Brevet FR2952758A1 — publié le 20110520

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne les antennes à réflecteurs embarquées sur des satellites et destinées à transmettre et/ou recevoir des ondes électromagnétiques sur une zone de couverture reconfigurable en vol. ETAT DE LA TECHNIQUE Les antennes à réflecteur(s) sont une solution technique très répandue pour couvrir une zone géographique choisie depuis une orbite géostationnaire. Ces antennes sont généralement utilisées pour obtenir une Io forte directivité, compte tenu des dimensions du ou des réflecteur(s) qui sont généralement supérieures à dix longueurs d'ondes. Une antenne à réflecteur(s) de type parabolique produit naturellement un faisceau pointant dans l'axe principal de l'antenne et caractérisé par des courbes iso-niveaux projetées concentriques et quasi-circulaires. 15 En formant la surface du réflecteur, il est possible de produire un dépointage du faisceau par rapport à l'axe principal de l'antenne et/ou de modifier la forme des courbes iso-niveaux afin de mieux correspondre à une zone géographique donnée. Pour certaines applications satellitaires comme les communications 20 par exemple, le besoin en couverture peut varier durant la vie du satellite. Il apparaît indispensable pour les prochaines générations de satellites de pouvoir offrir une capacité de reconfiguration en vol des zones de couverture, nécessitant donc une reconfiguration du faisceau produit par l'antenne. 25 On entend par formation ou reconfiguration de faisceau la possibilité de produire un dépointage et/ou une déformation des courbes iso-niveaux projetées. Le document WO 2007/007011 décrit une antenne à réflecteur(s) pour couvrir une zone géographique choisie. 30 L'antenne de ce document associe un ou plusieurs réflecteur(s) à un réseau de sources élémentaires contrôlées en amplitude et/ou phase, le réflecteur principal est formé pour assurer que la zone d'intersection des diagrammes secondaires (après réflexion sur le ou les réflecteurs) de chaque source est très similaire à la zone englobant l'ensemble des couvertures à produire. De telles solutions permettent de dépointer par un contrôle en phase des éléments du réseau focal. En revanche, pour pouvoir former le diagramme de rayonnement de l'antenne pour réaliser une couverture choisie, il est nécessaire d'avoir un réseau focal avec un nombre de contrôles relativement important, d'autant plus important que les formes de io couvertures à réaliser sont complexes et dépointées, les zones périphériques étant naturellement défavorisées en terme de directivité pire cas par la méthode de formation du réflecteur principal. PRESENTATION DE L'INVENTION 15 L'invention permet de pallier aux inconvénients précités. Selon un premier aspect, l'invention concerne une antenne à réflecteur(s) et réseau d'alimentation pour la couverture d'une zone géographique choisie comprenant : un réflecteur principal comprenant une surface réfléchissante formée à partir d'une surface initiale de type 20 parabolique ; un réseau d'au moins deux sources élémentaires agencées et positionnées de manière à émettre et/ou recevoir des ondes électromagnétiques dans des directions choisies, le réseau étant placé dans le plan focal caractérisant la forme parabolique initiale du réflecteur principal ; des moyens de contrôle en amplitude et/ou phase des sources 25 élémentaires. L'antenne selon le premier aspect de l'invention est caractérisée en ce que la surface réfléchissante du réflecteur principal est conformée de manière tridimensionnelle de façon à : (i) réfléchir chaque faisceau délivré par chaque source en étalant son énergie de sorte qu'il couvre la zone 30 géographique choisie ; (ii) ce que le diagramme de rayonnement de chaque source définisse plusieurs sous-zones, intersection de la zone globale à couvrir avec des couverture concentriques les unes aux autres, les sous-zones étant caractérisées par une contrainte en gain qui croit à mesure que la sous-zone s'éloigne du centre de la zone géographique choisie à couvrir, la couverture choisie étant enfin réalisée par une combinaison du rayonnement de toutes les sources. L'antenne de l'invention permet la couverture d'une zone géographique choisie en ayant un réflecteur principal formé associé à un contrôle en amplitude et/ou phase de l'alimentation de chacune des sources. De manière avantageuse, l'antenne selon le premier aspect est io associée à un sous-réflecteur électriquement (de type réseau réflecteur constitué d'un ensemble de cellules à déphaseur reconfigurables) ou mécaniquement (surface souple associée à une grille d'actuateurs) reconfigurable. Une telle configuration d'antenne permet de distribuer les contraintes entre le réseau d'alimentation et le sous-réflecteur, facilitant la is conception et améliorant les performances de chacun des sous-systèmes. D'autres aspects de l'antenne selon le premier aspect de l'invention sont les suivants : le sous-réflecteur comprend une surface réfléchissante de forme initiale plane, le sous-réflecteur et le réflecteur principal étant 20 agencés l'un par rapport à l'autre de manière à réfléchir un ou plusieurs signal/signaux issu(s) du réseau de sources et/ou destiné(s) au réseau de sources ; le réseau comprend sept sources élémentaires, six sources sont disposées de manière régulière autour d'une source centrale ; 25 le réflecteur principal est décrit par une surface initiale parabolique et le réseau de sources est disposé de sorte que la source centrale soit au point image par rapport à la surface plane initiale du sous-réflecteur du point focal de la surface parabolique. le sous-réflecteur est configurable électriquement par l'utilisation 30 d'une structure de type réseau réflecteur constitué de cellules à plusieurs états de phase permettant de modifier le front d'onde du signal électromagnétique. chaque source est constituée d'un élément rayonnant choisi dans le groupe suivant : cornet circulaire, cornet rectangulaire, élément imprimé, une fente, une hélice. Selon un second aspect, l'invention concerne un satellite comprenant une antenne selon le premier aspect de l'invention. PRESENTATION DES FIGURES io D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : ù la figure 1 illustre une antenne réseau à réflecteur conforme à un premier mode de réalisation de l'invention 15 ù la figure 2 illustre une antenne réseau à réflecteur conforme à un second mode de réalisation de l'invention ù la figure 3 illustre un réseau de sources mis en oeuvre dans une antenne à réflecteurs conforme à l'invention ; ù la figure 4 illustre le principe de définition des contraintes associées 20 à la formation du réflecteur principal pour la couverture d'une zone géographique choisie au moyen d'une antenne conforme à l'invention ; ù la figure 5 illustre le diagramme de rayonnement d'une source du réseau de l'antenne conforme à l'invention et le compare au même diagramme produit par des antennes selon l'état de l'art ; 25 ù la figure 6 illustre la déformation moyenne du réflecteur principal en fonction de la distance au centre de ce même réflecteur pour une antenne conforme à l'invention et la compare à la même déformation moyenne constatée sur une antenne de type connu ù la figure 7 illustre une cartographie de la déformation du réflecteur 30 principal de l'antenne à réflecteurs conforme à l'invention dimensionnée pour réaliser la couverture de l'Europe telle qu'illustrée sur la figure 4 ; ù la figure 8 illustre la déformation relative du sous-réflecteur en fonction de la distance au centre de ce même réflecteur dans le cas d'une antenne à réflecteurs selon le second mode de réalisation et la compare à la même déformation moyenne constatée sur une antenne de type connu ; ù la figure 9 illustre les moyens de contrôle du réseau d'alimentation dans le cas d'un contrôle en phase uniquement pour une antenne conforme à l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION io La figure 1 illustre une antenne réseau à un réflecteur pour la couverture d'une zone géographique choisie selon un premier mode de réalisation. Cette antenne comprend un réseau de sources élémentaires 40, un réflecteur principal 30 et des moyens de contrôle 50 des sources is élémentaires. La figure 2 illustre une antenne réseau à deux réflecteurs pour la couverture d'une zone géographique choisie selon un second mode de réalisation. Cette antenne comprend un réseau de sources élémentaires 40, un réflecteur principal 30, un sous-réflecteur 20 et des moyens de contrôle 20 50 des sources élémentaires. Dans cette antenne, le réflecteur principal 30 et le sous-réflecteur 20 sont agencés l'un par rapport à l'autre de manière à réfléchir le ou les signal/signaux issu(s) du réseau de sources (lorsque l'antenne fonctionne en émission) et/ou destiné(s) au réseau de sources (lorsque l'antenne 25 fonctionne en réception). Dans cette configuration, le sous-réflecteur 20 est adapté à dépointer et/ou former le faisceau produit par l'ensemble du réseau de sources. Le réflecteur principal 30 et le sous-réflecteur 20 comprennent chacun une surface réfléchissante (non représentée). Le sous-réflecteur 30 peut être reconfigurable mécaniquement (solution à base d'actuateurs mécaniques par exemple) ou électriquement (solution de type réseau réflecteur par exemple). La figure 3 illustre une vue dans le plan focal d'un réseau réflecteur à sept sources réparties selon une maille triangulaire. Pour chacun des deux modes de réalisation ci-dessus décris la surface réfléchissante du réflecteur principal est conformée de manière tridimensionnelle. Elle est en particulier conformée de façon à : (i) réfléchir chaque io faisceau délivré par chaque source en étalant son énergie de sorte qu'il couvre la zone géographique choisie ; (ii) ce que le diagramme de rayonnement de chaque source définisse plusieurs sous-zones, intersection de la zone globale à couvrir avec des couverture concentriques les unes aux autres, les sous-zones étant caractérisées par une contrainte en gain qui is croit à mesure que l'on s'éloigne du centre de la zone géographique choisie à couvrir. Le faisceau de l'antenne, associé à une zone de couverture donnée, est finalement produit par une combinaison du rayonnement de toutes les sources. 20 Une telle combinaison permet ainsi de refocaliser l'énergie et ce d'autant plus que le nombre de sources du réseau d'alimentation est important. Il est à noter que la définition des contrôles en amplitude et/ou phase du réseau d'alimentation permet de pointer et/ou former le faisceau de 25 l'antenne. On illustre en relation avec la figure 4, la couverture de l'Europe Z correspondant à la zone globale sur laquelle on souhaite pouvoir former une couverture réduite, correspondant par exemple à un pays ou un regroupement de pays. 30 Des zones circulaires concentriques Z1, Z2, Z3 sont superposées sur la couverture globale Z. L'intersection des zones Z1, Z2, Z3 avec la couverture globale Z permet de définir plusieurs sous-zones de contrainte en gain à prendre en compte pour l'optimisation de la forme du réflecteur principal de l'antenne selon l'invention. En fonction de la forme de la couverture globale Z, certaines sous-zones de contrainte associées à une contrainte en gain donnée peuvent être constituées de plusieurs portions disjointes. C'est typiquement le cas sur la figure 4 de l'intersection de Z3 avec Z qui donnerait deux parties disjointes aux extrémités Est et Ouest de la couverture illustrée. io Pour produire un réflecteur principal conforme à l'invention, la contrainte sur le gain dans ces sous-zones est augmentée à mesure que l'on s'éloigne du centre de la couverture globale. Typiquement en relation avec la figure 4 la zone centrale correspondant à l'intersection de Z et Z1 est la zone ayant le gain le plus is faible et la zone périphérique constituée de deux zones disjointes correspondant à l'intersection de Z et Z3 la zone ayant le gain le plus fort. Ces contraintes sur le gain sont utilisées pour optimiser la forme du réflecteur principal en partant d'une forme initiale parabolique lorsque seule la source centrale, située au foyer de la surface parabolique initiale, est 20 utilisée. Ce mode de dimensionnement du réflecteur principal étale l'énergie sur la zone géographique choisie en assurant un niveau de gain croissant à mesure que l'on s'éloigne du centre de la couverture globale sur laquelle on souhaite assurer une flexibilité de repointage. 25 Ce mode de dimensionnement permet en outre de compenser les pertes habituelles de directivité par dépointage constatées sur les solutions selon l'état de l'art. L'impact des contraintes sur le diagramme de rayonnement est illustré sur la figure 5. Il s'agit du diagramme de rayonnement produit par la source centrale, localisée au foyer de la surface parabolique décrivant la forme initiale du réflecteur principal. Pour un réflecteur de forme parabolique, correspondant à l'état initial, le faisceau produit est fortement focalisé. Il s'agit du faisceau représenté en pointillés sur la figure 5. Pour un réflecteur formé de manière connue, c'est-à-dire étalant l'énergie sur une couverture étendue, le diagramme de rayonnement reste de forme globale gaussienne, mais avec une ouverture de faisceau plus io importante donc une directivité maximum réduite. Il s'agit du faisceau représenté en tirés sur la figure 5. Le diagramme de rayonnement obtenu avec une formation du réflecteur principal conforme à l'invention est représenté en trait plein sur la figure 5. is On note, conformément à ce qui est attendu compte tenu des contraintes imposées lors de l'optimisation du réflecteur principal, que le niveau de gain augmente progressivement à mesure que l'on s'éloigne de l'axe principal de rayonnement de l'antenne (correspondant à la direction angulaire 00). 20 Le maximum de gain est obtenu pour des directions angulaires correspondant au bord de la zone à couvrir (autour de ±2°). Par ailleurs, on note que le diagramme obtenu selon une optimisation conforme à l'invention ne présente pas de symétries particulières, ce qui est conforme aux attentes la couverture Z n'étant elle-même pas tout à fait 25 symétrique. La déformation moyenne du réflecteur principal en fonction de la distance au centre de ce même réflecteur est comparée à des solutions de type connu sur la figure 6. On note que la déformation est proche d'un étalement intermédiaire 30 conformément aux solutions de type connu. On note par contre l'apparition d'un offset et une forme moins régulière que les solutions de type connu. Plus particulièrement, en analysant la cartographie de la figure 7 correspondant à la déformation du réflecteur principal relative à la couverture de l'Europe telle qu'illustrée sur la figure 4, on note que le niveau de déformation est différent selon les deux axes principaux du réflecteur. Ceci est essentiellement du à la forme elliptique de la couverture européenne considérée dans cet exemple, nécessitant un étalement de l'énergie plus important selon un des deux axes. L'ajout d'un sous-réflecteur reconfigurable mécaniquement ou électriquement, définissant le second mode de réalisation, présente d'autres io avantages par rapport aux antennes de type connu. En effet, une telle association permet de distribuer les contraintes entre le sous-réflecteur et le réseau d'alimentation pour produire une couverture dépointée et/ou formée choisie. Un premier avantage, est que le nombre de paramètres d'optimisation is étant ainsi augmenté, il est possible même avec des réseaux d'alimentation possédant un nombre de sources relativement réduits de faire des couvertures de forme complexes. En outre, on constate que la formation du réflecteur principal selon l'invention permet de réduire les contraintes sur la déformation du sous- 20 réflecteur pour des faisceaux fortement dépointés. En effet, les déformations du sous-réflecteur sont imposées au premier ordre par le dépointage de faisceau nécessaire. Les faisceaux les plus dépointés sont donc les faisceaux nécessitant la déformation du sous-réflecteur la plus importante. 25 Pour mettre cette propriété en avant, nous considérons la configuration d'antenne à réflecteurs suivante : û un diamètre projeté du réflecteur principal de cent longueurs d'onde ; û une distance focale associée à la surface parabolique du réflecteur principal de cent longueurs d'onde ; 30 û un dégagement du réflecteur par rapport à l'axe focal de cinquante longueurs d'onde ; û un sous-réflecteur circulaire dont le diamètre est de vingt quatre longueurs d'onde ; û un réseau focal de sept sources caractérisé par un pas selon une maille triangulaire de quatre longueurs d'onde. La figure 8 présente la déformation relative constatée sur le sous-réflecteur de l'antenne, selon le second mode de réalisation, en fonction de la distance au centre de ce dernier, et obtenue lorsque l'antenne est configurée pour produire une couverture sur l'Espagne, correspondant à un pire cas de dépointage (intersection de la zone Z3 avec Z, selon les io notations de la figure 4). La déformation relative du sous-réflecteur obtenue dans le cas d'une source unique placée au point focal de l'antenne avec un réflecteur principal parabolique correspond comme attendu au pire cas de déformation, et sert ainsi de référence. 15 En considérant une formation du réflecteur principal de type connu, on réduit la déformation du sous-réflecteur en distribuant les contraintes entre le réseau d'alimentation (réduit ici à sept sources) et le sous-réflecteur. En considérant une formation du réflecteur principal selon l'invention, on note une réduction supplémentaire des déformations du sous-réflecteur. 20 Cette amélioration, visible en terme de longueurs d'ondes peut être naturellement interprétée comme une réduction de la course nécessaire au niveau des actuateurs, ainsi qu'une réduction des déformées appliquées à la surface réfléchissante dans le cas d'un sous-réflecteur mécaniquement reconfigurable constitué d'une source souple associée à une grille 25 d'actuateurs. Pour un sous-réflecteur électriquement reconfigurable, de type réseau réflecteur, dont l'état de phase des cellules permet de compenser la différence de chemin électrique entre la surface effective (habituellement plane) et la surface à synthétiser, ces résultats peuvent être interprétés en 30 considérant qu'une longueur d'onde correspond à un déphasage de 2rr radians. Les états de phase des cellules sont généralement définis à 2rr près à la fréquence centrale, les cellules étant habituellement dimensionnées pour produire une dynamique en phase de 2rr radians. Un tel dimensionnement entraîne donc une dispersion naturelle en phase à mesure que l'on s'éloigne de la fréquence de dimensionnement qui a tendance à dégrader les performances de l'antenne. Ainsi, réduire la « déformation » électrique sur l'ensemble du sous-réflecteur permet de favoriser a priori un fonctionnement plus large bande. La figure 9 illustre des moyens de contrôle des sources élémentaires. Io Ces moyens de contrôle sont constitués d'une section 91 de division de puissance. En règle générale cette division est équilibrée, une distribution en amplitude non uniforme apportant peu en termes de performances dans le cas de petits réseaux. 15 C'est particulièrement le cas pour l'antenne selon le second mode de réalisation. Dans le cas d'une antenne selon le premier mode de réalisation, le réseau d'alimentation peut être plus important. Dans ce cas, une distribution non-uniforme, voire l'ajout de moyens de commande en amplitude (comme 20 des diviseurs de puissance variables par exemple), peuvent s'avérer utiles pour améliorer les performances de l'antenne. La section de division 91 de puissance est suivie d'une section 92 de contrôle en phase. Pour une antenne à réflecteur(s) selon le premier aspect de l'invention, 25 le processus de conception se déroule selon les étapes suivantes : On forme d'abord le réflecteur principal en fonction de la zone globale à couvrir. Cette formation est en général figée pour la durée de vie de l'antenne. On fixe les lois de phase et éventuellement d'amplitude du réseau 30 d'alimentation pour produire une couverture formée donnée. Si les contrôles en phase et/ou amplitude peuvent être modifiées, ces lois peuvent être ajustées pour réaliser une couverture conforme au besoin à différents moments de la durée de vie de l'antenne. Pour une antenne selon le second mode de réalisation, on procède ensuite à une optimisation du sous-réflecteur (formation mécanique ou électrique) afin d'améliorer le pointage et/ou la forme de la couverture finale produite. Dans cette deuxième phase, les contrôles en amplitude et/ou phase du réseau d'alimentation peuvent également être affinés afin d'améliorer les performances globales, notamment en terme de directivité pire cas sur la Io couverture choisie. REVENDICATIONS1. Antenne à réflecteur(s) et réseau d'alimentation pour la couverture d'une zone géographique choisie comprenant : - un réflecteur principal comprenant une surface réfléchissante formée à partir d'une surface initiale de type parabolique ; - un réseau d'au moins deux sources élémentaires agencées et positionnées de manière à émettre et/ou recevoir des ondes électromagnétiques dans des directions choisies, le réseau étant placé dans io le plan focal caractérisant la forme parabolique initiale du réflecteur principal ; - des moyens de contrôle en amplitude et/ou phase des sources élémentaires ; dans laquelle, la surface réfléchissante du réflecteur principal est is conformée de manière tridimensionnelle de façon à : (i) réfléchir chaque faisceau délivré par chaque source en étalant son énergie de sorte qu'il couvre la zone géographique choisie ; (ii) ce que le diagramme de rayonnement de chaque source définisse plusieurs sous-zones, intersection de la zone globale à couvrir avec des couverture concentriques les unes aux 20 autres, les sous-zones étant caractérisées par une contrainte en gain qui croit à mesure que la sous-zone s'éloigne du centre de la zone géographique choisie à couvrir, la couverture choisie étant enfin réalisée par une combinaison du rayonnement de toutes les sources. 25 2. Antenne selon la revendication 1 comprenant en outre un sous-réflecteur comprenant une surface réfléchissante de forme initiale plane, le sous-réflecteur et le réflecteur principal étant agencés l'un par rapport à l'autre de manière à réfléchir un ou plusieurs signal/signaux issu(s) du réseau de sources et/ou destiné(s) au réseau de sources. 30 3. Antenne selon l'une des revendications 1 à 2, dans laquelle le réseau comprend sept sources élémentaires, six sources sont disposées de manière régulière autour d'une source centrale. 4. Antenne selon l'une des revendications 1 à 3 dans laquelle le réflecteur principal est décrit par une surface initiale parabolique et le réseau de sources est disposé de sorte que la source centrale soit au point image par rapport à la surface plane initiale du sous-réflecteur du point focal de la surface parabolique. i0 5. Antenne selon l'une des revendications 1 à 4 dans laquelle le sous-réflecteur est configurable mécaniquement par l'association d'une surface souple et d'actuateurs mécaniques. 15 6. Antenne selon l'une des revendications 1 à 4 dans laquelle le sous-réflecteur est configurable électriquement par l'utilisation d'une structure de type réseau réflecteur constitué de cellules à plusieurs états de phase permettant de modifier le front d'onde du signal électromagnétique. 20 7. Antenne selon l'une des revendications 1 à 6 dans laquelle chaque source est constituée d'un élément rayonnant choisi dans le groupe suivant : cornet circulaire, cornet rectangulaire, élément imprimé, une fente, une hélice. 25 8. Satellite comprenant une antenne selon l'une des revendications 1 à 7.