Brevet FR2241886A1 — publié le 19750321

-La presente invention concerne une antenne reseau à faisceaux multi ples en hyperfrequence. Une telle antenne peut trouver plus particulièrement, mais non exclu sive3ent, son application dans le cas de telecomsunications par satellite où l'antenne embarquee doit assurer la couverture terrestre pour des signaux dont la -frequence est de I'ordre de quelques gigahertz tout en permettant une consommation de puissance et un encombrement minimum. Dans une telle applica- tion, on est en general amene à transmettre ou recevoir un certain nombre de voies de communication à des fréquences porteuses differentes. Une solution consiste à transmettre ces voies multiplexées à l'aide d'une antenne a faisceau unique large assurant la couverture terrestre complète. Mais cette solution conduit à l'utilisation d'amplificateurs de puissance four nissant un niveau élevé de puissance dont la réalisation sous forme "état solide" est difficile et couteuse, même si l'on utilise un amplificateur de puissance par voie suivi d'un multiplexeur en fréquence alimentant la source rayonnante unique Or, il n'est évidemment-pas nécessaire de couvrir toute la zone de couverture pour chacune de ces voies. Un obier de la présente invention est donc une antenne rayonnant simultanément plusieurs faisceaux étroits éclairant des parties différentes de la zone à couvrir, chacun de ces faisceaux pouvant assurer la transmission de n'importe quelle voie. D'autre part, bien que l'utilisation de plusieurs faisceaux plus étroits permette de réduire nettement les exigences de puissance pour chaque voie, le niveau de sortie des amplificateurs de puissance est encore trop élevé pour permettre un rendement acceptable surtout dans le cas d'une antenne de satellite. Un autre objet de l'invention est donc une antenne imiltifaiscean à réseau évitant ces inconvénients grâce à l'emploi d'un réseau plan d'éléments r-åyonnants et d'un amplificateur par élément, le multiplexage et les commuta tions s'êffectuant à bas niveau. Selon l'invention, on a prévu une antenne réseau à faisceaux multi ples comprenant un réseau de n éléments rayonnants régulièrement espacés répar tis ên N groupes et permettant de rayonner P faisceaux couvrant P zones diffé- rentes caractérisée en ce qu'elle comprend n amplificateurs de puissance.dont les sorties sont connectées respectivement aux n éléments rayonnants, et un circuit d'alimentation desdits amplificateurs à partir des signaux appliqués aux P entréés de l'antenne et devant etre transmis respectivement vers lesdites P zones Ce circuit d'alimentation permet d'effectuer le multiplexage entre les signaux des différentes zones. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparat- tront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints où - La figure I est un schéma des formes de couverture possibles de la zone illuminer par l'antenne, - La figure 2 représente le schéma d'une disposition d'antenne connue, - La figure 3 représente le schéma d'une antenne réseau selon l'invention, et la figure 4 représente une variante d'antenne réseau selon l'invention pour l'émission et la réception. Sur la figure 1, on a représente en I la zone à couvrir par l'antenne. Sans que cela soit nullement limitatif de l'invention, on supposera pour la clarté de l'explication que l'on se place dans le cas d'une antenne de satellite destinée à permettre l'échange de communications avec des stations terrestres ou aeriennes par Q canaux (ici Q = 8). La première solution possible est une antenne à faisceau large couvrant la totalité de la zone 1 et permettant la transmission des huit canaux vers la totalité de cette zone. Même si l'on réalise l'amplification de puissance sur les huit canaux, le niveau de sortie exigé de chaque amplificateur est beaucoup trop élevé pour permettre leur réalisation avec un encombrement et un coût convenables (par exemple sous la forme "état solide"). Cependant, on doit noter qu'évidemment il n'est pas nécessaire de couvrir toute la zone 1 avec chacun des huit canaux. Aussi on peut penser à une antenne à faisceaux multiples plus étroits ne couvrant chacun qu'une zone partielle A, B, C et D. On a pris le cas ici de P = 4 zones partielles identiques.La solution classique pour cela est représentée schématiquement sur la figure 2 en supposant que l'on transmet seulement deux canaux vers chaque zone partielle. Cette solution consiste à utiliser un réflecteur unique 2, plus large, et P sources SI à S4 éclairant ledit réflecteur. Pour chaque zone, telle la zone A éclairée par S, on a deux canaux (VI et V2) dont les signaux sont envoyés à un multiplexeur (Ml) par l'intermédiaire d'amplificateurs de puissance (Al et A2). On voit immediate- ment que si l'on désire plus de deux canaux par zone, il faut augmenter le nombre d'amplificateurs de puissance et de voies des multiplexeurs, ce qui augmente les pertes.De plus, les multiplexeurs sont nécessairement sélectifs en fréquence et il est donc pratiquement impossible de modifier l'allocation de canaux de chaque zone partielle. Pour remédier à ces inconvénients, on a pensé a utiliser, selon l'invention, une antenne réseau, chaque élément rayonnant étant associe à un amplificateur de puissance et toutes les opérations de multiplexage et répartition d'énergie ayant lieu à bas niveau de puissance où les pertes qui interviennent dans ces opérations n'affectent pas le rendement global. Un mode de réalisation de l'antenne selon l'invention est représenté sur la figure 3. L'antenne a quatre entrées IA à ID recevant les signaux destinés respectivement aux quatre zones A, B, C et D. Elle comprend n éléments rayonnants (ici n = 144) 3.1 à. 3.144 disposés reulierement selon un réseau plan et espacés entre eux par exemple de 2 X X étant la longueur d'onde moyenne d'utilisation dans l'espace libre. Ces éléments sont disposés devant un réflecteur plan 4 et sont groupés en N groupes semblables (ici N = 4) numérotés I à IV. Ces groupes peuvent etre par exemple délimités par deux axes de symetrie perpendiculaires du réseau plan. Chaque élément rayonnant est alimenté par un amplificateur de puissance 4.1 à 4.144. L'alimentation des amplificateurs de puissance à partir des entrées IA à ID s'effectue à l'aide d'un circuit comprenant les P = 4 diviseurs de puissance 14, 15, 16 et 17 à N = 4 sorties, les déphaseurs 13.1 à 13.16, les combineurs de puissance 9 à 12 de chaque groupe et les diviseurs de puissance 5 à 8 à trente-six sorties alimentant respectivement les amplificateurs des groupes I à IV. Le fonctionnement de l'antenne va etre expliqué par exemple pour la zone t. Les signaux destinés à cette zone sont appliqués à l'entrée IA. Le diviseur 14 repartit la puissance entre les quatre déphaseurs 13.1, 13.5, 13.9 et 13.13 correspondant respectivement aux quatre groupes d'éléments rayonnants. Le signal à la sortie de chacun de ces déphaseurs alimente par l'intermédiaire du combineur (9 à 12) le diviseur de puissance (5 à 3) du groupe correspondant. Ainsi tous les éléments rayonnants d'un groupe sont alimentés par un signal de mime phase pour la zone considérée et les phases des signaux appliqués aux élé- ments respectivement des quatre groupes sont réglées par les quatre déphaseurs aux valeurs nécessaires pour former le faisceau couvrant la zone A. Il est clair que l'on peut utiliser des déphaseurs variables commandés et régler ainsi la direction du faisceau étroit de la zone correspondante. Pour chacune des autres zones, le fonctionnement est le même avec quatre déphaseurs donnant des valeurs de phase différentes correspondant au faisceau à former. Les combineurs de puissance 9 à 12 permettent de combiner pour chaque groupe les signaux correspondants aux quatre zones. On peut utiliser de préférence des combineurs à trois jonctions hybrides qui assurent une indépendance pratiquement complète dans le réglage des quatre faisceaux grâce aux propriétés bien connues des jonctions hybrides. On obtient ainsi une grande souplesse de réglage. De plus le systeme, vue de chaque entrée, est entièrement insensible à la fréquence. Ainsi, l'attribution des canaux aux différentes zones peut être modifiée de manière quelconque; on peut aussi bien envoyer deux canaux sur chaque entrée de zone que les huit canaux sur la même entrée. Il est particulibrement intéressant de remarquer que, dans tous les cas, tous les amplificateurs de puissance transmettront toujours la même puissance. La figure 4 représente une variante de l'antenne selon l'invention dans laquelle sont prévus des circuits supplémentaires pour la réception à faisceaux multiples. En effet, le calcul montre que, en comparaison d'un récepteur à faisceau unique large, on obtient un gain important qui permet de diminuer la puissance de sortie exigée des stations fixes ou mobiles pour les liaisons vers un satellite, ce qui est un progrès notable particulièrement pour les émetteurs montés sur avion. On utilise le même procédé de "multiplexage" et de réglage de phase qu'à l'émission et donc les mêmes circuits qui effectuent cette opération en sens inverse à l'émission, à savoir les circuits 9 à 12, 13.1 à 13.16 et 14 à 17. Des circulateurs 20.1 à 20.144 associés aux éléments rayonnants permettent de séparer les signaux reçus et-de les envoyer à quatre combineurs de puissance 21 à 24 à trente-six entrées, correspondant respectivement aux quatre groupes d'éléments rayonnants. Ces combineurs peuvent d'ailleurs etre de construction identique aux diviseurs de puissance 5 à 8 et sont suivis d'un filtre passe-bande (25 à 28) pour améliorer encore la réjection de la bande d'démission et d'un amplificateur à faible niveau de bruit (29 à 32).Le signal-reçu par chaque groupe d'éléments rayonnants est ensuite reinjecte vers les circuits communs à l'émission et à la réception pour la formation des faisceaux5 par l'intermédiaire des circulateurs 33 à 36. Enfin les signaux-reçus de chaque zone sont extraits sur les sorties OA à 0D par l'intermédiaire des circulateurs 37 à 40. Il est bien évident que pour obtenir les mêmès faisceaux qu'à l'émission, les déphaseurs 13.1 à 13.16 doivent être réglés aux mêmeS valeurs de déphasage qu'à l'émission. Il est clair par ailleurs que les circuits 9 à 12 qui fonctionnaient en combineurs à l'émission fonctionnentzen diviseurs à la réception, et inversement pour les circuits 14 à 17. Il.est intéressant de noter que l'antenne selon 11 invention décrite ci-dessus en se référant aux figures 3 et 4 permet, en plus de la couverture de P zones partielles par des faisceaux étroits, la couverture de la totalité de la zone par un faisceau large si cela est nécessaire. Pour cela, une première solution consiste à envoyer la même information destinée à la totalité de la zone 1 sur quatre canaux à fréquence porteuse différente envoyés respectivement aux quatre entrées de zone partielle de l'antenne. Ainsi l'antenne pourra transmettre un canal à large faisceausur quatre fréquences préfixées et les quatre canaux à faisceau étroit restants. Une autre solution consiste à utiliser la même fréquence à l'entrée des quatre zones partielles en tenant compte des valeurs de déphasage introduites par les déphaseurs pour maintenir le centre de phase de l'antenne utilisée en faisceau large au centre du réseau. On envoie donc sur les quatre entrées de zone le même signal avec le même niveau que pour les canaux à faisceau étroit. En conservant par ailleurs seulement quatre canaux à faisceau étroit, on conservera le même niveau de puissance pour les amplificateurs de puissance que dans le cas du fonctionnement seulement à faisceaux étroits. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux exemples de réalisation et d'utilisation décrits. REVENDICATIONS 1. Antenne réseau à faisceaux multiples comprenant un réseau de n éléments rayonnants régulièrement espacés répartis en N groupes et permettant de rayonner P faisceaux couvrant P zones différentes caractérisée en ce qu'elle comprend n amplificateurs de puissance-dont les sorties sont connectées respectivement aux n éléments rayonnants, et un circuit d'alimentation des dits amplificateurs à partir des signaux appliqués aux P entrées de l'antenne et transmis respectivement vers lesdites P zones, et en ce que ledit circuit d'alimentation comprend P premiers diviseurs de puissance à N sorties dont les entrées sont connectées respectivement aux P entrées de l'antenne, N groupes de P déphaseurs, les entrées des P déphaseurs de chaque groupe étant connectées respectivement à une sortie de chaque diviseur de- puissance et les sorties des P déphaseurs- de chaque groupe étant connectées à un combineur de puissance, et N seconds diviseurs de puissance connectés respectivement à la sortie des N combineurs de puissance et ayant chacun n sorties reliées aux n de N sorties reliefs respectivement aux N amplificateurs de puissance du groupe correspondant. 2. Antenne réseau selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comprend en outre, pour la réception à faisceaux multiples, n premiers circulateurs disposés entre les éléments rayonnants et les amplificateurs de puissance correspondants, N seconds combineurs de puissance recevant chacun les signaux reçus par l'intermédiaire des circulateurs d'un groupe et dont les signaux de sortie sont, après filtrage et amplification, réinjectés par N seconds circulateurs respectivement entre lesdits seconds diviseurs de puissance et lesdits premiers combineurs, et P troisièmes circulateurs à trois accès connectés entre les entrées de l'antenne et les premiers divi seurs pour fournir sur leur troisième accès les signaux reçus respectivement des P zones considérées.