Multifunction array for radar applications

par Jérôme Euzière

Thèse de doctorat en Électronique

Sous la direction de Bernard Uguen.

Soutenue le 16-06-2015

à Rennes 1 , dans le cadre de École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes) , en partenariat avec Université européenne de Bretagne (PRES) et de CentraleSupélec (2015-....) .

mots clés

• Réseau multifonction
• Radar
• Optimisation
• Algorithme génétique
• Communication
• Modulation
• Antennes-réseaux
• Radar -- Antennes
• Optimisation mathématique
• Algorithmes génétiques

Titre traduit

Réseaux d'antenne multifonction par applications radar

Résumé

Cette thèse est consacrée à la conception et à la mise en œuvre d’un réseau d’antenne multifonction.  Basé sur le concept du Time Modulated Array (TMA), réseau modulé dans le temps et grâce à des switches cette étude montre la possibilité de réaliser un réseau multifonctions. Deux fonctions ont été étudiés, une fonction radar (fonction principale) et une fonction communication (fonction secondaire). Une des innovations apportées par ce principe est la bidirectionnalité (chaque fonction est réalisée dans une direction différente) et l’aspect simultané des fonctions exécutées. . La technique conventionnelle du TMA présente aussi des inconvénients pour être utiliser dans des applications radar.  En effet, les variations de directivité, l'angle d'ouverture ainsi qu’une grande sensibilité aux interférences font que le TMA n’est pas compatible avec des applications radar. En effet, une variation de directivité provoque une variation de puissances à l'émission donc les signaux réfléchis souffriront également de cette variation qui peut ainsi créer des erreurs de détections. Des variations de l'angle d'ouverture crée une variation de la résolution angulaire du radar dans le temps ce qui perturbe la capacité de discrimination du radar. De plus, le rejet des interférences est aussi nécessaire afin d'éviter d'être aveuglé par un brouilleur ou par les échos parasites pendant notre détection. Pour résoudre ces inconvénients une méthode spécifique appelée Adapted Radar TMA a ainsi été développée. Grâce à une méthode d'optimisation (algorithme génétique) avec des contraintes définis, avec comme variables principale la loi d’excitation des antennes, plusieurs compromis ont été proposés afin de mutualiser et maximiser les performances de chaque partie (radar et communication). Ainsi 3 méthodes de loi d'excitation des antennes (ou pondération) ont été pensés. Par le biais de ces méthodes, la directivité et l'angle d'ouverture ont été contrôlés. Le rejet des interférences est désormais possible dans une direction donné. De plus, le réseau multifonction est aussi capable de fournir une partie communication ajouté à la partie radar déjà existante. L'optimisation exploite le comportement instantané d'ARTMA. Ainsi, en utilisant la variation des lobes secondaires dus aux changements des poids dans le temps, plusieurs modulations peuvent être adressées, à savoir une modulation ASK ou QAM. Un prototype de ce réseau multifonction comportant 16 antennes a été conçu. Les résultats des mesures ont fourni de bons résultats et ont validé le concept d'une communication en utilisant une modulation d'amplitude et de phase en faisant varier les lobes secondaires dans le temps grâce à des switchs en amont des antennes.

mots clés

• Multifunction Array
• Radar
• Optimization
• Genetic Algorithm
• Communication
• Modulation

Résumé

This thesis is devoted to the design and implementation of a multifunctional antenna array. Based on the concept of Time Modulated Array (TMA), array modulated in time with switches this study shows the possibility of a multifunction array. Two functions were studied, a radar function (main function) and a communication function (secondary function). One of the innovations of this principle is the bidirectional (each function is performed in a different direction) and the simultaneous appearance of the functions performed. The conventional technique of TMA also has drawbacks to be used in radar applications. Indeed, variations of directivity, beamwidth and a sensitivity to interference make the TMA no compatible with radar applications. Indeed, a directivity variation causes variations in the power transmission therefore the reflected signals also suffer from these variations, which can thus create errors detections. Variations in the beamwidth creates a change in the angular resolution of the radar in time thereby interfering with the discrimination ability of the radar. In addition, the interference rejection is also needed to avoid being blinded by a jammer or clutter during our detection. To overcome these drawbacks a specific method called Adapted Radar TMA has been developed. Through an optimization method (genetic algorithm) with defined constraints using as main variable the excitation law of the antennas, several compromises were proposed in order to make matched and maximize the performance of each part (radar and communication). Thus methods 3 excitation law of the antennas (weighting coefficients) were thought. Through these methods, the directivity and the beamwidth have been controlled. The interference rejection is now possible in a given direction. In addition, the multifunction array is also capable of providing a communication part added to the existing part radar. Optimization operates with ARTMA instant behavior. Thus, using the variation of the sidelobes due to changes in weighting coefficients over the time, several modulations may be addressed, namely ASK or QAM. A prototype of this multifunction network with 16 antennas was designed. Measurement results have provided good results and have validated the concept of communication using an amplitude and phase modulation by varying the side lobes in time through the switches before of the antennas.