La présente invention concerne un dispositif de compensation des erreurs de pointage causées par des pannes de déphaseurs d'antennes à balayage électronique ou de coefficients d'antennes à formation de faisceaux par le calcul.

Elle s'applique notamment aux antennes à balayage électronique lorsque un ou plusieurs déphaseurs à commande électronique utilisés dans l'antenne pour défléchir son faisceau sont en panne, ces pannes causant une dégradation de la précision de pointage en espace libre du faisceau.

Dans une antenne à balayage électronique, le pointage du faisceau à un instant donné vers une direction donnée de l'espace est fait en agissant sur la phase de rayonnement des sources rayonnantes dites sources élémentaires constituant l'antenne. Pour que les changements de direction de pointage soient rapides, la modification de la phase des sources élémentaires est obtenue par l'insertion de déphaseurs à commande électronique montés en série entre un distributeur de puissance hyperfréquence et les sources élémentaires. Un déphaseur peut desservir plusieurs sources élémentaires, mais la solution la plus généralement adoptée est de prévoir un déphaseur pour chaque source élémentaire.

La commande électronique des déphaseurs est faite de telle sorte que l'énergie rayonnée se focalise à grande distance dans une direction souhaitée. Cela se fait en positionnant les différents déphaseurs dans un certain état de phase déterminé de façon connue de l'homme du métier. Le chapitre 7 de la deuxième édition de l'ouvrage de Merril I. Skolnick "Radar Handbook" paru aux éditions Mac Grawhill donne une large description des techniques utilisées et de leurs applications aux radars.

Il est montré et vérifié dans la pratique que, à condition d'avoir un nombre suffisant de sources élémentaires, il n'est pas nécessaire, pour assurer de bonnes performances, de disposer sur les déphaseurs d'un grand nombre d'états de phase. Dans la pratique, les déphaseurs sont donc commandés par des données numériques sous forme de messages donnant la phase à afficher sur N bits, ce qui correspond à 2^N positions de phase espacées théoriquement tous les 360°/2^N. L'espacement correspond ainsi à 45° dans un exemple où N = 3 ou 22,5° dans un exemple où N=4. Suivant la technologie utilisée pour le déphaseur, il est économiquement souhaitable, notamment dans le cas de déphaseurs à diode, ou indifférent, notamment dans le cas de déphaseurs à ferrite, de réduire au maximum le nombre N de bits. Dans la pratique, il est possible de se limiter à N=1 à 4.

Les pannes affectant les déphaseurs et la baisse de performance qui en résulte constituent un phénomène qui est plus subi que combattu. Des rajouts de marges de sécurité supplémentaires par rapport à ce qui serait nécessaire à la tenue des performances avec tous les déphaseurs en état de marche permettent de s'en accommoder. Ces marges de sécurité sont dimensionnées de telle sorte que, avec un nombre donné de déphaseurs en panne, quelle que soit la répartition de ceux-ci dans l'antenne, les performances requises soient toujours tenues.

Les méthodes connues pour compenser l'effet des pannes de déphaseurs consistent donc notamment à prévoir pour l'antenne des performances en l'absence de pannes sur les déphaseurs plus sévères que nécessaire pour que, en présence de pannes sur les déphaseurs, les performances exigées soient toujours obtenues. Les déphaseurs sont surveillés pour déterminer soit en permanence, soit à intervalles rapprochés s'ils sont bien en état de marche. Le nombre de déphaseurs suspects est tenu à jour et surveillé en permanence de manière à alerter l'opérateur ou les services chargés de la maintenance lorsque leur nombre approche ou atteint le nombre maximum que le système peut supporter, sans tomber en dessous du niveau de performance requis. Une action de maintenance est nécessaire pour remplacer les déphaseurs suspects.

Dans le cas particulier du système MLS appelé ainsi d'après l'expression anglo-saxonne "Microwave Landing System", concernant le guidage terminal pour l'atterrissage sur les aéroports, utilisant des antennes à balayage électronique et pour lequel la précision de pointage est une caractéristique prioritaire, un brevet des Etats-Unis d'Amérique US-4,041,501 décrit une réalisation particulière d'antenne MLS à balayage électronique, puis un autre brevet US-4,359,740 décrit un moyen pour annuler l'erreur de pointage provoquée sur une telle antenne par la panne d'un déphaseur. L'invention décrite dans ce dernier brevet s'applique à des déphaseurs à diodes utilisant comme cellule 0-180° un coupleur 3 dB relié à deux diodes de commutation commandées indépendamment l'une de l'autre. Dès qu'une panne du déphaseur est détectée, les deux diodes de la cellule 0-180° sont commutées dans deux états distincts. L'une est alors passante, donc en état de basse impédance, éventuellement capacitif. Le résultat est que le signal hyperfréquence qui traverse le déphaseur est alors coupé ou plutôt fortement atténué. De ce fait, il ne participe plus au rayonnement de l'antenne et l'erreur de pointage en espace libre du faisceau résultant de la panne du déphaseur en cause se trouve annulée. Cela résulte directement du fait qu'en créant un trou d'amplitude au niveau de l'élément rayonnant correspondant, ce qui inhibe l'effet des erreurs de phase, le diagramme d'antenne est déformé de manière symétrique et la direction de rayonnement maximum reste inchangée.

Ces méthodes présentent plusieurs inconvénients. Les méthodes nécessitant de prévoir une marge sur les performances exigées obligent à une conception coûteuse. Le surcoût associé est lié directement au niveau de performance recherché et au nombre de pannes que le système peut accepter. Ce surcoût peut être considérable si le niveau de performance requis est élevé ou si le nombre de pannes à tolérer est important.

La méthode décrite dans le brevet US-4,359,740, correspondant à la demande de brevet DE 29 04 095, apporte une solution seulement dans le cas où le déphaseur est à diodes et utilise une cellule 0-180° comprenant deux diodes fonctionnant par réflexion du signal haute fréquence. D'autre part, elle est inefficace lorsque le dispositif de coupure du signal haute fréquence est lui-même en panne.

Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités, notamment en permettant d'annuler l'erreur de pointage en espace libre due à une ou plusieurs pannes de déphaseurs sans qu'il soit nécessaire de compliquer ces derniers.

A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de compensation des erreurs de pointage causées par des pannes de déphaseurs d'une antenne à balayage électronique plane ayant une distribution de puissance symétrique en amplitude, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens positionnant un déphaseur en panne et son déphaseur symétrique dans des états de phase supplémentaires.

L'invention a pour principaux avantages qu'elle libère la conception de l'antenne des contraintes de l'effet des pannes sur la précision de pointage, qu'elle s'applique à tous types de déphaseurs électroniques, qu'elle ne nécessite pas d'incorporer au déphaseur des moyens pour empêcher celui-ci de rayonner lorsqu'il est en panne, qu'elle permet une souplesse d'utilisation, qu'elle est simple à mettre en oeuvre et qu'elle est économique.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent :

• la figure 1, la constitution d'une antenne à balayage électronique plane ;
• la figure 2, un synoptique de l'implantation de moyens constitutifs du dispositif selon l'invention ;
• la figure 3, un exemple d'antenne active susceptible d'utiliser un dispositif selon l'invention.

La figure 1 présente la constitution d'une antenne à balayage électronique plane. Elle comprend des sources élémentaires rayonnantes 1. Pour que les changements de direction de pointage soient rapides, la modification de la phase des sources élémentaires 1 est obtenue au moyen de déphaseurs 2 à commande électronique, montés en série entre un distributeur de puissance hyperfréquence 3 et les sources élémentaires 1. Un déphaseur 2 est par exemple associé à chaque source élémentaire 1. L'entrée du distributeur de puissance 3 est par exemple reliée à la sortie d'un émetteur de puissance 4.

Le principe de l'invention exploite une formulation particulière de l'erreur de pointage qui montre qu'il existe d'autres moyens pour annuler l'erreur de pointage causée par la panne d'un déphaseur que de l'empêcher de rayonner notamment.

Sur une antenne à balayage électronique plane, comprenant N sources alignées, l'amplitude du champ électrique résultant à grande distance dans la direction de cosinus directeur u₀ est, lorsque l'antenne est positionnée pour pointer dans la direction de cosinus directeur u, donné en espace libre par la relation suivante : où n est le numéro d'une source élémentaire, A_n l'amplitude du signal qu'elle rayonne, λ la longueur d'onde dans l'air et x_n son abscisse et où ϕ_n représente l'erreur de phase sur le déphaseur associé à la source élémentaire numéro n.

Si le déphaseur en question fonctionne correctement, alors ϕ_n=0 aux erreurs près de réalisation et de quantification. La direction de pointage obtenue s'obtient en recherchant le maximum de rayonnement en fonction du cosinus directeur u₀, ce qui s'obtient en annulant la dérivée de la fonction |E_u (u₀)|², soit :$$\frac{\mathit{\text{d}}{\left|\mathit{\text{E}}{\text{}}_{\mathit{\text{u}}}\text{(}\mathit{\text{u}}{\text{}}_{\text{0}}\text{)}\right|}^{\text{2}}}{{\mathit{\text{d u}}}_{\text{0}}}\text{= 0}$$ annulation réalisée pour u₀=u+δ_u où δ_u représente l'erreur de pointage.

Le calcul de l'erreur de pointage δ_u est relativement compliqué dans le cas général mais se simplifie considérablement dans les hypothèses suivantes, lesquelles sont réalisées dans la plupart des cas d'application pratique :

• le nombre de déphaseurs en panne est petit devant le nombre de déphaseurs, inférieur à 10% par exemple,
• le nombre total de déphaseurs mis en oeuvre est suffisamment grand pour que l'hypothèse précédente ait un sens, ce nombre total est par exemple supérieur ou égal à 20.

Une fois ces hypothèses prises en compte, le résultat du calcul est une erreur de pointage δ_u donnée par la relation suivante : où P représente l'ensemble des numéros de déphaseurs en panne.

Il apparaît bien dans cette relation que les déphaseurs qui ne sont pas en panne ne participent pas à l'erreur δ_u et que cette erreur s'annule lorsqu'aucun déphaseur n'est en panne.

Le principe de l'invention consiste à annuler l'erreur de pointage δ_u non pas en annulant les amplitudes A_p mais en annulant le terme au numérateur de la relation (3), c'est-à-dire le terme étant entendu que l'antenne a une distribution symétrique, c'est-à-dire dans laquelle les sources élémentaires situées symétriquement, aux tolérances mécaniques près, par rapport au centre rayonnent avec des amplitudes identiques et des phases opposées, aux erreurs de réalisation près.

Pour cette antenne, il est alors possible de reformuler la relation (1) donnant le champ par les relations suivantes : et

Si de plus, l'origine des abscisses est située au centre de symétrie, alors chaque source d'abscisse x_n rayonne un signal d'amplitude A_n avec, pour pointer dans la direction du cosinus directeur u, une phase égale à 2π$\frac{{\mathit{\text{x}}}_{\mathit{\text{n}}}}{\text{λ}}$u et sa source symétrique, d'abscisse x_-n = -x_n rayonne un signal d'amplitude A_-n = A_n avec une phase opposée : 2 π$\frac{{\mathit{\text{x}}}_{\mathit{\text{-n}}}}{\text{λ}}$u = - 2 π$\frac{{\mathit{\text{x}}}_{\mathit{\text{n}}}}{\text{λ}}$u.

Le dispositif selon l'invention comprend des moyens lui permettant, dès qu'un déphaseur est en panne, de mettre le déphaseur symétrique dans un état à tout instant supplémentaire à 2π près de l'état dans lequel se trouve le déphaseur en panne. Ainsi, si le déphaseur en panne est dans l'état de phase ϕ, son déphaseur symétrique est positionné dans l'état de phase π-ϕ ou 3π-ϕ, ou plus généralement (2k+ 1)π-ϕ, k étant un nombre relatif entier.

Dans un premier mode de réalisation possible, le déphaseur en panne est par exemple bloqué dans un état de phase fixe ϕ₀ et maintenu dans cet état en permanence. Son déphaseur symétrique est alors bloqué dans l'état de phase supplémentaire, π-ϕ₀ ou 3π-ϕ₀ par exemple, et maintenu en permanence dans cet état de phase.

Dans un deuxième mode de réalisation possible, les états de phase restés disponibles sur le déphaseur en panne continuent par exemple à être exploités et le déphaseur symétrique est positionné à tout instant dans l'état de phase supplémentaire.

Les états de phase des deux déphaseurs varient donc avec le faisceau de l'antenne, tout en restant supplémentaires à 2π près.

Les erreurs de pointage résultant de la panne sont ainsi annulées et ceci sans recourir à l'annulation du signal rayonné par le déphaseur en panne. En effet, l'erreur de pointage résultant de la panne d'un déphaseur alimentant une source p est donnée par la relation suivante :    avec$${\text{ϕ}}_{\mathit{\text{p}}}{\text{= ϕ}}_{\text{0}}\text{- 2 π}\frac{{\mathit{\text{x}}}_{\mathit{\text{p}}}}{\text{λ}}\mathit{\text{u}}$$

Une fois que le déphaseur en panne est bloqué dans un état de phase ϕ₀ et son déphaseur symétrique dans un état de phase supplémentaire, π-ϕ₀ ou 3π-ϕ₀ par exemple, il apparaît que l'erreur de pointage résultant du blocage dans l'état fixe supplémentaire, ϕ₀-π ou 3π-ϕ₀ par exemple, du déphaseur symétrique est égale et opposée à l'erreur causée par l'état fixe ϕ₀ du déphaseur en panne, et ceci quelle que soit la direction de pointage et la fréquence rayonnée. En effet, le déphaseur en panne, une fois bloqué dans l'état choisi ϕ₀ produit une erreur donnée par la relation (5) et le déphaseur symétrique, une fois bloqué dans l'état π-ϕ₀ ou 3π-ϕ₀ par exemple, produit une erreur δ_u-p donnée par la relation suivante : avec$${\text{ϕ}}_{\text{-}}{\text{}}_{\mathit{\text{p}}}{\text{=(π-ϕ}}_{\text{0}}\text{)-2π}\frac{{\mathit{\text{x}}}_{\mathit{\text{-p}}}}{\text{λ}}\mathit{\text{u}}$$ ou$${\text{ϕ}}_{\mathit{\text{-p}}}{\text{=(3π-ϕ}}_{\text{0}}\text{)-2π}\frac{{\mathit{\text{x}}}_{\mathit{\text{-p}}}}{\text{λ}}\mathit{\text{u}}$$

De x_-p = -x_p il résulte que : ϕ_-p=π-ϕ₀+2π$\frac{{\mathit{\text{x}}}_{\mathit{\text{p}}}}{\text{λ}}$u=π-ϕ_p ou ϕ_-p=3π-ϕ₀+2π$\frac{{\mathit{\text{x}}}_{\mathit{\text{p}}}}{\text{λ}}$u=3π-ϕ_p, ce qui donne dans les dans les deux cas sin ϕ_-p=sin ϕ_p.
Comme A_-p = A_p et x_-p =-x_p, il s'ensuit que :$${\mathit{\text{A}}}_{\mathit{\text{-p}}}\mathit{\text{x}}{\text{}}_{{\mathit{\text{-psinϕ}}}_{\mathit{\text{-p}}}}\text{=-}{\mathit{\text{A}}}_{\mathit{\text{p}}}{\mathit{\text{x}}}_{\mathit{\text{p}}}\mathit{\text{sin}}{\text{ϕ}}_{\mathit{\text{p}}}$$ et donc que δu_-p=-δu_p

En conséquence, l'addition des erreurs δu_-p et δu_p produit une erreur globale nulle, quel que soit le cosinus directeur u, donc le pointage du faisceau, et quelle que soit la longueur d'onde λ du signal rayonné.

Dans le cas du deuxième mode de réalisation possible précité, où le déphaseur n'est pas bloqué dans un état de phase fixe mais où ses états de phases disponibles continuent à être exploités, la commande affichée à un instant donné peut être la même qu'en l'absence de panne ou alors tenir compte du type de la panne détectée pour, par exemple, approximer au mieux l'état désiré au moyen des états de phase restés disponibles. Dans les deux cas, la phase ϕ_A réellement obtenue est fonction de la commande affichée et de la panne affectant le déphaseur. Le déphaseur symétrique n'est alors pas bloqué dans un état fixe mais reçoit à tout instant une commande qui le met dans une phase ϕ_B supplémentaire de la phase ϕ_A réalisée sur le déphaseur en panne, c'est-à-dire que ϕ_B = π- ϕ_A ou 3 π-ϕ_A par exemple.

Le dispositif selon l'invention peut par exemple être utilisé pour les antennes à faisceaux battants d'un système d'atterrissage MLS. Dans ce cas, chacune des deux antennes du système, l'antenne azimut et l'antenne élévation, rayonne un faisceau de type éventail, c'est-à-dire angulairement étroit dans une dimension et large dans l'autre. Le balayage spatial de ces faisceaux est réalisé par balayage électronique, à la vitesse de 50 microsecondes par degré par exemple. Le dispositif selon l'invention permet d'obtenir un système MLS amélioré au plan de la précision de pointage, donc de la précision de guidage des aéronefs, par le fait que les erreurs de pointage des antennes à faisceaux battants causées par des pannes sur les déphaseurs à commande électronique sont compensés par le dispositif selon l'invention.

Une antenne à balayage électronique azimut d'un système MLS est par exemple constituée d'un réseau plan de guides rayonnants régulièrement espacés, alimentés à travers une distribution de puissance et connectés à la sortie d'un émetteur. L'antenne comporte par exemple N guides rayonnants, N étant pair. Ces guides sont par exemple numérotés de 1 à N/2 pour la partie droite et de -1 à -N/2 pour la partie gauche. Les guides numérotés n et -n sont symétriques par rapport au plan de symétrie de l'antenne et la distribution de puissance est également symétrique.

A chaque guide rayonnant est associé un déphaseur à 4 bits par exemple. Il y a donc N déphaseurs capables chacun de prendre 2⁴=16 états de phase de 0° à 337,5° au pas de 22,5°. Ces déphaseurs comportent par exemple une succession de quatre cellules de déphasage, respectivement 180°, 90°, 45° et 22,5°. Chaque cellule utilise par exemple deux diodes qui sont commandées soit dans l'état passant, soit dans l'état bloqué. Deux diodes d'une même cellule reçoivent à tout instant, sauf cas de panne, des signaux de commande identiques, c'est-à-dire qu'elles sont toutes deux positionnées à tout instant, soit dans l'état passant, ce qui correspond à un premier état de phase, soit dans l'état bloqué, ce qui correspond au second état de phase de la cellule.

Le dispositif selon l'invention comporte par exemple des moyens pour surveiller en permanence l'état des diodes. L'état des diodes est par exemple surveillé via le circuit de commande par la valeur du courant dans la ligne de commande et par la valeur de la tension sur la ligne de commande, chaque diode ayant une ligne de commande. En effet, une diode qui fonctionne normalement consomme dans l'état passant un courant significatif sous une tension faible et dans l'état bloqué un courant quasi-nul sous une tension de plusieurs volts. La panne d'une diode la met soit en circuit ouvert, ce qui est un cas peu fréquent, soit en court-circuit, ce qui est le cas général. Le circuit de commande s'auto-surveille par exemple lui-même et transmet au système de commande des déphaseurs, appelé pointeur, l'état global du circuit de commande et des déphaseurs. Le dispositif selon l'invention est par exemple situé dans ce pointeur. Il partage par exemple des circuits matériels de ce dernier et comporte par exemple un logiciel implanté en complément du logiciel du pointeur.

La figure 2 illustre, à titre d'exemple et par un synoptique, l'implantation d'un dispositif selon l'invention dans un pointeur 21. Un bus 22 comprenant toutes les lignes de commande des diodes des déphaseurs 2 relie par ces lignes les déphaseurs 2 au pointeur 21. Ce dernier inclut par exemple le dispositif selon l'invention qui est au moins constitué de moyens 23 pour mettre un déphaseur en panne et son déphaseur symétrique dans des états de phase supplémentaires. Il est constitué par exemple en outre de moyens 24 de lecture de l'état des déphaseurs. Ces états sont obtenus par exemple de la façon précitée par la comparaison des courants et des tensions des diodes des déphaseurs avec les ordres de positionnement véhiculés par les lignes de commande du bus 22. Les autres fonctions du pointeur 21, connues de l'homme du métier ne sont pas représentées. Les déphaseurs 2 sont par exemple équipés de moyen 25 d'établissement de leur état, ces moyens agissant par exemple par comparaison des tensions de diodes avec des tensions de commande véhiculées par le bus 22.

Pour traiter le cas où une panne détectée concerne une seule diode d'une cellule de phase comportant deux diodes utilisée dans un déphaseur, un traitement de l'autre diode de la cellule peut être effectué, de telle manière que la panne d'une seule diode provoque seulement le blocage dans l'un des deux états normaux de la cellule de phase dont la diode fait partie. La deuxième diode de la cellule peut par exemple être mise dans le même état d'impédance hyperfréquence que la diode en panne par des moyens de commande de l'état des diodes du dispositif selon l'invention. Ainsi par exemple, si la diode en panne est en circuit ouvert, la deuxième diode est mise dans l'état bloqué. Les deux diodes présentent alors le même état d'impédance, circuit ouvert, pour un signal haute fréquence que si elles étaient toutes deux en état de marche et bloquées. De la sorte, toute panne d'une seule diode se traduit par le blocage de la cellule de phase dont elle fait partie dans l'un de ses deux états normaux.

Le dispositif selon l'invention peut s'appliquer non pas seulement à une antenne passive alimentée à travers une distribution de puissance et des déphaseurs à diodes depuis un émetteur centralisé, mais elle peut aussi s'appliquer à une antenne active incorporant la fonction émission telle qu'illustrée par la figure 3. Dans ce cas, une pluralité d'amplificateurs 31 connectés aux sorties d'une distribution bas niveau 32 alimente les différentes sources élémentaires rayonnantes. Les déphaseurs 2 sont cette fois par exemple placés en amont des amplificateurs 31 et éventuellement intégrés à ceux-ci, le tout pouvant par exemple être réalisé sous forme de circuit intégré.

En annulant l'erreur de pointage liée à la panne d'un ou plusieurs déphaseurs ou de leur commande, le dispositif selon l'invention libère la conception des antennes des contraintes résultant de l'effet des pannes sur la précision de pointage. Il permet donc, par l'élimination d'une cause majeure d'imprécision, une conception plus simple donc moins coûteuse. Il peut par ailleurs s'appliquer à tous types de déphaseurs à commande électronique quelle que soit la technologie utilisée, il s'applique notamment aux déphaseurs à ferrites, aux déphaseurs à diodes, ou aux déphaseurs en technologie MMIC, ces initiales provenant de l'expression anglo-saxonne "Microwave Monolithic Integrated Circuits". De plus, il n'est pas nécessaire d'incorporer à un déphaseur des moyens pour empêcher celui-ci de rayonner lorsqu'il est en panne. Cet avantage est important car le déphaseur est un élément utilisé en de nombreux exemplaires dans une antenne à balayage électronique et représente, en conséquence, une part importante du coût de l'antenne. Toute augmentation de la complexité du déphaseur joue donc de manière négative sur le coût de l'antenne. Le dispositif selon l'invention présente aussi une souplesse d'utilisation due au fait qu'il existe un grand nombre de solutions pour choisir les phases ϕ₀ et π-ϕ₀, ou 3π-ϕ₀ par exemple, ce qui est équivalent, dans lesquelles le déphaseur en panne et son déphaseur symétrique sont respectivement bloqués. Il en résulte que même dans le cas où des déphaseurs symétriques ont chacun un bit bloqué dans l'un ou l'autre de leurs deux états de phase, par suite d'une panne, il reste suffisamment de degrés de liberté pour pouvoir, dans la quasi-totalité des cas, mettre les deux déphaseurs dans des états de phase remplissant la condition recherchée grâce à la seule action sur les bits restants.

Le dispositif selon l'invention peut également être transposé au cas d'une antenne à formation de faisceaux par le calcul pourvu que cette antenne soit plane et symétrique et pourvu que les lois de calcul des faisceaux soient symétriques en amplitude et en phase. Dans ce cas, l'invention consiste lorsque l'une des valeurs de phase ϕ₀ à utiliser dans le calcul d'un diagramme de rayonnement donné est désignée comme erronée ou même seulement suspecte, à mettre, pour ce diagramme de rayonnement, la valeur de phase concernant la source rayonnante symétrique dans l'état de phase supplémentaire. De la sorte, l'erreur de pointage liée à la valeur de phase erronée ϕ₀ est annulée.