Brevet FR2835356A1 — publié le 20030801

Antenne de réception pour couverture multi-faisceaux Le domaine de l'invention est celui des antennes mukifaisceaux pour des applications de télécommunications par satellite. Une telle antenne peut servir plusieurs aires au sol (des spots en anglais) avec des pinceaux fin de rayonnement ( spot beams en anglais). Plus particulièrement, l'invention concerne une antenne ayant un ou plusieurs réflecteurs focalisant (s), avec un réseau de sources élémentaires placé dans la zone focale. Une telle géométrie d'antenne est connue de l'homme de l'art comme une antenne F. A. F. R. ( Focal Array Fed Reflector en anglais). Au sein d'une telle antenne, chaque spot est réalisé par le regroupement cohérent des signaux d'un sousensemble des sources élémentaires, avec des amplitudes et phases appropriés pour obtenir le diagramme d'antenne voulu, notamment la taille et le direction de visée du lobe principal de rayonnement. Il est connu par la demande de brevet D1 = FR 97 08 011 = US 6 172 649 au nom de la Demanderesse, une antenne mu) tifaisceaux à géométrie Grégorienne telle que montrée sur la figure 1. A cet effet, l'antenne comprend un panneau plan 30 d'éléments rayonnants associé à un réseau formateur de faisceau (non montré) de commande de la phase des signaux appliqués aux éléments rayonnants. Un faisceau 32 émis par le panneau 30 est dirigé vers un premier réflecteur concave 34 ayant la forme d'un paraboloïde à découpe circulaire. Ce réflecteur est un élément d'une surface fictive 36 dont l'axe 38, sur lequel se trouve le foyer 40, est éloigné du réflecteur 34. L'axe 38 est perpendiculaire au plan du panneau 30. Le faisceau 42 réfléchi par le réflecteur 34 est dirigé vers un second réflecteur concave 44 disposé à l'opposé de l'axe 38 par rapport au réflecteur 34 et au panneau 30. Ce réflecteur 44 est également un élément d'une surface fictive 46, qui dans le plan de la figure 1, est une parabole de même foyer 40 que la parabole 36 et de même axe 38. La surface 46 est également un paraboloïde. La concavité du réflecteur 44 est tournée vers la concavité du réflecteur 34. La distance focale du réflecteur 44 est par exemple quatre fois plus faible que la distance focale du réflecteur 34. L'axe 38 ne forme pas d'intersection avec les réflecteurs 34 et 44. Le bord 441 du réflecteur 44 le plus proche de l'axe 38 est à une distance de l'axe sensiblement plus faible que la distance du bord 341 correspondant du réflecteur 34 à l'axe 38. Dans l'exemple représenté sur la figure 1 le réseau 30 a une forme extérieure générale d'un cercle de diamètre 30 cm (ou 12 Â) environ avec 37 éléments rayonnants séparés les uns des autres de 42 mm, soit 1,7 X, Â étant la longueur d'onde du rayonnement. Chacun des réflecteurs est découpé selon un cercle. Le diamètre du cercle limitant le réflecteur 34 est, dans cet exemple, de l'ordre de 28 À, tandis que le diamètre du cercle limitant le réflecteur 44 est de l'ordre de 30 À. La distance séparant le bord 341 de l'axe 38 est de 24 zu et la distance entre le bord 441 du réflecteur 44 et l'axe 38 est de 4 X. Lorsque le réseau 30 émet un faisceau d'ondes 321 parallèle à l'axe 38, c'est- à-dire perpendiculaire à son plan, ce faisceau est réfléchi par le réflecteur 34 de façon telle qu'il soit focalisé au foyer 40. Dans ces conditions le réflecteur 44 renvoie ce faisceau 322 parallèlement à l'axe 38 comme représenté par le faisceau 323. Quand le réseau 30 émet un faisceau 325 incliné d'un angle 8 relativement faible par rapport à l'axe 38, le faisceau 326 réfléchi par le réflecteur 34 converge en un point 50 proche du foyer 40 et le faisceau 327 réfléchi par le réflecteur 44 est incliné d'un angle qui est d'environ n fois l'angle 0, n étant le rapport de la distance focale f du réflecteur 34 à la distance focale f du réflecteur 44. Dans l'exemple, ce rapport entre les distances focales étant de quatre, le faisceau 327 est donc incliné d'un angle 40 par rapport à l'axe 38. Cette amplification dans le rapport des distances focales ne se vérifie cependant pas pour des faisceaux 3210, émis par le réseau 30, qui présentent un angle d'inclinaison important par rapport à l'axe 38. On voit ainsi sur la figure 1 que le faisceau 3210 est réfléchi en un faisceau 3211 par le réflecteur 34 et ce dernier converge en un point 52 éloigné du foyer 40. Le faisceau 3211 est réfléchi par le réflecteur 44 selon un faisceau 3212. Cette géométrie présente de nombreux avantages pour l'implantation a bord d'un satellite, parmi lesquels on citerait sa compacité, ses dimensions relativement réduites entraînant un poids plus faible, et la possibilité de montage de l'électronique associé a chaque source élémentaire directement sur le corps du satellite. Il est connu par la demande de brevet D2 = FR 95 00 515 = US 5 734 349 = EP 0 723 308 au nom de la Demanderesse, une antenne FAFR muttifaisceaux à géométrie offset , telle que montrée sur la figure 2. Offset est un mot anglais qui signifie que le réseau 110 de sources élémentaires est déplacé par rapport au foyer F du réflecteur parabolique 100, et surtout, que le réseau 110 de sources est positionné en dehors de la direction principale du rayonnement réfléchie par le réflecteur, de manière à ne pas occulter ce dernier. En jouant sur les phases et amplitudes des signaux, on peut synthétiser la réponse d'une source virtuelle 120 placée exactement au foyer F du réflecteur. Un exemple d'un réseau focal plan 110 de sources élémentaires (A, B, C, D) est montré sur la figure 3, (provenant du même document D2) où l'on voit une disposition hexagonale de 61 sources élémentaires 31 distribuées sur un réseau plan 110 destiné à être positionné au plan focal d'un réflecteur focalisant 100. Les sources alimentés à partir de chaque groupe A, B, C, D sont indiquées par la lettre correspondante. On constate qu'aucune source d'un groupe donné ne se trouve disposée adjacente à une autre source du même groupe. Selon l'enseignement de ce document D2, le nombre de sources N, contribuant à un faisceau i, est variable et déterminé en fonction des caractéristiques désirées du faisceau i. Il en résulte que plusieurs sources contribuent a former chaque pinceau, et par ailleurs, que chaque source peut être appelée à plusieurs pinceaux. Il en est de même dans le document D1. Cependant, pour les antennes décrites dans D1 et D2, il y a une limitation pratique du nombre des sources qui peuvent être positionnées au voisinage du foyer d'un réflecteur focalisant, sans en être trop éloignées, ce qui engendrait des distorsions, aberrations, et autres pertes d'efficacité pour la formation de faisceaux. Cette contrainte nous emmène à considérer une conception d'antenne FAFR dans laquelle les sources sont contiguës, ce qui donne un espacement de l'ordre de 1,2 À pour une maille hexagonale comme dans la figure 3. Le document D3 = US 5 202 700 concerne une antenne radar FAFR pour le contrôle de trafic aérien. D'une géométrie du type offset , cette antenne est multipinceaux mais en élévation seulement, avec les sources déployées sur la surface d'un cylindre convexe pour la correction de phase et pour la réduction des lobes latéraux. Cette antenne peut fonctionner en polarisation circulaire. Le document D4 = US 4 535 338 décrit une antenne multi-spot ayant une géométrie de type Cassegrain, avec un premier sub réflecteur convexe 12 devant un deuxième réflecteur parabolique principal concave 10. Cet arrangement est montré schématiquement sur la figure 4. Cette antenne, de conception plus classique, comporte une source comet (141, 142, 143) pour chaque faisceau (151, 152, 153) chaque faisceau comportant une source comet unique, et les sources sont espacées dans le plan focal et orientées de manière à ce qu'un rayon central de chaque cornet, après réflexion sur le premier réflecteur 12, tombe sur un point unique C du réflecteur principal 10. Cependant, cette solution n'est pas envisageable pour les applications visés par la présente invention. L'antenne de l'invention est conçue pour réaliser la fonction de réception pour une couverture constituée d'une multiplicité de spots contiguës de faible taille. Une solution d'antenne associant une source a chaque spot ne peut être envisagée, car elle conduit à un recouvrement des sources. D'autre part, l'antenne de l'invention sera conçue pour fonctionner a des hautes fréquences, allant de la bande Ku (11 à 15 GHz environ) à la bande Ka (20 à 40 GHz environ) et au delà. Du coup, les dimensions des sources élémentaires résonantes deviennent très petites, de l'ordre du centimètre. Comme dans les documents D1 à D3, chaque pinceau de l'antenne selon l'invention est formé par l'excitation d'une multiplicité de sources élémentaires, en générale pas inférieur à 7. Les petites dimensions des sources élémentaires, disposées de façon contiguë et leur grande nombre, dont un nombre conséquent impliqué dans la formation de chaque faisceau, rend la connectique derrière ces sources problématique. En effet, pour une antenne fonctionnant en réception, un amplificateur faible bruit doit être placé le plus prés possible au capteur constitué par la source élémentaire pour minimiser les pertes de propagation dans les guides d'ondes assurant l'interface. A chaque source élémentaire est associé un déphaseur variable et un atténuateur ou amplificateur variable, ainsi que leur électronique de contrôle. Les valeurs de déphasage et d'atténuation ou d'amplification, sont appliqués en amont des réseaux de formation de faisceaux, pour créer chaque spot de la couverture. De la même manière que l'on cherche à avoir un grand nombre de petits spots contiguës pour obtenir la meilleure réutilisation de fréquences sur la zone de couverture, on cherche aussi a utiliser deux polarisations orthogonales. Ceci implique en plus des dispositifs énumérés ci-dessus, d'insérer des multiplexers de polarisation, aussi connus sous le nom orthomode , entre les sources élémentaires et les amplificateurs faible bruit. En tant que concepteur d'antenne pour répondre à toutes ces contraintes, nous sommes confrontés à de sérieux problèmes d'encombrement derrière le plan de sources élémentaires. L'antenne selon l'invention cherche à résoudre ces différents problèmes simultanément. A ces fins, l'invention propose une antenne de réception pour couverture multispots, comportant au moins un réflecteur focalisant (34,44, 100), et un réseau focal (30,110) de sources élémentaires (31) disposé dans la zone focale dudit réflecteur focalisant (34,44, 100), caractérisée en ce que lesdites sources (31) sont substantiellement contiguës et disposées sur une surface S concave et approximativement sphérique. Selon une caractéristique avantageuse, une pluralité de sources élémentaires est utilisée pour former chaque faisceau qui illumine chaque spot respectif de ladite couverture. Selon une autre caractéristique avantageuse, une seule source élémentaire peut être utilisée dans la formation de plusieurs faisceaux différents. De préférence, le nombre de sources élémentaires utilisées dans la formation d'un seul faisceau est supérieur ou égal a sept. Avantageusement, le nombre de sources élémentaires contribuant à un faisceau n'est pas le même pour tous les faisceaux, ce nombre étant déterminé en fonction des caractéristiques désirées de chaque faisceau. Selon une réalisation préférée, l'antenne comporte deux réflecteurs concaves (34, 44) dans une géométrie dite de type Grégoire . Selon une variante, l'antenne comporte un seul réflecteur concave (100), dans une géométrie dite offset . Selon un mode de réalisation préféré, l'antenne comporte en outre des duplexeurs de polarisation (20) derrière chaque source élémentaire. Selon un autre mode de réalisation, l'antenne est conçue pour fonctionner avec une seule polarisation, et il n'y a pas de duplexeur de polarisation. Selon une caractéristique préférée, les sources élémentaires sont d'une dimension n'excédant pas 1.2 fois la longueur d'onde. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description détaillée qui suit, avec ces dessins annexés qui sont donnés à titre d'exemples non limitatifs de réalisations selon l'invention ou de quelques unes de ses principales caractéristiques, et sur lesquels : - la figure 1, déjà évoquée, représente schématiquement une antenne a réseau d'éléments actifs ayant une géométrie de type Grégorien avec ses deux réflecteurs concaves (34,44) se faisant face ; - la figure 2, déjà évoquée, montre schématiquement une antenne de type offset connue de l'art antérieur, avec un réflecteur concave focalisant 100 et un réseau 110 de sources élémentaires 31 en son foyer F ; - la figure 3, déjà évoquée, qui donne un exemple de répartition des sources élémentaires 31 en quatre groupes A, B, C, D selon une maille hexagonale ; - la figure 4, déjà évoquée, montre schématiquement une antenne de type Cassegrain connue de l'art antérieur, avec un premier réflecteur convexe 12 et un réflecteur principal concave et focalisant 10, illuminés par des comets individuels 141, 142, 143 selon un géométrie classique d'une source par faisceau, respectivement 151, 152, 153 ; - la figure 5, qui montre schématiquement un premier exemple d'un réseau focal de sources élémentaires 31, substantiellement contiguës et disposées sur une surface concave S approximativement sphérique, apte à être intégré à l'antenne selon l'invention ; - la figure 6, qui montre schématiquement un deuxième exemple d'un réseau focal de sources élémentaires 31, substantiellement contiguës et disposées sur une surface concave S approximativement sphérique, apte à être intégré à l'antenne selon l'invention. - la figure 7, qui montre schématiquement un exemple d'une antenne à réseau focal selon l'invention, avec une géométrie de type Grégorien avec un premier réflecteur ellipsoïde concave et un deuxième réflecteur paraboloïde concave et confocal avec le premier réflecteur. Sur toutes les figures, les mêmes repères se réfèrent aux mêmes éléments ; l'échelle n'est pas toujours respectée pour des raisons de clarté du dessin. La réalisation d'une antenne selon l'invention s'appuie en partie sur des technologies connues et illustrées par les figures 1 à 3 qui représentent des réalisations connues de l'art antérieur. Ainsi, l'antenne de l'invention comprend un réseau (30, 11) de Ne sources élémentaires 31 ; des moyens optiques formant un réflecteur (10,34, 44) et focalisant l'énergie ; le réseau étant situé dans la zone focale desdits moyens focalisant, tel que montré sur les figures 1 et 2. Les sources élémentaires sont contiguës, soit en maille hexagonale tel que montré sur la figure 3, soit en maille rectangulaire. Avantageusement, plusieurs sources contribuent a un seul faisceau, tandis que chaque source peut contribuer à une pluralité de faisceaux. Les sources peuvent être divisées en groupes A, B, C, D qui seront excités et amplifiées séparément ; cette disposition par groupes améliorant l'isolation entre sources voisines et permet de simplifier l'architecture de l'étage d'amplification. De toutes les figures, seule la figure 4 montre un enseignement contraire à celui de l'invention. Une seule source est utilise pour chaque pinceau correspondant. Il n'y a pas de réseau focal, et les sources sont distincts et non contiguës. D'autre part, elles sont placées devant un réflecteur convexe divergent 12, ce qui contribue à agrandir la distance entre les sources, contrairement a l'invention. La figure 5 montre schématiquement un premier exemple d'un réseau focal de sources élémentaires 31, substantiellement contiguës et disposées sur une surface concave S approximativement sphérique, apte à être intégré à l'antenne selon l'invention. La forme de la surface S permet d'améliorer l'efficacité de l'antenne d'une part, selon une conséquence de l'optique géométrique ; d'autre part, cette forme permet d'avoir les sources très serrées les unes contre les autres sur la face avant du réseau, mais d'avoir plus de place entre les guides d'ondes de sortie 112 sur la face arrière du réseau. Selon une réalisation avantageuse, les sources élémentaires peuvent être divisées en groupes, par exemple A, B, C, D comme exposé ci-dessus lors de la description de la figure 3. Elles peuvent être disposées selon une maille hexagonale comme montré ici ; ou tout autre maille choisie par le concepteur. Dans cet exemple, les sources sont des comets, reliés aux guides d'onde de sortie 112 moyennant des brides 111. La figure 6 montre schématiquement un deuxième exemple d'un réseau focal de sources élémentaires 31, substantiellement contiguës et disposées sur une surface concave S approximativement sphérique, apte à être intégré à l'antenne selon l'invention. Dans cette exemple, on peut profiter de l'augmentation de l'espace entre guides sur la face arrière du réseau pour y ajouter des duplexeurs de polarisation 20, aussi connu sous le nom orthomode . Ces duplexeurs 20 permettent de séparer les signaux en deux polarisations orthogonales, par exemple Horizontale et Verticale (H, V), qui seront véhiculés ensuite dans des guides d'ondes respectifs, par exemple guide 21 pour H, guide 22 pour V. Sans la courbure de la surface S, il n'y a pas de place pour installer les duplexeurs de polarisation 20, ni pour doubler le nombre de guides d'onde sur la face arrière tel que montré sur cette figure 6. Mais la réutilisation de fréquence par la polarisation permet de doubler la capacité de l'antenne, un avantage décisif pour cette réalisation. La figure 7 montre schématiquement un exemple d'une antenne à réseau focal selon l'invention, avec une géométrie de type Grégorien. Cette antenne comprend un premier réflecteur concave ellipsoïde 54 ayant deux points focaux F1 et F2. Un réseau focal 110 d'éléments actifs est placé au voisinage du premier foyer F1. Une propriété de la géométrie d'un ellipsoïde est que tous les rayons émis de l'un des points focaux (F2 par exemple) et réfléchis par le réflecteur ellipsoïde 54 seront focalisés dans l'autre point focal. (F1). Un deuxième réflecteur concave paraboloïde 44 est positionné avec son foyer au même endroit que le deuxième foyer F2 dudit premier réflecteur, les deux réflecteurs concaves se faisant face. Les rayons parallèles incidents, réfléchis par le réflecteur paraboloïde 44, seront ainsi focalisés au foyer F2, d'où ils seront réfocalisés sur le réseau focal 110 au foyer F1 par le réflecteur ellipsc ; fde 54. Cette géométrie représente une réalisation préférée de l'invention, toutefois, d'autres géométries d'antennes, avec d'autre types et dispositions de réflecteurs peuvent être contemplées pour obtenir un grand nombre de variantes. Les quelques exemples décrits ci-dessus l'ont été pour illustrer de manière nonlimitatif les principes de l'invention et de quelques unes de ses principales caractéristiques. L'homme de l'art saura décliner ces principes dans des multiples réalisations, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Notamment, la caractéristique principale de l'invention peut être combinée avec les caractéristiques des réalisations connues, par exemple celles citées dans les documents D1 à D2, comme exposé ci-dessus. REVENDICATIONS 1. Antenne de réception pour couverture multispots, comportant au moins un réflecteur focalisant (34,44, 100), et un réseau focal (30,110) de sources élémentaires (31) disposé dans la zone focale dudit réflecteur focalisant (34,44, 100), caractérisée en ce que lesdites sources (31) sont substantiellement contiguës et disposées sur une surface S concave et approximativement sphérique. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une pluralité de sources élémentaires 31 est utilisée pour former chaque faisceau qui illumine chaque spot respectif de ladite couverture. 3. Antenne selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'une seule source élémentaire contribue à la formation de plusieurs faisceaux différents. 4. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le nombre de sources élémentaires utilisées dans la formation d'un seul faisceau est supérieur ou égal a sept. 5. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le nombre de sources élémentaires contribuant à un faisceau n'est pas le même pour tous les faisceaux, ce nombre étant déterminé en fonction des caractéristiques désirées de chaque faisceau. 6. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite antenne comporte deux réflecteurs concaves (34,44) dans une géométrie dite de type Grégoire . 7. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ladite antenne comporte un seul réflecteur concave (100), dans une géométrie dite offset . 8. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite antenne comporte en outre des duplexeurs de polarisation (20) derrière chaque source élémentaire. 9. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ladite antenne est conçue pour fonctionner avec une seule polarisation, et il n'y a pas de duplexeur de polarisation. 10. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdites sources élémentaires sont d'une dimension n'excédant pas 1.2 fois la longueur d'onde.