Antenne active multi-facettes à balayage électronique en technologie « tuile »

18/01/2016
Publication REE REE 2015-5
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2015-5:14952
DOI : http://dx.doi.org/10.23723/1301:2015-5/14952You do not have permission to access embedded form.
contenu protégé  Document accessible sous conditions - vous devez vous connecter ou vous enregistrer pour accéder à ou acquérir ce document.
Prix : 10,00 € TVA 20,0% comprise (8,33 € hors TVA) - Accès libre pour les ayants-droit
 

Résumé

Antenne active multi-facettes à balayage  électronique en technologie « tuile »

Métriques

12
4
311.37 Ko
 application/pdf
bitcache://dec1aa060e2e5dccccba45f698d6a188f45c3133

Licence

Creative Commons Aucune (Tous droits réservés)
<resource  xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
                xmlns="http://datacite.org/schema/kernel-4"
                xsi:schemaLocation="http://datacite.org/schema/kernel-4 http://schema.datacite.org/meta/kernel-4/metadata.xsd">
        <identifier identifierType="DOI">10.23723/1301:2015-5/14952</identifier><creators><creator><creatorName>G. Byrne</creatorName></creator><creator><creatorName>A. M. Kinghorn</creatorName></creator><creator><creatorName>R. W. Lyon</creatorName></creator><creator><creatorName>G. D. Morrison</creatorName></creator></creators><titles>
            <title>Antenne active multi-facettes à balayage  électronique en technologie « tuile »</title></titles>
        <publisher>SEE</publisher>
        <publicationYear>2016</publicationYear>
        <resourceType resourceTypeGeneral="Text">Text</resourceType><dates>
	    <date dateType="Created">Mon 18 Jan 2016</date>
	    <date dateType="Updated">Thu 26 Jan 2017</date>
            <date dateType="Submitted">Sat 17 Feb 2018</date>
	</dates>
        <alternateIdentifiers>
	    <alternateIdentifier alternateIdentifierType="bitstream">dec1aa060e2e5dccccba45f698d6a188f45c3133</alternateIdentifier>
	</alternateIdentifiers>
        <formats>
	    <format>application/pdf</format>
	</formats>
	<version>25482</version>
        <descriptions>
            <description descriptionType="Abstract"></description>
        </descriptions>
    </resource>
.

REE N°5/2015 75 RADARS À ANTENNES ÉLECTRONIQUES RADAR 2014 Antenne active multi-facettes à balayage électronique en technologie « tuile » Par G Byrne, A M Kinghorn, R W Lyon et G D Morrison Selex ES Ltd This paper describes the development and deployment of “tile” array technology, which is the foundation of lighter and cheaper AESA antennas. Close agreement is demonstrated between the modelled and measured performances of an X-band array, which provided azimuth and elevation beam-steering over a 20 % bandwidth. Furthermore the authors show how the thinness of the tile can be exploited in a multi-facet antenna, and present the measured beam patterns of an experimental dihedral antenna. ABSTRACT Introduction Les antennes actives aéroportées à balayage électronique (Airborne Elec- tronically Scanned Antennas, AESAs) ont généralement été conçues sous forme de “racks”, configuration pour laquelle les circuits comportant les modules émis- sion-réception sont placés perpendiculai- rement à la face rayonnante de l’antenne. Typiquement, les modules d’émission- réception sont contraints à un espacement d’une demi-longueur d’onde, mais l’utili- sation de la profondeur permet d’étendre les circuits pour permettre l’implantation du volume des modules d’émission-ré- ception et des distributeurs associés. Cette organisation facilite le refroidisse- ment, puisque des conduits peuvent être introduits entre les rangées de modules, mais la profondeur de l’ensemble est un problème à la fois en tant que telle et en raison de la masse associée. Une configuration alternative est la « tuile », pour laquelle les modules d’émission-réception sont montés sur un châssis parallèle au plan de l’antenne. Comme discuté par ailleurs [1, 2], cette approche est plus délicate que le « rack », mais présente l’avantage d’une profon- deur réduite, d’une moindre masse et potentiellement d’un meilleur rapport coût-efficacité. La compacité d’une antenne tuile est intéressante pour différentes applica- tions aéroportées, dont les petits UAV (Unmanned Aerial Vehicles). La faible épaisseur facilite également la construc- tion de réseaux multi-facettes, puisqu’elle permet de disposer des facettes adja- centes avec un angle obtus, sans interfé- rence mécanique entre les composants à l’arrière des faces. En principe, un tel réseau multi-facettes offre une capacité de balayage électronique sur un secteur angulaire de 360° ; cependant, dans la plupart des exemples de la littérature, les facettes opèrent indépendamment, si bien que chacune couvre seulement un faible angle solide. Par exemple, dans un radar naval à six facettes [3], cinq facettes sont dis- posées tous les 72° en azimut avec une légère inclinaison vers le haut, tandis que la sixième facette est orientée vers le zénith, de façon à couvrir globalement un hémisphère complet. Un défi plus important consiste à opérer les facettes adjacentes de façon cohérente, afin que le diagramme de rayonnement combiné couvre un angle de rayonnement extrêmement large. Les paragraphes suivants décrivent les caractéristiques clés de la technolo- gie « tuile » – en incluant les modules d’émission-réception compacts, les cir- cuits imprimés hybrides analogiques- numériques et les éléments rayonnants plans – et expliquent comment ces caractéristiques ont été combinées pour former une tuile évolutive en bande X. Le fonctionnement d’une tuile élémen- taire est examiné et on montre comment deux tuiles ont été mises en service avec succès dans une antenne dièdre expéri- mentale. Un bon agrément est démon- tré entre les performances modélisées et mesurées, aussi bien pour la tuile élémentaire que pour la combinaison en dièdre. Technologie « tuile » Généralités Les principales caractéristiques de la tuile sont le module actif émission-ré- ception, les distributions en circuit im- primé qui fournissent les signaux RF et DC et les éléments rayonnants planaires. Etant donné la compacité requise par l’approche « tuile », particulièrement à des fréquences supérieures à quelques GHz, ces trois éléments sont si intime- ment liés qu’ils doivent être conçus et développés en parallèle. Module d’émission-réception L’approche “tuile” et les dimensions qu’elle implique imposent une contrainte sévère à la taille du module d’émission- réception. Pour cette tuile en bande X, le module a été réalisé sous forme d’un ensemble en céramique multicouche co- cuit, avec une interface par boîtier à billes (Ball Grid Array, BGA). On obtient ainsi un encombrement légèrement inférieur au pas du réseau, avec des composants monolithique silicium et arséniure de gal- lium empilés, comme représenté sur la figure 1. RADARS À ANTENNES ÉLECTRONIQUESRADAR 2014 76 REE N°5/2015 L’assemblage robotisé incluant le câblage conduit à des modules de per- formances très uniformes et d’un coût acceptable cependant que l’interface par boîtier à billes (BGA) permettent un montage aisé avec des processus indus- triels standardisés sur la surface du circuit imprimé d’antenne. La tuile a été conçue comme un réseau 8x20 comportant 160 modules d’émission-réception qui sont testés individuellement et caracté- risés avant d’être implantés sur le circuit imprimé. Bien qu’il soit hermétiquement scellé et conçu pour un environnement aéro- porté militaire, chaque module d’émis- sion-réception a une masse de seulement 1,2 g, conduisant à un total inférieur à 200 g pour une tuile de 160 éléments. On remarquera qu’un module compact émission-réception de ce type peut être déployé sous forme de tuiles de diffé- rentes tailles, le contrôle des modules étant assuré soit par des liaisons de données individuelles, soit par un bus de données. Elément rayonnant En principe, il est intéressant d’inté- grer l’élément rayonnant avec le module d’émission-réception et effectivement la technologie céramique cocuite à basse température est bien adaptée à la construction d’un patch à empilement. Comme expliqué par ailleurs [2], une difficulté majeure dans cette approche vient de la nécessité d’un plan de masse continu, commun à l’ensemble du réseau de modules. En conséquence, la décision a été prise de réaliser l’élément rayonnant dans le circuit imprimé, sur la face oppo- sée aux modules d’émission-réception. Le type d’élément retenu est l’antenne planaire (patch) alimentée par sonde, l’alimentation prenant la forme d'un via, c'est-à-dire d'un trou conducteur au tra- vers du circuit imprimé. Pour obtenir la bande nécessaire, une construction par empilement des différents éléments a été adoptée, dans laquelle le via RF excite un patch primaire, qui se couple ensuite à un patch secondaire placé directement au-dessus. La solution la plus satisfaisante a été obtenue avec un substrat épais, de constante diélectrique relativement basse. On obtient ainsi un champ diffus qui rayonne efficacement dans l’espace libre. L’axe de polarisation du réseau est dé- terminé par la position de l’alimentation RF sur le patch. Dans cette implémenta- tion, chaque patch est excité par un via unique, ce qui confère une polarisation linéaire à la tuile. Circuit imprimé hybride Une caractéristique particulière de cette tuile est l’intégration de toutes les fonctions de distribution et de contrôle dans un unique circuit imprimé hybride. Ce circuit multicouche comprend deux distributeurs RF, chacun alimentant un sous-réseau de 80 éléments : le moyen de transmission est de type ligne à ruban (triplaque symétrique), avec des diviseurs de puissance et un via RF blindé à l’empla- cement de chaque module d’émission-ré- ception. Les couches suivantes du circuit comprennent les signaux de commande numériques et les plans de puissance, les couches les plus externes comportant les éléments rayonnants patch empilés. L’évacuation de la chaleur dégagée par les modules est aussi effectuée dans le circuit imprimé, ce qui requiert une construction multicouche assez com- plexe, pour laquelle un choix délicat des matériaux est une clé pour assurer un rendement satisfaisant. Un réseau métal- lique fournit un chemin thermiquement conducteur jusqu’à l’échangeur de cha- leur adjacent. Tuile unique Le circuit imprimé 8x20, une fois muni de ses modules d’émission-réception et des composants auxiliaires, est monté simplement sur un châssis pour les essais en vol (figure 2). Il a été montré Figure 1 : Module compact d’émission-réception. Figure 2 : Antenne tuile. REE N°5/2015 77 Antenne active multi-facettes à balayage électronique en technologie « tuile » qu’un refroidissement à air était suffisant pour fournir des températures accep- tables pour le transistor à effet de champ, bien qu’un refroidissement liquide soit également compatible avec ce schéma d’implantation de tuile. Après test des 160 éléments dans une chambre d’essais en champ proche, en transmission puis en réception, le calcu- lateur de pointage a été programmé pour une formation optimale des faisceaux. Les diagrammes de rayonnement ont ainsi été obtenus pour différents angles d’azimut et d’élévation, démontrant un bon agrément entre les diagrammes modélisés et mesu- rés. Par exemple, la figure 3 compare les diagrammes en transmission mesuré (à gauche) et modélisé (à droite), pour un angle de dépointage de 30° en azimut (c’est-à-dire dans le plan du grand côté de la tuile). En transmission, les éléments du réseau sont pondérés uniformément, de façon à maximiser la puissance rayonnée, alors qu’en réception une pondération gaussienne a été appliquée pour minimi- ser les lobes secondaires. Réseau dièdre L’antenne multi-facettes la plus simple consiste en deux tuiles disposées en dièdre. Dans le cas présent, l’angle du dièdre est de 135°, si bien que chaque face pointe vers un angle de 22,5° par rapport à la visée frontale de l’ensemble (figure 4). Bien que la minceur des tuiles permette de les rapprocher, on verra qu’il subsiste un intervalle entre les deux faces, à peu près égal à un espacement entre les éléments du réseau. Pour modéliser et pointer le faisceau d’une antenne dièdre, deux points cri- tiques essentiels doivent être pris en compte. Tout d’abord il est nécessaire d’examiner la discontinuité causée par l’intervalle entre les tuiles ; ceci a été simulé par un tracé de rayons lambertien en cos à deux dimensions, qui a indi- qué qu’un intervalle de /2 augmen- terait le niveau des principaux lobes secondaires d’environ 10 dB par rapport au cas hypothétique d’un intervalle nul. Ensuite, chaque facette a une « frontière d’ombre » pour laquelle, au-delà de 90° par rapport à sa propre visée frontale, apparaît une diffraction grand angle. Alors que cette zone est normalement située au-delà du secteur angulaire utile pour le balayage, dans le cas présent elle déborde sur le secteur d’opération usuel de la tuile adjacente. Ces effets ont été analysés de trois façons différentes: en utilisant l’approche par tracé de rayons “cos ”, avec des simu- lations Microwave Studio, et en appliquant une méthode de moments bidimension- nelle. Comme l’indique la figure 6, repré- sentant un diagramme apodisé gaussien pour un dépointage en azimut de 22,5° à 10 GHz, les trois méthodes prédisent des diagrammes similaires. L’antenne dièdre assemblée, consistant en deux tuiles 8x20, est présentée figure 5. Sur cet assemblage installé en chambre anéchoïque, les tuiles ont été individuelle- ment mesurées et les tables de calibration ont été construites pour commander les états des modules d’émission-réception. Les faisceaux d’émission et de réception ont ensuite été réalisés, pour toute une Figure 3 : Rayonnements mesuré (à gauche) et simulé (à droite), pour un dépointage de 30° d’une tuile unique de 160 éléments. Figure 4 : Disposition des facettes d’une antenne dièdre. Figure 5 : Antenne dièdre. RADARS À ANTENNES ÉLECTRONIQUESRADAR 2014 78 REE N°5/2015 série d’angles de balayage en azimut et élévation, couvrant un peu moins d’un hémisphère : un exemple est donné sur la figure 7. Dans tous les cas, un bon agré- ment a été observé entre les diagrammes de rayonnement simulés et mesurés. Conclusion Il apparaît clairement, au vu de ces travaux, qu’un réseau tuile est faisable et permet de réaliser à un coût accep- table une antenne active en bande X à balayage électronique, en particulier pour des applications aéroportées compactes et de faible poids. En principe, l’approche multi-facettes peut être extrapolée à un octogone ou un hexagone, de façon à réaliser une couverture instantanée sur 360° en azimut, sans recourir au ba- layage mécanique. De plus, il sera avan- tageux de réduire l’intervalle entre les tuiles adjacentes. Références [1] W.H. Theunissen & al. “Development of an X-band phased array antenna using multilayer circuit board architecture” 2010 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology, pp. 211-218. [2] Lyon, R W. Kinghorn, A M. Morrison, G D. Stonehouse, A. Byrne, G. Dugan, M, “Active electronically scanned tiled array antenna,”Phased Array Systems & Technology, 2013 IEEE International Symposium on”, vol., no ., pp. 160-164, 15-18 Oct. 2013. [3] Khalifa, I. Vaughan, R. “Optimal Configuration of Multi-Faceted Phased Arrays for Wide Angle Coverage, ”Vehicular Technology Conference, 2007. VTC2007-Spring. IEEE 65th ’’, vol., no ., pp. 304-308, 22-25 April 2007. Figgure 6 : Modélisations du rayonnement d’une antenne dièdre. Figure 7 : Diagrammes simulés et mesurés pour une antenne dièdre, pour un dépointage de 25° en azimut.