Les rÃ©seaux phasÃ©s d'antennes: vers les nouveaux radiotÃ

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Les réseaux phasés d’antennes : vers les nouveaux radiotélescopes grand champ

Phased arrays: towards new radiotelescopes with large field of view

P.Picard 1 1 Station de Radioastronomie de Nançay [email protected] Mots-clefs : réseau phasé, champ de vue, formation de faisceaux Keywords : phased array, field of view (FOV), beamforming Résumé Les radiotélescopes utilisant des réseaux d’interféromètres permettent actuellement d’atteindre des résolutions angulaires autorisant la cartographie détaillée des sources étudiées. Le besoin scientifique de pouvoir faire rapidement des très grands relevés (large surveys) tout en conservant des grandes résolutions angulaires incite à concevoir des architectures d’instruments capables d’avoir simultanément une grande résolution angulaire et un grand champ de vue (Field of View). Après une revue simplifiée des propriétés des antennes et des réseaux, quelques architectures utilisables sont présentées. Introduction La possibilité de procéder à des grands relevés rapides est un objectif scientifique majeur pour les nouveaux projets de radiotélescopes. Cette spécification se traduit au niveau instrumental par des architectures autorisant une grande largeur de champ. Les nouveaux radiotélescopes, en particulier le projet SKA (Square Kilometre Array) doivent associer dans un même instrument une grande largeur de champ et une haute résolution angulaire. L’utilisation de réseaux phasés d’antennes bien adaptés à un fonctionnement en mode multi faisceaux (multi beams) est une démarche privilégiée pour concilier grande largeur de champ et haute résolution angulaire. 1. Propriétés des antennes et terminologie Pour étudier et décrire les propriétés des antennes, le système de coordonnées sphériques est largement utilisé (figure 1).

Figure 1: Système de coordonnées utilisé pour l’étude des antennes

JS'11, Cnam Paris, 29-30 mars 2011

9

1.1. Antenne isotrope (Isotropic radiator)

Une antenne isotrope est une antenne théorique rayonnant uniformément dans toutes les directions de l’espace. Elle n’a pas de direction privilégiée et n’est donc pas directive. Si PE est une puissance appliquée à l’antenne isotrope, la densité de puissance est [1]:

²4

,,r

Prp Eiso π

ϕθ

Une telle antenne n’est pas réalisable en pratique mais sert de référence pour les études d’antennes.

1.2. Directivité (directivity): La directivité dans la direction ϕθ , est le rapport entre la puissance rayonnée par unité d’angle solide dans cette direction et la puissance qui serait rayonnée par une source isotrope qui émet la même puissance totale :

ϕθ

ϕθϕθ,,

,,,rp

rpDiso

L’intégrale de la directivité dans toutes les directions (angle solide de 4π stéradians) vaut 4π :

πϕθπ

4,4

0

dD ou πϕθϕθπ

π

π

4,2/

2/

2

0

ddD

1.3. Gain :

Si PF est la puissance fournie à une antenne à travers une ligne, la puissance émise PE par l’antenne sera inférieure (rendement d’antenne inférieur à 1) :

F

Ea P

Pη Le gain d’antenne (toujours inférieur à la directivité) est alors : ϕθηϕθ ,, DG a

Note : une antenne est un élément passif , le gain représente la concentration de puissance dans une direction privilégiée par rapport à une antenne isotrope sans pertes, il n’y a pas d’amplification (sauf cas particulier d’antenne active avec amplificateur intégré à l’antenne).

1.4. Diagramme de rayonnement : Le diagramme de rayonnement (radiation pattern) est la représentation du gain en fonction de θ et / ou de ϕ dans différents systèmes de coordonnées :

Figure 2: Exemples de diagrammes de rayonnement en coordonnées rectangulaires et en coordonnées polaires [3]


10

Il s’exprime en dBi de façon absolue par rapport à l’isotrope : ϕθ ,log10 G

Ou en dBc de façon relative par rapport à la valeur crête G0 :

0

,log10

GG ϕθ

Les éléments importants sont le lobe principal (main beam) , les lobes secondaires (side lobes) et la largeur à mi-puissance du lobe principal (Half Power Beam Width ou HPBW) qui donne le pouvoir séparateur.

En première approximation : d

HPBW λ exprimée en radians.

1.5. Bande de fonctionnement : La bande de fonctionnement est limitée par les variations d’impédance de l’antenne en fonction de la fréquence, mise en évidence par la mesure du taux d’ondes stationnaires. Elle est également limitée par les variations du diagramme de rayonnement en fonction de la fréquence.

1.6. Surface équivalente Ae (effective area, effective aperture) : Pour une antenne la surface équivalente (ou aire effective ou surface de captation) indique la surface sur laquelle est collectée l’énergie de l’onde incidente :

204λπ eAG

Pour une ouverture (surface plane sur laquelle règne un champ électromagnétique) avec une illumination constante en amplitude et en phase : AAe aire physique de l’ouverture

Figure 3: Termes décrivant le diagramme de rayonnement [2]


11

1.7. Rendement ou facteur de gain (Aperture efficiency, gain factor)

Il est défini par AAeη et se décompose en plusieurs termes dont les principaux sont :

Rendement d’illumination iη dû à l’écart à l’illumination en créneau (amplitude et phase) pour l’ouverture

Rendement de spill over sη qui traduit la perte de l’énergie non interceptée par une partie du système qui constitue l’antenne Rendement RMSη dû à la dispersion de l’énergie par les erreurs de surface, donné par la formule de Ruze :

24

λπσ

η eRMS s écart quadratique moyen des erreurs de surface.

Dans ce cas simple RMSsi ηηηη ..

1.8. Effets de la fonction d’illumination : La fonction d’illumination est la distribution en en amplitude et en phase de l’énergie sur la surface d’une ouverture ou le long d’un alignement. Une transformation de Fourier relie pour une ouverture le champ dans le diagramme de rayonnement θE et la

distribution de champ sur l’ouverture xE :

dxexEE j θπθ sin2

θθ θπ sinsin2 deExE xj

Note : pour un réflecteur une relation analogue existe entre le champ sur l’ouverture et la tache de diffraction au foyer. La fonction d’illumination conditionne très fortement la largeur de lobe à mi puissance, le niveau du lobe principal ainsi que la position et le niveau des lobes secondaires (figure 4 et figure 5).

Figure 4: Effets de l’illumination sur un alignement


12

Ces deux tableaux montrent qu’il est possible de réduire le niveau du premier lobe secondaire au prix d’un élargissement du lobe principal et d’une diminution du gain.

1.9. Température d’antenne : Si ϕθ ,T est la température de brillance vue par l’antenne dans la direction ϕθ , , la température d’antenne vaut :

dGTTa

π

ϕθϕθπ

4

0

,,41

Ta comprend le fond cosmologique CMB (Cosmological microwave background), la Galaxie, l’atmosphère et le sol. Ces diverses contributions sont montrées dans la figure 6 [2]. Ta dépend aussi de la configuration d’antenne, en particulier si les pertes par spill over proviennent du sol (augmente Ta) ou du ciel (diminue Ta).

Figure 5: Effets de l’illumination sur une ouverture circulaire


13

1.10. Facteur de qualité : Le facteur de qualité (Quality factor) combine les notions de gain et et de température d’antenne pour estimer la valeur du rapport signal a bruit que peut fournir l’antenne :

TGF

Il s’exprime aussi en fonction de la surface équivalente Ae et de la température système Tsys = Ta + Tr, Tr température de bruit du récepteur

sys

e

TAF m²/°K

1.11. Largeur de champ

La largeur de champ (Fiel of view ou FOV) est égale à l’angle solide correspondant au lobe de l’antenne.

Figure 6: Diverses contributions à la température d’antenne Ta


14

La largeur de champ varie en général en 2λ mais est moins dépendante de la fréquence dans les éléments à très large bande. Pour une demi ouverture du lobe à -3dB de en radians, la largeur de champ est : cos12πFOV exprimé en stéradians

Elle s’exprime plus généralement en degrés²

cos12.180 2

ππ

FOV deg² (sq deg)

Pour des angles faibles : 2 πFOV en deg² 2. Les réseaux d’antennes : Un réseau d’antennes est une antenne composée de plusieurs antennes élémentaires appelées sources. Le diagramme de rayonnement des sources est large par rapport au diagramme de rayonnement souhaité du réseau. Le diagramme de rayonnement du réseau dépend de la position des sources ainsi que des amplitudes et phases alimentant chacune d’elle. Usuellement les réseaux sont des alignements de sources ou des réseaux plans. Selon l’utilisation, les réseaux peuvent être :

Des interféromètres qui délivrent les cross corrélations des signaux de toutes les sources Ou des réseaux phasés qui délivrent la somme phasée des signaux des sources (mode tied array) Ou une combinaison des deux : interféromètres dont les sources sont des réseaux phasés en mode tied array

2.1. Alignement de N sources :

Soit (Fig 7) un alignement de N sources équidistantes espacées de d sur un axe z et pour lesquelles l’amplitude est constante et un déphasage fixe φ est appliqué d’une source à l’autre (cas d’une onde plane incidente en radioastronomie).

Figure 7: Géométrie pour un alignement de N sources (antennes)


15

Pour un tel réseau le diagramme de rayonnement θF s’exprime par [1]:

φθ

λπ

φθλπ

θcos2

21sin

cos22

sin

dN

dN

F

La direction du maximum de rayonnement est :

dπφλθ

2arccos0

Pour un système donné avec d fixé, la direction du lobe principal dépend de λ et du déphasage φ

Si le déphasage φ est remplacé par un retard τ tel que cλ

πφτ

2

alors 0θ est indépendant de λ , la direction du

lobe principal ne dépend que du retard entre éléments.

2.2. Lobes de réseau (grating lobes) La fonction θF donne plusieurs maxima de même amplitude, plusieurs lobes principaux apparaissent nommés lobes de périodicité ou lobes de réseau (figure 8). Si le déphasage φ entre sources est constant (sources équidistantes et onde incidente plane) , la condition pour qu’il n’apparaisse pas de lobes de réseau est :

0sin1 θ

λ

d

Pour la direction particulière 0θ (boresight, cas ou 0φ ) cette condition vaut λd (Fig 9a)

Pour toute direction θ il faut: 2λ

d

Figure 8: Lobes de réseau pour un alignement de 16 antennes pointé à 10θ avec 9,1λd

[3]


16

2.3. Cas du réseau plan rectangulaire :

Soit le cas d’un réseau plan (figure 10) composé de N sources espacées de dx en x et M sources espacées de dy en y, d’amplitude constante et de déphasage fixe xφ selon x et yφ selon y (la surface équiphase en entrée / sortie de réseau est un plan).

ϕ

θ

Figure 10: Géométrie pour un réseau plan [2]

Figure 9: Suppression des lobes de réseau pour un alignement de 16 antennes [3]

a) pointé à 0θ avec 95,0λd

b) pointé à 60θ avec 475,0λd


17

Le diagramme de rayonnement ϕθ ,F est séparable en x et en y et s’exprime par [1]:

ydyM

ydyM

xdxN

xdxN

Fφϕθ

λπ

φϕθλπ

φϕθλπ

φϕθλπ

ϕθsinsin2

21sin

sinsin22

sin.

cossin221sin

cossin22

sin,

Pour un système avec dx et dy fixés, la direction du lobe principal dépend de λ et des déphasages xφ et yφ Comme pour un alignement l’utilisation de retards au lieu de déphasages rend la direction du lobe principal indépendante de la fréquence.

2.4. Formation de faisceau (Beamforming) : La formation de faisceau consiste à sommer tous les signaux des antennes élémentaires après avoir retardé chaque signal pour compenser le retard d’arrivée du plan de l’onde incidente sur chaque antenne du réseau. La direction de visée du lobe principal est l’orthogonale au plan de l’onde incidente passant par la source visée. Cette méthode requiert d’associer à chaque antenne élémentaire du réseau un système de retards variables dont la complexité et le coût sont prohibitifs. Un déphasage est équivalent à un retard (à une fréquence donnée) et les retards sont généralement remplacés par des déphasage. La formation de faisceau consiste alors à sommer en phase le signal de toutes les antennes élémentaires d’un réseau afin de pointer le lobe principal dans la direction ϕθ , souhaitée. Il s’agit d’un faisceau synthétisé puisqu’il n’y a pas de lobe physique réel. Les déphasages appliqués aux signaux des éléments du réseau peuvent être réalisé de façon analogique par des circuits RF ou de façon numérique après numérisation des signaux des éléments. Le calcul des poids en amplitude et en phase à affecter à chaque signal d’antenne élémentaire du réseau est le calcul des coefficients de pointage . Exemple de déphasage numérique : Si le signal d’une antenne élémentaire k du réseau est kkk jIRE

son amplitude est 22kkk IRA et sa phase est

k

kk R

Iarctanψ

si Wk est le poids (amplitude / phase) affecté à l’antenne k avec kkk jwiwrW

l’amplitude de Wk est 22kkk wiwrB et la phase de Wk est

k

kk wr

wiarctanβ

kkk WES . est le signal de l’antenne élémentaire k corrigé des coefficients de pointage pour viser la direction ϕθ ,

L’amplitude de Sk est kkA B. et la phase de Sk est kk βψ Le signal de sommation de toutes les antennes du réseau après la formation du faisceau dans la direction ϕθ , est

Nk

kkk WES

1, .ϕθ

En plus de pointer le lobe principal dans la direction souhaitée, la formation de faisceau permet de contrôler le diagramme équivalent de rayonnement du réseau :

Largeur du lobe principal Intensité des lobes secondaires Position des zéros de lobe

Le dernier point permet de créer des zéros de lobe à des positions choisies dans le diagramme de rayonnement (Fig 11), il est très utile pour réduire le gain du système dans la direction de réception d’interférences gênantes.


18

2.5. Effet de la fréquence sur la formation de faisceau par déphaseurs :

Un déphaseur n’est équivalent à un retard qu’à une seule fréquence, la formation de faisceau par déphaseurs est donc chromatique et la direction de visée du lobe principal change avec la fréquence (beam squint).

Ce phénomène est atténué si on combine des déphasages pour des petits groupes d’antennes (sub array) et des retards purs affectés au signal de sortie de ces groupes (figure 13 [3]).

a) b)

Figure 11: Alignement de 16 antennes espacées de 2λ [3]

a) Faisceau formé pour pointer à 300θ , le second lobe secondaire à gauche est à 3,11sθ

b) Faisceau formé pour pointer à et créer un zéro de lobe à la place du second lobe secondaire de a), 3,11nθ

Figure 12: Dépendance de la position du maximum et des zéros d’un faisceau formé en appliquant des déphasages À la fréquence 1420 MHz la position du maximum est 20θ À la fréquence 1000 MHz la position du maximum est 30θ


19

2.6. Perte de balayage et directions aveugles :

Dans un alignement idéal sans lobes de réseau, la largeur de lobe varie en θcos

1 et la directivité en θcos , θ angle

de balayage (ou angle de scan). La variation des couplages entre éléments ne suit pas cette loi et la résultante est une perte de gain en fonction de l’angle de balayage plus grande que θcos : c’est la perte de balayage (scan loss) Au pire le gain peut fortement chuter dans certaines directions donnant des directions aveugles (scan blindness) Dans les designs courants de réseaux plans, la variation de gain en θcos est atteinte dans un plan seulement et jusqu’à

60θ au mieux, dans les deux plans la variation de gain atteint 23

cosθ

2.7. Largeur de champ : Le lobe étroit d’un réseau a pour enveloppe en fonction de l’angle de scan θ le lobe de chaque élément du réseau. La largeur de champ (Field of view ou FOV) est égale à l’angle solide correspondant au lobe d’un élément du réseau. Si le réseau est organisé en sous ensembles (sub arrays), la largeur de champ du réseau est la largeur de champ de l’antenne équivalente à un sous ensemble. La largeur de champ varie en général en 2λ mais est moins dépendante de la fréquence dans les éléments à très large bande. Pour une demi ouverture du lobe à -3dB de en radians, la largeur de champ est : cos12πFOV stéradians

Exprimée en degrés²

cos12.180 2

ππ

FOV deg² (sq deg)

Pour des angles faibles : 2 πFOV en deg²

+

+

+

+ ?t

?t

? t

? t

+

?

?

Réseau de 36 éléments groupés en 4 sous ensembles de chacun 9 éléments

Somme phasée de 36 éléments

Figure 13: Association de déphasages et de retards pour un réseau de 36 antennes configuré en 4 groupes de 9 éléments

Somme phasée d’un groupe de 9 éléments


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Si dans un réseau la formation de faisceau est capable de synthétiser simultanément plusieurs faisceaux dans plusieurs directions, voire de remplir le champ par des faisceaux, ce réseau est un bon candidat pour répondre au besoin de grands relevés rapides exprimé dans la définition des nouvelles générations de radiotélescopes.

2.8. Performance en mode relevé rapide : Le facteur de performance en mode relevé rapide (SSFoM Survey Speed Figure of Merite) [8] permet de quantifier la performance d’u réseau en mode relevé rapide, il dépend :

Du champ instantané accessible De la sensibilité de l’instrument De la bande passante instantanée

SSFoM vaut :

2

.

sys

eFoV mT

AB et s’exprime en m4°K-2deg²MHz

Dans beaucoup de comparaisons entre instruments est utilisée une version simplifiée du SSFoM ne prenant pas en compte la bande passante et le rapport signal à bruit de détection des sources. Dans ce cas :

sys

eFoV T

ASSFoM en m4°K-2deg2

Cette expression du SSFoM est valable pour les sources « continues » (Steady Sources). Pour les sources produisant des évènements aléatoires, ce facteur de performance doit être corrigé d’une fonction prenant en compte la probabilité temporelle d’arrivée d’un évènement du type recherché. De même pour les pulsars ce facteur de performance doit être corrigé d’une fonction prenant en compte la probabilité de détection des pulsars (la période et la mesure de dispersion).

Figure 14: Field of View requis par SKA en fonction de la fréquence dans le SKA Reference Design et le SKADS Benchmark [5]

B bande passante instantanée en MHz

FoV champ instantané en deg² m plus petit rapport Signal à Bruit pour détecter les sources

sys

e

TA

sensibilité


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4. Systèmes multi faisceaux : Un système multi faisceaux (multi beams) permet de créer plusieurs faisceaux simultanés avec le même système d’antennes et donc de faire plusieurs observations simultanées. Plusieurs méthodes sont utilisables:

4.1. Les réseaux focaux (Focal Plane Array ou FPA)

Il sagit de systèmes multi pixels au foyer d’un réflecteur, réalisables en (figure 15 [3]) : - Réseau de cornets (Multi Feed Cluster ou MFC) : chaque cornet correspond à un lobe dans le ciel - Réseau phasé au foyer d’un réflecteur (Phased Array Feed ou PAF) : le champ dans la zone focale est échantillonné par tous les éléments du PAF et les faisceaux sont synthétisés à partir de tous les signaux de tous les éléments, chaque élément contribue donc à tous les faisceaux Dans le cas des réseaux de cornets, les faisceaux sont les lobes physiques des cornets, dans le cas des réseaux phasés au foyer d’un réflecteur, les faisceaux sont synthétisés.

4.2. Les réseaux sans réflecteurs (Aperture Array) Ces réseaux échantillonnent directement le front d’onde incident. Les faisceaux sont synthétisés à partir de tous les signaux de tous les éléments. Ce concept permet d’éliminer les pertes par spill over et par blocage, il autorise la formation d’un très grand nombre de faisceaux, il accède à un champ large (celui du plus petit élément du réseau) et est donc très efficace pour les grands relevés rapides. Les faisceaux étant synthétisés, les diagrammes de rayonnement équivalents changent à chaque changement de pointage, il existe une perte de scan et un beam squint en fonction de la fréquence si la formation de faisceau utlise (même partiellement) des déphasages. La calibration d’un tel système est donc largement plus difficile que la calibration d’un système classique.

Figure 15: Résaux focaux a) cluster de cornets, b) réseau phasé au foyer (Phased Array Feed)


22

5. Concilier grande largeur de champ, haute résolution angulaire et relevés rapides : Les propriétés des antennes montrent qu’une grande largeur de champ est atteinte avec une antenne (ou réflecteur) de petite dimension ayant un lobe large :

DHPBW λ

en radians.

Exemple à 1 GHz pour une parabole de 12m de diamètre La largeur de lobe (et résolution angulaire) est de ~0,025 radians soit 1,42° La largeur de champ est d’environ 1,6 deg² Pour atteindre une haute résolution angulaire il faut disposer ces antennes sur de grandes distances et pour une bonne sensibilité il faut utiliser un grand nombre d’antennes Exemple : à 1 GHz pour des paraboles de 12m de diamètres réparties sur 100 km un réseau d’interféromètres permet une résolution angulaire de 0,00017° ou 0,6 arcsec et accède à un champ d’environ 1,6 deg² Pour réaliser un relevé d’un champ de 5000 degrés², plus de 3000 observations sont nécessaires… Une solution pour réduire le nombre d’observations nécessaires (et réduire la durée du relevé) est de multiplier le nombre de faisceaux installés sur la parabole de élémentaire, 30 faisceaux divisent la durée du relevé par 30. Installer 30 antennes à 1 GHz (réseau MFC) sur une parabole d’un tel diamètre n’est pas possible (limite des dimensions), une solution est d’utiliser un réseau phasé au foyer (Phased Array Feed ou PAF) équipé d’antennes élémentaires à 1GHz délivrant 30 faisceaux. Une alternative à cette architecture est dans ce réseau d’interféromètres le remplacement des paraboles par des Aperture Arrays de surface équivalente, permettant d’accéder à plusieurs centaines de faisceaux simultanés au lieu de quelques dizaines. Dans la gamme de fréquences 0,3 à 1,5 GHz, l’accès aux champs larges et aux multi faisceaux est le domaine d’élection des Aperture Arrays (AA).

Figure 16: Faisceaux étroits formés à l’intérieur du FOV du démonstrateur EMBRACE [4] Le système est hiérachisé: deux faisceau RF indépendants sont formés par ensemble de 72 éléments (tuile) A l’intérieur de chacun de ces faisceaux sont synthétisés numériquement des lobes indépendants


23

5.1. Le concept d’Aperture Array, une solution séduisante Avantages des AA :

Large à très large champ (celui de l’élément de base du réseau) Pas de perte par spill over Très grand nombre de faisceaux synthétisables Contrôle du diagramme de rayonnement : niveau des lobes secondaires, position des zéros, beam nulling Simplicité mécanique : pas de système mécanique de pointage / suivi de source

Cependant la synthèse des faisceaux conduit à de nombreuses contraintes qui compliquent la calibration de tels systèmes :

Effet de la fréquence sur le beamforming (beam squint lié à l’utilisation de déphasages) Perte de scan (gain dépendant de l’angle de scan) Elargissement du lobe lorsque l’angle de scan augmente Changement du diagramme de rayonnement pour chaque pointage Angle de scan limité (au grand maximum 60°) Grand nombre d’antennes élémentaires et des voies d’électronique associée Complexité / coût du traitement de signal pour synthétiser les lobes Complexité / coût du corrélateur (les faisceaux de même rang sont à corréler entre eux)

5.2. Les instruments existants et les développements en cours (listes non exhaustives):

La plupart des grands interféromètres équipés de paraboles avec un foyer mono pixel utilisent le mode tied array (sommation en phase) pour participer à des sessions VLBI avec la meilleure sensibilité : VLA et EVLA (U.S.): 27 paraboles de 25m de diamètre ATA 42 (U.S.) : 42 paraboles de 6m de diamètre, foyer large bande 0,5 – 11 GHz IRAM PdB (France) : 6 paraboles dans le domaine millimétrique … Instruments multi faisceaux utilisant des clusters de cornets (MFC) Arecibo (U.S.) : cluster de 7 cornets formant 7 faisceaux Parkes (Australie) : cluster de 13 cornets formant 13 faisceaux Instruments multi faisceaux utilisant des Aperture Arrays : LOFAR (Pays-Bas + Allemagne, Royaume-Uni, France, Suède) [6] : réseau de 48 stations (gamme 10 MHz – 240 MHz), ligne de base maximum environ 1500 km [6]. Chaque station est un réseau phasé clairsemé de 96 antennes LBA (10-80 MHz ) et un réseau phasé dense de 96 (2 x 24 aux Pays-Bas) antennes HBA (110-240 MHz). Chaque antenne HBA est un réseau phasé dense de 16 antennes élémentaires utilisant des retards pour la formation de faisceaux. Le beamforming station est numérique dans des bandes étroites de 156 ou 195 KHz, la largeur de bande d’un beam numérique est de 32 MHz au maximum et de 8 MHz quand 4 beams numériques sont synthétisés. La grande particularité de LOFAR est d’utiliser un corrélateur entièrement logiciel basé sur un super calculateur IBM Blue-Gene. Une dernière étape de beamforming dans des bandes d’environ 1 KHz est réalisée en logiciel avant corrélation. Les modes interféromètrie et tied array sont supportés. De nouvelles méthodes de calibration sont en cours de validation pour cet instrument. MWA (Australie) : interféromètre en cours de construction comprenant 512 antennes (bande 80 – 300 MHz), chaque antenne est un réseau phasé dense de 16 éléments utilisant un beamforming analogique à retards. Longueur maximum des lignes de base : 3 km. La largeur de bande instantanée est de 32 MHz. Le beamforming numérique permet de synthétiser 32 faisceaux. Actuellement un réseau de 32 antennes est en cours de test 21CMA (Chine): Interféromètre utilisant 200 antennes (bande 50-200 MHz), chaque antenne est un réseau phasé dense de 127 éléments. Les stations sont disposées sur deux lignes orthogonales de 3 et 4 km de long. Projets en cours de développement utilisant des réseaux phasés au foyer (PAF) : APERTIF (Pays-Bas) : réseau dense de 64 antennes Vivaldi au foyer des paraboles de Westerbork ASKAP (Australie) : Interféromètre utilisant 36 paraboles de 12m de diamètre avec un réseau phasé au foyer [7], mise en exploitation prévue en 2013-2014 :


24

Fin 2010 six antennes sont installées sur le site du Murchison Radio-astronomy Observatory à l’ouest de l’Australie, après installation des Phased Array Feeds (mi à fin 2011). Caractéristiques du réseau ASKAP:

Réseau de 36 paraboles de 12 m (figure 17) de diamètre spécifiées jusqu’à 10 GHz, équipées d’un réseau phasé au foyer dans la bande 700-1800 MHz (extension à 2500 MHz souhaitée). Ligne de base maximum 6 km Surface collectrice 4000 m²

Foyer Phased Array Feed : 10 x 10 éléments à deux polarisations (96 éléments actifs) LNA refroidis champ de 30 deg² grâce à 30 faisceaux. Tsys après formation de faisceaux : 50 °K,

Récepteurs :

Bande passante instantanée 300 MHz Formation de faisceaux : RF (Front End) et IF (numérique) Corrélation des 30 faisceaux Mode tied array pour sessions VLBI

Développement des Aperture Arrays pour SKA : EMBRACE et AAVP Le démonstrateur EMBRACE (figure 19): Le tableau suivant [4] décrit les caractéristiques du démonstrateur EMBRACE (Electronic Multi beams RAdiotelescope Concept)

Figure 17: Antenne du réseau ASKAP


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Ce démonstrateur technologique de réseau phasé de type Aperture Array fait partie du programme européen SKADS (Square Kilometre Array Design Studies) 2005-2009 de R & D dans le domaine des réseaux phasés pour promouvoir le concept d’AA pour SKA. Paramètre valeur Commentaire Nombre de stations 2 Westerbork (Pays-Bas) et Nançay (France) Surface collectrice totale 250 m² Aire physique Rendement = 0,8 Aperture Efficiency Bande de fréquence 500-1500 MHz Réduite à 950-1500 MHz Température système = 100 K A 1 GHz Bande passante instantanée 100 MHz Pour les beams RF Nombre de FOV 2 Beams RF indépendants Polarisation 1 linéaire HPBW EMBRACE Westerbork > 15° et > 7° A 1 GHz, pour Westerbork et pour Nançay Angle de balayage = 45° A partir du zénith Niveau des lobes secondaires = 13 dBc Pas de lobes de réseau Gamme dynamique = 60 dB A la sortie des convertisseurs A/D Bande passante sortie numérique = 40 MHz Par FOV Nombre de beams numériques = 8 Par FOV L’antenne élémentaire utilisée dans EMBRACE est une antenne Vivaldi (bande 500 – 1500 MHz). 144 antennes élémentaires sont assemblés en réseau dense à 2 polarisations (2 x 72 éléments) pour former une tuile RF de 1,12 m². Une seule polarisation (72 éléments) est équipée de la chaîne électronique RF. Chaque tuile délivre 2 beams RF indépendants (2 FOV) obtenus par 2 aditions en phase des signaux des 72 éléments d’une seule polarisation. Un circuit intégré analogique RF (ASIC RF) a été développé par l’équipe de microélectronique de la Station de radioastronomie de Nançay pour la sommation en phase. Ce circuit beamformer RF fait 2 aditions en phase (2 beams RF indépendants) des signaux de 4 antennes élémentaires, un déphaseur à 8 pas de 45° est intégré pour chaque beam RF et pour chaque antenne élémentaire . Ce circuit en technologie SiGe 0,25μm équipe les deux stations EMBRACE, sa bande passante RF est 500-1500 MHz, il consomme 1 W . Après conversion en bande 100 – 200 MHz par un récepteur hétérodyne, les signaux des tuiles (beams RF) sont numérisés et un beamforming numérique est appliqué (déphasage numérique dans des bandes de 195 KHz) pour former dans chaque FOV RF des beams numériques indépendants à l’intérieur des FOV RF (Fig 18).

EEMMBBRRAACCEE bbeeaammss

Tile antenna pattern

Element antenna pattern

Synthesized beams

RF beamforming at the tile level

Tile RF beams: sum of 64 phase shifted element antennas outputs, using RF beamformer chips (phase step 45°, 4 elements, 2 RF outputs)

Rough estimate of HPBW ( Dλ ):

HPBW @ 1 GHz: ~17.2° for one tile HPBW @ 1 GHz: ~ 8.6° patch of 4 tiles

Digital beamforming at the station level

Synthesized beams: sum of all RF beams phase shifted, using digital signal processing

Rough estimate of HPBW ( Dλ ):

Westerbork HPBW @ 1 GHz: ~1.01° Nançay HPBW @ 1 GHz: ~1.72°

Figure 18: Les faisceaux dans EMBRACE


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Le projet AAVP : Le concept d’Aperture Array est retenu en configuration réseau clairsemé (Sparse Array) pour la phase 1 de SKA (10% de la surface collectrice) dans la bande 70 – 450 MHz. Dans la bande 300 – 1000 MHz le concept d’Aperture Array en configuration réseau dense (Dense Array) n’est pas jugé suffisamment mature pour être utilisé dans la phase 1 de SKA (figure 20). Le projet AAVP (Aperture Array Verification Program) 2009 – 2012 est destiné à étudier le réseau phasé basse fréquence de SKA phase 1 et à étudier un démonstrateur scientifique de réseau phasé dense 300 - 1000 MHz composé de 14 stations de ˜ 140 m² (total d’environ 2000 m²) d’une architecture dérivée du démonstrateur EMBRACE Pour ce dernier projet l’équipe de microélectronique de la Station de radioastronomie de Nançay développe une série de circuits intégrés spécifiques, dont un beamformer RF délivrant deux beams RF indépendants à partir de 4 antennes élémentaires avec pour chaque beam et chaque signal d’antenne un déphaseur à 16 pas de 22,5°, et un beamformer RF utilisant des retards intégrés à la place des déphaseurs. Le résultat de ces études sera utilisé dans le cadre du AIP (Advance Instrumentation Program) associé à SKA phase1 afin de décider de la configuration de SKA phase 2.

Figure 19: Réseau démonstrateur EMBRACE à Nançay


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5. Conclusion Les réseaux phasés et en particulier les Aperture Arrays denses sont des concepts instrumentaux adaptés aux nouvelles générations d’instruments basse fréquence optimisés pour les grands relevés rapides tels que SKA (dans la gamme 300 MHz – 2 GHz) grâce à leur capacité naturelle d’accès à des champs très larges en mode multi faisceaux. Cependant les nombreuses contraintes inhérentes aux réseaux denses sont à considérer, en particulier la complexité de la calibration. La construction d’un démonstrateur scientifique d’interféromètre utilisant des stations d’Aperture Arrays denses et mettant en œuvre des méthodes de calibration dérivées de celles en cours de validation à grande échelle dans LOFAR est un préalable à l’utilisation de tels réseaux pour la phase 2 de SKA dans la gamme 300 MHz – 2 GHz. Références bibliographiques

1- Antennas L.V. Blake 1984 Artech House 2- Radio Astronomy 2nd edition John D. Kraus Cygnus-Quasar Books 3- La Radioastronomie Basses Fréquences Ecole thématique du CNRS Goutelas 2007 4- Wide Field Science and Technology for the Square Kilometre Array Proceedings of the SKADS conference held at the Châteu de Limelette, Belgium 3-6 November 2009 5- http://www.skads-eu.org/p/benchmark.php 6- site http://www.lofar.org/ 7- http://www.atnf.csiro.au/projects/askap/smart_feeds.html 8- SKA memo 97 J.M. Cordes 07/2007 04/2009 9- SKA memo 125 A concept design for SKA phase 1 M.A. Garrett 09/2010

Figure 20: Concepts instrumentaux pour SKA phase1 et spécifications [9]


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Documents

Les rÃ©seaux phasÃ©s d'antennes: vers les nouveaux radiotÃ