Brevet FR2676310A1 — publié le 19921113

-1- Antenne à lobe formé et grand gain L'invention concerne une antenne à lobe formé et à grand gain. Des antennes de ce type sont très utiles dans le domaine spatial Ainsi les satellites à défilement et à orbite basse ont un c 8 ne de visibilité de la terre très ouvert: à une altitude de 800 km, le demi- angle au sommet du c 8 ne est de 630 La distance d'un tel satellite à une station à l'intérieur de ce cône varie de 800 km (au Nadir) à 2300 km en bord du c 8 ne Dans le cas d'une mission10 de télémesure ou de télécommande entre ce satellite et cette station, on cherche à assurer une liaison isoflux, quelle que soit la position relative de cette station dans le c 8 ne Les antennes utilisées pour de telles missions doivent donc présenter un diagramme tel que le gabarit de PIRE ait un maximum en bord du cône15 et soit décroissant jusqu'au Nadir; La dynamique étant alors de l'ordre de 12 d B De tels gabarits peuvent inclure, de plus, soit une provision pour les niveaux faibles (au Nadir, la dynamique tombant à environ 10 d B) soit au contraire une compensation de l'atténuation atmosphérique (proportionnelle à la distance), la20 dynamique devenant supérieure à 13 d B Ces gabarits sont de révolution en azimut et ont la forme de cuvette Ils nécessitent donc l'utilisation d'antennes à lobe formé. Parmi les quelques techniques connues pour obtenir de tels gabarits on distingue deux grandes familles. les réflecteurs conformés: Ce sont des réflecteurs de révolution dont le profil est optimisé pour suivre le gabarit formé en élévation Le problème de ces réflecteurs est qu'ils ont un diagramme de révolution, parce qu'ils doivent assurer la liaison dans tout le cône Il est donc30 difficile d'obtenir un gain élevé, tout en ayant des dimensions raisonnables de réflecteur Un réflecteur de ce type est analysé dans un article intitulé "Method of moment analysis of a cavity-fed shaped beam reflector antenna" de Bridges; Shafai, et Kishk (Antenn'90 conférence proceedings; August 15, 17-1990; Winniped; Canada). -2- les antennes réseau: A partir de la constatation précédente, on a eu l'idée d'utiliser des antennes réseau à balayage électronique qui présentent un lobe d'antenne directif, de gain élevé, que l'on 5 déplace par commande électronique De telles antennes sont décrites dans l'ouvrage intitulé "Antenna Engineering handbook" (de R.C Johnson et H Jasik; McGraw-Hill; chapitre 20 "Phased Arrays" de R Tang et R W Burns; pages 20-1 à 20-5) La liaison n'est alors plus assurée sur tout le c 8 ne simultanément mais uniquement dans la10 direction de la station visée On distingue ici deux familles de réseaux: les réseaux plans et les réseaux conformés. Les réseaux plans: Si l'on s'affranchit des lobes de réseaux par des techniques classiques de dimensionnement de réseaux jouant sur le pas, c'est-à-dire sur la distance entre deux sources adjacentes, on peut obtenir, pour des dimensions semblables une directivité bien supérieure à celle obtenue avec un réflecteur formé La phase d'alimentation de chaque source étant commandée par un déphaseur, on déplace le diagramme en modifiant ces phases Cette solution20 présente deux inconvénients majeurs: il faut dépointer le lobe en élévation de 600 environ, voire plus, à plus basse altitude Ceci nécessite de rapprocher beaucoup les sources. Il est très difficile d'obtenir un maximum de rayonnement vers 60 et un creux dans l'axe; ce qui nécessite d'avoir des sources dont la directivité est élevée à 600, même si leur diagramme présente l'allure du gabarit, c'est-à-dire avec un maximum de rayonnement à 60 (hélices par exemple) Par conséquent, si l'on veut obtenir un gain élevé (> 20 d Bi par exemple), il faut30 des dimensions relativement importantes et donc un grand nombre de sources et de déphaseurs (entre 50 et 100 selon la directivité élémentaire à 600) Ce type d'antenne nécessite donc un grand nombre de points de commandes. Les réseaux conformés Pour obtenir un maximum de rayonnement sur un c 8 ne à 60 , -3- on peut disposer les sources sur une surface conformée (hémisphère par exemple) En commandant chaque source par un déphaseur on balaye le lobe en élévation et en azimut Mais avec de tels réseaux: 5 on ne peut plus utiliser toutes les sources à la fois. on peut utiliser des éléments rayonnants dont le maximum de directivité est à O mais il faut, de plus, pouvoir dépointer à 600. L'invention a pour objet de réaliser une antenne permettant de pallier ces inconvénients: c'est-à-dire de diminuer le nombre de points de commande de ladite antenne, tout en assurant efficacement la mission considérée. Elle propose à cet effet une antenne à lobe formé et à grand gain, caractérisée en ce qu'elle comprend un réseau conformé sur une surface de révolution de profil quelconque, qui comporte plusieurs génératrices d'éléments rayonnants se trouvant dans un plan passant par l'axe de révolution de l'antenne; tous les éléments rayonnants d'une même génératrice étant reliés à un seul point de commande. Avantageusement tous les éléments rayonnants d'une même génératrice sont reliés à un répartiteur passif et à un déphaseur commandable On règle le diagramme élévation de ladite antenne en commandant lesdits déphaseurs, le balayage en azimut étant assuré par une commutation des génératrices. Une telle antenne possède le grand avantage de permettre un balayage deux plans en utilisant une seule commande monodirectionnelle qui est répartie dans la plan azimut Elle permet, de plus, de diminuer le nombre de contr 8 les nécessaires (un par génératrice) par rapport à une antenne classique qui nécessite30 un contrôle par élément rayonnant. 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:35 la figure 1 illustre l'antenne selon l'invention; les figures 2 et 3 illustrent plusieurs caractéristiques de ladite antenne; les figures 4 à 7 illustrent un exemple de réalisation -4- de l'antenne selon l'invention. L'antenne de l'invention comprend un réseau conformé 10 disposé sur une surface de révolution 11 ayant un profil quelconque (conique, sphérique, etc) Ce réseau est constitué de génératrices 12 composées de plusieurs sources ou éléments rayonnants 13 Chaque génératrice 12 est à l'intersection de la surface de révolution 11 et d'un plan passant par l'axe de révolution t A (par exemple l'axe du Nadir) Sur la figure 1 la surface 11 est une surface conique et les génératrices 1210 comportent, chacune, trois éléments rayonnants 13. Dans l'antenne selon l'invention, on ne considère qu'un seul déphaseur 14 par génératrice 12; un répartiteur passif 15, divisant le signal en amplitude et en phase entre chacune des sources, étant disposé entre la sortie de ce déphaseur 14 et15 l'entrée de chaque source 13 Ce répartiteur 15 est le même pour chaque génératrice, de sorte que la géométrie de l'antenne de l'invention est complètement de révolution Ce répartiteur 15 est calculé pour obtenir un certain diagramme des rayonnements émis par les sources 13 de chaque génératrice 12 et réaliser un certain20 diagramme résultant à partir de toutes les sources 13 de l'antenne. Afin d'obtenir une directivité suffisante on fait rayonner simultanément une ou plusieurs génératrices adjacentes La rotation des génératrices a deux effets sur la phase du rayonnement: le premier effet est une rotation R du plan de polarisation autour de l'axe de révolutiona Cette rotation est constante; Elle est liée à la géométrie du réseau, comme représenté sur la figure 2; le deuxième effet est un retard de propagation proportionnel à la distance relative d'une source par rapport à un plan de référence P orthogonal à la direction de visée Pour un plan de référence P donné, les distances à ce plan des sources d'une même génératrice peuvent varier. Les déphaseurs ont pour rôle de compenser ces effets. Mais comme il n'y a qu'un déphaseur par génératrice et que la -5compensation de ce retard de propagation doit être le même pour toutes les sources, on est amené à calculer la moyenne des retards. Ces retards de propagation dépendent de la direction de visée en élévation; c'est-à-dire de l'inclinaison du plan de référence P. Sur la figure 3, on remarque que dans une direction correspondant à l'axe j, par exemple au Nadir, toutes les génératrices sont en phase ( & = O ): Les déphaseurs ne doivent compenser que la rotation du plan de polarisation en azimut Par contre il y a de grosses variations lorsque l'axe de visée est à 600 ( & = 60 ) Il10 est donc impossible de sommer en phase plusieurs génératrices adjacentes simultanément sur tout le domaine en élévation; ce qui se traduit par une dégradation du diagramme en dehors de la direction visée. Ainsi, même si le diagramme d'une génératrice 12 respecte tout le gabarit, lorsque l'on compense les retards de propagation, dans une direction de 600, par exemple, cela reste vrai pour = 600 mais plus du tout ailleurs, surtout pour & = O o le diagramme obtenu est situé nettement en-dessous du gabarit. Il est possible de surdimensionner la génératrice pour compenser cette dégradation: c'est-à-dire d'augmenter l'énergie fournie aux sources de cette génératrice pour obtenir un diagramme situé nettement au-dessus du gabarit prévu. Mais il est également possible de jouer sur les déphaseurs pour déformer le diagramme et l'adapter à l'élévation de la station visée Lorsque celle-ci se trouve à ê = 60 , on compense les retards de propagation dans cette direction Lorsque l'élévation décroît, on déforme le diagramme en jouant sur les déphaseurs: En effet, par exemple, lorsque la station se situe aux environs de I = 300, à 30 le diagramme remonte au-dessus du30 gabarit alors qu'il chute au-dessous à 600 et ainsi de suite jusqu'à 0 o le diagramme ne correspond plus du tout au gabarit à 600. Le balayage en azimut est assuré par une simple commutation des génératrices puisque la géométrie est de révolution. -6- Dans une telle réalisation on restreint le nombre de déphaseurs d'autant qu'il y a de sources sur une génératrice, par rapport à une structure conformée classique Avec un nombre beaucoup plus faible de points de commandes, les déphaseurs des 5 génératrices 12 étant activés simultanément, on peut réaliser du balayage en azimut et en élévation de l'antenne On obtient donc une solution conformée o l'on désire obtenir un diagramme formé en élévation respectant un gabarit, que l'on commute simplement en azimut, avec des génératrices de directivité faible, et des dimensions petites. Ainsi dans un exemple d'application, pour réaliser une mission de télémesure suivant le gabarit de PIRE (Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente) de la figure 4 (avec une courbe des maxima 16 et une courbe des minima 17) qui est un gabarit TMCU15 (Télémesure charge utile pour un satellite d'observation optique ou radar) haut débit bande X ( 8 à 12 G Hz) L'objectif est de respecter le gabarit de PIRE avec le minimum de puissance rayonnée Par exemple avec 10 W rayonnés il faudra un gain maximum de 21 d Bi La directivité sera de 22 d Bi tenant compte d'une perte de 1 d B On20 dimensionne une antenne 20 de forme pseudo-c 8 nique, comme représenté sur la figure 5 Cette antenne comprend 36 génératrices 21 de 4 sources 22 Chacune de ces sources 22 est réalisée en technologie imprimée; un pavé de cuivre étant gravé sur un substrat diélectrique conformé qui réalise la surface pseudo-c 8 nique dont le25 profil n'est pas linéaire mais présente une brisure i sources 22 d'une même génératrice 21, et sur le même substrat que celles-ci, est gravé le répartiteur sous forme de pistes de cuivre; lui-même étant relié à un déphaseur Sur les 36 génératrices 930 seulement sont actives simultanément Tout le rayonnement est donc commandé par 9 déphaseurs à la fois. La figure 6 montre le gabarit minimum 25 et le diagramme obtenu 26 en compensant les retards de propagation dans une direction de 620 Sur la figure 7, qui montre le même gabarit35 minimum 27 et le diagramme obtenu 28, on a seulement modifié la' -7- valeur des 9 déphaseurs pour compenser les retards dans une direction d'élévation de 50 (ces figures 6 et 7 correspondant à des directivités Di en d Bi). 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. Revendications 1/ Antenne à lobe formé et à grand gain, caractérisée en ce qu'elle comprend un réseau conformé sur une surface de révolution de profil quelconque; qui comprend plusieurs génératrices ( 12) d'éléments 5 rayonnants ( 13) se trouvant dans un plan passant par l'axe de révolutionsx; tous les éléments rayonnants ( 13) d'une même génératrice ( 12) étant reliés à un seul point de commande. 2/ Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments rayonnants de chaque génératrice sont reliées à un répartiteur passif ( 15) et à un déphaseur commandable ( 14). 3/ Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le diagramme élévation est réglé en commandant les déphaseurs ( 14); le balayage en azimut étant assuré par une commutation des génératrices.