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~0~97;~
ANTENNE DE RADAR SEC~NDAIRE
FONCTIONNANT EN MODE S
La présente invention concerne une antenne de radar
secondaire fonctionnant en mode S.
Elle s'applique notamment aux radars secondaires de
mode S en communication avec un grand nombre d'avions par tour
10 d'antenne secondaire.
L'augmentation du trafic aérien impose aux radars
secondaires d'émettre et de recevoir de plus en plus- d'impulsions
codées. Dans un espace éclairé par le faisceau d'antenne et
contenant un nombre croissant d'avions, ces impulsions codées
15 s'enchainent pour former des signaux de plus en plus longs. Or,
I'~troitesse relative du faisceau d'antenne, destiné à la fois à
l'émission et a la réception des impulsions codées, limite le nombre
de cibles traitées puisque le temps d'éclairement de l'espace
considéré nécessaire à l'émission et à la réception de tous ces
20 signaux mis en jeu est trop faible.
Les antennes de radars secondaires de mode S sont
généralement monopulses et contiennent trois voies réalisant trois
diagrammes d'antenne différents: une premiere voie appelée voie
somme et notée ~, une deuxième voie appelée différence et notée
25 et une troisième voie de suppression des lobes secondaires notée
communément SLS selon la terminologie anglo-saxonne "Side Lobe
Suppression" Dans la phase de réception, la voie somme est
essentiellement utilisée pour recevoir la puissance des signaux émis
par les avions et donc pour détecter les réponses contenues dans
30 ces signaux, et la voie différence est notamment utilisée avec la
voie somme pour former un signal lié au dépointage des avions par
-,, - . , ' .
.. .
. . . . , . ,. :
,, - , . . .
:
7 3 3
rapport à l'axe de l'antenne, donc pour déterminer précisément
l'azimut des cibles.
Une solution permettant d'augmenter le temps
d'éclairement des cibles consiste à élargir le diagramme d'antenne
s de la voie somme ~. Cependant, à puissance moyenne constante, la
puissance crate émise étant réduite, il en est de même pour la
portée du radar secondaire. Surtout, la largeur du lobe principal de
la voie somme ~ étant imposée par des normes internationales, il
n'est pas possible de jouer sur ce paramètre.
Par ailleurs, I'apparition rapide de lobes de réseau
parasites en cas de dépointage du diagramme somme empêche de
superposer un balayage réalisé par ce dernier au balayage
d'antenne.
Une autre solution consisterait a disposer plusieurs
s antennes en parallèle de manière à augmenter l'espace éclairé sans
diminuer la portée du radar mais une telle solution est coûteuse et
encombrante.
Le but de l'invention est de pallier les inconvénients
précités, notamment en ajoutant au moins un diagramme de
20 rayonnement permettant d'augmenter le nombre de communications
traitées par un radar secondaire par tour d'antenne.
A cet effet, I'invention a pour objet une antenne de radar
secondaire fonctionnant en mode S comprenant une rangée de
colonnes d'éléments rayonnants alimentées par un circuit de
25 répartition hyperfréquence contenant une voie somme (~-~, une voie
différence ~) et une voie de suppression des lobes secondaires
produisant chacune un éclairement et un diagramme associé de
rayonnement de l'antenne, caractérisée en ce que des colonnes
d'extrémités de l'antenne sont alimentées par au moins une voie
30 auxiliaire pour produire au moins un diagramme de rayonnement
auxiliaire et par une autre voie pour contribuer avec les autres
colonnes de l'antenne à la création des trois autres diagrammes.
- ~ :
2~7 i~ ~ .
L'invention a pour principaux avantages qu'elle
n'augmente pas l'encombrement de l'antenne, qu'elle est
économique et qu'elle est simple à mettre en oeuvre.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention
s apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des
dessins annexés qui représentent:
- la figure 1, un mode de réalisation d'antenne de radar
secondaire de mode S;
- la figure 2, les diagrammes de rayonnement d'une
10 antenne de radar secondaire de mode S;
- la figure 3, des éclairements d'une antenne de radar
secondaire de mode S;
- la figure 4, des regroupements de colonnes d'éléments
rayonnants d'antenne pour la création de différents diagrammes;
- la figure 5, un éclairement auxiliaire créé par l'antenne
selon l'invention;
- la tigure 6, un diagramme associé à l'éclairement
auxiliaire créé par l'antenne selon l'invention;
- la figure 7, un exemple d'un mode de réalisation
20 possible d'une antenne selon l'invention;
- la figure 8, un exemple de matrice de Blass utilisée pour
produire les ~clair0ments de l'antenne selon l'invention;
- la figure 9, un exemple de câblage possible d'un
commutateur utilisé dans l'antenne selon l'invention.
La figure 1 présente un mode de réalisation d'antenne de
radar secondaire de mode S. Celle-ci est constituée d'une rangée de
colonnes 1 d'éléments rayonnants. A titre d'exemple, I'antenne de
la figure 1 comprend 35 colonnes. Elles peuvent contenir par
exemple une dizaine d'éléments rayonnants chacune. Un circuit de
30 répartition hyperfréquence 2 contient les trois voies d'alimentation
hyperfréquence, déjà citées, la voie somme , la voie différence
et la voie de suppression des lobes secondaires notée Q sur la
7 ~ 3
figure 1. Chacune des voies alimente tous les éléments rayonnants
de toutes les colonnes 1. Des coupleurs et des déphaseurs disposés
dans le circuit de répartition 2, selon une architecture connue de
l'homme du métier permettent d'obtenir les diagrammes de
s rayonnement connus, relativement à chacune des trois voies.
La figure 2 illustre ces diagrammes ', ~', Q' en donnant
la configuration théorique de leur gain en fonction de l'angle ~ par
rapport à l'axe 3 de I 'antenne où l'angle ~ vaut 0. Les gains des
diagrammes ~ ', Q' sont symétriques par rapport à cet axe. Le
10 diagramme ' alimenté par la voie somme , en forme de cloche
allongée, sert à la détection des cibles, alors que les diagrammes ~'
et Q' alimentés respectivement par les voies différence ~ et de
suppression des lobes secondaires n servent à définir la position
des cibles. Le diagramme ' de la voie somme est étroit, en effet,
5 sa largeur pour un gain inférieur à 3 dB à son gain maximum n'est
que de quelques degrés. C'est cette étroitesse qui limite les
possibilités du nombre de communications traitées par tour
d'antenne du fait en partie que ce diagramme ne peut être ni élargi
ni dépointé de façon suffisante. Par ailleurs, puisque les circuits
20 d'alimentation hyperfréquence du circuit de répartition 2 sont
complexes et que l'enc~mbrement de ce dernier est réduit, il n'est
guere possible, à moindre coût, d'ajouter aux diagrammes ', ~', n~
précédents un diayramme supplémentaire alimenté pat une voie
supplémentaire venant de l'extérieur et s'ajoutant aux autres voies
25 comprises dans le circuit de répartition 2 et qui augmenterait les
capacités de communication de l'antenne.
La figure 3 illustre les éclairements ", ~", Q" produits par
l'antenne de la figure 1 en fonction d'une abscisse x, représentée
sur la figure 1, pris dans le plan de l'antenne, dans le sens de sa
30 longueur et en intersection avec son axe 3. Alors que les
diagrammes de rayonnement précédents sont fonction de l'angle
par rapport à cet axe 3, les éclairements sont représentés en
,
: . . .
.
S3
fonction de l'abscisse x. Un premier éclairement ~" est produit par
la voie somme ~;, un deuxième éclairement ~" est produit par la
voie différence ~" et un troisième éclairement Q" est produit par la
voie de suppression des lobes secondaires Q . Ces éclairements
s sont s~métriques par rapport à l'axe 3 de l'antenne passant par un
point d'abscisse xO de la droite des abscisses x.
Les formes de ces éclairements sont connues de l'homme
du métier. Les diagrammes de rayonnement de la figure 2 sont
obtenus à partir des éclairements de la figure 3 par transformation
0 de Fourrier de façon connue de l'homme du métier.
L'invention part notamment du fait que, plus les colonnes
1 ~ont éloignées du centre de l'antenne ou de son axe 3, plus les
différents éclairements ~ n~ Q~ de l'antenne deviennent
identiques jusqu'à devenir effectivement identiques pour les
5 colonnes proches des extrémités ou aux extrémités de l'antenne
comme le montre la figure 3, I'éloignement des colonnes 1 de l'axe
3 correspondant à l'éloignement de l'abscisse x par rapport au point
xO .ll est possible alors de définir à partir de chacune des colonnes
situées aux extrémités de l'antenne, un certain nombre de colonnes
20 où les trois éclairements ~ ", Q" sont identiques sur des portions
AB et A'B' de chacun de ces éclairements. Ces colonnes sont
repérées sur la figure 4 par des accolades G, D a partir de la
colonne 1G située à l'extrémité gauche de l'antenne et à partir de la
colonne 1 D située à l'extrémité droite de l'antenne. A titre
25 d'exemple, 9 colonnes sont ainsi prises en compte à partir de
chaque extrémité d'antenne, mais il pourrait y en avoir plus ou
moins selon la forme des diagrammes d'antenne par rapport à ces
colonnes. De préférence, les nombres de colonnes choisies à
chaque extrémité de l'antenne sont exactement les mêmes.
30 Cependant, si ce n'est pas le cas, notamment si les nombres de
colonnes à gauche et à droite sont proches, I'invention reste
réalisable.
2 ~
Selon l'invention, ces colonnes d'extrémité G, D sont
alimentées par exemple par deux voies, une voie réalisant les
portions de diagramme AB, A'B' communes aux éclairements ",
~", Q" réalisés par les voies , ~, Q précédentes et au moins une
5 autre voie réalisant un éclairement auxiliaire donnant un diagramme
auxiliaire, par exemple dépointé par rapport à l'axe 3 de l'antenne.
Ce dépointage, en gisement par exemple, peut être obtenu par
exemple en réalisant un gradient de phase sur l'éclairement
auxiliaire .
Sur la fi~qure 5, un éclairement auxiliaire AUX" en forme
de cloche et les portions AB, A'B' communes aux autres
diaqrammes ", ~", Q" sont réalisés par les colonnes G, D des
extrémités de l'antenne, les colonnes droite D produisant par
exemple l'éclairement auxiliaire AUXn. Ces colonnes sont au
5 nombre de 9 à chaque extrémité dans l'exemple de la figure 4, ce
nombre pouvant être différent. Les autres colonnes, centrales,
produisent les parties des éclairements ", ~n~ Q~ comprises entre
les deux portions AB, A'B' d'extrémité. Dans le cas de la figure 5,
I'éclairement auxiliaire AUX" est réalisé par les colonnes D de
20 I'extrémité droite de l'antenne, mais un second eclairement
auxiliaire pourrait aussi par exemple être-réalisé par les colonnes G
de l'extrémit~ gauche de l'antenne, avec le premier éclairement
auxiliaire AUX" ou seul.
La figure 6, présente le diagramme de rayonnement
2s auxiliaire AUX' associé a l'éclairement auxiliaire AUX".
Ce diagramme auxiliaire permet de compléter le balayage
effectuée par le diagramme ~;' de la voie somme ~ et augmente
donc la capacité de communication de l'antenne. Le diagramme
auxiliaire AUX' a un gain maximum plus faible que celui du
30 diagramme ~' de la voie somme ~; car il est alimenté par moins de
colonnes. A titre d'exemple, sur une antenne telle que celle
présentée par les figures 1 et 3 contenant 35 colonnes, le
t~ 3
diagramme auxiliaire AUX' est produits par 9 colonnes, soit un
quart d'antenne environ. En conséquence, le gain maximum du ou
des diagrammes auxiliaires AUX' est environ inférieur à 6 dB par
rapport au gain du diagramme ' de la voie somme . Cette
5 diminution de gain peut sembler gênante pour atteindre les cibles,
cependant la ou les diagrammes auxiliaires ne sont destinés qu'à
compléter la voie principale qui est la voie somme et sont ainsi
efficaces quand les cibles se rapprochent du radar, là où leur gain
devient suffisant pour la détection ou la communication.
La figure 7, illustre un mode de réalisation possible d'une
antenne selon l'invention. Les colonnes 1 d'éléments rayonnants
sont fixées entre elles par un support 10. L'antenne cornprend, à
titre d'exemple 35 colonnes 1. Les colonnes G, D d'extrémité sont
alimentées par des circuits de distribution auxiliaire 11, 12, un
5 circuit 11 étant affecté aux colonnes D de droite, et un autre 12
étant affecté aux colonnes ~; de gauche. Les autres colonnes sont
alimentées par exemple par des circuits de distribution a anneaux
13, 14 dont la structure est connue de l'homme du métier, un
circuit 13 étant affecté aux colonnes à droite de la colonne centrale
20 1C, et un autre 14 étant affecté aux colonnes à gauche de la
colonne centrale 1C. La colonne centrale 1C rencontrant l'axe 3 de
l'antenne, est elle-même alimentée pour réaliser l'éclairement
somme ~ et SLS Q. Les répartitions d'amplitude propres aux
éclairements somme et SLS entre la colonne centrale 1 C et les
25 autres colonnes sont réalisées par l'intermédiaire d'un coupleur de
proximité 15 par exemple. Le circuit de distribution a anneaux 13 du
côté droit est alimenté par un circuit de distribution 16 commun aux
voies somme ~, différence ~ et SLS Q et par un circuit de
distribution 17 affecté spécifiquement à la voie différence ~. De
30 mame, le circuit de distribution à anneaux 14 du côté gauche est
alimenté par un circuit de distribution 18 affecté à la voie différence
~ et par un circuit de distribution 19 commun aux voies somme ,
2 ~ r~
différence ~, et SLS Q . Les entrées des circuits de distribution 17,
18 affectés à la voie différence ~ sont reliées respectivement à la
première et à la troisième sortie d'un premier coupleur 20 de type
"anneau", ces deux sorties étant déphasées de 7r. Cela permet de
5 créer un déphasage de 7r entre l'éclairement différence ~" à gauche
de la colonne centrale lC et l'éclairement différence à droite. La
deuxième sortie du premier coupleur de type anneau 20 est reliée
par exemple à une charge 26 et son entrée E1 est reliée à l'une des
sorties d'un premier coupleur 21 de type "Wilkinson" par exemple.
10 Les entrées des circuits de distribution 16, 19 affectés aux voies
somme, différence et SLS sont reliées respectivement à la première
et à la troisième sortie d'un deuxième coupleur 22 de type anneau,
I'entrée E2 de ce dernier étant reliée à l'autre sortie du prernier
coupleur 21 de type "Wilkinsonn, sa deuxième sortie étant reliée à
5 une sortie d'un deuxième coupleur 23 de type "Wilkinson" par
exemple. ~'entrée du premier coupleur 21 de type "Wilkinson" est
par exemple reliée à la sortie d'un troisième coupleur 24 de type
"Wilkinson" dont l'entrée constitue un accès 27. L'autre sortie du
troisième coupleur 24 de type "Wilkinson" est reliée à l'entrée E3
20 d'un troisième coupleur 25 de type anneau. Les premières et
troisièmes sorties de ce dernier sont respectivement reliées aux
entrées des circuits de distribution auxiliaire 11, 12, sa deuxième
sortie étant reliée à l'autre sortie du deuxième coupleur 23 de type
"Wilkinson". L'entrée de ce dernier est reliée par exemple à une
25 sortie du coupleur de proximité 15 dont les entrées 28, 29
constituent deux autres accès. Tous ces circuits de distribution et
ces coupleurs sont contenus dans le circuit de répartition 2, toutes
les liaisons entre ces éléments étant des liaisons hyperfréquence.
Les moyens de couplage 15, 20, 21, 22, 23, 24, 25 décrits
30 précédemment sont donnés à titre d'exemple et p0uvent être
remplacés par d'autres moyens réalisant les mêmes fonctions.
.
.
,
~Q99~
Les circuits de distribution auxiliaire comportent chacun
deux accès 71, 72, 71', 72', un 72, 72' vers une première voie
réalisant une partie de d'éclairement d'antenne commune aux
éclairement somme ~", différence ~" et de suppression des lobes
s secondaires Q", et un 71, 71" vers une deuxième voie réallsant un
éclairement auxiliaire AUX". L'éclairement d'antenne généré par la
première voie est situé sur les bords de cette dernière, et est
commun aux trois diagrammes ~ ', Q' précités. Selon l'invention,
les distributions de la puissance hyperfréquence sur les colonnes
0 d'extrémité G, D par les circuits de distribution auxiliaire 11, 12
peuvent être effectués par exemple par des matrices de Blass à
deux accès. Les circuits auxiliaires de distribution contiennent donc
par exemple de telles matrices. Ces matrices de Blass réalisent deux
éclairements orthogonaux notés par exemple An et Cn, An étant
5 I'éclairement commun aux voies somme ~;, différence ~ et de
suppression des lobes secondaires n sur les bords de l'antenne,
c'est-à-dire au niveau des colonnes G, D d'extrémité réalisant le
diagramme auxiliaire. L'éclairement noté Bn, correspondant au
diagramme auxiliaire peut alors être obtenu à partir des éclairements
20 précédents orthogonaux An et Cn par la relation:
(Bn = K1 An + K2 Cn) ~1), K1 et K2 étant par exemple des
coefficients définissant la fonction de transfert d'un coupleur et
vérifiant la relation:
(K12 + K22 _ 1) (2). Si le diagramme associé à l'éclairemen~ Bn
2s est dépointé par rapport à l'axe 3 de l'antenne, I'éclairement Bn
devient alors sensiblement orthogonal avec l'éclairement An~ en
conséquence K1 devient très inférieur à K2 et Bn se confond avec
Cn. Des simulations et des essais expérimentaux effectués par la
Déposante ont montré qu'un dépointage suffisant pour atteindre
30 cette orthogonalité entre les éclairements An et Bn associé à une
modification du pas entre les colonnes G, D d'extrémité formant
l'éclairement auxiliaire, par rapport au pas entre les autres colonnes,
2 ~
en diminuant ce pas par exemple, n'entraînent pas d'éclairements
parasites notamment de lobes de réseau. Il est alors possible à
partir des matrices de Blass contenues dans !es circuits de
distribution auxiliaire d'obtenir un diagramme auxiliaire dépointé par
s rapport à l'axe de l'antenne sans lobes de réseau parasites.
La figure 8 présente un mode de réalisation possible d'une
matrice de Blass à deux accès 71, 72 pour obtenir les éclairements
An et Bn précités, c'est-à-dire l'éclairement AB, A'B' commun aux
voies ~ , Q sur les bords d'antenne et l'éclairement auxiliaire. La
10 matrice de Blass présentée par la figure 7 est par exemple contenue
dans l'un au moins des circuits de distribution auxiliaire 11, 12. Sa
structure est connue de l'homme du métier. Elle comprend deux
accès 71, 72. Un accès 71 est par exemple reliée à une sortie du
troisième coupleur de type anneau 25 pour former la partie An
5 d'éclairement commune aux éclairements somme , différence ~ et
SLS Q. Elle alimente les colonnes 1 d'éléments rayonnants d'un
bord de l'antenne, ces colonnes étant au nombre de 11 à titre
d'exemple. Le pas entre ces colonnes d'extrémité G,D est par
exemple inférieur à celui entre les autres colonnes de l'antennes. Un
20 premier accès 71, alimente par exemple la première voie produisant
l'éclairement An des colonnes 1 de l'extrémité de l'antenne, I'autre
accès 72 alimentant la deuxième voie produisant l'éclairement Bn
auxiliaire. La position de ces deux voies peut être éventuellement
inversée. Les colonnes 1 alimentées par la matrice de Blass de la
2s figure 7 sont au nombre de 11, à titre d'exemple. Cependant, par
rapport à un nombre de colonnes d'extrémité initialement au nombre
de 9 par exemple, cette augmentation peut provenir de la
modification du pas entre ces colonnes, et notamment d'une
diminution de ce pas.
Un motif de base de la matrice de Blass comporte un
coupleur 73 par exemple relié par une ligne hyperfréquence 75, à
une charge hyperfréquence 74 et au coupleur 73 du rnotif suivant
~ . .
2~ i i33
1 1
par une ligne hyperfréquence 76, le coupleur 73 du premier motif
étant relié à l'accès 71, le coupleur du dernier motif étant relié à
une charge hyperfréquence supplémentaire 74' opposée au premier
accès 71. Les motifs de base de la première voie sont reliés aux
s motifs de la deuxième voie par des coupleurs 77, de même type que
les précédents par exemple. Chacun de ces coupleurs 77 est relié à
une colonne 1 d'élements rayonnants par une ligne hyperfréquence
78 et sont reliés entre eux par des lignes hyperfréquences 79, le
coupleur du premier motif étant relié au deuxième accès 72 et celui
10 du dernier motif à une charge hyperfréquence 74'. Les longueurs et
dimensions des lignes hyperfréquences 75, 76, 78, 79 sont
calculées selon des méthodes connues de l'homme du métier, la
technologie du circuit de distribution 2 peut être en triplaque air par
exemple, pour minimiser les pertes notamment. Les coupleurs 73,
5 77 peuvent être par exemple de type Echelle. Ces coupleurs
peuvent être de même type mais pas identiques. Les lignes
hyperfréquence ne sont pas de même longueur par exemple.
Il est possible, selon l'invention, de réaliser un diagramme
auxiliaire dépointé, créé par l'éclairement auxiliaire produit par les
20 colonnes G, D d'extrémité sans modifier le pas de ces dernières par
rapport aux colonnes centrales de l'antenne. Cependant, dans ce
cas il apparaît des lobes de réseau parasites. Pour supprimer ces
derniers, il est préférable alors d'effectuer un faible dépointage du
diagramme auxiliaire, mais ce faible dépointage combiné à
25 I'utilisation de la matrice de Blass telle que décrite par la figure 8
crée une déformation du lobe principal du diagramme auxiliaire. En
effet, le diagramme auxiliaire étant faiblement dépointé, son
éclairement Bn n'est plus orthogonal à l'éclairement An du
diagramme somme ~:' et donc, dans la relation (1 ) précitée,
30 I'éclairement Bn ne se confond plus avec l'éclairement Cn réalisé
par la matrice de Blass. Dans ce cas, pour éviter la déformation du
lobe principal du diagramme auxiliaire, il est possible par exemple de
2 ~
12
disposer un commutateur à l'entrée de la matrice de Blass telle que
d~crite par la figure 8. Il est aussi possible par exemple de combiner
ce~te commutation avec la modification du pas des colonnes G, D
d'extrémité de l'antenne.
s La figure 9 présente un exemple de câblage possible d'un
de ces commutateurs. Une première sortie d'un commutateur 81 est
reliée à un premier acces 82 de la matrice de Blass pour réaliser
l'éclairement An alors que sa deuxième sortie est reliée à une
première entrée d'un coupleur 83 dont la sortie est reliée à un
10 deuxième accès 84 de la matrice pour réaliser l'éclairement Bn~ le
coupleur ayant une fonction de transfert égale au coefficient K1
entre sa première entrée et sa sortie, K1 étant le coefficient de la
relation (1). L'entrée du commutateur 81 est reliée par exemple au
premier accès 71 représenté dans le mode de réalisation de la figure
15 7. Le commutateur 81 relie suivant sa position, sa première sortie à
son entrée ou sa deuxième sortie à son entrée. La deuxième entrée
du coupleur 83 est reliée par exemple au deuxième accès 72
représenté sur la figure 7. Sa fonction de transfert entre sa première
entrée et sa sortie est égale au coefficient K2 de la relation (1). Sur
20 la fi~ure 9, la position du commutateur est telle que l'éclairement Bn
est réalisé, Bn étant alors égal à K1An + K2Cn selon la relation (1).
Selon la position du commutateur 81, un des éclairements est
réalisé.
Les colonnes (~;, D) d'extrémité d'antenne choisies pour
25 réaliser le diagramme de rayonnement auxiliaire sont de préférence
celles qui correspondent à la partie de l'éclairement commun aux
voies somme ~, différence ~, et SLS Q. Cependant elles pourraient
s'étendre par exemple à des colonnes plus centrales où cette
identité n'est plus tout à fait vérifiée, dans le but notamment
30 d'augmenter l~ gain du diaqramme auxiliaire.
Il est possible également d'ajouter par exemple quelques
colonnes d'extrémité d'antenne alimentées uniquement pour la
2 ~ 3
13
réalisation du diagramme auxiliaire, toujours dans le but notamment
d'augmenter le gain de ce dernier.
