Qu'est-ce qu'une antenne à réseau phasée (phased array antenna) ?

Une antenne à réseau phasée est un ensemble d'antennes élémentaires disposées en réseau qui fonctionnent ensemble comme une seule et même antenne, produisant des ondes radio pointant électroniquement dans une ou plusieurs directions, sans nécessiter de mouvement physique.

Dans un processus appelé formation de faisceau, les systèmes réseau à commande de phase émettent un signal à la même fréquence depuis chaque élément d'antenne, mais la phase et l'amplitude de chaque élément varient. Cela provoque des interférences constructives et destructives, lorsque les ondes radio se combinent pour créer un diagramme de rayonnement représentant un faisceau directionnel à gain élevé.

La plupart des antennes à réseau phasées sont planaires et composées de centaines, voire milliers d'éléments individuels disposés en réseau de de manière linéaire, sur un seul plan ou en trois dimensions. Les ingénieurs utilisent la physique de l'électromagnétique haute fréquence, appuyée par la simulation, pour concevoir les éléments du réseau, la configuration globale de l'antenne, ainsi que le matériel de radiofréquence (RF) et les circuits électroniques qui alimentent l'antenne. 

Les systèmes d'antennes à réseau phasées sont des systèmes complexes qui intègrent l'électronique de puissance, des composants radiofréquence (RF) et des conceptions d'antennes dans un seul et unique système performant. Pour comprendre comment les équipes de conception configurent les systèmes d'antennes à réseau phasées et quelles applications sont les mieux adaptées à cette technologie, les ingénieurs doivent maîtriser les principes fondamentaux suivants.

Amplitude d'onde radio, phase, fréquence et longueur d'onde

Les ondes radio sont une forme de rayonnement électromagnétique à haute fréquence qui se présentent sous la forme d'une onde sinusoïdale oscillant dans une bande de fréquences d'environ 3 KHz à 3 000 GHz. Cette figure montre les caractéristiques fondamentales de toute onde :

La longueur d'onde est la distance parcourue par l'onde en un cycle. L'amplitude est la valeur maximale de l'onde, tandis que la phase correspond à la différence, ou au décalage temporel, entre les valeurs d'amplitudes maximales de chaque onde. La fréquence est généralement constante avec de faibles variations dans une antenne à réseau phasée, mais la phase et l'amplitude peuvent être modifiées au niveau de chaque antenne.

Éléments d'antenne

Les éléments d'antenne sont les antennes individuelles dans un réseau. Bien qu'il existe de nombreux types d'éléments d'antenne pouvant être combinés pour former un réseau, les éléments d'antenne les plus couramment utilisés sont les antennes patch, les antennes patch à microruban, les antennes cornet à onde guidées ou les antennes monopoles. La fréquence de fonctionnement des antennes détermine la taille et l'espacement des éléments.

Gain d'antenne

Le gain d'antenne est a puissance du signal (l'amplitude) dans une direction donnée, comparée à celle d'un radiateur isotrope théorique, qui diffuserait le signal de manière égale dans toutes les directions.

Composants de formeur de faisceaux pour antennes à réseau phasées

Un formeur faisceaux est composé de circuits électroniques et RF utilisés pour convertir un signal d'entrée en un signal émis orientable. Pour les systèmes à réseau phasés passifs, à savoir le type d'antenne à réseau phasée le plus courant, un signal d'entrée unique est converti en un signal orienté dans la direction souhaitée à l'aide d'une série de composants : un amplificateur de puissance d'émission, un formeur de faisceaux et les éléments individuels d'antenne. Le formeur de faisceaux est généralement composé d'atténuateurs, de déphaseurs ou de composants qui remplissent des fonctionnalités similaires. 

• Amplificateur de puissance (PA) de l'émetteur-récepteur : Le signal d'entrée est amplifié afin de générer le signal souhaité avec le niveau d''amplification requis. Il s'agit du signal que va mesurer le récepteur.
• Diviseur de puissance : Un diviseur de puissance répartit le signal d'entrée en plusieurs signaux destinés à chaque circuit d'élément d'antenne.
• Atténuateurs : L'amplitude de chaque élément d'antenne est augmentée ou réduite par les atténuateurs, selon les besoins. Ces dispositifs peuvent être numériques ou analogiques, et peuvent être passifs ou actifs. 
• Déphaseurs : Ces dispositifs numériques ou analogiques introduisent un léger retard dans la forme d'onde, étape clé pour diriger le faisceau.
• Éléments d'antenne : Enfin, le signal arrive jusqu'à l'élément d'antenne et est transmis à la phase et à l'amplitude souhaitées.
• Amplificateur faible bruit (LNA) : Si l'antenne est également utilisée comme antenne de réception, elle inclut un amplificateur faible bruit.
• Commutateurs émission/réception : Si l'antenne est également utilisée pour recevoir des signaux, un commutateur envoie le signal entrant via le LNA plutôt que par l'amplificateur de puissance.

L'ordinateur qui contrôle le réseau à commande de phase modifie électroniquement l'amplitude et la phase de chaque élément d'antenne, ce qui permet de changer rapidement la direction du faisceau.

Direction du faisceau

La direction du faisceau est la direction partant de l'origine de l'antenne vers le point de magnitude maximale du signal, après avoir combiné le signal provenant de chaque élément d'antenne. Les conceptions d'antenne utilisent deux angles pour spécifier le vecteur. L'azimut est l'angle parallèle à l'horizon, et l'élévation est l'angle au-dessus de l'horizon.

Largeur de faisceau

Un graphique représentant l'amplitude du signal en fonction de l'angle de direction montre le faisceau principal ainsi que les autres faisceaux générés par le réseau à commande de phase sous forme de sursauts sur le graphique, appelés lobes. La largeur du faisceau correspond à la largeur du lobe le plus intense, exprimé en degrés.

Il existe deux normes pour mesurer la largeur de faisceau. La première mesure d'un emplacement de faisceau nul au suivant est appelée la première largeur nulle du faisceau (first null beam width, FNBW). La seconde méthode effectue la mesure à mi-puissance par rapport à la valeur maximale, et est appelée largeur de faisceau à demi-puissance (half-power beam width, HPBW).

Orientation et balayage du faisceau

Le réglage électronique de la direction du faisceau est appelé pilotage du faisceau. Lorsque la direction du faisceau évolue avec un rayonnement régulier, on parle de balayage par faisceau. Les antennes à réseau phasées plus complexes peuvent orienter plusieurs faisceaux dans différentes directions, à des fréquences légèrement différentes.

Lobes latéraux

Un lobe latéral est une valeur maximale locale dans le schema de rayonnement qui ne correspond pas au faisceau principal. Ils gaspillent de l'énergie et peuvent provoquer des interférences. La conception du réseau vise à minimiser l'amplitude des lobes latéraux. 

Les antennes à réseau phasées peuvent prendre de nombreuses formes. Les experts utilisent la topologie et la technologie du formeur de faisceaux pour classer les différents types d'antennes à réseau phasées.

Topologie des antennes à réseau phasées

Une façon de distinguer les types de systèmes d'antenne à réseau phasée consiste à les classer selon la position relative des éléments d'antenne. La plupart des systèmes appartiennent à l'une des catégories topologiques suivants:

1. Réseaux en ligne (1D) : Les éléments d'antenne sont disposés en ligne horizontale pour modifier l'angle d'azimut du faisceau, ou en ligne verticale pour en contrôler l'élévation.
2. Réseaux plans (2D) : Les éléments d'antenne sont disposés sur une surface plane (une structure planaire) et peuvent être orientés à la fois selon les angles d'élévation et d'azimut afin de couvrir l'ensemble de l'espace situé au-dessus de l'antenne.
3. Réseau 3D : Les éléments d'antenne sont disposés dans un volume, ce qui permet de diriger un ou plusieurs faisceaux dans n'importe quelle direction.

Types de formeurs de faisceau

Antenne à balayage électronique passive (PESA) : Une antenne à réseau phasée passive est une antenne avec un seul émetteur-récepteur pour l'ensemble du réseau. Il s'agit du type de configuration d'antenne à réseau phasée le plus courant.

Réseau à balayage électronique actif (AESA) : Une antenne à réseau phasée active est une antenne dans laquelle chaque élément , ou sous-ensemble d'éléments, dispose d'un module émetteur-récepteur analogique pour produire le déphasage sur chaque élément. Les applications militaires ont tendance à utiliser cette approche plus avancée.

Antenne à réseau phasée à formation de faisceaux numériques (DBF) : Une antenne à réseau phasée DBF utilise un module émetteur-récepteur numérique pour faire varier la phase et l'amplitude de chaque élément d'antenne. Elle peut également générer plusieurs faisceaux et utilise une puce FPGA (Field-programmable Gate Array) ou un ordinateur matriciel pour former numériquement le modèle d'antenne. Les réseaux à formation de faisceaux numériques peuvent également développer des faisceaux nuls dans leschéma cde rayonnement afin de réduire la sensibilité en émission et en réception, qui sont délibérément minimisées pour atténuer les interférences provenant de directions connues ou dirigées vers celle-ci.

antenne à réseau phasée à formation de faisceaux hybrides : Les approches AESA et DBF peuvent être combinées pour former une antenne à réseau phasée à formation de faisceaux hybrides. Cette approche comprend des sous-réseaux. Chaque sous-réseau utilise un émetteur-récepteur analogique, et chaque élément du réseau au sein des sous-réseaux possède son propre émetteur-récepteur numérique. Cette approche peut créer des grappes de faisceaux simultanés.

Les ingénieurs qui conçoivent des systèmes de communication et des capteurs utilisent des antennes à réseau phasées pour créer une source de signal RF sans fil spatialement sélective. Un réseau d'antennes permet à un système de tirer parti d'une ou plusieurs des fonctionnalités suivantes :

1. Combinez plusieurs éléments d'antenne pour créer une grande ouverture et un signal plus puissant
2. Utiliser la formation de faisceau pour créer une antenne orientable électroniquement
3. Utiliser la formation de faisceaux adaptative, hybride ou numérique pour créer des faisceaux orientés dans plusieurs directions simultanément, et minimiser les interférences vers ou reçues d'autres systèmes RF.

Ces fonctionnalités offrent des avantages significatifs par rapport aux antennes à réflecteur et à mât orientées mécaniquement de manière transitionnelle :

• Les faisceaux pilotés électroniquement peuvent balayer beaucoup plus rapidement ou changer très rapidement la direction du faisceau.
• Comparée à une antenne à réflecteur à commande mécanique avec une grande parabole, une antenne à réseau phasée est généralement moins encombrante et plus légère. Elle peut être installée sur la surface d'un véhicule ou sur un bâtiment.
• Dans la plupart des cas, les systèmes d'antenne à réseau phasée coûtent également moins cher pour le même niveau de performance, en particulier lorsque des circuits intégrés (CI) sont utilisés pour la formation de faisceaux ou pour les éléments d'antenne.
• Fiabilité. Les composants individuels d'un canal peuvent tomber en panne sans compromettre la performance de base du système d'antenne dans son ensemble. En réalité, les performances se dégradent de manière progressive en cas de défaillance des composants, contrairement aux problèmes de point de défaillance unique observés dans les systèmes d'antenne mécaniques.
• Orienter le signal dans plusieurs directions à l'aide d'un seul appareil.
• Parce que la puissance de chaque élément d'antenne s'additionne, ils sont plus économes en énergie.

Ces avantages ont conduit les premiers pionniers de l'énergie RF à développer des radars à réseau phasés ainsi que des réseaux en radioastronomie capables d'amplifier les signaux très faibles provenant d'étoiles lointaines. Au fil du temps, le nombre d'applications d'antennes à réseau phasées s'est accru pour inclure des antennes destinées à d'autres systèmes aérospatiaux, ainsi qu'aux secteurs médical, automobile, industriel et systèmes de communication.

Les systèmes d'antenne réseau multidirectionnels permettent :

• Réseaux de télécommunications modernes 4G et 5G
• Futur réseaux de télécommunications 6G
• Les derniers points d'accès Wi-Fi
• Systèmes radar pour véhicules autonomes
• Dispositifs médicaux thérapeutiques

Sans simulation, il serait difficile de concevoir des réseaux, même de petite taille, pour les antennes à réseau phasées. Elle devient indispensable pour les systèmes comportant des milliers d'éléments d'antenne. Il est difficile de tout calculer manuellement, que ce soit l'espacement des réseaux ou les pertes liées aux lobes latéraux. La mesure des schémas de rayonnement dans une chambre anéchoïque est également coûteuse et chronophage. 

Animation d'une simulation montrant comment le gain maximal d'une antenne à réseau phasée pointe dynamiquement vers une station au sol lorsqu'elle gravite autour de la zone 

Grâce à la simulation, les ingénieurs peuvent non seulement concevoir leurs réseaux d'antennes et les composants de formation de faisceaux, mais ils peuvent aussi optimiser leurs systèmes en termes d'efficacité, de coût et de vitesse. Les équipes utilisent également la simulation pour comprendre l'impact des tolérances de fabrication et des variations de matériaux sur la conception.

Les ingénieurs utilisent des outils de simulation pour concevoir, valider et optimiser les réseaux d'antennes, les éléments d'antenne et les composants de formation de faisceau. Ils peuvent également simuler la manière dont leurs antennes interagissent avec l'ensemble du système.

Un outil électromagnétique haute fréquence par éléments finis, aussi complet, facile à prendre en main et précis que le logiciel de simulation électromagnétique haute fréquence Ansys HFSS ,est idéal pour presque tous les aspects électromagnétiques de la simulation d'antennes à réseau phasées. Avec un maillage puissant, des solveurs parallèles et des chaînes de simulation spécialement conçus pour les réseaux d'antennes, il s'impose comme la référence en matière de modélisation au niveau des composants et du système. Le logiciel HFSS simule tout, depuis les guides d'ondes individuels jusqu'à la propagation du signal à travers l'ensemble de l'assemblage, permettant de modéliser l'antenne bien avant la disponibilité du matériel.

La technologie de Shooting and Bouncing Ray (SBR), utilisée dans des applications telles que Ansys Perceive EM, logiciel de simulation de canaux radiofréquences et signature radar apporte une toute nouvelle dimension à la simulation. En offrant aux utilisateurs la possibilité de modéliser les performances de leurs antennes sur de longues distances et en présence d'obstacles comme les rayonnages dans un entrepôt ou les bâtiments en milieu urbain. Les équipes qui conçoivent leurs systèmes d'antennes en tenant compte de l'impact de l'installation locale utilisent la fonctionnalité de Shooting and Bouncing Rays (SBR) intégrée au logiciel HFSS pour analyser l'auto-couplage de l'antenne avec la tour, le bâtiment ou au véhicule sur lequel elle est montée. Les ingénieurs peuvent également utiliser la simulation pour modéliser le fonctionnement de leur conception d'antenne au sein d'un réseau, grâce à un outil de niveau système tel que le logiciel de modélisation de canaux sans fil haute fidélité Ansys RF Channel Modeler.

Une fois les caractéristiques électromagnétiques comprises et optimisées, les équipes de conception doivent examiner la réponse thermique et structurelle du système d'antenne à réseau phasée. Elles peuvent utiliser des outils tels que le logiciel d'analyse par éléments finis (FEA) Ansys Mechanical pour les structures ou le logiciel de simulation de refroidissement des composants électroniques Ansys Icepak, qui peuvent interagir avec leur solveur électromagnétique haute fréquence. Et si l'antenne est montée sur un véhicule ou un aéronef, il peut être nécessaire d'utiliser un outil de simulation CFD, tel que le logiciel de simulation de fluides Ansys Fluent afin de comprendre et de concevoir en tenant compte des charges aérodynamique à grande vitesse. 

Ressources connexes