Brevet FR3013909A1 — publié le 20150529

Cornet, antenne élémentaire, structure antennaire et procédé de télécommunication associés La présente invention concerne un cornet de structure antennaire pour télécommunications, notamment par satellite dans la bande Ka. L'invention se rapporte aussi à une antenne élémentaire comportant un tel cornet, à une structure antennaire comportant une telle antenne élémentaire et un procédé de télécommunication entre deux stations utilisant la structure antennaire. Dans le domaine des communications satellitaires, l'obtention d'une communication de bonne qualité implique des performances pour les ondes électromagnétiques produites par la structure antennaire utilisée dans la communication en termes de gain et de niveau des lobes secondaires (rapport entre l'intensité des lobes secondaires et l'intensité du lobe principal). Dans le cas particulier de la bande électromagnétique Ka, deux bandes de fréquences distinctes sont impliquées. En effet, en émission, les ondes électromagnétiques de la bande Ka ont une fréquence comprise entre 27,5 GigaHertzs (GHz) et 31 GHz tandis qu'en réception, les ondes électromagnétiques de la bande Ka ont une fréquence comprise entre 17,3 GHz et 21,2 GHz. En outre, les polarisations des ondes en émission et en réflexion sont généralement de type circulaires opposées ou non. Ces fréquences et ces polarisations circulaires en réception et en émission imposent des contraintes sur la structure antennaire. De plus, dans le contexte de liaison satellitaire, il convient d'orienter l'antenne afin de pointer le satellite permettant d'établir la liaison. En outre, pour réduire la signature visuelle (l'encombrement physique), les solutions de type antenne parabolique ne sont généralement pas privilégiées. Parmi les structures antennaires permettant de respecter ces différentes contraintes, il est connu d'utiliser une antenne à balayage électronique comprenant deux panneaux antennaires disjoints respectivement pour l'émission d'une onde à une fréquence de 30 GHz et pour la réception d'une onde à une fréquence de 20 GHz. Toutefois, l'antenne à balayage électronique obtenue présente un encombrement important correspondant aux surfaces rayonnantes de chacun des modes de fonctionnement (émission / réception). En outre, l'efficacité d'une telle antenne est souvent insuffisante car sont utilisées le plus souvent des antennes unitaires de type patch. De plus, la mise en oeuvre d'une polarisation circulaire dans un premier sens dans la partie émissive et d'une polarisation circulaire dans un deuxième sens opposé au premier sens pour la partie de réception s'avère difficile. Notamment, l'emploi d'un polariseur réduit la flexibilité d'utilisation de l'antenne à balayage considérée. Afin de limiter les pertes de l'antenne à balayage électronique, il est également connu d'utiliser des structures de type cornet pour obtenir une meilleure efficacité. Néanmoins, dans ce cas également, l'antenne obtenue présente un encombrement important du fait de l'emploi d'un polariseur et surtout de deux panneaux utilisés pour l'émission et la réception. Il existe donc un besoin pour une structure antennaire pouvant recevoir des ondes à une fréquence distincte des ondes émises tout en étant compacte. A cet effet, l'invention propose un cornet pour antenne élémentaire pour télécommunications, notamment satellitaires. Le cornet comprend une première partie d'émission-réception propre à émettre et recevoir une onde électromagnétique à une première fréquence, et une deuxième partie d'émission-réception propre à émettre et recevoir une onde électromagnétique à une deuxième fréquence, la deuxième partie d'émission-réception étant distincte de la première partie d'émission-réception et le rapport entre la deuxième fréquence et la première fréquence étant supérieur à 1,2, de préférence supérieur à 1,5. Suivant des modes de réalisation particuliers, le cornet comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - les ondes à la première fréquence et à la deuxième fréquence appartiennent à la bande Ka du spectre électromagnétique. - le cornet a une forme cylindrique. De plus, l'invention concerne également une antenne élémentaire comportant au moins un cornet tel que précédemment décrit. Suivant des modes de réalisation particuliers, l'antenne élémentaire comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - l'antenne élémentaire comprend des éléments diélectriques. - l'antenne élémentaire comprend un polariseur agencé de manière à polariser les ondes que la première partie d'émission-réception et la deuxième partie d'émission-réception sont propres à émettre. - le polariseur comporte deux parties agencées de manière à polariser circulairement dans un premier sens les ondes électromagnétiques que la première partie d'émission-réception est propre à émettre et à polariser circulairement les ondes électromagnétiques que la deuxième partie d'émission-réception est propre à émettre dans un sens opposé au premier sens. L'invention a également pour objet une structure antennaire comportant au moins une antenne élémentaire telle que précédemment décrit. En outre, l'invention se rapporte aussi à une plateforme, notamment aérienne, comportant au moins une antenne élémentaire telle que précédemment décrit ou une structure antennaire telle que précédemment décrit. La présente invention a également pour objet un procédé de télécommunications, notamment par satellite, entre deux stations, le procédé comprenant l'emploi d'au moins une antenne élémentaire telle que précédemment décrit ou une structure antennaire telle que décrit précédemment. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en références aux dessins qui sont : figure 1, une vue schématique de dessus d'une structure antennaire selon un premier mode de réalisation, - figure 2, une vue schématique en perspective de la structure antennaire de la figure 1, - figure 3, une vue schématique en perspective d'une antenne élémentaire de la structure antennaire de la figure 1; - figure 4, un schéma-bloc d'une structure antennaire selon un deuxième mode de réalisation, et - figure 5, un schéma-bloc d'une structure antennaire selon un troisième mode de réalisation. Une structure antennaire 10 selon un premier mode de réalisation est représentée sur les figures 1 et 2. La structure antennaire 10 est un assemblage d'antennes élémentaires 11 assemblés de manière à obtenir vingt lignes regroupant vingt antennes élémentaires 11 accolées. Cette description serait valable pour un nombre quelconque de lignes et pour tout autre agencement des antennes élémentaires 11. Ainsi que l'illustre la figure 3, chaque antenne élémentaire 11 comporte un cornet 12, un polariseur 14, des éléments diélectriques 16 et deux accès 18, 20 pour les ondes émises ou reçues par l'antenne élémentaire 11. Le cornet 12 comporte une première partie d'émission-réception 22 propre à émettre et recevoir une onde à une première fréquence f1 et une deuxième partie d'émission-réception 24 propre à émettre et recevoir une onde à une deuxième fréquence f2. La deuxième partie d'émission-réception 24 est distincte de la première partie d'émission-réception 22. Les parties 22 et 24 peuvent dans un mode de réalisation être associées en un seul bloc. Le rapport entre la deuxième fréquence f2 et la première fréquence f1 est supérieur à 1,2. De préférence, le rapport ente la deuxième fréquence f2 et la première fréquence f1 est supérieur à 1,5. Avantageusement, les ondes dont la fréquence est la première fréquence f1 ou la deuxième fréquence f2 appartiennent à la bande Ka du spectre électromagnétique. En variante, les ondes dont la fréquence est la première fréquence f1 ou la deuxième fréquence f2 appartiennent à la bande X du spectre électromagnétique. Par définition, une onde électromagnétique appartient à la bande X lorsque l'onde présente une fréquence comprise entre 7,2 GHz et 8,4 GHz. Selon une autre variante, les ondes dont la fréquence est la première fréquence f1 ou la deuxième fréquence f2 appartiennent à la bande Ku du spectre électromagnétique. Par définition, une onde électromagnétique appartient à la bande Ku lorsque l'onde présente une fréquence comprise entre 10,7 GHz et 14,25 GHz. Le cornet 12 a une forme cylindrique. Une telle forme confère à l'émission de l'antenne élémentaire 11 un caractère large bande. La bande couverte par un cornet s'étend typiquement à 40% de part et d'autre de la fréquence de fonctionnement. Ainsi, dans cette variante, la première partie d'émission-réception 22 et la deuxième partie d'émission-réception 24 ont chacune la forme d'un demi-disque, l'association des deux parties d'émission-réception formant le cornet 12. De façon classique, un cornet dimensionné pour fonctionner sur une large bande de fréquence présente des dimensions extérieures qui sont contraintes par la longueur d'onde de fonctionnement correspondant à la plus faible des fréquences à émettre ou recevoir. De plus, l'intérieur de celui-ci est vide. Dans l'exemple présenté, identiquement aux éléments diélectriques 16, l'intérieur du cornet 12 est rempli d'un matériau diélectrique afin de réduire les dimensions physiques du cornet 12. En effet, la longueur d'onde dans un matériau diélectrique est plus petite que dans la longueur d'onde correspondante dans l'air. Ainsi, pour une structure de cornet donné, un élargissement vers la bande de fréquence de fonctionnement est réalisé. Ce matériau diélectrique est un substrat présentant une permittivité comprise entre 2 et 5 en fonction des contraintes de réalisation. Le polariseur 14 est agencé de manière à polariser les ondes que la première partie d'émission-réception 22 et la deuxième partie d'émission-réception 24 sont propres à émettre. Le polariseur 14 comporte deux parties agencées de manière à polariser circulairement dans un premier sens les ondes que la première partie d'émission- réception 22 est propre à émettre et à polariser circulairement les ondes que la deuxième partie d'émission-réception 24 est propre à émettre dans un sens opposé au premier sens. Pour la suite de la description, le premier sens est la polarisation droite. Ainsi, l'antenne élémentaire 11 est propre à émettre et/ou recevoir des ondes présentant une polarisation circulaire droite à la première fréquence f1. L'antenne élémentaire 11 est également propre à émettre et/ou recevoir des ondes présentant une polarisation circulaire gauche à la deuxième fréquence f2. Selon une variante, le polariseur 14 fait partie du cornet 12. Dans l'antenne élémentaire 11, les éléments diélectriques 16 sont insérés afin de réduire la dimension électrique par rapport à la longueur d'onde et ainsi d'avoir une antenne élémentaire avec des dimensions permettant de rapprocher les éléments rayonnants suffisamment lors de la mise en réseau afin de faciliter le balayage angulaire sur une plage suffisamment grande tout en gardant des performances de rayonnement compatibles de l'application de type liaison satellitaire envisagée. Les éléments diélectriques 16 sont préférentiellement uniquement localisés au niveau des accès 18, 20 ainsi que dans le polariseur 14. En variante, les éléments diélectriques 16 sont prolongés dans les parties 22 et 24. Chaque accès 18, 20 est en regard d'une partie d'émission-réception du cornet 12. Selon l'exemple de la figure 1, un accès 18 pour une onde polarisée circulaire gauche est donc prévu en regard de la première partie d'émission-réception 22 du cornet 12 tandis qu'un accès 20 pour une onde polarisée circulaire droite est prévu en regard de la deuxième partie d'émission-réception 24. Selon une variante, la structure antennaire 10 comporte un radôme. En fonctionnement, la première partie d'émission-réception 22 reçoit des ondes électromagnétiques à une première fréquence f1 dès que le cornet 12 est excité électriquement. Cette onde est polarisée circulaire gauche par le polariseur 14. Cette onde passe ensuite par l'accès 18 prévu pour une onde polarisée circulaire gauche. Une onde polarisée circulaire droite à la deuxième fréquence f2 passe par l'accès 20 prévu pour une onde polarisée circulaire droite. Cette onde passe ensuite à travers le polariseur 14 avant d'être émise par la deuxième partie d'émission-réception 24. Ce fonctionnement émission-réception peut être inversé entre les accès 18 et 20. Il apparaît ainsi qu'un seul élément permet d'assurer à la fois les fonctions émission et réception, pour deux fréquences dont le rapport est supérieur à 1,2. C'est un cornet 12 bi-bande compact à polarisation circulaire qui rend l'antenne élémentaire 11 bi- bande. En outre, chaque antenne élémentaire 11 est propre à émettre et/ou recevoir des ondes dans deux états de polarisation différents, en l'occurrence pour l'exemple de la figure 1, des polarisations circulaires gauche et droite. Dans le cas où une onde à polarisation linéaire est souhaitée, les deux accès 18, 20 sont utilisés simultanément en leur appliquant un certain déphasage en fonction de l'orientation de la polarisation souhaitée. De plus, il est aisé de dissocier la partie dédiée au rayonnement dans la structure antennaire 10 des autres éléments de la structure antennaire 10 et notamment, la partie dédiée à la commutation, au filtrage et au circuit de répartition. Cette dissociation permet de minimiser les pertes globales de la structure antennaire 10. La structure antennaire 10 est plus compacte. Cet effet est amplifié par la présence des éléments diélectriques 16. La structure antennaire 10 peut présenter des dimensions inférieures à 30 mm. Dans ce premier mode de réalisation, chacun des accès 18 et 20 des différentes antennes élémentaires 11 sont reliés à un duplexeur non représenté afin de garantir une bonne isolation entre les première et deuxième parties d'émission-réception 22, 24. Un duplexeur est un dispositif permettant l'emploi d'une même antenne pour l'émission et la réception d'un signal. Des commutateurs insérés entre le duplexeur et les accès 18, 20 peuvent permettre une sélection aisée de l'accès 18, 20 et du fonctionnement désiré pour la structure antennaire 10. De plus, chaque antenne élémentaire 11 est associée à un circuit de contrôle de phase. Ainsi, il est possible d'orienter le faisceau de la structure antennaire 10 dans des directions quelconques dans un hémisphère, en fonction des circuits de contrôle de phase associés à chacun des éléments 11. Dans le vocabulaire du spécialiste du domaine des antennes, cela s'appelle réaliser un balayage à deux dimensions ou balayage bidirectionnel. En variante, la structure antennaire 10 fonctionne selon trois modes distincts : un mode fixe, un mode de balayage unidirectionnel et un mode de balayage bidirectionnel. La commutation entre les trois modes est réalisée grâce à un circuit de répartition et de contrôle des phases adapté. Selon l'invention, il est également proposé une structure antennaire 10 selon un deuxième mode de réalisation représenté à la figure 4. Dans ce deuxième mode de réalisation, chacun des accès 18 et 20 des éléments 11 d'une même ligne (ou d'une même colonne) de la structure antennaire 10 sont regroupés ensemble. Ainsi, tous les accès 18, 20 des antennes élémentaires 11 de la même ligne (ou de la même colonne) sont reliés à un duplexeur 52 afin de garantir une bonne isolation entre les première et deuxième parties d'émission-réception 22, 24 des antennaires élémentaires 11 considérées. Dans un souci de simplification, sur la figure 4, seuls les liens entre quelques antennes élémentaires 11 de la même ligne sont représentés et toutes les lignes ne sont pas représentées. La structure antennaire 10 comprend ainsi autant de duplexeurs 52 que de lignes (ou de colonnes). Comme c'est le cas pour la figure 4, des commutateurs 54 insérés entre le duplexeur 52 et les accès 18, 20 peuvent permettre une sélection aisée de l'accès 18, 20 et du fonctionnement désiré pour la structure antennaire 10. De plus, chaque antenne élémentaire 11 est associée à un circuit de contrôle de phase. Ainsi, il est possible d'orienter le faisceau de la structure antennaire 10 dans une seule direction quelconque dans un hémisphère, en fonction des circuits de contrôle de phase associés à chacun des antennes élémentaires 11. Dans le vocabulaire du spécialiste du domaine des antennes, cela s'appelle réaliser un balayage à une dimension ou balayage unidirectionnel. Dans cette configuration, pour obtenir un balayage bidirectionnel, un système motorisé un axe est associé à la structure antennaire 10. Dans un troisième mode de réalisation (celui de la figure 5), tous les accès 18 et 20 des antennes élémentaires 11 sont regroupés ensemble. Ainsi, pour toute la structure antennaire 10, seuls deux accès uniques sont disponibles. A chacun de ces accès est associé un duplexeur afin garantir une bonne isolation entre les parties émission et réception. Dans un souci de simplification, sur la figure 5, seuls les liens entre quelques antennes élémentaires 11 de la même ligne sont représentés et toutes les lignes ne sont pas représentées. Dans ce troisième mode de réalisation, l'orientation du diagramme de rayonnement de la structure antennaire 10 est unique et ne peut être contrôlé. Dans le vocabulaire du spécialiste du domaine des antennes, cela s'appelle réaliser un panneau rayonnant fixe Ainsi, la structure antennaire 10 proposée est utilisable en substitution d'une antenne à balayage pour des applications de télécommunications entre deux stations, notamment par satellite. Il est à noter que dans ce cas, le diagramme de rayonnement de la structure antennaire 10 ainsi réalisée est conforme aux gabarits spécifiés pour être utilisé avec certains satellites. Une telle structure antennaire 10 est avantageusement utilisable dans une plateforme, notamment aérienne. Dans le cadre de cette utilisation, la compacité de la structure antennaire 10 permet de réduire les contraintes au niveau des implantations d'équipements sur la plateforme. REVENDICATIONS1.- Cornet (12) pour antenne élémentaire pour télécommunications, notamment satellitaires, caractérisé en ce que le cornet (12) comprend : - une première partie d'émission-réception (22) propre à émettre et recevoir une onde électromagnétique à une première fréquence (f1), et - une deuxième partie d'émission-réception (24) propre à émettre et recevoir une onde électromagnétique à une deuxième fréquence (f2), la deuxième partie d'émission-réception (24) étant distincte de la première partie d'émission-réception (22) et le rapport entre la deuxième fréquence (f2) et la première fréquence (f1) étant supérieur à 1,2, de préférence supérieur à 1,5. 2.- Cornet selon la revendication 1, dans lequel les ondes à la première fréquence (f1) et à la deuxième fréquence (f2) appartiennent à la bande Ka du spectre électromagnétique. 3.- Cornet selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le cornet (12) a une forme cylindrique. 4.- Antenne élémentaire (11) comportant au moins un cornet (12) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3. 5.- Antenne élémentaire selon la revendication 4 comportant des éléments diélectriques (16). 6.- Antenne élémentaire selon la revendication 4 et 5, comportant un polariseur (14) agencé de manière à polariser les ondes que la première partie d'émission-réception (22) et la deuxième partie d'émission-réception (24) sont propres à émettre. 7.- Antenne élémentaire selon la revendication 6, dans lequel le polariseur (14) comporte deux parties agencées de manière à polariser circulairement dans un premier sens les ondes électromagnétiques que la première partie d'émission-réception (22) est propre à émettre et à polariser circulairement les ondes électromagnétiques que la deuxième partie d'émission-réception (24) est propre à émettre dans un sens opposé au premier sens. 8.- Structure antennaire (10) comportant au moins une antenne élémentaire (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 9.- Plateforme, notamment aérienne, comportant au moins une antenne élémentaire (11) selon l'une quelconque des revendications 4 à 7 ou une structure antennaire (10) selon la revendication 8. 10.- Procédé de télécommunications, notamment par satellite, entre deux stations, le procédé comprenant l'emploi d'au moins une antenne élémentaire (11) selon l'une quelconque des revendications 4 à 7 ou une structure antennaire (10) selon la revendication 8.