L'ingénieur

Jun 21, 2023

Pierre Délos

Chef de section de conception, appareils analogiques

Introduction

Nous assistons à un moment historique pour l’électronique radiofréquence (RF) dans les applications multiéléments. Les progrès rapides dans l’industrie du sans fil ont fait proliférer l’intégration et la miniaturisation de l’électronique RF. De nombreuses applications récoltent désormais les fruits de ces avancées. L'intégration de grandes sections de la chaîne de signaux dans des circuits intégrés (CI) complets a notamment permis la création d'antennes réseau à commande de phase. De nouveaux systèmes prolifèrent avec des implémentations de formation de faisceau analogique ou numérique alimentées par les récentes versions de circuits intégrés sur les grands marchés.

Chez Analog Devices, nous recevons régulièrement des demandes de renseignements et des demandes d'entretien de la part de clients et d'éditeurs. Le portefeuille complet offrant une solution antenne-bit allant des convertisseurs RF aux convertisseurs haute vitesse, émetteurs-récepteurs, PLL et alimentation, ainsi qu'une intégration avancée, a créé une expertise en architecture système. Il existe une grande curiosité à l'égard de nos développements couvrant l'ensemble de la chaîne de signaux RF qui permettront les réseaux multiéléments du futur.

Cet article résume certaines des demandes de renseignements courantes dispersées sous diverses formes sur Internet dans une discussion plus complète. Nous commençons par un bref historique de l'évolution des systèmes multiéléments, discutons des tendances et des défis de l'architecture, offrons un aperçu de notre vision des développements récents et proposons des liens vers des articles et des webémissions qui fournissent plus de détails sur divers sujets.

Commençons par l'évolution des réseaux multiéléments. Comment est-ce qu'on est arrivés ici?

Une grande partie des premiers travaux sur les réseaux phasés ont été développés pour des applications radar, donc l'évolution des implémentations d'antennes radar fournit un bon aperçu de la façon dont les antennes numériques modernes à formation de faisceau ont été conçues. Par nécessité, le développement important des radars a été accéléré pendant et après la Seconde Guerre mondiale. Après la Seconde Guerre mondiale, la majorité des mathématiques utilisées aujourd'hui pour le traitement des formes d'onde et des radars ont été élaborées dans divers laboratoires et organisations gouvernementaux.

Une technique importante de traitement radar est la compression des impulsions. La compression d'impulsions est activée par des choix de formes d'onde tels que les modulations de fréquence linéaires (LFM) et les codes de phase dans lesquels l'impulsion à la sortie du filtre adapté est beaucoup plus courte que l'impulsion transmise. Le degré de compression des impulsions est directement lié à la bande passante du signal. Tout cela a été documenté et compris dans les années 1960. Certains disent que le radar est né avec la compression d'impulsions. Une fois les mathématiques comprises, les développements de mise en œuvre étendus se sont poursuivis et ont finalement conduit au système multiéléments moderne.

Les premières implémentations comportaient des antennes paraboliques rotatives avec des RF de haute puissance générées dans des amplificateurs à tubes. Les antennes paraboliques rotatives ont ensuite été remplacées par les premières antennes multiéléments, utilisées pour les radars à très hautes performances. Les amplificateurs à tube haute puissance (HPA) sont restés et le flux du signal de transmission était le suivant : tubes HPA → distribution de guides d'ondes → déphaseurs → éléments rayonnants. La formation de faisceaux était un système entièrement analogique. À la réception, plusieurs modèles de faisceaux pouvaient être créés, mais le processus était complexe et coûteux, il était donc généralement limité à quelques faisceaux. Des systèmes d'antennes pour radars monopulses pourraient être mis en œuvre de cette manière. La première étape vers les réseaux multiéléments à semi-conducteurs a été l'introduction de modules d'émission/réception (T/R) répartis sur chaque élément, les premières implémentations utilisant toujours la formation de faisceaux analogique avec un traitement back-end similaire. Le module T/R se compose d'un HPA à semi-conducteurs pour la transmission, d'un amplificateur à faible bruit (LNA) pour la réception et d'un circulateur ou d'un commutateur pour contrôler la direction de l'énergie RF (transmission ou réception) de l'antenne.

La transition en cours est la migration vers des réseaux multiéléments à formation de faisceaux numériques. Les architectures hybrides composées de sous-réseaux analogiques formés de faisceaux, puis de récepteurs et de CAN derrière chaque sous-réseau, permettent à la formation de faisceaux numérique de former de nombreux faisceaux au sein du motif de sous-réseau. Les réseaux multiéléments numériques pour chaque élément incluent des récepteurs et des générateurs de formes d'onde derrière chaque élément. Le réseau multiéléments à formation de faisceaux numérique à chaque élément permet de créer des diagrammes d'antenne véritablement définis par logiciel. De nombreux faisceaux peuvent être formés simultanément dans de nombreuses directions différentes, et les diagrammes d'antenne peuvent être contrôlés de manière adaptative, y compris les valeurs nulles. En raison de la programmabilité au niveau du système, les réseaux multiéléments numériques de chaque élément sont devenus l'objectif de nombreux architectes d'antennes.