Brevet FR2596208A1 — publié le 19870925

"Antenne bifréquence à faisceaw orientables indépen- dants". L'invention concerne une antenne capable d'émettre ou de recevoir deux faisceaux distincts, de fréquences différentes, avec possibilité d'orientation de ces faisceaux indépendamment l'un de l'autre. I1 existe un grand intérêt pour ce type d'antenne, en utilisation embarquée dans des satellites de télécommunication, du fait qu'il constitue une combinaison compacte de deux antennes classiques monofréquence, avec une grande souplesse d'utilisation du fait de l'indépendance des faisceaux. Une application préférentielle d'une telle antenne à faisceaux indépendants consiste à la placer sur un satellite-relais géosta tionnaire retransmettant des signaux en provenance de deux satellites circulant sur des orbites inférieures. Dans le domaine des antennes bifréquence, on connait déjà les groupements de sources rayonnantes en réseaux. De telles antennes sont constituées par un ensemble de sources élémentaires alimentées par des voies séparées. En camnar,dant indé pendamment chacun des éléments de façon qu'il fonctionne soit à une première fréquence soit à une seconde fréquence alternativement, on peut obtenir une antenne bifréquence. L'orientation des faisceaux peut, quant à elle, être réalisée en faisant varier les phases relatives des sources, ce qui suppose 1' existence d'un grand nombre d'éléments. Ce type d'antenne réseau est donc d'autant plus encombrant qu'on souhaite obtenir une finesse de pointage plus importante, ce qui ne convient pas pour des applications embarquées sur satellites. Dans le cas de l'utilisation d'éléments rayonnants en réseau sur une même ouverture rayonnante, et fonctionnant chacun à deux fréquences dis- tinctes, on peut contrôler indépendamment chacun des rayonnement à l'aide d'un duplexeur de fréquence. Mais on rencontre là également, une grande complexité dans le cas où un repointage lent des faisceaux est requis. Un autre dispositif connu d'antenne bifréquence à réseau est présenté en figure 6. Ce type d'antenne comporte deux réseaux de source 1,2, coopérant avec un sous-réflecteur dichrorque 3 assurant la séparation des signaux de fréquence différente pour chacune des sources. Ces réseaux alimentent un système de deux réflecteurs paraboliques confocaux 4-5. Le premier réflecteur rencontré 4 est utilisé sur sa surface paraboloSde convexe de façon que les faisceaux réfléchis en direction du réflecteur principal 5 s'élargissent pour former une image agrandie des réseaux de source. On pourra trouver une description détaillée de ce système dans C.Dragone et M.J. Gans, Bell System Technical Journal 58, N 2. (Février 79). Cette antenne bifréquence connue est difficilement compatible avec les contraintes de mise en orbite des satellites, du fait de sa-complexité et de son encombrement. En outre, il souffre d'aberration. En conséquence, l'objet de l'invention est de fournir une antenne bifréquence à faisceaux orientables indépendants qui pallie les inconvénients relevés ci-dessus des systèmes existants. Un premier objet de l'invention est donc de fournir une antenne bifréquence compacte, constituée d'un faible nombre d'éléments. Un second objet de l'invention est de réaliser une telle antenne qui soit d'un fonctionnement fiable, notamment du fait qu'elle n'est constituée que d'un faible nombre d'éléments, agencés selon un montage peu complexe, ce qui limite les risque de déréglage. Un objet complémentaire de l'invention est de fournir une antenne bifréquence dont les faisceaux peuvent être pointés indépendamment chacun avec une très grande précision. Cette souplesse de fonctionnement de l'antenne suivant l'invention permet notamment la poursuite de deux stations émettriceset/u̲ réceptrices terrestres et/ou satellisées avec un champ angulaire de balayage relativement important dépendant des caractéristiques constructives de chaque mode de réalisation. La précision de pointage obtenue avec l'antenne bifréquence suivant l'invention s'accompagne d'une quasi absence d'aberration, du fait que le nombre de sous-réflecteurs et de miroirs de renvoi est limité au minimum. Ces objets sont atteints à l'aide d'une antenne bifréquence, du type constitué d'un réflecteur principal illuminé par au moins deux sources adjacentes placées dans sa zone focale, et fonctionnant à des fréquences distinctes, caractérisée en ce que ledit réflecteur principal coopère avec un jeu de deux réflecteurs secondaires superposés, dont le premier réflecteur secondaire faisant face au réflecteur principal est dichrolque de façon à être transparent pour les signaux émis par l'une desdites sources, et en ce que l'orientation d'au moins un desdits réflecteurs secondaires est variable par rapport au réflecteur principal. Dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, les deux réflecteurs secondaires sont orientables indépendamment l'un de l'autre, de façon à produire deux faisceaux réfléchis à balayage indé pendant. Comme on le verra ci-après, ce prin cipe de base de l'invention peut s'appliquer dans de nombreux modes de réalisation. Quelques-uns de ces modes de réalisation ainsi que d'autres caractéristi ques et avantages apparattront à la lecture de la des cription suivante de quelques dispositifs donnés à titre d'illustration non limitative et des dessins annexés dans lesquels - la Fig.1 représente une antenne bifréquence selon l'invention, à sources décalées, avec deux réflecteurs secondaires orientables indé pendamment l'un de l'autre. - la Fig.2 représente un mode de réalisation de l'invention du type Cassegrain; - la Fig.3 représente un mode de réalisation de l'invention avec optique agrandissante - la Fig.4 représente un mode de réalisation compact de l'invention, à source décalée; - la Fig.5 représente un mode d'utilisation de l'invention sur une plafonre oeplovaole satellesee - la Fig.6 représente un dispositif a'antenne @ reseau de l'art antérieur, discuté en préa;aaile. La figure 1 représente un mode de réalisation de l'invention du type à deux sources 12,13, décalées par rapport à la portion de paraboloide 11 formant réflecteur principal. Les deux sources 12,13 sont situées de façon adjacente dans le plan focal du réflecteur 11, et dirigées de façon que les signaux qu'elles émettent se réfléchissent d'abord sur ledit réflecteur 11 avant d'être renvoyés sur deux réflecteurs secondaires orientables 14,16. Le réflecteur 14 est un réflecteur dichrorque, qui réfléchit le signal 18 en provenance de la source 12, mais est transparent pour le signal 19 en provenance de la source 13. En revanche, le réflecteur secondaire 16 peut être un réflecteur classique, sa fonction consistant simplement à renvoyer les signaux qui lui parviennent, en l'occurrence le signal 19 en provenance de la source 13. Chacun des deux réflecteurs secondaires 14,16 est orientable gracie à un mécanisme d'en tralnement 15,17 respectivement. Chacun de ces mécanismesa pour fonction de modifier de façon précise et contrôlable l'angle sous lequel les réflecteurs se condaires14,16 reçoivent les signaux 18,19 émis par les sources, ou encore les signaux reçus en provenance de stations spatiales ou terrestres. De façon avantageuse, ces mécanismes 15,17 sont des moteurs linéaires, ou des moteurs pas à pas entraînant de façon précise les récepteurs secondaires en rotation, combinée ou non à un mouvement de translation. Dans d'autres modes de réalisation possibles de l'invention, seul l'un des deux réflecteurs secondaires 14,16 est orientable. Bien entendu, on peut également envisager la configuration selon laquelle les deux réflecteurs secondaires 14,16 sont montés sur un socle mobile commun (non représenté) permettant d'en modifier l'orientation sans modifier leur position relative l'un par rapport à l'autre. Un mécanisme optionnel monté entre le socle commun et l'un des réflecteurs secondaires permet ensuite, si nécessaire, d'obtenir une indépendance d'orientation entre les deux réflecteurs 14,16. Enfin, dans certains cas où le mode de réalisation des moyens d'orientation des réflecteurs secondaires tels que représentés en figure 1 pose des problèmes constructifs difficilement surmontables du fait du porte-à-faux, il est tout à fait envisageable d'équiper chaque réflecteur secondaire d'un mécanisme complémentaire d'orientation à l'extrémité opposée. Dans ce cas la variation d'orientation des réflecteurs résulte de la combinaison de l'action de chacun des mécanismes se trouvant à chaque extrémité. Le fonctionnement de l'antenne bifréquence de la figure 1, en mode d'émission, est donc le suivant : chacune des sources 12,13 émet un signal à une fréquence différente. Les deux ondes sphériques issues des deux sources sont transformées en portions d'ondes équiphases 18,19 par le réflecteur concave 11. Ces deux portions 11 planes rencontrent ensuite le réflecteur secondaire dichrorque 14. Ce réflecteur 14 renvoie l'une des deux fréquences. A cet effet, le réflecteur dichroSque peut fonctionner en filtre de fréquence passe-bas ou passe-haut. Le second signal est réfléchi par le deuxième réflecteur secondaire 16. Le pointage des faisceaux résultants 20,21 est fonction de ltorientation,commandée indépendamment, des deux réflecteurs secondaires 14,16. Comme on peut le voir sur la figure 1, les réflecteurs secondaires 14 et 16 sont orientés de manière à diriger le rayonnement résultant 20,2i dans le demi espace situé du côté des sources par rapport à un plan vertical passant sensiblement par le réflecteur principal 11 tel que schématisé. La figure 2 représente un autre mode de réalisation de l'antenne bifréquence selon l'invention dans lequel les deux sources 12,13 illuminant le réflecteur parabolique 1 sont situées dans la zone centrale de la surface du jeu de réflecteurssecondaires14,16. Cette disposition des sources rappelle la conception des antennes Cassegrain avec le premier réflecteur 11 rencontré par les signaux issus des sources étant un récepteur parabolique concave, et le récepteur final étant constitué par le jeu de réflecteurssecondairesplans 14,16. Cette configuration de la figure 2 présente l'avantage d'être d'une grande compacité, et permet non tamment la réalisation d'une antenne telle que représentée en figure 4. On notera que le principe de l'invention ne se limite pas à la géométrie du réflecteur 11 d'une part, et des réflecteurs secondaires 14,16 d'autre part tels que représentés en figure 1 et 2. L'objectif d'obtenir une onde résultant équiphase en sortie de l'antenne, peut être réalisé par exemple au moyen d'un réflecteur 11 plan, et d'un jeu de réflecteurssecondaires 14,16 paraboliques,ou de toute autre combinaison adéquate de la forme des réflecteurs 11,14,16. La figure 3 représente un troisième mode de réalisation possible de l'antenne bifréquence selon l'invention, permettant d'obtenir une ouverture de sortie agrandie. La configuration se compose des deux sources 32,33 faisant face à un premier réflecteur auxiliaire parabolique 31, renvoyant les signaux des sourcesvers un jeu de réflecteurssecondairesplans34,36. Les deux faisceaux résultants 40,41 sont alors des portions d'ondes équiphases comme obtenues à l'aide de la configuration d'antenne de la figure 1. En sortie de ce "premier étage" sont placés deux réflecteursconfocaux 42,43, disposés de façon que les deux faisceaux 40,41 viennent en incidence sur la partie convexe du premier réflecteur confocal 42, pour être renvoyés vers la partie concave du second réflecteur confocal 43, afin d'obtenir des faisceaux résultants 44,45 émis sur une ouverture agrandie. On constate bien que l'indépendance directionnelle des deux faisceaux est toujours assurée, dans cette configuration, par l'orientation variable de chacun des deux réflecteurs plans34,36 dont le premier réflecteur 34 est dichrorque. La figure 4 représente l'adaptation original du principe de l'antenne bifréquence à faisceauxorientables indépendants suivant l'invention au mode de réalisation protégé par certificat d'utilité français nO 82 13 213 du 28 07 1982, au nom du même déposant, et concernant une 1antenne du type CASSEGRAIN à source primaire excentrée". Dans ce mode de réalisation avantageux, les sources 52,53 sont situées au niveau des réflecteurs plans54,56 présentant un contour élliptique, de façon à émettre des signaux en direction du réflecteur 51 ayant la forme d'une portion de parabolorde. Les deux réflecteurs plan 54,56, à orientation variable, prennent appui par au moins l'une de leus extrémitéssur le support plan 55, auquel ils sont reliés par articulation. Le support plan 55 peut lui-même être monté sur la surface plane 58 par l'intermédiaire de dispositij mécaniques 57 de fixation, et de réglage de l'inclinaison de l'antenne. Un support en tronc de cylindre 59, réalisé dans un matériau perméable aux radiations électromagnétiques, assure la rigidité de l'ensemble, et justifie le découpage de chacun desréflecteursplans54 56 selon un contour sensiblement elliptique. Un blindage de la structure de l'antenne peut être réalisé par application d'un revêtement métallique sur des zones appropriées du support 59, et la structure d'antenne ainsi réalisée peut être emplie d'une mousse transparente aux radiations électromagnétiques pour en améliorer la rigidité, en empêchant la pénétration d'humidité. Ce mode de réalisation se prête tout à fait à la fabrication en grande série de l'antenne bifréquente à faisceaux orientables indépendants suivant l'invention. Enfin, un dernier mode de réalisation de l'invention est représenté en figure 5. Ce mode de réalisation correspond plus particulièrement à l'intégration de l'antenne suivant l'invention sur une plate-forme satellisée. Dans ce cas, l'antenne est déployable, à partir d'une position de lancement dans laquelle l'ensemble des réflecteurs est inscrit à l'intérieur de la coiffe (représentation en pointillé). Le type de coiffe de lancement représenté est ici celle qui appartient à un dispositif de lancement double SPELDA type 10 de l'agence Spatiale Européenne. Lorsque le satellite a été pla- cé en orbite, l'antenne est alors aisément déployée (représentéeen trait plein). Les sources 62,63 sont montées sur le corps du satellite de façon que les signaux qu'elles émettent soient réfléchis par la portion de paraboloSde du réflecteur 61, afin de former les signaux résultants 70,71 via le jeu de réflecteurs secondaires plans 64,66 indépendamment orientables. Ce mode de réalisation convient par faitement à l'application de l'invention dans un satellite-relais, placé sur orbite géostationnaire, et communiquant simultanément avec plusieurs usagers distincts à deux fréquences différentes, par exemple entre 2025 et 2300 MHZ d'une part, et entre 25,25 et 27 GHz d'autre part. Dans le mode de réalisation de la figure 5, et du fait que le SPELDA est sensiblement symétrique par rapport à son axe central vertical, quatre antennes du type représenté peuvent y être déployées indépendamment les unes des autres, ce qui correspond aux possibilités de communication avec huit stations orbitales ou terrestres indépendantes. A titre indicatif, on a calculé qu'un bala yage sur lO e de demi-angle solide permet de poursuivre de façon satisfaisante 2 satellites indépendants en orbite basse a partir d'une antenne suivant l'invention placéeen orbite géostationnaire. Bien entendu, d'autres modes de réalisation et configuration de l'antenne bifréquence à faisceaux orientables indépendants sont envisageables, sans se départir du cadre de l'invention. Il est notamment possible d'utiliser par exemple un petit réflecteur auxiliaire supplémentaire conformé en vue d'augmenter le rendement d'illumination de l'antenne, le réflecteur principal étant lui-même conformé dans cet objectif. L'antenne suivant l'invention constitue donc un mode de réalisation très performant d'un système bifréguence à faisceaux orientables indépendants, présentant les qualités de compacité, de simplicité de mise en oeuvre, et de précision de fonctionnement requises pour les applications spatiales. REVENDICATIONS 10. Antenne bifréquence du type constitué d'un réflecteur principal (11,31,51,61), illuminé par au moins deux sources adjacentes (12,13; 32,33;52,53;62,63) placées dans sa zone focale et fonctionnant à des fréquences distinctes, caractérisée en ce que ledit réflecteur principal coopère avec un jeu de deux réflecteurs secondaires superposés (14,16;34,36;54,56;64,66) dont le premier (14,34,54,64) réflecteur secondaire faisant face audit réflecteur principal (11,31,51,61) est di chronique de façon à être transparent pour les signaux émis par l'une desdites sources (13,33,53,63), et en ce que l'orientation d'au moins un desdits réflecteurs secondaires est variable par rapport au réflecteur principal. 20. Antenne bifréquence selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'orientation desdits réflecteurs secondaires sont constitués par des mécanismes d'entratnement (15,17) situés à au moins l'une de leurs extremités. 30. Antenne bifréquence selon la revendication 1 caractérisée en ce que la position relative des sources et des réflecteurs principal et secondaires, est déterminée de façon que les signaux issus des sources rencontrent d'abord le réflecteur principal puis le jeu de réflecteurssecondaires 40. Antenne bifréquence selon la revendication 1, caractériséeen ce que le réflecteur principal est constitué d'une portion de paraboloSde concave et coopère avec un jeu de deux réflecteurs secondaires plans. 5 . Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réflecteur principal 11 est constitué d'une portion de paraboloide décentrée, lesdites sources(12,13)étant décalées par rapport audit réflecteur principal(11j,et en ce que les réflecteurs secondaires orientables(14,16)sont disposés de manière à diriger les rayonnements finaux d'émission dans le demi espace situé du côté des sources(12,13)par rapport au réflecteur principal(113. 6 . Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les sources(12,13)adjacentes sont disposées dans la région centrale de la surface du jeu de réflecteurs secondaires (14,16, à la manière d'une antenne Cassegrain. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un système supplémentaire de deux réflecteurs paraboliques confocaux (42,43) pour agrandir- l'ouverture de sortie.