Brevet FR2860648A1 — publié le 20050408

ANTENNE DE SATELLITE DE COMMUNICATION MULTI-FAISCEAUX PRESENTANT UNE COMPENSATION DE DEFAILLANCE La présente invention concerne les antennes de satellite de communication à faisceaux multiples, et en particulier un module d'émission d'une antenne de satellite de communication à faisceaux multiples, capable de compenser des défaillances de ses amplificateurs haute puissance et de présenter une allocation flexible de la puissance aux faisceaux. Une antenne connue du type à faisceaux multiples focalisés présentant des moyens de correction de défaillances est connue. Cette antenne comprend un réseau de formation de faisceaux (appelé par la suite BFN) fournissant des signaux d'entrée à un amplificateur multiportes (appelé par la suite MPA). Le MPA présente une matrice d'entrée séparant les signaux correspondant à chaque porte d'entrée, par une matrice d'entrée de telle sorte que tous les signaux de faisceau soient amplifiés par un ensemble d'amplificateurs haute puissance (appelés par la suite HPA) connectés en aval. Ainsi, indépendamment de la répartition de puissance du faisceau, on obtient une charge égale de l'ensemble des HPA, ce qui maximise le rapport global entre la puissance radiofréquence et la puissance de l'alimentation continue. En fonction de l'entrée de faisceau considérée, la matrice d'entrée génère différentes phases relatives au niveau des entrées des HPA. Une matrice de sortie est connectée à la sortie des HPA et sépare à nouveau les signaux qui appartiennent à chaque porte d'entrée vers la porte de sortie correspondante. Cette antenne est dite multimatrices car les matrices d'entrée et de sortie sont fractionnées en plusieurs répartiteurs hybrides de dimension inférieure, présentant par exemple 8 x 8 portes. L'antenne présente une matrice de sources émettrices connectées à la matrice de sortie, de sorte que des faisceaux adjacents utilisent des groupes de sources se chevauchant. Cette antenne présente des moyens de correction de défaillance des HPA. Ainsi, l'antenne présente des HPA redondants et des circuits de redondance, destinés à réaliser les commutations nécessaires pour remplacer un HPA en service présentant une défaillance par un HPA redondant. La puissance RadioFréquence totale requise peut ainsi être maintenue. Cette antenne présente un certain nombre de problèmes. Les circuits de redondance impliquent donc un nombre conséquent de commutateurs RF et de HPA redondants. Par conséquent les pertes électriques, la masse, l'encombrement, la complexité, la probabilité de défaillance et le coût de l'antenne sont importants. Ces inconvénients sont encore plus aigus du fait que l'antenne est une masse satellisable. En outre, des pertes importantes, en particulier dans les bandes Ku and Ka, sont dues au cumul des pertes dans les matrices, dans les circuits de redondance, dans les guides d'onde, dans les isolateurs et dans les filtres de transmission. Du fait de l'important encombrement de l'antenne, un guide d'onde ou des câbles coaxiaux de longueur importante sont utilisés pour connecter les sources de l'antenne, ce qui conduit à des pertes supplémentaires. De plus, l'antenne requiert un bon suivi de phase et d'amplitude entre les différents HPA, de façon à garantir une bonne isolation des faisceaux RF. Ce problème s'accroît avec la fréquence de fonctionnement et est très aigu dans la bande Ka. Par conséquent, des éléments de suivi de contrôle de phase et d'amplitude sont requis pour corriger les erreurs de suivi de phase et d'amplitude, dues à la température et au vieillissement. De plus, après chaque modification de la configuration du circuit de redondance, le suivi de phase et d'amplitude de la structure MPA doit être réajusté de façon à garantir une bonne isolation du faisceau RF. Le fonctionnement des HPA en multiporteuse requiert une réduction de puissance de sortie (désignée par output back-off ou OBO en langue anglaise) supérieure à 4 dB pour obtenir des performances de linéarité acceptables. Ce problème s'amplifie du fait de l'assignation de différents niveaux de puissance aux différents faisceaux et du fait de la dynamique de l'excitation des sources multiples contribuant à former chaque faisceau. Les MPA ont été mis en oeuvre avec succès dans les bandes L and S lors de différentes missions. Cependant, la mise en oeuvre du concept MPA à des fréquences plus élevées (bandes Ku and Ka) est délicate car les problèmes mentionnés précédemment y sont encore amplifiés. Il est en effet bien connu que les erreurs de suivi de phase et d'amplitude sont limitées par l'utilisation de MPA de dimension importante (par exemple 16 x 16). Cependant les amplificateurs HPA redondants et les matrices de commutateurs associées sont encore requis pour maintenir l'isolation de puissance et de faisceau dans des limites acceptables. L'invention a donc pour objet un module d'émission d'une antenne de satellite de communication à faisceaux multiples qui résolve un ou plusieurs de ces inconvénients. Plus précisément, l'invention a pour objet un module d'émission radiofréquence d'une antenne spatiale de télécommunication, qui comprend: -un réseau de formation de faisceaux susceptible d'appliquer à l'entrée de plusieurs voies un signal respectif comprenant des contributions à plusieurs faisceaux; -chaque voie comprenant un amplificateur haute puissance à polarisation ajustable et une source émettrice d'antenne connectée à la sortie de l'amplificateur haute puissance; -le réseau de formation de faisceaux comprenant un dispositif de compensation sélective de la défaillance d'une des voies, augmentant la puissance de la contribution d'au moins un desdits signaux à un faisceau dont l'émission est affectée par la défaillance. Selon une variante, le dispositif de compensation comprend une entrée de réception d'un signal de commande à distance, et l'augmentation de la puissance de la contribution est réalisée en fonction du signal reçu. Selon encore une variante, le réseau de formation de faisceaux inclut une contribution à un même faisceau dans les signaux appliqués à plusieurs voies. Selon une autre variante chacun desdits amplificateurs est muni d'une alimentation ajustable présentant une entrée de réception d'un signal de commande à distance et d'au moins une sortie d'application d'une tension d'ajustement de la polarisation de l'amplificateur en fonction dudit signal de commande. Selon encore une autre variante, les amplificateurs sont des amplificateurs à tube à ondes progressives. Selon une variante, la sortie d'ajustement comprend une sortie connectée à l'anode de l'amplificateur et une sortie connectée au collecteur de l'amplificateur. Selon une alternative, les amplificateurs sont des amplificateurs à semiconducteurs. On peut également prévoir que la polarisation initiale des amplificateurs est ajustée de sorte que la puissance de sortie de l'amplificateur soit au moins inférieure de 3 dB à sa puissance de sortie maximale. L'invention porte également sur une antenne spatiale de télécommunication comprenant un tel module d'émission. L'invention porte encore sur un procédé de compensation d'une défaillance d'une voie d'un tel module, qui comprend les étapes de: -satellisation de l'antenne; -détermination de la défaillance de l'émission sur une des voies du module; -détermination d'un faisceau du module dont l'émission est affectée par la défaillance de la voie et détermination d'un signal présentant une contribution à ce faisceau; -émission à distance du module de commandes de compensation du faisceau vers l'entrée du dispositif de compensation; -augmentation de la puissance de la contribution d'au moins un desdits signaux audit faisceau en fonction de la commande de compensation, par le réseau de formation de faisceau. Selon une variante, le procédé comprend en outre les étapes de: -émission à distance du module de commandes de compensation du faisceau vers l'entrée de l'alimentation de l'amplificateur d'une voie contribuant à ce faisceau; -application d'une tension d'ajustement de la polarisation dudit amplificateur en fonction dudit signal de commande, de sorte à augmenter la puissance de sortie de l'amplificateur. Selon encore une variante, ce procédé comprend les étapes. -d'émission, à distance du module, de commandes de modification de lobes latéraux d'un faisceau vers l'entrée de réception du dispositif de formation de faisceau; -modification d'au moins une contribution à un faisceau dans un signal appliqué sur une voie, de sorte à modifier les lobes latéraux de ce faisceau. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description suivante qui est donnée à titre d'exemple non limitatif et en regard des figures dans lesquelles: -La Figure 1 est une représentation schématique d'un exemple de module d'émission d'antenne multifaisceaux; -La figure 2 est une représentation schématique de sources d'une matrice d'émission; -La figure 3 est un diagramme des puissances à l'entrée d'un amplificateur associé à une source, les puissances correspondant à différents faisceaux en l'absence de défaillance d'amplificateurs pour ces faisceaux; -La figure 4 est un diagramme des puissances à l'entrée de l'amplificateur de la figure 3, les puissances correspondant aux différents faisceaux lors de la défaillance d'un amplificateur pour un de ces faisceaux; La figure 5 illustre un exemple de connexions pour l'ajustement de la polarisation d'un HPA du type TWTA. L'invention propose de un module d'émission radiofréquence pour une antenne spatiale de télécommunication. Un BFN est prévu pour appliquer à l'entrée de plusieurs voies un signal respectif présentant des contributions à plusieurs faisceaux. Chaque voie présente un HPA et une source connectée à ce HPA. Le BFN comprend un dispositif de compensation de la défaillance d'une des voies qui affecte au moins un faisceau. Ce dispositif augmente la contribution d'un des signaux à ce faisceau. La défaillance d'une voie est ainsi compensée sans nécessiter de circuits de redondances ou de MPAs. Le module d'émission peut donc se dispenser des HPA redondants et des commutateurs RF associés. Par conséquent les pertes électriques, la masse, l'encombrement, la complexité, la probabilité de défaillance et le coût du module d'émission de l'invention sont fortement réduits. En outre, les pertes dans les bandes Ku and Ka sont également fortement réduites. Par ailleurs, l'encombrement réduit de l'antenne utilisant le module d'émission de l'invention permet de réduire la longueur d'un guide d'onde ou des câbles coaxiaux qui peuvent être utilisés pour la connexion des sources d'émission. De plus, le contrôle de phase et d'amplitude dans les HPA est sensiblement facilité. La figure 1 représente schématiquement un exemple de module d'émission 1 d'antenne multifaisceaux de télécommunication destinée à une utilisation spatiale. Ce module 1 comprend un BFN 11 présentant des entrées de données 12 de façon connue en soi. Le BFN est capable d'appliquer sur plusieurs voies 16 un signal respectif comprenant des contributions à plusieurs faisceaux à émettre. Chaque voie présente un HPA à polarisation ajustable 13 et une source émettrice d'antenne 14 connectée à la sortie du HPA. Le BFN 11 comprend un dispositif de compensation sélective de la défaillance d'une des voies. Pour un faisceau dont l'émission est affectée par une défaillance, le dispositif augmente la puissance de la contribution à ce faisceau dans un signal appliqué sur une des voies. Une des entrées 15 du BFN 11 peut être prévue pour recevoir des signaux de commandes émis à distance du module. Le signal de commande peut typiquement être émis depuis une station terrestre jusqu'à une antenne orbitale comprenant le module. Ce signal de commande peut comprendre toutes les informations nécessaires pour que le BFN augmente la puissance de la contribution en conséquence. Les signaux de commande reçus peuvent permettre d'ajuster les réglages de phase et d'amplitude effectués par le BFN sur les signaux appliqués aux voies. Un tel réajustement peut notamment permettre de réajuster les caractéristiques de forme du faisceau (par exemple l'importance des lobes latéraux). Le BFN 11 sera généralement prévu pour inclure une contribution à un même faisceau dans des signaux appliqués sur plusieurs voies. On utilisera de préférence un BFN à faible niveau d'entrée. Les types de signaux fournis par le BFN et de connexion entre le BFN et les voies peuvent être différents. Ainsi, le BFN n'est pas forcément directement connecté aux HPAs. Le BFN peut également être réalisé sous la forme d'un processeur numérique en bande de base avec différentes architectures possibles. Le BFN peut également générer des signaux IF ou RF. Les HPAs utilisés pourront être du type à semi- conducteurs ou du type à tube à ondes progressives. On utilise avantageusement un amplificateur à tube à ondes progressives, présentant une polarisation susceptible d'être commandée. Ces amplificateurs seront désignés par la suite par l'abréviation TWTA. On utilisera par exemple des TWTAs commandables à distance. La figure 5 illustre une voie mettant en uvre un exemple d'un tel HPA. L'entrée 511 du HPA 51 peut être connectée au BFN, et sa sortie 512 peut être connectée directement à la source 53. Le HPA est muni d'une alimentation ajustable 52. Cette alimentation 52 présente une entrée de réception 521 d'un signal de commande à distance et présente une interface de sortie pour l'application d'une tension d'ajustement de la polarisation de l'amplificateur. L'interface de sortie permet l'application d'une tension d'ajustement en fonction d'un signal de commande reçu. Ainsi, l'ajustement de la polarisation du HPA sera effectué en fonction de l'augmentation de puissance de certaines contributions dans le signal fourni par le BFN. L'interface de sortie peut par exemple présenter une connexion 513 à l'anode de l'amplificateur 51, une connexion au collecteur 514 de l'amplificateur et une connexion à la grille de commande 515 ou l'hélice de l'amplificateur. De façon générale, les amplificateurs à ajustement de polarisation permettent également de reconfigurer la puissance par faisceau en agissant sur leur puissance de saturation. Dans l'exemple de la figure 5, la puissance peut être régulée au moyen des tensions appliquées par l'alimentation 52 respectivement sur l'anode 513 et sur le collecteur 514. L'ajustement de la tension d'anode permet d'ajuster la saturation de la puissance radiofréquence. Le module d'émission illustré à la figure 1 comprend 56 HPAs connectés à 56 sources respectives et son fonctionnement particulier sera détaillé ultérieurement. La figure 2 illustre de façon schématique une portion d'une matrice de sources d'émission 21 dans une configuration compatible avec le module de la figure 1. Dans l'exemple représenté, on par on également que chaque source (hormis les bord de la matrice d'émission) apporte une contribution à 7 faisceaux. Des groupes correspondant à des faisceaux adjacents se donc. On considèrera par simplification que adjacentes sont disposées aux sommets respectifs d'un triangle équilatéral. Chaque source (hormis les sources des bords de la matrice d'émission) apportera une contribution plus importante pour un faisceau et une contribution moins importante pour 6 autres faisceaux, comme cela sera détaillé ultérieurement. Chaque faisceau sera donc normalement formé d'une contribution principale d'une source et de 6 autres contributions moindres par 6 autres sources. La figure 3 illustre la contribution d'une source à ses faisceaux lors d'un fonctionnement normal. La figure 4 illustre la contribution de cette source à ses considèrera l'émission considèrera sources du normalement de sources chevauchent 3 sources qu'un faisceau est normalement formé par 7 sources. Dans cet exemple, faisceaux lors d'une défaillance d'une source adjacente. L'axe des abscisses des figures 3 n'identifie pas des fréquences mais seulement différents faisceaux, les contributions à ces faisceaux pouvant présenter des fréquences différentes ou non. Les caractères A à G, en majuscule, identifient des sources. Les caractères a à g, en minuscule, identifient respectivement un faisceau pour lequel la contribution de la source de même caractère est normalement la plus importante. On va étudier dans un premier temps le faisceau g en fonctionnement normal dans un cas simplifié. Le faisceau g est formé par les contributions des sources A à G. On va considérer dans ce cas que la source G contribue pour la moitié de la puissance du faisceau g. On va également considérer que les sources A à F contribuent chacune à 1/12 de la puissance du faisceau g. La source G va contribuer pour sa part à 1/12 de la puissance des faisceaux A à F. Bien entendu, dans le cas où la puissance d'émission des faisceaux est différente, les niveaux de puissance de chacune de ces contributions est adapté en conséquence. La figure 3 illustre la contribution de la source A à différents faisceaux. On constate que la moitié de la puissance de la source A contribue au faisceau a, comme illustré par la référence 31. 1/12 de la puissance de la source A contribue respectivement aux faisceaux b, g, f, h, i et j, comme illustré par la référence 32. Lorsque le HPA de la source G est défaillant, on considèrera dans le cas le plus critique que la puissance émise par la source G est nulle. Pour le faisceau g, on peut alors estimer la perte de puissance radiofréquence à 3dB et la perte de directivité à 2,5dB. On a ainsi une perte de 5,5dB sur l'EIRP. Sur les faisceaux a à f, on peut estimer la perte de puissance radiofréquence à 0,4dB et la perte de directivité à 0,5dB. On a ainsi une perte d'environ 1dB sur l'EIRP. Dans ce cas, le module d'émission va compenser la défaillance de l'émission de la source G, en modifiant les puissances d'émission des sources A à F, et en modifiant les contributions de ces sources à différents faisceaux. En effet, la défaillance de la source G influe sur les faisceaux a à g. Pour le faisceau g, les 5,5dB de perte d'EIRPI initiaux sont compensés par une augmentation de 5,5dB de la contribution des sources A à F au faisceau g. Dans l'exemple de la source A, cette contribution est illustrée par la référence 41. Pour les faisceaux b et f, la source A présente une augmentation de 1 dB de ses contributions, comme illustré par la référence 42 de la figure 4. Enfin, la source A augmente sa contribution au faisceau a de 1 dB, comme illustré par la référence 43. Les contributions de la source A aux faisceaux h, i et j sont inchangées, comme illustré par la référence 44. On constate qu'une augmentation de la puissance globale de chaque source adjacente de 1.4dB suffit pour compenser l'absence d'émission de la source G. On pourra ainsi prévoir que les HPAs aient une marge de puissance d'au moins 3 dB en fonctionnement normal. Un HPA pourra ainsi compenser les défaillances de plusieurs HPAs associés à des sources adjacentes. Dans l'exemple détaillé, une marge de 3 dB permet de compenser la défaillance d'émission d'au moins deux sources adjacentes. En fonctionnement normal, dans le cas où le module ne gère qu'un trafic à porteuse unique par faisceau (cas désigné par single carrier per beam traffic en langue anglaise) et avec une répartition des contributions proches de celles mentionnées, on constate qu'une réduction de puissance de sortie limitée suffit pour obtenir des performances de linéarité acceptables. En effet, il n'y a pas d'intermodulation entre deux contributions importantes, c'est-à-dire deux porteuses de haute puissance. Les distorsions non linéaires des porteuses de faible puissance sont donc évitées. Cette propriété permet en outre de réduire le rapport global entre la puissance radiofréquence rayonnée et la puissance d'alimentation continue. Ce rapport peut être maintenu relativement constant pour différentes puissances d'émission radiofréquence. Selon des simulations effectuées avec les paramètres précités, en contrôlant la tension d'anode et optimisant la tension du collecteur, les rapports suivants ont été obtenus: Puissance radiofréquence Rapport RF/DC 143W 66% 110W 66% 72W 63.5% 44W 58% 14. 3W 46% Bien que la description fournisse un exemple détaillé et simplifié pour un nombre de sources par faisceau, pour un nombre de contributions par source, et pour une répartition de puissance donnée entre les contributions des sources, l'invention s'applique bien entendu pour des valeurs différentes de ces paramètres. La répartition de la contribution entre les sources à un faisceau sera bien en entendu dépendante de l'optimisation de la conception de l'antenne. La répartition des contributions entre les sources pourra également différer de celle décrite. REVENDICATIONS 1. Module d'émission radiofréquence (1) d'une antenne spatiale de télécommunication, caractérisé en ce qu'il comprend: - un réseau de formation de faisceaux (11) susceptible d'appliquer à l'entrée de plusieurs voies un signal respectif comprenant des contributions à plusieurs faisceaux; - chaque voie comprenant un amplificateur haute puissance (13) à polarisation ajustable et une source émettrice d'antenne (14, 53, A à J) connectée à la sortie de l'amplificateur haute puissance (13); - le reseau de formation de faisceaux (11) comprenant un dispositif de compensation sélective de la défaillance d'une des voies, augmentant la puissance de la contribution d'au moins un desdits signaux à un faisceau dont l'émission est affectée par la défaillance. 2. Module d'émission (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de compensation comprend une entrée de réception (15) d'un signal de commande à distance, et en ce que l'augmentation de la puissance de la contribution est réalisée en fonction du signal reçu. 3. Module d'émission selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le réseau de formation de faisceaux (11) inclut une contribution à un même faisceau dans les signaux appliqués à plusieurs voies. 4. Module d'émission selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chacun desdits amplificateurs est muni d'une alimentation ajustable (52) présentant une entrée de réception (521) d'un signal de commande à distance et d'au moins une sortie d'application (513, 514) d'une tension d'ajustement de la polarisation de l'amplificateur en fonction dudit signal de commande. 5. Module d'émission selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les amplificateurs sont des amplificateurs à tube à ondes progressives. 6. Module d'émission selon les revendication 4 et 5, caractérisé en ce que la sortie d'ajustement comprend une sortie (513) connectée à l'anode de l'amplificateur et une sortie (514) connectée au collecteur de l'amplificateur. 7. Module d'émission selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les amplificateurs sont des amplificateurs à semiconducteurs. 8. Module d'émission selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la polarisation initiale des amplificateurs est ajustée de sorte que la puissance de sortie de l'amplificateur soit au moins inférieure de 3 dB à sa puissance de sortie maximale. 9. Antenne spatiale de télécommunication comprenant un module d'émission selon l'une quelconque des revendications précédentes. Procédé de compensation d'une défaillance d'une voie d'un module selon la revendication 2 ou selon l'une quelconque de ses revendications dépendantes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: satellisation de l'antenne; -détermination de la défaillance de l'émission sur une des voies du module; - détermination d'un faisceau du module dont l'émission est affectée par la défaillance de la voie et détermination d'un signal présentant une contribution à ce faisceau; - émission à compensation dispositif de -augmentation contribution faisceau en compensation, faisceau. distance du module de du faisceau vers compensation; de la puissance (41, d'au moins un desdits fonction de la par le réseau de commandes de l'entrée du 42, 43) de la signaux audit commande de formation de 11.Procédé selon la revendication 10, de compensation d'une défaillance d'une voie d'un module selon la revendication 4 ou l'une quelconque de ses revendications dépendantes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes de: -émission à distance du module de commandes de compensation du faisceau vers l'entrée de l'alimentation de l'amplificateur d'une voie contribuant à ce faisceau; -application d'une tension d'ajustement de la polarisation dudit amplificateur en fonction dudit signal de commande, de sorte à augmenter la puissance de sortie de l'amplificateur. 12.Procédé selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes: -d'émission, à distance du module, de commandes de modification de lobes latéraux d'un faisceau vers l'entrée de réception du dispositif de formation de faisceau; -modification d'au moins une contribution à un faisceau dans un signal appliqué sur une voie, de sorte à modifier les lobes latéraux de ce faisceau.