Brevet FR2670052A1 — publié le 19920605

Antenne émission reconfigurable. L'invention se rapporte à une antenne émission reconfigurable multiaccès et multispot. Dans le cas général des missions spatiales, l'évolution des transmissions satellite vers des utilisateurs à capacité réduite, implique une augmentation de la qualité de réception du segment embarqué Cette augmentation de capacité est obtenue par l'accroissement des gains d'antenne bord, ce qui a pour effet de réduire leurs couvertures. Ces réductions de couverture nécessitent, pour assurer la continuité du service, de générer plusieurs faisceaux: De telles couvertures multispots rendent possibles une meilleure gestion des capacités bord en fonction: de densités différentes de traffic, d'évolutions dans le temps des densités de traffic. Pour un système de satellites à couverture mondiale, il est avantageux de pouvoir remplacer un satellite défaillant, ou en fin de vie, par un satellite occupant une autre position orbitale Ce qui a pour effet de nécessiter des couvertures multispots reconfigurables. Les antennes actives de type réseau à rayonnement direct ou réseau focal permettent de solutionner de tels problèmes de reconfigurabilité de couverture et d'échange de capacité entre spots Elles présentent, toutefois, l'inconvénient d'une complexité25 importante Elles permettent, de plus, un échange de puissance et une reconfigurabilité réduite. Ainsi une demande de brevet français, déposée le 18 Mars 1988 sous le numéro 8803547, décrit une antenne à reconfiguration électronique en émission comprenant un réflecteur focalisant l'énergie, un réseau de sources élémentaires situé dans la zone focale de ce réflecteur, une électronique d'alimentation et de commande comprenant un premier et un second coupleurs généralisés disposés de part et d'autre de plusieurs amplificateurs, et des circuits de formation de faisceau correspondant chacun à un35 faisceau émis; l'amplitude et la phase relative des signaux sortant -2- de ces circuits étant contrôlés respectivement par un déphaseur réglable et un atténuateur réglable. Ce type de solution présente l'inconvénient d'une reconfigurabilité limitée à des spots générés par des sources ou des groupes de sources distincts. L'objet de la présente invention est d'offrir la souplesse d'échange de traffic et de reconfiguration, nécessitée pour les missions citées, sans présenter les inconvénients des solutions précédentes.10 Elle propose à cet effet une antenne émission reconfigurable comprenant un réflecteur focalisant l'énergie, un réseau de sources élémentaires situé dans la zone focale du réflecteur, de manière à réaliser la synthèse du champ électromagnétique dans cette zone, caractérisée en ce que en ce que la réalisation d'un spot (S Pi)15 résulte du rayonnement d'un nombre fixe et identique de sources pour tous les spots; une source participant au plus au rayonnement d'un spot et en ce qu'une commutation haut niveau permet de reconfigurer les spots en sélectionnant les sources participant à un spot donné. Avantageusement une telle antenne permet d'échanger de la puissance entre plusieurs spots avec un rendement d'amplification optimum tout en permettant de les reconfigurer. Chaque spot étant constitué de la juxtaposition des faisceaux de N sources (par exemple 3), chacune de ces sources et tous les connecteurs associés supportent la puissance transmise par le spot divisée par n. 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:30 la figure 1 illustre schématiquement une antenne à balayage de l'art connu; la figure 2 illustre le fonctionnement de l'antenne selon l'invention; les figures 3 à 5 illustrent schématiquement plusieurs réalisations d'une électronique d'alimentation et de commande de -3- l'antenne selon l'invention. L'antenne de l'art connu représentée à la figure 1, comprend un réflecteur parabolique 10 excentré illuminé par un réseau plan Il de sources situé au voisinage du foyer F du réflecteur, le réseau 12 représentant un réseau de sources virtuelles, correspondant à ce réseau plan 11 Dans cette antenne, 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 élémentaires. Lorsque la couverture spécifiée est réalisée en utilisant plusieurs spots, la performance de directivité antenne est définie par le niveau de recouvrement des spots. Dans l'antenne multiaccès et multispots selon l'invention, la génération d'un spot résulte du rayonnement de N sources par exemple 3, situées dans un réseau plan voisin du foyer F du réflecteur Ce nombre est identique pour tous les spots, une20 source participant, au plus, au rayonnement d'un seul spot. Sur la figure 2 est représenté un spot à deux instants successifs, soient S Pl et SP 1 ', en conservant par exemple une source 513 commune à ces deux spots. La description ci-après de la figure 3 est destinée à faciliter la compréhension de l'invention Dans ce but on relate le routage et le rayonnement d'un signal injecté à une entrée E du bloc diagramme du sous-système antenne selon l'invention. Soit le signal E 1 à la première entrée du sous-système Ce signal E 1 est amplifié avec un gain d'amplification contrôlable par l'amplificateur à gain variable 18 Ce signal amplifié est divisé, en trois composantes E 1 l, E 12,E 13, d'égale amplitude, dans le diviseur 26 Chacune de ces trois composantes E l,E 12,E 13 est routée respectivement vers l'une des trois entrées e 1 l, e 12, e 13 de trois blocs 20 d'amplification forte puissance.35 Le signal E 1 l est divisé en quatre composantes d'égale -4- amplitude par le coupleur 21 Ces composantes sont amplifiées par les quatre amplificateurs 23, recombinées par le coupleur 22, et routées vers la sortie 51 i. De manière identique les composantes E 12 et E 13 sont amplifiées et routées vers les sorties 512 et 513 ' Ainsi les signaux Eil, E 12 et E 13 sont routés vers les éléments rayonnants Sil, S 21532 respectivement au travers des matrices de commutation 24 Le rayonnement par ces sources S l,521 ' et 532 des signaux El, E 2 et E 3 constitue la couverture S Pl par les trois spots élémentaires sp 1 l, sp 21, sp 32. On peut alors effectuer une modification de couverture et, à titre d'exemple, pour le signal E 1, la zone de rayonnement de l'antenne soit la couverture S Pl est modifiable en une zone correspondant à la couverture S Pl'(sp 12, sp 21, sp 31) en commutant respectivement les sources (Sil, 532 en 512 ' 531) Cette commutation correspond à une reconfiguration de deux matrices de commutation 24; La dernière matrice n'étant pas reconfigurée Cette reconfiguration d'antenne n'affecte pas le fonctionnement des amplificateurs 23. Dans un fonctionnement multispot (SP 1, SP 2), de manière identique au fonctionnement décrit ci-dessus pour un signal injecté à la première entrée du sous-système, un deuxième signal peut être injecté de manière simultanée à la seconde entrée sans que le fonctionnement pour le premier signal ne soit affecté. La restriction pour ce second signal est qu'il n'utilise pas les sources de rayonnement utilisées pour le premier signal. Ainsi ce système à étages amplificateurs 20 à deux entrées est compatible de deux signaux rayonnés simultanément si et seulement si les sources utilisées par ces deux signaux à un instant donné30 sont distinctes. Il est, bien entendu, possible de généraliser ce concept à m spots: Une réalisation d'une électronique d'alimentation et de commande d'une telle antenne selon l'invention, telle que -5- représenté à la figure 4, comporte alors m entrées E 1 à E correspondant à m spots S Pl à S Pm délimitant m couvertures sur la surface terrestre; un amplificateur variable 18 étant disposé sur chacune de ces entrées; un nombre N de voies; N correspondant au nombre de sources par spot (n = 3 sur la figure 3) et sur chaque voie (Vi): un étage d'amplificateur 20 à m entrées correspondant aux m entrées E à E et m 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; un circuit 24 de connexion et de commutation haut niveau permettant de faire correspondre à chaque spot SP 1 S Pm N sources élémentaires; Ce circuit étant formé d'un certain nombre de liaisons fixes, et d'un certain nombre de commutateurs pour permettre des liaisons entrées- sorties variables ou non dans le temps;. p filtres 25 disposés en série entre les p sorties du circuit 24 et p sources S ij du réseau correspondant à cette voie Vi. L'étage d'amplification 20 comprend un premier et un second coupleurs généralisés 21 et 22, respectivement formés d'une association de coupleurs hybrides, de part et d'autre d'amplificateurs 23 de telle façon que chaque entrée du premier25 coupleur 21 soit répartie sur tous les amplificateurs 23 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 sera30 amplifié par tous les amplificateurs et aucune autre sortie ne recevra de signal à un niveau significatif 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 les35 entrées des amplificateurs 23 On reconstitue ensuite les signaux à -6- 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. Cet arrangement 20 de coupleurs hybrides et d'amplificateurs est connu de l'homme de l'art sous le vocable de "amplificateur multiport" Pour ce type d'étage amplificateur, si on considère une somme constante de puissance des signaux d'entrées non cohérents, la charge d'entrée des amplificateurs est constante quelque soit la répartition des signaux d'entrées D'autre part, cette distribution est reproduite en sortie de l'étage. Le nombre p de sources Sij correspondant à une voie Vi peut être égal ou supérieur au nombre m de sorties de l'étage amplificateur 20. Chaque spot S Pl étant réalisé avec un nombre constant N de sources, par exemple 3, ces N sources, pour des raisons de non cohérences des signaux dans les étages multiports, sont connectées à N étages "multiport" 20. Comme représenté sur la figure 4 on peut regrouper tous les premiers coupleurs 21 en un seul, et par conséquence après les amplicateurs 23 on divise chaque sortie d'amplificateur pour alimenter les seconds coupleurs 22 Ainsi la tenue en puissance des étages forte puissance est respectée. Ainsi, un accès Ei de spot S Pl du coupleur d'entrée correspond à N accès antenne Le rayonnement du faisceau correspondant à ce spot S Pl est obtenu par la connexion au travers du circuit 24 correspondant à une matrice de commutation de chacun de ces N accès aux N sources du réseau primaire correspondant à la couverture à réaliser Une reconfiguration de couverture pour ce spot est donc30 obtenue par la commutation de une, deux ou N sources: Sur la figure 2 par exemple, avec N égal à trois le passage en deux instants successifs du spot S Pl au spot SPF 1 nécessitant la commutation de deux sources. Un avantage d'un tel système est d'assurer un échange optimum de capacité: A savoir que la somme des puissances répartie dans -7- les spots quels que soient les ratios relatifs de répartition, est égale à la puissance maximale disponible. Il convient par ailleurs de réduire le rayonnement d'un spot sur des spots voisins induit par une illumination uniforme des sources. La solution adoptée est de superposer le rayonnement principal des sources au rayonnement d'au moins une source supplémentaire S' d'isolation telle que représentée sur la figure 4 De telles sources S' ont une position dans le réseau, telle que leur10 rayonnement puisse agir de manière prépondérante dans la zone à isoler On assure ainsi l'isolation en utilisant une source S' d'annulation extérieure aux sources du réseau commuté On règle l'amplitude ( 27) et la phase ( 28) de celle-ci pour obtenir une énergie en opposition de phase et de même amplitude à celle que l'on veut annuler. Ainsi en respectant des lois extérieures telle que l'énergie du rayonnement principal (n sources) et les rayonnements des sources supplémentaires soient minimums dans les zones à isoler, il est possible d'être compatible des exigences d'isolation Le niveau20 relatif source principale/source d'isolation, est généralement inférieur à 12 d B, ce qui permet de dériver une faible partie de l'énergie du faisceau concerné avant l'étage amplificateur; le réglage fin d'amplitude et de phase étant assuré par le déphaseur 28 et l'atténuateur variable 27. 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. -8- REVENDICATIONS: 1/ Antenne émission reconfigurable comprenant un réflecteur ( 10) focalisant l'énergie, un réseau ( 11) de sources élémentaires situé dans la zone focale du réflecteur, de manière à réaliser la synthèse du champ électromagnétique dans cette zone, caractérisée en ce que la réalisation d'un spot (S Pi) résulte du rayonnement d'un nombre fixe et identique de sources pour tous les spots; une source participant au plus au rayonnement d'un spot et en ce qu'une commutation haut niveau permet de reconfigurer les spots en sélectionnant les sources participant à un spot donné. 2/ Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte une électronique d'alimentation et de contrôle comprenant: m entrées (E 1 à E) correspondant à m spots délimitant m couvertures sur la surface terrestre; un amplificateur variable ( 18) étant disposé sur chacune de ces entrées; un nombre N de voies; N correspondant au nombre de sources par spot. et sur chaque voie (Vi) un étage d'amplification ( 20) à m entrées et m sorties un circuit ( 24) de connexion et de commutation haut niveau permettant de faire correspondre à chaque spot (SP 1 SP) n sources élémentaires;. p filtres ( 25) disposés en parallèle entre les p sorties du circuit de connexion et de commutation ( 24) et p sources du réseau. 3/ Antenne selon la revendication 2, caractérisée 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 d'amplificateurs ( 23) en parallèle, de telle façon qu'un signal appliqué à la première entrée ressorte amplifié sur la première sortie. 4/ Antenne selon la revendication 3, 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) soit35 répartie sur tous les amplificateurs ( 23) et donc sur toutes les -9- sorties des coupleurs hybrides du premier coupleur généralisé ( 21), le second coupleur généralisé ( 22) ayant une structure inverse de celle du premier. 5/ Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle ne comporte pour toutes les voies qu'un seul premier coupleur généralisé ( 21), et en ce que la sortie de chaque amplificateur ( 23) peut être relié vers la même entrée de N seconds coupleurs généralisés ( 22). 6/ Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'il comprend au moins une source supplémentaire (S') d'isolation.