Brevet FR2601195A1 — publié le 19880108

?601195 "Antenne à grand balayage avec réflecteur principal et sources fixes, notamment pour une utilisation en hyperfréquences, embarquée sur satellite, et satellite muni d'une telle antenne". L'invention a pour objet une antenne à balayage de construction suffisamment simple et compacte pour pouvoir convenir à une application satellisée. L'antenne selon l'invention fonctionne préférentiellement mais non exclusivement, en hyperfréquences. Elle est en outre réalisable en configuration 10 repliable, et permet l'émission ou la réception de plusieurs faisceaux balayés indépendants. Jusqu'à présent, les antennes à balayage en hyperfréquences ont été conçues essentiellement pour être placées dans les stations terrestres de poursuite 15 de satellites géostationnaires. Récemment, sous la contrainte de la congestion de l'éther en ondesradio, la plus grande précision des trajectoires des satellites sur leur orbite géostationnaire a permis auxconcepteursdes antennes à 20 balayage de réduire la largeur des faisceaux de poursuite. Les antennes ainsi réalisées s'en sont trouvées relativement plus compactes. Des exemplesde réalisation de ces antennes à balayage connues, peuvent être trouvés dans la litté25 rature japonaise. Watanabe et al. décrivent ainsi dans la revue AIAA PAPER 84-0672 1984 une antenne du type à source décalée représentée en figure 5. Cette antenne est à source 80 fixe, mais comporte un jeu relativement complexe de réflecteur mobiles, à savoir deux premiers réflecteurs paraboliques 81,82 rotatifs puis un réflecteur plan 83 formant le système de source périscopique (Beam-WaveGuide(BWG)feeder). Le faisceau résultant est ensuite envoyé vers les deux réflecteurs auxiliaire 84 et secondaire 85 égale35 ment mobiles, avant d'atteindre le réflecteur principal sphérique fixe 86. La totalité des réflecteurs intermédiaires étant mobiles, parfois sur plusieurs axes, l'ensemble présente des exigences de construction très importantes, peu compatiblesavec les contraintes applicables aux antennes embarquées. AKAGAWA et al. (AIAA PAPER 76-303) décrit pour sa part également une antenne à source périscopique représentée en figure 6. Cette antenne est également destinée à effectuer la poursuite des satel10 lites géostationnaires. Elle est constituée d'une source fixe 90 alimentant un réflecteur principal 91 légèrement mobile, après réflexion des faisceaux de sources dans trois réflecteurs secondaires (92, 93,94). Parmi ces réflecteurs secondaires, deux sont mobiles, 15 l'un permettant un déplacement du faisceau pour la poursuite du satellite géostationnaire dans ses excursions en direction perpendiculaire à son orbite, et l'autre assurant sa poursuite dans la direction orbitale. A nouveau, ce système n'est accompli qu'au 20 moyen d'un jeu de plusieurs réflecteurs mobiles ce qui ne convient pas aux applications spatiales. En conséquence, l'antenne selon la présente invention a notamment pour objectif de pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus des systèmes existants. Un premier objet de l'invention est de fournir une antenne à balayage qui soit de forme compacte et de construction simple afin de répondre aux exigences de solidité, de rusticité et de fiabilité 30 requises pour les applications embarquées sur satellites. Un autre objet de l'invention est de réaliser une telle antenne qui soit aisément repliable en configuration de lancement, puis déployable en confi35 guration de fonctionnement en orbite. Un troisième objet de l'invention est de fournir une telle antenne susceptible, dans un des modes de réalisation, de fournir plusieurs faisceaux de balayage indépendants sans nuir à la compacité ni à la simplicité de construction. Un objet complémentaire de l'invention est de fournir une telle antenne qui fonctionne en hyperfréquences, notamment dans les bandes S et Ka. Ces objectifs ainsi que d'autres qui ap10 paraitront par la suite sont obtenus à l'aide d'une antenne à grand balayage, notamment pour une utilisation embarquée sur satellite dans la gamme des hyperfréquences, du type constitué d'une source périscopique (ou encore à faisceau d'ondesguidé), et d'un 15 réflecteur principal fixe, antenne caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un guide d'onde formé chacun d'un premier et d'un second réflecteurs secondaires paraboliques alignés intercalés optiquement entre la sour20 ce et le réflecteur principal, ledit guide d'ondes étant de longueur variable par déplacement d'au moins un desdits réflecteurs secondaires par rapport à l'autre le long de l'axe du guide d'onde4 et rotatif autour de l'axe de la source. Ainsi, lorsque l'antenne est utiliséen émission, les faisceaux issus de la source aboutissent au réflecteur principal selon un angle dépendant de la longueur et de la position angulaire du guide d'ondes En outre, un balayage du faisceau résul30 tant peut être obtenu par variation continue de l'angle de rotation etJou de la longueur du guide d'ondes Selon un mode de réalisation préférentiel les deux réflecteurs secondaires du guide d'ondes sont montés chacun sensiblement à une extrémité d'un 35 bras télescopique à deux éléments, ledit bras étant articulé et mis en rotation autour de l'axe de 2 6 0 1 1 9 5 source sensiblement au niveau du premeir réflecteur et d'autre part muni d'un dispositif d'extension/rétraction linéaire du bras. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture suivante de la description d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention et des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente le principe de fonctionnement de l'antenne à balayage suivant l'invention; 10 - la figure 2 représente un mode de réalisation schématisé de l'antenne suivant l'invention; - la figure 3 représente l'antenne suivant l'invention en configuration déployée sur un satellite. - la figure 4 représente le même satellite 15 comportant ladite antenne en position repliée de-lancement. - la figure 5 représente une antenne de l'art antérieur du type à source décalée; - la figure 6 représente une antenne à source 20 périscopique de l'art antérieur. Le schéma de principe de l'invention de la figure 1 représente le parcours optique complet en mode d'émission. La source 10, fixe, émet dans l'axe 11 en 25 direction du premier réflecteur parabolique 12 du guide d'ondes G. Le faisceau parallèle résultant est renvoyé en direction du second réflecteur parabolique 13 du guide d'ondes. Ce second réflecteur 13 aligné avec le premier réflecteur 12 selon 1 'axe 14, de telle manière que le guide d'ondes présente les pertes en 30 rayonnement les plus faibles possibles. Le réflecteur 13, convexe ou concave, renvoie enfin le faisceau issu de la source fixe 10 vers le réflecteur principal fixe pour former le faisceau de sortie 16 de 1 'antenne. Les deux propriétés du guide d'onde G, qui formnent 35 la caractéristique essentielle de la présente invention, apparaissent également sur la figure 1. Tout d'abord, alors que la source 10 et le réflecteur principal 15 sont fixes, la modification d'orientation et par conséquent le balayage du faisceau de sortie 16,est obtenue,dans le plan du 5 dessin, par déplacement du second réflecteur parabolique 13. Ce déplacement du réflecteur 13 s'effectue exclusivement selon l'axe 14 d'alignement des deux réflecteurs 12,13 du guide d'ondesG, comme schématisé par la flèche 17. Ainsi, autour de sa position jentrée, le réflecteur 13 peut évoluer, soit vers la gauche du dessin (Position 18), soit vers la droite (position 19). En d'autres termes, un premier moyen permettant d'obtenir la modification d'orientation du faisceau résultant 16 est de faire varier la longueur du guide d'ondesG, en l'occurence par déplacement du réflecteur 13 le long de l'axe 14 du guide G. Quelque soit la position du réflecteur 13, celui-ci renvoi l'image de la source dans le plan 20 focal 20 du réflecteur principal 15. Les pertes minimales sont obtenues pour la position centrée du réflecteur secondaire 13 représentée en trait plein. La deuxième caractéristique fondamentale de l'invention permettant la modification de l'orien25 tation du faisceau de sortie 16 est la rotation du guide d'onde G autour de l'axe 11 de la source 10. Cette rotation doit s'effectuer sans modification relative de l'orientation des deux réflecteurs 12,13 l'un par rapport à l'autre. En d'au30 tres termes, c'est l'axe 14 d'alignement des deux ' réflecteurs 12, 13 qui est entrainé en rotation autour de l'axe 11. Du fait que,dans l'exemple représenté, la source 10 émet une onde sphérique, la rotation 35 du guide d'onde n'induit aucune déformation du 6 2601195 faisceau traversant le guide d'onde. En revanche, l'incidence du faisceau renvoyé par le réflecteur secondaire 13 du guide G sur le réflecteur principal 15 est modifiéeen relation directe avec l'angle de rotation du guide G autour de l'axe 11. Il en résulte une modification d'orientation correspondante du faisceau de sortie 16. On concoit donc que par une modification combinée des deux paramètres variables détaillés 10 ci-dessus, à savoir le déplacement du réflecteur secondaire 13 par rapport au réflecteur 12 le long de l'axe 14 du guide d'ondesG d'une part, et la rotation de la totalité du guide d'ondesG autour de l'axe 11 de la source 10 fixe, d'autre part on obtient une capa15 cité d'orientation du faisceau de sortie 16 dans une grande gamme de balayage. On constatera que ce résultat est obtenu à l'aide d'une antenne dont la source 10 et le réflecteur principal 15 sont fixes. Ceci permet donc d'obtenir une construction très simple pour l'ensemble de l'antenne, puisque la source étant fixe, on évite d'avoir à utiliser des joints rotatifs qui sont à l'origine de pertes importantes lors du fonctionnement en haute fréquence, ou encore de prévoir 25 la mobilité d'une partie du module d'émission-réception. Par la fixité de l'élément le plus lourd et le plus volumineux de l'antenne, à savoir le réflecteur principal 15, on économise à la fois sur la 30 puissance qu'il aurait été nécessaire de mettre en oeuvre pour son déplacement et sur l'encombrement représenté par son débattement. Enfin, la compacité du guide d'ondesqui permet par ses mouvements de rétrécissement /allonge35 ment et de rotation d'obtenir le balayage du faisceau de sortie 16 permet d'obtenir la compacité de l'ensemble, ainsi que la simplicité et la sécurité des opérations de repliement de l'antenne comme on le verra ci-après. Un autre avantage résultant de la fixité du réflecteur principal est qu'il est tout à fait possible de l'utiliser pour réfléchir des faisceaux provenant de plusieurs sources différentes. En effet, la position du réflecteur principal 15 restant fixe, l'incidence de chaque faisceau sur le réflecteur 15 10 peut être modifiée séparément sans influence sur les autres faisceaux. Les deux caractéristiques essentielles de l'antenne suivant l'invention peuvent être mises en oeuvre selon le mode de réalisation représenté 15 en figure 2. Dans ce mode de réalisation, le guide d'ondesG est constitué par les deux réflecteurs paraboliques 12,13 nontés sur un bras télescopique rigide 21. Ce bras rigide est articulé en 22 autour de l'axe 11 de source. D'autre part, le réflecteur rigide 13 est 20 déplaçable longitudinalement le long du bras 21 au moyen d'un dispositif de déplacement linéaire 23. Tant lesmoyens de rotation 22 du bras 21, que le dispositif 23 de déplacement du réflecteur secondaire 13 peuvent être réalisés par tous moyens 25 connus. A titre d'exemple, l'antenne de la figure 1 peut être réalisée pour fonctionner dans la bande Ka (environ 26 GHz) avec un faisceau pouvant être balayé dans un c6ne de 100 de demi-angle. Plus précisément, le dessin correspond à un fonctionnement d'une telle antenne dans laquel1le le balayage est relativement grand pour une ouverture à mi-puissance relativementgrande de l'ordre de 35 à 40 . Les caractéristiques dimensionnelles de ce mode de réalisation sont les suivantes: l 15 distance focale des réflecteurs 12,13 du guide d'onde G 0, 207 m diamètre d'ouverture des réflec- i teurs 12,13 0,356 m demi-angle d'inclinaison des i réflecteurs 12,13 23,3 distance entre les foyers des réflecteurs 12,13 pour un faisceau incident centré sur le ré- flecteur principal 15 2,417 m déplacement du second réflec- teur 13 permettant un balayage i de 10 0,563 m distance focale du réflecteur i principal 3, 24 m diamètre d'ouverture du réflec- I teur principal 2,7 m hauteur du réflecteur principal 0,14: Dans cet exemple non optimisé, les pertes de balayage pour un balayage sur 10 sont de l'ordre de 2 dB. Il est à noter que, dans un autre mode de réalisation de l'invention, il est tout à fait pos25 sible d'interposer un réflecteur secondaire supplémentaire entre les réflecteurs 12,13 du guide d'ondes G, C la condition que ce réflecteur supplémentaire (non représenté) soit.dichroique. Ceci permet alors avantageusement d'ali30 menter le guide d'ondesà l'aide de deux sources, dont les fréquences de fonctionnement sont suffisamment éloignées pour que le réflecteur dichro!que ne réfléchisse que le faisceau issu de l'une des sources, et soit transparant pour l'autre faisceau qui sera 35 réfléchi sur le réflecteur 13. 9 2601195 Dans ce cas, la même antenne avec le même encombrement, permet d'obtenir deux faisceaux de balayage indépendants. En outre, dans le mode de réalisation du guide d'ondesG dans lequel seul deux réflecteurs secondaires 12,13 sont employés, le second réflecteur 13 peut être réalisé dichrolque dans le seul objectif de constituer un filtre sélectif de réflexion,ciblé sur la seule gamme de fréquencesdes rayonnements 10 émis par la source 10. Il est alors transparent pour les rayonnements d'autres fréquences, qui ne sont donc pas renvoyés sur le réflecteur principal 15. La figure 3 est une vue d'artiste 15 de l'antenne suivant l'invention,montée sur un satellite en configuration déployée. On reconnaîtra que le satellite représenté comporte deux antennes suivant l'invention montées symétriquement, avec deux réflecteurs principaux indépendants 15a, 15b, alimentés par deux sources distinctes 10a, 0lob à travers deux guides d'ondescorrespondantsGa, Gb. Cette double implantation de l'antenne suivant l'invention est assurée sur la figure 3 sur un satellite du type Eurostar, en combinaison avec, pour chaque réflecteur 25 principal 15a, 15b, une source additionnelle 30a, 30b respectivement,fonctionnant dans une gamme d'onde différente de celle des sources 1Oa, 0lob. Le satellite représenté est également pourvu d'une charge utile 39. Ce satellite ainsi défini peut avantageusement être utilisé comme satellite-relais de transmission de données capable de produire quatre faisceaux indépendants. Par exemple, chacun des réflecteurs 35 principaux 15a, 15b sera amené à renvoyer,d'une part, 2601195 un faisceau de la bande Ka (25,25 à 27 GHz) alimenté par le guide d'ondesGa, Gb respectivement, et d'autre part un faisceau en bande S (2025 à 2300 MHz) alimenté par les sources supplémentaires (30a,30b) respectivement. Les guides d'ondesGa, Gb de la bande Ka sont montés sur un bras télescopique du type représenté en figure 2, avec un dispositif 23a,23b d'extension ou/rétrécissement du bras. Pour sa part, la source en bande S, 30a, b de chaque réflecteur principal 15a, 15b est montée au bout d'un bras articulé 31a,31b. Le principe retenu ici pour la source S est par exemple celui d'un réseau de source imprimé. Il peut s'agir 15 par exemple d'un réseau de guide d'ondes à ruban à large bande composé d'éléments à encoches (pour améliorer la directivité). Chacune des sources imprimées 30a,30b est connectée au module fixe émission/réception par joints et câbles rotatifs 20 ce qui est acceptable pour les fréquences de la bande S. Bien entendu, le système de guide d'ondes décrit précédemment à propos de la bande Ka pourrait aussi bien être utilisé pour la bande S. Les sources 30a,30b en bande S se dépla25 cent dans le plan focal des réflecteurs principaux a, 15b respectivement. Afin de ne pas entraver les déplacements des guides d'ondesGa, Gb, le second réflecteur secondaire 13a,13b est convexe afin de pouvoir être placé sur un plan plus proche du ré30 flecteur 15a, 15b. Bien entendu, ces modes de réalisation ne constituent en aucune manière une limitation de la portée de la présente invention mais simplement un mode illustratif de la manière selon laquelle 35 ils peuvent être mis en oeuvre. il 2601195 La figure 4 constitue également une vue d'artiste de la manière dont les deux ensembles d'antennesnontés sur le satellite de la figure 3 peuvent être repliés en position de lancement, par exemple lorsqu'ils sont placés sous la coiffe d'un lanceur du type Ariane. En fait, on constate que les deux réflecteurs principaux 15a, 15b sont complètement repliés sur la partie supérieure du satellite, les bras sup10 port 32a,32b étant ramenésverticalement contre deux parois latérales opposéesde la charge utile 39. Pour leur part, les deux bras 31a,31b d'extension des sources 30a,30b en bande S s'enroulent en quelque sorte le long de la partie supérieure sur 15 deux côtés adjacents de la charge utile. Enfin, les guides d'ondesGa, Gb viennent s'appliquer, après rétraction jusqu'à une distance minimale entre les paires de réflecteurs secondaires, légèrement en-dessous des bras 31a, 31b. L'antenne suivant l'invention répond donc parfaitement aux exigences requises pour la satellisation, et permet d'obtenir des ensembles satellisés de grande compacité er. phase de lancement, mais d'une grande souplesse d'exploitation, avec un angle de balayage relativement large en configuration déployée en orbite. On constatera que la configuration représentée en figure 3 et 4,munie de deux réflecteurs principaux symétriques alimentés chacun par deux sources fonctionnant dans des gammes différentes,autorise également une très grande souplesse de fonc-' tionnement. Il est même envisageable,dans le cas ou le satellite,employé comme relais, serait amené à pointer vers un même autre satellite dans les deux gammes de fréquence, d'utiliser chacun des réflecteurs 12 2601195 principaux 15a, 15b pour une fréquence différente afin d'éviter les effets d'ombre qui se produiraient lors du positionnement coaxial de la source en bande S et du second réflecteur secondaire en bande Ka situés d'un même côté. Bien entendu, les fréquences de fonctionnement prises comme exemple dans les modes de réalisation détaillés ci-dessus ne constituent en aucune façon des limitations de la portée de l'inven10 tion. 13 2601195 REVENDICATIONS 1 .Arntenne à grand balayage, notanTent pour une utilisation embarquée sur satellite et un fonctionnement dans la gaimmne des hyperfréquences, du type constituée d'une 'source 5 et d'un réflecteur secondaire principal fixe, antenne caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un guide G formé chacun d'un premier et d'un second réflecteurs seoonaires (12,13) parabolique alignés optiquement selon l'axe du guide d'ondes G entre la source 10 et le réflecteur principal 15, ledit guide 10 d'ondes G étant d'une part variable en longueur par déplacement d'au mins -fu (13) u*suits reflecteurb cci3nairts Vr rappor à l'autre (12) le long dce l'axe (14) du nuice d'ondes G, et d'autre part rotatif autour de l'axe (11) de la source (10). 2 . Antenne suivant la revendication 1, caractérisée 15 en ce que les deux réflecteurs secondcaires (12,13) du guide d'ondes G son.t.nt..es &- cr > se=1ible-ont b m exutr4tt- d'un bras télescopique (21) à deux éléments, ledit bras étant articulé et asservi en rctation autour de l'axe (11) de la source (10) sensiblement au niveau du premier réflec20 teur secondaire (12), et étant muni d'un dispositif (23) d'extension/rétraction linéaire du bras (21). 3 . Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le second réflecteur (13) du guide d'ondesG est convexe. 40. Antenne suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le second réflecteur secondaire (13) du guice d'ondes(G) est dichroique. . Antenne suivant la revendication (4) caractériséeen ce qu'elle comprend deux réflecteurs 30 secondaires (13) en alignement avec le premier réflecteur secondaire (12) sur l'axe (14) du guide, le réflecteur secondaire intermédiaire étant dichroIque. 60. Antenne suivant l'une quelconque des 35 revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit 14- 2601195 1 4 réflecteur principal (15) coopère également avec une seconde source (30) indépendante de la source (10) et du guide (G). 7 . Satellite-relais de communication de données, caractérisé en ce qu'il est muni d'au moins une antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.