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UNITE DE FORMATION DE FAISCEAU DE CANAUX MULTIPLEXES
La présente invention concerne de manière générale une
unité de formation d'un faisceau qui véhicule une pluralité
de signaux de canal multiplexés en fréquence. L'unité
multiplexe, ou combine, spatialement dans un même faisceau
cette pluralité de signaux de canal.
Selon une réalisation, cette unité de formation de
faisceau appartient à un étage de sortie d'un répéteur d'un
satellite. Le satellite est par exemple un satellite de-
diffusion de signaux de télévision et produit un faisceau
d'émission couvrant une zone au sol.
Typiquement, selon la technique antérieure, cet étage
de sortie comprend une pluralité d'amplificateurs chacun
15 destiné à amplifier un signal de canal respectif, ainsi
qu'un "multiplexeur" de sortie. Les divers signaux de canal
sont amplifiés chacun par un amplificateur respectif afin de
minimiser les distorsions résultant de la non-linéarité des
amplificateurs utilisés. Le "multiplexeur" de sortie, ou
20 OMUX (Output MUltipleXer), prévu en sortie des
amplificateurs, est tel que décrit dans l'ouvrage "Satellite
Communications Systems", G. Maral et M. Bousquet, Edition
WILEY, Seconde Edition, pages 411 et suivantes. Ce
multiplexeur comprend des filtres et un guide commun qui est
25 destiné à combiner les canaux après leur amplification et
filtrage individuels.
Pour réaliser un couplage à pertes réduites entre les
filtres et le guide commun, on prévoit généralement de
monter directement les filtres sur le guide commun sans
30 utiliser de circulateurs qui ont l'inconvénient d'induire
des pertes de puissance élevées. Les filtres et le guide
commun sont sous la forme de cavités et le couplage entre
chaque filtre et le guide commun est réalisé à travers un
iris, ou fente. Une extrémité du guide commun est court-
circuitée, l'autre délivre un signal combiné véhiculant tous
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les signaux de canal multiplexés. Ce signal combiné est émis
par une antenne.
Les pertes induites par une telle unité de formation
de faisceau selon la technique antérieure dans la portion
comprise entre les sorties des amplificateurs et l'antenne
restent relativement élevées, typiquement voisines de 2dB
pour des fréquences élevées, par exemple en bande Ka. En
outre, un tel OMUX possède un poids relativement élevé.
Un premier objectif de l'invention est de fournir une
10 unité de formation de faisceau, ou unité de combinaison de
signaux de canal à émettre dans un même faisceau, dont les
pertes de puissance sont réduites comparativement à la
technique antérieure. Un autre objectif de l'invention est
de fournir une unité de combinaison de signaux de canal à
émettre dans un même faisceau de poids réduit
comparativement à la réalisation précitée de la technique
antérieure.
A cette fin, une unité pour combiner N signaux de
canal, N étant un nombre entier, lesdits N signaux de canal
étant produits par N sources respectives séparées, est
caractérisée selon l'invention en ce qu'elle comprend des
moyens de réseau collecteur, lesdits moyens de réseau
collecteur recevant les N signaux de canal selon des
directions respectives définies par des lobes de réseau
25 associés auxdits moyens de réseau collecteur.
Pour émettre les signaux ainsi combinés, il peut être
prévu que les moyens de réseau collecteur sont couplés à des
moyens de réseau d'émission qui émettent les N signaux de
canal qui sont combinés.
En outre, une parabole disposée selon un montage
offset par rapport aux moyens de réseau d'émission peut être
utilisée. Cette parabole réfléchit, sous la forme d'un
faisceau, les N signaux de canal qui sont combinés.
Avantageusement, l'unité comprend, en outre, des
35 moyens de focalisation pour focaliser respectivement les N
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signaux de canal sur les moyens de réseau collecteur,
respectivement selon lesdites directions.
Selon une réalisation, les moyens de focalisation sont
sous la forme d'éléments réfléchissants sensiblement
concaves chacun associé à l'un respectif des signaux de
canal.
Selon une première variante, ces éléments
réfléchissants sont portés par une portion d'arc
parabolique.
Selon une seconde variante, ces éléments
réfléchissants sont portés par une portion de surface de
paraboloïde.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente
invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la
description suivante, en référence aux dessins annexés
correspondants, dans lesquels:
- la figure 1 est un bloc-diagramme d'une unité selon
l'invention de combinaison de signaux de canal à émettre
dans un même faisceau;
- la figure 2 est une représentation d'un réseau de
sources pour expliquer l'invention;
- la figure 3 est une vue de dessus d'éléments
réfléchissants formant partie de l'unité selon une variante
25 de l'invention;
- les figures 4 et 5 montrent respectivement une
partie de l'unité selon l'invention et un tube de champ pour
expliquer le dimensionnement de l'unité selon l'invention;
et
- la figure 6 montre une pluralité de courbes iso-
niveaux telles qu'obtenues selon l'invention.
En référence à la figure 1, une unité de formation de
faisceau selon l'invention est alimentée par N sources
respectives séparées 30, 31 et 32, en nombre N égal à 3 dans
la figure 1. Chaque source 30, 31 et 32 est par exemple
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composée d'un cornet, typiquement de petite taille. De
manière connue, un cornet comprend une portion de guide
d~accès, ou d'entrée, et une ouverture rayonnante à section
progressivement croissante. En amont de chacune respective
des N sources 30, 31 et 32, sont prévus en cascade un
amplificateur de puissance 10, 11 et 12 et un filtre de
bande 20, 21 et 22.
Les N=3 signaux de canal S0, Sl et S2 à émettre dans
un même faisceau sont centrés sur des fréquences respectives
fO, fl et f2. Par exemple, les fréquences fO, fl et f2
distinctes sont situées dans la bande des fréquences
radioélectriques 11,5 GHz-12,5 GHz. Chaque signal S0, Sl et
S2 est appliqué à une entrée d'un amplificateur respectif
10, 11 et 12 pour être amplifié à haute puissance. Chaque
signal amplifié résultant et transmis à travers un guide
d'onde à une entrée du filtre de bande correspondant 20, 21
et 22. Chaque filtre est sous la forme d'une cavité et
filtre le signal dans la bande de fréquence fO, fl et f2 du
signal S0, Sl et S2 qu'il reçoit. Les filtres 20, 21 et 22
20 ont des sorties qui sont couplées respectivement à des
entrées des cornets 30, 31 et 32 à travers des fentes. Les
cornets 30, 31 et 32 rayonnent des ondes respectives R0, Rl
et R2.
Avantageusement, ces ondes R0, Rl et R2 sont dirigées
25 vers des moyens de focalisation respectifs 40, 41 et 42 qui
sont, dans la réalisation illustrée, sous la forme
d'éléments réfléchissants, ou miroirs, sensiblement
concaves. Ces éléments réfléchissants 40, 41 et 42,
présentant une surface métallique, réfléchissent les ondes
30 R0, Rl et R2 vers un réseau collecteur 50. La forme concave
des éléments réfléchissants 40, 41 et 42 garantit une
focalisation de l'énergie des différentes ondes R0, Rl et R2
sur le réseau collecteur 50.
Selon la variante illustrée dans la figure 1, les
éléments réfléchissants 40, 41 et 42, en nombre égal à N=3,
sont portés par exemple par un arc parabolique imaginaire C
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dont la focale f coïncide avec le réseau collecteur 50.
Selon une autre variante schématisée dans la figure 3, les
sources sont en nombre égal à N=5 et disposées en croix.
Dans ce cas, les éléments réfléchissants 40, 41, 42, 43 et
44 sont portés par une surface de paraboloïde imaginaire.
Cela se traduit par le fait que les centres des différents
éléments réfléchissants 40, 41, 42 (et éventuellement 43 et
44) coïncident avec des points d'un meme arc parabolique
imaginaire C (ou une surface de paraboloïde imaginaire) dont
la focale f coïncide avec le réseau collecteur 50.
Chaque onde R0, R1 et R2 est réfléchie, en étant
focalisée, vers le réseau collecteur 50 suivant une
direction particulière grâce à un positionnement et une
convergence appropriés de l'élément réfléchissant 40, 41 et
42 qui réfléchit cette onde R0, Rl et R2. Il est à noter que
les ondes R0, R1 et R2 pourraient être focalisées sur le
réseau collecteur 50 à travers une lentille, sans réflexion.
Les directions particulières respectives selon
lesquelles les ondes R0, Rl et R2 sont émises selon
l'invention, après réflexion, vers le réseau collecteur 50
vont maintenant être explicitées en référence à la figure 2.
De maniere connue, un réseau de sources
monodimensionnel, du type montré dans la figure 2,
comprenant (M+1) sources S0, S1, S2, ... et SM alimentées en
25 phase, produit un diagramme de rayonnement dont les maximums
sont définis par des angles H tels que :
(2.~.d/~).sin(~) = 2.m.~, soit (1)
sin(~) = (m.~)/d (2)
d étant la distance entre deux sources adjacentes,
la longueur d'onde de rayonnement, ~ l'angle entre la
normale au plan des sources S0-SM et la direction
considérée, et m un entier nul, positif ou négatif.
La condition pour qu'aucun lobe de réseau,
n'apparaisse est donnée par:
d < ~. (3)
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Inversement, si d ~ ~, il y a apparition de lobes de
réseau, et le diagramme de rayonnement peut inclure
plusieurs maxlmums si l'alignement est constitué de
plusieurs sources S0-SM. C'est la nature périodique du
5 réseau de sources qui fait apparaitre ces lobes de réseau
dans le diagramme de rayonnement.
En revenant à la figure 1, le réseau collecteur 50 est
sous la forme d'un réseau d'éléments fonctionnant en
réception. Par exemple, ce réseau collecteur 50 est
10 constitué de (5 x 5) cornets disposés matriciellement.
Typiquement, le réseau collecteur 50 est à maille
rectangulaire ou triangulaire. La structure géométrique
"périodique" du réseau collecteur 50 est telle que le réseau
possède les caractéristiques d'un réseau de sources, c'est à
15 dire qu'il est apte, en émission, à générer plusieurs
maximums, de préférence d'amplitudes sensiblement
identiques, dans des directions respectives distinctes. Ces
directions correspondent aux directions de rayonnement des
ondes R0, R1 et R2 après leur réflexion respectivement sur
les éléments réfléchissants 40, 41 et 42.
Dans notre cas, le réseau collecteur fonctionne en
réception, mais compte tenu de la "réciprocité" des
fonctionnements du réseau collecteur 50 en émission et en
réception, cela se traduit par le fait qu'en réception, le
25 réseau collecteur 50 garantit un mélange, ou multiplexage,
sans perte élevée entre les différentes ondes rayonnées, ou
signaux de canal R0, R1 et R2. Il faut donc retenir que le
réseau collecteur 50 reçoit les signaux de canal R0, R1 et
R2 selon des directions respectives d~finies par des lobes
30 de réseau théoriques en émission de ces moyens de réseau
collecteur 50.
Dans les portions de guide d'entrée, ou d'accès, des
cornets du réseau collecteur 50, les différents signaux de
canal R0, R1 et R2 sont canalisés sans perte élevée. La
35 portion de guide d'accés de chaque cornet du réseau
collecteur 50 est couplée avec une portion de guide d'accès
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d'un cornet correspondant d'un réseau d'émission 51. Ce
réseau d'émission 51 est par exemple constitué de (5 x 5)
cornets disposés matriciellement. Il produit les N=3 signaux
de canal RO, R1 et R2 combinés.
Selon la réalisation illustrée, les signaux de canal
combinés émis par le réseau d'émission 51 sont réfléchis par
une portion de parabole 6. Le réseau d'émission 51 est
disposé selon un montage "offset" relativement à la parabole
6 selon un montage connu de l'homme de l'art de sorte que le
faisceau de signaux de canal F réfléchi par la portion de
parabole ne soit pas dirigé vers les éléments constitutifs
de l'unité.
Bien que dans la partie de la description qui précède,
l~on se soit limité à N=3 sources 30, 31 et 32, l'invention
15 peut être étendue à un nombre de sources plus élevé. Pour
cela, ou bien les différentes ondes rayonnées dirigées vers
le réseau collecteur 50 peuvent être portées suivant des
axes d'un même plan, ou bien les différentes ondes rayonnées
dirigées vers le réseau collecteur 50 peuvent être portées
20 par des axes appartenant à un volume délimité par un cône.
Ce dernier point résulte du fait que pour un réseau de
sources du type non pas monodimensionnel tel que présenté
dans la figure 2 mais bi-dimensionnel, les résultats obtenus
en ce qui concerne les lobes de réseau sont reproduits dans
les deux dimensions.
Il est à noter qu'un fonctionnement efficace de
l'unité selon l'invention est d'autant mieux garanti que les
fréquences fO, fl et f2 des signaux de canal RO, R1 et R2
sont proches et situées dans une bande de fréquences
30 élevées.
En référence à la figure 4, vont maintenant être
précisées les relations de dimensionnement de l'unité selon
l'invention. Plus précisément, concernant chaque source à
cornet, telle que 30, pour une tâche focale donnée
35 d'étalement WO sur le réseau collecteur 50, vont être
définies la relation entre les distances dO' et dO (dO'
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étant la distance source 30-élément réfléchissant 40 et dO
la distance el~ment réfléchissant 40-réseau collecteur 50),
et la convergence de l'élément rayonnant associé, ici 40. La
tache focale sur le réseau collecteur 50 doit posséder une
surface équiphase sensiblement plane comme cela est montré
dans la figure 5. L'on montre que le fonctionnement de
l'unité peut être approximé de manière tout à fait
appropriée par un modèle d'onde de type optique gaussien.
Chaque source, ici 30, est sous la forme d'un cornet
10 qui est défini par un étalement du champ Wl sur l'ouverture
du cornet et une longueur de cornet L.
En référence à la figure 5, pour un tube de champ, le
rayon de courbure R et l'étalement W de la distribution de
champ varie tout au long du faisceau, et une zone de champ
équiphase peut être définie en un point quelconque par le
couple (W, R), avec les relations suivantes :
R = d(1 + p2~, avec p = (2.R/k.W2), et (4)
W2 = (1 + p2).WO2, ou WO désigne l'étalement minimum du
champ.
Pour un champ équiphase, donc de rayon de courbure
infini, et d'étalement WO sur le réseau collecteur 50, il
peut alors être montré que l'étalement W(dO) sur l'élément
réfléchissant est donné par :
W~dO) = WO.~l+(~ WO')~' et que le rayon de courbure
25 Rl(dO) de l'onde au voisinage de l'élément réfléchissant 40
en direction du réseau collecteur 50 est donné par :
Rl(dO) = k.(W02/2.dO)2 .[1 + (2.dO/k.WO2)2], en prenant
comme référence d=O sur le réseau collecteur 50, et d=dO sur
l'élément réfléchissant 40.
L'onde gaussienne au niveau de l'ouverture du cornet
est caractérisée par le couple (W1, L). En écrivant que
cette onde, après propagation sur le trajet de longueur dO'
source 30-élément rayonnant 40, doit avoir pour paramètre
(W(dO), Rl(dO)), dO' peut être exprimée en fonction de dO :
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dO'(dO) = [k.Wl.(~(dO) - ~)]/[2.(1 + ~2)] (5)
~(dO) ~(1+~2)(W(d~))2-l, et ~ = k.W1 /2.L
Par ailleurs, la convergence C de l'élément
réfléchissant 40 est donnée par :
C = 1/Rl(dO) + 1/R2(dO~)
R2(dO) étant le rayon de courbure de l'onde au
voisinage de l'élément réfléchissant 40 en provenance de la
source 30, et étant définie par :
R2(dO) = k.(W(dO))2/2.~(dO).
Dans ce qui précède, le signe de chaque rayon de
courbure doit respecter la règle selon laquelle ledit signe
est positif si l'onde diverge et est négatif si l'onde
converge.
Le fonctionnement de l'unité décrite ci-dessus a été
simulée pour la réalisation selon laquelle le réseau
collecteur 50 comprend 5 rangées de 5 cornets. Les (5x5)
cornets sont disposés matriciellement et la section de
l'extrémité d'évasement de chaque cornet est un carré de
côté de longueur égale à 26, 2 mm. Les sources 30, 31, 32,
etc... sont en nombre égal à N=5 et disposées en croix. Dans
ce cas, comme montré dans la figure 3, les éléments
réfléchissants 40, 41, 42, 43 et 44 sont portés par une
surface de paraboloïde imaginaire dont la focale f coïncide
avec le réseau collecteur 50. Le réseau d'émission 51
comprend 5x5 cornets, chacun alimenté par un cornet
correspondant respectif du réseau collecteur 50. Pour chaque
source, le diagramme de rayonnement est modélisé par un
diagramme en cos~
Ci-après sont données 4 "matrices" de couplage.
Chacune d'elles définit, pour une source donnée, les
coefficients de couplage de chacun des (5x5) cornets du
reseau collecteur 50. Chaque coefficient est donné en
amplitude (dB) et en phase (~) sous la forme d'un couple
(X(dB); Y(o)).
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PRT~MI~.R~ MATRI~ A.sSOCI~ A T.~ SOUR~ IT,T,UMINANT T,F~
MIROIR 42(FIG.3~.
(-28,6jS9,5)t-18,9;55,07)~17,7j55)(-18,9;55)(-28,6j59,5)
(-21,7;50)(-12,5j44,9)(-9,9j41) (-12,5j44,9)(-21,7jSO,4)
(-19,6j47,1)(-9,4;49,4)(-6,8j51,5)(-9,4j49,4)(-19,6j47,1)
(-22,2j43,6)(-12,2j52)(-9,9j56) (-12,2j52)(-22,2j43,6)
(-29,5j35,8)(-19,7j44,1)(-17,6j48,2)(-19,7j44,1) (-29,5j35,8)
S~COND~ MATRIC~ A.SSOCIT~ A T,~ SOURC~ IT.T.UMIN~NT T,~
MIROIR 41 (FIG.3).
(-25,2jl40,9)(-21,2jl41)(-20,8jl32,8) (-21,2,141) (-25,2jl40,9)
(-21,3jl31,3) (-12,7jll9,7) (-10,2jl20,4) (-12,7jll9,7) (-21,3jl31,3)
(-18,5jl20,6)(-8,9jl26,9)(-6,8jl32,1) (-8,9jl26,9) (-18,5jl20,6)
(-21,2jlO9,5)(-12jl23)(-10,1jl28,9)(-12jl23)(-21,2jlO9,5)
(-31,2j75,2)(-21j97,1)(-19,1jlO3,9)(-21j97,1)(-31,2j75,2)
TROISI~MF. MATRIC~ ASSOCIF.~ A T.~ SOURC~ IT,T.UMINANT T.
MIROIR 40 (FIG.3).
(-23,6jlOO,8) (-19,2jl34,9) (-17,7jl27,9) (-19,2jl34,9) (-23,6jl47,8)
(-20,8jl44,4) (-13,4jl37,8) (-11,5jl38,2) (-13,4jl37,8) (-20,8;144,4)
(-18,7;137,1)(-10,4jl45)(-8,6jl49,3)(-10,4;145)(-18,7;137,1)
(-19,1;123,6) (-10,9;142,1) (-9,32jl48,8) (-10,9jl42,1) (-19,1jl23,6)
(-22,4j93,7)(-14,6;120,7)(-13,1;129,3) (-14,6jl20,7) (-22,4j93,7
TROISI~M~ MATRI~ A.SSOCI~F. AUX DF~UX SOURCT~.S
IT,T,UMIN~NT RF..5PF:CTIV~ NT T,T~'..S MIROIRS 43 et 44 ~FIG.3).
(-27,5jlOO,8)(-22,6jlO6,9) (-18,6jl22,3)(-31jl66,3) (-23,7jl77)
(-17,5jll5,6)(-14,4jl29,8) (-7,3jl20,8)(-13,8jlOl,4) (-24,3;101,7)
(-16,1;140,6)(-15,2jl55,1) (-5,6jl34,1)(-11,1jll5,8) (-15,4jlO2,8)
(-19,2jl34,1)(-18,1jl43,4) (-8,4jl30,6)(-13,5jl20,7) (-16,7jll2,8)
(-27,9jll5)(-28,4jl20,6)(-17,9jlO4)(-22,8j94,2)(-24,5j84,3)
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Les deux matrices associées aux sources illuminant les
miroirs 43 et 44 sont identiques en raison de la disposition
symétrique de ces deux sources par rapport au réseau
S collecteur 50.
Ces matrices montrent la bonne constance de la phase pour
chacun des cornets du réseau, ce qui garantit le bon
fonctionnement de l'unité selon l'invention.
10 Dans la figure 6, sont montrés les lignes isoniveaux des
champs correspondant aux 4 matrices qui montrent que des
spots formés par l'unité de l'invention sont sensiblement
concentriques.
