Brevet FR2652952A1 — publié le 19910412

L'invention se rapporte à une antenne à balayage électronique en émission. Un ouvrage intitulé "télécommunications spatiales" de la collection technique et scientifique des télécommunications notamment dans son tome I pages 92 à 94 et pages 259 à 261 (Masson, 1982) décrit d'une part le fait de grouper plusieurs antennes, alimentées simultanément par le même émetteur avec interposition de diviseurs de puissances et de déphaseurs, les caractéristiques de rayonnement de ce groupement dépendant à la fois du diagramme de chaque antenne et de la répartition des puissances en amplitude et phase. Cette propriété est mise à profit pour obtenir un diagramme qui ne pourrait pas être obtenu avec une seule source rayonnante. Si, en outre, on modifie les caractéristiques des diviseurs de puissance et des déphaseurs par des moyens électroniques, on peut obtenir une modification quasi-instantanée du diagramme. Le groupement le plus simple de sources rayonnantes est le réseau, dans lequel toutes les sources sont identiques et se déduisent l'une de l'autre par une translation quelconque. On peut réaliser ainsi des réseaux rectilignes ou plans. Ce document décrit, d'autre part, l'utilisation d'antennes à réflecteur pour la génération de plusieurs faisceaux mobiles qui présentent l'avantage d'une faible masse liée à l'utilisation d'étages amplificateurs optimisés. Le système d'illumination du réflecteur est en général, décentré par rapport à celui-ci de façon à éviter tout blocage de l'ouverture rayonnante et faciliter l'implantation sur la plateforme dans le cas d'une application spatiale. Le réflecteur principal est par exemple un paraboloide. Les faisceaux mobiles sont en fait la combinaison de faisceaux élementaires, obtenus en plaçant un ensemble de sources d'illumination au voisinage du foyer, chaque source correspondant à un faisceau élémentaire. Du fait que l'on ne peut pas les placer exactement au foyer, l'illumination n'est pas géométriquement parfaite et il se produit des aberrations de phase qui dégradent quelque peu les performances de rayonnement, donc des baisses de gain par rapport aux valeurs réalisables au foyer. Ces dégradations sont d'autant plus importantes -2- que l'on s'écarte du foyer et que la courbure du réflecteur est importante. On doit donc réaliser des réflecteurs aussi "plats" que possible, c'est-à- dire avec un rapport distance focale à diamètre d'ouverture élevé. Ceci conduit à des structures de dimensions importantes qui posent des problèmes de précision et de tenue mécanique. Les applications spatiales, qui nécessitent une déflexion électronique de l'onde rayonnante sur un large champ de vue, conduisent à des déviations angulaires de plusieurs largeurs de pinceau. En conséquence la possibilité de contrôler précisément la forme du diagramme de l'antenne est essentielle. La configuration de ces grandes antennes doit aussi tenir compte de plusieurs aspects système: - limitation en volume du satellite, liée à la nécessité pour une antenne de transmettre et de recevoir simultanément; compatibilité d'un agencement mécanique aisé sur la plate-forme, et sur le lanceur avant et pendant le fonctionnement; - bon contrôle thermique; - multiplicité éventuelle des missions et des utilisateurs. L'invention a pour but de résoudre ces différents problèmes. Elle propose à cet effet une antenne à balayage électronique en émission comprenant un réseau de sources élémentaires, caractérisée en ce qu'elle comprend un réflecteur focalisant l'énergie, le réseau étant situé dans la zone focale du réflecteur, de manière à réaliser la synthèse du champ électromagnétique dans cette zone focale, et en ce que la zone de couverture est réalisée par m spots, m étant au moins égal à deux, chaque spot utilisant le même nombre de sources élémentaires actives qui fonctionnent de manière non simultanée. Par rapport aux solutions mécaniques, l'invention présente l'avantage de ne pas nécessiter de mouvements de la source ou du réflecteur. Elle permet d'utiliser des focales faibles (antenne compacte), et d'assurer plusieurs liaisons simultanées. Les avantages par rapport à une solution réseau à rayonnement direct sont les suivants: - La performance de l'antenne n'est pas liée directement à la dimension totale du réseau; - L'implantation n'est pas obligatoirement sur la face terre du - 3 - satellite. Par rapport à une solution réseau imageur à simple réflecteur, la solution proposée présente les avantages suivants: - la dimension hors tout de réseau est réduite; - l'efficacité antenne est améliorée. Enfin, si on compare la solution proposée à une solution réseau imageur à double réflecteur, la compacité de l'antenne de l'invention est clairement mise en évidence. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles: - la figure 1 illustre schématiquement l'antenne à balayage selon l'invention; - la figure 2 illustre l'arrangement en classe du réseau; - la figure 3 illustre une première réalisation d'un électronique d'alimentation et de commande de l'antenne selon l'invention; - la figure 4 illustre un étage de l'électronique telle que représentée à la figure 3; - la figure 5 illustre une seconde réalisation d'une électronique d'alimentation et de commande de l'antenne selon l'invention. L'antenne de l'invention, représentée à la figure 1, comprend un réflecteur parabolique 10 excentré alimenté par un réseau plan 11 de sources situé au voisinage du foyer F du réflecteur, le réseau 12 représentant le réseau de sources virtuelles, correspondant à ce réseau 11. Dans l'antenne selon l'invention, on joue uniquement sur la phase de chaque source élémentaire; ce qui permet de réaliser la synthèse optimale de chaque source élémentaire comme si elle était au foyer F du réflecteur. Un tel fonctionnement permet de réaliser une antenne dont le gain ne dépend pas de la direction de pointage, tout en maintenant fixes le réflecteur 10 et le réseau 11 de sources élementaires. Lorsque la couverture spécifiée est réalisée en utilisant plusieurs spots, la performance de directivité antenne est définie par le niveau de recouvrement des spots. On peut d'ailleurs donner des formes -4appropriées aux sources dans le plan focal pour améliorer l'efficacité de l'antenne. Ainsi l'antenne de l'invention est prévue pour un nombre m de spots, un nombre f d'élements rayonnants ou sources correspondant à chaque spot. Tous les éléments rayonnants, correspondant à un spot donné, fonctionnent de manière non simultanée. Pour réaliser une couverture entière on utilise m spots, chaque spot comportant f éléments. Certains éléments n'appartiennent qu'à un spot. Les éléments sont regroupés en classes de telle sorte qu'à un instant donné un seul élément d'une classe soit utilisé. En contraignant les spots à utiliser le même nombre de sources actives et en limitant le contr8le des éléments, par exemple à un contr8le de phase (tous les éléments ayant le même poids en amplitude), on obtient des performances limitées de l'antenne. Par contre, l'architecture du sous-système est simplifiée. En effet, en considérant la matrice faisant correspondre les m spots aux n sources, par la relation des f sources actives pour un spot donné, il est possible d'identifier des classes d'éléments fonctionnant non simultanément. Une définition adéquate des spots permet d'obtenir une configuration selon laquelle les f sources actives correspondent à f classes d'éléments fonctionnant de manière non simultanée, et ceci pour tous les spots. Un exemple d'organisation en classes pour un réseau de 64 éléments rayonnants ou sources correspondant à 8 classes à 8 éléments est donné à la figure 2: chaque classe étant représentée par un numéro différent allant de 1 à 8. Une réalisation d'une électronique d'alimentation et de commande d'une telle antenne selon l'invention, telle que représenté à la figure 3, comporte: - un diviseur de puissance 15 à une entrée E et m sorties qui forment m voies V1 à Vm séparées; - et sur chaque voie (Vi) (qui correspond à une classe): un dispositif de contrôle 16 comprenant un déphaseur réglable 17; 35. un commutateur, ou "switch", bas niveau 19 permettant de relier une entrée à une des f sorties; - 5- un étage d'amplification 20 à f entrées et f sorties comprenant un premier et un second coupleurs généralisés 21 et 22 disposés de part et d'autre de f amplificateurs 23 disposés en parallèle; f f iltres 24 disposés en parallèle entre les f sorties de l'étage d'amplification 20 et f éléments rayonnants Sil à Sif du réseau pour former un spot SPi. Le diviseur de puissance 15 est constitué d'un ensemble de coupleurs hybrides 25 qui sont combinés entre eux pour former m sorties. Un étage d'amplification 20 comprend un premier et un second coupleurs généralisés 21 et 22 respectivement formés d'une association de coupleurs hybrides 25 de part et d'autre d'amplificateurs 23 de telle façon que chaque entrée du premier coupleur 21 soit répartie sur tous les amplificateurs 23 et donc sur toutes les sorties des coupleurs hybrides du premier coupleur généralisé 21. Dans cet étage d'amplification 20 un signal appliqué à la première entrée, par exemple, ressort amplifié sur la première sortie. Ainsi si un signal est appliqué à l'une des entrées d'un étage (de rang i par exemple), à la sortie correspondante (de rang i) le signal sera amplifié par tous les amplificateurs et aucune autre sortie ne recevra de signal. Un schéma détaillé de l'étage d'amplification est représenté à la figure 4. Les amplificateurs de puissance 23 reçoivent sur leurs entrées respectives un signal provenant de chaque faisceau, à un niveau quasi- identique. On obtient une répartition de charge quasi-uniforme sur toutes les entrées des amplificateurs 23. On reconstitue ensuite les signaux à l'aide du deuxième coupleur généralisé 22 qui a une structure inverse de celle du premier. Les amplificateurs 23 ont ainsi une puissance d'entrée constante et peuvent ainsi fonctionner à leur capacité nominale. Ainsi dans l'électronique d'alimentation et de commande, tel que représenté à la figure 3, un commutateur (19), dit "commutateur de classe", peut adresser n'importe quel élément rayonnant d'une classe, sans que le fonctionnement des amplificateurs ne soit affecté. Il en est de même pour toutes les classes, et donc pour tous les amplificateurs. Les circuits d'atténuation (18) et de déphasage (17) sont pilotés par une unité de commande non représentée sur les figures. - 6 - L'électronique d'alimentation et de commande de l'antenne, tel que représenté sur la figure 3, ne possède qu'une entrée E c'est-à-dire qu'elle ne fonctionne qu'avec un seul utilisateur, mais elle peut aussi fonctionner avec p utilisateurs, comme représenté à la figure 5. A titre d'exemple les électroniques d'alimentation et de commande des figures 3 et 5 sont représentées avec 8 spots (m=8), et 8 sources correspondant à chaque spot (f=8); On définit ainsi un réseau de 64 éléments rayonnants correspondant à 8 classes de 8 éléments. La réalisation d'un faisceau donné est donc obtenue lorsque 8 éléments, appartenant respectivement à chacune des 8 classes, sont adressés avec 8 valeurs de phases, pour réaliser après amplification un ensemble de 8 spots. On obtient ainsi un fonctionnement multi-spots simultané et donc à un optimum de la synthèse du faisceau émis. Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et que l'on pourra remplacer ses éléments constitutifs par des éléments équivalents sans, pour autant, sortir du cadre de l'invention. - 7 - REVENDICATIONS 1/ Antenne à balayage électronique en émission comprenant un réseau (11) de sources élémentaires, caractérisée en ce qu'elle comprend un réflecteur (10) focalisant l'énergie, le réseau (11) étant situé dans la zone focale du réflecteur, de manière à réaliser la synthèse du champ électromagnétique dans cette zone focale, et en ce que la zone de couverture est réalisée par m spots (SPi), m étant au moins égal à deux, chaque spot (SPi) utilisant le même nombre de sources (SPi)élémentaires actives qui fonctionnent de manière non simultanée. 2/ Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte une électronique d'alimentation et de contrôle comprenant: - au moins un diviseur de puissance (15) à une entrée et m sorties qui forment m voies (V1 à Vm) séparées; - et sur chaque voie (Vi) 15. un dispositif de contrôle (16) un commutateur bas niveau (19) permettant de relier une entrée à l'une des f sorties; un étage d'amplification (20) à f entrées et f sorties; f filtres (24) disposés en parallèle entre les f sorties de l'étage d'amplification (20) et f éléments rayonnants (Sil à Sif) du réseau pour former un spot (SPi). 3/ Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le diviseur de puissance (15) comprend un ensemble de coupleurs hybrides (25) qui sont combinés entre eux pour former m sorties. 4/ Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le dispositif de contrôle (16) comprend un déphaseur réglable (17). / Antenne selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étage d'amplification (20) comprend un premier et un second coupleurs généralisés (21 et 22) disposés de part et d'autre de f amplificateurs (23) en parallèle, de telle façon qu'un signal appliqué à la première entrée ressorte amplifié sur la première sortie. 6/ Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que le premier et le second coupleurs généralisés-(21 et 22), sont respectivement formés d'une association de coupleurs hybrides (25), de telle façon que chaque entrée du premier coupleur (21) soit répartie sur tous les amplificateurs (23) et donc sur toutes les sorties des coupleurs - 8 - hybrides du premier coupleur généralisé (21), le second coupleur généralisé (22) ayant une structure inverse de celle du premier.