Brevet FR2788171A1 — publié le 20000707

La présente invention concerne un dispositif de réception à réseaux à balayage électronique dans un système de communication par satellites à défilement. Jusqu'à présent, les télécommunications commerciales par satellite ont été réalisées en quasi-totalité par les satellites géostationnaires, particulièrement intéressants en raison de leurs positions relatives immuables dans le ciel. Or, le satellite géostationnaire présente des inconvénients majeurs tel que des atténuations importantes des signaux transmis liées à la distance séparant les antennes usagers du satellite géostationnaire (de l'ordre de 36000 kilomètres, les pertes correspondantes s'élevant alors à environ 205 dB dans la bande Ku) et des délais de transmission (typiquement de l'ordre de 250 ms à 280 ms) devenant ainsi nettement perceptibles et gênants notamment pour des applications en temps réel telles que la téléphonie, la vidéoconférence, etc... Par ailleurs, l'orbite géostationnaire, située dans le plan équatorial, pose un problème de visibilité pour les régions à latitudes élevées, les angles d'élévation devenant très faibles pour les régions proches des pôles. Les alternatives à l'emploi du satellite géostationnaire sont: I'utilisation de satellites sur des orbites elliptiques inclinées, le satellite étant alors quasi stationnaire au-dessus de la région située à la latitude de son apogée pendant une durée pouvant atteindre plusieurs heures, - la mise en oeuvre de constellations de satellites en orbites circulaires, notamment en orbite basse ("lLow Earth Orbit" ou LEO en langue anglaise) ou en orbite moyenne ("Mid Earth Orbit" ou MEO en langue anglaise), les satellites de la constellation défilant à tour de rôle en visibilité du terminal usager pendant une durée allant d'une dizaine de minutes à environ une heure. Dans les deux cas, le service ne peut être assuré en permanence par un seul satellite, la continuité du service imposant le défilement au- dessus de la zone de service de plusieurs satellites se succédant les uns aux autres. L'invention a pour but de réaliser un dispositif de réception à balayage électronique simple et peu coûteux pour la poursuite de satellites à défilement, permettant de poursuivre un satellite dans son champ de rayonnement radioélectrique. A cet effet, I'invention a pour objet un dispositif de réception de signaux à réseaux à balayage électronique dans un système de communication par satellites à défilement, caractérisé en ce qu'il comprend: - M alignements de sources rayonnantes en réseau, - un commutateur couplant lesdits M alignements à N lignes d'un réseau de combineurs/diviseurs, avec N étant confondu à une génératrice dudit cône. De cette sorte, le dispositif selon l'invention permet de poursuivre un satellite o qu'il soit dans le champ de rayonnement du dispositif. Sa conformation en cône permet de couvrir un angle solide de réception de 360 en azimuth et de 90 en élévation. En outre, le procédé de fabrication du substrat associé à un tel dispositif est simple car il ne nécessite que la formation d'un substrat plat circulaire qu'on conforme ensuite en un cône de caractéristiques prédéterminées. Le terme "élévation" traduit un angle entre le satellite et l'horizon local alors que le terme "azimuth" correspond à un mouvement du satellite dans le plan orthogonal au mouvement d'élévation déterminant un angle reliant le satellite à une verticale locale de référence. Lors de la poursuite du satellite par le dispositif selon le plan azimuthal, pour permetttre un suivi régulier, est réalisé une alimentation successive de groupes de N alignements adjacents, chaque groupe se différenciant par un seul alignement. En fonctionnement, le rayonnement de la surface formée par les N alignements activés en réseau ne correspondant pas à celui d'un réseau plan mais à celui d'un réseau courbé, des seconds déphaseurs commandent chacun un déphasage supplémentaire sur les N alignements alimentés, le déphasage supplémentaire variant selon un gradient de phase de sorte que chaque source des N alignements soit alimentés de manière équiphase. Ainsi, le gain est optimisé et la remontée des lobes secondaires est réduite. Selon un mode de réalisation, les sources rayonnantes comprennent des pastilles rayonnantes ("patch" en langue anglaise). Selon un mode de réalisation, chaque alignement comprend une succession de sources rayonnantes, deux sources rayonnantes étant espacées d'un déphaseur. Selon un mode de réalisation, un même déphaseur est commun à à plusieurs alignements de sorte à pouvoir ajuster la phase de plusieurs sources. Selon un mode de réalisation, la surface de rayonnement de chaque source rayonnante est fonction croissante de la distance séparant ladite source avec le point de couplage de l'alignement auquel appartient ladite source avec ledit commutateur, ce qui permet entre autres de compenser la perte de niveau du signal lors de sa trajectoire le long de lI'alignement. Selon un mode de réalisation, les moyens combineurs/diviseurs sont reliés à des moyens de traitement des signaux échangés avec le premier satellite. Pour pouvoir émettre et recevoir simultanément, les moyens combineurs/diviseurs sont reliés à un circuit de réception de signaux et un circuit d'émission de signaux via un circulateur. Selon un mode de réalisation, le cône est tronqué. Selon un mode de réalisation, lesdits M premiers alignements sont disposés sur un premier substrat conique, en ce que M' seconds alignements sont disposés sur un second substrat conique superposé au premier substrat, lesdits M premiers alignements étant destinés à l'émission et/ou réception de signaux avec un premier satellite et lesdits M' seconds alignements étant destinés à l'émission et/ou réception de signaux avec un second satellite. Selon un mode de réalisation, pour échanger continuellement des signaux avec un satellite au cours du temps, ledit contrôleur comporte des moyens de mémorisation comprenant une table des positions au cours du temps d'une pluralité de satellites du système de satellites. Cette solution étant purement électronique, elle permet de ne pas souffrir de délai de commutation lors de la commutation de réception d'un premier satellite vers un autre. Selon un mode de réalisation, à chaque position du satellite, à un instant donné, dans l'espace de rayonnement radioélectrique du dispositif correspond un couple de valeurs (N, A(d), N correspondant à N alignements devant être alimentés par ledit commutateur et A(b représentant la valeur du déphasage introduit par lesdits premiers déphaseurs aux sources des N alignements. Selon un mode de réalisation, le contrôleur est relié au circuit de réception du dispositif pour la mesure d'un paramètre de qualité du signal reçu. Ainsi, dans le cas o le paramètre de qualité n'est pas respecté, le contrôleur commande l'échange de signaux avec un satellite de positions connues dans l'espace de rayonnement avec lequel le critère de qualité de signal reçu est remplie. Par exemple, le critère de qualité est le niveau de signal reçu. Selon une variante, celui-ci peut être le taux d'erreur détecté au niveau d'un démodulateur situé dans une unité intérieure à laquelle le circuit de traitement est relié. --. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description des exemples de réalisation et des variantes qui vont suivre, pris à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux figures annexées dans lesquelles: - la figure 1 représente un schéma en perspective d'un dispositif selon l'invention, - la figure 2.a représente un mode de réalisation du dispositif selon l'invention alors que les figures 2.b et 2.c représentent des variantes du mode de réalisation de la figure 2.a selon des spécifications différentes du système de satellites, - la figure 3 représente une pluralité d'alignements selon un mode de réalisation de l'invention, - les figures 4.a et 4.b représentent des variantes schématiques du mode de réalisation de la figure 3, - la figure 5.a représente une variante de réalisation d'un alignement selon l'invention alors que la figure 5.b représente une succession d'alignements selon cette variante, - la figure 6 représente une variante du mode de réalisation de la figure 3, - la figure 7 représente une variante du dispositif selon l'invention, - la figure 8 représente un mode de réalisation d'un circuit d'émission/réception de signaux selon l'invention, - la figure 9 représente une variante du dispositif selon l'invention, - la figure 10O.a représente schématiquement les premiers déphaseurs selon l'invention alors que les figures 10.b et 10.c représentent des modes de réalisation de ces déphaseurs. Pour simplifier la description, les mêmes références seront utilisées dans ces dernières figures pour désigner les éléments remplissant des fonctions identiques. La figure 1 représente un schéma en perspective d'un dispositif 1 selon l'invention. Celui-ci comprend un substrat conique 2 de sommet O, de demi-angle au sommet ax et de rayon R sur sa base circulaire 3. Le substrat repose lui-même sur un support conique non représenté. Sur cette figure, il a été illustré une pluralité de génératrices 4 reliant le sommet 0 avec la base 3 selon un plan normal à cette base. Pour des raisons de clarté, des pastilles rayonnantes 5 ne sont illustrées que sur l'une des génératrices 4, l I'ensemble des pastilles rayonnantes en réseau formant un alignement, mais I'ensemble des alignements sont agencés sur l'enveloppe du cône pour couvrir un champ de rayonnement de 360 . Pour de plus amples détails sur les alignements, on pourra se référer à l'ouvrage "Techniques de l'ingénieur" E3280 Antennes, Chapitre 3: Alignements. Sur la figure 1, le dispositif 1 capte les signaux provenant d'un satellite 6 selon un diagramme 7. Dans la configuration telle que représentée, le dispositif 1 capte le satellite sans dépointage en élévation de son diagramme de rayonnement 7. Il est illustré en pointillés le dépointage maximal de ce diagramme défini par les caractéristiques du dispositif pour que celui-ci ait un angle de captation des satellites en élévation allant de 0 à 90 . Le dépointage en élévation est défini par un déphasage du diagramme de rayonnement pour un groupe d'alignements alimentés donné. La figure 2.a représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Selon les spécifications de ce premier mode de réalisation, le dispositif doit couvrir un champ de rayonnement par rapport à l'horizontale de 0 à 90 en élévation. Dans ce contexte, I'angle ao est déterminé égal à 45 . De cette manière, des réseaux de centre de phase 80, 81 subissent un déphasage permettant un dépointage allant de - 450 à 45 par rapport à des axes de visée optimaux sans dépointage respectifs 800, 810. Les figures 2.b et 2.c représentent des variantes du mode de réalisation de la figure 2.a selon des spécifications différentes du système de satellites à défilement. Dans le cas de la figure 2.b, o la spécification du système permet un angle de captation des satellites à l'horizon local de , I'angle a est de 50 alors que, sur la figure 2.c, dans le cas o le système de satellites comporte un nombre important de satellites défilant selon des trajectoires prédéfinies, assurant ainsi l'existence de plusieurs satellites dans l'espace de rayonnement en un instant donné, I'angle de captation minimal par rapport à l'horizon local peut être fixé à 40 , ce qui détermine l'angle cx à une valeur de 650. La figure 3 représente une pluralité d'alignements 90, 91,...97 en réseau de pastilles rayonnantes 5 circulaires, deux pastilles 5 adjacentes étant séparées par un déphaseur 10 ajustable. Chaque alignement 90, 91, 97 possède chacun deux extrémités, I'une comportant une pastille - rayonnante et l'autre comportant une pastille rayonnante reliée respectivement à des bornes 110, 111,....117 d'un commutateur 12. Le : commutateur est relié à un combineur/diviseur 14 par quatre lignes (N=4) d'alimentation 130, 131, 132, 133. Le commutateur 12 permet grâce à un signal de commande Sc provenant d'un microcontrôleur 40 d'alimenter quatre alignements, par exemple 90 à 93, parmi les sept (M = 7) alignements du réseau. Il est à souligner qu'il n'a été figuré qu'un nombre limité de pastilles et d'alignements dans un but de clarté des dessins mais le nombre d'alignements est de l'ordre d'une centaine. La sélection de ces quatre alignements 90 à 93 est réalisée selon une méthode de sélection préétablie à partir d'une table contenue dans une mémoire morte 41 et comprenant un éphéméride des positions des satellites au cours du temps et/ou en tenant compte du niveau des signaux reçus sur le circuit de réception. Dans ce dernier cas, le microcontrôleur comporte dans une mémoire morte une valeur seuil. Lors de la réception de signaux dont le niveau descend en dessous de la valeur seuil, le microcontrôleur commande l'alimentation de quatre alignements adjacents, par exemple 91 à 94. En tout état de cause, il faut que trois des alignements sélectionnés se retrouvent parmi les alignements précédemment alimentés pour permettre un suivi régulier et sans à-coups. Si le diagramme de rayonnement généré par ces quatre alignements ne permet pas une réception avec un niveau adéquat, le microcontrôleur continue sa commutation de manière circulaire vers quatre autres alignements adjacents jusqu'à ce que la condition requise de niveau supérieur à la valeur seuil soit remplie. Bien entendu, la méthode de sélection des N alignements n'est pas limitée aux méthodes décrites ci- dessus et pourra être étendue à toute autre méthode. Les quatre alignements alimentés sont reliés aux quatre lignes 130 à 133 du combineur/diviseur dont la sortie/entrée est reliée par une liaison 15 avec un circuit d'émission/réception décrit dans la suite. Chaque alignement 90 à 97 est disposée sur la surface du cône 2 selon une génératrice 4 de celuici. Les pastilles sont excitées par des lignes d'alimentation 50, les pastilles et les lignes 50 étant gravées sur la surface supérieure du substrat orientée vers l'espace de rayonnement du dispositif. Bien entendu, en utilisant deux couches de substrat, les pastilles et les lignes d'excitation peuvent être gravées sur des faces opposées. Les figures 4.a et 4.b représentent des variantes du mode de réalisation de la figure 3. Sur la figure 2, un même déphaseur 10 est commun à deux alignements 900, 901 alors que sur la figure 4.b, un même déphaseur 10 est commun à quatre alignements 902, 903, 904, 905. L'alimentation des alignements 90, 91,...97 peut se faire, selon la figure 4.a, par groupes de deux alignements ou, selon la figure 4.b, par groupes de quatre, ou plus. Ceci permet de réduire le nombre total de déphaseurs pour le réseau (typiquement ce nombre est divisé par deux, quatre,... et de façon générale divisé par i), puisque deux, quatre (de façon générale i) pastilles appartenant à des alignements adjacents ont leur phase ajustées par un même déphaseur. Ce regroupement des alignements permet aussi de réduire le nombre de ports 110 à 117, ce qui réduit la complexité et à fortiori le coût du commutateur. Le commutateur comportant initialement M ports pour les M alignements et N ports pour les lignes reliées au combineur/diviseur, peut, grâce à l'invention, arborer uniquement m ports pour les M alignements et n ports pour les lignes reliées au combineur / diviseur avec m et n tels que: m k=2, 4,...i. La figure 5.a représente une autre variante d'un alignement de pastilles 18. Chaque pastille 18 est rectangulaire, de hauteur L constante selon la hauteur du cône 2 et de largeur W augmentant, selon une loi prédéfinie, par exemple linéairement, en fonction inverse de la distance de la pastille à la base 3 du cône. La figure 5.b représente une succession d'alignements de pastilles 18 selon la variante de la figure 5.a. Cette succession est disposée sur un plan avant d'être conformée en un cône. La figure 6 représente une variante de la figure 3. Sur la figure 6, entre chaque ligne 130, 131, 132, 133 et chaque borne d'entrée/sortie correspondante du combineur/diviseur 14 se trouve un déphaseur 190, 191, 192, 193 permettant un ajustement supplémentaire des phases correspondantes à chaque alignement ou groupe d'alignements auquel il est associé. Cet ajustement est contrôlé par le microcontrôleur 40. Selon une variante de l'invention illustrée sur la figure 7, le dispositif 1 a une forme tronconique. Cette configuration est intéressante pour des angles d'élévation faibles. Elle est également plus adaptée pour conserver des distances quasi-constantes entre pastilles appartenant à deux alignements adjacents. En effet, dans le cas d'un dispositif conique, les pastilles rayonnantes proches du sommet 0 souffrent d'être proches les unes des autres comparativement à celles proches de la base. La figure 8 représente un mode de réalisation d'un circuit d'émission/réception 20 relié au combineur/diviseur 14 de la figure 3. Celui- ci comprend un circulateur 21 dont une entrée est reliée à un circuit d'émission 22 de signaux, une sortie est reliée à un circuit de réception 23 de signaux et une entrée/sortie est reliée au combineur/diviseur 14 via la ligne 15. Le circuit de réception 23 comprend successivement dans le sens de réception des signaux, un filtre de réception 24 passe-bande filtrant autour de la fréquence centrale de réception, un amplificateur 25 faible bruit, un mélangeur 26 recevant sur une première entrée le signal filtré par le filtre 24 et amplifié par l'amplificateur 25 et sur une seconde entrée un signal de sortie d'un oscillateur local 27. La sortie du mélangeur fournit un signal de fréquence intermédiaire pour une unité intérieure d'une habitation non représentées sur laquelle est placé le dispositif d'émission/réception selon l'invention. Le circuit d'émission 22 comprend dans le sens d'émission de signaux un mélangeur 28 dont une première entrée reçoit un signal en fréquence intermédiaire de l'unité intérieure, une seconde entrée provenant d'un oscillateur local 29 transposant en fréquence d'émission le signal d'entrée du mélangeur. Le signal de sortie de ce dernier attaque l'entrée d'un amplificateur 30 de puissance. La sortie de l'amplificateur est reliée à lI'entrée d'un filtre d'émission 31 passe-bande filtrant ledit signal autour de la fréquence d'émission pour le délivrer à l'entrée du circulateur 21. Ainsi, le circuit 23 est un circuit de conversion en fréquence intermédiaire alors que le circuit 22 est un circuit de conversion en fréquence d'émission, généralement en hyperfréquences. La sortie du mélangeur 26 délivrant le signal en fréquence intermédiaire pour l'unité intérieure est également reliée au microcontrôleur 40 qui utilise le signal reçu pour détecter son niveau comme précédemment expliqué. La figure 9 représente schématiquement une variante de l'invention, comportant deux couches de substrat coniques 32, 33. Cette superposition de plusieurs couches de substrats peut être mise en oeuvre dans plusieurs buts: - dans le but d'élargir la bande passante du dispositif selon l'invention. Sur la couche de substrat supérieure 45 ( sans plan de masse) sont gravées des pastilles superposées aux pastilles de la couche inférieure 46. Chaque réseau de pastilles du substrat supérieur résonne autour d'une fréquence centrale légèrement décalée avec celle du réseau en regard duquel il se trouve, pour permettre un élargissement de la bande de fréquence de fonctionnement du couple de réseau composé des deux réseaux en regard, - en vue de pouvoir recevoir deux satellites simultanément. Selon cette variante, une couche peut être dédiée à la réception/émission de signaux relatif à un premier satellite alors que la seconde est dédiée à la réception/émission de signaux relatif à un second satellite. Dans ce cas, il est nécessaire que les pastilles de chacune des couches ne se superposent pas, de sorte que les pastilles de la couche supérieure ne perturbent pas l'émission/réception de signaux des pastilles de la couche inférieure, - une couche peut être dédiée à l'émission et la seconde pour la réception. On n'utilise alors pas de circulateur mais on a deux accès directs : un à l'emission et un à la réception. Cela permet d'optimiser séparément chaque réseau (fréquence, largeur de bande, diagramme de rayonnement, etc...) Dans ce cas, afin de réduire le couplage entre émission et réception, les pastilles ne se superposent pas. La figure 10.a illustre, encadré de pointillés, un déphaseur 10 de bornes 1, 2, à diodes, pour le contrôle du déphasage A As = 2I1-d * sinO /X. La figure 1 0.b est un mode de réalisation de ce déphaseur. Celui- ci comprend des diodes à capacités variables 341, 342 ("variable capacitor" ou "varactors" en langue anglaise) identiques placées aux ports 3, 4 d'un coupleur hybride 3dB/90 . Le microcontrôleur varie la tension de polarisation de ces diodes, ce qui modifie la capacité de jonction de ces dernières et donc le coefficient de réflexion de ces diodes. Le déphasage entre les ports 1 et 2 s'en trouve modifié. Ainsi, le microcontrôleur commande de manière continue les variations de phase des déphaseurs. La figure 10.c représente un autre mode de réalisation du déphaseur: il comporte deux diodes varactor 351, 352 placées sur la ligne de transmission entre les ports 1 et 2 et le déphasage entre les ports 1 et 2 est contrôlé par la tension de polarisation de ces diodes. Bien entendu, I'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation et variantes tels que décrits. REVENDICATIONS 1. Dispositif de réception de signaux à réseaux à balayage électronique dans un système de communication par satellites (6) à défilement, caractérisé en ce qu'il comprend: - M premiers alignements (90,...97) de sources rayonnantes (5) en réseau, - un commutateur (12) couplant lesdits M alignements à N lignes d'un réseau (14) de combineurs/diviseurs, avec N sources étant confondu à une génératrice (4) dudit cône. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour la poursuite d'un satellite, est réalisé une alimentation successive de groupes de N alignements adjacents, chaque groupe se différenciant par un seul alignement. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que des seconds déphaseurs (190, 191, 192, 193) commandent chacun un déphasage supplémentaire des N alignements alimentés, ledit déphasage variant selon un gradient de phase de sorte que chaque source des N alignements alimentés soit alimentés de manière équiphase. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les sources rayonnantes comprennent des pastilles rayonnantes (5). 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque alignement comprend une succession de sources rayonnantes, deux sources rayonnantes étant espacées d'un premier déphaseur (10). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'un même déphaseur (10) est commun à plusieurs alignements de sorte à pouvoir ajuster la phase de plusieurs sources. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la surface de rayonnement de chaque source rayonnante est fonction croissante de la distance séparant ladite source avec le point de couplage (110,... 117) de l'alignement (90,...97) auquel appartient ladite source avec ledit commutateur. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le cône est tronqué. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdits M premiers alignements sont disposés sur un premier substrat (45) conique, en ce que M' seconds alignements sont disposés sur un second substrat (46) conique superposé au premier substrat, lesdits M premiers alignements étant destinés à l'émission et/ou réception de signaux avec un premier satellite et lesdits M' seconds alignements étant destinés à l'émission et/ou réception de signaux avec un second satellite. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le réseau de combineurs/diviseurs est relié à un circuit de réception (23) de signaux et un circuit d'émission (22) de signaux via un circulateur (21).; 11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que lesdits premiers déphaseurs associés à chaque source comportent des diodes (341, 342, 351, 352) à capacités variables. 12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que ledit contrôleur comporte des moyens de mémorisation (41) comprenant une table des positions au cours du temps d'une pluralité de satellites du système de satellites. 13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'à chaque position du satellite, à un instant donné, dans l'espace de rayonnement radioélectrique du dispositif correspond un couple de valeurs (N, A@), N correspondant à N alignements adjacents alimentés par ledit commutateur et AD représentant la valeur du déphasage introduit par lesdits premiers déphaseurs aux sources des N alignements. 14. Dispositif selon la revendication 10 ou l'une des revendications 1 1 à 13 combinée à la revendication 10, caractérisé en ce que le contrôleur est relié audit circuit de réception pour la mesure d'un paramètre de qualité du signal reçu.