Brevet FR2870992A1 — publié le 20051202

La présente invention concerne une antenne de télé-communications destinée à un ensemble de poursuite et commandée par une tourelle de pointage. Pour les communications point à point, on utilise fréquemment, à l'un des points de communication, une antenne d'un ensemble de poursuite dont le diagramme d'émission-réception est très directionnel. De tels systèmes sont couramment utilisés pour les communications entre deux systèmes mobiles ou entre un système mobile et un système fixe. I1 existe déjà un certain nombre de systèmes permettant le pointage d'une antenne directionnelle. Les antennes de ces systèmes doivent créer un faisceau très étroit destiné à suivre un émetteur-récepteur mobile. On appelle "écart" l'erreur de pointage du faisceau très étroit par rapport à la direction optimale, et la détermination de cet écart est l'objet de "l'écartométrie". On conçoit que plus l'écart est faible, plus la poursuite est précise. La tourelle de pointage de l'antenne utilise cet écart 20 pour orienter l'antenne vers un émetteur-récepteur avec lequel elle échange des signaux. La technologie qui permet de déterminer la direction de l'onde incidente, pour la création d'un signal d'erreur de pointage permettant l'asservissement, est bien connue. Ainsi, on utilise généralement au moins deux voies de détection, l'une ayant une directivité maximale pour l'émission-réception d'un signal utile, et l'autre ou les autres permettant la mesure de la direction de l'onde incidente par différence. Les ensembles de poursuite à antenne de télécommunications des types précédents utilisés en général appartiennent à l'une de deux catégories différentes. Dans une première catégorie, qu'on décrit en référence à la figure 1, une source primaire de signaux 10 transmet un signal somme par une voie 12, en mode TE11, et un signal différence par une voie 14, en mode TMO1. La voie différence comporte un déphaseur 16. Chacune des deux voies comporte un amplificateur 20, 22. Les signaux des deux voies sont combinés dans un combinateur 18. La sortie est connectée à un récepteur unique qui peut extraire le signal de la voie différence par sa modulation en phase. Une erreur de pointage est déterminée parce que le signal reçu est modulé en amplitude proportionnellement à l'erreur de pointage. L'information de pointage est donc extraite par détection de la modulation d'amplitude en synchronisme avec la modulation du déphaseur. Le fonctionnement d'un tel système nécessite l'utili- sation de composants en hyperfréquences qui sont complexes et coûteux, aussi bien pour la source primaire que pour le déphaseur et les amplificateurs qui doivent avoir un faible bruit. En conséquence, un tel système convient bien à des antennes de grandes dimensions dont le coût est élevé, car le surcoût nécessaire pour la détermination de l'erreur de pointage est alors relativement réduit. Cependant, ce système ne convient pas à des antennes de petites dimensions, par exemple d'un diamètre de l'ordre de 50 cm dans le cas d'une longueur d'onde de 2 cm, parce que le coût des circuits de traitement est trop élevé. Dans une seconde catégorie de systèmes, bien adaptés à de telles antennes de dimensions réduites, on utilise habituellement des systèmes de détermination d'erreurs de pointage dont le principe est illustré par la figure 2. Dans un tel système, une antenne 24 est disposée en face d'une source d'émission-réception de signaux 26. La partie centrale de l'antenne a un orifice dans lequel est disposé un élément réflecteur 28 entraîné en rotation à grande vitesse par un moteur 30. Le réflecteur 28 comporte deux surfaces réfléchissantes 32 et 34, séparées par une distance, par exemple du huitième de la longueur d'onde, par rapport à la surface de l'antenne 24. S'il existe une erreur de pointage, le signal reçu est modulé en amplitude par une sinusoïde dont l'amplitude est proportionnelle à l'erreur de pointage, et la phase indique l'orientation en roulis du plan contenant cette erreur. Pour que le temps de réponse soit court, l'élément réflecteur rotatif doit être entraîné en rotation à grande 2870992 3 vitesse, en pratique à plusieurs milliers de tours par minute. L'antenne comporte donc un dispositif actif entraîné par un moteur tournant à grande vitesse. On conçoit que la fiabilité d'un tel système, qui doit fonctionner en permanence pendant de longues périodes, n'est pas aussi élevée que souhaitable. En outre, il est nécessaire, avant de mettre en service une antenne, d'assurer l'équilibrage de l'élément réflecteur, pour chaque antenne. L'invention a pour objet de remédier aux inconvénients 10 des deux systèmes précités. Plus précisément, l'invention ne met en oeuvre aucun système actif, par exemple à moteur, qui est susceptible de présenter une usure, un défaut d'équilibrage, etc. En outre, l'invention ne met pas en oeuvre des composants pour hyperfréquences de coût élevé. Plus précisément, elle met en oeuvre la propriété des diodes PIN, travaillant en espace libre et en réflexion, de créer un déphasage. Plus précisément, l'invention concerne une antenne de télécommunications pour ensemble de poursuite, commandée par une tourelle de pointage, et qui comprend, à proximité d'une partie de sa surface, au moins un dispositif modulateur de phase en espace libre travaillant en réflexion. De préférence, le dispositif modulateur de phase comporte quatre parties placées au sommet d'un quadrilatère, par exemple un carré, et pilotées chacune entre deux états présentant des déphasages différents. De préférence, les quatre parties du dispositif modulateur de phase sont disposées pratiquement au centre de l'antenne. Dans un mode de réalisation avantageux, chaque partie du dispositif modulateur de phase comprend un modulateur à diodes PIN qui sont toutes commandées à un même état de polarisation. De préférence, deux des parties sont à un premier état de polarisation et les deux autres parties sont au second état de polarisation, et les parties qui sont à un même état de polarisation sont disposées à des sommets adjacents du quadrilatère. Dans un exemple de réalisation, le modulateur de chaque partie couvre une surface de l'ordre du centième de la surface de l'antenne. De préférence, les deux états de polarisation de chaque modulateur à diodes PIN correspondent à une rotation du vecteur représentatif d'un angle positif ou négatif de valeur absolue a comprise entre 0 et n/2. Dans des exemples, l'angle a est égal à nt/2 ou à 9t/6. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: les figures 1 et 2, déjà décrites, représentent schématiquement deux systèmes connus; la figure 3 est une vue en plan d'un exemple d'antenne selon l'invention; la figure 4 représente sous forme de tableau les quatre polarisations différentes des quatre parties de modulateur à diodes PIN utilisées dans le dispositif de la figure 3; la figure 5 est un graphique qui représente une sortie de signaux indiquant comment peuvent être déterminées les erreurs de pointage dans deux plans perpendiculaires; la figure 6 est un graphique indiquant la tension d'écartométrie en fonction de la variation de l'erreur de pointage dans un système selon l'invention; la figure 7 est un schéma d'un panneau de diodes PIN pouvant être utilisé comme modulateur de phase en espace libre selon l'invention; et la figure 8 est un schéma illustrant des possibilités 30 différentes de polarisation des diodes PIN des panneaux modulateurs selon l'invention. La figure 3 représente un exemple d'antenne selon l'invention. Un réflecteur 36, ayant par exemple un diamètre d'environ 50 cm, comporte à sa partie centrale quatre modulateurs de phase en espace libre à diodes PIN 38 dispo- sés aux sommets d'un carré. Chaque modulateur 38 peut être un carré de côté de l'ordre de 3 à 7 cm, si bien que la surface d'un modulateur peut être de l'ordre du centième de 2870992 5 la surface totale de l'antenne. Chaque carré représente un panneau 38 modulateur de phase en espace libre fonctionnant par réflexion. Dans l'exemple illustré par la figure 4, chaque panneau introduit un déphasage de +n/2 ou -n/2 selon son état de polarisation. Sur la figure 4, les références 1 à 4 indiquent quatre états différents de polarisation des panneaux 38 de la figure 3. Dans la position 1, les deux panneaux de droite appliquent un déphasage +n/2, les deux panneaux de gauche un déphasage -n/2. Dans la disposition 2, les deux panneaux de droite introduisent cette fois un déphasage égal à -n/2 alors que les deux panneaux de gauche introduisent un déphasage égal à +n/2. Il existe donc une inversion du sens de polarisation en direction horizontale, et les signaux obtenus avec les dispositions 1 et 2 présentent une différence Ag des niveaux indiqués par les références 1 et 2 sur la figure 5, lorsqu'il existe une erreur de pointage dans cette direction. La position 3 de la figure 4 indique que les deux panneaux du côté supérieur introduisent un déphasage de -n/2 et les deux panneaux du côté inférieur un déphasage de +n/2. Au contraire, dans la position 4, ce sont les panneaux du côté supérieur qui introduisent le déphasage de +n/2 et ceux du côté inférieur qui introduisent un déphasage de -n/2. En conséquence, le déphasage commute en direction verticale, et, comme l'indique la figure 5, s'il existe une erreur de pointage dans cette direction, elle apparaît sous forme de la différence As des signaux obtenus entre les positions 3 et 4. Ainsi, grâce à la propriété des panneaux de diodes PIN de commuter entre deux déphasages opposés en espace libre par réflexion lors de la commutation entre deux états de polarisation, il est possible d'obtenir un fonctionnement très analogue à celui qu'on a décrit en référence à la figure 2. En effet, les quatre positions 1 à 4 référencées sur la figure 4 correspondent à quatre positions distantes de 90 de l'élément réflecteur 28 du système connu à élément rotatif représenté sur la figure 2. L'avantage que présente l'invention est de permettre l'obtention de résultats analogues avec des dispositifs qui ne présentent aucun mouvement, et donc aucune usure et en conséquence ne nécessitent aucune maintenance. Cependant, par rapport au système de la figure 2, le système de la figure 3 selon l'invention présente des avantages, en plus de ceux qu'on a déjà indiqués. La figure 5 indique que les écarts Ag et As, qui sont utilisés par la tourelle de pointage pour aligner l'antenne, sont obtenus entre des niveaux successifs d'un même signal. Bien que ces signaux puissent être traités de manière analogique, ils le sont le plus souvent de manière numérique. Les deux niveaux à comparer peuvent se suivre ou non. L'ordre des états de modulation peut être quelconque, même dans le cas d'un traitement analogique. La figure 7 représente un exemple du panneau de diodes PIN qui peut être utilisé comme élément modulateur de phase 38 sur l'antenne de la figure 3. Chaque diode PIN 40 peut être par exemple une diode PIN CS 28 de "Micrometrics". Dans le mode de réalisation de la figure 7, on a représenté un dispositif dans lequel on a un ensemble formé de seize diodes comprenant quatre étages de quatre diodes 40 chacun. Les diodes sont placées devant un plan métallique de court-circuit à une distance du quart de la longueur d'onde environ. Le pas du motif de diodes est d'environ une demi- longueur d'onde (10 mm en bande Ku). L'ensemble forme un sandwich ayant une âme de faible constante diélectrique, par exemple formée d'une lame de mousse ou en nids d'abeilles. On a décrit, en référence à la figure 4, des panneaux de diodes qui sont polarisés entre deux déphasages +nc/2 et -n/2. Ces valeurs présentent l'avantage de donner une pente maximale à l'origine de la courbe représentant l'écartométrie. Dans un système selon l'invention, l'écartométrie varie comme l'indique la courbe de la figure 6. I1 est souhaitable que la pente de la courbe représentant cette écartométrie soit aussi grande que possible, c'est-à- dire que la pente de la courbe à l'origine soit aussi grande que possible. C'est pour cette raison qu'on utilise des valeurs de déphasage +n/2 et -n/2. Cependant, ces valeurs de déphasage ont l'inconvénient de créer des pertes relativement grandes. En effet, en moyenne, la surface couverte par les modulateurs à diodes PIN doit être consi- dérée comme ne participant pas à la quantité d'énergie du signal reçu. En conséquence, la perte de gain peut être importante. Pour remédier à cet inconvénient, on peut envisager d'utiliser un déphasage plus faible, par exemple n/6. On considère maintenant cet exemple, comme représenté sur la figure 8. On note que, pour un angle n/6, l'intensité du signal est deux fois plus faible que pour un angle de n/2. En conséquence, pour obtenir un signal de même intensité, il convient d'augmenter la surface active des diodes PIN, c'est-à-dire de doubler la surface du panneau en augmentant le nombre de diodes PIN. Pour doubler la surface, il suffit de multiplier le côté de chaque élément modulateur par Vi. On constate alors que, pour un même niveau d'amplitude du signal de la voie différence, par exemple de -28 dB, on obtient une perte de gain de 0,1 dB seulement alors que, pour un déphasage de n/2, cette perte de gain est de 0,4 dB. Il faut cependant noter que ce meilleur résultat est obtenu avec une plus grande étendue des panneaux de modulation de diodes PIN. Dans un exemple de réalisation, l'antenne a un réflecteur parabolique et est destinée à fonctionner dans la bande Ku (15 GHz). Elle a un diamètre de 0,5 m, et les panneaux de diodes ont la forme de carrés d'environ 4 cm de côté. Dans un exemple d'utilisation, la durée des paliers indiqués sur la figure 5 est de quelques microsecondes, si bien que la durée du signal comprenant les quatre paliers est au plus de quelques dizaines de microsecondes et permet ainsi un asservissement de pointage même dans le cas de liaisons de télécommunications impliquant un élément mobile se déplaçant à vitesse élevée, de plusieurs centaines ou milliers de kilomètres par heure. Bien qu'on ait décrit un dispositif modulateur de phase en espace libre travaillant en réflexion formé de quatre parties, d'autres nombres de parties peuvent aussi être utilisés. Cependant, la plus grande qualité de signal qui peut être obtenue ne justifie pas en général l'augmentation de complexité. L'antenne selon l'invention présente ainsi des avantages de coût réduit, puisque des composants électroniques complexes sont superflus, de grande simplicité, grâce au petit nombre d'éléments nécessaires et à l'absence d'équilibrage initial, et de grande fiabilité, grâce à l'absence de toute pièce mobile tournant à grande vitesse. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux antennes qui viennent d'être décrites uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Antenne de télécommunications pour ensemble de poursuite, commandée par une tourelle de pointage, et caractérisée en ce qu'elle comprend, à proximité d'une partie de sa surface, au moins un dispositif modulateur de phase en espace libre travaillant en réflexion. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif modulateur de phase comporte quatre parties (38) placées au sommet d'un quadrilatère et pilotées chacune entre deux états présentant des déphasages différents. 3. Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que le quadrilatère est pratiquement un carré. 4. Antenne selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que les quatre parties (38) du dispositif modulateur de phase sont disposées pratiquement au centre de l'antenne. 5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 2 et 4, caractérisée en ce que chaque partie (38) du dispositif modulateur de phase comprend un modulateur à diodes PIN (40) qui sont toutes commandées à un même état de polarisation. 6. Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que deux des parties (38) sont à un premier état de polarisation et les deux autres parties (38) sont au second état de polarisation, et les parties (38) qui sont à un même état de polarisation sont disposées à des sommets adjacents du quadrilatère. 7. Antenne selon l'une quelconque des revendications 2 et 6, caractérisée en ce que le modulateur de chaque partie (38) couvre une surface de l'ordre du centième de la surface de l'antenne. 8. Antenne selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que les deux états de polarisation de chaque modulateur (38) à diodes PIN correspondent à une rotation du vecteur représentatif d'un angle positif ou négatif de valeur absolue a comprise entre 0 et n/2. 9. Antenne selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'angle a est sensiblement égal à n/2. 10. Antenne selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'angle a est sensiblement égal à n/6.