RESEAU D'ANTENNES DIRECTIVES MULTI POLARISATIONS LARGE

BANDE.

L'invention concerne une architecture pour un réseau d'antennes multi polarisa- tions large bande. Elle s'applique dans une gamme de fréquence comprenant la très haute fréquence ou VHF (de 30 MHz à 300 MHz), l'ultra haute fréquence ou UHF (de 300 MHz à 3 GHz) et la gamme de fréquence SHF (de 3 GHz à 30 GHz).

Elle est utilisée dans le domaine des antennes de goniométrie. Le réseau d'antennes directives multi polarisations très large bande permet dans un contexte de goniométrie de traiter des signaux de polarisations diverses sans interaction avec le porteur par l'utilisation de traitements de goniométrie adaptés. En effet, dans certaines configurations d'installation, l'utilisation d'antennes directives permet de s'affranchir de la structure porteuse. Par exemple, dans un contexte de goniométrie navale, le réseau d'antennes selon l'invention peut être placé n'importe où sur le mat d'un bateau du fait de son rayonnement directif, sans être perturbé par celui-ci.

Un des principaux problèmes rencontrés lors de l'intégration d'antennes de goniométrie, est le choix de la structure mécanique maintenant les antennes élémentaires et le positionnement du système antennaire complet sur une structure porteuse. En effet, ce placement est stratégique car le réseau d'antenne ne doit pas être perturbé par la structure de maintien. Cette problématique est accentuée dans un contexte multi polarisation. Par exemple, dans le cas de la goniométrie navale, le choix du positionnement de l'antenne est crucial et limité du fait des nombreux équipements de bord tels que les radars, les émetteurs de communication, le système de navigation, etc Un système antennaire composé de plusieurs antennes directives peut se placer beaucoup plus facilement, par exemple autour d'un mât. Du fait de son rayonnement directif, les performances des antennes ne sont donc pas pénalisées par la structure porteuse.

Dans le domaine de la radiogoniométrie, la plupart des systèmes antennaires existants opèrent uniquement en polarisation verticale. Au cours des deux dernières années, de nouveaux concepts de systèmes antennaires ont vu le jour et permettent, a priori, de réaliser des goniométries des signaux en pola- risation verticale et horizontale soit de manière séparée, soit de manière couplée en utilisant un traitement de goniométrie adapté. Ces nouveaux systèmes utilisent des antennes élémentaires à couverture radioélectrique azi- mutale omnidirectionnelles de type boucle ou dipôle.

Les principaux inconvénients des systèmes antennaires de goniométrie constitués d'antennes omnidirectionnelles à polarisation verticale et horizontale sont notamment : o que leurs performances dépendent de la structure mécanique maintenant les antennes élémentaires et/ou de la structure porteuse du système antennaire complet, et cela en fonction de la polarisation des si- gnaux, o qu'une phase de calibration avec la structure porteuse est nécessaire pour se rapprocher des performances optimales et pour tenir compte des perturbations engendrées par la structure mécanique maintenant les antennes élémentaires et/ou la structure porteuse du système an- tennaire complet. Dans certains cas, la mise en oeuvre d'une phase de calibration demande des moyens considérables ce qui conduit à des coûts d'intégration élevés ou à une impossibilité de réalisation technique.

Pour des applications à multi polarisations, il existe actuellement différents types d'antennes élémentaires directives. Dans le cas d'applications dites « large bande », des antennes de type spirale à bi-polarisations linéaires ou circulaires sont utilisées. Un exemple d'antenne est décrit dans le brevet européen EP 0 198 578. Ce brevet divulgue une antenne à polarisation circulaire double, comprenant un nombre N de branches d'antenne identiques, de forme générale sinueuse, s'étendant vers l'extérieur à partir d'un axe central commun et qui sont disposées symétriquement sur une surface à des inter-

valles de 3607N autour de l'axe central. Chaque br anche d'antenne comprend des cellules de coudes, des lignes et de courbes qui sont disposées d'une manière log-périodique ou quasi-log-périodique, de façon que chaque cellule soit intercalée entre des cellules adjacentes d'une branche d'antenne adjacente sans toucher ces cellules adjacentes. L'enseignement technique de ce brevet est principalement accès sur l'antenne directive élémentaire et différentes formes de réalisation pour cette dernière. Il ne décrit pas comment associer plusieurs antennes dans le but de réaliser de la goniométrie multi polarisation ni le type de traitement à utiliser. D'autre part, ce brevet décrit l'utilisation d'une cavité contenant un absorbant électromagnétique pour rendre les antennes directives.

L'architecture antennaire ou réseau antennaire selon l'invention repose sur une association de plusieurs antennes élémentaires disposées selon une structure choisie et adaptée à la structure porteuse afin d'obtenir une couverture radioélectrique azimutale donnée, par exemple, sur 360°avec des antennes directives ou rendues directives grâce à des éléments adaptés. Cette invention peut également être utilisée dans le cas où une couverture angulaire plus réduite (sur 180°par exemple) est souha itée et être utilisée dans des systèmes de détections ou la couverture sur 360°n'est pas obligatoire. D'autre part, en fonction du type de porteur, le traitement d'antenne utilisé peut varier et être adapté aux performances visées par une application.

L'invention concerne un réseau d'antennes directives multi polarisations large bande travaillant dans une bande de fréquence choisie caractérisé en ce qu'il comporte au moins les éléments suivants : o N capteurs élémentaires de type spirale sinueuse complémentaires, à plusieurs brins disposés selon une structure permettant d'obtenir une couverture azimutale donnée, o chacun des N capteurs comportant un plan réflecteur fixé à l'antenne par une entretoise isolante E,

o chacun des N capteurs comportant des cellules d'adaptation adaptées à la bande de fréquences de travail dudit réseau, o chacun des N capteurs comportant des voies de sortie séparées et pour les signaux à polarisation verticale et pour les signaux à polarisa- tion horizontale, o un dispositif adapté à exécuter un algorithme de goniométrie utilisant l'amplitude et la phase desdits signaux et adapté à la configuration du réseau.

Selon un mode de réalisation le réseau antennaire comporte : o un moyen permettant de regrouper les signaux présentant une même polarisation, d'une part les signaux à polarisation verticale provenant des différents capteurs élémentaires et d'autre part les signaux à polarisation horizontale, o un dispositif adapté à exécuter un algorithme de goniométrie utilisant l'amplitude et la phase desdits signaux regroupés et adapté à la configuration du réseau.

La couverture radioélectrique azimutale est par exemple voisine de 360°et peut être fonction du porteur sur lequel se trouve disposé le réseau d'antennes. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un exemple détaillé donné à titre illustratif et nullement limitatif, annexé des figures qui représentent : o La figure 1 , un élément d'antenne associé à un réflecteur selon l'invention, o La figure 2, une configuration des 4 brins au centre de l'antenne élémen- taire, o La figure 3, un système d'adaptation d'impédance, o La figure 4, un exemple de configuration du système antennaire selon l'invention dans le cas d'un réseau à 5 antennes, o La figure 5, un résultat de diagramme de rayonnement mesuré pour un réseau antennaire selon l'invention en polarisation verticale et horizontale,

o La figure 6, un exemple de positionnement du réseau antennaire en haut d'un mât selon l'invention, et o Les figures 7 et 8, des courbes de hauteur efficace montrant le gain obtenu avec le réseau antennaire selon l'invention et obtenue avec les an- tennes selon l'art antérieur.

La figure 1 représente une antenne élémentaire 1 imprimée sur un substrat diélectrique composé de quatre branches I ₁ , 1 ₂ , U et 1 ₄ complémentaires ou autocomplémentaires. Cet élément 1 est disposé devant un réflecteur 2 qui permet notamment de rendre directif l'élément antennaire 1 ou antenne élémentaire. Le réflecteur 2 joue aussi un rôle de protection vis à vis des rayonnements parasites provenant d'autres éléments antennaires faisant partie du réseau selon l'invention. Ce plan réflecteur permet notamment d'obtenir un meilleur rendement que lorsqu'on utilise une cavité absorbante. La géométrie d'une spirale équi angulaire est définie par :

r désignant le rayon d'un bras de la spirale et r ₀ le rayon au centre où K représente le bras de la spirale considéré, N, le nombre de bras et « a » la sin(0) constante de la spirale avec a = — _r ^- tel que définie sur la figure 2 dans un tan(μ) diagramme de coordonnées polaires.

Pour une spirale sinueuse planaire, θ=ττ/2 et ^a τ ^~ _\ tan(μ)

L'excitation (centre de la spirale) des N bras est faite sur un cercle de rayon r ₀

petit devant la longueur d'onde (— - < 0.1) avec do=2.r _o sin(θo)=2.r _o . La longueur

A

de chaque bras est définie par L = (r - rλ — _r ^- et le dernier paramètre impor- cos(//)

4 t.an 4t. pour I la sp •ira Ile es .t. i I" épaisseur angu Ila -ire d_ié' <f-in-ie par S c = - 1 L Tog (\ — sm( fu-{) + C λ ou , a yύn[μ)- C J

C est une constante qui peut être déterminée au centre de la spirale par R=Cr. L'épaisseur d'un bras est ajustée à l'excitation (centre de la spirale) par R ₀ =Cr ₀ Basiquement, dans une spirale sinueuse, chaque bras est contenu dans une aire définie par un angle α ₀ et le rayon extérieur de ce bras. Une fois l'angle déterminé, en réalisant un simple « zigzag » dans le sens horaire, puis antihoraire sur α ₀ degrés depuis le centre, un bras de la spirale peut être obtenu. Les dimensions d'un élément rayonnant ou antenne élémentaire 1 sont donc déterminées par le diamètre extérieur D _θXt de la spirale qui est proportionnelle à la plus grande longueur d'onde λ _ma χ, c'est-à-dire la fréquence d'utilisation la plus basse F _min . Le diamètre D _θXt correspond au diamètre composé par un cercle passant pas les parties des bras les plus externes E ₁ , E ₂ , E ₃ , E ₄ , au contraire, le diamètre interne D _int de la spirale est définie à partir des parties des brins sinueux les plus internes I ₁ , I ₂ , U, I ₄ (figures 3 et 4). Par cette structure log- périodique ou quasi log-périodique, l'antenne est dite indépendante de la fréquence.

La géométrie globale du système antennaire (nombre et tailles des antennes élémentaires, dimensions du réseau d'antennes) varie notamment en fonction de la bande de fréquences à traiter, du porteur sur lequel le réseau d'antennes est positionné et des performances de goniométrie souhaitées pour une application donnée. La précision de goniométrie est, par exemple, inversement proportionnelle à l'ouverture du réseau (distance entre antennes) et est inversement proportionnelle au nombre d'antennes utilisées. Par contre, l'espacement entre antennes ne doit pas être trop grand pour ne pas augmenter de manière trop importante les risques d'ambiguïté sur la précision de goniométrie. Par exemple, une antenne de goniométrie fonctionnant sur la bande 20MHz - 160MHz avec 5 dipôles disposés sur un cercle de rayon 1 ,5 m possède une bonne précision de goniométrie. La géométrie du réseau d'antenne peut aussi être fonction du porteur du ré- seau d'antennes. Elle est par exemple choisie afin d'obtenir une couverture

radio électrique azimutale égale ou voisine de 360°. Cette configuration peut être par exemple de type circulaire, disposée sur le mât d'un bateau ou bien positionnée sur chaque face d'un véhicule ou de façon linéaire sur les ailes d'un avion. L'antenne élémentaire est maintenue au réflecteur 2 par des entretoises isolantes E (figure 5) de longueur définie par la distance séparant l'antenne du plan réflecteur, comme il sera détaillé ci-après.

La figure 6 décrit un exemple de représentation où 4 brins d'une antenne sont reliés ensembles deux à deux par le biais de pistes imprimées par exemple, le brin 1 i avec le brin 1 ₃ (polarisation verticale) et le brin 1 ₂ avec le brin ^" I ₄ (polarisation horizontale). Les brins recevant des signaux de même polarisation sont reliés à un dispositif d'adaptation (transformateur symétri- seur) avant d'être transmis à des dispositifs de traitement de signaux et de traitement d'antenne. Ce dispositif plus connu sous l'acronyme anglo-saxon « balun » a pour but de symétriser les courants transmis dans les éléments rayonnants et d'adapter l'impédance de l'antenne à l'impédance caractéristique du récepteur, idéalement 50ω. Sur la figure 6, par exemple, un premier système d'adaptation en impédance (transformateur symétriseur) 4, relie les brins 1 ₂ et 1 ₄ et permet aussi l'adaptation par rapport à un système de trai- tement de signaux 5. Les brins 1 i et 1 ₃ sont reliés par un système d'adaptation 6 à un dispositif de traitement 7 qui va traiter les signaux de polarisation verticale reçus sur chacune des antennes élémentaires constituant le système complet permettant d'effectuer une goniométrie. De même, ce dispositif traite les signaux à polarisation horizontale. Le dimensionnement de ces dispositifs d'adaptation est fonction des bandes de fréquences traitées et des performances d'adaptation souhaitées. Ils sont placés orthogonalement à l'antenne entre celle-ci et le plan réflecteur au niveau de l'excitation. Enfin, dans le but de réaliser de la goniométrie, le système antennaire tel qu'il est décrit à la figure 7 est associé à un commutateur d'antenne non représenté sur la figure qui permettra de sélectionner l'élément rayonnant élé-

mentaire et la polarisation choisie successivement permettant l'acquisition des différents signaux reçus sur l'antenne ou le système antennaire. Tous les signaux acquis sur les antennes seront alors envoyés vers un module de traitement qui, à l'aide d'un algorithme de goniométrie adapté à la multi pola- risation, et d'un calculateur réalisera l'estimation de l'angle d'arrivée du signal quelle que soit sa polarisation. Les signaux sont regroupés par mode de polarisation, les signaux polarisés verticalement sont regroupés ensemble avant d'être traités et les signaux polarisés horizontalement sont regroupés ensemble avant d'être traités. Le système comprend un moyen de regrou- pement des signaux en fonction de leur polarisation, par exemple. Les signaux peuvent éventuellement être couplés en sortie de chaque élément rayonnant par un composant de type hybride. Dans ce cas, c'est le traitement de goniométrie qui sera adapté et qui se chargera de distinguer la polarisation. Ce traitement de goniométrie est notamment basé sur l'utilisation de l'amplitude et de la phase des signaux. En effet, contrairement à des procédés classiques n'utilisant que l'amplitude ou que la phase des signaux, l'invention utilise les deux grandeurs. Ceci permet d'obtenir une information grossière de l'angle par l'amplitude (sectorisation) et une information précise par la phase, ce qui améliore significativement la précision du système.

A titre d'exemple, un algorithme de type corrélation vectorielle, haute résolution ou non, utilisant l'amplitude et la phase des signaux donnera des performances meilleures dans le cas de structure porteuses complexes. Le plan réflecteur 2 Par nature la spirale sinueuse ne possède pas de rayonnement directif. Pour pouvoir obtenir une antenne directive, plusieurs solutions sont possibles. Par exemple il est possible d'utiliser une cavité absorbante comme dans le brevet EP 0 198 578 ou un plan réflecteur 2 métallique de forme carrée, qui est placé derrière l'antenne 1 , figure 1. Les dimensions du plan réflecteur 2 sont notamment déterminées par rapport à celles de la spirale sinueuse qui forme l'antenne selon l'invention et par rapport à la fréquence basse d'utilisation du

système. En effet, pour être optimal, un plan réflecteur doit être au moins de dimension λ pour cette fréquence. Le principal avantage offert par l'utilisation d'un plan réflecteur est qu'il améliore le rendement de l'antenne par rapport à une solution utilisant des cavités absorbantes. La distance, définie par la normale entre le centre de l'antenne 1 et le plan réflecteur 2 doit être égale dans le cas optimal à un quart de longueur d'onde pour une fréquence F considérée. Par conséquent, la bande d'utilisation de l'antenne sera limitée par les dimensions du plan réflecteur et de sa distance aux éléments rayonnants. Une des qualités principales d'une antenne directive étant d'avoir le meilleur rapport avant - arrière possible (rapport de directivité entre l'avant et l'arrière de l'antenne), la valeur de la distance est, par conséquent, choisie afin de permettre le fonctionnement de l'antenne sur la bande de fréquences la plus large possible tout en conservant un bon rapport avant arrière dans le rayonnement de l'antenne. Par exemple, si l'objectif fixé est d'avoir le meil- leur rapport avant - arrière pour la fréquence F1 d'une bande de fréquence d'utilisation, alors la distance « d » entre le plan réflecteur 2 et l'antenne est

Q fixée par la formule: d = .

4Fl

Protection des circuits d'adaptation

Comme il est expliqué plus haut, les dimensions de l'antenne sont fonction de la bande de fréquences visée. La fréquence basse est proportionnelle au diamètre extérieur D _θXt de la spirale, la fréquence haute est proportionnelle au diamètre intérieur D _int de la spirale. Il est donc possible que les circuits d'adaptation viennent perturber le rayonnement de l'antenne pour les fréquences hautes d'utilisation. Pour y remédier le circuit d'adaptation peut comprendre un blindage métallique « B » sur la figure 1 , qui permet d'éviter les dégradations que peuvent apporter les « baluns » sur le rayonnement des antennes, quelle que soit la polarisation. Association en réseau

La figure 7 donne un exemple de réalisation d'un réseau suivant une configu- ration polygonale régulière comprenant 5 éléments rayonnants. Le réseau

pentagonal ainsi formé offre notamment comme avantage d'avoir un réseau d'antennes directives qui permet de placer ce réseau d'antennes multi polarisation sur n'importe qu'elle structure porteuse sans être perturbé par celle-ci. Il permet aussi de travailler avec une couverture radioélectrique de 360°Par exemple, il est possible de le positionner en haut d'un mât comme il est représenté à la figure 9. Les dimensions du réseau définies par la hauteur H, la longueur L et largeur du système P, dépendent de ta taille de l'élément rayonnant élémentaire ainsi que de la bande de fréquence et des performances attendues. A titre d'exemple, le réseau de la figure 9, fonctionnant sur la bande de fréquence 500MHz - 3000MHz possèdent les dimensions suivantes : P = 420mm, L = 420mm et H = 250mm.

Le réseau est associé à un moyen non représenté sur la figure permettant d'exécuter les étapes des algorithmes de traitement d'antenne capable de traiter la multi polarisation des signaux et fonctionnant en prenant en compte l'amplitude et la phase des signaux.

Le diagramme de rayonnement de la figure 8 montre un résultat de mesure à 1 GHz des antennes du réseau décrit par l'exemple précédent de l'invention. Ces diagrammes ont été mesurés avec une source en polarisation linéaire verticale et horizontale et les réponses de chaque antenne dans les polarisations correspondantes ont été mesurées. L'ouverture à 3dB est de 75°ce qui permet, avec au minimum 5 spirales sinueuses, d'avoir une bonne couverture suivant tous les azimuts. En appliquant des algorithmes de goniométrie basés sur l'amplitude et la phase des signaux, de type corrélation vectorielle ou algorithme à haute résolution (MUSIC, CAPON, etc .. connus de l'Homme du métier) d'excellentes performances de précision dans les deux polarisations sont obtenues. D'autre part, plus le nombre de spirales sera élevé, plus les performances seront élevées. Ces résultats restent valables sur toute la bande de fréquences d'utilisation de l'antenne et quelle que soit la polarisa- tion.

En fonction du système sur lequel le réseau d'antenne de goniométrie multi polarisations est utilisé, la configuration du réseau peut-être différente : réseau linéaire ou homothétique dans le cas d'une configuration aéroportée. Dans le cadre d'une utilisation pour un système antennaire de goniométrie large bande, de manière plus générale la mise en œuvre demande une structure composée : o De N antennes de type spirales sinueuses dont les dimensions sont adaptées à la bande de fréquences d'utilisation, o De N plans réflecteurs métalliques de la même dimension que les an- tennes élémentaires, o De 2N circuits d'adaptation (balun), o De N protections (blindage) pour palier à la présence des circuits d'adaptation, o D'un algorithme de goniométrie adapté au traitement de la multi pola- risation et à la configuration d'installation.

La figure 10 représente dans un diagramme où l'axe des abscisses correspond à I 'axe des fréquences exprimées en MHz et l'axe des ordonnées représente la Hauteur Efficace d'une antenne selon l'art antérieur, courbe I, et une antenne selon l'invention, la courbe II correspondant à la polarisation verticale et la courbe III la polarisation horizontale.

Le réseau d'antennes directives multi polarisations décrit ci-dessus, permet donc de traiter des signaux quelle que soit la polarisation sans être gêné par la structure porteuse de l'antenne. Ceci permet donc une intégration plus facile sur un porteur. D'autres part, les diagrammes de rayonnement des antennes (ouverture, rapport avant arrière, etc..) permettent d'obtenir de bonnes performances de précision sans être perturbé par la structure porteuse. La bonne stabilité du réseau d'antenne permet aussi d'envisager des calibrages par simulation puisque les diagrammes de rayonnement seront fai- blement perturbés par la structure porteuse. Le fait que l'antenne soit insensible à la structure porteuse permet donc d'envisager une interchangeabilité

de l'antenne d'un porteur à un autre sans avoir à refaire un calibrage complet.

De plus, les deux sorties de chaque élément rayonnant permettent de traiter directement et indépendamment les polarisations verticale et horizontale ain- si que n'importe qu'elle autre type de polarisation par traitement adapté. A l'aide par exemple d'un réseau pentagonal constitué de ces antennes nous pouvons avoir une couverture sur 360°pour applique r les traitements de go- niométrie sans être perturbé par les éléments supportant l'antenne. Dans certaines configuration, ceci permet aussi de simplifier voir d'éliminer les phases de calibrages, puisque que les antennes élémentaires ne seront pas affectées par la structure porteuse.