beams.

I1 est également possible de former en réception des faisceaux indépendants contrôlés dynamiquement au moyen d'atténuateurs et de déphaseurs. It is also possible to form, on reception, independent beams dynamically controlled by means of attenuators and phase shifters.

La figure 3 donne un exemple de cette possibilité. Le signal reçu en D est amplifié, puis divisé, éventuellement après changement de fréquence au moyen d'un oscillateur local OL, en un certain nombre de composantes (quatre dans l'exemple considéré) dont chacune est contrôlée indépendamment en amplitude (respectivement au moyen d'organes de contrôle d'amplitude 12il, 12i2, 12i3' 12i4) et en phase (respectivement au moyen d'organes de contrôle de phase 14il, 14i2, 14i3 > 14i4) avant d'alimenter différents réseaux (non représentés sur ces figures) de formation de faisceaux à partir des différentes voies ainsi obtenues dans les différents modules. Figure 3 gives an example of this possibility. The signal received in D is amplified, then divided, possibly after frequency change by means of a local oscillator OL, into a certain number of components (four in the example considered) each of which is independently controlled in amplitude (respectively by means amplitude control devices 12il, 12i2, 12i3 '12i4) and in phase (respectively by means of phase control devices 14il, 14i2, 14i3> 14i4) before feeding different networks (not shown in these figures ) beam formation from the different channels thus obtained in the different modules.

Plus souple encore est la formation des faisceaux par calculateur, représentée sur la figure 4. Pour cela chaque module comporte une chaîne de réception complète, c'est-à-dire comportant un détecteur amplitude-phase 17i commandé par un signal de référence en fréquence intermédiaire REF.FI et fournissant l'amplitude A et la phase ç des signaux reçus. L'amplitude A et la phase < p sont ensuite converties en numérique grâce à un convertisseur analogique-numérique 18i. Even more flexible is the formation of the beams by computer, shown in FIG. 4. For this, each module comprises a complete reception chain, that is to say comprising an amplitude-phase detector 17i controlled by a frequency reference signal REF.FI intermediate and providing the amplitude A and phase ç of the received signals. Amplitude A and phase <p are then converted to digital using an analog-to-digital converter 18i.

Un calculateur (non représenté sur cette figure) peut alors traiter tous les signaux ainsi obtenus dans les différents modules pour former à volonté des faisceaux dont le nombre, la forme et l'orientation peuvent évoluer dynamiquement. A computer (not shown in this figure) can then process all the signals thus obtained in the different modules to form at will beams whose number, shape and orientation can change dynamically.

Evidemment, ces faisceaux simultanés ne peuvent être formés que dans le plan du balayage de l'antenne active à balayage selon un plan. Dans l'autre plan de balayage, celui de la lentille active, tous les faisceaux subissent la même déviation (exprimée en sinus de l'angle). Obviously, these simultaneous beams can only be formed in the scanning plane of the active antenna scanning along a plane. In the other scanning plane, that of the active lens, all the beams undergo the same deviation (expressed in sine of the angle).

Claims

1. Two-dimensional network antenna, with transmitter-receiver modules (5i) distributed over the surface of the antenna, and with electronic scanning, of the type with radiating elements (6.) grouped together according to guide means (li) each associated with a transmitter-receiver module , characterized in that it further comprises, disposed in front of this array, an active lens (2) capable of creating an electronic scan in the plane E of the electric field which it receives, preceded or not by a rotation grid of polarization (3) depending on whether this network scans in the E plane of the electric field or in the H plane of the magnetic field.

2. Antenna according to claim 1, characterized in that the active lens (2) capable of creating an electronic scan in the plane

E of the electric field which it receives comprises juxtaposed assemblies of networks of conductive wires arranged parallel to the electric field E received, and which can be made continuous or discontinuous by switches such as diodes supplied by the wires on which they are mounted.

3. Antenna according to one of claims 1 and 2, characterized in that the guide means consist of networks (4i) with parallel distribution connecting by identical paths each transmitter-receiver module to the different radiating elements which are associated with it.

4. Antenna according to one of claims 1 to 3, characterized in that each transceiver module comprises several reception channels each comprising amplitude and phase control members, so as to form several independent beams from the different channels thus obtained in the different modules.