Brevet FR2785478A1 — publié le 20000505

DISPOSITIF DE COMMUTATION DESTINE A ACHEMINER DES CANAUX DE COMMUNICATIONS SUR UNE CHARGE UTILE DE SATELLITE La présente invention se rapporte d'une façon générale aux systèmes de commutation de satellite, et plus particulièrement à un sous-système de matrices de commutateurs actives destiné à acheminer des canaux de communications par l'intermédiaire d'une charge utile de satellite. Le cessionnaire de la présente invention construit des satellites de communications qui fonctionnent pour recevoir et retransmettre des signaux de communications téléphoniques et de données entre des utilisateurs. Les abonnés qui utilisent des canaux de communications affectés sur de tels satellites ont exprimé le souhait de disposer d'une matrice de commutateurs de charge utile très rapide pour reconfigurer leur charge utile sur de l'ordre de millions de cycles par mission. Il serait de ce fait souhaitable de disposer d'un système de commutation destiné à tre utilisé dans des satellites qui permette une reconfiguration rapide de la charge utile du satellite. En conséquence, c'est un but de la présente invention de réaliser un sous-système de matrices de commutateurs actives destiné à acheminer des canaux de communications par l'intermédiaire d'une charge utile de satellite. Pour atteindre le but ci-dessus et d'autres buts, la présente invention réalise un dispositif de commutation comprenant un dispositif ou sous-système de matrices de commutateurs actives qui peut tre utilisé dans un système de communications ou une charge utile de satellite qui donne la possibilité de reconfigurer les canaux de communications de la charge utile du satellite en seulement quelques millisecondes. Le dispositif de commutation présente une redondance qui permet une forte probabilité de réussite durant la durée de vie du satellite. Un premier aspect du dispositif de commutation est qu'il fournit une souplesse et une vitesse accrues suivant lesquelles la charge utile peut tre reconfigurée. D'une façon générale, le dispositif de commutation comprend des première et seconde matrices de commutateurs lla, llb. Les matrices de commutateurs lla, llb comprennent chacune une pluralité de diviseurs de puissance 15 qui comprennent chacun une pluralité de commutateurs pouvant tre commandés 16, une pluralité de dispositifs de combinaison de puissance 17 reliés à des sorties correspondantes de chaque diviseur parmi la pluralité de diviseurs de puissance, une pluralité d'amplificateurs 18 reliés respectivement aux sorties de la pluralité de dispositifs de combinaison de puissance, et une pluralité de commutateurs de sortie pouvant tre commandés 19 reliés aux sorties de la pluralité d'amplificateurs qui sont activés sélectivement pour fournir des sorties du dispositif de commutation. Un contrôleur de matrices de commutateurs 12a est relié aux commutateurs pouvant tre commandés et aux commutateurs de sortie pouvant tre commandés afin de commuter sélectivement les commutateurs pour fournir des voies de communications au travers du dispositif. Un convertisseur courant continu/courant continu 13a fournit une alimentation en courant continu au contrôleur de matrices de commutateurs et aux matrices de commutateurs lla, llb. Pour prévoir une redondance supplémentaire, un contrôleur de matrices de commutateurs de secours 12b est relié aux commutateurs pouvant tre commandés et aux commutateurs de sortie pouvant tre commandés afin de commuter sélectivement les commutateurs pour fournir des voies de communications au travers du dispositif. Un second convertisseur courant continu/courant continu 13b fournit une alimentation en courant continu au second contrôleur de matrices de commutateurs et à l'ensemble de matrices de commutateurs lorsqu'il est en fonctionnement. Plus particulièrement, le dispositif de matrices de commutateurs actives est constitué de deux matrices de commutateurs, une pour chaque polarisation (horizontale et verticale). Chacune des matrices de commutateurs présente une redondance, comprenant des voies redondantes au travers des diviseurs de puissance, des dispositifs de combinaison de puissance et des amplificateurs vers les sorties du dispositif. Chacune des matrices de commutateurs est reliée à des convertisseurs courant continu/courant continu et à des contrôleurs de matrices de commutateurs redondants. Les première et seconde matrices de commutateurs traitent respectivement une pluralité de faisceaux présentant des premier et second états de polarisation. Chaque matrice de commutateurs comprend une pluralité de diviseurs de puissance qui traite respectivement la pluralité de faisceaux et divise la puissance obtenue à partir de chacun des faisceaux. Chaque matrice de commutateurs comprend une pluralité de diviseurs de puissance qui sont chacun reliés à une pluralité de commutateurs pouvant tre commandés, et une pluralité de dispositifs de combinaison de puissance dont les entrées respectives sont reliées de façon à recevoir des sorties correspondantes de la pluralité de commutateurs pouvant tre commandés de chaque diviseur de la pluralité de diviseurs de puissance. Une pluralité d'amplificateurs sont respectivement reliés à des sorties de la pluralité de dispositifs de combinaison de puissance, et une pluralité de commutateurs de sortie pouvant tre commandés sont reliés aux sorties de la pluralité d'amplificateurs et sont activés sélectivement pour fournir des sorties du dispositif de matrices de commutateurs actives. Des premier et second contrôleurs de matrices de commutateurs redondants sont reliés à la pluralité de commutateurs pouvant tre commandés et à la pluralité de paires de commutateurs de sortie pouvant tre commandés afin de commuter sélectivement les commutateurs pour acheminer les faisceaux au travers du dispositif. Des premier et second convertisseurs courant continu/courant continu redondants sont reliés au premier contrôleur de matrices de commutateurs et fournissent une alimentation en courant continu à un contrôleur de matrices de commutateurs actives et aux ensembles de matrices de commutateurs. Les caractéristiques et avantages divers de la présente invention peuvent tre plus facilement compris en faisant référence à la description détaillée suivante, prise conjointement aux dessins annexés, dans lesquels des références numériques identiques désignent des éléments structurels identiques, et dans lesquels : La figure 1 illustre un schéma de haut niveau simplifié d'un sous-système de matrices de commutateurs actives d'exemple conforme aux principes de la présente invention, La figure 2 représente un diviseur de puissance incorporant des commutateurs à diode PIN qui peut tre utilisé dans le sous-système de matrices de commutateurs actives, La figure 3 illustre un dispositif de combinaison de puissance qui peut tre utilisé dans le sous-système de matrices de commutateurs actives, La figure 4 illustre une configuration d'exemple d'un commutateur à dispositif de combinaison de puissance/amplificateur/diode PIN qui peut tre utilisé dans le sous-système de matrices de commutateurs actives, et La figure 5 est un schéma plus détaillé illustrant la matrice de commutateurs active d'exemple de la figure 1. En se référant aux figures des dessins, la figure 1 illustre un schéma de haut niveau simplifié du dispositif de commutation d'exemple 10 conforme aux principes de la présente invention, comprenant un sous-système de matrices de commutateurs actives 10. Le sous-système de matrices de commutateurs actives d'exemple 10 est constitué de deux ensembles de matrices de commutateurs 8 x 12 lla, llb, un pour chaque polarisation (horizontale et verticale), et d'un premier convertisseur courant continu/courant continu 13a ainsi qu'un premier contrôleur de matrices de commutateurs 12a. Les deux ensembles de matrices de commutateurs 8 x 12 lla, llb et le premier convertisseur courant continu/courant continu 13a ainsi que le premier contrôleur de matrices de commutateurs 12a incorporent une redondance. Cette redondance est fournie par un second convertisseur courant continu/courant continu 13b et un second contrôleur de matrices de commutateurs 12b représentés sur la figure 1. Les convertisseurs courant continu/courant continu 13a, 13b sont utilisés pour fournir une alimentation en courant continu à un contrôleur de matrices de commutateurs actives 12a, 12b et aux ensembles de matrices de commutateurs lla, llb. Le sous-système d'exemple 10 représenté sur la figure 1 peut tre utilisé en tant que sous-système de matrices de commutateurs de la bande Ka 10, par exemple. Bien que le sous-système de matrices de commutateurs d'exemple 10 incorpore deux matrices de commutateurs 8 x 12 lla, llb, le sous-système de matrices de commutateurs actives 10 n'est pas limité seulement à des matrices de commutateurs 8 x 12, lla, llb, mais peut utiliser des configurations différentes des matrices lla, llb afin de fournir des sous-systèmes en variante 10 qui peuvent tre utilisés pour des applications différentes. La figure 2 illustre un diviseur de puissance d'exemple 15 incorporant des commutateurs à diode PIN 16. Une pluralité de diviseurs de puissance 15 est utilisée dans chacune des matrices de commutateurs lla, llb du sous-système de matrices de commutateurs actives 10. Chacun des commutateurs à diode PIN 16 est commuté sous la commande du premier contrôleur de matrices de commutateurs 12a. En variante, chacun des commutateurs à diode PIN 16 peut tre commuté sous la commande du second contrôleur de matrices de commutateurs 12b grâce à la redondance fournie par le second contrôleur de matrices de commutateurs 12b. La figure 3 illustre un dispositif de combinaison de puissance d'exemple 17 qui est utilisé dans les matrices de commutateurs lla, llb utilisées dans le sous-système de matrices de commutateurs actives 10. Les sorties provenant des diodes PIN 16 (figure 2) sont reliées par l'intermédiaire de lignes de circuit imprimé (câblées) à une pluralité de dispositifs de combinaison de puissance 8 : 1 17 qui sont également formés sous forme câblée sur le substrat. Chacune des entrées jusque dans les dispositifs de combinaison de puissance 8 : 1 17 correspond à une entrée provenant de chacun des faisceaux. Il existe quatorze dispositifs de combinaison de puissance 8 : 1 17 qui sont nécessaires pour établir le principe de redondance des diodes PIN fourni par le sous-système de matrices de commutateurs actives 10. La figure 4 illustre l'interconnexion des dispositifs de combinaison de puissance 17, des amplificateurs 18 et des commutateurs à diode PIN 19 utilisés dans le sous-système de matrices de commutateurs actives 10. La sortie provenant de chacun des dispositifs de combinaison de puissance 8 : 1 17 est reliée à l'un des amplificateurs 18. Les amplificateurs 18 peuvent comprendre un amplificateur à puce de circuit intégré, tel que ceux qui sont fabriqués par Litton ou Texas Instruments, par exemple. Il existe quatorze amplificateurs 18 qui sont utilisés pour fournir un principe de redondance 14 pour 12 fourni par le soussystème de matrices de commutateurs actives 10. Les sorties des quatorze amplificateurs 18 sont reliées aux commutateurs à diode PIN de sortie 19 qui sont utilisées pour établir le principe de redondance 14 pour 12 pour les amplificateurs 18. Les douze sorties provenant des commutateurs à diode PIN de sortie 19 correspondent à la sortie du sous-système de matrices de commutateurs actives 10. En se référant maintenant à la figure 5, celle-ci représente un schéma détaillé illustrant la matrice de commutateurs active d'exemple de la figure 1. Chaque matrice de commutateurs lla, llb (une pour chaque polarisation) incorpore huit diviseurs de puissance 15 qui utilisent chacun quatorze diodes PIN, quatorze dispositifs de combinaison de puissance 17 et la pluralité des amplificateurs 18. Il existe huit entrées dans chaque matrice de commutateurs lla, llb, une pour chaque faisceau. Chaque entrée est divisée par 14 en utilisant l'un des diviseurs de puissance à quatorze voies 15. Chaque diviseur de puissance 15 est formé sur un substrat, par exemple en formant des lignes de circuit imprimé (câblées) sur le substrat. Le diviseur de puissance à quatorze voies 15 est utilisé de manière à ce que deux voies de commutation supplémentaires soient disponibles pour permettre une redondance. Chacune des sorties du diviseur de puissance 15 est reliée à une diode PIN qui agit en tant que commutateur sous la commande du premier ou second contrôleur 12a, 12b. La fiabilité du sous-système de matrices de commutateurs actives 10 sera maintenant expliquée. La partie HF du sous-système de matrices de commutateurs actives 10 décrit ci-dessus utilise un très faible nombre de composants. Cependant, une redondance est incorporée dans le sous-système 10 afin d'augmenter sa probabilité de réussite et de réduire le risque de panne d'un faisceau complet. Un taux de panne très prudent de 25 FIT (pannes par milliards d'heures) a été utilisé pour chacune des voies de commutation de faisceau. Cette voie comprend huit diodes PIN 16 afin de permettre la sélection de faisceau, un amplificateur de puissance 18, et une diode PIN de sortie 19 afin de permettre la sélection de la redondance de sortie. La probabilité de réussite de la partie HF du sous-système de matrices de commutateurs actives 10 est supérieure à 0, 9999 pour une mission de 13 ans. Chacun des contrôleurs 12a, 12b comporte un convertisseur courant continu/courant continu réservé 13a, 13b qui fournit une alimentation en courant continu aux contrôleurs respectifs 12a, 12b et aux ensembles de matrices de commutateurs lla, llb. Dans le cas improbable d'une panne soit du convertisseur courant continu/courant continu primaire 13a soit du contrôleur primaire 12a, le contrôleur de secours 12b et le convertisseur de courant continu 13b peuvent tre commutés. Un seul contrôleur 12a, 12b est utilisé pour émettre des ordres vers les deux matrices de commutateurs lla, llb. Un taux de panne prudent de 200 FIT a été estimé pour le convertisseur courant continu/courant continu 13a et son contrôleur associé 12a. La probabilité de réussite pour cette configuration est supérieure à 0,9995 pour une mission de 13 ans. La probabilité de réussite pour le sous-système de matrices de commutateurs actives 10 est indiquée dans le tableau 1 ci-dessous. La forte probabilité de réussite est due à la simplicité de la conception, au faible nombre de pièces, et à la redondance incorporée dans la conception. Tableau 1 Fiabilité du sous-système de matrices de commutateurs Probabilité de réussite (13 ans) Matrice de commutateurs (horizontale) 0,9999 Matrice de commutateurs (verticale) 0,9999 Contrôleur/courant continu 0,9995 Total du sous-système 0, 9995 Ainsi, un sous-système de matrices de commutateurs actives destiné à acheminer les canaux de communications sur une charge utile de satellite a été décrit. Il doit tre compris que le mode de réalisation décrit ci-dessus est simplement illustratif de certains des nombreux modes de réalisation particuliers qui représentent des applications des principes de la présente invention. Evidemment, des agencements nombreux et autres peuvent tre facilement envisagés par l'homme de l'art sans s'écarter de la portée de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commutation (10) comprenant : des première et seconde matrices de commutateurs (lia, llb) qui comprennent chacune : (a) une pluralité de diviseurs de puissance (15) qui comprennent chacun une pluralité de commutateurs pouvant tre commandés (16), (b) une pluralité de dispositifs de combinaison de puissance (17) reliés aux sorties correspondantes de chaque diviseur de la pluralité de diviseurs de puissance (15), (c) une pluralité d'amplificateurs (18) reliés respectivement aux sorties de la pluralité des dispositifs de combinaison de puissance (17), et (d) une pluralité de commutateurs de sortie pouvant tre commandés (19), reliés aux sorties de la pluralité d'amplificateurs (18), qui sont activés sélectivement afin de fournir les sorties du dispositif de commutation, et un premier contrôleur de matrices de commutateurs (12a) relié aux commutateurs pouvant tre commandés (16) et aux commutateurs de sortie pouvant tre commandés (19) afin de commuter sélectivement les commutateurs en vue d'établir des voies de communications au travers du dispositif. 2. Dispositif de commutation selon la revendication 1 comprenant en outre : un premier convertisseur courant continu/courant continu (13a) relié au premier contrôleur de matrices de commutateurs (12a) afin de fournir une alimentation en courant continu au premier contrôleur de matrices de commutateurs et aux matrices de commutateurs. 3. Dispositif de commutation selon la revendication 1 comprenant en outre : un second contrôleur de matrices de commutateurs (12b) relie aux commutateurs pouvant tre commandés (16) et aux commutateurs de sortie pouvant tre commandés (19) afin de commuter sélectivement les commutateurs en vue d'établir des voies de communications au travers du dispositif. 4. Dispositif de commutation selon la revendication 3, comprenant en outre : un second convertisseur courant continu/courant continu (13b) relié au second contrôleur de matrices de commutateurs afin de fournir une alimentation en courant continu au second contrôleur de matrices de commutateurs et à l'ensemble de matrices de commutateurs. 5. Dispositif de commutation (10) comprenant : des première et seconde matrices de commutateurs (lla, llb) qui traitent respectivement une pluralité de faisceaux présentant des premier et second états de polarisation, et qui comprennent chacune : (a) une pluralité de diviseurs de puissance (15) afin de traiter respectivement la pluralité de faisceaux, qui divise la puissance obtenue à partir de chacun des faisceaux, (b) une pluralité de commutateurs pouvant tre commandés (16), reliés individuellement aux sorties de chacun des diviseurs de puissance, (c) une pluralité de dispositifs de combinaison de puissance (17) qui comprennent chacun une pluralité d'entrées correspondant aux sorties de chacun des diviseurs de puissance et dont les entrées respectives sont reliées de façon à recevoir des sorties correspondantes de chaque diviseur de la pluralité de diviseurs de puissance, (d) une pluralité d'amplificateurs (18) reliés respectivement aux sorties de la pluralité des dispositifs de combinaison de puissance, et (e) une pluralité de commutateurs de sortie pouvant tre commandés (19), reliés aux sorties de la pluralité d'amplificateurs, qui sont activés sélectivement afin de fournir des sorties du dispositif de commutation, un premier contrôleur de matrices de commutateurs (12a) relié à la pluralité de commutateurs pouvant tre commandés (16) et aux commutateurs de sortie pouvant tre commandés (19) afin d'acheminer sélectivement les faisceaux au travers du dispositif, et un premier convertisseur courant continu/courant continu (13a) relié au premier contrôleur de matrices de commutateurs (12a) afin de fournir une alimentation en courant continu au premier contrôleur de matrices de commutateurs et aux matrices de commutateurs. 6. Dispositif de commutation selon la revendication 5 comprenant en outre un second contrôleur de matrices de commutateurs (12b) relié à la pluralité de commutateurs pouvant tre commandés (16) et à la pluralité de commutateurs de sortie pouvant tre commandés (19) afin d'acheminer sélectivement les faisceaux au travers du sous-système, et un second convertisseur courant continu/courant continu (13b) relié au second contrôleur de matrices de commutateurs afin de fournir une alimentation en courant continu au second contrôleur de matrices de commutateurs et à l'ensemble de matrices de commutateurs. 7. Dispositif de commutation selon la revendication 5, dans lequel les ensembles de matrices de commutateurs comprennent chacun des ensembles de matrices de commutateurs 8 x 12. 8. Dispositif de commutation selon la revendication 5, dans lequel la pluralité de diviseurs de puissance comprend des diviseurs de puissance 1 : 14. 9. Dispositif de commutation selon la revendication 5, dans lequel la pluralité de diodes PIN comprend quatorze commutateurs à diode PIN 1 : 14. 10. Dispositif de commutation selon la revendication 5, dans lequel la pluralité de dispositifs de combinaison de puissance comprend quatorze dispositifs de combinaison de puissance. 11. Dispositif de commutation selon la revendication 5, dans lequel la pluralité d'amplificateurs comprend quatorze amplificateurs. 12. Dispositif de commutation selon la revendication 5, dans lequel la pluralité de commutateurs de sortie pouvant tre commandés comprend douze commutateurs de sortie pouvant tre commandés qui fournissent une redondance 14 pour 12 à la sortie du dispositif de commutation. 13. Dispositif de commutation (10) comprenant : des première et seconde matrices de commutateurs (lla, llb) qui traitent respectivement une pluralité de faisceaux présentant des premier et second états de polarisation, et qui comprennent chacune : (a) une pluralité de diviseurs de puissance destinés à traiter respectivement la pluralité de faisceaux, qui divise la puissance obtenue à partir de chacun des faisceaux, (b) une pluralité de commutateurs pouvant tre commandés (16), reliés individuellement aux sorties de chacun des diviseurs de puissance, (c) une pluralité de dispositifs de combinaison de puissance (17) qui comprennent chacun une pluralité d'entrées correspondant aux sorties de chacun des diviseurs de puissance et dont les entrées respectives sont reliées de façon à recevoir des sorties correspondantes de chaque diviseur de la pluralité de diviseurs de puissance, (d) une pluralité d'amplificateurs (18) reliés respectivement aux sorties de la pluralité des dispositifs de combinaison de puissance, et (e) une pluralité de commutateurs de sortie pouvant tre commandés (19), reliés aux sorties de la pluralité d'amplificateurs, qui sont activés sélectivement afin de fournir des sorties du dispositif de commutation, un premier contrôleur de matrices de commutateurs (12a) relié à la pluralité de commutateurs pouvant tre commandés (16) et à la pluralité de commutateurs de sortie pouvant tre commandés (19) afin d'acheminer sélectivement les faisceaux au travers du dispositif, et un premier convertisseur courant continu/courant continu (13a) relié au premier contrôleur de matrices de commutateurs afin de fournir une alimentation en courant continu au premier contrôleur de matrices de commutateurs et à l'ensemble de matrices de commutateurs, un second contrôleur de matrices de commutateurs (12b) relié à la pluralité de commutateurs pouvant tre commandés (16) et à la pluralité de commutateurs de sortie pouvant tre commandés (19) afin d'acheminer sélectivement les faisceaux au travers du sous-système, et un second convertisseur courant continu/courant continu (13b) relié au second contrôleur de matrices de commutateurs afin de fournir une alimentation en courant continu au second contrôleur de matrices de commutateurs et aux matrices de commutateurs. 14. Dispositif de commutation selon la revendication 13, dans lequel les ensembles de matrices de commutateurs comprennent chacun des ensembles de matrices de commutateurs 8 x 12. 15. Dispositif de commutation selon la revendication 13, dans lequel la pluralité de diviseurs de puissance comprend des diviseurs de puissance 1 : 14. 16. Dispositif de commutation selon la revendication 13, dans lequel la pluralité de diodes PIN comprend quatorze commutateurs à diode PIN 1 : 14. 17. Dispositif de commutation selon la revendication 13, dans lequel la pluralité de dispositifs de combinaison de puissance comprend quatorze dispositifs de combinaison de puissance. 18. Dispositif de commutation selon la revendication 13, dans lequel la pluralité d'amplificateurs comprend quatorze amplificateurs. 19. Dispositif de commutation selon la revendication 13, dans lequel la pluralité de commutateurs de sortie pouvant tre commandés comprend douze commutateurs de sortie pouvant tre commandés qui fournissent une redondance 14 pour 12 à la sortie du dispositif de commutation.