Antenne réseau à commande de phase

En télécommunication, une antenne réseau à commande de phase est un groupe d'antennes élémentaires alimentées avec des signaux dont la phase est ajustée de manière à obtenir le diagramme de rayonnement voulu.

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Antenne - Composant électrique - Électrotechnique

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Antenne réseau à commande de phase pour satellite

Antenne de communication à réseau de phase

En télécommunication, une antenne réseau à commande de phase ^[1] (phased array antenna en anglais) est un groupe d'antennes élémentaires alimentées avec des signaux dont la phase est ajustée de manière à obtenir le diagramme de rayonnement voulu.

Histoire

Cette technologie a été développée pour la radioastronomie vers 1946, par Antony Hewish et Martin Ryle, à l'université de Cambridge. Ils ont obtenu un prix Nobel de physique après leur travaux sur plusieurs grands radiotélescopes utilisant ce concept.

Principe

diagramme simulé d'émission à plusieurs sources

Une telle antenne utilise le principe d'interférence, ou interférométrie, par N ouvertures. Comme chaque émetteur de l'antenne agit comme une fente, leur patron de diffraction peut être calculé en additionnant le changement de phase Φ au terme de frange.

Commençons par le diagramme de diffraction de la N^e ouverture :

$\psi ={{\psi }_0}\left[\frac{\sin \left(\frac{{\pi a}}{\lambda }\theta \right)}{\frac{{\pi a}}{\lambda }\sin\theta}\right]\left[\frac{\sin \left(\frac{N}{2}{kd}\sin\theta\right)}{\sin \left(\frac{{kd}}{2}\sin\theta \right)}\right]$

Ajoutons désormais un terme Φ à $\begin{matrix}kd\sin\theta\,\end{matrix}$ du second terme :

$\psi ={{\psi }_0}\left[\frac{\sin \left(\frac{{\pi a}}{\lambda }\sin \theta\right)}{\frac{{\pi a}}{\lambda }\sin\theta}\right]\left[\frac{\sin \left(\frac{N}{2}\big(\frac{{2\pi d}}{\lambda }\sin\theta + \phi \big)\right)}{\sin \left(\frac{{\pi d}}{\lambda }\sin\theta +\phi \right)}\right]$

En prenant le carré de la fonction d'onde, on obtient l'intensité de l'onde.

$I = I_0{{\left[\frac{\sin \left(\frac{\pi a}{\lambda }\sin\theta\right)}{\frac{{\pi a}}{\lambda } \sin [\theta ]}\right]}ˆ2}{{\left[\frac{\sin \left(\frac{N}{2}(\frac{2\pi d}{\lambda} \sin\theta+\phi )\right)}{\sin \left(\frac{{\pi d}}{\lambda } \sin\theta+\phi \right)}\right]}ˆ2}$

$I =I_0{{\left[\frac{\sin \left(\frac{{\pi a}}{\lambda } \sin\theta\right)}{\frac{{\pi a}}{\lambda } \sin\theta}\right]}ˆ2}{{\left[\frac{\sin \left(\frac{\pi }{\lambda } N d \sin\theta+\frac{N}{2} \phi \right)}{\sin \left(\frac{{\pi d}}{\lambda } \sin\theta+\phi \right)}\right]}ˆ2}$

Maintenant, espaçons les émetteurs de $d=\begin{matrix}\frac{\lambda}{4}\end{matrix}$ apart. On choisit ce facteur pour d par simplification, mais n'importe quel fraction de la longueur d'onde fait l'affaire.

$I =I_0{{\left[\frac{\sin \left(\frac{\pi }{\lambda } a \theta \right)}{\frac{\pi }{\lambda } a \theta }\right]}ˆ2}{{\left[\frac{\sin \left(\frac{\pi }{4} N \sin\theta+\frac{N}{2} \phi \right)}{\sin \left(\frac{\pi }{4} \sin\theta+ \phi \right)}\right]}ˆ2}$

Le sinus atteint son maximum à $\begin{matrix}\frac{\pi}{2}\end{matrix}$ , servant à mettre le nominateur du second terme = 1.

$\frac{\pi }{4} N \sin\theta+\frac{N}{2} \phi = \frac{\pi }{2}$

$\sin\theta=\Big(\frac{\pi }{2} - \frac{N}{2} \phi \Big)\frac{4}{N \pi }$

$\sin\theta=\frac{2}{N}-\frac{2\phi }{\pi }$

Donc si N augmente, l'équation sera dominée par le terme $\begin{matrix}\frac{2\phi}{\pi}\end{matrix}$ . Comme le sinus oscille entre −1 et 1, nous pouvons voir que régler $\phi=-\begin{matrix}\frac{\pi}{2}\end{matrix}$ va donner un maximum d'énergie à : $\theta = \sinˆ{-1}(1) = \begin{matrix}\frac{\pi}{2}\end{matrix} = 90ˆ{\circ}$ Si nous voulons par conséquent ajuster l'angle d'émission maximale, il suffit d'ajuster le changement de phase φ entre les émetteurs individuels. En réalité, le changement de phase correspond à l'angle négatif du maximum de signal. Une démonstration identique montre que le dénominateur de l'équation est minimisé par le même facteur.

Antennes réseaux à balayage électronique

Une antenne à balayage électronique est une antenne réseau qui comporte des systèmes électroniques permettant des changements d'états de la forme du faisceau émis. Selon leur nature, ces systèmes électroniques (déphaseurs, commutateurs, filtres) qui sont connectés aux élements rayonnants, agissent sur la forme, la direction, la fréquence ou la polarisation de l'onde constituée. Les réalisations de ces antennes sont particulièrement diversifiées et on distingue les antennes dites passives et les antennes dites actives.

Antennes passives

Une antenne à balayage électronique passive réalise la formation du faisceau émis (ou reçu) grâce à un ensemble de systèmes électroniques tels que des déphaseurs, des commutateurs, des atténuateurs. Le signal à émettre est distribué par un réseau ou par rayonnement à un ensemble de modules comportant déphaseur et élément rayonnant. Les systèmes d'augmentcation des signaux émis ou reçus sont réalisés hors de l'antenne.

Antennes actives

Une antenne à balayage électronique active correspond à une antenne passive dont les systèmes d'augmentcation des signaux émis ou reçus sont inclus dans l'antenne. Elle peut aussi contenir des systèmes électroniques avancés de réception, comme la conversion de fréquence ou le codage des signaux. Comparé à une antenne réseau, une antenne active est caractérisée par le fait que ces modules actifs sont positionnés entre les N éléments rayonnants et leurs sorties.

Utilisations

Télécommunications : les stations AM utilisent des émetteurs à commande de phase pour perfectionner leur couverture vers les zones urbaines aux dépens des zones moins peuplées. La variation de la hauteur et de l'effet de l'ionosphère rend indispensable des ajustements diurnes et nocturnes au diagramme de rayonnement.

Radars : le radar tridimensionnel à balayage électronique utilise ce principe pour sonder l'atmosphère sans avoir à utiliser une antenne mobile. D'un coût important, les utilisateurs principaux de ce genre de radar sont en particulier les militaires qui doivent suivre des cibles particulièrement mobiles qui échapperaient aux antennes conventionnelles. Le radar RBE2 (Radar à Balayage Electronique 2 plans), utilisé par l'avion de chasse Rafale, a été modifié pour recevoir cette technologie. Les profileurs de vents sont aussi des antennes en réseau.

Astronautique : des satellites comme le MESSENGER en route vers Mercure (arrivée prévue le 12 mars 2011), utilisent ce type d'antenne pour leurs télécommunications. Ces antennes sont aisément orientables, sans pièces mécaniques mobiles et , selon la longueur d'onde utilisée, particulièrement compactes.

Recherches : un projet de recherche de la NOAA utilise un ancien radar de la US Navy pour voir si le concept serait utile dans les radars météorologiques.

Optique : il est envisageable de construire des émetteurs dans le domaine de la lumière visible et de l'infra-rouge qui utilisent ce principe. ^[2]

Acoustique : un sonar utilisant ce principe est nommé «beamforming» en anglais.

Voir aussi

Règle de Golomb
modes de Floquet

Références

↑ Termium de l'Office québécois de la langue française
↑ P. D. Trinh, S. Yegnanarayanan, F. Coppinger et B. Jalali (en) Silicon-on-Insulator (SOI) Phased-Array Wavelength Multi/Demultiplexer with Extremely Low-Polarization Sensitivity IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 9, NO. 7, JULY 1997

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