Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02289007 1999-11-05
WO 99/00870 PCT/FR98/01345
1
ANTEI~TE A FORTE CAPACITÉ DE BALAYAGE
La présente invention est relative à une antenne à
forte capacité de balayage. Elle concerne plus particulièrement
une antenne qui est destinée â un système de télécommunication,
notamment par satellites.
Pour diverses applications, on a souvent besoin d'an-
tennes destinées â recevoir des signaux d'une source mobile
et/ou émettre des signaux vers un récepteur (ou cible) mobile.
Pour réaliser de telles antennes d'émission et/ou de rêception
on utilise le plus souvent des antennes actives constituées
d'êléments rayonnants immobiles mais dont on peut faire varier
la direction du diagramme de rayonnement en faisant varier la
phase des signaux alimentant les êlêments rayonnants.
Cette technique ne permet pas d'obtenir des diagrammes
de rayonnement satisfaisants pour les angles de dépointage
importants, c'est-à-dire pour les directions s'écartant de façon
notable de la direction moyenne d'émission et/ou de réception.
Le suivi d'une source ou d'un rêcepteur peut également
être effectué à l'aide d'une antenne conventionnelle, un moteur
commandant le déplacement de cette antenne. Ce type d'antenne à
éléments mécaniquement mobiles et â moteur ne convient pas pour
toutes les applications. En particulier, pour les applications
spatiales il est préférable d'êviter, pour des raisons de
CA 02289007 2004-03-10
2
fiabilité, d'encombrement et de poids, l'utilisation d'une telle
antenne.
L'invention remédie à ces inconvénients. Elle permet
la réalisation d'une antenne à forte capacité de balayage avec
un diagramme de rayonnement satisfaisant pour les angles de
dépointage importants et qui ne fait pas appel à des organes
mobiles.
L'antenne conforme à l'invention comporte un ensemble
d'éléments rayonnants statiques commandés pour réaliser un bala-
yage et des moyens réflecteurs pour amplifier l'angle de
lp balayage fourni par les éléments rayonnants. Les moyens
réflecteur comportent deux réflecteurs présentant un foyer
commun le premier réflecteur recevant le faisceau émis par
l'ensemble d'éléments rayonnants et le deuxième réflecteur
recevant le faisceau réfléchi par le premier réflecteur.
Selon l'invention la distance focale du premier
réflecteur est supérieure à la distance focale du deuxième
réflecteur de telle sorte que le faisceau sortant de l' antenne
présente une inclinaison par rapport à une direction
prédéterminée qui est supérieure à l'inclinaison O, par rapport
à la direction donnée, du faisceau émis par les éléments
rayonnants.
20 Ainsi l'angle du balayage effectué par les éléments
rayonnants peut être réduit en proportion de l'amplification
réalisée par les moyens réflecteurs. De cëtte manière, les
éléments rayonnants ne sont pas utilisés pour des angles de
dépointage trop importants. En outre les contraintes imposées à
des éléments rayonnants devant effectuer un balayage selon un
angle réduit, sont beaucoup moins sévêres. En particulier, les
dimensions de l'ensemble sont moins limitées, ce qui permet un
pas, c'est-à-dire une distance entre deux éléments rayonnants
adjacents, d'une valeur suffisante pour éviter les lobes de
réseaux sans compromettre la propagation du rayonnement.
30 De préférence, les moyens réflecteurs sont en
fait analogues à ceux habituellement utilisés, par exemple
CA 02289007 2004-03-10
3
dans les antennes Cassegrain, pour augmenter la taille du
faisceau. Toutefois avec l'invention les moyens réflecteurs
sont utilisés à l'inverse de l'usage habituel. En effet,
dans une antenne Cassegrain, une augmentation de la taille
du faisceau correspond à une diminution de l'angle de
balayage.
De préférence, dans une réalisation, chaque
réflecteurs comporte, par exemple, un paraboloïde. Le gain
de l'amplification en balayage dëpend du rapport entre les
distances focales des deux réflecteurs.
Ce rapport est, par exemple, de quatre.
De préférence, les réflecteurs sont disposés de
façon telle que le faisceau de sortie ne soit pas occulté,
même partiellement, par le premier réflecteur, c'est-à-dire
le réflecteur recevant directement le faisceau provenant
des éléments rayonnants.
Une application prêférée de l'invention concerne une
antenne pour la communication avec une pluralité de sources ou
récepteurs se trouvant dans une zone étendue, la communication
devant rester confinée dans la zone malgrë le changement de
pôsition de l'antenne par rapport à la zone.
Ce problème se pose en particulier dans un systême de
télécommunication â rêseau de satellites à orbite basse_ Un tel
système a déjà êtê proposé pour la communication à haut débit
entre stations ou mobiles terrestres se trouvant dans une zone
géographique déterminée d'une êtendue de plusieurs centaines de
kilomêtres. Les satellites ont une altitude qui se situe entre
1000 et 1500 km.
Dans ce système, chaque satellite comporte des groupes
d'antennes de-réception et d'émission, chaque groupe êtant dëdié
à une zone donnée. Dans chaque groupe les antennes de rëception
reçoivent les signaux provenant d'une station dans la zone et
les antennes réémettent les signaux reçus vers une~autre station
CA 02289007 2004-03-10
3a
dans la même zone. Les antennes d'un groupe restent constamment
orientées vers la zone, tant que celle-ci reste dans le champ de
vision du satellite. Ainsi, pour un satellite, une rëgion de la
terre est divisée en n zones et quand il se dêplace au-dessus
CA 02289007 1999-11-OS
WO 99/00870 PCT/FR98/01345
4
d'une région, à chaque zone est affecté un groupe d'antennes
d'émission et de réception qui restent constamment orientées
vers cette zone.
De cette manière, pendant le déplacement - par exemple
d' une durée d' une vingtaine de minutes - du satellite au-dessus
d'une région, un seul groupe d'antennes d'émission et de récep-
tion étant affecté à la zone, on évite des commutations d'une
antenne â une autre qui pourraient être dommageables à la rapi-
dité ou la qualité de la communication.
l0 Par ailleurs, la basse altitude des satellites
minimise les temps de propagation, ce qui est favorable à des
communications de type interactif, notamment pour des
applications dites multimédias.
On comprend qu'avec ce système de télécommunication il
est préférable qu'une antenne destinée â une zone ne puisse être
perturbêe par les signaux provenant d'une autre zone ou qu'elle
ne perturbe pas d' autres zones . En outre le diagramme de rayon
nement présente une forme variable en fonction de la position
relative du satellite par rapport à la zone. Quand les zones
sont, sur la terre, toutes circulaires, l'antenne voit la zone
sous la forme d'un cercle quand le satellite est au nadir de
cette zone ; par contre quand le satellite s'éloigne de cette
position l'antenne voit la zone sous la forme d'une ellipse
d'autant plus aplatie qu'il se rapproche de l'horizon.
On a constaté qu'une antenne conforme à l'invention
dans laquelle les réflecteurs sont des paraboloïdes permet
d'adapter la trace au sol du diagramme à la position relative de
l'antenne par rapport à la zone, sans qu'on ait à modifier le
diagramme de rayonnement fourni par les éléments rayonnants.
En outre, l'antenne présente un gain important quand
le satellite se trouve proche de l'horizon par rapport à la
zone. Or, dans ce cas, la distance du satellite à la zone est 1a
plus importante ; ainsi l'augmentation du gain compense
l'augmentation de distance, ce qui est favorable au maintien des
communications.
CA 02289007 2004-03-10
De préférence, pour le suivi d'une zone, dans une
réalisation, on prévoit deux antennes du type mentionné ci-
dessus, chaque antenne étant utilisée pour un balayage
encore plus réduit.
Une antenne selon l'invention peut être utilisée pour
suivre plusieurs zones, les éléments rayonnants pouvas-~t
recevoir, ou émettre, des signaux de, ou vers, plusieurs zones.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
apparaîtront avec la description de certains de ses modes âe
1~ réalisation, celle-ci étant effectuée en se rëférant aux dessins
ci-annexés sur lesquels .
la figure 1 est un schéma montrant un système de télé-
communication entre stations ou mobiles terrestres faisant appel
â un système de satellites,
la figure 2 est un schéma illustrant un système de
télécommunication,
la figure 3 est un schéma en coupe d'une antenne
conforme à l'invention,
la figure 4 est un schéma en coupe pour une variante,
la figure 5 est un schëma montrant la région que peut
couvrir l'antenne représentée sur la figure 4,
20 la figure 6 est un schéma montrant deux antennes asso-
ciées pour couvrir l'ensemble des zones reprësentëes sur la
figure 5 , et
la figure 7 est un schéma en perspective d'une réali-
sation faisant appel à des antennes associées.
L'exemple d'antenne que l'on va décrire est destiné â
un système de télécommunication faisant appel à une
constellation de satellites à orbite basse, environ 1300 km au-
dessus de la surface 10 de la terre.
Le systëme doit établir des communications entre des
utilisateurs 12, 14, 16 (figure 1) et une, ou plusieurs, sta
30 tion(s) de connexion 2o à laquelle sont connectés des fournis
seurs de services tels que des bases de données. Les communi-
cations sont également établies entre les utilisateurs par l'in-
termédiaire de la station de connexion 2o.
CA 02289007 1999-11-OS
WO 99/00870 PCT/F'R98/01345
6
Ces communications sont réalisées par l'intermédiaire
d'un satellite 22.
Dans le systëme, à chaque instant, le satellite 22
voit une région 24 de la terre (figure 2) et cette région est
divisée en zones 261, 262...26n.
Chaque zone 26i a la forme d'un cercle d'un diamètre
d'environ 700 km. Chaque région 24 est délimitée par un cône 70
(figure 1) centré sur le satellite et d'un angle au sommet
déterminé par l'altitude du satellite. Une région est ainsi la
partie de la terre visible depuis le satellite. Quand l'altitude
du satellite est de 1300 km, l'angle au sommet est de Ilo°
environ.
La communication entre zones est effectuée à l'aide de
moyens terrestres, par exemple à l'aide de câbles disposés entre
les stations de connexion des diverses zones faisant partie
d'une même région ou de régions différentes.
Le nombre et la disposition des satellites sont tels
qu'à chaque instant, une zone 26i voit deux ou trois satellites.
De cette manière, quand une zone 26i sort du champ de vision du
satellite affecté aux communications dans cette zone, il reste
un satellite pour prendre le relais et la commutation d'un
satellite à l'autre s'effectue de façon instantanée.
Toutefois une telle commutation n'intervient que
toutes les vingt minutes environ. En pratique cette commutation
se produit quand, pour la zone 26i en question, l'élévation du
satellite descend en dessous de 10°.
Les antennes selon l'invention sont, au cours du
déplacement du satellite au-dessus d'une région 24, toujours
pointées vers la même zone ou un même ensemble de zones. Elles
doivent donc présenter une forte capacité de balayage ou
dépointage.
A cet effet, l'antenne comprend (figure 3) un panneau
30 d'éléments rayonnants associé à un réseau formateur de
faisceau (non montré) de commande de la phase des signaux appli-
gués aux éléments rayonnants. Un faisceau 32 émis par le panneau
CA 02289007 1999-11-OS
- . WO 99/00870 PCT/FR98/01345
7
30 est dirigé vers un premier réflecteur 34 ayant la forme d'un
. paraboloïde à découpe circulaire. Ce réflecteur est un élément
d'une surface fictive 36 dont l'axe 38, sur lequel se trouve le
foyer 40, est éloigné du rëflecteur 34.
L'axe 38 est perpendiculaire au plan du panneau 30.
Le faisceau 42 réfléchi par le rêflecteur 34 est
dirigé vers un second réflecteur 44 disposé à l'opposé de l'axe
38 par rapport au réflecteur 34 et au panneau 30. Ce réflecteur
44 est également un élément d'une surface fictive 46, qui dans
le plan de la figure 3, est une parabole de même foyer 40 que la
parabole 36 et de même axe 38. La surface 46 est également un
paraboloïde.
La concavité du réflecteur 44 est tournêe vers la
concavité du réflecteur 34.
La distance focale du réflecteur 44 est par exemple
quatre fois plus faible que la distance focale du réflecteur 34.
L'axe 38 ne forme pas d'intersection avec les réflec-
teurs 34 et 44 . Le bord 441 du réf lecteur 44 le plus proche de
l'axe 38 est à une distance de l'axe sensiblement plus faible
que la distance du bord 341 correspondant du réflecteur 34 à
l'axe 38.
Dans l'exemple représenté sur la figure 3 le réseau 30
a une forme extérieure générale d'un cercle de diamètre 30 cm
(ou 12 ~.) environ avec 37 éléments rayonnants séparês les uns
des autres de 42 mm, soit 1, 7 ~,, ~, ëtant la longueur d' onde du
rayonnement.
Chacun des réflecteurs est découpé selon un cercle. Le
diamètre du cercle limitant le réflecteur 34 est, dans cet exém
ple, de l' ordre de 28 7~, tandis que le diamètre du cercle limi
tant le rêflecteur 44 est de l'ordre de 30 ~,. La distance sépa
rant le bord 341 de l'axe 38 est de 24 ~, et la distance entre le
bord 441 du réflecteur 44 et l'axe 38 est de 4 ~..
Lorsque le réseau 30 êmet un faisceau d'ondes 321
parallèle à l'axe 38; c'est-à-dire perpendiculaire à son plan,
ce faisceau est réfléchi par le réflecteur 34 de façon telle
CA 02289007 1999-11-OS
WO 99/00870 PCT/FR98/01345
8
qu'il soit focalisé au foyer 40. Dans ces conditions le
réflecteur 44 renvoie ce faisceau 322 parallèlement à l'axe 38
comme représenté par le faisceau 323.
Quand le réseau 30 êmet un faisceau 325 incliné d'un
angle O relativement faible par rapport à l'axe 38, le faisceau
326 réfléchi par le réflecteur 34 converge en un point 50 proche
du foyer 40 et le faisceau 32~ réfléchi par le réflecteur 44 est
incliné d'un angle qui est d'environ n fois l'angle O, n étant
le rapport de la distance focale f du réflecteur 34 à la
distance focale f' du réflecteur 44. Dans l'exemple, ce rapport
entre les distances focales étant de quatre, le faisceau 32~ est
donc incliné d'un angle 40 par rapport à l'axe 38.
Cette amplification dans le rapport des distances
focales ne se vérifie cependant pas pour des faisceaux 3210.
ëmis par le réseau 30, qui présentent un angle d'inclinaison
important par rapport à l'axe 38.
On voit ainsi sur la figure 3 que le faisceau 3210 est
réfléchi en un faisceau 3211 par le réf lecteur 34 et ce dernier
converge en un point 52 éloigné du foyer 40. Le faisceau 3211
est réfléchi par le réflecteur 44 selon un faisceau 3212.
Par exemple, pour un faisceau d'azimut cp - 90° et
d'inclinaison O de 4,5° par rapport à l'axe 38,c'est-à-dire par
rapport à la normale au plan du réseau 30, le faisceau 32~,
également d'azimut 90°, est incliné de 18° par rapport à l'axe
38. Cette valeur correspond bien à 40.
Par contre, pour une inclinaison, ou dépointage, de
-14° (faisceau 3210), également avec un azimut de 90°, on
constate que le faisceau 3212 présente une inclinaison de 38°
par rapport à l'axe 38, ce qui est sensiblement inférieur au
quadruple de l'inclinaison du faisceau 3210. L'azimut du
faisceau 3212 est également de 90°.
Dans l'exemple, pour un azimut de 90°, le faisceau
émis par le rêseau 30 peut balayer un angle O compris entre 4,5°
et
-14°. Ces limites sont imposées, en premier lieu, par la géomé-
CA 02289007 1999-11-OS
WO 99/00870 PCT/FR98/01345
9
trie car le faisceau rflchi par le rflecteur 34 doit
atteindre le rflecteur 44 et, en outre, le faisceau rflchi
par le rflecteur 44 ne doit pas tre occult par le rflecteur
34. En second lieu, les performances de rayonnement des
faisceaux convergeant en avant (dans le sens du faisceau
sortant) du foyer 40 limitent aussi le balayage car, pour
ces
faisceaux inclins, on s'loigne du fonctionnement nominal.
La figure 4 se rapporte une variante de la figure 3
dans laquelle le rflecteur 44' prsente une forme gnrale
ovode, c'est--dire plus allonge dans une direction que dans
la direction orthogonale, et le rflecteur 34' prsente, comme
le rflecteur 34, une dcoupe circulaire.
Le rflecteur 44' prsente sa plus grande dimension
dans le plan de symtrie gui est perpendiculaire l'axe 38
commun aux deux parabolodes. Dans cet exemple cette plus
grande
dimension est de 48 7~ environ.
Pour le reste les caractristiques sont les mmes que
dans le cas de la figure 3.
Avec la gomtrie reprsente sur la figure 4 on
obtient, pour un azimut de 90, les mmes performances que
l'antenne reprsente sur la figure 3.
Pour un faisceau mis par le rseau 30 d' azimut 0 on
constate, pour une inclinaison O - -5 par rapport l' axe
38,
que le faisceau sortant est inclin de -20 avec un azimut
de
2,3. Pour un dpointage O = -15 et galement un azimut de 0,
le dpointage du faisceau sortant est de -45 avec un angle
d'azimut de 31,5.
Avec ce rflecteur pour un azimut de 90 on peut faire
varier le dpointage du faisceau mis par le rseau 30 de +4
-14 dans le plan contenant le centre du rseau 30 et l'axe
38
' et de +15 -15 dans le plan de symtrie.
Avec de tels dpointages l'antenne ne permet pas de
couvrir l'intgralit de la rgion vue par le satellite mais
la
fraction 80 de cette rgion qui est hachure sur la figure
5.
Cette fraction 80 reprsente environ 60% de la rgion.
- __ _ ._ _ _ ___ T _.
CA 02289007 1999-11-OS
WO 99/00870 PCT/FR98/01345
Pour pouvoir couvrir l'intégralité de la région, on
fait appel à un couple d'antennes arrangé comme représenté sur -
la figure 6. Dans cet exemple, une antenne 90 émet de façon
privilégiée vers l'Ouest, tandis qu'une antenne 92 êmet de façon
5 privilégiée vers l'Est.
Les deux antennes 90 et 92 sont solidaires d'un
support plan 94 dont la normale 96 est dirigée vers le centre de
la terre. Autrement dit l'axe 96 est toujours pointé vers le
point 100 sur la figure 5.
10 Les antennes 90 et 92 émettent vers des régions symé-
triques par rapport à l'axe 102 (Figure 5). Ainsi l'antenne 90
émet vers la région 80 tandis que l'antenne 92 émet vers la
région symétrique de cette région 80 par rapport à l'axe 102.
L'axe 381 de l'antenne 90 est, par rapport, à l'axe 96 incliné
de façon telle qu'il soit dirigé vers une zone 26p (figure 5)
correspondant sensiblement au centre de la région 80. Bien
entendu l'axe 382 de l'antenne 92 est incliné de façon
symétrique.
I1 est à noter que le même réseau d'éléments
rayonnants 30 peut être utilisé pour émettre plusieurs
faisceaux. Autrement dit le même réseau 30 associé aux
réflecteurs 34 et 44 ou 34' et 44', peut être, utilisé pour
émettre vers plusieurs zones ou recevoir des signaux de
plusieurs zones.
Dans l'exemple représenté sur la figure 7 un même sup-
port 94 porte deux couples d'antennes 901, 921 et 902, 922. Cha-
que antenne, par exemple celle de rêférence 921, comprend deux
panneaux d'éléments rayonnants, l'un 301 pour l'émission, et
l'autre 302 pour la réception.
Quel que soit le mode de réalisation on constate que
le gain est plus important en limite de région 24 qu'au nadir.
En effet, les limites de région correspondent aux inclinaisons
les plus importantes pour lesquelles l'aire concernée du
réflecteur de sortie (ou ouverture rayonnante) est la plus
3 5 importante et donc pour lesquelles la résolution est la plus
CA 02289007 1999-11-05
WO 99/00870 PCT/FR98/01345
11
importante. Cette propriété apparaît sur la figure 3 oü l'on
voit que sur le réflecteur 44 le faisceau 3212 correspond à une
aire plus importante que le faisceau 323. De cette manière, pour
les zones les plus inclinées qui sont les plus éloignes,
l'augmentation du gain compense l'augmentation de distance.
Par ailleurs on a aussi constaté que la forme de la
trace au sol s'adapte à la zone visée.
