Nouveaux développements pour les antennes actives et les modules T/R

18/01/2016
Publication REE REE 2015-5
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2015-5:14954
DOI : http://dx.doi.org/10.23723/1301:2015-5/14954You do not have permission to access embedded form.
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Nouveaux développements pour les antennes actives et les modules T/R

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REE N°5/2015 79 RADARS À ANTENNES ÉLECTRONIQUES RADAR 2014 Nouveaux développements pour les antennes actives et les modules T/R Par Yves Mancuso, Christian Renard Thales Airborne Systems (TSA) This paper presents new developments and perspectives in Phased Arrays Radars and Electronic Warfare for the next generations of T/R modules (medium/long term), in order to decrease the mass production cost, while increasing the level of performance and reliability. In terms of physical architecture, even if the brick type is more commonly used on mid-term, the tile concept is investigated for conformal and/or multifunction phased array antennas: a 3-dimension module will lead to a drastic reduction of size and weight of the antenna. MMICs are always the key components, with evolutions towards multifunction chips, new processes like GaN, SiGe, MEMS power switches. Concerning the packaging, a technological roadmap indicates the different capabilities: thick film multilayer ceramic circuits, co-fired ceramics based on LTCC or HTCC processes, surface-mounted packages on printed circuits boards and 3D architectures. The interconnection domain is becoming now more and more important in order to be compatible with the level of integration required for the microwave modules: fuzz buttons, flex, sub-miniature connectors. All technologies mastered by Thales are dual for Airborne and Space, Military and Civilian applications. ABSTRACT Introduction A bord des plates-formes aéroportées classiques, l’ordinateur de mission fédère de nombreuses fonctions distinctes: radar, ESM, liaisons dédiées, brouillage, communications... Chaque fonction dis- pose d’une chaîne radiofréquence (RF) dédiée comprenant ses antennes, émet- teurs, récepteurs... Cette approche ne permet pas d’optimiser les ressources limitées par l’espace restreint d’une plate-forme aéroportée, d’où les besoins de développement de systèmes de cap- teurs multifonctions. Un système de capteurs multifonc- tions (figure 1) est construit autour de plusieurs systèmes rayonnants (antennes reconfigurables) qui sont réparties sur la Figure 1 : Exemple d’antennes multifonctions sur un avion de combat. RADARS À ANTENNES ÉLECTRONIQUESRADAR 2014 80 REE N°5/2015 plate-forme. Ces antennes sont reliées à des dispositifs RF multifonctions modu- laires et reconfigurables et à des unités de traitement du signal et de données. Un tel système permet l’utilisation de toutes les fonctions opérationnelles RF qui sont nécessaires dans un avion mo- derne piloté ou non. Ces fonctions étant principalement la guerre électronique (EW), les fonctions radar mais aussi les communications et liaisons de données (COM) et les fonctions de navigation [1]. Pour des considérations de coût, l’architecture de ces systèmes doit être générique, flexible, évolutive et adap- table à différents types de plates-formes aériennes. En plus de réduire le nombre de systèmes rayonnants, cette approche permet de réaliser des tâches opéra- tionnelles qui sont plus performantes que celles qui seraient obtenues par un capteur spécifique. Ceci est réalisé grâce à la collaboration et au partage des res- sources au sein du système de capteurs multifonctions. Différents mécanismes de coopération avec le partage des res- sources sont décrits dans [2]. En ce qui concerne plus spécifique- ment les antennes, le développement de systèmes multifonctions nécessite des antennes à balayage électronique actives (AESA) opérant à large bande et ayant une gamme de fréquences très étendue. Les architectures de type « tuile » pour les antennes actives sont bien adaptées aux systèmes multifonctions compte tenu de leur faible encombrement en épaisseur ce qui leur permet d’être struc- turellement intégrées dans une plate- forme. Elles doivent aussi être discrètes du point de vue électromagnétique. Plusieurs défis techniques sont sou- levés dans le développement d’un système multifonction: la gestion intel- ligente de l’énergie, l’amélioration des performances des capteurs, l’augmenta- tion de la bande passante. L’intégration des différentes fonctions a un impact sur les éléments rayonnants, avec la nécessaire prise en compte des exi- gences de l’utilisation d’une très large bande, d’une technologie appropriée pour les modules actifs ainsi qu’un pac- kaging et un conditionnement efficace. L’utilisation de la simulation sera d’une importance primordiale dans la concep- tion et le développement d’antennes actives multifonctions. Les paragraphes suivants présentent plus en détail trois exemples de struc- tures rayonnantes atmosphériques ty- piques. Antennes « tuile » large bande Les antennes équipant des détecteurs aéroportés constituent des éléments essentiels de ces capteurs; ils doivent être efficaces et performants, tout en fonctionnant dans un environnement contraint et dans un espace confiné. Les innovations techniques présen- tées ici portent sur des antennes « tuile » (faible épaisseur, multicouche) qui sont les éléments rayonnants des antennes réseau destinées à être utilisées dans les systèmes à large bande de nouvelle génération. Ces innovations techniques sur les antennes répondent aux nouvelles exi- gences du système (ouvertures rayon- nantes partagées impliquant une bande de fréquence plus large, un champ de vision angulaire plus large, une pola- risation adaptative) et sur les aspects mécaniques environnementaux (faible encombrement, éléments observables conformes de fabrication facile), l’en- semble de ces éléments étant de faible coût. L’objectif est d’élaborer des éléments pour les architectures modulaires d’an- tennes, constituées de blocs, typiques des exigences des systèmes aéropor- tés futurs: une ouverture rayonnante conçue pour les futurs systèmes radar à large bande, une antenne multifonctions à balayage électronique très large bande et des éléments rayonnants de faible encombrement en bande basse [3]. Antenne radar large bande La première structure est une an- tenne de très haute performance avec des éléments rayonnants appropriés pour une l’utilisation en bande X avec une puissance élevée, présentant une très bonne adaptation d’impédance sur une large gamme de fréquences et dans un très large domaine angulaire. Cette antenne aurait la capacité de partager ses fonctions d’émission-réception avec d’autres fonctions (par exemple COM) fonctionnant dans la même bande de fréquences. Bien que la conception à double polarisation permette de bonnes per- formances, l’élargissement du domaine angulaire du faisceau balayé sur une large gamme de fréquences tel que l’en- semble de la bande X, nécessite la maî- trise du phénomène de couplage entre éléments rayonnants. Les métamatériaux constituent une voie très prometteuse pour aborder ce problème en permet- tant une réduction des effets d’angle mort se produisant lors du balayage de faisceau [4]. Un programme européen METALESA (Metamaterials for Advanced Electronically Scanned Antennas), finan- cé par l’Agence européenne de défense (AED), visant à améliorer les perfor- mances des réseaux phasés par l’utilisa- tion de métamatériaux, est actuellement en cours sur ce sujet. Antenne multifonction très large bande La deuxième structure est une antenne active de type tuile à gain élevé d’une grande efficacité (faible encombrement et circuit multicouche) pour la guerre élec- tronique, le radar (avec une puissance réduite), les communications et les appli- cations. Cette antenne fonctionne sur une REE N°5/2015 81 Nouveaux développements pour les antennes actives et les modules T/R plage de fréquence très large et avec un très large domaine angulaire. La conception brevetée par Thales Systèmes Aéroportés (figure 2) uti- lise une structure à double polarisation auto-complémentaire de rayonnement intégrée dans une structure multicouche diélectrique élargissant la plage de ba- layage angulaire et la largeur de bande de fréquence de l’adaptation d’impé- dance [6]. Une telle structure présente une largeur de bande de fréquence ca- ractéristique 3:1, tout en étant compacte, adaptable à la géométrie de la structure porteuse et, à la différence d’autres structures proposées dans les publica- tions, compatible avec un procédé de fabrication collectif. Un problème technique majeur est de concevoir un circuit balun à double pola- risation dans la technologie multicouche, compatible avec la taille des cellules optimisées pour fonctionner à des fré- quences supérieures. L’utilisation de structures métamaté- riaux finira par donner la capacité pour: en circuit imprimé large bande ; imprimés. Développement des modules Rx/Tx Une antenne active tuile complète est obtenue avec une structure multicouche dans laquelle les éléments rayonnants sont connectés à un module RF « 3D », à des combineurs RF et des diviseurs, avec des trous métallisés et des connecteurs RF à compression, tandis que les liaisons RF transitent par une plaque de refroidis- sement [5]. Parmi les facteurs et les tendances qui conditionnent les développements de modules RF d’émission et de réception on peut relever les points suivants : vue du conditionnement thermique est un élément clé qui doit être pris en compte dans la conception du développement d’une antenne AESA. Même si l’efficacité s’est accrue dans les dernières années et devrait conti- nuer à s’améliorer, le rapport puissance rayonnée/puissance électrique reste très critique avec l’introduction de la technologie GaN pour l’amplificateur de puissance puisqu’en même temps la performance fonctionnelle doit être augmentée dans des solutions de pac- kaging très compactes ; des niveaux de courants forts et de tensions élevées qui peuvent conduire à de fortes densités de dissipation ther- mique. Avec des densités de puissance de l’ordre de plusieurs watts par milli- mètre dans les transistors, les effets d’auto-échauffement sont essentiels et pourraient avoir un impact sur la fiabilité de l’appareil ; pour les fonctions d’amplification : les amplificateurs GaN offrent une capa- cité de forte puissance, de la robus- tesse, une bonne linéarité et peuvent fonctionner sur une large bande de fré- quences. Une première démonstration de puissance GaN HEMT MMIC a été réalisée avec un design TSA-UMS, dans le cadre de programmes européens (comme KORRIGAN et Magnus). Les amplificateurs GaN à faible bruit pré- sentent une bonne robustesse et sont tolérants à des signaux entrants de forte puissance ; - tion avec des MEMS de puissance à la place de circulateurs, pour un fonction- nement à large bande ; germanium (SiGe) réduit la taille de la puce multifonction (MFC) qui régule l’amplitude de fonctionnement et le contrôle de phase dans les canaux RF ; interconnexions des modules RF en « 3D ». Développement des simu- lations pour les antennes réseaux La conception et les développements des structures précédemment décrites se retrouvent dans les outils de simula- tion, en particulier: - magnétique pour des radiateurs élé- mentaires, en fréquence ou en temps, et pour de grandes antennes et antennes multifonctions. Ces programmes uti- lisent le calcul parallèle avec résolveurs rapides basés sur les techniques de dé- composition de domaine (DDT) et les Figure 2 : Antenne conforme très large bande. RADARS À ANTENNES ÉLECTRONIQUESRADAR 2014 82 REE N°5/2015 méthodes multi pôles rapides (FMM), afin de réduire fortement le temps de calcul et d’être en mesure de traiter des problèmes aux différences finies [8] ; - veau système où les flux d’émission et de réception peuvent être analysés ; - miques. L’évolution majeure des outils de simulation électromagnétique réside dans leur capacité à calculer et à simu- ler avec précision les performances de grandes antennes réseau, telles que les antennes actives de radar : couplage entre les éléments rayonnants, dia- gramme de rayonnement, adaptation dynamique lors du balayage du faisceau. Auparavant, il n’était pas possible de simuler des réseaux phasés réels que ce soit avec des outils commer- ciaux (par exemple Ansoft HFSS, CST Microwave Studio) ou avec des logiciels propriétaires (Antenna Design TSA). En effet, la simulation de 1000 éléments rayonnants en réseau aurait nécessité des dizaines d’années de calcul et un pétaoctet (1015 ) de stockage de don- nées (disques et mémoire), alors qu’il est maintenant possible de réduire ces valeurs à quelques heures et quelques gigaoctets (109 ) sur des ordinateurs à architecture parallèle. Conclusion Cette présentation décrit les re- cherches et développements actuelle- ment menés autour des structures “low cost” et à performances élevées de type « tuile » visant à équiper des antennes et capteurs multifonctions partagés, conçus pour les équipements aéropor- tés dans un environnement contraint et dans un volume réduit. Ces activités de recherche bénéficient du développement de technologies et de l’élaboration d’outils de simulation électromagnétique. Références [1] L. Chabod, P. Galaup, “Shared Re- sources for Airborne Multifunction Sensor Systems”, IET Radar 2012 Conference, Glasgow, UK, oct. 22-25, 2012 [2] S. Kemkemian, M. Nouvel-Fiani, “Toward Common Radar & EW Multifunction Active Arrays”, 2010 IEEE International Symposium on Phased Array Systems & Technology, Boston, USA, oct. 12-15, 2010. [3] C. Renard, M. Romier, M. Soiron, “Multifunction Airborne Antennas”, Chapter 12 of “Non Standard An- tennas”, edited by Le Chevalier, Lessellier & Staraj, published by Wiley, USA, April 2011. [4] F. Linot, X. Begaud, M. Soiron, C. Renard, B. Perpère, “Mutual Coup- ling Reduction Using A Thin Modified Electromagnetic Band Gap Substrate”, Meta’08, NATO Advanced Research Workshop, Marrakesh, Morocco, May 7-10, 2008. [5] Y.Mancuso,«T-RModules»,RADAR’09 Conference, Bordeaux, France, Oct 2009. [6] Labeyrie, Le Roy-Naneix, Renard, Diez, Bellion, “ALABAMA: A Self- Complementary Wideband Phased Array Antenna Concept”, ANTEM 2012, Toulouse, France, June 25-28, 2012. [7] Patent n° 05-11966 (France) [8] JP. Martinaud, G. Salin, “Domain De- composition Technique applied to finite arrays”, ICEAA 2010, Sidney, Australia, Sept 20-24, 2010. LES AUTEURS Yves Mancuso est diplômé de l’Ecole nationale supérieure de génie physique de Grenoble, dont il est sorti ingénieur en 1979. En 1981, il rejoint THALES pour prendre en charge les différentes évolutions techniques et technologiques du packaging et des bancs d’essai des modules actifs des antennes à ba- layage électroniques. Aujourd’hui il est expert pour la division aéronau- tique Thales Systèmes Aéroportés, de la conception des modules actifs et des applications des antennes à balayage électroniques y compris dans les domaines du radar, de la guerre électronique aérienne et du spatial. Il est également en charge des nouveaux développements à micro-ondes, y compris des com- posants hyperfréquences, des cir- cuits et de la technologie. Christian Renard a plus de 35 années d’expérience dans le do- maine des antennes. Il a travaillé sur de nombreux projets dans les domaines du radar, des communi- cations et de la guerre électronique. Il a également été impliqué dans la conception de logiciels de simula- tion d’antennes et de radôme, et dans la conception de tests d’an- tennes en champ proche. Il est actuellement expert technique au sein de Thales pour les antennes. Il enseigne à l’université Paris Dide- rot Paris 7. Christian Renard a pré- senté de nombreux articles dans des conférences et a publié divers articles de revues. Il détient plu- sieurs brevets. Il est co-auteur avec François Le Chevalier du chapitre “Multifonctions Airborne Antennas” dans le livre “non-standard Anten- nas”, publié par John Wiley and Sons, 2011.