Brevet FR2560446A1 — publié le 19850830

_ A- "Répartiteur de puissance pour antenne à faisceaux multiples à éléments sources partagée" L'invention concerne un système d'antenne destinéà rayonner ou à recevoir des faisceaux multiples rappro- chés les uns des autres et présentant des lobes secondaires de niveau très bas, ce qui permet par exemple de réutiliser la même fréquence dans plusieurs de ces faisceaux avec un bon rap- port signal à brouilleurs. Un tel système d'antenne comprend des sources primaires qui peuvent illuminer un dispositif focalisant constitué de réflecteurs et/ou de lentilles. De tels systèmes d'antenne comportent une source primaire pour chaque faisceau qui doit à la fois présen- ter une surface limitée pour permettre le faible espacement du faisceau requis mais aussi une surface étendue pour produire une illumination fournissant le bas niveau requis pour les lobes secondaires. Ces exigences qui sont contradictoires conduisent à utiliser pour chaque faisceau une source primaire composée d'un groupe d'éléments rayonnants, à savoir un ou plusieurs élé- ments principaux entourés d'éléments secondaires périphériques, 2 les éléments secondaires périphériques pouvant être partages entre plusieurs faisceaux voisins. On peut par exemple prévoir pour chaque source primaire un élément central qui reçoit la plus grande partie de la puissance à rayonner et qui est entouré de six éléments périphériques qui se partagent le reste de la puissance du faisceau. On peut alors réaliser un recouvrement partiel des sources primaires de faisceaux voisins partageant entre eux un ou plusieurs de leurs éléments sources périphéri- ques. Dans ce système d'antenne, il se pose le pro- blème de répartir avec le minimum de pertes la puissance des- tinge à un faisceau entre les éléments de la source primaire de ce faisceau,certains de ces él!ments étant partagés avec les sources primaires d'un ou plusieurs faisceaux voisins. On connait actuellement trois types de répar- titeurs de puissance pour antennes à faisceaux multiples. Le premier type de répartiteur de puissance comporte un diviseur au niveau des éléments partages et son principe est illustré par la fig.1. -2- Chaque faisceau comporte une source pri- maire placée près du foyer d'un dispositif focalisant F et constitué de trois éléments rayonnants, à savoir un élément principal El, respectivement E'1 et deux éléments secondaires E2 et E3, respectivement E'2 et E'3, l'élément E2 ou E'3 étant le même élément partagé entre les deux faisceaux. Le distributeur du premier faisceau comprend une ligne de trans- mission d'entrée L1 qui est alimentée par un générateur G qui comporte par exemple un amplificateur et un oscillateur à une fréquence f1; un premier coupleur C12 répartit la puissance entre la ligne de transmission L1 et la ligne de transmission L2 qui alimente l'élément rayonnant E2; un deuxième coupleur C13 répartit la puissance entre la ligne de transmission L1 et la ligne de transmission L3 qui alimente l'élément rayonnant E3. La valeur du couplage du coupleur C12 est de 1/5 de manière à répartir 80% de la puissance sur la ligne L2 et 20% de la puissance sur.la ligne L1; la valeur de cou- plage du coupleur C13 est de 1/8 de manière à répartir 70% de la puissance vers l'élément rayonnant E1 et 10% de la puissance sur la ligne L3. Le deuxième faisceau comporte également un générateur G' qui alimente une ligne d'alimentation L'1 qui est reliée à une ligne de transmission LI qui alimente une charge Ld par l'intermédiaire d'un coupleur C'13 de couplage égal à 1/5 et à une ligne de transmission L'2 qui alimente l'élément rayonnant E'2 par l'intermédiaire d'un coupleur C'12 dont la valeur de couplage est égale à 1/8. La ligne de transmission intermédiaire LI est reliée à la ligne de transmission L3 de l'élément E'3 qui est confondue avec la ligne d'alimentation L2 de la première source par l'intermédiaire d'un diviseur D qui est un diviseur par deux dans le cas o l'élément rayonnant E2 ou E'3 est partagé entre deux faisceauxmais qui serait un diviseur par trois si cet élément était partagé entre trois faisceaux. -3- La puissance qui est fournie par le géné- rateur G par l'intermédiaire du coupleur C12 à la ligne L2 est divisée en deux moitiés par le diviseur D, une moitié alimentant l'élément E2 et l'autre moitié étant perdue dans la charge Ld. On s'aperçoit donc que 10% de l'énergie fournie par le générateur G est perdue dans la charge Ld. On voit donc que ce type répartiteur de puissance a un facteur de pertes impor- tant et qu'il nécessite de plus un diviseur pour chacun des éléments rayonnants partages. La fig.2 illustre également de manière sim- plifiée le principe d'un deuxième type de répartiteur de puis- sance à multiplexeur de fréquence. Dans ce cas, les diviseurs du premier type de répartiteur sont remplacés par des diplexeurs ou des triplexeurs de fréquence Dx. La puissance qui est émise dans la bande de fréquence Z F en provenance du coupleur C12 vers le diplexeur Dx traverse ce dernier avec une certaine perte et un certain déphasage d'insertion qui sont dus au filtre de bande P F qui fait partie de ce diplexeur. La répartition de phase entre les différents éléments rayonnants d'un même faisceau étant imposée, il faut compenser ce déphasage d'insertion sur les élé- ments qui ne sont pas partagés en insérant des filtres de ban- des F identiques ou, si la bande de fréquence, F est très étroiteen insérant des portions de ligne de transmission qui créent le même déphasage. Ce deuxième type de répartiteur de puissance présente donc l'inconvénient de nécessiter un nom- bre important de filtres et de multiplexeurs qui doivent être soigneusement calibrés en phase; de plus, ce calibrage n'est valable que pour une bande de fréquence si bien que l'on doit attribuer à chaque faisceau une bande de fréquence immuable. La fig.3 illustre de manière simplifiée, le principe d'un troisième type de répartiteur de puissance à polarisations orthogonales. On utilise alors à la place des diviseurs ou des diplexeurs des coupleurs de polarisations or- tilogonales cP.Par exemple, les éléments sources du premier faisceau -4El, E2, et E3 rayonnent en polarisation linéaire horizontale et ceux du faisceau voisin, E'1,E'2 et E13 rayonnent en pola- risation linéaire orthogonale verticale. L'inconvénient de ce dernier type de répar- titeur est la limitation de liberté dans l'arrangement relatif des faisceaux voisins du fait que l'on ne dispose que de deux polarisations orthogonales, ce qui exclut en particulier une cou- verture continue à deux dimensions par les faisceaux; par ail- leurs, ce répartiteur de puissance utilise de nombreux coupleurs de polarisation; enfin, le principe de ce répartiteur interdit l'utilisation de deux polarisations orthogonales dans un même faisceau. On vient de voir que les dispositifs répar- titeurs de puissance actuellement connus nécessitent de nom- breux composants qui doivent être calibrés, que leurs pertes sont élevées et que certains ne permettent pas de partager un élément entre plus de deux faisceaux voisins. La présente invention a pour objet de four- nir une antenne dans laquelle la répartition de la puissance est réalisée avec un nombre réduit de composants, avec un meilleur rendement, tout en permettant de partager un élément rayonnant secondaire entre plusieurs faisceaux. L'invention est notamment remarquable par le fait que chaque élément rayonnant secondaire partagé entre plu- sieurs faisceaux voisins est alimenté à partir de la ligne de transmission alimentant chaque élément principal dudit faisceau voisin par l'intermédiaire d'un seul coupleur,.la ligne de trans- mission de chaque élément rayonnant secondaire partagée compor- tant au moins deux coupleurs en série reliés chacun à la ligne de transmission de l'élément principal de chaque source primaire. Cette disposition permet de s'affranchir des diviseurs, diplexeurs, ou des coupleurs de polarisations orthoxo- nales,ce qui réduit notablement le prix de revient à la fois en matériel et en main-d'oeuvre pour les calibrages; par ailleurs, cette disposition permet également de réduire d'un facteur impor- -5- tant, les pertes de puissance. Selon un mode de réalisation de l'invention, les coupleurs alimentant les éléments rayonnants secondaires par- tagés présentent une valeur de couplage faible, par exemple de l'ordre de 1/10. Dans ce cas, le taux de perte de puissance est approximativement égal pour chaque élément partagé au produit des couplages des coupleurs qui l'alimentent. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui suit, faite en se i référant aux dessins ci-annexés sur lesquels: - les fig.1 à 3 illustrent l'état de la tech- nique - la fig. 4 illustre de manière simplifiée le :-.ciipe de répartition de la puissance conforme à la présente _nr-vention - la f ig. 5 est un diagramme de rayonnement an faisceau dans lequel la puissance est répartie conformément l a présente invention; - la fig.6 représente un exemple d'applica- 2; -:;n de I' invention i un système d'antenne comportant sept élé- %:tspar fazisceau la fig.7 représente une configuration pra- -. ...... daceau:nt certains comportent des éléments partagés 2) - fig.B- it f. représente un exemple de réalisa- ]:5. *-. l 'e t:.n appiqua 7, u 2n faisceau comportant sept él!- : '.C'. à:.....CF. forme de cornets. La fig.4 illustre de manière simplifiée comme f: à 3 le DrincJe d'e répartition de puissance con- _.P;se.-.. i n e-Cnt.onn On 'etzouve es deux faisceaux %/iin. c7 -. mortarâ' c.kacu n un.née te:. G respecti3ement G, et :.E 2 et E3, respectivement E! V2 ............e.:.. ' tnt n, I=l t rayonnant secondaire .....r: f.... -s...E2 ou 3 est alimentr é directe-..DTD: a --.:.r... À 9lne tae rans.ission L1 alimentant!" 5 ment -6- principal El par l'intermédiaire d'un coupleur Cl, respectivement C2, de telle sorte que la ligne de transmission L2 ou L'3 de l'élément rayonnant secondaire partagé E2 ou E'3 comporte au moins deux coupleurs en série, Cl et C2, chacun de ces cou- pleurs étant relié à la ligne de transmission de l'élément prin- cipal de chacune des sources primaires se partageant l'élément rayonnant E2 ou E'3. La répartition de puissance sur les éléments secondaires non partagés est effectuée au moyen d'autres coupleurs C3 respectivement C4 couplant la ligne Ll à la ligne de transmis- sion L3 de l'élément secondaire E3, respectivement la ligne de transmission L'l à la ligne de transmission L'2 de l'autre élément secondaire non partagé E'2. Dans l'exemple représenté, la valeur de couplage des coupleurs Cl et C4 est de 1/10 et la valeur de couplage des coupleurs C2 et C3 est de 1/9; de cette manière, pour chaque source primaire, la puissance fournie par le généra- teur est répartie à 80% sur l'élément rayonnant principal El et a 10% vers les éléments secondaires E2 et E3. On voit que l'invention permet de supprimer la ligne intermédiaire de transmission Lides systèmes décrits aux figures I à 3 et de supprimer également le composant lié à cette ligne tel que le diviseur de D de la fig.1, le diplexeur Dx du dispositif de la fig.2 et le coupleur de polarisations orthogo- nales CP de la figure 23. Par ailleurs, on peut constater que le taux de puissance envoyé par une source primaire dans l'élément rayon- nant principal de la source primaire voisine est voisin de 1% puisque le produit des facteurs de couplage des facteurs Cl et C2 est de 1/90; cela crée un lobe secondaire n un niveau relatif d'env.ron - 20 dB dans la direction du faisceau voisin, ce qui est sans incovénienit puisque deux faisceaux adjacents doivent utiliser des fréquences différent$es.!s4 es secondaires sui- vants sont d'un niveau relatif inflri ar à - 30 dE e:t sont néqli.- geables. Ceci est illustré à la fig.5 o!Ion voit en trait con1i- nu la forme théorique du faisceau émis par une scaurce primaire, - 7 - en trait pointillé les lobes de fuite et en trait interrompu, la forme résultante du faisceau rayonné par la source primaire avec un dispositif de répartition conforme à l'invention. On voit donc que l'avantage principal de l'invention est de fournir une répar- tition de puissance qui correspond aux conditions souhaitées pour la réutilisation de fréquence par des faisceaux proches, et cela avec une perte de puissance négligeable de l'ordre de 1 à 5%, ce qui constitue une amélioration notable par rapport aux systèmes existants. La valeur réduite de la perte de puissance est due au fait que les facteurs de couplage des coupleurs re- liant les éléments rayonnants secondaires partagés à la ligne de transmission principale de chacun des faisceaux entre lesquels ils sont partages, est de l'ordre de 10%, le facteur de perte étant alors de 1% pour chacun des faisceaux se partageant un él6- ment rayonnant secondaire. Le principe de l'invention a été décrit avec un exemple simplifié comportant deux faisceaux et cinq éléments rayonnants, mais l'invention s'applique à des nombres plus éle- vés de faisceaux, ces faisceaux pouvant comporter un nombre plus élevé d'éléments rayonnants secondaires qui peuvent être parta- gés entre plus de deux faisceaux voisins; par ailleurs chaque faisceau peut comporter plusieurs éléments rayonnants partagés. La fig:6 représente les éléments constitutifs -'Pun exemple classique d'un système d'antenne comportant un dispo- sitif de répartition de puissance conforme à l'invention. Dans ce système, chaque faisceau comporte un élément rayonnant central 14, 24,e.ntoi:rê de six léniments secondaires périphériques 15,25 dnt certains ré4freincês 7,7' et 7T' sont partagés entre deux sources primaires vcisines. Chaque gGnérateur G, respectivement G2,G3,G4 alimente une ligne de transmission 12 (respactivement 22,32,42) de lâ1é enei rayonnant central 1, respectivement 24 (les autres des éléents n [ r ont ras t dessinps a des raisons de clarty.Chaque ligne de t-, =. s denn it principal 12 comporte deux premiers cou- ? es 10 rép-rSiseant la puissance sur deux éléments rayonnants se- oDaire, non partagés, puis î deu ?e coupleur Il répartissant la -uissance sur un premie 4 lémnent rayonnant secondaire 7 qui est ?artagé avec le faisceau alimenté par le générateur G 4, -8- un troisème coupleur 13, répartissant la puissance sur un deu- xième élément rayonnant secondaire 7' qui est partagé avec le faisceau alimenté par le générateur G2, et enfin deux quatrièmes coupleurs 18 quirépartissent lapuissance sur les deux autres élé- ments rayonnants secondaires non partages. Onvoit que dans ce cas encore, chaque élément rayonnant partagé est alimenté par une ligne de transmission 19 comportant deux coupleurs, tels que 11 et 43, de telle façon que ces deux coupleurs prélèvent la puissance désirée sur deux lignes de transmission à un élément rayonnant principal; lorsque l'élément rayonnant secondaire est partagé par plus de deux fais- ceaux, la puissance désirée est alors prélevée sur chacun de ces faisceaux. Il est nécessaire d'ajuster les longueurs des lignes de transmission alimentant chaque élément rayonnant parta- gé entre deux des coupleurs en série et entre le dernier coupleur et l'élément rayonnant secondaire pour éviter un déphasage. Cet ajustement des phases peut être réalisé en ajustant la longueur de cette ligne aux niveaux correspondants; cet ajustement peut également être réalisé en introduisant des déphaseurs de type classique tels que les déphaseurs D F, représentés à la fig.4 sur la ligne L2 ou L'3 entre les coupleurs CC1 et C2 et entre le coupleur C2 et l'élément rayonnant E2. Il y a lieu de noter que l'antenne confor- me à la présente invention peut fonctionner soit en émission soit en réception, soit dans les deux sens, l'extrémité de la ligne de transmission de l'élément rayonnant principal pouvant consti- tuer une entrée, une sortie ou les deux à la fois. Les lignes de transmission de l'antenne con- forme à la présente invention peuvent être constituées par tout type de lignes de transmission d'ondes radioélectriques telles que des guides d'ondes, des lignes coaxiales, ou des lignes à bandes plaquées {microstrip). Les coupleurs utilisés pour la répartition de la puissance sont des coupleurs appelés directifs et sont com- -9- patibles avec les lignes de transmission utilisées. Les élements rayonnants principaux et secon- daires sont de tout type pouvant être groupés pour alimenter un système focalisant; ils peuvent être par exemple constitués par des cornets, des dip81es ou des hélices, Les éléments rayon- nants secondaires peuvent être d'un type différent des éléments rayonnants principaux. C'est ainsi que l'invention peut également., être utilisée pour des faisceaux conformes qui émanent de cornets centraux qui rayonnent la plus grande partie de la puissance et entourés de plus petits cornets illuminant les zones frontières partagées entre deux faisceaux et ne recevant qu'une faible par- tie de la puissance d'un faisceau du fait de leur faible taille relative. Il est possible également de disposer un convertisseur de fréquence et/ou un amplificateur entre chaque élément rayonnant et le dernier coupleur de sa ligne de trans- mission d'énergie. Le système focalisant peut comporter une len- tille à la place du réflecteur F ou tout système constitué de réflecteurs et/ou de lentilles. L'invention peut s'appliquer Dar exemptie à âne antenne de satellite qui doit pouvoir rayonner simultanément avec un gain de 48 dBi des signaux vers des stations ter-iennes dont les distances angulaires vues du satellite sont db ido.e de la largeur É demiepuissance des faisceaux rayonnés par l'anteine. Dans ce cas, les mCres fréquences sont réutilisées pour des communications entre le satellite et certaines stations terriennes et les niveaux des lobes latéraux des faisceaux doivent donc être très bas pour limiter les signaux parasites. Le problème de rayonner, avec un système focalisant, des pin- ceaux rapprochés et à lobes latéraux très bas est résolu en uti- lisant avec chaque faisceau une source primaure à sept éléments, les îl&gents périphériques étant partages entre les faiscea.ux ad- jacents. La FigJ est une carte monrant les zones de couverture des éléments primaires à sept cornets, les éléments -10- rayonnants secondaires partagés étant représentés par des petits cercles noirs. On peut voir que certains faisceaux se partagent un élément secondaire commun et que d'autres fais- ceaux se partagent d'autres éléments secondaires communs. La Fig.8 représente une mise en oeuvre pra- tique du dispositif de la Fig.6. Un ensemble répartiteur à sept couleurs alimente sept cornets par leurs entrées "hori- zontales". Les cornets ont deux autres entrées non concernées par l'invention. L'ensemble répartiteur pour le faisceau voi- sin est représenté en pointillés. L'un des sept cornets est partagé entre les deux faisceaux. La puissance en provenance du premier répartiteur (premier faisceau) est couplée dans un guide d'onde qui est relié au deuxième répartiteur du faisceau voisin qui ajoute par un coupleur la puissance du deuxième faisceau destinée au cornet. Les puissances du premier fais- ceau et du deuxième faisceau sont alors guidées jusqu'au cor- net. Une petite partie (5 1%) de la puissance totale premier faisceau est couplée lors de son passage vers le cornet central du deuxième faisceau (voir page 6, ligne 27). L'invention est particulièrement intéres- saute dans le cas d'antennes portées par des satellites puis- qu'elle permet à la fois de réduire le nombre de composants et de simplifier la structure de l'antenne, ce qui entratne une diminution du poids de celle-ci, et de réduire la puis- sance utilisée du fait de la réduction des pertes, ce qui en- traîne encore une réduction du poids de l'ensemble porté par le satellite. - 11 - REVENDICATIONS 1 ) Antenne pour l'émission ou la réception de faisceaux multiples rapprochés, â lobes secondaires de niveau très bas, du type comportant, pour chaque faisceau, une source primaire alimentant plusieurs éléments rayonnants, à savoir un ou plusieurs éléments principaux entourés d'éléments secondai- res dont certains sont partagés entre plusieurs faisceaux voi- sins, la puissance fournie par la source primaire étant répar- tie sur les différents éléments au moyen de coupleurs de puis- sance, caractérisée en ce que chaque élément rayonnant secondaire partagé entre plusieurs faisceaux voisins (E2,E'3) est alimenté à partir de chacune des lignes de transmission de puissance ali- mentant l'élément principal (E1,E'1) desdits faisceaux voisins par l'intermédiaire d'un coupleur, chaque ligne de transmission d'un élément rayonnant secondaire (L2,L'3) comportant au moins deux coupleurs (C12, C'13) en série reliés chacun à la ligne de transmission de l'élément rayonnant principal d'un faisceau voi- sin. 2 ) Antenne selon la revendication 1, carac- térisée en ce que les coupleurs (C12,C'13) alimentant les élé- ments rayonnants secondaires à partager (E2,E'3) présentent un facteur de couplage faible avec la ligne d'alimentation de l'élé- ment principal d'un faisceau voisin. 3 ) Antenne selon la revendication 2, carac- téris6e en ce que le facteur de couplage est de l'ordre de 1/10. 4 ) Antenne selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisée en ce que la ligne d'alimentation (L2,L'3) de chaque élément rayonnant secondaire partagé (E2,E'3) comporte un déphaseur (D F) entre chaque groupe de coupleurs (C12, C'13) et entre le dernier coupleur tC'13)et ledit élément rayon- nant secondaire (E2,E'3). ) Antenne selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisée en ce que la longueur des sections de la ligne d'alimentation de chaque élément rayonnant secondaire partagé disposées entre chaque groupe de coupleurs {C12,C'13) ou -12- entre le dernier coupleur (C'13) et l'élément rayonnant est ajustée pour rétablir le déphasage normal. 6 ) Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'un convertisseur de fréquence des disposé entre chaque élément rayonnant 14, 7' et le dernier coupleur de sa ligne de transmission d'énergie. 7 ) Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'un amplificateur est disposé entre chaque élément rayonnant et le dernier cou- pleur de sa ligne de transmission d'énergie. 8 ) Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque fais- ceau comprend un élément rayonnant principal entouré de six éléments rayonnants secondaires périphériques sous forme de cornets, et en ce que les lignes de transmission de puissance sont constituées par des guides d'ondes.