II.4 Réseau reconfigurable par paquets
II.4.1 Présentation des modes d’excitation du réseau d’antennes
Dans cette partie, nous étudions deux modes d’excitation du réseau pour une même direction de dépointage. Ces deux modes représentent deux méthodes différentes d’excitation du réseau d’antennes, à savoir des excitations uniformes et des excitations uniformes par paquets de 4. L’expérience s’est portée sur le scénario de dépointage de +45° à 3,7 GHz, dont les contraintes radioélectriques pour chaque mode d’excitation sont répertoriées dans le Tableau II-4.
Tableau II-4 : Contraintes radioélectriques selon le mode d’excitation, pour une puissance de rayonnement PIRE de 50 dBm identique et un dépointage du faisceau de +𝟒𝟓° à 3,7 GHz.
Excitations
d’amplitude HPBW SLL Pmax Tolérance (𝛒) 𝚪𝐧𝐚
Uniformes
par paquets 10° -15 dB 31 dBm 6 % ≤ -10 dB
Uniformes -12 dB
Les contraintes en rayonnement (HPBW et SLL) et la contrainte de puissance Pmax des
amplificateurs BMT352 qui sont définies pour le mode d’excitation à amplitude uniforme par paquets correspondent à celles qui ont été élaborées dans le cahier des charges au chapitre I. En particulier pour le mode d’excitation à amplitude uniforme le niveau maximal des lobes secondaires SLL a été revu à la baisse afin de faciliter l’uniformisation des excitations comme pour l’exemple du réseau passif. Chacune des solutions d’excitation en amplitude et en phase doit être robuste avec une tolérance de 6 % (définie suivant les incertitudes de réalisation) et garantir une bonne adaptation des antennes (Γna ≤ −10 dB). Pour trouver les excitations à amplitude uniforme par paquets
en particulier, nous appliquons l’équation I.6-7 sur chaque paquet d’excitations. La Figure II-36 représente les solutions d’excitations en amplitude et en phase simulées qui remplissent les contraintes radioélectriques. Nous pouvons voir sur la Figure II-36 a) la solution d’excitation à amplitude uniforme par paquets de 4, l’écart de puissance d’excitation entre paquet varie de 3,5 dB à 0,5 dB. Cependant, les solutions d’excitation en phase pour les deux modes de réalisation sont proches. Cela signifie que les amplitudes permettent d'atteindre le niveau des lobes souhaités alors que le jeu de phase est principalement important pour la direction de pointage.
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Figure II-36 : Solution d’excitation en amplitude (a) et en phase (b) pour les deux modes d’excitation (excitations à amplitude uniforme et uniforme par paquets) du réseau d’antennes
pour émettre à 3,7 GHz un faisceau qui dépointe de +𝟒𝟓°.
II.4.2 Mise en œuvre technologique
Le prototype de réseau reconfigurable par paquets (ou semi-actif) est montré sur la Figure II-37. Il comporte 4 amplificateurs de puissance en vue de reconfigurer les amplitudes de 4 groupes ou paquets d’excitations g. Ces amplificateurs sont alimentés par un signal RF provenant d’un premier répartiteur Wilkinson équi-amplitude et en DC à partir d’une source de tension de polarisation fournie par une alimentation de laboratoire. Chaque amplificateur alimente un autre répartiteur Wilkinson équi-amplitude qui alimente à son tour 4 antennes du réseau à travers des câbles déphaseurs.
Comme pour le réseau passif, les dimensions des câbles de déphasage sont déterminées à l’aide de l’équation II.3-1 (voir Annexe C). Les puissances d’alimentation Ptxn des antennes pour chaque mode d’excitation sont obtenues à l’aide de la relation suivante déduite de l’architecture du réseau présentée sur la Figure II-37b :
Ptxn = GPAg (fo, V1) + Pin− 10 log10(4) − Ln II.4-1
où GPAg est le gain de l’amplificateur relié au répartiteur du groupe d’antennes g tel que g = {1, 2, 3,4}, Pin représente la puissance du signal RF en entrée du réseau et Ln les pertes de puissance associées au circuit d’alimentation d’une antenne n. Ces pertes sont d’environ 2,5 dB, elles sont causées d’une part par les répartiteurs (2 dB) et d’autre part par les câbles (0,5 dB).
Le gain GPAg dépend de la fréquence f
o du signal et de la tension de polarisation V1,g de
l’amplificateur. Conformément à l’étude réalisée dans le chapitre I sur l’amplificateur BMT352, le mode de polarisation V1 permet de modifier son gain.
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Figure II-37 : Prototype du réseau d’antennes semi-actif en (a) et en (b) schéma du circuit
d’alimentation RF d’une antenne 𝐀𝐧.
Tableau II-5 : Tensions de polarisation des amplificateurs correspondant aux deux modes d’excitation du réseau d’antennes pour émettre une PIRE de 50 dBm
Amplitudes Groupe 1 Groupe 2 Groupe 3 Groupe 4
Uniforme par groupe 𝐕𝟏,𝐠 (V) 3,3 5 4,6 3,3 𝐏𝐨𝐮𝐭 (dBm) 19,9 23,0 22,4 19,5 Uniforme 𝐕𝟏,𝐠 (V) 3,7 3,8 3,8 3,9 𝐏𝐨𝐮𝐭 (dBm) 21,3
Simultanément au réglage de la polarisation des amplificateurs (voir Tableau II-5 ) pour générer les modes d’excitation par paquets, nous avons procédé aux mesures des excitations en amplitude et en phase réalisés sur les 16 voies d’émission à l’aide d’un analyseur de réseau. La mesure consiste à déterminer la puissance et la phase du signal RF en sortie de chaque voie d’émission du réseau. Pour mesurer une voie, nous relions l’analyseur de réseau entre le port d’entrée du réseau et la sortie de la voie d’émission correspondante, pendant ce temps les autres voies restent connectées au réseau d’antennes. En observant la Figure II-38 et la Figure II-39, nous constatons des écarts plus ou moins importants entre les résultats souhaités et réalisés. D’une part, les lois d’amplitude ne sont pas tout à fait respectées. Sur les amplitudes d’un même paquet supposés être uniformes, nous constatons une différence de 0,5 dB au maximum. Cet écart est causé par les déséquilibres en sortie des répartiteurs qui peuvent atteindre 0,5 dB au lieu de 0,17 dB lorsqu’ils sont mesurés en dehors du réseau (voir Annexe D). C’est pour
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cela que le mode d’excitation en amplitude uniforme par paquets a été le plus difficile à réaliser. D’autre part, les erreurs de phase avoisinent 8° à 3,7 GHz, elles sont causées d’une part par les déviations de phase causées par les répartiteurs et les amplificateurs (influencées par les différentes polarisations) et d’autre part par les incertitudes de réalisation des câbles déphaseurs.
Figure II-38 : Réseau à excitations uniformes par paquets : (a) amplitudes, (b) phases à 3,57 GHz.
Figure II-39 : Réseau à excitations uniformes : (a) amplitudes, (b) phases à 3,57 GHz.