Brevet FR2759204A1 — publié le 19980807

UNITE DE FORMATION DE FAISCEAU DE CANAUX MULTIPLEXES La présente invention concerne de manière générale une unité de formation d'un faisceau qui véhicule une pluralité de signaux de canal multiplexés en fréquence. L'unité multiplexe, ou combine, spatialement dans un même faisceau cette pluralité de signaux de canal. Selon une réalisation, cette unité de formation de faisceau appartient à un étage de sortie d'un répéteur d'un satellite. Le satellite est par exemple un satellite de diffusion de signaux de télévision et produit un faisceau d'émission couvrant une zone au sol. Typiquement, selon la technique antérieure, cet étage de sortie comprend une pluralité d'amplificateurs chacun destiné à amplifier un signal de canal respectif, ainsi qu'un "multiplexeur" de sortie. Les divers signaux de canal sont amplifiés chacun par un amplificateur respectif afin de minimiser les distorsions résultant de la non-linéarité des amplificateurs utilisés. Le "multiplexeur" de sortie, ou20 OMUX (Output MUltipleXer), prévu en sortie des amplificateurs, est tel que décrit dans l'ouvrage "Satellite Communications Systems", G. Maral et M. Bousquet, Edition WILEY, Seconde Edition, pages 411 et suivantes. Ce multiplexeur comprend des filtres et un guide commun qui est25 destiné à combiner les canaux après leur amplification et filtrage individuels. Pour réaliser un couplage à pertes réduites entre les filtres et le guide commun, on prévoit généralement de monter directement les filtres sur le guide commun sans30 utiliser de circulateurs qui ont l'inconvénient d'induire des pertes de puissance élevées. Les filtres et le guide commun sont sous la forme de cavités et le couplage entre chaque filtre et le guide commun est réalisé à travers un iris, ou fente. Une extrémité du guide commun est court-35 circuitée, l'autre délivre un signal combiné véhiculant tous les signaux de canal multiplexés. Ce signal combiné est émis par une antenne. Les pertes induites par une telle unité de formation de faisceau selon la technique antérieure dans la portion comprise entre les sorties des amplificateurs et l'antenne restent relativement élevées, typiquement voisines de 2dB pour des fréquences élevées, par exemple en bande Ka. En outre, un tel OMUX possède un poids relativement élevé. Un premier objectif de l'invention est de fournir une unité de formation de faisceau, ou unité de combinaison de signaux de canal à émettre dans un même faisceau, dont les pertes de puissance sont réduites comparativement à la technique antérieure. Un autre objectif de l'invention est de fournir une unité de combinaison de signaux de canal à15 émettre dans un même faisceau de poids réduit comparativement à la réalisation précitée de la technique antérieure. A cette fin, une unité pour combiner N signaux de canal, N étant un nombre entier, lesdits N signaux de canal étant produits par N sources respectives séparées, est caractérisée selon l'invention en ce qu'elle comprend des moyens de réseau collecteur, lesdits moyens de réseau collecteur recevant les N signaux de canal selon des directions respectives définies par des lobes de réseau25 associés auxdits moyens de réseau collecteur. Pour émettre les signaux ainsi combinés, il peut être prévu que les moyens de réseau collecteur sont couplés à des moyens de réseau d'émission qui émettent les N signaux de canal qui sont combinés.30 En outre, une parabole disposée selon un montage offset par rapport aux moyens de réseau d'émission peut être utilisée. Cette parabole réfléchit, sous la forme d'un faisceau, les N signaux de canal qui sont combinés. Avantageusement, l'unité comprend, en outre, des moyens de focalisation pour focaliser respectivement les N signaux de canal sur les moyens de réseau collecteur, respectivement selon lesdites directions. Selon une réalisation, les moyens de focalisation sont sous la forme d'éléments réfléchissants sensiblement concaves chacun associé à l'un respectif des signaux de canal. Selon une première variante, ces éléments réfléchissants sont portés par une portion d'arc parabolique.10 Selon une seconde variante, ces éléments réfléchissants sont portés par une portion de surface de paraboloide. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, en référence aux dessins annexés correspondants, dans lesquels: - la figure 1 est un bloc- diagramme d'une unité selon l'invention de combinaison de signaux de canal à émettre dans un même faisceau; - la figure 2 est une représentation d'un réseau de sources pour expliquer l'invention; - la figure 3 est une vue de dessus d'éléments réfléchissants formant partie de l'unité selon une variante de l'invention; - les figures 4 et 5 montrent respectivement une partie de l'unité selon l'invention et un tube de champ pour expliquer le dimensionnement de l'unité selon l'invention; et30 - la figure 6 montre une pluralité de courbes iso- niveaux telles qu'obtenues selon l'invention. En référence à la figure 1, une unité de formation de faisceau selon l'invention est alimentée par N sources respectives séparées 30, 31 et 32, en nombre N égal à 3 dans la figure 1. Chaque source 30, 31 et 32 est par exemple composée d'un cornet, typiquement de petite taille. De manière connue, un cornet comprend une portion de guide d'accès, ou d'entrée, et une ouverture rayonnante à section progressivement croissante. En amont de chacune respective 5 des N sources 30, 31 et 32, sont prévus en cascade un amplificateur de puissance 10, 11 et 12 et un filtre de bande 20, 21 et 22. Les N=3 signaux de canal SO, Si et S2 à émettre dans un même faisceau sont centrés sur des fréquences respectives f0, f1 et f2. Par exemple, les fréquences f0, fi et f2 distinctes sont situées dans la bande des fréquences radioélectriques 11,5 GHz-12,5 GHz. Chaque signal SO, S1 et S2 est appliqué à une entrée d'un amplificateur respectif 10, 11 et 12 pour être amplifié à haute puissance. Chaque signal amplifié résultant et transmis à travers un guide d'onde à une entrée du filtre de bande correspondant 20, 21 et 22. Chaque filtre est sous la forme d'une cavité et filtre le signal dans la bande de fréquence f0, fl et f2 du signal SO, Si et S2 qu'il reçoit. Les filtres 20, 21 et 2220 ont des sorties qui sont couplées respectivement à des entrées des cornets 30, 31 et 32 à travers des fentes. Les cornets 30, 31 et 32 rayonnent des ondes respectives R0, Ri et R2. Avantageusement, ces ondes R0, R1 et R2 sont dirigées vers des moyens de focalisation respectifs 40, 41 et 42 qui sont, dans la réalisation illustrée, sous la forme d'éléments réfléchissants, ou miroirs, sensiblement concaves. Ces éléments réfléchissants 40, 41 et 42, présentant une surface métallique, réfléchissent les ondes30 R0, Ri et R2 vers un réseau collecteur 50. La forme concave des éléments réfléchissants 40, 41 et 42 garantit une focalisation de l'énergie des différentes ondes R0, R1 et R2 sur le réseau collecteur 50. Selon la variante illustrée dans la figure 1, les éléments réfléchissants 40, 41 et 42, en nombre égal à N=3, sont portés par exemple par un arc parabolique imaginaire C dont la focale f coïncide avec le réseau collecteur 50. Selon une autre variante schématisée dans la figure 3, les sources sont en nombre égal à N=5 et disposées en croix. Dans ce cas, les éléments réfléchissants 40, 41, 42, 43 et 5 44 sont portés par une surface de paraboloide imaginaire. Cela se traduit par le fait que les centres des différents éléments réfléchissants 40, 41, 42 (et éventuellement 43 et 44) coïncident avec des points d'un même arc parabolique imaginaire C (ou une surface de paraboloide imaginaire) dont la focale f coïncide avec le réseau collecteur 50. Chaque onde R0, Ri et R2 est réfléchie, en étant focalisée, vers le réseau collecteur 50 suivant une direction particulière grâce à un positionnement et une convergence appropriés de l'élément réfléchissant 40, 41 et15 42 qui réfléchit cette onde R0, Ri et R2. Il est à noter que les ondes R0, Ri et R2 pourraient être focalisées sur le réseau collecteur 50 à travers une lentille, sans réflexion. Les directions particulières respectives selon lesquelles les ondes R0, Rl et R2 sont émises selon l'invention, après réflexion, vers le réseau collecteur 50 vont maintenant être explicitées en référence à la figure 2. De manière connue, un réseau de sources monodimensionnel, du type montré dans la figure 2, comprenant (M+1) sources SO, Sl, S2,... et SM alimentées en25 phase, produit un diagramme de rayonnement dont les maximums sont définis par des angles 0 tels que: (2.7z.d/k).sin(O) = 2.m.n, soit (1) sin(O) = (m.k)/d (2) d étant la distance entre deux sources adjacentes, X la longueur d'onde de rayonnement, 0 l'angle entre la normale au plan des sources S0- SM et la direction considérée, et m un entier nul, positif ou négatif. La condition pour qu'aucun lobe de réseau, n'apparaisse est donnée par: d k, il y a apparition de lobes de réseau, et le diagramme de rayonnement peut inclure plusieurs maximums si l'alignement est constitué de plusieurs sources S0-SM. C'est la nature périodique du 5 réseau de sources qui fait apparaître ces lobes de réseau dans le diagramme de rayonnement. En revenant à la figure 1, le réseau collecteur 50 est sous la forme d'un réseau d'éléments fonctionnant en réception. Par exemple, ce réseau collecteur 50 est10 constitué de (5 x 5) cornets disposés matriciellement. Typiquement, le réseau collecteur 50 est à maille rectangulaire ou triangulaire. La structure géométrique "périodique" du réseau collecteur 50 est telle que le réseau possède les caractéristiques d'un réseau de sources, c'est à dire qu'il est apte, en émission, à générer plusieurs maximums, de préférence d'amplitudes sensiblement identiques, dans des directions respectives distinctes. Ces directions correspondent aux directions de rayonnement des ondes R0, R1 et R2 après leur réflexion respectivement sur20 les éléments réfléchissants 40, 41 et 42. Dans notre cas, le réseau collecteur fonctionne en réception, mais compte tenu de la "réciprocité" des fonctionnements du réseau collecteur 50 en émission et en réception, cela se traduit par le fait qu'en réception, le25 réseau collecteur 50 garantit un mélange, ou multiplexage, sans perte élevée entre les différentes ondes rayonnées, ou signaux de canal R0, Rl et R2. I1 faut donc retenir que le réseau collecteur 50 reçoit les signaux de canal R0, Ri et R2 selon des directions respectives définies par des lobes30 de réseau théoriques en émission de ces moyens de réseau collecteur 50. Dans les portions de guide d'entrée, ou d'accès, des cornets du réseau collecteur 50, les différents signaux de canal R0, Rl et R2 sont canalisés sans perte élevée. La35 portion de guide d'accès de chaque cornet du réseau collecteur 50 est couplée avec une portion de guide d'accès d'un cornet correspondant d'un réseau d'émission 51. Ce réseau d'émission 51 est par exemple constitué de (5 x 5) cornets disposés matriciellement. Il produit les N=3 signaux de canal RO, Rl et R2 combinés. 5 Selon la réalisation illustrée, les signaux de canal combinés émis par le réseau d'émission 51 sont réfléchis par une portion de parabole 6. Le réseau d'émission 51 est disposé selon un montage "offset" relativement à la parabole 6 selon un montage connu de l'homme de l'art de sorte que le faisceau de signaux de canal F réfléchi par la portion de parabole ne soit pas dirigé vers les éléments constitutifs de l'unité. Bien que dans la partie de la description qui précède, l'on se soit limité à N=3 sources 30, 31 et 32, l'invention peut être étendue à un nombre de sources plus élevé. Pour cela, ou bien les différentes ondes rayonnées dirigées vers le réseau collecteur 50 peuvent être portées suivant des axes d'un même plan, ou bien les différentes ondes rayonnées dirigées vers le réseau collecteur 50 peuvent être portées20 par des axes appartenant à un volume délimité par un cône. Ce dernier point résulte du fait que pour un réseau de sources du type non pas monodimensionnel tel que présenté dans la figure 2 mais bi-dimensionnel, les résultats obtenus en ce qui concerne les lobes de réseau sont reproduits dans25 les deux dimensions. Il est à noter qu'un fonctionnement efficace de l'unité selon l'invention est d'autant mieux garanti que les fréquences fO, fi et f2 des signaux de canal RO, Ri et R2 sont proches et situées dans une bande de fréquences30 élevées. En référence à la figure 4, vont maintenant être précisées les relations de dimensionnement de l'unité selon l'invention. Plus précisément, concernant chaque source à cornet, telle que 30, pour une tâche focale donnée35 d'étalement WO sur le réseau collecteur 50, vont être définies la relation entre les distances dO' et dO (dO' étant la distance source 30-élément réfléchissant 40 et dO la distance élément réfléchissant 40-réseau collecteur 50), et la convergence de l'élément rayonnant associé, ici 40. La tache focale sur le réseau collecteur 50 doit posséder une 5 surface équiphase sensiblement plane comme cela est montré dans la figure 5. L'on montre que le fonctionnement de l'unité peut être approximé de manière tout à fait appropriée par un modèle d'onde de type optique gaussien. Chaque source, ici 30, est sous la forme d'un cornet qui est défini par un étalement du champ W1 sur l'ouverture du cornet et une longueur de cornet L. En référence à la figure 5, pour un tube de champ, le rayon de courbure R et l'étalement W de la distribution de champ varie tout au long du faisceau, et une zone de champ15 équiphase peut être définie en un point quelconque par le couple (W, R), avec les relations suivantes: R = d(1 + p2), avec p = (2.R/k.W2), et (4) 2 2 2 W = (1 + p2).Wo2, ou WO désigne l'étalement minimum du champ. Pour un champ équiphase, donc de rayon de courbure infini, et d'étalement WO sur le réseau collecteur 50, il peut alors être montré que l'étalement W(dO) sur l'élément réfléchissant est donné par: W(dO) = W0. +(k-2)-, et que le rayon de courbure k. W02 Rl(dO) de l'onde au voisinage de l'élément réfléchissant 40 en direction du réseau collecteur 50 est donné par: Rl(dO) = k. (W02/2.dO)2. [1 + (2.dO/k. W02)2], en prenant comme référence d=0 sur le réseau collecteur 50, et d=dO sur l'élément réfléchissant 40.30 L'onde gaussienne au niveau de l'ouverture du cornet est caractérisée par le couple (Wl, L). En écrivant que cette onde, après propagation sur le trajet de longueur dO' source 30-élément rayonnant 40, doit avoir pour paramètre (W(dO), Rl(dO)), dO' peut être exprimée en fonction de dO: dO' (do) = [k.Wl. (4(dO) -)]/[2. (1 + Y2)] (5) r.W(dO), avec (dO)=\/(l+M-)( (l--I-1, et v = k.W12/2.L Par ailleurs, la convergence C de l'élément réfléchissant 40 est donnée par: C = 1/Rl(dO) + 1/R2(dO') R2(dO) étant le rayon de courbure de l'onde au voisinage de l'élément réfléchissant 40 en provenance de la source 30, et étant définie par:10 R2(dO) = k.(W(d0))2/2.(dO). Dans ce qui précède, le signe de chaque rayon de courbure doit respecter la règle selon laquelle ledit signe est positif si l'onde diverge et est négatif si l'onde converge.15 Le fonctionnement de l'unité décrite ci-dessus a été simulée pour la réalisation selon laquelle le réseau collecteur 50 comprend 5 rangées de 5 cornets. Les (5x5) cornets sont disposés matriciellement et la section de l'extrémité d'évasement de chaque cornet est un carré de20 côté de longueur égale à 26, 2 mm. Les sources 30, 31, 32, etc... sont en nombre égal à N=5 et disposées en croix. Dans ce cas, comme montré dans la figure 3, les éléments réfléchissants 40, 41, 42, 43 et 44 sont portés par une surface de paraboloide imaginaire dont la focale f coïncide25 avec le réseau collecteur 50. Le réseau d'émission 51 comprend 5x5 cornets, chacun alimenté par un cornet correspondant respectif du réseau collecteur 50. Pour chaque source, le diagramme de rayonnement est modélisé par un diagramme en cos(0).30 Ci-après sont données 4 "matrices" de couplage. Chacune d'elles définit, pour une source donnée, les coefficients de couplage de chacun des (5x5) cornets du réseau collecteur 50. Chaque coefficient est donné en amplitude (dB) et en phase (o) sous la forme d'un couple35 (X(dB); Y(o)). PREMIERE MATRICE ASSOCIEE A LA SOURCE ILLUMINANT LE MIROIR 42(FIG.3). (-28,6;59,5) (-18,9;55,07) (17,7;55) (-18,9;55) (-28,6;59,5) (-21,7;50) (-12,5;44,9) (-9,9;41) (-12,5;44,9) (-21,7;50,4) (-19,6;47,1) (-9,4;49,4) (-6,8;51,5) (-9,4;49,4) (-19,6;47,1) (-22,2;43,6) (-12,2;52) (-9,9;56) (-12,2;52) (-22,2;43,6) (-29,5;35,8) (-19,7;44,1) (-17,6;48,2) (-19,7;44,1) (-29,5;35,8) SECONDE MATRICE ASSOCIEE A LA SOURCE ILLUMINANT LE MIROIR 41 (FIG.3). (-25,2;140,9) (-21,2;141) (-20,8;132,8) (-21,2,141) (-25,2;140, 9) (-21,3;131,3) (-12,7;119,7) (-10,2;120,4) (-12,7;119,7) (-21,3;131, 3) (-18,5;120,6) (-8,9;126,9) (-6,8;132,1) (-8,9;126,9) (-18,5;120, 6) (-21,2;109,5) (-12;123) (-10,1;128,9) (-12;123) (-21,2;109,5) (-31,2;75,2) (-21;97,1) (-19,1;103,9) (-21;97,1) (-31,2;75,2) TROISIEME MATRICE ASSOCIEE A LA SOURCE ILLUMINANT LE MIROIR 40 (FIG.3). (-23,6;100,8) (-19,2;134,9) (-17,7;127,9) -19,2;134,9) (-23,6;147, 8) (-20,8;144,4) (-13,4;137,8) (-11,5;138,2) (-13,4;137,8) (-20,8;144, 4) (-18,7;137,1) (-10,4;145) (-8,6;149,3) (-10,4;145) (-18,7;137, 1) (-19,1;123,6) (-10,9;142,1) (-9,32;148,8) (-10,9;142,1) (-19,1;123, 6) (-22,4;93,7) (-14,6;120,7) (-13,1;129,3) (-14,6;120,7) (-22,4;93, 7 ) TROISIEME MATRICE ASSOCIEE AUX DEUX SOURCES ILLUMINANT RESPECTIVEMENT LES MIROIRS 43 et 44 (FIG.3). (-27,5;100,8) (-22,6;106,9) (-18,6;122,3) (-31;166,3) (-23,7; 177) (-17,5;115,6) (-14,4;129,8) (-7,3;120,8) (-13,8;101,4) (-24,3;101, 7) (-16,1;140,6) (-15,2;155,1) (-5,6;134,1) (-11,1;115,8) (-15,4;102, 8) (-19,2;134,1) (-18,1;143,4) (-8,4;130,6) (-13,5;120,7) (-16,7;112, 8) (-27,9;115) (-28,4;120,6) (-17,9;104) (-22,8;94,2) (-24,5;84, 3) Les deux matrices associées aux sources illuminant les miroirs 43 et 44 sont identiques en raison de la disposition symétrique de ces deux sources par rapport au réseau 5 collecteur 50. Ces matrices montrent la bonne constance de la phase pour chacun des cornets du réseau, ce qui garantit le bon fonctionnement de l'unité selon l'invention.10 Dans la figure 6, sont montrés les lignes isoniveaux des champs correspondant aux 4 matrices qui montrent que des spots formés par l'unité de l'invention sont sensiblement concentriques. REVENDICATIONS: 1 - Unité pour combiner N signaux de canal (R0, Ri, R2), N étant un nombre entier, lesdits N signaux de canal (R0, Ri, R2) étant produits par N sources (30, 31, 32) respectives séparées, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de réseau collecteur (50), lesdits moyens de réseau collecteur (50) recevant lesdits N signaux de canal (R0, Ri, R2) selon des directions respectives définies par des lobes de réseau associés auxdits moyens de réseau collecteur (50). 2 - Unité conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits N signaux de canal sont des signaux radioélectriques.15 3 - Unité conforme à la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdits moyens de réseau collecteur (50) sont couplés à des moyens de réseau d'émission (51) qui émettent lesdits N signaux de canal (Rl, R2, R3) qui sont combinés. 4 - Unité conforme à la revendication 3, caractérisée en ce que lesdits moyens de réseau collecteur (50) et lesdits moyens de réseau d'émission (51) sont sous la forme de cornets, chaque cornet du réseau collecteur (50) étant couplé avec un cornet respectif du réseau d'émission (51) à25 travers des guides d'accès. - Unité conforme à la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce qu'elle comprend un moyen de parabole (6) disposé selon un montage offset par rapport auxdits moyens de réseau d'émission (51), ledit moyen de parabole30 réfléchissant, sous la forme d'un faisceau (F), lesdits N signaux de canal (R1, R2, R3) combinés. 6 - Unité conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite unité comprend des moyens de focalisation (40, 41, 42) pour35 focaliser respectivement lesdits N signaux de canal sur lesdits moyens de réseau collecteur (50), respectivement suivant lesdites directions. 7 - Unité conforme à la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits moyens de focalisation (40, 41, 42) sont sous la forme d'éléments réfléchissants sensiblement concaves chacun recevant l'un respectif des signaux de canal. 8 - Unité conforme à la revendication 7, caractérisée en ce que lesdits éléments réfléchissants (40, 41, 42) sont portés par une portion d'arc de parabole (C). 9 - Unité conforme à la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits éléments réfléchissants (40, 41, 42, 43, 44) sont portés par une portion de surface de paraboloide. - Satellite comprenant une unité conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.