Brevet FR2765405A1 — publié le 19981231

ANTENNE POUR SYSTèME DE F CoMMDNICkTIoN La présente invention est relative à une antenne pour un système de télécommunication, notamment par satellites. Pour diverses applications on a souvent besoin d'antennes destinées à recevoir des signaux d'une source mobile ou à émettre des signaux vers un récepteur (ou cible) mobile. Pour réaliser de telles antennes d'émission et/ou de réception on utilise le plus souvent des antennes actives constituées d'éléments rayonnants immobiles mais dont on peut faire varier la direction du diagramme de rayonnement en faisant varier la phase des signaux alimentant les éléments rayonnants. Cette technique ne permet pas d' obtenir des diagrammes de rayonnement satisfaisants pour les angles de dépointage importants, c'est-à-dire pour les directions s'écartant de façon importante de la direction moyenne d'émission et/ou de réception. Par tailleurs, le suivi d'une source ou d'un récepteur peut être effectué à l'aide d'une antenne conventionnelle et de moteurs commandant le déplacement de cette antenne. Aucun de ces deux types d' antennes ne permet de résoudre correctement le problème de la communication entre l'antenne et une pluralité de sources ou récepteurs se trouvant dans une zone étendue, notamment une zone au sol, la communication devant rester confinée dans la zone malgré le changement de position de 1' antenne par rapport à la zone. Ce problème se pose en particulier dans un système de télécommunication à réseau de satellites à orbite basse. Un tel système a déjà été proposé pour la comnunication à haut débit entre stations ou mobiles terrestres se trouvant dans une zone géographique déterminée d'une étendue de plusieurs centaines de kilomètres. Les satellites ont une altitude qui se situe entre 1000 et 1500 Km. Dans ce système chaque satellite comporte des groupes d'antennes de réception et d'émission, chaque groupe étant dédié à une zone donnée. Dans chaque groupe, les antennes de réception reçoivent les signaux provenant d'une station dans la zone et les antennes d'émission remettent les signaux reçus vers une autre station dans la même zone. Les antennes d'un groupe restent constamment orientées vers la zone tant que celle-ci reste dans le champ de vision du satellite. Ainsi, pour un satellite, une région de la terre est divisée en n zones et quand il se déplace au-dessus d'une région, à chaque zone est affecté un groupe d'antennes d'émission et de réception qui restent constamment orientées vers cette zone. De cette manière, pendant le déplacement - par exemple d'une durée d'une vingtaine de minutes - du satellite au-dessus d'une région, un seul groupe d'antennes d'émission et de réception étant affecté à la zone, on évite des commutations d'une antenne à une autre qui pourraient être dommageables à la rapidité ou la qualité de la communication. Par ailleurs, la basse altitude des satellites minimise les temps de propagation, ce qui est favorable à des communications de type interactif, notamment pour des applications dites "multimédias". On camprend qu'avec ce système de télécommunication il faut qu'une antenne destinée à une zone ne puisse être perturbée par les signaux provenant d'une autre zone ou qu'elle ne perturbe pas d'autres zones. Pour résoudre ce problème d'isolation entre zones l'invention prévoit une antenne orientable mécaniquement à l'aide de moyens moteurs et qui comprend, en outre, des éléments rayonnants commandés pour modifier le diagramme de rayonnement en fonction de l'orientation relative de l'antenne par rapport à la zone, source ou cible. Ainsi dans le cas du système de télécommunication par satellites décrit ci-dessus, dans lequel les zones sont toutes circulaires, une antenne à bord du satellite voit la zone sous la forme d'un cercle quand le satellite est au nadir de la zone. Par contre quand le satellite s'éloigne de cette position l'antenne voit la zone sous forme elliptique. Les éléments rayonnants et leurs moyens de commande permettent donc d'adapter le diagramme de rayonnement à la forme sous laquelle l'antenne voit la zone. De préférence les éléments rayonnants destinés à l'émission et les éléments rayonnants destinés à la réception se trouvent sur un même panneau déplaçable par les mêmes moyens moteurs. La modification du diagramme est obtenue par modification des amplitudes des signaux fournis aux éléments rayonnants. Par ailleurs, selon un mode de réalisation avantageux, les éléments rayonnants ont une forme qui correspond sensiblement au diagramme de rayonnement désiré pour les zones, sources ou cibles les plus éloignées, c'est-à-dire les sources fournissant les niveaux de signaux les plus faibles ou les cibles vers lesquelles il est nécessaire d'envoyer un maximum de puissance. Autrement dit les éléments rayonnants sont agencés pour s'adapter au cas le plus défavorable. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels la figure 1 est un schéma montrant un système de télécommunication entre stations ou mobiles terrestres faisant appel à un système de satellites, la figure 2 est un schéma illustrant une répartition de trafics dans le cadre du système de télécomnunication auquel s'applique l'invention, la figure 3 est un schéma d'une d'antenne d'émission et de réception, conforme à l'invention, montée à bord d'un satellite, la figure 4 est un schéma montrant la commande d'une d'antenne d'émission de la figure 3, et la figure 5 est un schéma montrant la commande d'une d'antenne de réception de la figure 3. L'exemple que 1 'on va décrire concerne un système de télécommunication faisant appel à une constellation de satellites à orbite basse, environ 1300 Km au-dessus de la surface 10 (figure 1) de la terre. Le système doit établir des communications entre des utilisateurs 12, 14, 16 par l'intermédiaire d'une ou plusieurs station(s) de connexion 20. Il établit également des communications entre utilisateurs et des fournisseurs de service (non montrés) reliés à une station de connexion. Ces communications sont réalisées par l'intermédiaire d'un satellite 22. Dans les communlcations entre, d'une part, les utilisateurs 12, 14, 16 et la station de connexion 20 et, d'autre part, le satellite 22, il existe quatre types de signaux, à savoir : les signaux TXF du satellite 22 vers les utilisateurs, les signaux RXR des utilisateurs 12, 14, 16 vers le satellite 22, les signaux TXR du satellite 22 vers la station de connexion 20 et les signaux RXF de la station de connexion vers le satellite 22. A toutes fins utiles, on indique ici que le suffixe F signifie "forward" ou aller (de la station de connexion vers l'utilisateur) et R signifie "return" ou retour (de l'utilisateur vers la station de connexion). Par ailleurs, de façon classique, TX signifie "émission" et RX signifie "réception". Ici on définit l'émission et la réception par rapport au satellite. Dans le système, à chaque instant le satellite 22 voit une région 24 de la terre (figure 2) et cette région est divisée en zones 261, 262...26n. Dans un exemple, chaque région 24 comporte 36 zones (n = 36). Chaque zone 26i a la forme d'un cercle d'un diamètre d'environ 700 Km. Chaque région 24 est délimitée par un cône 70 centré sur le satellite et d'un angle au sommet déterminé par l'altitude du satellite. Une région est ainsi la partie de la terre visible depuis le satellite. Quand l'altitude du satellite est de 1300 Km, l'angle au sommet est de 1040 environ. Le satellite comporte des groupes d'antennes d'émission et de réception affectés à chaque zone 26. Chaque groupe est tel que, lorsque le satellite se déplace, ce groupe reste pointé vers la même zone. Autrement dit le diagramme de rayonnement de chaque antenne reste toujours dirigé vers une même zone terrestre 26i, en principe tant que le satellite voit cette zone. Le besoin en antennes est au maximum de 4n : quatre types de signaux par zone. Toutefois, l'invention prévoit, comme on le verra plus loin, que le nombre total d' antennes est sensiblement inférieur à 4n. Le satellite sert à la communication entre utilisateurs et entre utilisateurs et la station de connexion à l'intérieur de chaque zone 26i. Par contre, la communication entre zones est effectuée à l'aide de moyens terrestres, par exemple à l'aide de câbles disposés entre les stations de connexion des diverses zones faisant partie d'une même région ou de régions différentes. Le nombre et la disposition des satellites sont tels qu'a chaque instant, une zone 26i voit deux ou trois satellites. De cette manière, quand une zone 26i sort du champ de vision du satellite affecté aux communications dans cette zone il reste un satellite pour prendre le relais et la commutation d'un satellite à l'autre s'effectue de façon instantanée. Toutefois, une telle commutation intervient peu fréquemnent, par exemple, toutes les vingt minutes environ, car une antenne reste toujours pointée vers une même zone. En pratique cette commutation se produit quand, pour la zone 26i en question, l'élévation du satellite descend au-dessous de 100. Dans l'exemple auquel s'applique l'invention, on prévoit, dans une région 24, au moins deux catégories de zones correspondant à des besoins en trafic différents. Le besoin en trafic se mesure, par exemple, par la quantité moyenne d'informations qui est transmise par unité de temps et par unité de surface. Ainsi, dans une partie 28 de la région 24 (figure 2) le trafic est peu intense, tandis que dans une autre partie 30 le trafic est intense. Un trafic intense correspond, par exemple, à des zones urbaines d'un pays développé, tandis qu'un trafic faible correspond, par exemple, à des zones rurales ou peu développées. Dans la partie 30 à trafic intense à chaque zone on affecte l'ensemble des ressources A, B, C, D en signaux. Par "ressources en signaux" on entend une caractéristique de polarisation et une caractéristique de bande de fréquences porteuses. Dans 1' exemple la polarisation est soit de type circulaire droit (PD), soit de type circulaire gauche (PG) et on prévoit deux bandes séparées de fréquences porteuses : AF1 et AF2. Comme on peut le voir sur la figure 2 : A signifie un signal de polarisation circulaire droite PD, et une bande de fréquences AF1 ; B signifie une polarisation circulaire droite PD et une bande de fréquences AF2 ; C correspond à une polarisation circulaire gauche PG et une bande de fréquences AF1 et D à une polarisation circulaire gauche PG et une bande de fréquences AF2. Ainsi dans la partie 30 à trafic intense, à chaque zone est affecté I'ensemble des ressources A, B, C et D. Par contre, dans la partie 28 de faible trafic, à chaque zone est affectée une seule ressource A, B, C ou D. En outre, la répartition des ressources en signaux est telle que deux zones adjacentes ne contiennent pas des ressource identiques. Les zones auxquelles est affectée la mene ressource sont séparées par au moins une zone où la ressource est différente. Ainsi, la zone 2610 de ressource A (signal de polarisation circulaire droite PD et bande AF1) est séparée de la zone 2612 comportant la même ressource, par la zone 2611 à laquelle est affectée la ressource B (polarisation circulaire droite PD, mais bande de fréquences Au2). Il est à noter que les bandes de fréquences porteuses AF1 et AF2 sont soit de même étendue, soit d'une étendue différente. Par exemple si, dans la partie 28, certaines zones nécessitent un trafic plus important que d'autres zones, la bande de fréquences porteuses AF2 sera plus importante que la bande de fréquences porteuses AFi. Cette séparation de la région 24 en zones à faible trafic et en zones à trafic intense permet, comme on le verra plus loin, d'optimiser les équipements à bord du satellite 22. Dans une zone telle que celle de référence 2610 les antennes peuvent être réalisées de façon telle qu'elles puissent recevoir ou émettre seulement des signaux à polarisation circulaire droite Pg. On peut ainsi utiliser des équipements simplifiés. Par contre, dans les zones de la partie 30, les systèmes d' antenne doit être capable d' engendrer les deux polarisations circulaires (droite et gauche), sans interférence entre les signaux. En ce qui concerne les contraintes pour les équipements à bord du satellite 22, on comprend que chaque antenne suit une zone et doit effectuer un balayage selon un angle compris entre 1000 et 1200 depuis l'entrée de la zone dans le champ de vision du satellite jusqu'à sa sortie. En outre, la forme du diagramme de rayonnement doit varier au cours du déplacement du satellite car, pour l'antenne, une zone qui se trouve à la verticale du satellite est vue sans déformation, c'est-à-dire comme un cercle, mais une zone se trouvant en bord de région, par exemple la zone 261 ou 262, est vue sous la forme d'une ellipse allongée de plus faibles dimensions. Comme toutes les possibilités de communication doivent être conservées pour chaque zone au cours du déplacement du satellite dans la région, il est donc nécessaire d'agencer les antennes pour qu'elles effectuent le balayage nécessaire et contrôlent les diagrammes de rayonnement en fonction de la direction visée. Pour atteindre ce résultat dans le mode de réalisation décrit, aux zones à faible trafic on affecte des antennes actives, c' est-à-dire des antennes qui sont pointables et reconfigurables de façon électronique et aux zones à trafic intense on affecte des antennes orientables mécaniquement et reconfigurables électroniquement. En variante toutes les zones sont dotées d'antennes de ce dernier type. Dans ce qui suit on ne décrira que les antennes orientables mécaniquement et dont le diagramme est modifiable de façon électronique. Ces antennes permettent le meilleur isolement entre zones du fait du pointage mécanique. Toutefois une antenne de ce type ne peut être affectée qu'à une seule zone. Il est donc nécessaire de prévoir au moins autant d'antennes de ce type qu'il existe de zones à trafic intense. Par exemple on prévoit, par région, huit à douze zones ayant un trafic intense et seize à vingt-quatre zones de faible trafic. La figure 3 représente une antenne destinée aux zones à trafic intense. Elle permet l'émission et la réception. Cette antenne comporte un plateau 72 logeant deux panneaux d'éléments rayonnants, respectivement 74 et 76. Le panneau 74 est destiné à l'émission tandis que le panneau 76 est destiné à la réception. Le plateau support 72 qui, sur la figure 3, est représenté en direction horizontale, est pivotant autour d'un axe horizontal 78, parallèle au plan du plateau 72, grâce à un moteur 80 appelé moteur d'élévation, le pivotement autour de l'axe 78 effectuant l'orientation en élévation. Par ailleurs, un autre moteur 82, d'axe vertical 84, est prévu sous le moteur 80. La rotation autour de l'axe 84 permet l'orientation en azimut. Le panneau 74 d'éléments rayonnants destinés à l'émission a une forme générale elliptique de grand axe 86. Cette forme elliptique correspond à la forme sous laquelle 1' antenne voit une zone proche de l'horizon, quand cette antenne est pointée vers cette zone, c'est-à-dire quand l'axe 88 vertical du plateau 72 est dirigé vers la zone en bord d'horizon. De façon plus précise la forme elliptique est adaptée à la forme d'une zone à couvrir correspondant à un angle de pointage de 500 environ alors que l'angle maximum de pointage est de 540. L'axe 86 est perpendiculaire au grand axe de l'ellipse sous laquelle une zone est vue pour un tel pointage de 50 . Dans la description qui précède on comprend que les directions verticale et horizontale ont été mentionnées pour illustrer les directions relatives des divers éléments mais non pour indiquer une orientation absolue. Le panneau 76 destiné à la réception a, comme le panneau 74, la forme générale d'une ellipse de grand axe 90, parallèle au grand axe 86 du panneau 74. Le panneau 74 est destiné à la fois aux signaux TXF et aux signaux TXR. De même le panneau 76 est destiné aux signaux RXF et RXR. La figure 4 est un schéma d'un circuit de commande destiné au panneau d'émission 74. Dans cet exemple on prévoit trois sous-bandes de fréquences porteuses destinées aux signaux TXF (émission vers les utilisateurs) et une seule bande de fréquences porteuses pour les signaux TXR (vers la station de connexion). Ainsi, trois amplificateurs 92, 94 et 96 sont affectés aux signaux TXF et un amplificateur 98 est prévu pour les signaux TXR. Bien entendu le circuit de la figure 4 n'est pas limité à cette répartition en trois sous-bandes pour les signaux TXF et une bande pour les signaux TXR. D'autres répartitions sont possibles telles que deux bandes pour les signaux THF et deux bandes pour les signaux TXR. Les sorties des amplificateurs 92 à 98 sont appliquées aux entrées d'un multiplexeur 100 qui délivre des signaux aux éléments rayonnants du panneau 74 par l'intermédiaire d'un circuit ou réseau 102 formateur de faisceaux. Selon une caractéristique de l'invention, ce réseau 102 adapte le diagramme de rayonnement à la position du satellite par rapport à la zone à laquelle est affectée l'antenne. Autrement dit à chaque instant l'axe 88 est dirigé vers la zone correspondante, grâce au moteur d' azimut 82 et au moteur d'élévation 80 (figure 3), et à cette direction de pointage "mécanique" correspond une commande électronique 102 de façon à adapter le faisceau à la position relative de l'antenne et de la zone. Le faisceau est de section circulaire quand le satellite est au nadir de la zone et il est de section elliptique quand la zone est en bord d'horizon. Le circuit 102 comporte, dans l'exemple, q répartiteurs de puissance 1041 à 104q. Ces répartiteurs sont reconfigurables ils sont aussi à faibles pertes car ils sont situés après les amplificateurs 92 à 98. Les répartiteurs de puissance affectent l'amplitude des signaux fournis aux éléments rayonnants du panneau 74 mais non leur phase. En effet les éléments rayonnants n'interviennent pas pour le pointage ; il n'est donc pas nécessaire de faire varier la phase des signaux qui leur sont appliqués. Par ailleurs on a constaté qu'il n'était pas nécessaire de commander individuellement l'amplitude de chaque élément rayonnant. C'est pourquoi, dans une réalisation le nombre q de répartiteurs de puissance est un sous multiple du nombre d'éléments rayonnants. Dans 1' exemple le nombre d'éléments rayonnants est de 64 ou 80 tandis que le nombre q est de 16. Cette simplification résulte de l'observation que le diagramme de rayonnement est axisymétrique par rapport à la direction de pointage mécanique du panneau. Dans ces conditions les éléments rayonnants situés à une même distance du centre du panneau sont excités à un même niveau d'amplitude et peuvent donc être excités de la même manière, c'est-à-dire par les mêmes composants. La figure 5 représente le circuit destiné à exploiter les signaux reçus par le panneau d'éléments rayonnants 76 affectés à la réception. Ce circuit comporte des filtres 110, des amplificateurs 112 à faible bruit des atténuateurs variables 114 et des déphaseurs variables 115. Le rôle des atténuateurs 114 et des déphaseurs 115 est le même que celui des atténuateurs 104 de la figure 4 à savoir adapter le diagramme de rayonnement à la position relative du satellite par rapport à la zone. L'utilisation de déphaseurs à la réception permet d'optimiser la formation du faisceau ; elle ne pénalise pas le bilan de liaison car les déphaseurs se trouvent en aval des amplificateurs 112 à faible bruit - Egalement camne dans le cas de la figure 4, les atténuateurs 114 sont commandés en fonction de la position relative du satellite par rapport à la zone. Par ailleurs, un combiner passif 116 effectue la somme des signaux fournis par les atténuateurs 114. Les signaux de sortie du combineur 116 sont fournis à un multiplexeur 120 qui sépare les signaux RXF et RXR. Dans l'exemple, on prévoit trois bandes de signaux RXF et une bande de signaux RXR de façon analogue à ce qui est prévu dans 1' exemple de la figure 4. Bien entendu, également comme dans l'exemple de la figure 4, la répartition entre les bandes pour les signaux RXF et RXR peut être différente. Il est à noter que, comme représenté sur les figures 3 à 5, les câbles ou conducteurs électriques passent à travers un joint tournant 130, 132 et que ces câbles sont soumis à des rotations correspondant aux réglages en élévation et en azimut. La reconfiguration du diagramme de rayonnement en fonction de l'élévation est assurée par un réseau formateur de faisceaux à base de ferrite ou de MMIC (circuit intégré monolithique pour les micro-ondes, "Monolithic Microwamve Integrate Circuit" en langue anglaise). Pour l'antenne d'émission, on utilise de préférence un circuit à base de ferrite, un tel circuit étant mieux adapté à une formation de faisceaux à faibles pertes après l'amplification de puissance. Cette amplification de puissance est réalisée à l'aide d'amplificateurs SSPA qui présentent un faible rendement et dissipent donc une quantité importante de chaleur. Il est donc préférable d'éloigner ce circuit du panneau 72 qui, en général, dispose de peu de moyens de dissipation thermique ; ce circuit est donc installé sous le panneau 134 dit "de terre" (figure 5) toujours orienté vers le centre de la terre et qui dispose de moyens de dissipation thermique plus importants. Le réseau formateur de faisceaux est, pour la réception, en technologie MMIC. Les amplificateurs à faible bruit sont disposés à proximité du panneau rayonnant pour minimiser les pertes ohmiques dues aux connexions. Le pointage mécanique du plateau 72 est, par rapport à un pointage électronique, particulièrement avantageux car il n'est pas nécessaire de surdimensionner les panneaux d'éléments rayonnants 74 et 76. L'absence de pointage électronique permet d'utiliser au mieux les ressources des signaux pour former les faisceaux sur une large bande passante. En particulier, l'absence de pointage électronique entraîne l'absence de dispersion en fréquence qui est liée à l'absence de pente de phase pour le pointage. Le pas du réseau d'éléments rayonnants peut être de l'ordre de 0,9 B. On évite ainsi aisément la formation de lobes de réseau. En outre, cette distance entre éléments rayonnants adjacents facilite l'implantation des divers éléments de commande et limite le couplage. Par ailleurs pour une taille donnée de panneaux 74, 76, par rapport à une antenne active pour laquelle le pas du réseau est d'environ 0,6 X, le nombre d'éléments rayonnants est réduit, ce qui limite les contrôles et le coût. Le pointage mécanique du panneau sur la zone utile permet de limiter à +720 la zone utile du diagramme élémentaire dans laquelle les signaux sont émis par un panneau d'éléments rayonnants. De cette manière, dans une zone, on peut isoler correctement les signaux à polarisation circulaire droite des signaux à polarisation circulaire gauche et, ainsi, réaliser une isolation de polarisation supérieure à 20 dB. L'utilisation d'un réseau formateur de faisceaux à ferrite à l'émission, permet d'adapter la surface utile de l'antenne au diagramme à réaliser. On obtient ainsi un diagramme toujours gaussien et les lobes secondaires sont d'un très bas niveau quels que soient la forme du diagramme et l'angle de pointage. Ainsi l'isolation entre zones adjacentes est optimale. A l'émission on utilise une loi apodisée permettant d'éliminer les lobes secondaires et on s'affranchit des problèmes de fonctions de transfert différentiel des amplificateurs lorsque ces derniers fonctionnent en recul par rapport à leur point de fonctionnement nominal. REVENDICATIoNS 1. Antenne d'émission et/ou réception destinée à communiquer avec une zone, source ou cible de position variable par rapport à l'antenne, caractérisée en ce qu'elle comporte en combinaison, des moyens moteurs (80, 82) pour pointer l'antenne vers la zone, cible ou source et des éléments rayonnants (74, 76) associés à des moyens de camnande pour modifier le diagramme de rayonnement en fonction de la position relative de 1 'antenne et de la zone, cible ou source. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de commande des éléments rayonnants sont, pour l'émission, prévus pour commander seulement les amplitudes des signaux fournis à ces éléments. 3. Antenne selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les moyens de commande des éléments rayonnants sont, pour la réception, prévus pour commander les amplitudes et les phases des signaux fournis à ces éléments. 4. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte un plateau (72) comportant, d' une part, des éléments rayonnants (74) pour l'émission et, d'autre part, des éléments rayonnants (76) pour la réception. 5. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les éléments rayonnants (74, 76) sont disposés selon une configuration géométrique optimisée pour la position relative de l'antenne par rapport à la zone, cible ou source pour laquelle les signaux reçus sont les plus faibles ou les besoins d'émission sont les plus importants. 6. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que les éléments rayonnants (74, 76) sont disposés selon une surface allongée, notamment une ellipse. 7. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de commande des éléments rayonnants comportent un réseau formateur de faisceaux à base de ferrite pour l'émission. 8. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de commande des éléments rayonnants comportent, pour la réception, un réseau formateur de faisceaux à MMIC. 9. Application d'une antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, à un système de télécommunication dans lequel 1' antenne se trouve à bord d'un engin spatial, tel qu'un satellite (22) , cette antenne restant constamment en communication avec une zone (26) de la terre d'une étendue de l'ordre de plusieurs centaines de kilomètres au cours du déplacement de l'engin au-dessus de la partie (24) de la terre qui contient la zone.