Brevet FR2843238A1 — publié le 20040206

-1 ANTENNE MULTISOURCES NOTAMMENT POUR SYSTEME A REFLECTEUR La présente invention est relative au domaine des télécommunications. Elle concerne plus particulièrement une antenne de télécommunications multisources. Cette antenne multisources peut notamment être utilisée dans un système à réflecteur. Les systèmes focalisants sont couramment utilisés dans le domaine spatial car leurs performances permettent la couverture de plusieurs zones 1i0 terrestres. Cependant, il n'est pas possible de réaliser une grille régulière de couvertures ou spots contigus avec une antenne à réflecteur associée à un réseau de multisources passives, chacune d'entre elles définissant un accès spot. Les sources d'un tel réseau focal passif doivent répondre à deux contraintes antagonistes: 1 5 - la taille maximale des sources est limitée par la maille du réseau focal, et dépend directement de l'espacement entre les spots, - cette taille maximale est insuffisante; le réflecteur étant mal illuminé, le rendement d'illumination est affecté de pertes par débordement ("spill over" en anglais) très élevées, et ne tient pas les spécifications demandées en termes de gain d'antenne requis. Il s'ensuit qu'une couverture régulière de spots se réalise soit avec un système de quatre antennes réflecteur couplées à des multisources passives (ce qui représente la solution standard adoptée pour des couvertures en bande Ka), soit avec une seule antenne active ("FAFR" pour Focal Array Fed Reflector en anglais) dont le formateur de faisceau est complexe, et demeure toujours un point critique. En effet, pour illuminer correctement un système 1 à réflecteur 2 avec un réseau 3 multisources, il est nécessaire d'entrelacer les sources primaires, comme le montre la figure l. Une source primaire est alors réalisée par la combinaison de plusieurs sources de plus petite taille (FAFR et BFN associés). Des amplificateurs doivent être placés entre les sources et -2 le formateur de faisceaux. Cette solution est, à l'évidence, complexe et chère. Par ailleurs, outre l'objectif d'une antenne multisources pour couverture multispots, la présente invention vise à proposer une antenne directive multibande qui soit compacte, de manière à pallier les problèmes d'encombrement lié à l'art antérieur que représente l'antenne réflecteur à source bi-bandes et le système à deux antennes planes. La présente invention a donc pour but de rémédier aux problèmes 1 0 énoncés ci-dessus. L'invention a donc pour objet une antenne multisources, caractérisée en ce que l'antenne comprend: - au moins deux sources d'excitation, - des moyens de sélectivité spatiale et fréquentielle apte à canaliser 1 5 spatialement l'énergie captée/rayonnée par lesdites sources d'excitation, et à permettre un découplage fréquentiel entre les bandes correspondantes respectivement aux ondes reçues/émises par les sources, les sources étant agencées sur un plan de masse de sorte à générer un entrelacement d'ouvertures rayonnantes au niveau desdits moyens de sélectivité. Ainsi, grâce à l'invention, l'énergie rayonnée par chacune des sources d'excitation est canalisée sur une surface apparente plus importante, tout en évitant des couplages entre sources. En outre, la source équivalente au niveau des moyens de sélectivité est suffisamment directive pour ne pas générer de pertes par débordement, l'entrelacement permettant de diminuer les pertes par recoupements entre deux spots. Selon un mode de réalisation, ledits moyens de sélectivité spatiale et fréquentielle comprennent un réseau à Bande Interdite Photonique dit BIP. -3 Selon un mode de réalisation, le réseau BIP comprend un arrangement de plaques diélectriques. Selon un mode de réalisation, le réseau BIP comprend un arrangement périodique de motifs métalliques. Selon un mode de réalisation, lesdites sources d'excitation forment un réseau focal passif, l'entrelacement des ouvertures rayonnantes associées à chaque source du réseau focal passif générant un canal d'énergie rayonnée sur une surface apparente agrandie au niveau du réseau BIP. Selon un mode de réalisation, les sources d'excitation fonctionnent dans différentes bandes de fréquence et selon la même ouverture rayonnante. Selon un mode de réalisation, le réseau BIP comprend au moins deux plaques métalliques à motifs résonants résonantes à leur propre fréquence de fonctionnement et transparente à l'autre fréquence de résonance. Selon un mode de réalisation, une des plaques métalliques forme surface réfléchissante à la plus haute fréquence et est transparente à la plus basse fréquence de fonctionnement, étant alors placée à une longueur d'une demi-longueur d'onde correspondant à cette haute fréquence du plan (70) de masse, et en ce qu'une seconde plaque métallique forme surface réfléchissante à la fréquence et est transparente à la fréquence plus haute (fh), cette dernière étant placée à une longueur d'une demilongueur d'onde correspondant à cette basse fréquence du plan de masse. Selon un mode de réalisation, au moins une des sources fonctionne dans une bande de fréquence de réception et une autre des sources fonctionne dans une bande de fréquence d'émission. Selon un mode de réalisation, elle est destiné au fonctionnement dans un système à réflecteur. -4 Dans le but de mieux faire comprendre l'invention, on va en décrire maintenant plusieurs modes de mise en oeuvre donnés à titre d'exemples non limitatifs de la portée de l'invention, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1, déjà décrite, illustre un réflecteur illuminé par un réseau multisources selon l'art antérieur, - la figure 2 représente un premier mode de réalisation de l'antenne multisources selon l'invention, - la figure 3 représente un second mode de réalisation de 1 0 l'antenne multisources selon l'invention, - la figure 4 représente un autre mode de réalisation de l'antenne multisources selon l'invention, la figure 5 représente un mode de réalisation de sources d'excitation selon l'invention, - la figure 6 représente un autre mode de réalisation de l'antenne multisources selon l'invention, - la figure 7 représente une antenne selon un autre mode de réalisation de l'invention, - sur la figure 8 est illustrée une antenne multisources selon un autre mode de réalisation de l'invention, - la figure 9 représente partiellement une variante de la figure 8, - sur la figure 10 est illustrée une antenne multisources selon un autre mode de réalisation de l'invention. Dans la présente demande de brevet, les éléments remplissant des fonctions similaires portent les mêmes références. Les antennes utilisant les propriétés de cristaux photoniques (en abrégé BIP pour "Bande Interdite Photonique") ont connu récemment une forte attention dans la communauté scientifique. -5 L'objet de la présente invention consiste à appliquer les potentialités de ces antennes à des concepts innovants d'antennes pour des systèmes de télécommunications par satellite (antenne à bord d'un véhicule spatial du type d'un satellite ou antenne-sol). La propriété fondamentale d'un réseau BIP est sa sélectivité spatiale et fréquentielle. Ainsi, différentes applications peuvent être envisagées pour les antennes à réseau BIP: - une première application consiste à tirer parti de la capacité du réseau BIP de canaliser dans une direction préalablement choisie l'énergie rayonnée à partir d'un élément excitateur simple (une pastille ou "patch" par exemple), ceci tout en élargissant la surface rayonnante. On obtient ainsi une antenne beaucoup plus directive que l'élément excitateur. - une seconde application réside dans la réalisation d'un filtre fréquentiel et spatial, avec suppression des ondes de surfaces, atténuation 1 5 des lobes de réseau, augmentation du découplage entre éléments rayonnants, Un réseau BIP peut être réalisé par un agencement périodique de motifs métalliques, ou de motifs diélectriques. Bien entendu, il existe d'innombrables façons de réaliser un réseau BIP. Pour des raisons de concision, il ne sera détaillé, dans la présente demande, que les réseaux à motifs diélectriques ou ceux à motifs métalliques. Ainsi, un réseau BIP peut être constitué d'un agencement régulier de plaques diélectriques de permittivité Fri et d'épaisseur X/4 sqrt(eri) et espacées par un milieu de plus faible permittivité Er2 et d'épaisseur X/4 sqrt(úr2). Il peut également être réalisé par un agencement de barreaux diélectriques de très forte permittivité, et distants de %/4. Un tel réseau à plaques diélectriques est par exemple dans la demande de brevet français nO FR 99 14521. Lorsqu'un réseau BIP est utilisé pour accroitre la directivité d'une source, et particulièrement pour entrelacer les ouvertures rayonnantes de -6 plusieurs sources, il est nécessaire d'avoir les conditions supplémentaires suivantes: - comme expliqué ci-dessus, la première couche diélectrique (ou métallisée dans le cadre d'un mode de réalisation à motifs métallisés comme décrit dans la suite) est distante d'une demi longueur d'onde électrique du plan de masse, - la structure est excitée par une sonde, ou un patch près du plan de masse, ou par une ouverture rayonnante dans ce plan de masse. Dans la suite, en premier lieu, on prendra comme exemple de réseau BIP un réseau à couches diélectriques. La figure 2 représente une antenne multisources 4. Cette antenne comporte un réseau focal 5 et un réseau BIP constitué d'un arrangement de plaques diélectriques 61,62 placées au dessus du plan de masse 70 sur lequel sont gravées des sondes d'excitation 51,52,...5n formant le réseau 5. Cet arrangement périodique de plaques diélectriques définit une cavité résonante. L'onde émise par la sonde d'excitation se répartit alors sur une grande surface rayonnante. La taille de cette surface dépend de la réflectivité des couches diélectriques (ou métalliques dans le cas de grilles métalliques). Dans le cas de la figure 2, le réseau 6 permet l'entrelacement des ouvertures rayonnantes associées à chaque source du réseau focal passif. Il s'agit de canaliser l'énergie rayonnée sur une surface apparente plus importante que les sources excitatrices, tout en évitant des couplages trop élevés entre elles. Les sources du réseau focal passif deviennent ainsi plus directives que la surface qu'elles occupent dans le réseau inférieur 5, et les pertes par débordement diminuent. La minimisation du couplage s'obtient par l'utilisation de sources sélectives en fréquence. Ces sources peuvent être des pastilles microrubans, des résonateurs diélectriques ou des fentes non résonantes, connectées à des filtres sélectifs en fréquence. -7-. La figure 3 représente une antenne multisources 7 selon un second mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode, deux pastilles 81,82 sont excitées par deux sondes 91,92 d'excitation selon deux modes. Ces deux modes peuvent être un mode fondamental et un harmonique, par exemple. De la sorte, l'antenne 7 est capable de réaliser plusieurs sources directives, fonctionnant dans plusieurs bandes de fréquence, dans la même ouverture rayonnante. Il en résulte un gain de place très significatif. L'arrangement des couches diélectriques 61,62 (ou métallisées dans le cadre de motifs métallisés) peut être déterminé de sorte à générer i 0 plusieurs résonances distinctes dans le matériau BIP. Des arrangements spécifiques des couches diélectriques 61,62 (ou métallisées dans le cadre de motifs métallisés) peuvent notamment conduire à des bandes de fonctionnement du matériau BIP adaptées au ratio propre à l'application, et non plus régulièrement espacées. 1 5 La réalisation de réseaux BIP multibandes peut s'obtenir à l'aide de réseaux BIP métalliques à motifs résonants. Il s'agit alors d'optimiser deux réseaux BIP à chacune des fréquences de fonctionnement. Les couches sont résonantes à leur propres fréquence de fonctionnement et transparente à l'autre fréquence de résonance. Il s'agit là d'un principe analogue à celui des surfaces sélectives en fréquence.On peut alors entrelacer ces couches réfléchissantes, de sorte à respecter les règles de distances entre les différentes couches fonctionnant à même fréquence (?2/4), ainsi que la distance entre le plan de masse et la couche métallisée inférieure associé à chaque fréquence de fonctionnement (X/2). La figure 4 représente un tel réseau BIP réalisé sous forme de motifs métalliques. Par exemple, il peut être constitué de fils métalliques de même direction, et distants de X/4, ou d'un grillage constitué de deux réseaux de fils métalliques orthogonaux. Ce type de réseau BIP est par exemple décrit dans la demande de brevet français déposée par la Demanderesse le 1er septembre 1997 sous la référence n0 FR 97 10842. A la figure 1 de cette demande est représentée un mode de réalisation d'un -8 réseau BIP dont la surface réfléchissante est constituée de motifs métalliques. En l'occurrence, il s'agit ici de pastilles circulaires ou d'anneaux. On peut également envisager des croisillons, des tripoles, etc. Dans ce dernier mode de réalisation, la structure réfléchissante est constituée uniquement d'une interface. Il peut toutefois y en avoir plusieurs comme à la figure 4. Dans ce cas, les interfaces métallisées doivent être distantes de X/4 les unes des autres. L'essentiel est d'avoir la structure réfléchissante à X/2 du plan de masse. On notera que l'excitation ici représentée par une pastille 41 l 0 ("patch") peut être également réalisée par une fente dans le plan de masse, ou par un résonateur diélectrique, etc... La figure 5 illustre une telle excitation par une fente 42. L'intérêt de l'implantation d'une telle fente est de permettre l'alimentation par un guide 43, et de pouvoir réaliser le filtrage nécessaire au bon fonctionnement de 1 5 l'antenne par un filtre en technologie de guide. Des iris 44 sont implantés dans le guide pour en permettre l'adaptation. De tels iris sont, par exemple, décrits dans la demande de brevet français déposée par la Demanderesse et citée plus haut. La figure 6 illustre une antenne 7 à réseau 6 de couches diélectriques, alimentée par une fente 42'. L'essentiel pour cette fente est qu'elle soit non résonante, pour limiter les couplages entre fentes voisines. La figure 7 représente une antenne selon un mode de réalisation de l'invention. Le réseau 6 BIP utilisé est du type métallique dont les couches 61,62 ne sont pas résonantes. Elles sont constituées de fils ou de pistes métalliques. Le moyen d'excitation du réseau n'a pas été illustré. Pour fonctionner dans les deux polarisations ou en polarisation circulaire, il est nécessaire que la structure 6 soit invariante par une translation de 900. Ainsi, nous obtenons une structure de type "grillagée", comme l'illustre la figure. Les structures multi-bandes sont à présent abordées. Sur la figure 8 est illustrée une antenne multisources selon un mode de réalisation de -9 l'invention. Le réseau 6, pour raison de simplicité, est réalisée par une seule interface résonante à chaque fréquence. L'antenne 7 comporte deux excitateurs 81, 82 fonctionnant à une fréquence propre respective. Ces excitateurs sont, sur la figure, des pastilles distinctes placées côte à côte, mais elles peuvent être des fentes. L'excitateur peut être également un excitateur bi-bande, à un ou deux accès, comme par exemple un "patch" avec une fente en son centre, comme l'illustre la représentation partielle de la variante sur la figure 9. Une surface réfléchissante à la plus haute fréquence fh, et i 0 transparente à la plus basse fréquence de fonctionnement fb, est placée à Xfh/2 du plan de masse. La seconde surface réfléchissante à la fréquence fb, et transparente à fh, est placée à Xfb/2 du plan de masse. Sur la figure 9, l'interface réfléchissante à la plus haute fréquence est constituée des motifs métalliques de plus petite taille. Il est à souligner que des perturbations peuvent apparaître, dues au caractère non totalement transparent des interfaces dans l'autre bande de fonctionnement. Dans ce cas, les solutions proposées dans la demande de brevet de la Demanderesse n0 FR 97 10842 pourront avantageusement être mises en oeuvre: - modification légère du motif en fonction de sa position latérale - troncature des motifs dans l'objectif de repolariser l'onde, dans le cas d'un fonctionnement en polarisation circulaire, comme illustré sur la figure 6 de la demande n0 FR 97 10842. La distance entre les motifs peut permettre de régler la réflectivité de l'interface. On peut désirer une moindre réflectivité, et la compenser par un plus grand nombre d'interfaces. Dans ce cas, la réalisation d'éléments rayonnants multibandes est réalisé par un entrelacement des différentes structures fonctionnant à chaque fréquence, comme illustré sur la figure 10. Ainsi, grâce à l'invention exposée, on accède à une antenne multisources compacte, et ne nécessitant pas plusieurs antennes à la fois. -10 La compacité vient de l'emploi de la technologie propre aux antennes planes. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits dans la présente demande. On notera que l'une des sources peut fonctionner dans une bande Rx de fréquence de réception et une autre des sources peut fonctionner dans une bande Tx de fréquence d'émission. -11 REVENDICATIONS 1- Antenne multisources (4,7),caractérisée en ce que l'antenne comprend: au moins deux sources (51,52,... 5n,91,92) d'excitation, - des moyens (6) de sélectivité spatiale et fréquentielle apte à canaliser spatialement l'énergie captée/rayonnée par lesdites sources d'excitation, et à permettre un découplage fréquentiel entre les bandes correspondantes respectivement aux ondes reçues/émises par les sources, les sources étant agencées sur un plan de masse (70) de sorte à générer un entrelacement d'ouvertures rayonnantes au niveau desdits moyens de sélectivité. 2- Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledits moyens de sélectivité spatiale et fréquentielle comprennent un réseau (5) à Bande Interdite Photonique dit BIP. 3- Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le réseau BIP comprend un arrangement de plaques diélectriques (61,62). 4- Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le réseau BIP comprend un arrangement périodique de motifs métalliques. 5- Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdites sources d'excitation forment un réseau focal passif (5, 51,52,...5n), l'entrelacement des ouvertures rayonnantes associées à chaque source du réseau focal passif générant un canal d'énergie rayonnée sur une surface apparente agrandie au niveau du réseau BIP. 6- Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les sources d'excitation fonctionnent dans différentes bandes de fréquence et selon la même ouverture rayonnante. 7- Antenne selon la revendication précédente combinée à la revendication 2, caractérisée en ce que le réseau BIP comprend au moins deux plaques métalliques à motifs résonants résonantes à leur propre -12 fréquence de fonctionnement et transparente à l'autre fréquence de résonance. 8. Antenne selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce qu'une des plaques métalliques forme surface réfléchissante à la plus haute fréquence (fh) et est transparente à la plus basse fréquence de fonctionnement (fb), étant alors placée à krh/2 du plan (70) de masse, et en ce qu'une seconde plaque métallique forme surface réfléchissante à la fréquence (fb) et est transparente à la fréquence plus haute (fh), cette dernière étant placée à Xfb/2 du plan de masse. l 0 9. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'au moins une des sources fonctionne dans une bande (Rx) de fréquence de réception et une autre des sources fonctionne dans une bande (Tx) de fréquence d'émission. 10. Antenne selon l'une des revendications précédentes, 1 5 caractérisée en ce qu'elle est destiné au fonctionnement dans un système (1) à réflecteur (2).