Brevet FR2981207A1 — publié le 20130412

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne le domaine des télécommunications par satellite. Elle concerne plus particulièrement une source multi-faisceaux pour une antenne multi-faisceaux. ETAT DE LA TECHNIQUE Les antennes multi-faisceaux pour la couverture par spots d'une zone géographique donnée sont utilisées dans les communications par satellite. L'objectif principal de cette technologie est la baisse du coût de io transmission par bit en utilisant au mieux la bande de fréquence allouée à une application donnée. Les techniques actuelles font appel à des systèmes antennaires multifaisceaux fonctionnant en diversité de fréquence et diversité de polarisation. Ces techniques sont similaires à celles utilisées pour des réseaux de 15 communications terrestres dits « cellulaires ». Avec cette technique, la répartition des signaux est telle que deux cellules adjacentes n'ont pas de signaux ayant les mêmes caractéristiques, c'est-à-dire des signaux avec la même fréquence et la même polarisation. En revanche, les signaux identiques sont réutilisés dans des cellules non 20 adjacentes afin d'accroître la capacité du système. De manière connue, une antenne multi-faisceaux de type « multiples sources par faisceaux » comporte une source multi-faisceaux placée à proximité du foyer d'un système focalisant composé de un ou plusieurs réflecteurs. La source multi-faisceaux comporte plusieurs sources 25 élémentaires arrangées en sous-réseaux. Un sous-réseau permet de former un faisceau ayant une fréquence donnée et une polarisation donnée. De façon usuelle, pour les transmissions par satellite, la bande de fréquence allouée est divisée en deux sous bandes de fréquences F1 et F2, et deux polarisations orthogonales linéaires (horizontale H et verticale V) ou circulaires (droite PCG ou gauche PCD) sont utilisées. Ainsi les sous-réseaux d'un schéma de réutilisation par quatre (schéma quatre couleurs) sont définies comme suit : F1 + H (ou PCG) ; F1 + 5 V (ou PCD) ; F2 + H (ou PCG) ; F2 + V (ou PCD). Les sources élémentaires contribuant à la formation d'un faisceau sont au nombre de sept et appelées septets. Les septets utilisés pour deux faisceaux adjacents présentent des zones de recouvrement. La figure 1 illustre un tel schéma de réutilisation de fréquence et de 10 polarisation. Les sous-réseaux sont associés de telle sorte que deux sous-réseaux adjacents comportent des sources élémentaires en commun. Sur la figure 1 plusieurs sous-réseaux de sept sources élémentaires sont associés (septets). Chaque sous-réseau est de forme hexagonale. 15 L'entrelacement de sous-réseaux permet d'agrandir la surface utilisée pour la formation d'un faisceau et donc d'améliorer ses caractéristiques radioélectriques. Pour former les faisceaux, la source multi-faisceaux comporte un réseau de formation de faisceaux (en anglais, « Beam Forming Network », 20 (BFN)). De manière classique le BFN comporte N accès correspondant au nombre de faisceaux. Un signal alimentant un accès est distribué avec une pondération de phase et d'amplitude prédéterminée sur l'ensemble des sources d'un des sous-réseaux. Le BFN a pour but de répartir les signaux 25 issus des accès vers les sources élémentaires de chaque sous-réseau sachant que des sous-réseaux adjacents possèdent des recouvrements. On connaît un BFN constitué de plusieurs coupleurs 2 :2 alimentant des sous-réseaux dont certaines sources élémentaires sont partagées avec d'autres sous-réseaux. On peut se référer à cet effet au document N. 30 Ratkorn, M. Schneider, R. Gehring, H. Wolf, "MEDUSA - A Multiple Feeds per Beam Multi Spot Beam Antenna Project', 30th ESA Antenna Workshop, Noordwijk, Netherlands, 27-30 May 2008. Cette structure de BFN comporte donc une succession de coupleurs 2:2 reliés entre eux par un enchevêtrement de guides d'ondes. Le routage des guides d'onde est rendu difficile par le fait que le réseau d'antennes élémentaires est bi-dimensionnel et que les sous-réseaux adjacents présentent des recouvrements. En conséquence la solution obtenue est contraignante en termes de fabrication et de calibration éventuelle des éléments situés au coeur du BFN. PRESENTATION DE L'INVENTION Un objectif de l'invention est d'avoir une source multi-faisceaux permettant de réaliser l'entrelacement de sous-réseaux de manière simple. A cet effet, l'invention concerne une source multi-faisceaux pour antenne multi-faisceaux, la source comportant une pluralité de sources élémentaires identiques telles que : - les sources élémentaires sont associées en sous-réseaux identiques autour d'une source élémentaire centrale, chaque sous-réseau étant destiné à former un faisceau et que - deux sous-réseaux adjacents comportent au moins une source élémentaire en commun ; la source comprenant un étage d'alimentation et de polarisation pour alimenter en puissance et polariser le champ électromagnétique aux accès des sources élémentaires centrales ; et un étage de répartition de la puissance issue des sources élémentaires centrales vers les sources élémentaires du sous-réseau correspondant et celles communes à plusieurs sous-réseaux selon une loi d'amplitude déterminée ; la source étant caractérisée en ce que l'étage de répartition est constitué d'une pluralité de guides d'ondes parallèles orientés selon un axe de rayonnement de ladite source, chaque guide d'onde correspondant à chaque source élémentaire et sont arrangés les uns par rapport aux autres tels que pour un sous-réseau, un guide d'onde centra correspond à la source élémentaire centrale et des guides d'ondes périphériques sont connectés radialement au guide d'onde central et tels que les guides d'ondes correspondant aux sources élémentaires communes à plusieurs sous-réseaux sont connectés entre eux. En outre, l'invention concerne une antenne multi-faisceaux comprenant un système focalisant ainsi qu'une source multi-faisceaux selon le premier aspect de l'invention disposée à proximité du foyer dudit système focalisant. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : les guides d'ondes sont connectés au moyen de fentes de couplages disposées radialement autour du guide d'onde de manière à coupler le mode fondamental du guide central et le mode fondamental du guide périphérique, le mode fondamental étant défini comme le premier mode propagatif ; les fentes de couplage sont espacées de moins de la moitié de la longueur d'onde guidée dans le guide d'onde central à la fréquence de fonctionnement, de préférence d'un quart de la longueur d'onde guidée du guide d'onde central à la fréquence de fonctionnement ; le nombre de fentes de couplage est fonction de la différence de puissance rayonnée par la source élémentaire centrale et celle rayonnée par les sources élémentaires du sous-réseau correspondant, l'apodisation variant typiquement entre 0 et 10dB ; les fentes de couplage non-connectées des réseaux situés en périphérie sont terminées par des charges adaptées ou des parois métalliques disposées à leur extrémité ; l'étage d'accès comporte un polariseur adapté pour fonctionner en polarisation circulaire ou linéaire correspondant à chaque source élémentaire centrale ; elle comprend un étage déphaseur disposé à la suite de l'étage de répartition pour contrôler la phase des signaux issus des guides d'ondes ; l'étage de répartition et l'étage déphaseur sont formés, pour une source élémentaire, par un unique guide d'onde à section variable ; les guides d'ondes correspondant à chaque source élémentaire et les connexions entre les guides sont formés par un empilement de couches de matériau, typiquement de l'aluminium ou de l'invar ; chaque sous-réseau est constitué de sept sources, une source élémentaire centrale six sources élémentaires disposées autour de la source élémentaire centrale. Les avantages de l'invention sont multiples. Grâce à l'utilisation de fentes de couplages pluri-directionnelles le couplage des sources d'un sous-réseau est facilité. L'utilisation d'une succession de coupleurs 2:2 est donc évitée. PRESENTATION DES FIGURES 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 outre la figure 1 déjà discutée : les figures 2a, 2b et 2c illustrent schématiquement la structure d'une source multi-faisceaux selon l'invention ; les figures 3a et 3b illustrent respectivement une vue de profil en coupe et de face d'un septet de la source selon l'invention ; la figure 4 illustre une vue de face d'une source selon un mode de réalisation de l'invention ; la figure 5 illustre une vue en coupe de la figure 4 ; la figure 6 illustre une vue de deux guides d'ondes de la source selon l'invention. Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires portent des références numériques identiques. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La description qui suit est effectuée en relation avec les figures 2a à 6. Une source multi-faisceaux comporte une pluralité de sources élémentaires agencées par exemple selon une maille triangulaire et qui sont associées en sous-réseaux comportant chacun des sources élémentaires S11, S12, S13, S14, S15, S16 disposées autour d'une source élémentaire centrale S1. Un sous-réseau comporte par exemple sept sources élémentaires, on parle alors de septets. Dans ce cas là le sous-réseau comporte six sources élémentaires S11, S12, S13, S14, S15, S16 disposées autour d'une source élémentaire centrale S1. Comme on l'a mentionné, pour obtenir l'entrelacement des sous- réseaux les sous-réseaux sont associés tels que deux sous-réseaux adjacents comportent des sources élémentaires en commun (comme illustré sur la figure 1). Comme cela est illustré sur la figure 4 sept sous-réseaux sont associés dont certains ont des sources élémentaires en commun. Chaque sous-réseau est de forme hexagonale (voir la figure 1). La source multi-faisceaux est constituée de plusieurs étages (voir la figure 2a) dont : - un étage 10 d'alimentation et de polarisation pour alimenter en puissance et polariser le champ électromagnétique aux accès des sources élémentaires centrales S1-S7 ; et - un étage de répartition 20 pour répartir la puissance entre la source élémentaire centrale S1-S7 et les sources élémentaires du sous-réseau ainsi qu'entre les sources communes à plusieurs sous-réseaux. Pour assurer la polarisation du champ rayonné, un polariseur 100 (double traits sur les figures 2c, 4) est disposé soit à chaque entrée de l'étage de répartition soit à chaque sortie de l'étage de répartition. De manière complémentaire la source multi-faisceaux comprend un étage déphaseur 30 qui permet de régler la phase les signaux provenant de l'étage de répartition 30 (voir la figure 2b). Enfin, la source comporte un étage 40 rayonnant typiquement 20 composé de cornets connectés à la suite de l'étage 30 déphaseur et correspondants à chaque source élémentaire (voir la figure 5). L'étage de répartition 30 est constitué de plusieurs guides d'ondes. La figure 3a illustre en perspective et en coupe l'agencement de cinq guides d'ondes 1, 11, 14, 15, 16 d'un septet. 25 Pour un sous-réseau : un guide d'onde central 1 correspond à la source élémentaire centrale S1 et six guides périphériques sont couplés radialement au guide d'onde central 1. Les accès des guides périphériques peuvent être terminés soit par des court-circuits, soit par des charges adaptées destinées à absorber la puissance résiduelle susceptible de se 30 propager dans la direction inverse. Les guides d'ondes sont à section circulaire, ovale, hexagonale ou carrée. La connexion des guides périphériques au guide central est effectuée par l'intermédiaire de fentes 11 de couplage. La figure 3b illustre une vue de face d'un septet. Les fentes de couplage sont typiquement de forme rectangulaire et sont connectées d'une part au guide d'onde central et d'autre part à l'un des guides périphériques du sous-réseau. La largeur des fentes de couplage est comprise entre la demi-longueur d'onde X et le diamètre du guide d'onde périphérique. Les fentes de couplage peuvent inclure des dispositifs d'isolation autorisant la propagation de l'énergie du guide central vers le guide périphérique tout en interdisant la propagation dans le sens inverse. Les dispositifs d'isolation peuvent être réalisés au moyen de ferrites par exemple. Dans le cas d'une source comprenant plusieurs sous-réseaux certaines sources sont partagées. Dans ce cas les guides d'ondes correspondant aux sources élémentaires sont couplés de la même manière (voir la figure 4). Les sous-réseaux étant entrelacés, certains guides d'ondes sont 20 connectés par des fentes 11 de couplage aux guides d'ondes centraux de sous-réseaux adjacents. Les fentes de couplage sont espacées d'un pas inférieur à 2^ -g(guide central)/2 OÙ Xg(guide central) est la longueur d'onde guidée dans le guide d'onde central calculée dans la bande de fréquence à coupler. 25 Le nombre de fentes de couplage est choisi de sorte que la zone de couplage soit comprise entre quatre et huit fois 2^ -g(guide central). L'espacement entre les fentes et le nombre de fentes doivent être optimisé afin d'assurer un bon couplage. De manière préférée, le nombre de fentes de couplage est fonction de 30 la différence de puissance rayonnée par la source élémentaire centrale et celle rayonnée par les sources élémentaires du sous-réseau correspondant, l'apodisation variant typiquement entre 0 et 10dB. Pour chaque sous-réseau, la structure est symétrique ce qui permet de minimiser la génération de modes d'ordre supérieur susceptibles de se propager, en fonction du diamètre des guides d'ondes et de la fréquence. De manière avantageuse les fentes de couplage non-connectées 113 des sous-réseaux situés en périphérie sont terminées par des courts-circuits (réfléchissant le champ incident dans la fente) ou des charges adaptées (absorbant le champ incident dans la fente) pour optimiser le fonctionnement 10 de ces sous-réseaux. Les charges adaptées composées de matériau à pertes ont pour fonction d'annuler la réflexion de l'énergie propagée dans les fentes de couplage non-connectées, susceptibles de dégrader les performances radioélectriques des sous-réseaux situés en périphérie. Sur la figure 5 est représenté une vue en coupe selon l'axe BB de la 15 figure 4. Le couplage est assuré ici par cinq fentes 111 de couplage rectangulaires. L'étage déphaseur 30 consiste, pour une source élémentaire, en un guide d'onde à section variable permettant de moduler la longueur d'onde guidée et donc la phase de sortie. La figure 6a illustre ce principe avec deux 20 guides d'ondes de longueur identique permettant d'obtenir des phases de sorties différenciée. Comme l'étage répartiteur, l'étage déphaseur peut être réalisé par empilement de couches métalliques usinées. De cette façon il est possible d'avoir une source multifaisceaux formée 25 par un empilement de couches de matériau. De manière préférentielle, le matériau utilisé est identique pour l'ensemble des couches dans le but de favoriser un comportement mécanique et thermoélastique homogène. Des matériaux tels que l'aluminium ou l'invar peuvent être utilisés. 30 REVENDICATIONS1. Source multi-faisceaux pour antenne multi-faisceaux, la source comportant une pluralité de sources élémentaires identiques telles que : - les sources élémentaires (51, S11-S16) sont associées en sous-réseaux identiques autour d'une source élémentaire centrale (S1-S7), chaque sous-réseau étant destiné à former un faisceau ; et que - deux sous-réseaux adjacents comportent au moins une source élémentaire en commun ; la source comprenant - un étage (10) d'alimentation et de polarisation pour alimenter en puissance et polariser le champ électromagnétique aux accès des sources élémentaires centrales (S1-S7) ; et - un étage (20) de répartition de la puissance issue des sources élémentaires centrales vers les sources élémentaires du sous-réseau correspondant et celles communes à plusieurs sous-réseaux selon une loi d'amplitude déterminée ; la source étant caractérisée en ce que l'étage (20) de répartition est constitué d'une pluralité de guides d'ondes (1, 11-16) parallèles orientés selon un axe de rayonnement de ladite source , chaque guide d'onde (1, 11-16) correspondant à chaque source élémentaire et sont arrangés les uns par rapport aux autres tels que pour un sous-réseau, un guide d'onde central (1) correspond à la source élémentaire centrale et des guides d'ondes périphériques sont connectés radialement au guide d'onde central et tels que les guides d'ondes correspondant aux sources élémentaires communes à plusieurs sous-réseaux sont connectés entre eux. 2 9812 0 7 11 2. Source multi-faisceaux selon la revendication 1 dans laquelle les guides d'ondes sont connectés au moyen de fentes (110) de couplages disposées radialement autour du guide d'onde de manière à coupler le mode fondamental du guide central et le mode fondamental du guide périphérique, 5 le mode fondamental étant défini comme le premier mode propagatif. 3. Source multi-faisceaux selon la revendication 2 dans laquelle les fentes (110) de couplage sont espacées de moins de la moitié de la longueur d'onde guidée dans le guide d'onde central à la fréquence de 10 fonctionnement, de préférence d'un quart de la longueur d'onde guidée du guide d'onde central à la fréquence de fonctionnement. 4. Source multi-faisceaux selon l'une des revendications 2 à 3 dans laquelle le nombre de fentes de couplage (110) est fonction de la différence 15 de puissance rayonnée par la source élémentaire centrale et celle rayonnée par les sources élémentaires du sous-réseau correspondant, l'apodisation variant typiquement entre 0 et 10dB. 5. Source multi-faisceaux selon l'une des revendications 2 à 3 dans 20 laquelle les fentes de couplage non-connectées (113) des réseaux situés en périphérie sont terminées par des charges adaptées ou des parois métalliques disposées à leur extrémité. 6. Source multi-faisceaux selon l'une des revendications précédentes 25 dans laquelle l'étage (10) d'accès comporte un polariseur adapté pour fonctionner en polarisation circulaire ou linéaire correspondant à chaque source élémentaire centrale. 7. Source multi-faisceaux selon l'une des revendications précédentes 30 comprenant un étage déphaseur (30) disposé à la suite de l'étage derépartition (20) pour contrôler la phase des signaux issus des guides d'ondes. 8. Source multi-faisceaux selon la revendication précédente dans laquelle l'étage de répartition (20) et l'étage déphaseur (30) sont formés, pour une source élémentaire, par un unique guide d'onde à section variable. 9. Source multi-faisceaux selon la revendication précédente dans laquelle les guides d'ondes correspondant à chaque source élémentaire et les connexions entre les guides sont formés par un empilement de couches de matériau, typiquement de l'aluminium ou de l'invar. 10. Source multi-faisceaux selon l'une des revendications précédentes dans laquelle chaque sous-réseau est constitué de sept sources, une source élémentaire centrale six sources élémentaires disposées autour de la source élémentaire centrale. 11. Antenne multi-faisceaux comprenant un système focalisant composé de un ou plusieurs réflecteurs ainsi qu'une source multi-faisceaux selon l'une des revendications précédentes disposée à proximité du foyer dudit système focalisant.