Brevet FR2844400A1 — publié le 20040312

L'invention concerne de façon générale les satellites de communication, et plus particulièrement une configuration de réflecteur pour des satellites de communication. Des satellites de communication utilisant des charges utiles pour faisceaux étroits multiples ont besoin habituellement soit d'antenne à réflecteurs multiples (3 ou 4 ouvertures), soit d'un réflecteur unique avec un réseau complexe de formation de faisceaux pour des fonctions 10 efficaces d'émission ainsi que de réception. On fait référence à la fonction d'émission par l'expression liaison descendante et à la fonction de réception par l'expression liaison montante. Habituellement, on utilise des antennes à réflecteurs multiples (3 ou 4) pour chaque bande de 15 fréquences d'émission et de réception. L'inconvénient de cette approche est qu'on a besoin d'un plus grand espace physique sur le corps du vaisseau spatial ou astronef pour le montage des antennes. Autrement dit, habituellement, les deux côtés est et ouest du vaisseau spatial sont utilisés 20 pour les réflecteurs tandis que seul reste le panneau du nadir pour les autres charges utiles. Les systèmes de réflecteurs sont également plus lourds et ont besoin de cornets d'alimentation plus grands. Une autre approche consiste en un réflecteur unique 25 pour chaque bande de fréquence et en l'utilisation d'un grand nombre de cornets d'alimentation avec un réseau de formation de faisceaux de niveau bas affecté à chaque réflecteur. Chaque faisceau est généré par un groupement de cornets se chevauchant, habituellement sept cornets, et 30 nécessite un réseau de partage d'éléments et un réseau de formation de faisceaux pour former des faisceaux multiples se chevauchant. Un inconvénient de cette approche est qu'un grand nombre d'alimentations, un grand nombre d'amplificateurs et des réseaux complexes et lourds de 35 formation de faisceaux sont nécessaires. Ceci augmente la complexité du vaisseau spatial. Une autre approche consiste à utiliser un réflecteur sans ouverture comportant un sous-réflecteur à surface sélective d'une fréquence (SSF) avec des réseaux d'alimentation séparés. Le sous-réflecteur SSF transmet les 5 fréquences de liaison descendante et réfléchit les fréquences de liaison montante. Le nombre de réflecteurs principaux est réduit d'un facteur de deux par rapport à la première approche décrite, mais il nécessite un sousréflecteur additionnel sélectif de fréquence pour chaque 10 réflecteur principal. Un inconvénient de cette approche est que des sous-réflecteurs complexes à surface sélective de fréquence ont besoin d'un plus grand espace pour être conditionnés à bord d'un vaisseau spatial et la perte accrue associée au sous-réflecteur SSF a un impact sur les 15 performances électriques. Une autre approche est décrite dans le brevet des tats Unis d'Amérique n0 6 140 978. Dans ce brevet, un réflecteur principal à surface sélective de fréquence et des cornets d'alimentation double bande sont utilisés. Le 20 brevet précité utilise un ensemble de réflecteurs o chaque réflecteur comporte une région centrale sans ouverture qui réfléchit les deux bandes de fréquence et un anneau extérieur qui est sélectif pour les fréquences et est réfléchissant aux fréquences de liaison descendante et non 25 réfléchissant aux fréquences de liaison montante. La dimension électrique du réflecteur est donc différente au niveau des deux bandes et elle peut donc être ajustée pour obtenir la même couverture sur le sol. Des inconvénients de cette approche sont que les pertes associées au réflecteur 30 sont augmentées, la complexité du réflecteur lui-même est augmentée et le cot est augmenté, et la nécessité de diplexer les cornets d'alimentation pose des problèmes de largeur de bande et d'intermodulation passive. Bien que le nombre de réflecteurs soit réduit d'un facteur de deux, 35 trois ou quatre réflecteurs restent cependant nécessaires. Il serait donc souhaitable de disposer d'un réflecteur d'antenne simple, léger et peu encombrant afin de réduire la complexité et le poids d'ensemble du vaisseau spatial. Un objet de l'invention est donc de procurer une 5 configuration d'antenne simplifiée pour un vaisseau spatial. Un aspect important de l'invention porte sur l'utilisation d'un "'réflecteur hybride"' unique en combinaison avec des surfaces totalement réfléchissantes et 10 partiellement réfléchissantes pour générer des faisceaux multiples. Selon un aspect de l'invention, une antenne destinée à réfléchir une bande de fréquences comporte une partie centrale totalement réfléchissante pour la bande de 15 fréquences. Un certain nombre de bandes annulaires entourant la partie centrale sont utilisées avec des surfaces partiellement réfléchissantes. Une première bande annulaire est disposée de façon à être directement adjacente à la partie centrale. La première bande annulaire 20 est partiellement réfléchissante pour la bande de fréquences. Il convient de noter que les antennes peuvent être incorporées dans un satellite dans lequel une antenne est utilisée pour l'émission et une antenne est utilisée pour 25 la réception de tous les faisceaux dans le satellite. Du fait de l'utilisation d'un réflecteur unique pour générer tous les faisceaux dans une bande de fréquences, on élimine la dégradation des performances due à une erreur de pointage différentiel entre les multiples ouvertures d'une 30 conception classique. Un avantage de l'invention est que le nombre de réflecteurs est réduit, ce qui, par suite, réduit la complexité et les dimensions de l'engin spatial. Un autre avantage de l'invention est que, du fait de l'utilisation 35 d'un nombre de réflecteurs réduits, on dispose davantage d'espace à l'extérieur du satellite pour divers types de charges utiles. Un autre progrès apporté par l'invention est qu'elle ne nécessite pas des réseaux complexes de formation de faisceaux pour former des faisceaux. L'invention sera décrite plus en détail en regard des 5 dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est une vue en plan d'un satellite ayant des réflecteurs d'antenne selon l'invention; la figure 2 est une vue d'une carte des tats-Unis 10 d'Amérique disposant d'une couverture continue en utilisant 32 faisceaux étroits contigus; la figure 3 est une vue en coupe transversale d'un réflecteur et d'un réseau d'alimentation selon l'invention; la figure 4 est une vue en élévation d'un réflecteur 15 formé selon l'invention; la figure 5 est une vue en perspective du réflecteur formé selon l'invention; la figure 6A est un graphique de la perte de réflectivité avec une épaisseur de grille de 0,51 mm; la figure 6B est un graphique donnant la perte de réflectivité en fils orthogonaux pour une grille d'une épaisseur de 1,02 mm; la figure 7 est un graphique donnant la perte de réflectivité en fonction de la résistivité d'un film de 25 Nichrome; la figure 8 est un graphique donnant la directivité de l'alimentation en fonction de l'angle sous-tendu d'alimentation pour un réflecteur selon l'invention; la figure 9 est un graphique du contour du réflecteur 30 en comparaison avec celui d'un réflecteur classique; la figure lOA est un diagramme de rayonnement donnant la directivité en fonction de l'angle d'azimut selon l'invention en comparaison avec un réflecteur classique; la figure lOB est un graphique donnant la directivité 35 en fonction de l'angle d'élévation pour un diagramme de rayonnement de l'invention par rapport à un réflecteur classique; la figure l est un graphique donnant l'angle d'élévation en fonction de l'azimut, illustrant des niveaux 5 d'isolement sur des cellules réutilisatrices de fréquence; la figure 12A est un graphique donnant la directivité en fonction de l'angle d'azimut pour un réflecteur formé conformément à l'invention dans un réflecteur classique lorsque le réflecteur classique et la présente invention 10 ont le même pic de directivité; et la figure 12B est un graphique donnant la directivité en fonction de l'angle d'élévation d'un réflecteur formé selon l'invention. Dans les figures suivantes, les mêmes références 15 numériques identifient les mêmes pièces. Bien que l'invention soit illustrée sous la forme d'une antenne basée sur un satellite, la présente invention peut également être appliquée à des antennes basées au sol. En référence à présent à la figure 1, un satellite 10 20 est représenté au-dessus de la Terre 12. Le satellite 10 comporte une antenne d'émission 14 qui émet des signaux vers une antenne 16 basée au sol sur une station terrestre 18. La station terrestre 18 peut évidemment comprendre des maisons domestiques, des centres d'affaires ou un point 25 central de redistribution pour les signaux des satellites. Le satellite 10 comporte aussi une antenne de réception 22 qui reçoit des signaux provenant d'une antenne d'émission 20 située au sol. Dans une forme appréciée de réalisation de l'invention, une seule antenne d'émission 14 30 et une seule antenne de réception 22 sont nécessaires à la présente invention. Le nombre global d'antennes est donc réduit. En référence à présent à la figure 2, les tats Unis d'Amérique continentaux (CONUS) 26 sont illustrés au moyen 35 de 32 faisceaux étroits contigus qui sont représentés sous une forme hexagonale. Les représentations sont désignées par des références numériques 28A, 28B, 28C et 28D et, par conséquent, une réutilisation en quatre diagrammes est illustrée. Sur cette figure, l'écartement des cellules est de 0,866 degrés et la dimension du faisceau est de 1,0 degré. En référence à présent à la figure 3, l'antenne 14 est illustrée plus en détail. L'antenne 14 est représentée par rapport à un réseau 30 d'alimentation. Les deux antennes 14 et 22 peuvent évidemment être configurées conformément à 10 l'invention. Dans la forme préférée de réalisation de l'invention, chaque réflecteur comporte son propre réseau d'alimentation qui peut être placé dans le plan focal comme illustré, ou défocalisé par rapport au plan focal. Bien que seulement trois cornets d'alimentation 32 soient illustrés 15 dans le réseau d'alimentation, le nombre de cornets d'alimentation correspond au nombre de faisceaux dans un système de satellite à faisceaux multiples. Le réseau 30 d'alimentation illumine le réflecteur 34 dans une configuration décalée pour éliminer les effets de blocage. 20 Le profil de surface du réflecteur 34 pourrait être parabolique ou bien peut être configuré de façon arbitraire. le réflecteur 34 est illustré plus en détail en référence à présent aux figures 3, 4 et 5. Le réflecteur 34 25 comporte une partie centrale 36 qui comprend une partie de réflecteur sans ouverture ou pleine. La partie de réflecteur pleine est totalement réfléchissante pour les signaux RF de la bande passante à laquelle on s'intéresse. Comme illustré sur la figure 4, la partie centrale 36 a un 30 rayon Rj. Le réflecteur comporte aussi au moins un, mais, comme illustré, m>1 (mÄ2) anneau partiellement réfléchissant et partiellement absorbant (seuls deux anneaux 38 et 40 sont représentés sur les figures 3 à 5 pour plus de clarté). L'anneau 38 a un rayon extérieur R2 35 et un rayon intérieur R1 et est donc directement adjacent à la partie centrale 36. L'anneau 40 a un rayon intérieur R2 et un rayon extérieur RM. Chaque anneau peut être concentrique à la partie centrale 36. La forme de chaque anneau est habituellement circulaire, mais il peut également prendre d'autres formes géométriques. Chacun des anneaux 38, 40 peut être formé d'une couche électriquement mince (une épaisseur très inférieure à l'épaisseur de peau) d'un film résistif tel que du nickelchrome (Nichrome) déposé sous vide sur du Kapton qui a été lié à du graphite sous la forme d'une toile à maille peu 10 dense. La toile 42 est illustrée sur la figure 5. La toile 42 est supportée par une structure de soutien 44. Le substrat en KaptonO de l'anneau 38 est illustré de façon générale en 46 et le substrat en Kapton' de l'anneau 40 est illustré de façon générale en 48. Le substrat 46 en Kapton 15 de l'anneau intérieur peut avoir, par exemple, une résistivité de 187 ohms/E. Le substrat en KaptonO de l'anneau extérieur 40 peut avoir une plus grande résistivité par carré, par exemple 555 ohms/E. En ajustant la dimension des anneaux et la résistance des anneaux, on 20 peut obtenir le faisceau de forme souhaitée en optimisant l'illumination d'alimentation sur le réflecteur hybride. Dans une forme de réalisation construite, l'exécution mécanique du réflecteur hybride comprenait une structure nervurée de support en graphite destinée à supporter les 25 divers constituants du réflecteur, une enveloppe pleine en graphite constituée de trois ou quatre couches d'armure triaxiale à mailles denses, une toile de graphite à mailles peu denses ayant une ouverture minimale de 11,4 mm attachée à la structure de support. Dans une autre configuration, la toile peut être positionnée sur la structure nervurée de support au moyen d'un réseau sous la forme d'un réseau caténaire dimensionnellement stable qui s'étend d'une nervure à l'autre. La toile peut être utilisée pour créer la surface 35 souhaitée du réflecteur sur l'anneau extérieur et un substrat de Kapton , composé d'un revêtement d'un film de Nichrome, peut être monté sur la structure nervurée de support ou sur la toile, suivant la configuration souhaitée. La conception de grille pour les anneaux extérieurs peut être obtenue en choisissant de façon 5 appropriée le paramètre de la grille tel que l'épaisseur de la grille et l'écartement de grille afin que la toile soit transparente aux signaux RF. Par exemple, une conception de grille pour deux anneaux extérieurs à la bande Ka, pour une fréquence de 20 GHz en liaison descendante et 30 GHz en 10 liaison montante, peut être utilisée en faisant appel à une toile symétrique de graphite d'une épaisseur de 0, 51 mm, avec un écartement de 11,4 mm entre les grilles pour obtenir la transparence électrique souhaitée et la faible réflectivité souhaitée à la bande Ka. Comme illustré sur la 15 figure 6A, la perte calculée de réflectivité est d'environ dB à 20 GHz et de 26,5 dB à 30 GHz. En référence à présent à la figure 6B, une autre façon d'utiliser les fréquences dans la bande Ka consiste à mettre en oeuvre une toile symétrique en graphite de 1,02 mm 20 avec un écartement de grille de 14, 73 mm qui produit une perte de réflectivité de 20 dB et de 27 dB respectivement à GHz et 30 GHz. En référence à présent à la figure 7, la variation de la perte de réflectivité RF ou l'atténuation pour des 25 valeurs de résistivité différentes du fil de Nichrome est illustrée. Par exemple, la conception proposée présente une résistivité d'environ 187 ohms/E pour obtenir une perte de réflectivité de 6 dB pour l'anneau intérieur Al, et une résistivité d'environ 555 ohms/E pour obtenir une perte de 30 réflectivité de 12 dB pour l'anneau extérieur A2. En référence à présent à la figure 8, l'illumination d'alimentation effective sur le réflecteur de la présente invention est illustrée. Dans cette forme de réalisation, il est illustré un réflecteur ayant un diamètre de 35 190,5 cm, utilisant un cornet Potter de 22,86 mm, à la fréquence de 20 GHz. L'illumination sur un réflecteur plein classique de 114,3 cm est illustrée à titre de comparaison. Le réflecteur classique présente un cône d'illumination de seulement 3,0 dB tandis que le réflecteur selon l'invention présente un cône d'illumination effective de 21 dB. Les 5 pertes par débordement ont été calculées à 3,1 dB pour le réflecteur classique et à seulement 0,8 dB pour le réflecteur hybride. Le cône d'illumination avec le réflecteur hybride donne une directivité de faisceau plus élevée et des niveaux de lobes latéraux très bas en 10 comparaison avec le réflecteur classique. En référence à présent à la figure 9, il est illustré un contour de la présente invention par rapport à ceux d'un réflecteur classique (traits tiretés). La valeur de crête de réflectivité pour la présente invention est de 46,05 dB 15 tandis que la directivité pour un réflecteur classique est de 44,26 dB. L'amélioration du pic de directivité dans la présente invention est d'environ 1,8 dB. En référence à présent aux figures 10A et lOB, cellesci illustrent les diagrammes respectifs de directivité en 20 fonction des angles d'azimut et d'élévation. Les niveaux de pic des lobes latéraux sont de -19 dB et -27 dB concernant le pic de directivité pour le réflecteur classique et le réflecteur hybride selon l'invention, respectivement. Les niveaux des lobes latéraux sont améliorés d'environ 8,5 dB 25 dans la présente invention. En référence à présent à la figure 11, celle-ci montre un graphique de contour de copolarisation selon l'invention. L'isolement de copolarisation d au brouilleur unique sans erreur de pointage du satellite est de 20 dB 30 pour un processus de réutilisation sur trois cellules et de 23 dB pour un processus de réutilisation sur quatre cellules. Les valeurs d'isolement, incluant les erreurs typiques de pointage du satellite sont d'environ 16 dB et de 19 dB pour les processus sur trois cellules et sur 35 quatre cellules, respectivement. Les valeurs d'isolement copolaires sont améliorées, avec le réflecteur selon l'invention, d'au moins 5 dB en comparaison avec un réflecteur classique. D'autres améliorations peuvent être obtenues en optimisant les paramètres de l'invention tels que la forme et la dimension des anneaux extérieurs, en 5 faisant varier les rayons des différentes régions et les valeurs d'atténuation pour les régions annulaires du réflecteur hybride. En référence à présent aux figures 12A et 12B, à titre de comparaison, le réflecteur classique qui a été augmenté 10 de 114,3 cm à 131,44 cm a une valeur de directivité qui est identique à celle obtenue en utilisant le réflecteur hybride selon l'invention. Bien que les valeurs de crête de directivité et que le profil du faisceau principal soient très similaires pour les deux conceptions, les niveaux des 15 lobes latéraux sont améliorés d'environ 7,5 dB avec la conception du réflecteur de l'invention. Comme on peut le voir, l'invention procure un avantage notable par le fait que le cot récurrent du système d'antenne à faisceaux multiples peut être réduit d'environ 20 50% du fait du nombre réduit de réflecteurs (de six à huit à seulement deux). De plus, la masse globale des antennes est également réduite d'environ 30%. tant donné que cette conception demande moins d'espace à occuper sur le vaisseau spatial, on peut utiliser davantage d'espace pour diverses 25 charges utiles. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au réflecteur et au système décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Réflecteur hybride (34) d'antenne fonctionnant sur une bande de fréquences, caractérisé en ce qu'il comporte une partie centrale (36) totalement réfléchissante pour ladite bande de fréquences; et une première bande annulaire (38) disposée de façon à être directement adjacente à la partie centrale, cette première bande annulaire étant partiellement réfléchissante pour ladite bande de fréquences. 2. Réflecteur hybride d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une seconde bande annulaire (40) disposée de façon à être directement adjacente à ladite première bande annulaire, la seconde bande annulaire réfléchissant partiellement la 15 bande de fréquences. 3. Réflecteur hybride d'antenne selon la revendication 2, caractérisé en ce que la seconde bande annulaire (40) a un niveau d'atténuation différent de celui de la première bande annulaire (38). 4. Réflecteur hybride d'antenne selon la revendication 2, caractérisé en ce que la seconde bande annulaire (40) a un niveau d'atténuation supérieur à celui de la première bande annulaire. 5. Réflecteur hybride d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie centrale est circulaire. 6. Réflecteur hybride d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première bande est concentrique à la partie centrale. 7. Réflecteur hybride d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première bande annulaire présente une première résistance pour réfléchir partiellement et absorber partiellement ladite bande de fréquences. 8. Réflecteur hybride d'antenne selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une seconde bande annulaire (40) qui est directement adjacente à la première bande annulaire et qui réfléchit partiellement la bande de fréquences. 9. Réflecteur hybride d'antenne selon la revendication 8, caractérisé en ce que la seconde bande annulaire a une seconde résistance différente de la première résistance. 10. Système de satellite caractérisé en ce qu'il comporte: un corps (10) de satellite; un ensemble (14) à 10 antenne d'émission couplé au corps (10) du satellite et comprenant plusieurs cornets (32) d'alimentation pour l'émission ayant une bande de fréquences d'émission, un réflecteur (34) d'émission ayant une première partie centrale (36) réfléchissant complètement la bande de 15 fréquences d'émission et une première bande annulaire (38) disposée de façon à être directement adjacente à la partie centrale, la première bande annulaire (38) réfléchissant partiellement la bande de fréquences d'émission; un ensemble (16) à antenne de réception couplé au corps du 20 satellite; plusieurs cornets (32) d'alimentation de réception ayant une bande de fréquences de réception différente de la bande de fréquences d'émission; et un réflecteur (34) de réception ayant une première partie centrale (36) réfléchissant complètement la bande de 25 fréquences de réception, et une première bande annulaire (38) disposée de façon à être directement adjacente à la partie centrale, la première bande annulaire réfléchissant partiellement la bande de fréquences de réception. 11. Système de satellite selon la revendication 10, 30 caractérisé en ce que chacun des multiples cornets (32) d'alimentation pour l'émission génère un faisceau ou des faisceaux multiples sans réseau de formation de faisceaux. 12. Système de satellite selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'ensemble (14) à antenne d'émission 35 comporte en outre une seconde bande annulaire (40) d'émission disposée de façon à être directement adjacente à la première partie centrale, la seconde bande annulaire d'émission réfléchissant partiellement la bande de fréquences d'émission. 13. Système de satellite selon la revendication 12, 5 caractérisé en ce que la seconde bande annulaire (40) d'émission a une seconde résistance différente de la première résistance. 14. Système de satellite selon la revendication 10, caractérisé en ce que la seconde bande annulaire (40) 10 d'émission a un niveau d'atténuation différent de celui de la première bande annulaire. 15. Système de satellite selon la revendication 10, caractérisé en ce que la seconde bande annulaire (40) de réception a un niveau d'atténuation différent de celui de 15 la première bande annulaire (38) de réception. 16. Système de satellite selon la revendication 15, caractérisé en ce que la seconde bande annulaire a un niveau d'atténuation supérieur à celui de ladite première bande annulaire. 17. Système de satellite selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'ensemble à antenne de réception comporte en outre une seconde bande annulaire de réception disposée de façon à être directement adjacente à la première partie centrale et réfléchissant partiellement la 25 bande de fréquences de réception.