Brevet FR3015787A1 — publié le 20150626

PROCEDE POUR DEFINIR LA STRUCTURE D'UNE ANTENNE EN BANDE Ka L'objet de l'invention concerne un procédé pour définir la structure, les dimensions, la géométrie d'une antenne multi foyers plane fonctionnant 5 dans la bande Ka, de faible hauteur correspondante permettant son installation sous un radôme sur un porteur, par exemple. L'invention est notamment utilisée pour la définition d'antennes fonctionnant dans la bande Ka en utilisant plusieurs sources de grande taille, supérieures à la longueur d'onde, et disposées dans un radôme. L'antenne et son positionneur sont 10 disposés, par exemple, sous un radôme installé sur un avion de type gros porteur où la hauteur de radôme est en général limitée à 30 cm. La bande Ka est en cours de déploiement pour les communications par satellite à haut débit. Elle est caractérisée par une 15 fréquence très élevée, induisant des difficultés de réalisation technologique, un écart des fréquences en émission Rx, environ 20 GHz, et en réception Tx, environ 30 GHZ, très important, une largeur de bande utilisable importante de l'ordre de 2 GHz. De nombreux industriels développent des systèmes antennaires compatibles d'applications mobiles, soit terrestres, soit 20 aéronautiques. L'utilisation de paraboles dans les systèmes de communication ne convient pas pour les mobiles car leur hauteur est excessive, ce qui provoque des contraintes dans les déplacements, des impossibilités d'utilisation lorsque ces systèmes deviennent hors gabarit, etc. D'autre part, 25 dans le domaine des communications par satellite à haut débit, l'environnement normatif est important. La densité de puissance émise hors de l'axe est réglementée afin d'éviter le brouillage d'autres satellites. Ceci impose à l'antenne d'avoir un diagramme avec des lobes secondaires ou de réseau bas. 30 La plupart des solutions développées sont imparfaites et présentent en général des remontées de lobe secondaires dans certaines directions. Ces solutions sont basées sur des réseaux denses de sources, mais la fréquence très élevée en bande Ka, émission 30 GHz, impose des compromis en termes de densité des sources. Une des solutions offertes est basée sur un réseau en quinconce plus facile à construire mais qui présente 5 d'importants lobes de réseau. Dans l'art antérieur connu du demandeur, les antennes utilisées fonctionnent dans la bande Ku. En bande Ku, deux types de solutions sont utilisées, pour réaliser de telles antennes. Un premier type est le type A, tel que décrit dans la demande de 10 brevet US 2011/0267250 où les réseaux denses de sources élémentaires sont de type cornet ou fente Le deuxième type est le type B où les réseaux sont basés sur des sources de grande taille, par exemple selon le brevet US 6 563 473. Pour éviter la présence de lobes de réseau, la distance entre sources élémentaires doit être inférieure à la longueur d'onde, par exemple 15 1cm en bande Ka. Cette condition est suffisante mais pas nécessaire. Il faut généralement, de plus, que la densité de puissance sur toute la surface de l'ouverture de l'antenne corresponde à des lois mathématiques précises et l'on peut utiliser par exemple une loi uniforme qui ne donnera pas de lobes de réseau. 20 Les solutions de type A sont d'applications complexes et couteuses en bande Ka car : - le pas de réseau de 1cm laisse très peu de place pour réaliser les fonctions. - le nombre de sources est très élevé (1408) pour une antenne typique 25 de 22cm par 64cm. - l'écart de 10GHz entre fréquence RX et TX ainsi que la largeur de bande de 2GHz impose des solutions à très large bande (bande relative de 30%). Les solutions de type B sont plus simples à réaliser car elles 30 comportent moins de sources. Comme l'écartement entre sources est supérieur à la longueur d'onde, la présence de lobes de réseau est généralement admise. Le brevet US 6 563 476 décrit un système antennaire travaillant dans la bande Ku dont la bande fréquence est deux fois plus basse, où 5 l'écartement entre sources est irrégulier, pour deux ou plus de deux sources. La demande de brevet US 2011/0267250 présente une solution qui consiste à rapprocher les sources en tronquant les réflecteurs de manière asymétrique. Cette solution fonctionne avec deux sources. L'art antérieur connu du demandeur ne décrit pas d'antenne à 10 faibles lobes possédant plus de deux sources. Un des objectifs de la présente invention est de fournir une antenne de type B précitée à faible lobes secondaires possédant au moins deux sources, dans laquelle les sources sont réparties de manière régulière 15 et les réflecteurs ont des formes adaptées, obtenues par la mise en oeuvre d'un algorithme spécifique, les réflecteurs étant éclairés par des sources constituées d'une seule pièce. L'antenne obtenue offrira un gain proche de 0 dans la direction des lobes de réseau, ainsi ceux-ci seront aussi bas que possible. 20 L'objet concerne un procédé pour déterminer la géométrie d'une antenne réseau multi foyers plane pour la bande Ka comprenant au moins deux éléments antennaires, chaque élément antennaire comprenant un réflecteur et un sous-réflecteur, au moins une source alimentant lesdits éléments antennaires, le procédé est caractérisé en ce qu'il comporte au moins les 25 étapes suivantes : - définir une valeur seuil Gseuil de gain de l'antenne, - représenter la surface du sous-réflecteur et la surface du réflecteur par un ensemble de points ((Xs, Zs) pour le sous-réflecteur et (XsR, ZsR) pour le réflecteur, 30 - générer à partir d'un module de simulation électromagnétique adapté un ensemble de couples de valeurs {(81, G1)...... (en, Gn)} correspondant à la direction du rayonnement et au gain de l'antenne, pour chaque élément antennaire et pour chaque ensemble de points choisis pour représenter la surface du sous-réflecteur et du réflecteur selon une position de la source, - déterminer pour chaque couple de valeurs et du diagramme d'une source élémentaire considérée, la valeur du gain maximal de l'antenne dans la direction des lobes de réseau, - comparer la valeur du gain maximal obtenue et si cette valeur est supérieure à une valeur seuil, alors faire varier au moins un des paramètres (XsR, ZsR) pour le sous-réflecteur et (XR, ZR) pour le réflecteur, - déterminer la forme de l'antenne à partir des points vérifiant les valeurs seuils. L'invention concerne aussi une antenne réseau multi-foyers 15 obtenue par la mise en oeuvre du procédé comportant les étapes précitées 1. L'antenne réseau comporte des réflecteurs qui sont de révolution autour d'un axe z puis tronqués à la largeur D correspondant à la distance entre deux sources considérées selon un axe y. Selon un mode de réalisation, l'antenne comporte 4 éléments, le 20 premier élément antennaire ayant un bord arrondie, et le quatrième élément antennaire ayant un bord arrondie sur les parties qui ne sont pas en contact avec les autres éléments antennaires. L'antenne comporte, par exemple, des caches entre chaque source. 25 L'antenne comporte, par exemple, comporte 4 alimentations sur une pièce contenant le réflecteur principal multi foyers, 4 sous-réflecteurs SR1, SR2, SR3, SR4 fixés à chaque feed au moyen d'une pièce de maintien, deux combineurs alimentant en polarisation circulaire droite ou circulaire gauche un accès 20/30 GHz en polarisation LHCP, un accès 20/30 GHz en 30 polarisation RHCP et 1 filtre diplexeur par accès par accès afin d'obtenir 2 accès émission Rx (20 GHz) pour 2 polarisations, 2 accès réception Tx (30 GHz) pour 2 polarisations. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif et nullement limitatif annexé des figures qui représentent : - la figure 1, une représentation de la formation de lobes de réseau, - la figure 2, un exemple donné pour une antenne à 4 éléments, - la figure 3, une vue de l'antenne de la figure 2, - la figure 4, une représentation de points de contrôle pour la définition du sous-réflecteur, - la figure 5, une définition d'une source élémentaire après l'exécution du procédé selon l'invention, - les figures 6 et 7, le diagramme d'émission obtenue dans le plan H et le plan V, - la figure 8, une variante de réalisation de l'antenne de la figure 2, - la figure 9 et la figure 10, un schéma montrant la connexion des éléments antennaires. Afin de mieux faire comprendre l'objet de l'invention, la description détaillée est donnée dans le cas d'une antenne comprenant quatre éléments sources. La figure 1 schématise la direction 8 du rayonnement d'une source dans un réseau de N sources Si espacées d'une distance D. Un tel réseau va générer des lobes de réseau dont les positions angulaires sont données par : sin(0) = N 11/D N:entier>0 ,:longueur d'onde D:distance entre sources Par exemple, pour une fréquence G=30 GHz et une distance D de 16 cm, les 1' lobes de réseau sont des multiples de 3,6°. L'amplitude de ces lobes est déterminée par le gain d'une source élémentaire dans la direction du lobe de réseau, c'est-à-dire dans les directions 3.6°, 7.2°, 10.8° dans cet exemple de réalisation. La figure 2 et la figure 3 schématisent un exemple de système antennaire A comprenant quatre éléments A1, A2, A3, A4. Un élément Ai est constitué notamment d'une Ei, d'un réflecteur Ri d'onde qui va éclairer un satellite à l'infini, d'un sous-réflecteur SRi dont la fonction est d'éclairer le réflecteur. Les éléments antennaires Ai sont, par exemple, constituées d'antennes à réflecteurs Ri dont la partie excitation est formée d'un élément rayonnant Ei bipolarisation en polarisation circulaire gauche ou LHCP pour left hand circular polarization et polarisation circulaire droite ou RHCP pour right hand circular polarization à deux accès, comme représenté sur la figure 2. Chaque ensemble d'accès de même polarisation est connecté, par exemple, par un distributeur 21 en guide d'onde pour former l'accès général de l'antenne A. Ainsi il y a deux accès principaux : un accès 20 polarisation gauche LHCP et un accès polarisation droite RHCP. Le procédé selon l'invention a notamment pour objectif de générer une géométrie d'antenne et son antenne de dimensions définies qui va permettre d'obtenir un gain G proche de 0 dans la direction des lobes de réseau. Le gain de la source sera diminué dans les directions souhaitées. 25 On va représenter la géométrie des surfaces d'un élément antennaire Ai par des couples de point dans un diagramme X, Z (figure 5). Une source Ei est définie par un point élémentaire P. On définit un ensemble de points (XsR, ZsR) dits points de contrôle pour un sous-réflecteur SR et un ensemble de points (XR, ZR) de contrôle 30 pour un réflecteur R. On injecte ces points choisis dans un logiciel de simulation électromagnétique afin d'obtenir un fichier contenant des couples de valeurs (e, G), correspondant à la direction du rayonnement et au gain de l'antenne On obtient un ensemble de couples {( e1, G1)...... ( en, Gn)}. ...... pour chaque couple de l'ensemble de points sélectionnés, ceci pour les points de contrôle relatifs au sous-réflecteur et pour les points de contrôle pour les réflecteurs. En fonction de l'angle de visée et du diagramme de la source élémentaire, on va rechercher le gain maximum possible. Pour cela on utilise un logiciel adapté à déterminer la position des points de modélisation précités permettant d'annuler le gain de la source dans les directions souhaitées. On cherche à optimiser le diagramme de rayonnement d'une source afin que le gain de la source soit faible dans les directions des lobes de réseau. Pour cela on va optimiser la position de chaque point fixé préalablement pour définir la forme du sous-réflecteur et la forme du réflecteur pour une position P donnée de la source. En fonction d'un angle e de visée, on connait le diagramme de rayonnement de la source élémentaire. On calcule le gain maximum de la source, on le compare à une valeur seuil Gseuil et si le gain dépasse cette valeur seuil, alors on fait varier l'un des paramètres (XsR, ZsR) pour le sous- réflecteur et/ou (XR, ZR) pour le réflecteur. Les lobes secondaires seront présents mais faibles car le gain de chaque source élémentaire sera faible dans la direction considérée. Dans l'exemple donné, les variables optimisées sont zhorn Position du cornet ou source ZsRi..Zse 7 points de contrôle en Z pour le sous-réflecteur ZR1..ZR4 4 points de contrôle en Z pour le réflecteur principal Les réflecteurs sont de révolution autour de l'axe z puis tronqués à la largeur D (distance entre deux sources) sur l'axe y. On obtient ainsi après optimisation de la géométrie d'un élément antenne, des formes pour les réflecteurs et les sous-réflecteurs, qui s'éloignent notablement des géométries conventionnelles, notamment celle du sous réflecteur qui présente des ondulations marquées représentées sur la figure 5 pour les points de contrôle choisis, selon la figure 4. Les figures 6 et 7 montrent les résultats obtenus pour une antenne de 4 sources ou éléments antennaires de taille globale de 64cm (plan H) par 22cm (plan V). On remarque que les lobes de réseau n'apparaissent pas dans le plan H. Dans le plan V le diagramme est plus large car l'antenne est de plus faible taille (22cm). A partir du diagramme obtenu pour le premier élément antennaire, on dérive les autres diagrammes pour les trois autres éléments antennaires. On va ensuite vérifier que l'ensemble du système constitué des 4 éléments antennaires possède un gain qui est supérieur à une valeur de gain minimum Gmin pour un angle de visée de 0° dans l'axe de l'antenne, et inférieur à une valeur Ga pour un angle a donné, ceci pour plusieurs valeurs d'angle que l'on aura choisi à l'avance selon une méthode connue de l'homme du métier. Selon une variante de réalisation, afin d'améliorer les performances de l'antenne il est possible d'insérer des caches entre chaque source. Ceci permet d'éviter l'éclairement d'une source par une autre source et améliore les lobes diffus. Selon une autre variante de réalisation la première source et la dernière source du réseau présentent des bords arrondies sur la partie qui n'est pas en contact avec les autres sources du réseau. Ceci permet notamment une pondération moins abrupte sur les bords et améliore le diagramme de rayonnement. La source élémentaire de l'antenne étant de faible taille, dans certains cas, de l'ordre de 16 cm par 22 cm, on utilisera une source des ondes, plus connue sous le terme anglo-saxon par « feed », de petite taille afin d'éclairer le réflecteur. La source des ondes utilisée est, par exemple, réalisée en une 30 seule pièce mécanique. Les fonctions de cette pièce sont notamment les suivantes : deux accès large bande 20 GHz et 30GHz pour deux polarisations circulaires, une lame de polarisation circulaire, un cornet corrugé permettant d'éclairer le sous-réflecteur, des fixations pour montage d'un support de sous-réflecteur et pour fixer le feed à l'arrière de l'antenne. La figure 9 schématise un exemple d'assemblage de la partie 5 rayonnante de l'antenne. L'antenne est obtenue dans cet exemple en assemblant 4 alimentations ou feed 92 sur une pièce 93 contenant le réflecteur principal multi foyers 94. Les 4 sous-réflecteurs SR1, SR2, SR3, SR4 sont fixés à chaque feed au moyen d'une pièce de maintien 97 en époxy, par exemple. On obtient sur la face arrière de l'antenne 8 accès, soit 10 4 pour chaque polarisation. La figure 10 schématise la face arrière de l'antenne. Chaque groupe de 4 accès est relié, par exemple, par un combineur obtenu par usinage dans une plaque épaisse fermée par un capot 105 (figure 10) soudé. En utilisant 2 combineurs 103, 104 pour alimenter en polarisation circulaire droite ou gauche, on obtient les 2 accès principaux de 15 l'antenne : - un accès 20/30 GHz en polarisation LHCP, 96, - un accès 20/30 GHz en polarisation RHCP, 95. En utilisant 2 filtres diplexeurs, 1 par accès, on peut finalement obtenir : - 2 accès émission Rx (20 GHz) pour 2 polarisations, 20 - 2 accès réception Tx (30 GHz) pour 2 polarisations. Le procédé et l'antenne obtenue par la mise en oeuvre du procédé présentent notamment les avantages suivants : - une antenne à fable coût et large bande pour le projecteur d'ondes les 25 réflecteurs étant facilement réalisables et le bloc d'alimentation monobloc réduit le coût d'assemblage, - une émission et une réception simultanées, - le choix des polarisations en émission et en réception, - un fonctionnement dans la couverture Ka civile et militaire, 30 - une possibilité d'isoler le réflecteur multi foyers par des caches. REVENDICATIONS1 - Procédé pour déterminer la géométrie d'une antenne réseau multi foyers plane pour la bande Ka comprenant au moins deux éléments antennaires, chaque élément antennaire comprenant un réflecteur et un sous-réflecteur, au moins une source alimentant lesdits éléments antennaires, le procédé est caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes suivantes : - définir une valeur seuil Gseuil de gain de l'antenne, - représenter la surface du sous-réflecteur et la surface du réflecteur par un ensemble de points ((Xs, Zs) pour le sous-réflecteur et (XsR, ZsR) pour le réflecteur, - générer à partir d'un module de simulation électromagnétique adapté un ensemble de couples de valeurs {(81, G1) (8m, Gn)) correspondant à la direction du rayonnement et au gain de l'antenne, pour chaque élément antennaire et pour chaque ensemble de points choisis pour représenter la surface du sous-réflecteur et du réflecteur selon une position de la source, - déterminer pour chaque couple de valeurs et du diagramme d'une source élémentaire considérée, la valeur du gain maximal de l'antenne dans la direction des lobes de réseau, - comparer la valeur du gain maximal obtenue et si cette valeur est supérieure à une valeur seuil, alors faire varier au moins un des paramètres (XsR, ZsR) pour le sous-réflecteur et (XR, ZR) pour le réflecteur, - déterminer la forme de l'antenne à partir des points vérifiant les valeurs seuils. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on utilise 2 polarisations circulaires. 3015 787 11 3 - Antenne réseau multi-foyers obtenue par la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1. 4 - Antenne réseau multi-foyers selon la revendication 3 caractérisée en ce 5 que les réflecteurs sont de révolution autour d'un axe z puis tronqués à la largeur D correspondant à la distance entre deux sources considérées selon un axe y. 5 - Antenne réseau multi-foyers selon la revendication 3 caractérisé en ce 10 qu'elle comporte 4 éléments, le premier élément antennaire ayant un bord arrondie, et le quatrième élément antennaire ayant un bord arrondie sur les parties qui ne sont pas en contact avec les autres éléments antennaires. 6 - Antenne réseau multi-foyers selon l'une des revendications 3 à 5 15 caractérisé en ce qu'elle comporte des caches entre chaque source. 7 - Antenne réseau multi foyers selon la revendication 3 caractérisée en ce qu'elle comporte 4 alimentations (92) sur une pièce (93) contenant le réflecteur principal multi foyers (94), 4 sous-réflecteurs (SR1, SR2, SR3, SR4) 20 fixés à chaque feed (92) au moyen d'une pièce de maintien (97), deux combineurs (103, 104) alimentant en polarisation circulaire droite ou circulaire gauche un accès 20/30 GHz en polarisation LHCP (96), un accès 20/30 GHz en polarisation RHCP (95) et 1 filtre diplexeur par accès par accès afin d'obtenir 2 accès émission Rx (20 GHz) pour 2 polarisations, 2 25 accès réception Tx (30 GHz) pour 2 polarisations.