[0001] La présente invention concerne les antennes actives à balayage électronique constituées
d'un réseau d'éléments rayonnants excités, à l'émission, par des amplificateurs de
puissance individuels disposés dans des modules actifs placés au plus près des éléments
rayonnants. Elle est relative, plus particulièrement, à la réduction du niveau des
harmoniques émis qui sont dus aux inévitables non linéarités des amplificateurs de
puissance. Cette réduction du niveau d'harmoniques est utile pour éviter les interférences
parasites entre les différents équipements d'un avion. On sait aussi que l'absence
d'harmoniques permet de mieux optimiser les circuits à la fréquence d'utilisation,
donc d'améliorer la puissance et le rendement électronique.
[0002] Une méthode connue de réduction du niveau des harmoniques est le filtrage. Elle ne
peut cependant être utilisée pour les harmoniques qui tombent dans la bande passante
de l'antenne. En outre, avec des antennes hyperfréquences, le faible volume disponible
pour les modules actifs qui sont disposés au plus près des éléments rayonnants rend
difficile la réalisation de filtres d'harmoniques.
[0003] Une autre méthode connue pour limiter les harmoniques consiste à réduire la puissance
de fonctionnement des amplificateurs de puissance fournissant les signaux d'excitation
mais cela se traduit par un moindre rendement et par une perte de puissance d'émission
pour l'antenne active.
[0004] Il est également connu d'éliminer les harmoniques pairs engendrés par un amplificateur
en l'équipant en sortie de deux étages push pull qui travaillent en parallèle et en
opposition de phase pour symétriser les arches positives et les arches négatives du
signal amplifié, et dont les signaux de sortie sont additionnés en opposition de phase
de manière que les tensions et donc les puissances s'ajoutent. Cependant la réalisation
d'un tel amplificateur en hyperfréquence nécessite l'utilisation, en sortie des étages
push pull, d'un combineur, par exemple de type Lange ou Wilkinson, ou d'un dispositif
balun ayant la bande passante nécessaire qui sont des dispositifs encombrants ayant
des pertes en hyperfréquence.
[0005] La présente invention a pour but de diminuer les harmoniques émis par une antenne
active tout en luttant contre les inconvénients précités.
[0006] Elle a pour objet un procédé de rejection des harmoniques émis par une antenne active
à balayage électronique comportant un réseau d'éléments rayonnants excités chacun,
à l'émission, par un amplificateur individuel de puissance. ce procédé consiste à
partager en au moins deux groupes les amplificateurs individuels de puissance et à
imposer aux amplificateurs de chaque groupe une valeur commune de déphasage non nulle
qui s'ajoute aux valeurs individuelles de déphasage nécessitées par le balayage électronique
et qui est obtenue pour l'un des deux groupes en entrée des amplificateurs de puissance
et pour l'autre groupe en sortie des amplificateurs de puissance. (Cette valeur commune
ne modifie pas le fonctionnement de l'antenne).
[0007] Les harmoniques d'ordre n engendrés par le groupe d'amplificateurs de puissance s'étant
vus imposer le déphasage commun φ en entrée sont tous déphasés de nφ , tandis que
ceux engendrés par le groupe d'amplificateurs de puissance s'étant vus imposer le
déphasage commun φ en sortie sont tous déphasés de φ, les phases φ et nφ étant mesurées
par rapport à la phase de l'harmonique d'ordre n, généré par un amplificateur n'ayant
aucun déphaseur à son entrée, ni à sa sortie (le déphaseur de sortie est à très large
bande, et. possède donc la même phase de transmission à la fréquence φ et à la fréquence
harmonique nφ). Ainsi les harmoniques présents dans les signaux de sortie de ces deux
groupes d'amplificateurs de puissance ne sont plus en phase mais déphasés entre eux
de (n-1)φ. Ils peuvent donc s'annuler par combinaison des signaux rayonnés provenant
de deux amplificateurs de puissance appartenant à des groupes différents pour peu
que ces amplificateurs se voient imposer la même valeur de déphasage individuel par
le balayage électronique et que la valeur (n-1) φ vaille ¶. Tout se passe alors comme
si ces harmoniques étaient filtrés en se réfléchissant sur l'antenne. Les amplificateurs
de puissance "voient" alors un filtre rejecteur d'harmoniques.
[0008] La valeur commune de déphasage peut être choisie égale à ±¶ de façon à réduire les
harmoniques pairs (n = 2, 4...) par effet push pull. Elle peut également être choisie
égale à ± ¶/2 de façon à réduire l'harmonique 3 (n = 3).
[0009] Dans le cas où l'antenne active possède un réseau d'éléments rayonnants organisé
en rangées horizontales et colonnes verticales, il est avantageux d'affecter les amplificateurs
de puissance excitant les éléments rayonnants d'une rangée sur deux à l'un des groupes,
et les amplificateurs de puissance restants à l'autre groupe. Cela permet d'obtenir
un taux de réduction des harmoniques indépendant du balayage en gisement. On peut
également affecter les amplificateurs de puissance excitant les éléments rayonnants
d'une colonne sur deux à l'un des groupes et les amplificateurs de puissance restants
à l'autre groupe. On obtient alors un taux de réduction des harmoniques indépendant
du balayage en site. Une combinaison des deux répartitions est possible par exemple
pour avoir un taux de réduction des harmoniques pairs indépendant du balayage en gisement
et un taux de réduction des harmoniques 3 indépendant du balayage en site.
[0010] La présente invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre
du procédé précité.
[0011] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description
d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple. Cette description sera faite ci-après
en regard du dessin dans lequel :
- la figure 1 représente, de manière schématique, la structure habituelle d'une antenne
active d'émission ;
- la figure 2 représente, de manière schématique, la structure d'une antenne active
d'émission selon l'invention ;
- les figures 3A et 3B illustrent une répartition possible, entre les entrées et les
sorties des amplificateurs de puissance d'une antenne active selon l'invention, d'une
valeur commune de déphasage ¶ imposée à tous les amplificateurs de puissance pour
réduire les harmoniques pairs ;
- les figures 4A et 4B, illustrent une répartition possible, entre les entrées et les
sorties des amplificateurs de puissance d'une antenne active selon l'invention, d'une
valeur commune de déphasage ¶/2 imposée à tous les amplificateurs de puissance pour
réduire l'harmonique 3 ;
- les figures 5A et 5B, illustrent une répartition possible, entre les entrées et les
sorties des amplificateurs de puissance d'une antenne active selon l'invention, de
deux valeurs communes additionnelles de déphasage ¶ et ¶/2 imposées à tous les amplificateurs
de puissance pour réduire les harmoniques pairs et l'harmonique 3 et
- les figures 6 et 7, représentent un type d'éléments rayonnants hyperfréquences permettant
de simuler une inversion de phase de leur signal d'excitation par simple retournement
de leur structure.
[0012] La figure 1, montre la structure habituelle d'une antenne active d'émission à balayage
électronique. Celle-ci comporte un réseau linéaire de m+1 éléments rayonnants Eo,...
Em identiques disposés en sortie de m+1 modules actifs identiques Mo,... Mm. Chaque
module actif Mo,... Mm renferme un amplificateur de puissance Ao,... Am qui excite
l'élément rayonnant placé en sortie du module acte considéré et un déphaseur α o,...
α m réglable entre 0 et 360°, placé en entrée de l'amplificateur de puissance.
[0013] Un circuit pilote 1 délivre un signal d'excitation commun à l'ensemble des amplificateurs
de puissance Ao,... Am des modules actifs Mo,... Mm par l'intermédiaire des déphaseurs
réglables αo,... α m pour assurer le balayage électronique. Le balayage électronique
consiste à donner au lobe principal d'émission de l'antenne active la direction souhaitée
faisant un angle ϑ par rapport au plan du réseau d'éléments rayonnants Ao,...Am en
imposant à chaque déphaseur réglable α i, une valeur de déphasage telle que :

(λ étant la longueur d'onde émise et d la distance d'espacement entre deux éléments
rayonnants consécutifs) qui permet de construire un plan d'onde dans la direction
souhaitée.
[0014] Dans le cas d'une antenne active hyperfréquence, les amplificateurs de puissance
des modules actifs sont des circuits intégrés AsGa employés aux limites de leurs caractéristiques
engendrant une quantité non négligeable d'harmoniques qui accaparent une partie de
la puissance émise diminuant le rendement de l'antenne et qui peuvent parasiter d'autres
équipements radio-électriques placés dans le voisinage.
[0015] Pour diminuer l'amplitude de ces harmoniques au niveau global du signal émis par
l'antenne active on propose de créer un effet push pull entre des paires d'amplificateurs
de puissance. Pour ce faire, on partage, comme représenté à la figure 2, les modules
actifs (M′o,...M′m) en deux groupes, par exemple ceux d'indices pairs et ceux d'indices
impairs et on impose, aux amplificateurs de puissance des modules actifs, une valeur
commune de déphasage φ non nulle qui s'ajoute aux valeurs individuelles de déphasage
nécessitées par le balayage électronique et qui est obtenue, pour l'un des groupes
de modules actifs, ceux d'indices pairs, par un déphaseur fixe 3 placé en entrée de
l'amplificateur de puissance et, pour l'autre groupe de modules actifs, ceux d'indices
impairs, par un déphaseur fixe 4 placé en sortie de l'amplificateur de puissance.
[0016] On a ainsi déphasé le signal fondamental émis par chaque élément rayonnant de l'antenne
active d'une valeur φ ce qui ne change rien au pointage de l'antenne ni à aucune de
ses caractéristiques. Par contre les harmoniques se trouvent déphasés de la valeur
n φ (n étant le rang de l'harmonique considéré), pour le groupe de modules actifs
d'indices pairs, ayant le déphaseur fixe 3 placé en entrée de l'amplificateur de puissance,
et de la valeur φ , pour le groupe de modules actifs d'indices impairs ayant le déphaseur
fixe 4 placé en sortie de l'amplificateur de puissance. Les harmoniques présents dans
les signaux émis par les éléments rayonnants excités par les deux groupes de modules
actifs ne sont plus en phase, mais déphasés de (n-1) φ, et peuvent donc s'annuler
par combinaison dans les signaux rayonnés provenant de deux amplificateurs de puissance
de deux modules actifs voisins ou non appartenant à deux groupes différents pour peu
que ces amplificateurs de puissance se voient imposer la même valeur ou des valeurs
proches de déphasage individuel par le calculateur de pointage et que la valeur (n-1)
φ vaille ¶+2K¶.
[0017] Le déphaseur fixe 3 placé en entrée de l'amplificateur de puissance des modules actifs
d'indices pairs n'est mentionné dans la figure 2 que dans un but explicatif. Dans
la réalité, il est confondu avec le déphaseur réglable α i dont on modifie en conséquence
l'étalonnage. Il peut également, pour la valeur particulière ¶ et certains types d'amplificateur
de puissance à entrées différentielles, être supprimé et remplacé par une attaque
de l'amplificateur de puissance sur son entrée inverseuse au lieu de son entrée non
inverseuse ou réciproquement.
[0018] On remarque que le déphaseur 4 placé en sortie de l'amplificateur de puissance des
modules actifs d'indice impair doit fonctionner sur une très large bande. Il doit
en particulier posséder une phase de transmission φ identique pour le signal et les
fréquences harmoniques. Ce déphaseur peut également, pour la valeur particulière ¶
et certains types d'éléments rayonnants, être supprimé et remplacé par une inversion
de l'orientation des éléments rayonnants.
[0019] On peut donc aboutir, pour certains types d'antennes actives et une valeur commune
de déphasage égale à ¶, à une structure qui ne présente pas une complexité plus grande
que la structure classique.
[0020] La valeur commune de déphasage égale à ¶ présente l'intérêt, outre les simplifications
de structure qu'elle entraîne, de réduire l'émission des harmoniques pairs de type
2nf.
[0021] Les figures 3A et 3B illustrent une répartition possible, en deux groupes, des modules
actifs d'une antenne active ayant un réseau d'éléments rayonnants organisé en rangées
horizontales et colonnes verticales. Chaque module actif est représenté par une case
renfermant, dans la figure 3A, la valeur du déphasage réalisé en entrée de son amplificateur
de puissance indépendamment de la valeur individuelle de déphasage imposée par le
balayage électronique et, dans la figure 3B, la valeur du déphasage réalisé en sortie
de son amplificateur de puissance, la valeur commune de déphasage étant choisie égale
à ¶. Dans cette répartition, les modules actifs d'une rangée sur deux sont affectés
à l'un des groupes tandis que les modules actifs restants sont affectés à l'autre
groupe. On obtient ainsi une réduction des harmoniques pairs qui est indépendante
de l'angle de gisement pris par le faisceau de l'antenne active et qui est d'autant
meilleure que l'angle de site pris par le faisceau de l'antenne active est faible
(mais suffisante dans la zone de couverture habituelle de l'antenne). De façon plus
précise lorsque l'antenne se déplace en site, la réduction des harmoniques pairs se
produit tant qu'aucun lobe de réseau (ou lobe de diffraction) n'existe pour ces harmoniques.
On sait que ces lobes de réseaux sont liés à l'existence de multiples solutions en
ϑ
p pour l'équation :

ces multiples solutions ϑ
p se produisant pour :

avec p = indice entier de 1 à n et Δφ = différence de phase c'est à dire pour les
incréments de déphasage de 360° des déphaseurs des modules.
On sait aussi que cela est impossible lorsque :

(le cas limite où

correspond au cas où un lobe de réseau évanescent à ϑ = 90° est produit par un déphasage
α
i+1 - α
i = 180°).
En conséquence, tant que la condition

est remplie à la fréquence harmonique, il y a rejection de cet harmonique pour tous
les sites.
Dans le cas contraire, la rejection de l'harmonique ne se produit que dans les angles
de sites ϑ faibles, tels que -toujours à la fréquence harmonique- on ait :

[0022] Lorsque cette condition n'est pas remplie, la rejection des harmoniques n'est que
partielle.
[0023] Les figures 4A et 4B illustrent une autre répartition possible, en deux groupes,
des modules actifs d'une antenne active ayant un réseau d'éléments rayonnants organisé
en rangées horizontales et colonnes verticales, Chaque module actif est représenté
par une case renfermant, dans la figure 4A, la valeur du déphasage réalisé en entrée
de son amplificateur de puissance indépendamment de la valeur individuelle de déphasage
imposée par le balayage électronique et, dans la figure 4B, la valeur du déphasage
réalisé en sortie de son amplificateur de puissance, la valeur commune de déphasage
φ étant choisie égale à ¶/2 pour réduire l'émission des harmoniques d'ordre 3. Dans
cette répartition, les modules actifs d'une colonne sur deux sont affectés à l'un
des groupes tandis que les modules restants sont affectés à l'autre groupe. On obtient
alors une réduction des harmoniques d'ordre 3 qui est indépendante de l'angle de site
pris par le faisceau de l'antenne active et qui est d'autant meilleure que l'angle
de gisement pris par le faisceau de l'antenne active est faible. L'évolution de cette
réduction de l'harmonique 3 en fonction de l'angle de balayage en site se produit
dans les mêmes conditions que celles décrites précédemment.
[0024] Les figures 5A et 5B illustrent une combinaison des deux répartitions illustrées
aux figures 3A, 3B et 4A, 4B pour réduire à la fois les harmoniques pairs et l'harmonique
d'ordre 3 émis par une antenne active ayant des éléments rayonnants organisés en rangées
horizontales et colonnes verticales. Dans cette combinaison, les modules actifs subissent
successivement deux partitions différentes en deux groupes.
[0025] Au cours d'une première partition destinée à réduire les harmoniques pairs, les modules
actifs d'une rangée sur deux sont affectés à un groupe et les modules actifs restants
à l'autre groupe, et on applique à leurs amplificateurs de puissance une première
valeur commune de déphasage égale à ¶ qui vient s'ajouter aux valeurs individuelles
de déphasage nécessitées par le balayage électronique et qui est imposée, pour un
groupe, en entrée des amplificateurs de puissance et, pour l'autre groupe, en sortie
des amplificateurs de puissance.
[0026] Au cours de la deuxième partition destinée à réduire les harmoniques d'ordre 3, les
modules actifs d'une colonne sur deux sont affectés à un groupe et les modules actifs
restant à l'autre groupe, et on applique à leurs amplificateurs de puissance une deuxième
valeur commune de déphasage égale à ¶/2 qui vient s'ajouter aux valeurs individuelles
de déphasage nécessitées par le balayage électronique et à la première valeur commune
de déphasage, et qui est imposée, pour un groupe, en entrée des amplificateurs de
puissance et, pour l'autre groupe, en sortie des amplificateurs de puissance.
[0027] Chaque module actif est représenté par une case renfermant, dans la figure 5A, la
valeur du déphasage réalisé en entrée de son amplificateur de puissance indépendamment
de la valeur individuelle de déphasage imposée par le balayage électronique et, dans
le figure 5B, la valeur du déphasage réalisé en sortie de son amplificateur de puissance.
[0028] Dans cette combinaison des figures 5A et 5B, l'ensemble des amplificateurs de puissance
de l'antenne active ont leurs signaux déphasés globalement de 3 ¶/2 ce qui ne change
rien au pointage de l'antenne. On constate en outre que les amplificateurs de puissance
appartenant à deux rangées consécutives ont en sortie des déphaseurs présentant un
écart de phase de ¶ permettant une réduction par recombinaison des harmoniques pairs
et que les amplificateurs de puissance appartenant à deux colonnes consécutives ont
en sortie des déphaseurs présentant un écart de phase de ¶/2 permettant une réduction
par recombinaison des harmoniques d'ordre 3.
[0029] Les figures 6 et 7 illustrent un type d'élément rayonnant qui peut être utilisé pour
une antenne active hyperfréquence et qui a l'avantage de faciliter la réalisation
d'un déphasage de ¶ en sortie des amplificateurs de puissance.
[0030] Ce type d'élément rayonnant a une structure triplaque. Il est constitué d'un couple
de fentes évasées 10, 11 et d'un élément de ligne d'excitation 14. Les fentes évasées
10, 11 de type Vivaldi sont creusées en regard l'une de l'autre dans les parois métalliques
extérieures 12, 13 de la structure triplaque avec leur ouverture évasée débouchant
sur un bord de la structure triplaque dans la direction de propagation des ondes en
espace libre. L'élément de ligne d'excitation 14 est disposé dans le plan médian de
la structure triplaque. Il chemine sur l'un des côtés des fentes 10, 11 parallèlement
à celles ci et présente une extrémité coudée à angle droit qui passe en travers des
fentes 10, 11 perpendiculairement à leur direction avant de se terminer par une partie
élargie 15 réalisant une adaptation d'impédance.
[0031] Le champ électrique rayonné par ce type d'éléments rayonnants est perpendiculaire
à la direction des fentes évasées 10, 11 et parallèle aux plans des parois de la structure
triplaque. Il s'inverse lorsque l'on retourne la structure triplaque comme cela apparaît
clairement de la comparaison des figures 6 et 7 ce qui revient à inverser l'orientation
de l'extrémité de la ligne d'excitation passant au travers des fentes. Cette inversion
du champ électrique correspond à un déphasage de ¶ du signal d'excitation qui se trouve
donc réalisé sans adjonction d'une structure spécifique de déphaseur, et de façon
indépendante de la fréquence.
[0032] Ce type d'éléments rayonnants permet donc d'imposer aux amplificateurs de puissance
qui les excitent, une valeur commune de déphasage de ¶ réalisée pour les uns à leur
entrée et pour les autres à leur sortie de manière à réduire les harmoniques pairs
sans pour autant rendre la structure de l'antenne plus complexe.
1. Procédé de rejection des harmoniques émis par une antenne active à balayage électronique
comportant un réseau d'éléments rayonnants (Eo,...Em) excités chacun à l'émission
par un amplificateur individuel de puissance (Ao,...Am) caractérisé en ce qu'il consiste
à partager les amplificateurs de puissance (Ao,...Am), de l'antenne active en au moins
deux groupes et à imposer aux amplificateurs de puissance une valeur commune de déphasage
non nulle qui s'ajoute aux valeurs individuelles de déphasage nécéssitées par le balayage
électronique et qui est obtenue, pour l'un des groupes, en entrée des amplificateurs
de puissance et pour l'autre groupe en sortie des amplificateurs de puissance.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur commune de déphasage
imposée aux deux groupes d'amplificateurs de puissance est égale à ±¶.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur commune de déphasage
imposée aux deux groupes d'amplificateurs de puissance est égale à ±¶/2.
4. Procédé selon la revendication 1, appliqué à une antenne active ayant son réseau d'éléments
rayonnants organisé en rangées horizontales et colonnes verticales caractérisé en
ce que les amplificateurs de puissance excitant les éléments rayonnants d'une rangée
sur deux sont affectés à l'un des groupes, les amplificateurs de puissance restants
étant affectés à l'autre groupe.
5. Procédé selon la revendication 1, appliqué à une antenne active ayant son réseau d'éléments
rayonnants organisé en rangées horizontales et colonnes verticales caractérisé en
ce que les amplificateurs de puissance excitant les éléments rayonnants d'une colonne
sur deux sont affectés à l'un des groupes, les amplificateurs restants étant affectés
à l'autre groupe.
6. Procédé selon la revendication 1 appliqué à une antenne active ayant un réseau d'éléments
rayonnants organisés en rangées horizontales et colonnes verticales caractérisé en
ce que l'on réduit les harmoniques pairs en partageant une première fois les amplificateurs
de puissance de l'antenne active en deux premiers ensembles, chaque premier ensemble
contenant les amplificateurs de puissance excitant les éléments rayonnants d'une rangée
sur deux, et en imposant aux amplificateurs de puissance un premier déphasage commun
de ±¶ qui s'ajoute aux valeurs individuelles de déphasage nécessitées par le balayage
électronique et qui est obtenu pour l'un des premiers ensembles en entrée des amplificateurs
de puissance et pour l'autre en sortie des amplificateurs de puissance, et en ce que
l'on réduit l'harmonique 3 en partageant à nouveau les amplificateurs de puissance
de l'antenne active en deux deuxièmes ensembles, chaque deuxième ensemble contenant
les amplificateurs de puissance excitant les éléments rayonnants d'une colonne sur
deux, et en imposant aux amplificateurs de puissance un deuxième déphasage commun
±¶/2 qui s'ajoute aux valeurs individuelles de déphasage nécessitées par le balayage
électronique et au premier déphasage commun, et qui est obtenu pour l'un des deuxièmes
ensembles en entrée des amplificateurs de puissance et pour l'autre en sortie des
amplificateurs de puissance.
7. Dispositif de rejection des harmoniques émis par une antenne active à balayage électronique
comportant un réseau d'éléments rayonnants (Eo,... Em) excités chacun à l'émission
par un amplificateur individuel de puissance (Ao,... Am) caractérisé en ce qu'il comporte
:
- des premiers moyens de déphasage (α i,3) qui sont placés en entrée d'un certain
nombre d'amplificateurs de puissance formant un premier groupe et qui engendrent des
valeurs de déphasage égales au valeurs lndividuelles de déphasage nécessitées par
le balayage électronique augmentées d'une valeur commune de déphasage φ non nulle
;
- et des deuxième moyens de déphasage (4) qui sont placés en sortie d'un certain nombre
d'autres amplificateurs de puissance formant un deuxième groupe et qui engendre la
valeur commune de déphasage φ.
8. Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que la valeur commune de déphasage
φ est égale à ±¶.
9. Dispositif selon la revendication 8 pour la rejection des harmoniques émis par une
antenne active à balayage électronique ayant un réseau d'éléments rayonnants constitués
chacun d'un couple de fentes évasées (10, 11) de type Vivaldi creusées l'une au dessus
de l'autre dans les parois métalliques extérieures (12, 13) d'une structure triplaque
et excités au moyen d'un élément de ligne (14) qui est disposé sur l'élément médian
de la structure triplaque et dont l'extrémité vient en regard des fentes (10, 11)
perpendiculairement à leur direction caractérisé en ce que les deuxièmes moyens de
déphasage consistent en un changement d'orientation de ¶ de l'extrémité (15) de la
ligne d'excitation (14) quelle que soit la fréquence.
10. Dispositif selon la revendication 7 pour la rejection des harmoniques émis par une
antenne active à balayage électronique ayant un réseau d'éléments rayonnants organisé
en rangées horizontales et colonnes verticales caractérisé en ce que les premiers
moyens de déphasage sont placés en entrée des amplificateurs de puissance excitant
les éléments rayonnants appartenant à une rangée sur deux et en ce que les deuxièmes
moyens de déphasage sont placés en sortie des amplificateurs de puissance restants.