Antennes - Différents types.pdf

Antennes Différents types par Joseph ROGER Ingénieur de l’École Nationale Supérieure des Télécommunications Ancien Responsable du Service Antennes des Radars de surface à THOMSON-CSF

1.

Émission .......... ............... .......... ......... ......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... ......... ......... .......... .....

2.

...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... Réception ....

—

3

3.

Émis Émissi sion on et réce récept ptio ion n .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ....

—

3

4. 4.1 4.1 4.2 4.2 4.3 4.3 4.4 4.4 4.5 4.5 4.6

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— — — — — — —

3 3 4 4 4 5 7

5.

Ante Antenn nne e mult multif ifai aisc scea eau u .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ....

—

7

6.

...... ....... ...... ........ ...... ........ ...... ........ ...... ........ ...... ........ ...... .... .... ........ ...... ........ ...... ...... Ante Antenne nne mult multip ipola olari risa sati tion on ...

—

8

7.

Ante Antenn nne e mul multi tifr fréq éque uenc nce e ... ....... ...... ........ ...... ........ ...... ........ ...... ........ ...... ........ ...... ........ ...... ........ ...... .... .... ........ ...... ......

—

9

8.

Ante Antenne nne à bala balaya yage ge éle élect ctro roni niqu que e........................................................

—

9

9.

Antenne active.... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..

—

10

10. Antenne Antenne à formation formation de faisceau faisceau par le le calcul calcul (FFC) ....................

—

10

11. Antenn Antennes es adapta adaptativ tives es .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ....

—

11

12. Tableau ableau réca récapit pitula ulatif tif .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ....

—

13

E 3 282 - 2

ans cet article consacré aux types d’antennes, on va considérer trois

caractéristiques : la fonction première de l’antenne, la nature du diagramme D et son mode de déplacement. Fonction première de l’antenne . Certaines antennes émettent seulement la puissance fournie par un émetteur situé en amont et indépendant de l’antenne. D’autres n’assurent qu’une fonction de captation de puissance radio- électrique au bénéfice d’un système d’amplification et de traitement situé en aval de l’antenne. D’autres assurent simultanément ou successivement les deux fonctions. D’autres, les antennes à modules actifs, intègrent dans l’antenne des fonctions d’amplification du signal reçu ou du signal à émettre. D’autres, les antennes à formation de faisceau par le calcul (FFC), numérisent le signal reçu aux différents points de l’ouverture et à l’aide de processeurs et d’algorithmes forment les faisceaux, en temps réel, les mieux adaptés à la mission.  Nature du diagramme . À côté des diagrammes classiques, comme le faisceau étroit et de révolution (pencil beam) fourni par une parabole ronde ou comme le diagramme omnidirectionnel en gisement fourni par un dipôle vertical, des diagrammes moins simples sont parfois nécessaires, par exemple : — les diagrammes « différence différence » ou « écart » lorsqu’il faut optimiser les capa- capa- cités de mesure angulaire ; 

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitati on du droit d e copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Électronique

E 3 282 − 1

ANTENNES ___________________________________________________________________________________________________________________________

— le diagramme cosécanté lorsque le domaine utile est rectangulaire dans un plan vertical ; — le diagramme adaptatif qui crée des zéros de rayonnement dans les directions des brouilleurs extérieurs ; — etc. Souvent l’antenne est fixe, mais, pour certaines applications, le faisceau doit être déplacé dans le domaine utile. À côté de la solution triviale qui consiste à déplacer l’antenne et donc le faisceau mécaniquement (support tournant, par exemple), il existe d’autres solutions, comme le balayage électronique ou le multifaisceau (on réalise plusieurs faisceaux simultanés dans le domaine à analyser). Dans certaines applications, ce sont des solutions mixtes qui conviennent (balayage électronique et rotation mécanique par exemple). 



Mode de déplacement du diagramme .

On va passer en revue brièvement les divers types en donnant pour chacun : — une définition et un schéma ; — des exemples d’application ; — les caractéristiques principales ; — les difficultés particulières liées à ce type. Nota : l’article « Antennes » fait l’objet de plusieurs fascicules :

— E 3 280 Bases et principes ; — E 3 282 Différents types ; — E 3 284 Différentes techniques ; — E 3 286 Applications. Calculs. Mesures ; — E 3 288 Éléments connexes. Les sujets ne sont pas indépendants les uns des autres. Le lecteur devra assez souvent se reporter aux autres fascicules.

1. Émission 

Ligne d’alimentation

Définition

L’antenne est utilisée exclusivement pour émettre. 

Diagramme de rayonnement

Émetteur Antenne

Représentation

Elle est donnée figure 1. 

Exemples d’application

Les antennes d’émission seule sont largement utilisées dans de nombreuses applications : — émetteurs de télévision et de radio, terrestres ou satellisés ; — balises de navigation aérienne ou maritime ; — émetteurs satellisés des systèmes GPS (Global Positioning System) ; — communications lointaines (stations terriennes des satellites d’exploration, pour lesquels les antennes d’émission et de réception sont distinctes) ; — antennes d’émission des radars multistatiques ; — armes hyperfréquence ; — etc. 

Caractéristiques principales

En général, dans les antennes d’émission seule, on se préoccupe d’optimiser le rendement, car la production d’énergie est toujours coûteuse. Les facteurs importants sont alors :

E 3 282 − 2

Figure 1 – Représentation d’une antenne d’émission seule

— les pertes de la ligne d’alimentation ; — l’adaptation de cette ligne à l’antenne ; — le rendement de la loi d’illumination (aussi uniforme que possible, s’il s’agit d’une ouverture). 

Difficultés

Ce sont les suivantes : — tenue en puissance des éléments constitutifs de l’antenne et notamment de la ligne d’alimentation ; — zone de sécurité pour les êtres vivants ; — brouillage des systèmes électroniques voisins (notamment par les fuites de l’antenne, rayonnement arrière ou autres), ce qui peut entraîner un filtrage drastique des puissances émises ; — recherche d’une loi d’illumination aussi uniforme que possible, qui conduit à des réflecteurs dits « conformés », lorsque l’antenne utilise des systèmes focalisants.

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2. Réception 

Récepteur

Définition

L’antenne est utilisée exclusivement pour recevoir. 

Duplexeur

Représentation



Antenne


Les antennes de réception seule sont largement utilisées dans de nombreuses applications : — réception de télévision ou de radio (émetteurs au sol ou satellisés) ; — réception de signaux émis par les balises de navigation aérienne ou maritime ; — réception des signaux émis par les satellites GPS ; — réception des signaux horaires ; — communications lointaines (stations terriennes des satellites d’exploration, pour lesquels les antennes d’émission et de réception sont distinctes) ; — antennes de réception des radars multistatiques ; — antennes de radioastronomie ; — etc. 

Émetteur Figure 3 – Représentation d’une antenne d’émission et de réception

3. Émission et réception 

Définition

L’antenne est utilisée pour émettre et recevoir. 

Représentation

Elle est donnée figure 3.


En général, les contraintes des antennes de réception seule sont faibles, car le bilan de liaison est confortable. Un dipôle très petit devant la longueur d’onde et donc à faible gain est souvent suffisant. On notera cependant les quelques cas particuliers suivants.  Antennes de réception de télévision par satellites : la recherche d’un diamètre aussi petit que possible, pour des raisons d’esthétique et de coût, conduit à placer l’amplificateur juste derrière la source pour supprimer le bruit qui serait apporté par les pertes de la ligne d’alimentation.  Antennes de radar : pour éviter le brouillage et réduire les échos de sol, on est conduit à rechercher des diagrammes dont les niveaux de lobes latéraux proches et lointains sont très faibles, ce qui exige une bonne conception de l’antenne et une réalisation soignée.  Antennes de radioastronomie : ces antennes sont généralement gigantesques pour assurer le bilan de liaison ; la chasse aux degrés de température de bruit devient fondamentale (refroidissement du système de réception, réduction des lobes latéraux visant le sol, masquage du sol par un réseau de conducteurs...). 


Difficultés

Il s’agit notamment des problèmes suivants : — le pointage, pour les antennes à grand gain : il doit être précis, sous peine de réception nulle ; — le filtrage pour les antennes à diagramme omnidirectionnel ; celles-ci sont sensibles à une grande quantité d’émetteurs ; — la polarisation : elle doit être, bien sûr, celle de l’émetteur ou presque ; — la nécessité d’une liaison sans masque avec l’émetteur, notamment pour les fréquences élevées.




Ces antennes sont utilisées notamment pour : — les radars : la plupart des radars utilisent la même antenne pour émettre des impulsions, puis recevoir les échos de l’environnement ; — les radiotéléphones (un émetteur central fixe et plusieurs petits émetteurs-récepteurs mobiles) ; — les « talkies-walkies » (deux, ou plus, petits émetteurs-récepteurs mobiles) ; — les liaisons lourdes par satellites (stations au sol fixes communiquant par relais satellisé) ; — les liaisons légères par satellites (un mobile au sol, communiquant avec une station fixe au sol, grâce à un relais satellisé) ; — les liaisons sol-sol ou air-sol par radiotéléphonie. 


Le diagramme de l’antenne est un compromis entre les qualités souhaitables à l’émission (gain) et celles souhaitables à la réception (température de bruit, niveaux des latéraux). 

Difficultés

La coexistence au même endroit de composants à puissance élevée (émission) et de composants très sensibles (réception) est toujours une difficulté à résoudre. Le découplage émetteur-récepteur peut atteindre des valeurs considérables (par exemple 150 dB !).

4. Diagrammes particuliers 4.1 Définition et rappel



Récepteur Antenne Figure 2 – Représentation d’une antenne de réception seule

Les diagrammes d’antenne ont souvent des formes simples : — faisceau étroit (pencil beam), par exemple, pour la réception de satellite ; — faisceau large, aussi omnidirectionnel que possible, par exemple, pour un radiotéléphone ; — faisceau étroit en site et omnidirectionnel en gisement, par exemple, pour un émetteur de télévision.


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ANTENNES

___________________________________________________________________________________________________________________________

Pour certaines applications, cependant il est nécessaire de demander à l’antenne des diagrammes plus complexes. On trouvera, dans ce paragraphe 4, quelques exemples non exhaustifs. On rappelle que l’on a, en abscisses réduites, pour : — la loi d’illumination f (ξ ) : ξ =

x ; a

1 2

-  – --

----

υ = 2 π

a λ

u x

z

u

θ

υ

1 2

ξ  --O

— le diagramme F (υ ) : avec

z u

u

x

O 1

x

a

a -- u x

ξ

λ

largeur de l’ouverture, longueur d’onde, projection sur Ox du vecteur unitaire u (figure 4), égal à sin θ si l’on considère le diagramme dans le plan xOz.

Figure 4 – Diagramme de rayonnement : repères

f ( ξ)

4.2 Diagramme du type différence Les diagrammes du type différence sont des diagrammes impairs (cf. [E 3 280] § 3.1.6) avec, donc, un zéro dans l’axe. La variation du champ autour de l’axe est linéaire en fonction de l’angle. Ils sont utilisés dans les antennes qui doivent être asservies à suivre un objectif mobile tel qu’une cible pour un radar de poursuite ou un satellite pour des antennes de télécommunication. Ils fournissent un signal d’erreur dès que l’axe de l’antenne s’éloigne de la cible, proportionnel à l’écart angulaire. On utilise généralement un diagramme différence en site et un autre en gisement. La figure 5 en donne un exemple, en coordonnées réduites.

F ( υ)

0,5

1 0,5

0

0

– 0,5

– 0,5

–1 – 0,5 a

–1 0

0,5 ξ

–3

loi d’illumination

0 b

3 υ

diagramme

Figure 5 – Diagramme du type « différence » : loi d’illumination et diagramme

4.3 Diagramme du type écart f ( ξ)

La figure 6 donne un exemple de diagramme du type écart. C’est un diagramme pair, avec un zéro dans l’axe (cf. [E 3 280] § 3.1.5). La variation du champ autour de cet axe est quadratique en fonction de l’angle. L’appellation « écart » (Serge Drabowitch) vient du fait qu’une antenne munie d’un tel diagramme (associé à un diagramme somme et différence) permet de mesurer l’écart angulaire entre deux cibles beaucoup plus proches que la largeur à 3 dB de l’antenne. C’est le cas, par exemple, d’une cible volant à très basse altitude au-dessus d’une mer calme, dont l’image forme une seconde cible à la même distance.

1

1

F ( υ)

0,5

1 0,5

0

0

– 0,5

– 0,5

–1 – 0,5 a

–1 0

0,5 ξ

–3


0 b

3 υ

diagramme

Figure 6 – Diagramme du type « écart » : loi d’illumination et diagramme

4.4 Diagramme du type partition Ce type de diagramme est utilisé lorsque l’on veut éclairer simultanément deux directions de l’espace, avec un seul diagramme ; c’est le cas, par exemple, d’un avion qui veut brouiller simultanément deux radars. Les figures 7 et 8 donnent deux solutions possibles pour une partition du diagramme dans les directions : υ 1 = 0 

et υ 2 = –10

Action sur la phase seulement

L’antenne est utilisée, pour une moitié, pour réaliser le diagramme dans la direction υ 1 et, pour l’autre moitié, pour réaliser le

E 3 282 − 4

diagramme dans la direction υ 2 , en créant sur l’ouverture les lois de phases convenables : φ (ξ ) = – 2 π ξ υ i Les lois d’illumination et le diagramme sont donnés figure 7. 

Action sur la phase et l’amplitude

Pour les antennes où l’on peut agir simultanément sur l’amplitude et la phase, il suffira de réaliser la loi d’illumination : f (ξ ) = cos(π ξ ) (exp(– j 2 π υ 1 ξ ) + exp(– j 2 π υ 2 ξ )) Les lois d’illumination et le diagramme se trouvent figure 8.


(1)

___________________________________________________________________________________________________________________________ANTENNES

4.5 Diagramme du type cosécanté 1

40

f ( ξ)

Les radars de contrôle du trafic aérien doivent détecter et suivre tous les avions présents dans une couche d’atmosphère donnée, dont la coupe verticale est généralement rectangulaire (en supposant, pour simplifier, que la terre est plate). L’équation du radar est donnée par :

φ ( ξ)

0,5

20

0 – 0,5

0 a

P r

0 – 0,5

0,5 ξ

LI amplitude

0 b

0,5 ξ

avec

P e P r G e R

LI phase

1

σ

F ( υ) max

S r

0,5

P e G e

= ---------------

2

4 π R

1

σ  --------------2-- S r

(2)

 4 π R 

puissance émise, puissance reçue, gain à l’émission (en puissance), distance de la cible, surface équivalente d’écho de la cible, surface équivalente de réception de l’antenne.

La puissance reçue devient : 2

0 –15

P r –10 c

0

5 υ

avec :

Figure 7 – Diagramme du type « partition » avec action sur la phase seulement : lois d’illumination (L I ) et diagramme

=

λ G e

-------------

4π  Pour avoir la même puissance reçue, c’est-à-dire la même probabilité de détection, à la frontière du domaine à surveiller, il faut que le gain (en puissance) soit proportionnel à R 2, ou, encore, que le diagramme (en champ) soit proportionnel à R . Prenons, par exemple, le cas de la figure 9. Il faut réaliser un diagramme proportionnel à :

arg (f ( ξ)) 

1

( 4 π ) 3 R 4

S r

2

f ( ξ)

= -------------------------

2

diagramme

2

2

P e σλ G e

d 2 cos θ

pour 0  θ  θ 1

h sin θ

pour θ 1  θ  θ 2

R ( θ )

= -------------

R ( θ )

= ------------

Application numérique : on prend (figure 9) :

0

d 1 = 50 km ; d 2 = 5 km ; h = 5 km avec la représentation de la figure 10 :

0 – 0,5

0 a

– 2 – 0,5

0,5 ξ

LI amplitude

0 b

u x = sinθ

0,5 ξ

LI phase z d

1

2

F ( υ) max 0,5 d

1 h

0 – 15 – 10 c

0

5 υ

diagramme x

Figure 8 – Diagramme du type « partition » avec action sur la phase et l’amplitude : lois d’illumination (L I ) et diagramme

Figure 9 – Contrôle de trafic aérien par un radar : exemple


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ANTENNES

___________________________________________________________________________________________________________________________

F 0 étant le diagramme initial et F e le diagramme d’échantillonnage.

1

La figure 11 représente le diagramme idéal et les six échantillons.

F (u

x)

0,5

L’approximation est rigoureuse dans toutes les directions d’échantillonnage, car chaque échantillon s’annule dans toutes ces directions sauf une ; cela correspond à son maximum F (u x) et F (u xk ), avec k = 1, 2, ... 6.

0 0

0,5

1 u

x

La couverture d’un radar est une fonction R (θ ) qui donne la portée maximale R (km) en fonction de l’angle de site θ . On la représente généralement dans des coordonnées rectangulaires distance au sol-altitude. 

Figure 10 – Champ rayonné pour l’exemple de la figure 9  Pour approximer ce diagramme , plusieurs méthodes sont possibles. La plus simple, dans le principe, est d’utiliser des échantillons orthogonaux suivant la procédure ci-dessous ; on prend par exemple n = 6 : u x1 = 0 u x2 = sinθ 2 u – u x1 -------------------du x = ----x2 n (3) u xk = u x1 + du x  k + 1--- 2 k = 0, ..., n – 1 u sin  π -------x---- du x  (4) F 0(u x) = ------------------------------u x π ----------du x

Elle dépend : — de la puissance d’émission ; — du gain de l’antenne dans la direction θ ; — de la surface équivalente de rayonnement de la cible de référence ; — du rapport signal à bruit nécessaire pour la détection (pour une probabilité donnée). En toute rigueur, il faut aussi tenir compte (ce qui n’a pas été fait dans l’exemple simplifié donné ici) : — de la rotondité de la terre ; — de la variation de la permittivité de l’atmosphère en fonction de l’altitude ; — du coefficient de réflexion du sol. La figure 12 donne la courbe à même puissance reçue, la référence étant la puissance reçue d’une cible située au point extrême (altitude 5 km, distance 50 km) située dans la direction θ 2 .

n – 1

F e(u x) =

∑

F 0 ( u x – u xk ) F ( u xk )

(5)

k = 0

1 F (u ) x

0,8

0,6

0,4

0,2

0

– 0,2 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1 u

x

Figure 11 – Échantillons orthogonaux

E 3 282 − 6


___________________________________________________________________________________________________________________________ANTENNES

1

1,5

arg (f (x r)) 10

F (u

x) 1

e

F (u

x)

f (x )

r

0,5

0,5 0

max 0 0

0,5

– 0,5

1

0

x

u

r

x

a

Figure 13 – Diagramme du type « cosécanté » : loi d’illumination

diagramme

10

4.6 Diagramme du type avec des zéros dans certaines directions

Altitude 5

Un autre type de diagramme remarquable est celui pour lequel on impose un zéro dans une ou plusieurs directions données, tout en conservant de bonnes caractéristiques dans la direction du lobe principal. Cette application se rencontre chaque fois qu’un ou plusieurs brouilleurs gênants se trouvent dans le diagramme (antennes de radars, antennes de faisceaux hertziens...). La solution est simple. Il suffit d’ ajouter un diagramme parasite qui annule le diagramme initial dans la direction souhaitée. Le moins perturbant est celui qui est le plus étroit angulairement, c’està-dire celui qui correspond à une illumination uniforme sur l’ouverture. Mathématiquement, cela va s’exprimer (en coordonnées réduites) par la relation :

0 0

10 b

20

30

40 50 Distance

couverture

Figure 12 – Diagramme du type « cosécanté » : diagramme et couverture

sin ( π ( υ – υ ) ) F t (υ ) = F 0(υ ) – F 0(υ 0) -------------------------------0-------

Elle est définie par : F ( θ ) R ( θ ) ------------

F ( θ 2 ) R ( θ 2 )

avec

= --------------

soit :

F 0(υ ) F t (υ )

diagramme initial, diagramme avec trou dans la direction υ 0 .

La loi d’illumination à créer devient : F ( θ ) R (θ ) = -------------- R (θ 2) F ( θ 2 )

avec

(7)

π ( υ – υ 0 )

R (θ ) R (θ 2) F (θ ) F (θ 2)

f t (ξ ) = f 0(ξ ) – F 0(υ 0) exp(– j 2 π ξ υ 0) avec

portée dans la direction θ , distance du point extrême, diagramme en amplitude dans la direction θ , diagramme en amplitude dans la direction θ 2 .

f 0(ξ ) f t(ξ )

loi d’illumination initiale, loi d’illumination avec trou dans la direction υ 0 .

La figure 14 donne un exemple pour une loi d’illumination en cosinus et une direction de zéro υ 0 = 2.

Le diagramme de rayonnement obtenu et la couverture effectivement réalisée sont donnés figure 12, F e étant la courbe d’échantillonnage. 

5. Antenne multifaisceau

La loi d’illumination à réaliser sur l’antenne (figure 13) est : 

n – 1

f (x r) = f 0(x r)

∑ exp ( j 2 π x r u xk ) F ( u xk )

k = 0

(6)



f 0(x r) = 0

a a pour – -----r  x r  ----r- , 2 2 en dehors de l’intervalle ci-dessus,

a r (en λ )

largeur de l’ouverture (a r =

x r (en λ )

abscisse d’un point de l’ouverture.

f 0(x r) = 1

1 ), du x ----------

Définition

La même antenne fournit plusieurs faisceaux distincts et simultanés fonctionnant à la même fréquence. Représentation


Exemples d’application Les antennes de réception de télévision par satellites ont sou-



vent deux ou trois faisceaux, permettant ainsi de recevoir deux ou trois satellites avec la même antenne.  Les antennes pour radars de poursuite ont généralement une voie somme et deux voies différence.


E 3 282 − 7

ANTENNES

___________________________________________________________________________________________________________________________

 Certaines antennes de satellites de télécommunication ont plusieurs centaines de faisceaux simultanés, chaque faisceau correspondant à une zone précise de la surface terrestre.

0 20 lg (F ( υ))



– 20


 Les diagrammes sont indépendants s’ils sont orthogonaux et alors les lois d’illumination qui les produisent sont elles-mêmes orthogonales (propriété de la transformée de Fourier) :

υ0



– 40

1 -2 1 f 1 ( ξ ) f 2 ( ξ ) d ξ = – -2

– 60 –2 a

20 lg



F t ( υ) F t (0)



0

2

υ

diagramme initial

0

– 20

υ0

– 40

– 60 b

0

2

υ

diagramme avec zéro

1,25 f ( ξ)

0

si f 1 et f 2 sont réelles ; sinon il faut prendre le conjugué de l’une des fonctions.  Une loi d’illumination paire et une loi impaire sont orthogonales.  Deux diagrammes séparés angulairement de plus d’une largeur à 3 dB sont pratiquement orthogonaux.  La réalisation physique de diagrammes orthogonaux est particulièrement facile dans les antennes utilisant un système focalisant (parabole, lentille...), puisqu’il suffit d’utiliser des sources distinctes situées dans le plan focal séparées par une demi-tâche de diffraction. Pour les réseaux, on utilise des distributeurs tels que les matrices de Butler. 

–2

1

f t ( ξ) 0,75 arg (f t ( ξ)) 0,5

0

Difficultés

Les faisceaux ne sont jamais complètement indépendants. Chaque faisceau émet (ou reçoit) aussi dans les directions des autres faisceaux entraînant diaphonie ou erreurs de mesures angulaires. Le niveau relatif d’émission est considéré généralement comme bon s’il est de l’ordre de – 20 à – 30 dB dans des applications de télécommunications. Dans le cas des antennes de poursuite, la précision angulaire est liée au niveau de la voie impaire dans la direction de l’axe de l’antenne (« crevasse différence »). Pour les antennes de haute précision, un niveau de – 40 dB est couramment recherché, ce qui exige une grande symétrie du ou des réflecteurs, de la source primaire et des circuits hyperfréquence créant les différentes voies.

0,25

6. Antenne multipolarisation

0 – 0,25 – 0,5

0

0,5 ξ

c


Figure 14 – Diagramme du type « avec des zéros dans certaines directions » : diagrammes et loi d’illumination



Définition

Cette antenne fournit, simultanément, à la même fréquence et dans la même direction deux faisceaux dans deux polarisations orthogonales. 

Représentation

Elle est donnée figure 16.

Faisceau 1 Sortie 1

Antenne

Antenne

Polarisations orthogonales Faisceau 1

Sortie 1 Sortie 2

Faisceau 2

Séparateur de polarisation Faisceau 2 Sortie 2

Figure 15 – Représentation d’une antenne multifaisceau

E 3 282 − 8

Figure 16 – Représentation d’une antenne multipolarisation


___________________________________________________________________________________________________________________________ANTENNES




 Les antennes de contrôle de trafic aérien ont parfois à la réception deux diagrammes en polarisation circulaire orthogonale. L’un des diagrammes permet de détecter les cibles et l’autre les nuages (voie « nuage »).  Par la polarisation, on peut discriminer la nature du sol, aussi, les antennes des radars d’imagerie ont deux diagrammes en polarisation orthogonale (généralement rectilignes).  Certaines antennes de satellites de télécommunication utilisent deux faisceaux en polarisation croisée pour doubler la capacité de transmission (« réutilisation de fréquence »).




Une importante caractéristique, dans ce type d’applications, est la pureté de la polarisation de chacun des diagrammes. Elle est définie par le niveau de polarisation croisée rayonnée (ou reçue) relativement au niveau de polarisation nominale. Des niveaux de – 20 dB sont généralement acceptables pour les deux premières applications évoquées, tandis que pour les applications de réutilisation de fréquence des niveaux de – 30 à – 40 dB sont nécessaires.

 Les antennes de satellites de télécommunications ont une fréquence « sol vers satellite » (4 GHz par exemple) et une fréquence « satellite vers sol » (6 GHz par exemple). Au sol, l’antenne doit donc fournir un diagramme d’émission à la fréquence 4 GHz et un diagramme de réception à la fréquence 6 GHz.



On utilise généralement des réflecteurs paraboliques dans ces applications, lesquels sont peu sensibles à la fréquence. La difficulté va se trouver dans la conception de la source primaire qui doit fonctionner (en général) dans les deux bandes de fréquence et dans le duplexeur qui doit découpler sévèrement la voie réception de la voie émission.

8. Antenne à balayage électronique 



Difficultés

Pour obtenir ces performances, chacun des nombreux éléments de toute la chaîne d’émission ou de réception doit être conçu et réalisé pour qu’il introduise le moins de polarisation croisée possible. Les principaux éléments étant, par exemple, pour une antenne à réflecteur : — le ou les réflecteurs ; — la source primaire ; — le séparateur de polarisation ; — et, dans certains cas, la ligne hyperfréquence bipolarisation, avec coudes, joint tournant, filtres de fréquence... qui sépare la source primaire du séparateur de polarisation.

7. Antenne multifréquence 

Définition

Cette antenne fournit, simultanément, deux faisceaux dans deux fréquences différentes et dans la même direction. 

Difficultés

Définition

Une antenne à balayage électronique est généralement une antenne réseau dont les éléments rayonnants sont équipés de déphaseurs électroniques, permettant de réaliser sur l’ouverture, très rapidement, des lois de phase linéaires et donc de pointer le faisceau dans des directions différentes. 

Représentation



 Les antennes de radars multifonctions, c’est-à-dire des radars devant assurer la veille et la poursuite de cibles, sont des antennes à balayage électronique.  Certaines antennes de satellites de télécommunication et, notamment, celles qui équipent les avions commerciaux sont à balayage électronique. Dans ce type d’antenne, les déphaseurs sont quantifiés et nous avons vu, dans le fascicule [E 3 280] (§ 3.1.9 influence des erreurs de phase ), que cette quantification est source de problèmes (perte de gain, élévation du niveau des lobes latéraux...).

Représentation



 Les antennes de contrôle de trafic aérien sont parfois utilisées simultanément pour un radar primaire (à 3 GHz, par exemple) et pour un radar secondaire (à 1 GHz).

Sortie 1

Antenne

Déphaseurs

Faisceau 1 à la fréquence 1

Antennes élémentaires Distributeur

Séparateur de fréquence ou duplexeur

Pointeur Sortie 2

Faisceau 2 à la fréquence 2

Figure 17 – Représentation d’une antenne multifréquence

Figure 18 – Représentation d’une antenne à balayage électronique


E 3 282 − 9

ANTENNES

___________________________________________________________________________________________________________________________

9. Antenne active Modules ER 

Définition

Une antenne active est une antenne qui comporte des éléments d’amplification à l’émission et/ou à la réception. 

Représentation

La figure 19 présente un exemple d’antenne active dans lequel, chaque antenne élémentaire du réseau est précédée d’un module émission-réception ER. La figure 20 donne le schéma de principe d’un module actif. 

Distributions (énergie, refroidissement, commandes, calibrations, …)

Figure 19 – Représentation d’une antenne active


Une antenne active étant aussi, dans la plupart des cas, une antenne à balayage électronique, les caractéristiques principales sont voisines. Ce sont : — le domaine angulaire de balayage à 1 ou 2 dimensions ; — les temps de commutation des déphaseurs et de passage de la fonction réception à la fonction émission (en principe très courts) ; — la durée et la fréquence des calibrations ; — les caractéristiques des diagrammes (gain, largeur à 3 dB, niveau des lobes latéraux, polarisation) en fonction de la direction de pointage, à l’émission et à la réception (ils sont généralement différents) ; — le nombre de bits des déphaseurs n’étant plus un facteur important du coût est donc en général suffisant pour que le diffus soit bas ; ce nombre est typiquement de l’ordre de 6 à 8 ; — le rendement énergétique (rapport de la puissance hyperfréquence moyenne rayonnée à la puissance électrique moyenne consommée) étant faible (15 à 25 %), cette dernière grandeur est une caractéristique importante. Pour caractériser l’ émission , on utilise aussi, dans les antennes actives, la notion de PIRE (puissance isotrope rayonnée effective) qui est égale au produit gain par puissance et qui est plus directement accessible à la mesure que le gain ou la puissance. De même, à la réception , on utilise aussi, dans les antennes actives, la notion de G / T (gain sur température de bruit de l’antenne) qui est également plus directement accessible à la mesure que le gain ou la température de bruit seuls. 

Antennes élémentaires


Les antennes de radars évolués sont des antennes actives car les avantages sont nombreux : — émetteur à l’état solide, donc sans toute l’intendance nécessaire aux tubes à vide ; — tendance à intégrer sur une seule puce tous les éléments du module ; — déphaseur bas niveau à grand nombre de bits, ce qui conduit à des diagrammes à faible diffus ; — facilité pour partitionner l’antenne ; — etc. 

Distributeur hyperfréquence

Déphaseur « bas niveau » Commutateur ER

 Ce sont des antennes complexes et donc coûteuses. Il faut distribuer aux modules : — l’énergie ; — le refroidissement des amplificateurs de puissance ; — une calibration en temps réel, car les modules ne peuvent être parfaitement identiques et varient individuellement dans le temps ; — la commande des déphaseurs, des commutateurs et des atténuateurs programmables ; — le signal hyperfréquence d’émission et de réception.  Il faut noter aussi que, à l’ émission , les amplificateurs de puissance ne sont pas linéaires mais fonctionnent à saturation ; la loi d’illumination en sortie est donc uniforme, ce qui est favorable pour le gain mais défavorable quant aux lobes latéraux. En revanche, à la réception , on peut grâce aux atténuateurs pondérer la loi d’illumination.

Antenne élémentaire Duplexeur ER

Amplificateur faible bruit (réception) comprenant éventuellement un atténuateur programmable en aval Figure 20 – Module actif d’une antenne : schéma de principe

10. Antenne à formation de faisceau par le calcul (FFC) 

Définition

Une antenne à formation de faisceau par le calcul est une antenne de réception qui comporte des éléments de traitement numérique du signal reçu pour former le diagramme. 

Difficultés

E 3 282 − 10

Amplificateur de puissance (émission)

Représentation

La figure 21 donne un exemple d’antenne à formation de faisceau par le calcul et la figure 22 donne le schéma de principe d’un module FFC. 


 Les antennes à formation de faisceau par le calcul seront utilisées dans les radars ou systèmes de télécommunications futurs ayant besoin de hautes performances. Le RIAS (Radar à impulsion et antenne synthétique), par exemple, est un radar expérimental multifonction (veille et poursuite) de défense aérienne conçu par l’ONERA et développé par Thomson CSF et dont l’antenne, fixe, est constituée de capteurs FFC répartis sur un cercle.  À noter que, en sonar, la FFC est largement utilisée, et depuis longtemps, car, du fait de la vitesse de propagation des ondes


___________________________________________________________________________________________________________________________ANTENNES

Oscillateur local (OL) Modules FFC (ou capteurs)

lisés et à la qualité de réalisation de l’antenne (y compris son système de calibration) ; — le pouvoir séparateur de l’antenne, c’est-à-dire sa capacité à distinguer deux cibles (ou deux éléments d’une même cible) très proches et situées à la même distance ; ce pouvoir séparateur est lié à la dimension maximale de l’antenne dans le plan de la mesure, aux algorithmes utilisés et à la qualité de réalisation de l’antenne. 

Antennes élémentaires Processeur

11. Antennes adaptatives

Distributions (OL, énergie, calibrations, …)



Figure 21 – Représentation d’une antenne à formation de faisceau par le calcul

Sortie : nombres complexes échantillonnant le signal démoulé

Changeur de fréquence (démodulateur)

Antenne élémentaire Entrée : onde hyperfréquence modulée par le signal

Définition

Une antenne adaptative est une antenne qui, à la réception, utilise un dispositif de somme pondérée de plusieurs capteurs, associé à un algorithme permettant de modifier automatiquement le diagramme de l’antenne pour maximiser le rapport signal sur brouilleurs. 

Convertisseur analogique digital (CAD)

Difficultés

Les inconvénients sont les suivants : — ce sont des antennes complexes et donc chères ; — les puissances de calculs nécessaires, lorsque le nombre de faisceaux à former est grand, s ont considérables.

Représentation

La figure 23 donne un exemple d’antenne adaptative dite à OLS (opposition de lobes secondaires) ou SLS ( side lobe suppression ). L’antenne principale est équipée de deux antennes auxiliaires placées de part et d’autre. Après adaptation, le diagramme possède deux zéros dans les directions des brouilleurs. 

Antenne principale (illumination en cosinus) :

Oscillateur local (OL) Amplificateur faible bruit, précédé éventuellement de filtres

Figure 22 – Module FFC d’une antenne : schéma de principe

F ( u x )

cos ( π a r u x ) 2 4 1 – ----2- ( π a r u x )

-----------------------------------------

π

avec

= sinθ, = 10 (dimension de l’antenne en λ ).

u x a r

sonores dans l’eau très lente vis-à-vis de la lumière, les fréquences utilisées sont très basses et les temps pour faire les calculs très longs. 

=

Signal utile


Dans un dispositif utilisant une antenne à formation de faisceau par le calcul on ne peut pas séparer la partie proprement antenne et la partie réception et traitement du signal comme dans un dispositif classique. Dans une direction donnée, on peut réaliser une infinité de types de lois d’illumination (une loi d’illumination étant équivalente à une série de nombres complexes), allant de la loi uniforme optimisant le gain et donnant le meilleur rapport signal sur bruit thermique interne jusqu’à des lois créant des trous dans les directions des brouilleurs et optimisant le rapport signal sur brouilleurs, en passant par des lois impaires pour affiner la précision de mesure angulaire de la cible. La notion de diagramme n’est donc plus adaptée pour caractériser une telle antenne. On peut prendre : — le nombre de faisceaux simultanés que l’on peut réaliser dans le domaine éclairé, directement lié à la puissance de calcul associée à l’antenne ; — le gain maximal, en fonction de la direction, lié au nombre de capteurs, à leur gain et à leur diagramme individuels ; — le nombre de brouilleurs que l’antenne peut éliminer efficacement, lié au nombre de capteurs indépendants, aux algorithmes uti-

Brouilleur

Brouilleur

Antenne principale

Antenne auxiliaire

Processeur d’adaptation

Figure 23 – Représentation d’une antenne adaptative


E 3 282 − 11

ANTENNES

___________________________________________________________________________________________________________________________

Tableau 1 – Tableau récapitulatif Application

Contrôle du trafic aérien (civil) Défense aérienne (militaire) Multifonction (militaire) Contrôle du trafic maritime (civil) Poursuite (civil ou militaire) Radar d’observation du sol depuis un satellite à défilement

Radar

Aides à la navigation

Diffusion

Télécommunications

Divers

Fonction

Nature du diagramme

Méthode de déplacement du faisceau

ER

DIRG et COSEC

RMG

ER ou MA

DIRSG

BES et RMG

ER ou MA ER

DIRSG DIRG et COSEC

BESG et RMG RMG

ER

DIRSG

RMSG

ER

DIRSG et MPOLAR

Balayage électronique dans le plan perpendiculaire à la trajectoire et MFAISC dans l’autre plan (antenne synthétique)

E

DIRSG

BESG

E

DIRG

BEG

ER E

DIRG OMG

RMG FIX

Station d’émission au sol en GO (grandes ondes), PO (petites ondes), OC (ondes courtes) Station d’émission au sol en VHF (very high frequency ) et UHF (ultra high frequency ) Station sur satellite géostationnaire Parabole de réception de télévision diffusée par satellite

E

OMG

FIX

E

OMG et COSEC

FIX

E

LAR (mais à contour adapté FIX aux pays à couvrir) DIRSG et MPOLAR FIX et, éventuellement, MFAISC pour une réception bi ou trisatellites

Station terrienne pour une liaison sol satellite Faisceaux hertziens pour une liaison sol-sol Station sol pour la radiotéléphonie Station sur satellite géostationnaire servant de relais pour des liaisons militaires point à point

ER

Aide à l’atterrissage (MLS *), station sol Aide à la navigation (VOR**), station sol Conduite de petit bateau Balises

R

ER

DIRSG et MFREQ et MPOL RMSG et DIF DIRSG FIX

ER

OMG et COSEC

FIX

ER ou MA et FFC pour la réception

DIRSG

BESG et MFAISC-SG

Contre-mesures

ER ou MA

BESG pour le brouillage

Radiomètre Radiotélescope (Nançay)

R R

LAR pour l’analyse DIRSG pour le brouillage LAR MPOLAR

Radiohéliographe (Nançay) Réseau décamétrique (Nançay)

R et FFC

MPOLAR

R

MPOLAR

FIX RMS et déplacement de la source dans le plan focal + rotation de la Terre pour le gisement MFAISC (par FFC) et rotation de la Terre BESG et rotation de la Terre

* MLS : Microwave Landing System . ** VOR : VHF Omnidirectional Range .

E 3 282 − 12


___________________________________________________________________________________________________________________________ANTENNES



Antennes auxiliaires

Elles sont situées à a r /2 du centre de l’antenne principale ; leur diagramme omnidirectionnel s’exprime respectivement par les relations : a F 1 ( u x ) = a 0 exp  j 2 π -----r u x 2  a F 2 ( u x ) = a 0 exp  – j 2 π -----r u x 2  avec a 0 = 1/10 (gain relatif en champ). 

Algorithme d’adaptation

On suppose, dans ce cas simple, que les directions des brouilleurs et les divers diagrammes sont connus ; l’algorithme consiste alors à résoudre un système d’équations linéaires à deux inconnues donnant les coefficients des deux diagrammes auxiliaires : a 1 F 1 ( u x1 ) + a 2 F 2 ( u x1 ) = –F ( u x1 ) 

 a 1 F 1 ( u x2 ) + a 2 F 2 ( u x2 ) = –F ( u x2 ) 

0 F (θ)(dB) –10 –20 –30 –40 –50 –60 –20

θ1

θ2

–10

0

diagramme avant adaptation diagramme après adaptation

Le diagramme adapté est alors : avec 



Figure 24 – Antenne adaptative : graphe du diagramme

Fonction

Nature du diagramme

(9)

a 1 = 0,227 + 0,317 j, a 2 = 0,227 – 0,317 j.

Le diagramme pour cette antenne est donné figure 24.


Les antennes de radars ou de télécommunications militaires qui doivent fonctionner sous environnement brouillé sont généralement « adaptatives ». 

20 θ

(8)

u x1 et u x2 étant les directions des brouilleurs, et avec θ 1 = – 12° et θ 2 = 18°. F (u x) + a 1 F 1 (u x) + a 2 F 2 (u x)

10

Difficultés

Les algorithmes d’adaptation deviennent complexes lorsque diagrammes et directions des brouilleurs sont inconnus (cas général).

12. Tableau récapitulatif Pour un certain nombre d’applications, le tableau 1 donne le type d’antenne généralement utilisé, en employant les abréviations qui suivent.

E émission R réception MA modules actifs FFC formation de faisceau par le calcul

OMG omnidirectionnel en gisement DIR diagramme étroit (S site, G gisement) COSEC cosécanté en site LAR diagramme large (S site, G gisement) MPOL multipolarisation MFREQ multifréquence DIF diagrammes « différences » en plus du diagramme normal pour la poursuite


Méthode de déplacement du faisceau

FIX antenne fixe RM rotation mécanique (S site, G gisement) MFAISC multifaisceau (S site, G gisement) BE balayage électronique (S site, G gisement)

E 3 282 − 13

Antennes - Différents types.pdf

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