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Dispositif rayonnant multifréquence
L'invention concerne un dispositif rayonnant multifréquence.
L'évolution générale dans le domaine des satellites de
télécommunication va dans le sens d'une augmentation de capacités en
termes de puissance, de trafic, de nombres de missions. Le même
satellite doit, pour des raisons économiques, être à même d'embarquer
plusieurs charges utiles. Celles-ci font appel à des systèmes d'antennes
dont les gains vont sans cesse croissant, ceci afin de garantir des
spécifications toujours plus sévères sur les paramètres en vigueur, à
savoir :
- le nombre de pinceaux ;
- le gain sur la ouiles couvertures ;
- l'isolation interfaisceaux.
Les nouvelles charges utiles font appel à des systèmes d'antenne
dont l'ouverture projetée peut varier de 3 à 6 mètres, voire pius. On
consoit aisément que pour diverses raisons, et notamment d'implantation
et de masse, il n'est pas possible de multiplier le nombre de ces
grandes antennes sur un même corps de satellite.
De fason générale, que ce soit dans le cas d'un réseau à
rayonnement direct ou d'une antenne à réflecteur utilisant un réseau
primaire, il est attractif d'utiliser la même surface rayonnante : ceci
allant dans le sens d'une intégration maximale des fonctions et d'une
meilleure optimisation de la charge utile au niveau du satellite.
L'invention a pour objet d'apporter une solution à ce genre de
problème et de réaliser ainsi, sur une même surface physique,
l'optimisation d'ensembles d'éléments rayonnants différents travaillant
à des fréquences différentes.
L'invention propose à cet effet un dispositif rayonnant
multifréquence, comprenant au moins un premier élément rayonnant d'un
premier type, et au moins un élément rayonnant d'un second type
associés, côte à côte, sur une même surface pour former une antenne
réseau, caractérisé en ce que les éléments rayonnants du premier type
sont des éléments de type microruban et les seconds des éléments de type
filaire, les éléments rayonnants du premier type agissant dans une
première gamme de fréquence, et les éléments rayonnants du second type
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dans une seconde gamme de fréquence.
Avantageusement une mise en réseau peut se faire de fason optimale
pour des missions différentes, à des fréquences différentes et ce sur la
même antenne rayonnante.
De plus la possibilité d'utiliser des troisièmes éléments
rayonnants permet de résoudre le délicat problème de la mise en réseau
d'éléments présentant des besoins d'espacement fondamentalement
différents dus à leur directivité ou à leur fréquence de fonctionnement.
La non intéraction entre les différents types d'éléments
rayonnants permet, enfin, de traiter et d'optimiser le réseau complet
comme deux réseaux indépendants, chacun d'eux étant réalisés de fason
optimum :
- l'un utilisant les premiers éléments rayonnants ;
- l'autre utilisant la combinaison des seconds et des troisièmes
éléments rayonnants.
Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront
d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non
limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles :
- les figures 1 et 2 représentent schématiquement deux
réalisations respectives du dispositif selon l'invention ;
- les figures 3 et 4 représentent deux vues en coupe d'éléments
d'une réalisation du dispositif selon l'invention ;
- les figures 5 et 6 représentent schématiquement deux
réalisations du dispositif selon l'invention.
Le dispositif rayonnant de l'invention, tel que représenté à la
figure 1, comprend, associés sur une même surface 10, au moins deux
types d'éléments rayonnants fonctionnant selon des principes
différents :
- des premiers éléments ll rayonnants de type microrubans ou de type
imprimés ("Patch" en anglais) ;
- de second éléments 12 rayonnants de type filaire.
On obtient, ainsi, une antenne bi-fréquence qui permet de réaliser
sur la même surface utile le rayonnement à une première fréquence à
l'aide d'une antenne imprimée, le rayonnement à une seconde fréquence à
l'aide une antenne filaire. L'impédance de fonctionnement de ces deux
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antennes permet d'optimiser celles-ci à des fréquences séparée, le
découplage entre celle-ci étant assuré par le fait que les principes qui
contribuent au rayonnement sont de natures différentes.
La figure 2 représente une variante de réalisation du dispositif
de l'invention, pour laquelle l'implantation des premiers et des seconds
éléments 11 et 12 a été modifiée. Le nombre de seconds éléments 12, par
exemple de type filaire, implantés entre les premiers éléments 10, par
exemple de type imprimé dépend de l'optimisation de l'antenne. Le réseau
ainsi constitué peut d'ailleurs être de type triangulaire, carré,
rectangulaire ou hexagonal.
Si l'on associe ainsi sur une même surface de tels éléments
rayonnants fonctionnant selon des principes différents, on obtient une
antenne bi-fréquence. Celle-ci permet en effet de réaliser sur la même
surface utile le rayonnement à une fréquence à l'aide d'une antenne
imprimée, le rayonnement à une autre fréquence par le biais d'une
antenne filaire.
Une telle réalisation présente les deux caractéristiques
suivantes :
- L'antenne filaire n'affecte par les caractéristiques adaptation et
rayonnement de l'antenne imprimée.
- Du fait de principes de rayonnement différents, le couplage entre les
deux éléments reste très faible.
Un certain nombre de types d'antennes filaires, peut être envisagé
comme pouvant être montées sur l'antenne imprimée. Le choix précis
dépend d'une optimisation par rapport à un besoin, et oriente la
solution vers des dipôles, hélices monofilaires, hélices
quadrifilaires...
Par rapport à un fonctionnement nominal (sans antenne imprimée) de
l'élément filaire il n'y a aucun changement notable de performances de
cette antenne lorsqu'elle est implantée sur une antenne imprimée ; le
plan de masse vu par l'antenne filaire étant réalisé par l'ensemble du
conducteur imprimé et du plan de masse général de l'antenne imprimée.
Comme la fréquence de fonctionnement de l'antenne filaire ne correspond
pas à une résonnance de l'antenne imprimée, l'antenne imprimée ne joue
pas de rôle particulier (concentration de champ, cavité, résonnance).
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Dans un autre l'exemple de réalisation du dispositif de
l'invention, représenté à la figure 3, un premier élément 16 est associé
à un second élément 19 sur une même surface projetée pour former un
élément rayonnant dit "composé" ; ainsi on a :
- un plan de masse 13, un substrat diélectrique 14 et une piste
métallique 15 qui forment une antenne imprimée plane 16 ; cette antenne
étant percée en son centre d'un trou 17 de passage ;
- un câble coaxial 18 passant par ce trou 17 perpendiculairement au plan
de l'antenne imprimée 16 ; ce câble se terminant à son extrémité libre
par une antenne d'un autre type 19 ici un dipôle.
Dans l'exemple de réalisation, représenté à la figure 4, le câble
coaxial 18 passant par le trou 17 se termine par une antenne 19 qui est
alors une antenne en hélice.
L'antenne imprimée 16 ainsi définie est dimensionnée de faSon à
satisfaire aux exigences générales de sa mission. selon le cas et en
fonction de l'application recherchée, elle consiste, par exemple, en :
- un élément imprimé simple résonateur ;
- un élément imprimé double résonateur ;
- un élément double "patch" diplexant présentant des accès séparés pour
deux gammes de fréquence par exemple un accès émission et un accès
réception.
De son côté l'élément filaire 19 est défini en raison de
spécifications propres à la mission à laquelle il est destiné. Sa
géométrie, s'il s'agit d'un dipôle ou d'une hélice, fait l'objet d'une
optimisation afin d'obtenir les performances désirées.
On peut alors réaliser une antenne réseau constituée d'éléments
rayonnants composés ainsi décrits. Mais cette mise en réseau si elle ne
- fait appel qu'aux éléments tels que décrits pose de sérieux problèmes
d'efficacité et l'optimisation simultanée des diverses missions s'avère
délicate voire impossible à réaliser. Ainsi l'antenne, représentée à la
figure 5, comprend notamment des éléments rayonnants imprimés 16 simples
résonateurs pour réaliser par exemple une mission à 1,5 Ghz. Ce genre
d'éléments présentant une directivité typique de l'ordre de 7 à 8 dB, la
connaissance de leurs couplages mutuels permet d'envisager une
utilisation satisfaisante ; c'est-à-dire à plus de 80% de rendement par
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rapport à la surface de la cellule élémentaire. Ces éléments sont alors
situés :
. à une distance d'environ da=0,67 ~ OL pour une maille carrée ;
. à une distance da de 0,70 à 0,72 ~ OL pour une maille hexagonale ;
~ OL étant la longueur d'onde de la fréquence du centre de la première
gamme de fréquence, par exemple la bande L (1,5 - 1,6 GHz).
Ces contraintes de fonctionnement sur ces premiers éléments
rayonnants 16 (couplage/espacement optimum) figent l'espacement
inter-"patch" da et donc l'implantation générale du réseau.
Si l'on désire réaliser une mission à 2.00 GHz à l'aide de seconds
éléments rayonnants 19, tels que décrits précédemment, on implante des
dipôles 19 sur les "patch" 16. Typiquement ceux-ci présentent, une
directivité de 5,20 dB.
Cette directivité nécessite une mise en réseau d'éléments
identiques à une distance respectivement :
- de 0,51 ~ OS environ pour une maille carrée ;
- de 0,55 ~ OS environ pour une maille hexagonale ;
/\ OS étant la longueur d'onde du centre de la seconde gamme de
fréquences par exemple la bande S (2 GHz).L'implantation étant
nominalement bloquée par les distances inter-patch, on a donc dans la
configuration considérée une géométrie qui correspondrait à des
distances inter dipôles da de :
- 0,89 A os (bande S) en maille carrée ;
- 0,96 ~ OS en maille hexagonale :
Soit une perte à la mise en réseau de l'ordre de 4 à 5 dB pour les
éléments dipôles 19 en bande S, trop fortement contraintes par
l'implantation des éléments imprimés.
La solution à ce sous échantillonnage pour les éléments bande S
consiste à disposer entre les "patchs" de troisièmes éléments 20 du même
type que les seconds rayonnants donc dans la seconde gamme de fréquence.
L'implantation de tels éléments 20 est rendue possible par le fait
que dans les zones considérées les densités de champ des éléments
imprimés sont négligeables. Des mesures effectuées en considérant
différentes distances d'implantation ont conforté ces résultats et
démontré le peu d'impact de ces éléments additionnels sur le
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fonctionnement nominal des éléments composés bi-bandes 16-19.
Une telle configuration, telle que représentée sur la figure 6,
permet donc de densifier considérablement le réseau des seconds
éléments rayonnants 19 dont l'échantillonnage se trouve grandement
amélioré et ce, sans impact notable sur les premiers éléments rayonnants
16.
Sur une maille hexagonale, comme représenté sur la figure 6, les
distances inter dipôles obtenues correspondent, en incluant les éléments
19 et 20, à db=da/ ~ soit typiquement pour la maille hexagonale à
db=0,96 A os/ ~ c'est-à-dire db=0,55 ~ OS. Cette distance
correspond donc à un échantillonnage optimal pour l'utilisation des
dipôles en bande S. La réalisation du réseau bande S par l'intermédiaire
des éléments 19 et 20 permet donc une utilisation de la surface avec une
efficacité maximum et correspondant à la mise en réseau de fason
optimale des éléments bande S seule.
Ce résultat s'explique, d'ailleurs, de façon immédiate en
raisonnant sur les directivités : Avec un tel type de maille, un second
élément rayonnant 19 se trouve entouré de six troisièmes élements
rayonnants 20. Chacun de ces éléments 20 se trouve utilisé conjointement
avec trois éléments 19 de sorte que, rapporté à la maille hexagonale,
tout se passe comme si ces trois éléments 19 contribuaient au
rayonnement pour une cellule ; cette cellule présentant une surface S
telle que : S = ~ 2 . (0,96 ~ OS) soit S = 0,798 ~ os2.
La directivité maximale DM d'une telle cellule est donnée par :
DM = 4 S/ ~ OS soit DM 10=dB.
L'association de trois éléments rayonnants 19 de 5.2 dB en
amplitude et phase correspond à un diagramme de directivité.
réseau = N + ~ élément = 10 dB
dB dB dB
Une antenne réseau multifréquence peut donc être réalisée de façon
optimale pour les diverses missions en faisant appel à :
- d'une part des éléments rayonnants composés tels que représentés
aux figures 3 et 4 ;
- d'autre part des éléments additionnels 20 implantés entre ces
éléments rayonnants composés..
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La figure 6 présente l'implantation de ces éléments sur une maille
hexagonale tandis que la figure 7 en donne un exemple pour une maille
carrée.
La mise en réseau peut ainsi se faire de façon optimale pour des
missions différentes, à des fréquences différentes et ce sur la même
antenne rayonnante.
La possibilité d'utiliser des troisièmes éléments rayonnants 20
permet donc de résoudre le délicat problème de la mise en réseau
d'éléments présentant des besoins d'espacement fondamentalement
différents dus à leur directivité ou à leur fréquence de fonctionnement.
La non intéraction entre les différents types d'éléments
rayonnants permet de traiter et d'optimiser le réseau complet comme deux
réseaux indépendants. Chacun étant réalisés de fason optimum :
- l'un utilisant les premiers éléments rayonnants 16 ;
- l'autre utilisant la combinaison des seconds et des troisièmes
éléments rayonnants 19 et 20.
Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et
représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et que l'on pourra
remplacer ses éléments constitutifs par des éléments équivalents sans,
2~ pour autant, sortir du cadre de l'invention.
Ainsi la forme du dispositif rayonnant de l'invention peut, bien
évidemment, ne pas être plane et être munie d'une certaine courbure
(cylindrique, sphérique....), dépendant de son implantation particulière
sur une structure : par exemple implantation sur des surfaces concaves.
