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Antenne réseau à commande de phase

Figure 1 : Gauche: deux éléments de l’antenne ayant la même phase. Droite: ils ont une phase différente.

L'image montre l'interférence entre deux éléments radiants en phase. Le lobe principal d'émission est perpendiculaire à la ligne joignant les éléments. L'image montre deux éléments dont la phase est différente de 15 degrés, celui du bas étant en avance sur celui haut. Le faisceau est dévié vers le haut.

Figure 1 : Gauche: deux éléments de l’antenne ayant la même phase. Droite: ils ont une phase différente.

Antenne réseau à commande de phase

Une antenne réseau à commande de phase est composée d’une ensemble d’éléments radiants ayant chacun un déphaseur. L’onde émise par chacun des éléments entre en interférence avec celle des autres. Le faisceau est produit par la somme des interférences constructives et peut être orienté vers une direction spécifique en variant la phase entre les éléments.
La figure 1 montre deux éléments qui sont alimentés par un émetteur. À gauche, l’onde émise par les deux éléments a la même phase et cause des interférences constructives qui amplifie le signal certaines directions. Par contre, les zones où les ondes interfèrent de façon destructive, le signal est nul. L’ensemble donne un faisceau principal orienté dans la direction perpendiculaire à la ligne qui unie les deux éléments, ainsi que des lobes secondaires d’émission.


Figure 2 : Déviation du faisceau,
gauche: ligne de visée, droite: déviation


(click to enlarge: 591·723px = 468 kByte)
Figure 2 : Animation de la déviation du faisceau

Dans la même figure à droite, l’onde émise par l’élément du bas est déphasé de 22 degrés plus tôt par rapport à celle du haut. Les zones d’interférence constructives seront dans ce cas déplacées vers le haut. À noter que dans les deux exemples, il n’y a pas de réflecteur dans l’image et que le lobe arrière est aussi important que le lobe principal avant.

Le lobe principal pointe toujours dans la direction du déphasage positif. Si ce sont des déphaseurs électroniques qui contrôlent ce déphasage, l’opérateur peut changer à volonté la direction d’émission. Cependant, elle ne peut dépasser certaines limites. La plus grande déviation que l’on peut obtenir du « cône d'analyse » d’une antenne à commande de réseau est de 120° (60° de chaque côté du centre de l’antenne). Si on considère une onde sinusoïdale, le déphasage peut être aisément calculé.

La figure suivante montre une matrice d’éléments radiants. Une architecture arbitraire donne une antenne donnant un faisceau similaire à un projecteur. Dans le cas d’une antenne qui balaie électroniquement, il est important que le changement de phase soit coordonné et régulier pour obtenir un balayage angulaire. Par exemple, l’antenne RRP 117 est formée de 1584 éléments radiants qui sont montées de façon à donner un faisceau passif, c'est-à-dire que le signal à émettre est distribué à un ensemble de modules comportant déphaseur et élément rayonnant. Les dispositifs d'amplification des signaux émis ou reçus sont réalisés à l'extérieur de l'antenne. Des antennes plus avancées utilisent des architectures permettant de donner un faisceau actif, c’est-à-dire que les dispositifs d'amplification des signaux émis sont inclus dans l'antenne.


AvantagesDésavantages
  • Fort gain
  • Changement de direction du faisceau en quelques microsecondes;
  • Contrôlable par ordinateur;
  • Modes de surveillance et de poursuite interchangeables;
  • Temps d’éclairement modifiable;
  • Permet d’émettre des faisceaux multiples en utilisant des fréquences différente;
  • La perte d’un élément réduit sa résolution mais pas sa disponibilité.
  • Couverture limité à 60 degrés de chaque côté de l’axe perpendiculaire au radar en azimut et en élévation;
  • Déformation du faisceau par la déviation;
  • Peu agile à basse fréquence;
  • Architecture très complexe (contrôleur, déphaseurs, etc.)
  • Coût encore important.

Architecture possibles

Réseau linéaire

Figure 3 : Réseau linéaire d’une antenne réseau à commande de phase

Figure 3 : Réseau linéaire d’une antenne réseau à commande de phase

Ces antennes sont formées de lignes parallèles d’éléments radiants dont chaque ligne est alimentée par un déphaseur commun.

Ce type d’antenne réseau à commande de phase est très commun pour le balayage dans un seul axe car le balayage dans l’autre direction est fait mécaniquement (ex. RRP-117).

Figure 4 : Antenne réseau plan

Figure 4 : Antenne réseau plan

Antenne réseau plan

Dans l’antenne réseau plan, tous les éléments radiants ont leur propre déphaseur. Ils sont positionnés selon une grille matricielle, formant une plaque.


Antenne fréquentielle


Antenne fréquentielle

Antenne utilisant un changement de fréquence

Un cas spécial d’antenne réseau à commande de phase est appelée fréquentielle. La direction du faisceau est réalisée par un changement de fréquence de l’émetteur en utilisant une propriété de la propagation des ondes dans un guide d’onde. Généralement, chaque élément radiant est alimenté par un guide d’onde replié en accordéon. La phase entre deux éléments est de n·360° la fréquence de base.

En changeant la fréquence, l’angle Θs entre l’axe principal du faisceau et la normale à l’antenne change. Ce changement se fait ainsi:

Un changement de fréquence va donc donner un balayage en élévation. L’ordinateur de contrôle du radar garde en mémoire les fréquences utilisées et leur ordre ce qui permet au récepteur d’afficher les retours en trois dimensions. Il est à noter que l’utilisation de cette méthode se fait aux dépends d’autres utilisations de la variation de fréquences comme celle de la compressions des impulsions.

recommendation Systèmes d'alimentation

Calcul du déphasage

Le déphasage Δφ entre deux éléments est constant. Quel doit être sa valeur pour obtenir la direction voulue?

Utilisons un alignement d’éléments émettant de manière isentropique comme dans la figure 6.

Die Grafik zeigt mehrere Strahler, die mit einer jeweiligen Phasendifferenz abstrahlen und einer grafischen Herleitung der Phasenverschiebung.
Figure 6 : Dérivation graphique du déphasage

x = d · sin Θs (1)
 

 
360° = λ Δφ = déphasage entre les éléments successifs
d = distance entre les éléments
Θs = déviation du faisceau
(2)


Δφ x

 
Δφ = 360° · d · sin Θs (3)

λ

Exemple:

  • Longueur d’onde du radar λ=10 cm.
  • Distance entre les éléments de 15 cm.
  • Nous négligeons le retard de propagation de l’onde entre les éléments;
  • Nous voulons que la direction soit de Θs= 40°.
Tâche:
  • Quel doit être le déphasage à l’élément numéro 8
    de gauche pour obtenir cette direction?

Nous débutons par le calcul du déphasage entre les éléments ainsi: Δφ =(360°·15 cm/10 cm)·sin(40°) = 347.1°.

L’élément numéro 8 a donc un déphasage de φ = 7 · 347.1 = 2429.7°.
 
Comme le sinus est périodique, sa valeur avec n·360° a la même valeur que pour 0°. Comme la direction du faisceau sera entre 0° et 360°, il suffit de trouver le reste de 2 429,7° et de n·360° pour en déduire que le déphasage du huitième élément par rapport au premier doit être de φ= 269.7°.

Dans la réalité, une partie du délai dans la phase est produit par le retard d’alimentation de l’élément 8 par rapport au premier.