Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
2044~03
Antenne à balayage par variatioIl de fréquence
La pr~sente invention concerne une antenne à balayage par
variation de fréquence, c'est-à-dire une antenne émettant (ou rece-
vant) une onde électromagnétique selon un diagramme dont le lobe
principal présente une orientation donnée, variable en fonction de la
fréquence de l'onde rayonnée (ou reçue) par l'antenne.
On peut ainsi r~aliser par voie électronique un balayage pure-
ment statique, simplement en sélectionnant la fréquence précise
0 appliquée à l'antenne, chaque fréquence ainsi sélectionnable corres-
pondant à une direction principale d'émission déterminée.
On connalt diverses structures permettant de réaliser une telle
fonction, notamment les structures à ~uides d'onde telles que celles
décrites dans l'ouvrage de M. Skolnik intitulé Radar Handbook,
1970, notamment le chapitre 13 intitulé Frequency-ScannedArrays,
par Irving W. Hammer, qui décrit notamment des réseaux à fentes
et des structures à éléments rayonnants repliés permettant de réali-
ser un tel balayage électronique par variation de fréquences.
on décrit dans le brevet français publié le 27
avril 1984 sous le no. 2,535,120, au nom de la
Demanderesse, un élément réflecteur sensible à la
fréquence qui, placé devant un projecteur d'onde tel
qu'un cornet émetteur, réfléchit l'onde incidente dans
une direction variant en fonction de la fréquence de
cette onde.
Ces dispositifs présentent cependant tous un certain nombre
d'inconvénients communs, à savoir que:
--la capacité de balayage (c'est-à-dire l'amplitude de la valiation
angulaire de la direction du lobe principal, en fonction de la
variation relative maximale de fréquence) est en général très
limitée, et insuffisante dans de nombreuses applications;
2044903
la
--la structure est toujours complexe du point de vue mécanique
et radioélectrique, ce qui rend sa mise au point délicate et sa
fablication dif~lcile, donc coûteuse;
--ces structures complexes sont généralement massives et vo]u-
mineuses, ce qui les rend peu appropriées à un usage comme
antennes embarquées de satellite; et
,. . .
2044903
--la forme du diagramme produit est telle que, lorsque l'on
change de fréquence, le niveau de recouvrement entre deux
faisceaux successifs (c'est-à-dire le niveau dans une direction
située à mi-distance des directions principales d'émission de
ces deux faisceaux) est généralement assez bas, ce qui rend
difficile la couverture continue d'une zone géographique don-
née.
L'invention a pour objet une antenne à balayage de fréquence qui
remédie à l'ensemble de ces inconvénients, rendant ainsi celle-ci
parfaitement appropriée à un usage comme antenne embarquée de
satellite, notamment comme antenne de radiocommunications par
satellite.
On verra en effet que l'antenne de l'invention est, du point de vue
mécanique, de structure à la fois simple, compacte et légère, toutes
caractéristiques particulièrement souhaitables pour une utilisation
à bord d'un satellite.
On verra par ailleurs, en ce qui concerne la capacité de balayage
en fonction de la fréquence, que la structure proposée présente une
sensibilité élevée à la fréquence, c'est-à-dire que, pour une faible
variation de fréquence, l'amplitude du balayage est relativement éle-
vée.
Cette caractéristique est particulièrement avantageuse du fait
que l'excursion de fréquence permise est généralement limitée par
les caractéristiques propres de l'émetteur et de la largeur de bande
allouée--typiquement de l'ordre de +2,5% autour de la fréquence
centrale, dans le domaine des hyperfréquences tel que les bandes
30/20 GHz utilisées pour les communications par satellite. L'excur-
sion en fréquence étant ainsi limitée, il est donc souhaitable de pou-
voir couvrir la zone géographique la plus large possible en restant
dans ces limites de fréquences--caractéristique que permet précisé-
ment la présente invention, avec en outre la possibilité de détermi-
ner aisément à la construction, par un choix de paramètres géomé-
triques simples, la sensibilité à la fréquence la plus appropriée
compte tenu de la couverture géographique souhaitée.
On verra également que l'antenne de l'invention est parfaitement
2044903
compatible avec un certain nombre de contraintes
habituelles telles que:
- la possibilité de rayonner des puissances
importantes avec un rendement élevé;
- le respect de la linéarité de la polarisation;
- une polarisation circulaire optionnelle;
- une structure robuste, susceptible de résister
aux contraintes sévères de l'environnement
spatial; et
lo - la plus grande insensibilité possible aux
variations de température, compte tenu notamment
des cycles thermiques de très grande amplitude
rencontrés en environnement spatial.
La présente invention vise une antenne pour
rayonner une onde électromagnétique ayant une fréquence
donnée et émise à partir d'un excitateur, une orientation
d'émission de l'antenne étant commandable en variant la
fréquence de l'onde électromagnétique autour d'une
fréquence centrale Fo et d'une longueur d'onde Ao de0 fonctionnement de l'antenne, comprenant:
des moyens rayonnants pour recevoir à une entrée
une onde électromagnétique plane ayant une fréquence f et
une longueur d'onde A, et pour faire subir à ladite onde
électromagnétique plane une pluralité de réflexions
successives à l'intérieur desdits moyens rayonnants,
lesdits moyens rayonnants incluant des première et seconde
surfaces de réflexions parallèles en vis-à-vis, la première
surface formant une surface de masse reliée à la masse et
servant de plan de référence contre lequel un angle
d'incidence d'une onde électromagnétique s'introduisant
dans ladite entrée des moyens rayonnants est mesuré, les
première et seconde surfaces de réflexions étant séparées
par une distance h plus grande que la longueur d'onde A de
C
2044903
3a
l'onde électromagnétique plane causant ainsi un déphasage
de l'onde électromagnétique plane entre deux rebonds
consécutifs sur la seconde surface de réflexions, le
déphasage de l'onde électromagnétique plane entre deux
rebonds consécutifs variant en fonction de la fréquence f
et de la longueur d'onde A de l'onde électromagnétique
plane, la seconde surface de réflexions étant une surface
frontale rayonnante perméable à une onde électromagnétique
permettant à une partie de l'onde électromagnétique plane
réfléchie entre les première et seconde surfaces de
réflexions d'être rayonnée vers l'extérieur après des
réflexions prédéterminées de facon à générer une série
d'ondes rayonnées à partir des moyens rayonnants, la série
d'ondes rayonnées définissant un diagramme de transmission
ayant un lobe principal présentant une orientation variable
en fonction de la fréquence f et de la longueur d'onde A;
un organe réflecteur focalisant pour recevoir une
onde électromagnétique à une entrée et réfléchir ladite
onde électromagnétique qui constitue alors ladite onde
électromagnétique plane dans l'entrée desdits moyens
rayonnants selon un angle d'incidence prédéterminé a vers
ladite première surface de réflexions, ledit organe
réflecteur focalisant incluant un réflecteur hyperbolique;
des moyens excitateurs pour recevoir ladite onde
électromagnétique depuis l'excitateur à une entrée
voisinante d'un point focal du réflecteur hyperbolique et
pour diriger ladite onde électromagnétique dans l'entrée de
l'organe réflecteur focalisant, lesdits moyens excitateurs
comportant des sources constituées par des cornets situés
dans un voisinage du point focal, chacune des sources étant
légèrement défocalisée par rapport au point focal et
décalée dans l'espace par rapport aux autres sources,
chacun des cornets pouvant être sélectionné pour coupler
une onde électromagnétique de l'excitateur dans les moyens
2044903
3b
excitateurs pour ainsi réaliser un balayage dans deux
directions perpendiculaires en combinant de fac~on
appropriée un desdits cornets avec une fréquence de l'onde
électromagnétique, la série d'ondes rayonnées ayant un
angle de rayonnement ~ défini par l'équation suivante:
~ = arcsin {(m - n(A/~O)co~2a)/(msin ~)}
où:
~ est l'angle de rayonnement du lobe principal par
rapport à ladite seconde surface de réflexions;
l est la longueur d'onde de l'onde électromagnétique
re,cue par l'excitateur;
Ao est la longueur d'onde de la fréquence centrale pour
un fonctionnement de l'antenne selon l'onde
électromagnétique re,cue depuis l'excitateur;
a est l'angle d'incidence d'une onde excitatrice de
l'onde électromagnétique re,cue dans les moyens rayonnants
par rapport au plan de référence; et
m et n sont des nombres entiers choisis pour que
l'angle de rayonnement ~ soit égal à l'angle d'incidence a
à ladite fréquence centrale ayant pour longueur d'onde ~0.
De préférence, les moyens rayonnants de cette
structure comprennent deux surfaces en vis-à-vis, l'une
formant surface de masse et l'autre formant surface
frontale rayonnante perméable aux ondes électromagnétiques,
par exemple au moyens de perforations, et des moyens pour
introduire l'onde plane entre les deux surfaces avec un
angle d'incidence prédéterminé.
Très avantageusement, la perméabilité de la
surface frontale est une perméabilité variant sur l'étendue
de celle-ci, faible dans les régions proximales, où la
densité de puissance de l'onde plane est
.,
2044903
élevée, et élevée dans les régions distales, où cette
densité est moindre.
Les moyens excitateurs peuvent de préférence comprendre
deux surfaces en vis-à-vis et des moyens émetteurs d'une
onde électromagnétique, disposés de manière à diriger cette
onde électromagnétique émise entre ces deux surfaces, avec
en outre au moins un organe réflecteur focalisant reliant
les moyens excitateurs aux moyens réflecteurs.
De préférence, dans un premier mode de réalisation, les
surfaces en vis-à-vis des moyens excitateurs et celles des
moyens rayonnants s'étendent dans des directions
essentiellement parallèles, l'organe réflecteur focalisant
étant disposé d'un même côté des moyens excitateurs et des
moyens rayonnants, de manière à renvoyer l'onde émise à
cette extrémité des moyens excitateurs vers l'extrémité
adjacente des moyens rayonnants sous ledit angle d'incidence
prédéterminé.
De préférence, dans un second mode de réalisation, les
surfaces en vis-à-vis des moyens excitateurs et celles des
moyens rayonnants s'étendent dans des directions formant
entre elles un angle égal à un angle droit augmenté dudit
angle d'incidence prédéterminé, de manière à alimenter
directement les moyens rayonnants par l'onde plane produite
par les moyens excitateurs.
Par ailleurs, pour permettre un balayage bidirec-
tionnel, les moyens excitateurs peuvent de préférence
comprendre des moyens pour produire sélectivement différents
faisceaux présentant une orientation distincte variant dans
une direction perpendiculaire à ladite direction de varia-
tion du lobe principal en fonction de ladite fréquence.
o
On va maintenant décrire en détail l'invention, en
référence aux dessins annexés.
.,~
,,~
,
2044903
4a
La figure 1 montre en perspective, avec l'intérieur
partiellement visible, un premier mode de réalisation de
l'antenne de l'invention.
La figure 2 est une coupe schématique verticale de
'A: t~
~g
` 2044903
la figure 1 (l'orientation, non limitative, étant simplement définie
pour les commodités de la description par rapport aux conventions
de la figure).
La figure 3 illustre le fonctionnement de l'antenne de l'invention.
La figure 4 est un diagramme montrant la variation de la direc-
tion du lobe principal en fonction de l'angle d'incidence de l'onde
dans la partie rayonnante de l'antenne, cette orientation du lobe
principal étant donnée pour d*erses valeurs de fréquences autour
de la fréquence centrale de fonctionnement de l'antenne.
La figure 5 montre la manière de balayer en deux directions une
zone géographique en combinant un choix de fréquence et un choix
de cornet d'émission.
La figure 6 donne la direction des premiers lobes secondaires par
rapport au lobe principal en fonction des caractéristiques géométri-
ques de l'antenne.
la figure 7 est une vue en perspective d'un second mode de réali-
sation de l'antenne selon l'invention.
Sur la figure 1, on a représenté un premier exemple de réalisa-
tion de l'invention, dans lequel l'antenne à balayage par variation de
fréquence comporte deux parties principales, à savoir une partie
excitatrice 10 et une partie rayonnante 20.
On décrira essentiellement cette antenne en tant qu'antenne
émettrice, mais il est bien entendu, compte tenu du théorème de
réciprocité, qu'elle peut aussi bien opérer mutatis mutandis en
antenne réceptrice, la structure d'ensemble restant inchangée.
La partie excitatlice 10 comporte au moins une source 11 (sur la
figure, on a représenté cinq sources 11a à 11e groupées au voisinage
d'un point central A) émettant une onde radioélectrique entre deux
faces planes parallèles 12 et 13 (voir coupe de la figure 2), le front
d'onde étant perpendiculaire aux plans 12 et 13 et l'onde se propa-
geant en direction de l'extrémité de sortie 14 de cette partie excita-
tlice.
2044903
Pour éviter les réflexions multiples sur les parois, on prévoit si
nécessaire, de façon en elle-même connue, un volume absorbant 15
imposant à l'onde produite un trajet unique de la source 11 vers
l'extrémité de sortie 14.
On notera que les faces 12, 13 ne sont pas nécessairement
planes, mais qu'elles peuvent prendre d'autres configurations (sphé-
riques, paraboliques, conformées, etc.) en fonction des besoins.
Par ailleurs, les sources 11 peuvent etre non seulement des cor-
nets, comme on l'a représenté, mais tout autre type d'éléments
rayonnants connus tels que des éléments imprimés, des éléments
rayonnants filaires, etc. Par ailleurs, les sources multiples 11a à
11e, ne sont pas toutes nécessairement identiques, et ne sont pas
nécessairement réparties selon un réseau régulier.
La partie rayonnante 20, quant à elle, comprend deux surfaces
parallèles 21, 22 qui, dans l'exemple représenté, sont des surfaces
planes; la surface 21 constitue un plan de masse et la surface 22
constitue une surface rayonnante frontale.
On notera ici encore que ces deux surfaces parallèles 21, 22 ne
sont pas nécessairement planes, mais qu'elles peuvent, tout comme
les surfaces 12 et 13 de la partie excitatrice 10, être planes, paraboli-
ques, sphériques, etc. ou présenter toute autre conformation appro-
priée.
L'onde produite par la partie excitatrice 10 est transmise à la
partie rayonnante 20 par l'intermédiaire d'un organe réflecteur
focalisant 30 constitué de deux réflecteurs focalisants 31 et 32, qui
sont tous deux plans dans le plan de balayage fréquentiel et, respec-
tivement, hyperboliques et paraboliques dans le plan perpendicu-
laire, de manière à produire après réflexion en B, B' et C, C' une
onde parfaitement plane à partir de l'onde produite ponctuellement
par la source A.
L'onde plane ainsi produite, après réflexion au point C ou C',
vient frapper le plan de masse 21 avec un angle d'incidence prédé-
terminé a (voir représentation schématique de la figure 3), de sorte
que l'onde plane, par un phénomène de réflexions multiples, va
rebondir entre les deux plans parallèles 21, 22.
2Q449~3
Comme le plan frontal rayonnant 22 est une surface semi-permé-
able aux ondes électromagnétiques, par exemple grâce à des perfora-
tions 23 réalisées dans une plaque métallique, chaque fois que l'onde
frappera le plan rayonnant frontal 22 une partie de l'énergie de cette
onde traversera ce plan et rayonnera vers l'extérieur, le reste de
l'énergie se réfléchi~s~qnt en direction du plan de masse 21, où se
produira à nouveau une réflexion vers le plan frontal, et ainsi de
suite.
La perméabilité de la surface frontale, qui est, dans cet exemple,
essentiellement déterminée par la dimension et l'espacement des
perforations 23, est telle que cette perméabilité soit faible dans la
partie inférieure 24 où la densité d'énergie est la plus élevée (ce qui
veut dire que les perforations devront être de petite taille à cet
endroit), et élevée dans la partie supérieure 25 où la densité d'éner-
gie est la plus faible (ce qui veut dire que les perforations devront
être de grande dimension à cet endroit); la loi de variation de la per-
méabilité est choisie de telle sorte que, l'énergie de fuite totale tra-
versant le plan frontal rayonnant 22 produise la distribution
d'amplitude voulue.
Le principe du balayage par variation de fréquence, que l'on va
maintenant expliquer en référence à la figure 3, repose sur le fait
que le déphasage entre deux rebonds consécutifs sur le plan rayon-
nant dépend de la fréquence conformément à la relation suivante:
~> = 2Jr/~. 2h/cosa,
~ étant la longueur d'onde à la fréquence f,
h étant l'espacement entre le plan de masse et le plan frontal
rayonnant,
a étant l'angle d'incidence de l'onde excitatrice, et
~ étant le déphasage (cumulatif) à chaque rebond.
Le paramètre h (espacement entre les deux plans 21 et 22) peut
être choisi de manière que les images virtuelles S1, S2, ... du foyer F
après les réflexions successives D1, E1, D2, E2 ... vérifient la relation
35 suivante:
2044903
2h cosa = m~0,
où m est un entier naturel et ~0 est la longueur d'onde à la fré-
quence centrale de fonctionnement de l'antenne.
La distance d entre deux points de réflexion adjacents E1, E2 sur
le plan frontal rayonnant peut être définie par la relation suivante:
d = 2htga.
L'angle de rayonnement du lobe principal ~ peut alors être cal-
culé d'après l'équation suivante, en elle-même connue:
k.d.sin~ = ~ - n.27~.,
où k est une constante de propagation et n est un entier naturel.
Par substitution des trois premières équations dans cette der-
nière relation, on obtient:
~ = arcsin [ (m - n (~/~0) cos2a) / (m sina) ].
Les entiers n et m seront choisis de manière que l'angle de rayon-
nement ~ soit le même que l'angle d'excitation a à la fréquence cen-
trale f0, ce qui a lieu lorsque n = m.
L'équation précédente devient alors:
~ = arcsin [ (1 - (f0/f) cos2a) / (sina) ],
ce résultat ~ variant avec la fréquence f, comrne on le désirait.
On a présenté sur la figure 4 un réseau de courbes montrant la
façon dont la direction du lobe principal varie en fonction, d'une
part, de la fréquence f (ou, plus exactement, de la variation relative
de fréquence ~f/f0 par rapport à la fréquence centrale f0) et, d'autre
part, de l'angle d'incidence a.
Comme on peut le voir, la sensibilité du balayage en fréquence
dépend de l'angle d'excitation a, et présente une valeur relativement
2~44903
élevée lorsque cet angle a est faible.
Ceci signifie que, pour une bande de fréquences donnée, l'angle
total de balayage 0 peut être choisi en sélectionnant l'angle d'excita-
tion a. Bien que, en pratique, il existe une limite inférieure pour cet
5 angle d'excitation o~, il n'en reste pas moins, en tout état de cause,
que l'on obtient un balayage en fréquence de forte amplitude rela-
tive.
n est possible, par ailleurs, de produire des faisceaux multiples
dans le plan perpendiculaire au plan de balayage en fréquence,
10 grâce à la pluralité de sources 11a à 11e situées au voisinage du
point focal A, chacune de ces sources étant légèrement défocalisée
par rapport au réflecteur hyperbolique 31.
Ainsi, par un choix approprié du couple cornet d'émission/fré-
quence d'émission, on peut réaliser un double balayage, c'est-à-dire
15 un balayage dans deux directions perpendiculaires, comme illustré
en figure 5.
Avantageusement, on prévoira alors un léger recouvrement entre
faisceaux adjacents, de manière que le niveau de transition entre
deux faisceaux adjacents soit sllffi~mment élevé (de l'ordre de 2,5 à
20 3 dB).
Un tel balayage peut notamment être utilisé pour couvrir une
zone géographique étendue sur laquelle on souhaite réaliser des
communications par satellite.
n en est ainsi--par exemple--des services de communications
25 téléphoniques mis à la disposition des passagers des avions. Ces ser-
vices de radiotéléphonie mobile par satellite peuvent être réalisés
dans la bande des 30/20 GHz, dans laquelle une largeur de bande de
0,5 GHz peut être allouée, correspondant donc à une variation de
fréquence de il,7 à +2,5%. Or, dans ces domaines, il est difficile avec
30 les dispositifs actuels de réaliser un large balayage, si ce n'est avec
des antennes complexes et coûteuses à mettre en oeuvre, telles que
celles indiquées dans l'introduction de la présente demande.
Au contraire, la présente invention permet de réaliser un bala-
yage fréquentiel sur une amplitude de l'ordre de 3 à 4 par un choix
35 de fréquences dans les limites allouées (0,5 GHz dans la bande
204 4 903
-
30/20 GHz), ce qui rend possible par exemple la couverture complète
de l'Atlantique Nord, qui correspond typiquement, pour un satellite
géostationnaire, à un balayage de 3 environ dans la direction
Nord/Sud (balayage effectué par variation de fréquence) et de 7 à 8
dans la direction Est~Ouest (ce dernier balayage étant par exemple
réalisé au moyen de huit cornets d'alimentation sélectionnables).
Une telle couverture correspond à environ 25 faisceaux, ce qui
laisse une largeur de bande d'environ 20 MHz pour chaque faisceau,
valeur sllffi~nte pour pouvoir maintenir plusieurs centaines de
canaux dans chaque faisceau.
La figure 6 montre la direction des premiers lobes secondaires
(lobes de réseau), dont l'écart par rapport au lobe principal va
dépendre de l'écartement entre les sources virtuelles S1, S2,
La direction du premier lobe secondaire de chaque côté du lobe
principal est donnée par la relation:
0' = arcsin [ (sin0 + ((f0/f) cos2a) / (m sina) ].
La figure 6 donne la position des valeurs ~' pour différentes
valeurs de m, et pour deux valeurs différentes de l'angle d'incidence
(a = 15 et a = 20).
On peut voir ainsi que la direction du premier lobe secondaire
dépend de l'écartement h entre le plan de masse et le plan frontal
rayonnant, de sorte que, si le plan de masse et le plan rayonnant
sont très proches, les lobes de réseau seront très éloignés du lobe
principal.
Bien que, en pratique, il existe une limite inférieure à cet écarte-
ment, avec une valeur raisonnable de l'ordre de 3 à 4 fois la lon-
gueur d'onde ~0 à la fréquence centrale, les premiers lobes de
réseaux se trouvent repoussés à 20 à 30 du lobe plincipal. Si
l'antenne est utilisée à bord d'un satellite géostationnaire, ces lobes
secondaires vont se trouver hors de la couverture terrestre et ne
viendront donc en aucune fa,con interférer, le seul inconvénient
étant la perte d'énergie par ces lobes de réseaux.
On notera que la réalisation présentée peut faire l'objet de nom-
2044sa3
breuses variantes.
Tout d'abord, dans le mode de réalisation représenté, l'antenne
fonctionne en polarisation linéaire. Il est éventuellement possible de
prévoir une polarisation circulaire, simplement en placant un réseau
5 déphaseur devant le plan rayonnant.
En ce qui concerne la face rayonnante, outre les perforations cir-
culaires du mode de réalisation représenté, on peut prévoir, égale-
ment en variante, des perforations rectangulaires, des perforations
elliptiques, des fentes rectilignes, des fentes en croix, etc.
La face rayonnante peut être par ailleurs constituée d'une struc-
ture imprimée, par exemple par des lignes, des éléments de type
microruban tels que des anneaux, des boucles, des croix, etc. réalisés
sous forme d'une ou plusieurs couches séparées par du vide ou un
diélectrique.
En ce qui concerne les réflecteurs de focalisation 31 et 32, ils peu-
vent prendre toute forme appropriée: plane, hyperbolique, ellipti-
que, parabolique, conformée, etc.; ils peuvent être également rem-
placés par des lentilles électromagnétiques.
Par ailleurs, les différentes sources 11a à 11e peuvent être pla-
20 cées sur une surface qui n'est pas nécessairement plane, mais quipeut être également sphérique, parabolique, conformée, etc.
Enfin, on a représenté sur la figure 7 une autre forme de réalisa-
tion, dans laquelle la partie excitatrice 10 et la partie rayonnante 20
ne sont plus disposées l'une contre l'autre, comme dans le cas de la
25 figure 1, mais en formant un angle prédéterminé, qui correspondra
précisément à l'angle d'incidence a recherché. Comme on peut le voir
sur cette figure, où les références numériques identiques à celles de
la figure 1 désignent des éléments semblables, on n'a plus besoin
dans ce cas que d'un seul réflecteur 33, qui est alors un réflecteur
30 rectiligne dans le plan de balayage fréquentiel, et parabolique dans
le plan perpendiculaire.
.. . .... ..... . .. .
.
