Brevet FR2888674A1 — publié le 20070119

I 2888674 ANTENNE RÉSEAU À RÉFLECTEUR(S) CONFORMÉ(S), À FORTE RECONFIGURABILITÉ EN ORBITE L'invention concerne les antennes réseaux à réflecteur(s), embarquées sur des satellites et destinées à transmettre et/ou recevoir des faisceaux d'ondes électromagnétiques. On entend ici par antenne réseau à réflecteur(s) une antenne composée d'un ensemble de sources (ou éléments rayonnants), définissant Zo un réseau, et d'un ou plusieurs réflecteurs. Les antennes réseaux à réflecteur(s) précitées sont particulièrement intéressantes du fait qu'elles permettent de former et de positionner un ou plusieurs faisceaux rayonnants vers une ou plusieurs couvertures données. Cette formation de faisceaux se fait par contrôle d'amplitude et/ou de phase au niveau des sources. La capacité de modifier la position et la forme des couvertures en orbite (double reconfigurabilité) est particulièrement intéressante notamment pour tenir compte de l'évolution du trafic, pour prendre le relais d'un satellite en panne, ou en cas de changement de position sur l'arc orbital avec conservation du bilan de liaison sur une zone donnée. Afin de permettre une double reconfigurabilité, les trois solutions présentées cidessous sont le plus souvent utilisées. Une première solution consiste à utiliser une antenne réseau active à rayonnement direct (ou DRA), c'est-à-dire dépourvue de réflecteur. Ce type d'antenne réseau offre une très bonne capacité de double reconfigurabilité, mais nécessite un grand nombre de contrôles qui rend souvent prohibitif son coût et son poids. De plus, à l'émission, le faible rendement des amplificateurs qui sont associés à chacun des contrôles du DRA induit une dissipation souvent rédhibitoire. Une deuxième solution consiste à utiliser un réseau de sources dans le plan focal ou au voisinage du plan focal d'un réflecteur parabolique non conformé (ou FAFR). Cette solution est notamment décrite dans le document 2 2888674 brevet US 4,965,587. Afin de couvrir une zone donnée, le réseau de sources est dimensionné de sorte que chacune de ses sources contribue à une partie de la couverture totale. La position des sources est directement liée à la zone à couvrir. Elle est déterminée de façon géométrique en appliquant le principe de réflexion sur le réflecteur. Les lois d'amplitude/phase des différents contrôles doivent être optimisées pour que les faisceaux délivrés par les sources se combinent en donnant un diagramme de rayonnement adapté à chaque zone à couvrir. Si l'on ne souhaite couvrir que l'une des zones, prévues initialement, on n'utilise que la partie du réseau correspondante. La io dynamique d'amplitude appliquée aux éléments rayonnants est importante, ce qui rend souvent nécessaire, à l'émission, l'utilisation d'un dispositif d'équilibrage de la puissance entre les amplificateurs (appelé MPA). Le fait que chacune des sources soit directement liée à une partie de la couverture, d'une part, impose une redondance au niveau des amplificateurs afin d'éviter la perte de cette zone en cas de panne partielle, et d'autre part, induit un nombre de sources (et souvent de contrôles) directement lié à la taille de la couverture. L'architecture de formation des faisceaux s'avère donc particulièrement complexe, induit des pertes supplémentaires liées à la présence du MPA, et entraîne des volume et masse assez élevés. Une troisième solution, variante de la deuxième, a été proposée dans le document brevet US 2004/0222932. Elle consiste à placer un réseau de sources dans le plan focal d'un réflecteur dont la surface réfléchissante est conformée de manière à élargir la zone couverte par chaque faisceau présentant un diagramme de rayonnement plat dans le lobe principal délivré par une source élémentaire. Le principe demeure le même que celui décrit ci-dessus, chaque source ne faisant que contribuer à une partie de la couverture. Du fait de l'élargissement des faisceaux élémentaires introduit par la conformation du réflecteur, le nombre de sources nécessaires à l'échantillonnage de la couverture peut donc être réduit, ce qui permet de diminuer le nombre des contrôles de l'antenne. Aucune solution connue n'apportant une entière satisfaction en termes de coût et/ou de poids et/ou de simplicité des contrôles et/ou de 3 2888674 capacité de reconfigurabilité en orbite, l'invention a donc pour but d'améliorer la situation. Elle propose à cet effet une antenne réseau à réflecteur(s) comprenant i) un réseau d'au moins deux sources, dont une source dite centrale, agencées et positionnées de manière à émettre (ou recevoir) des faisceaux d'ondes électromagnétiques dans des directions choisies, ii) des moyens de formation de faisceaux permettant de contrôler l'amplitude et la phase de chacune des sources au moyen de lois d'amplitude/phase appliquées sur leurs accès et d'assurer un niveau d'amplification approprié, lo afin que chaque source émette un diagramme de rayonnement choisi (constituant un faisceau et comprenant un lobe principal) destiné à couvrir une zone choisie, et iii) un ou plusieurs réflecteurs chargés de réfléchir les faisceaux délivrés par les sources (ou en direction de ces sources). Cette antenne réseau à réflecteur(s) se caractérise par le fait que: - la surface de l'un au moins de ses réflecteurs est conformée de façon tridimensionnelle (3D) de manière à réfléchir le faisceau qui est délivré par chaque source en étalant son énergie afin qu'il couvre la zone associée choisie, que le lobe principal du diagramme de rayonnement associé à la source centrale définisse une couverture dite primaire englobant intégralement chaque zone de couverture active de l'antenne, de forme et dimensions choisies, et que le lobe principal du diagramme de rayonnement associé à chaque source non centrale recouvre au moins partiellement la couverture primaire, et ses moyens de formation de faisceaux sont chargés d'appliquer aux accès du réseau de sources une loi d'amplitude et/ou de phase choisie de sorte que la combinaison des faisceaux délivrés par les sources du réseau définisse chacune des zones de couverture active de l'antenne. L'antenne réseau à réflecteur(s) selon l'invention peut comporter d'autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment: - ses sources peuvent être positionnées soit dans le plan focal du réflecteur, soit en dehors de celui-ci, de façon quelconque devant le réflecteur; ses sources peuvent être constituées d'un élément rayonnant de n'importe 4 2888674 quel type (par exemple cornet circulaire ou rectangulaire, élément imprimé (ou patch ), fente, ou hélice) fonctionnant en émission et/ou en réception et dans n'importe quelle polarisation; la surface de l'un de ses réflecteurs présente de préférence une forme générale de type paraboloïdal conformée de façon tridimensionnelle; l'un au moins de ses réflecteurs peut comprendre un mécanisme de pointage chargé de modifier la position du lobe principal associé à la source centrale du réseau. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à lo l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 illustre de façon très schématique et fonctionnelle un exemple de réalisation d'une antenne réseau à réflecteur(s) selon l'invention, et la figure 2 illustre de façon schématique le principe de formation de zones de couverture active au moyen d'une antenne réseau à réflecteur(s) selon l'inventeur. Les dessins annexés pourront non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. On se réfère tout d'abord à la figure 1 pour décrire une antenne réseau à réflecteur(s) AR selon l'invention. Dans ce qui suit, on considère à titre d'exemple non limitatif que l'antenne réseau à réflecteur(s) AR est dédiée à la seule transmission de faisceaux d'ondes électromagnétiques, qu'elle ne comporte qu'un seul réflecteur AR, que son réseau RS ne comporte que cinq sources SI (i=1 à 5) et qu'elle n'offre que deux zones de couverture actives (ZC1 et ZC2). Mais, l'invention n'est pas limitée à cette application. En effet, l'antenne réseau à réflecteur(s) selon l'invention peut fonctionner en transmission, ou en réception, ou encore en transmission et en réception, et/ou peut comporter plusieurs réflecteurs, et/ou peut comporter un réseau composé d'un nombre quelconque de sources, et/ou peut offrir plus de deux zones de couverture actives. Une telle antenne a pour vocation principale d'être embarquée sur un satellite de télécommunication. 2888674 Une antenne (réseau à réflecteur(s)) AR selon l'invention comprend tout d'abord un réseau RS constitué d'au moins deux sources Si agencées et positionnées de manière à délivrer des faisceaux d'ondes électromagnétiques Fi (comportant des signaux) dans des directions choisies. Le nombre N de sources Si du réseau RS, le positionnement des sources Si les unes par rapport aux autres, le type des sources Si et les orientations respectives des sources Si sont choisis en fonction de la mission qui est attribuée à l'antenne AR. On considère dans ce qui suit, à titre d'exemple non limitatif, que le nombre N de sources Si est égal à 5 (i = 1 à 5). Mais, ce nombre N peut lo prendre n'importe quelle valeur supérieure ou égale à deux. Parmi ces sources Si, l'une (ici SI) est dite centrale, par exemple du fait qu'elle se trouve placée sensiblement au milieu du réseau RS. Chaque source Si du réseau RS peut être constituée d'un élément rayonnant de n'importe quel type, et par exemple un cornet circulaire ou rectangulaire, un patch (élément imprimé), une fente , ou une hélice, pouvant fonctionner en émission et/ou en réception et dans n'importe quelle polarisation. L'antenne AR comprend également un module de formation de faisceaux MFF chargé d'appliquer des lois d'amplitude et/ou de phase et d'amplifier de façon appropriée les signaux de chacune des N sources Si du réseau RS, afin que chaque source Si émette un diagramme de rayonnement choisi (constituant un faisceau Fi et comprenant un lobe principal) destiné à couvrir une zone choisie Zi. Toutes techniques d'application de loi d'amplitude/phase et d'amplification connues de l'homme peuvent être mises en oeuvre à cet effet. L'antenne AR comprend également un réflecteur RC muni d'une surface SU conformée de façon tridimensionnelle (3D). Cette conformation 3D, qui se présente sous la forme de creux et de bosses placés en des endroits choisis de la surface SU, est destinée à réfléchir le faisceau Fi qui est délivré par chaque source Si tout en étalant son énergie de sorte, d'une première part, qu'il couvre la zone associée choisie Zi, d'une deuxième part, que le lobe principal du diagramme de rayonnement associé à la source centrale S1 définisse une couverture dite primaire CP englobant 6 2888674 intégralement chaque zone de couverture active ZCj de l'antenne AR, de forme et dimensions choisies, et d'une troisième part, que le lobe principal du diagramme de rayonnement associé à chaque source non centrale Si (i), et donc chaque zone Zi 04), recouvre au moins partiellement la couverture s primaire CP au niveau d'une zone d'intersection ZICi. On entend ici par zone de couverture active une zone dans laquelle les ondes électromagnétiques transmises par l'antenne AR doivent pouvoir être reçues au moyen d'un récepteur approprié. La zone Z1 (définie par le lobe principal du diagramme de io rayonnement issu de la source centrale S1 du réseau RS) définit donc une couverture dite primaire CP. Chaque point de cette couverture primaire CP se situe donc dans au moins une zone d'intersection ZICi, et de préférence dans plusieurs zones d'intersection ZICi. En d'autres termes, chaque point de la couverture primaire CP est couvert par le lobe principal du faisceau FI de la is source centrale SI et par un ou plusieurs lobes principaux des faisceaux Fi (i A) associés à d'autres sources Si (i A) du réseau RS. Le comportement de l'antenne à l'intérieur de la couverture primaire CP s'apparente ainsi fortement à celui d'un réseau à rayonnement direct (DRA) . Comme indiqué ci-dessus, c'est à l'intérieur de la couverture primaire CP que peuvent être définies les zones de couverture active ZCj de l'antenne AR au moyen des lois et amplifications appliquées par le module de formation de faisceaux MFF. Dans l'exemple non limitatif illustré sur la figure 2, l'antenne AR est conçue de manière à offrir deux zones de couverture active ZC1 et ZC2 (j = 1 ou 2). Mais, l'antenne AR pourrait être conçue de manière à offrir plus de deux zones de couverture active ZCj, ou bien une seule. La conformation du réflecteur RC qui permet d'élargir les faisceaux Fi est calculée en fonction de la mission, puisque c'est celle-ci qui va définir l'enveloppe de la couverture primaire CP devant contenir les différentes zones de couverture active ZCj de l'antenne AR. On peut par exemple déterminer la conformation 3D au moyen de fonctions polynomiales (par exemple de type Spline ou Zernike) appliquées à une surface de réflexion initiale de type paraboloïdal, à l'aide de logiciels adaptés (par exemple de type POS4). En 7 2888674 fonction de la mission, les sources Si sont placées soit dans le plan focal du réflecteur RC, soit en dehors de ce plan focal. Le réflecteur RC peut comprendre un mécanisme de pointage (non représenté sur les figures) destiné à modifier la position du lobe principal qui est associé à la source centrale S1 du réseau AR. L'antenne AR selon l'invention est particulièrement bien adaptée, bien que de façon non limitative: - à une couverture en mode simple spot à fort besoin de reconfigurabilité, par exemple dans le cas d'un satellite reconfigurable en fonction de sa lo position orbitale, et aux missions multi-spots sur de larges couvertures, par exemple dans le cas d'un échantillonnage de type CONUS au moyen de zones de couverture active (ou spots) de 0.4 de diamètre. Grâce à l'invention, l'agencement du réseau de sources est fortement décorrélé de la couverture de l'antenne car c'est la conformation 3D de la surface du réflecteur qui définit la couverture primaire CP à l'intérieur de laquelle peut être défini n'importe quel nombre de spots (ou zones de couverture active ZCj) de n'importe quelle forme. Cela permet de limiter considérablement la taille du réseau et le nombre de sources et par conséquent cela permet de réduire notablement le poids et la complexité des contrôles par rapport à une solution conventionnelle à réflecteur parabolique ou par rapport à une solution de type DRA. Par ailleurs, une source n'étant plus attachée à l'élaboration d'une petite partie d'une zone de couverture active, comme dans le cas d'une solution conventionnelle à réflecteur parabolique, une redondance naturelle peut être obtenue via le réseau de sources, si bien que les conséquences d'une panne partielle sont limitées. En outre, en réduisant la taille du réseau de sources on réduit les aberrations de défocalisation, on induit naturellement des niveaux de lobes secondaires plus bas (et donc de meilleurs rapports C/l) comparés à ceux obtenus avec une solution conventionnelle à réflecteur parabolique. L'utilisation de faibles rapports entre la distance focale du système à réflecteur et le diamètre du réflecteur principal est alors facilitée (notamment 8 2888674 au niveau de l'implantation sur un satellite). L'invention combine ainsi les avantages d'une antenne de type DRA (réseau à rayonnement direct), à savoir une forte reconfigurabilité et une redondance naturelle, et les avantages d'une antenne de type FAFR, à savoir une forte directivité obtenue grâce à la surface conformée du réflecteur, tout en évitant les inconvénients de ces deux types d'antennes, à savoir le nombre de contrôles très important qui contribue fortement au poids et au coût, la perte d'efficacité liée aux lobes de réseaux dans le cas d'une antenne DRA, la perte de couverture en cas de pannes et la taille du réseau de sources lo fonction de la couverture envisagée dans le cas d'une antenne FAFR. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation d'antenne réseau à réflecteur(s) décrits ci-avant, seulement à titre d'exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art dans le cadre des revendications ci-après. Ainsi, dans ce qui précède on a décrit un exemple d'antenne réseau à réflecteur(s) selon l'invention, dédié à la transmission d'ondes électromagnétiques. Mais, l'invention n'est pas limitée à cet exemple. Elle s'applique en effet également aux antennes réseaux à réflecteur(s) fonctionnant en réception, ou en transmission et en réception. 9 2888674 REVENDICATIONS 1. Antenne réseau à réflecteur(s) (AR), comprenant i) un réseau (RS) d'au moins deux sources (Si), dont une source dite centrale (Si), agencées et positionnées de manière à émettre et/ou recevoir des faisceaux d'ondes électromagnétiques (Fi) dans des directions choisies, ii) des moyens de formation de faisceaux (MFF) agencés pour contrôler l'amplitude et la phase de chacune desdites sources (Si) au moyen de lois d'amplitude/phase appliquées sur leurs accès et pour assurer un niveau d'amplification lo approprié, afin que chaque source (Si) émette un diagramme de rayonnement choisi, constituant un faisceau (Fi) et comprenant un lobe principal, destiné à couvrir une zone choisie (Zi), et iii) au moins un réflecteur (RC) muni d'une surface (SU) propre à réfléchir les faisceaux (Fi) délivrés par lesdites sources (Si) et/ou destinés auxdites sources (Si), caractérisée en ce que: ladite surface (SU) est conformée de façon tridimensionnelle de manière à réfléchir le faisceau (Fi) délivré par chaque source (Si) en étalant son énergie de sorte qu'il couvre la zone associée choisie (Zi), que le lobe principal du diagramme de rayonnement associé à ladite source centrale (Si) définisse une couverture dite primaire (CP) englobant intégralement chaque zone de couverture active (ZCj) de l'antenne (AR), de forme et dimensions choisies, et que le lobe principal du diagramme de rayonnement associé à chaque source non centrale recouvre au moins partiellement ladite couverture primaire (CP), et lesdits moyens de formation de faisceaux sont agencés pour appliquer aux accès du réseau de sources (Si) une loi d'amplitude et/ou de phase choisie de sorte que la combinaison des faisceaux (Fi) délivrés par lesdites sources (Si) définisse chacune desdites zones de couverture active (ZCj). 2. Antenne réseau à réflecteur(s) selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite couverture primaire (CP) englobe intégralement au moins une zone de couverture active (ZCj). 3. Antenne réseau à réflecteur(s) selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que ladite couverture primaire (CP) englobe intégralement au moins deux zones de couverture active (ZCj). io 2888674 4. Antenne réseau à réflecteur(s) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que lesdites sources (Si) sont positionnées dans un plan focal de l'un desdits réflecteurs (RC). 5. Antenne réseau à réflecteur(s) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que lesdites sources (Si) sont positionnées en dehors d'un plan focal de l'un desdits réflecteurs (RC). 6. Antenne réseau à réflecteur(s) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ladite surface (SU) dudit réflecteur (RC) présente une forme générale de type paraboloïdal conformée de façon tridimensionnelle. io 7. Antenne réseau à réflecteur(s) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'un au moins desdits réflecteurs comprend un mécanisme de pointage agencé pour modifier la position du lobe principal associé à ladite source centrale (SI) du réseau (RS). 8. Antenne réseau à réflecteur(s) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que chacune desdites sources (Si) est constituée d'un élément rayonnant choisi dans un groupe comprenant au moins un cornet circulaire ou rectangulaire, un élément imprimé, une fente, ou une hélice.