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CA 02351119 2001-06-19
ANTENNE DE TELECOMMUNICATION DESTINÉE A COUVRIR UNE LARGE ZONE
TERRESTRE
L'invention est relative à une antenne de
télécommunication installée dans un satellite géostationnaire et
destinée à relayer des communications sur un territoire étendu.
Pour assurer des communications sur un territoire
étendu, par exemple de la dimension de :L'Amérique du Nord, on
fait appel un satellite géostationnaire comprenant une antenne
d'émission et une antenne de réception dont chacune présente un
réflecteur associé à une multiplicité d'éléments rayonnants ou
sources. Afin de pouvoir réutiliser des ressources en
communication, notamment des sous-bandes de fréquences, le
territoire à couvrir est divisé en zones et ces ressources sont
affectées aux diverses zones de façon telle que lorsqu'à une zone
est affectée une ressource, aux zones adjacentes on affecte des
ressources différentes.
Chaque zone, par exemple, d'un diamètre de l'ordre de
plusieurs centaines de kilomètres, est d'une étendue telle
qu'elle doit être couverte par plusieurs éléments rayonnants afin
d'assurer un gain élevé et une homogénéité suffisante du
rayonnement de l'antenne dans la zone.
Ainsi sur la figure 1, on a représenté un territoire 10
couvert par une antenne à bord d' un satellite géostationnaire et
n zones 121, 122, ..., 12n. Dans cet exemple, on utilise 4 sous-
bandes de fréquences f1, f2, f3, f4.
La zone 12i est divisée en plusieurs sous-zones 141,
142, etc. dont chacune correspond à un élément rayonnant de
l'antenne. La figure 1 montre qu'à certains éléments rayonnants,
par exemple celui de .référence 143 au centre de la zone 12i, ne
correspond qu'une seule sous-bande de fréquences f4, alors que
d'autres, tels que ceux se trouvant à la périphérie de la zone
12i sont associés à plusieurs sous-bandes, celles qui sont
affectées aux zones adjacentes.
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La figure 2 représente une antenne de réception d'un
type connu pour un tel système de télécommunication.
Cette antenne comporte un réflecteur 20 et une pluralité
d'éléments rayonnants 221, ..., 22N se trouvant à proximité du plan
focal du réflecteur. Le signal reçu par chaque élément rayonnant,
par exemple celui de l'élément 22N, traverse d'abord un filtre
24N destiné notamment à éliminer la fréquence d'émission
(puissante) puis un amplificateur à faible bruit 26N. A la sortie
de l'amplificateur à faible bruit 26N, le signal est, grâce à un
diviseur 30N, divisé en plusieurs parties, éventuellement avec
des coefficients qui peuvent différer d' une partie à une autre ;
le but de cette division est de permettre qu'un élément rayonnant
puisse participer à la formation de plusieurs faisceaux. On voit
ainsi qu'une sortie 321 du diviseur 30N est affectée à une zone
34p, alors qu'une autre sortie 32i du diviseur 30N est affectée à
une autre zone 34q.
Les diviseurs 301, ..., 30N ainsi que les sommateurs
34p, ..., 34q destinés à reconstituer les zones font partie d'un
dispositif 40 appelé réseau formateur de faisceaux ou pinceaux.
Dans le réseau formateur de faisceaux 40 représenté sur
la figure 2, on prévoit pour chaque sortie de chaque diviseur
30i, un ensemble comportant un déphaseur 42 et un atténuateur 44.
Les déphaseurs 42 et atténuateurs 44 permettent de modifier le
diagramme de rayonnement soit pour le corriger, si le satellite a
subi un déplacement indésiré, soit pour conférer une répartition
différente aux zones terrestres.
Par ailleurs, à chaque amplificateur à faible bruit 26N
est associé un autre amplificateur à faible bruit 26'N, qui lui
est identique et dont le but est de remplacer l'amplificateur 26N
en cas de panne de ce dernier. A cet effet, on prévoit deux
commutateurs 46N et 48N permettant le remplacement. I1 est donc
nécessaire de prévoir des moyens de télémesure (non montrés) pour
détecter la panne et des moyens de télécommande (également non
représentés) pour assurer le remplacement.
On constate que dans un système d'antenne du type de
celui représenté sur la figure 2, le nombre d'amplificateurs à
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faible bruit et le nombre de déphaseurs et d'atténuateurs sont
importants. Un nombre élevé de composants dans un satellite est
un inconvénient gênant en raison de la masse. En outre le nombre
élevé de déphaseurs 42 et d'atténuateurs 44 n'est pas favorable à
la fiabilité.
L'invention permet de réduire dans une proportion
importante le nombre d'amplificateurs à faible bruit et le nombre
de déphaseurs et d'atténuateurs.
A cet effet, une antenne de réception selon l'invention
comprend:
- au moins une première matrice de type Butler dont
chaque entrée reçoit le signal d'un élément rayonnant
et à chaque sortie de laquelle est associé un
amplificateur à faible bruit en série avec un
déphaseur et, de préférence, un atténuateur,
- une seconde matrice de type Butler inverse de la
première comportant un nombre d'entrées égal au
nombre de sorties de la première et un nombre de
sorties égal au nombre d'entrées de la première
matrice de type Butler, les sorties de la seconde
matrice étant recombinées pour former les faisceaux
des zones, et
- des moyens de commandes des déphaseurs et, le cas
échéant, des atténuateurs, pour corriger, ou
modifier, les faisceaux.
Dans une matrice de type Butter, qui est formée de
coupleurs 3dB, le signal sur chaque sortie est une combinaison
des signaux sur toutes les entrées, mais les signaux provenant
des diverses entrées ont une phase déterminée, distincte d'une
entrée à une autre, ce qui permet, après passage dans la matrice
de type Butter inverse, de reconstituer intégralement les signaux
d'entrées, après amplification et déphasage, et atténuation le
cas échéant.
Le nombre de sorties de la première matrice de Butter
est de préférence égal à son nombre d'entrées. Dans ces
conditions, le nombre d'amplificateurs à faible bruit est égal au
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nombre d'éléments rayonnants alors que dans la réalisation
antérieure, telle que celle représentée sur la figure 2, le
nombre d'amplificateurs à faible bruit est le double du nombre
d'éléments rayonnants. En outre, le nombre de déphaseurs est
aussi égal au nombre d'éléments rayonnants alors qu'avec la
technique antérieure ce nombre de déphaseurs et d'atténuateurs
est sensiblement supérieur puisque le signal de sortie d'un
élément rayonnant est divisé et que le déphasage et l'atténuation
42, 44 sont affectés à chaque voie du réseau formateur de ,
faisceau.
Pour corriger ou modifier les faisceaux dans une antenne
de réception selon l'invention, la commande à appliquer aux
déphaseurs en série avec les amplificateurs à faible bruit est
particulièrement simple.
Grâce à l'utilisation de matrices de type Butler,
lorsqu'un amplificateur à faible bruit tombe en panne, le signal
est réduit uniformément sur toutes les sorties.
Pour diminuer l'effet de la panne d'un amplificateur sur
les signaux de sortie, dans un mode de réalisation
l'amplificateur à faible bruit qui est associé à chaque sortie de
la première matrice de type Butler, comprend une pluralité, par
exemple une paire, d'amplificateurs en parallèle grâce, par
exemple, à des coupleurs. Dans ces conditions, l'effet de la
panne d'un seul des deux amplificateurs d'une paire entraîne une
dégradation au moins deux fois moins importante qu'avec un seul
amplificateur associé à chaque sortie.
On peut montrer que si l'on utilise des matrices de
Butler d'ordre 8 et une paire d'amplificateurs en parallèle
associée à chaque sortie, la dégradation est de -0,56 dB, et avec
des matrices de Butler d'ordre 16 - également avec une paire
d'amplificateurs associée à chaque sortie de la première matrice
de type Butler - la dégradation est de -0,28 dB.
Dans un mode de réalisation, on tait appel à une
pluralité de matrices bidimensionnelles associées, par exemple
dans des plans différents, de façon que chaque signal reçu par un
élément rayonnant soit réparti sur nx n amplificateurs à faible
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bruit, n étant l'ordre de chaque matrice bidimensionnelle. Dans
un exemple, n=8 et, dans ces conditions, chaque signal reçu par
un élément rayonnant est réparti sur 64 amplificateurs à faible
bruit. Dans cet exemple, une panne d'un amplificateur n'entraîne
5 qu'une perte de -0,14 d8 si un seul amplificateur est associé à
chaque sortie.
L'invention s'applique également à une antenne
d'émission avec une structure analogue. Dans ce cas, les entrées
de la première matrice de type Butler reçoivent les signaux à
émettre, tandis que ce sont les sorties de la seconde matrice de
type Butler qui sont connectées aux éléments rayonnants. Bien
entendu, à la place d'amplificateurs à faible bruit, on prévoit,
pour de telles antennes d'émission, des amplificateurs de
puissance.
Dans un mode de réalisation qui s'applique tant à
l' émission qu' à la réception, l' une des matrices de Butler et le
réseau formateur de faisceaux constituent un dispositif unique.
Il est vrai qu'il est déjà connu d'utiliser une
structure à deux matrices de Butler pour des antennes d'émission
afin de répartir la puissance d'émission sur l'ensemble des
amplificateurs de puissance, mais, dans ces antennes connues, la
correction ou la reconfiguration des faisceaux était obtenue
comme décrit en relation avec la figure 2 pour les antennes de
réception. Ainsi, pour les antennes d'émission, l'invention
permet de réduire le nombre de déphaseurs, et d'atténuateurs
éventuellement, et simplifie aussi la commande de ces derniers.
Par ailleurs, pour les antennes de réception, l'invention, comme
inàiqué ci-dessus, réduit (par rapport aux antennes de réception
connues) le nombre d'amplificateurs à faible bruit.
Chaque couple de matrices de Butler correspond, de
préférence, à plusieurs zones. I1 est même possible de prévoir
une seule matrice de Butler pour l'ensemble des zones. Cependant,
pour des raisons de simplicité de réalisation, il est préférable
de prévoir plusieurs matrices de Butler. Dans ce cas, certains
des éléments rayonnants peuvent être affectés à deux matrices de
Butler différentes. Dans cette hypothèse, une panne d'un
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amplificateur associé à une matrice de Butter d'une paire de
telles matrices conduit à une dégradation des signaux pour
l'ensemble des faisceaux associés à 1a matrice de Butter
correspondante. Par contre s'il ne se produit pas de panne
d'amplificateur pour la matrice de Butter de la même paire, il se
produira alors une atténuation pour les sous-zones correspondant
à la première matrice de la paire alors qu'il n'y aura pas
d'atténuation pour les sous-zones de la seconde matrice de la
paire.
Pour remédier à cet inconvénient, l'invention prévoit,
dans un mode de réalisation, de commander les atténuateurs
associés à une matrice de Butter adjacente à une matrice pour
laquelle au moins un amplificateur est tombé en panne de façon à
homogénéiser les puissances d'émission ou de réception.
Ainsi, l'invention concerne une antenne de réception (ou
d'émission) pour satellite géostationnaire d'un système de
télécommunication destiné à couvrir un territoire divisé en
zones, le faisceau destiné à chaque zone ëtant défini à partir de
plusieurs éléments rayonnants, ou sources, disposés au voisinage
du plan focal d'un réflecteur, l'antenne comportant des moyens
pour modifier les emplacements de zones ou pour corriger un
défaut de pointage de l'antenne. Cette antenne est caractérisée
en ce qu'elle comprend au moins une première matrice de type
Butter dont chaque entrée (ou sortie) est connectée à un élément
rayonnant et dont chaque sortie (ou entrée) est reliée à une
entrée correspondante d'une matrice de type Butter inverse par
l'intermédiaire d'un amplificateur et d'un déphaseur, les sorties
(ou entrées) des matrices de type Butïer inverse étant associées
à un réseau formateur de faisceaux, et en ce que les déphaseurs
sont commandés pour déplacer les zones ou corriger les défauts de
pointage, la première matrice et la matrice de type Butter
inverse permettant de répartir l'énergie :reçue par chaque élément
rayonnant sur l'ensemble des amplificateurs afin qu'une panne de
l'un de ces derniers ait un effet uniformément réparti sur tous
les signaux de sorties.
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De préférence, un atténuateur est en série avec chaque
amplificateur et chaque déphaseur de façon à permettre d'égaliser
les gains des amplificateurs.
Dans une réalisation, l'antenne comprend au moins deux
matrices de type Butler à entrées (ou sorties) connectées aux
éléments rayonnants, au moins l'un des éléments rayonnants étant
connecté à la fois à une entrée de la première matrice et à une
entrée de la seconde matrice de type Butter.
Dans ce cas, il est préférable que l'élément rayonnant
associé à deux matrices de type Butter soit connecté aux entrées
(ou sorties) de ces deux matrices par. l'intermédiaire d'un
coupleur 3dB et qu'un coupleur analogue soit prévu aux sorties
(ou aux entrées) correspondantes des matrices de type Butter
inverses.
On peut aussi disposer en série avec chaque
amplificateur et déphaseur, un atténuateur qui, en cas de panne
d' un amplificateur associé à une matrice, atténue les signaux de
sorties de l'autre matrice de type Butter, afin d'homogénéiser
les signaux de sorties de ces deux matrices.
Selon un mode de réalisation, entre chaque sortie
(entrée) de la première matrice de type F3utler et chaque entrée
(sortie) correspondante de la matrice de type Butter inverse, on
prévoit des amplificateurs en parallèle, par exemple associés par
des coupleurs 90°.
Pour corriger une déviation angulaire et repointer
simultanément tous les faisceaux, de préférence les déphaseurs
sont commandés pour modifier la pente du front de phase des
Siguûüx de sor tic dc ia prcmîere tTiatrïCe dc3 type Butl~ò .
La matrice de type Butter inverse et le réseau formateur
de faisceaux forment avantageusement un ensemble unique.
Lorsqu'on prévoit un atténuateur en série avec chaque
amplificateur, celui-ci présente de préférence une dynamique
inférieure à 3dB.
Les matrices de Butter sont, par exemple, d'ordre huit
ou seize.
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ô
Dans une réalisation, l'antenne comporte une première
série de premières matrices de Butler disposées dans des plans
parallèles et une seconde série de premières matrices de Butler
disposée également dans des plans parallèles à une direction
différente de celle de la première série, par exemple
orthogonale, de façon à permettre le déplacement des zones, ou
des corrections de défaut de pointage dans deux directions
différentes et, ainsi, dans toutes les directions de la zone
couverte par l'antenne.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
apparaîtront avec la description de certains de ses modes de
réalisations, celle-ci étant effectuée en ce référant aux dessins
ci-annexés sur lesquels .
- la figure 1, déjà décrite, montre un territoire
divisé en zones qui est couvert par une antenne à
bord d'un satellite géostationnaire,
- la figure 2, également déjà décrite, représente une
antenne de réception de l'état antérieur de la
technique,
- les figures 3 et 4 sont des schémas montrant des
parties d'antennes de réception conformes à
l'invention,
- la figure 5 est un schéma d'une variante d'une
partie d'antenne selon l'invention,
- la figure 6 représente une matrice de Butler d'ordre
64,
- la figure 7 est un schéma d'une matrice de Butler
d' ordre '~I,
- la figure 8 est un schéma d'une matrice de Butler
d'ordre l6,et
- la figure 9 est un schéma d'une antenne de réception
montrant d'autres dispositions de l'invention.
L'antenne de réception représentée sur la figure 3
comporte, comme l'antenne montrée sur la figure 2, un réflecteur
(non montré sur la figure 3) et une pluralité d'éléments
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rayonnants 221, ..., 22N disposés au voisinage de la zone focale du
récepteur.
Dans l'exemple de la figure 3, l'antenne de réception
comporte plusieurs matrices de Butler 501, ..., 50j, ..., 50p. Ces
matrices sont toutes identiques, avec un nombre d'entrées égal au
nombre de sorties.
Chaque entrée reçoit le signal d'un élément rayonnant.
Ainsi la matrice de Butler 50j comporte huit entrées 521 à 528 et
l'entrée 521 reçoit le signal de l'élément rayonnant 22k+1 tandis
que l'entrée 52g reçoit le signal de l'é:Lément rayonnant 22k+8~
Les éléments rayonnants 22k+1 à 22k+g sont, dans une réalisation,
tous affectés à une méme zone, c'est-à-dire à un même faisceau.
Cependant, comme indiqué plus haut, certains de ces éléments
rayonnants contribuent aussi à la formation d'autres faisceaux
pour des zones adjacentes.
Chaque sortie de la matrice de Butler 50j est reliée à
une entrée correspondante d'une matrice de Butler inverse 54i par
l'intermédiaire d'un fïltre et d'un amplificateur à faible bruit.
Sur la figure 3, on a représenté seulement les amplificateurs à
faible bruit et les filtres qui correspondent, d'une part, à la
première sortie 56k+1 de la matrice 50j et, d'autre part, à la
dernière sortie 56k+8 de cette matrice 50j. Ainsi la sortie 56k+1
de la matrice 50j est reliêe à l'entrée 58k+1 de la matrice 54j
par l'intermédiaire d'un filtre 60k+1 et d'un amplificateur à
faible bruit 62k+1 disposés en série. Le filtre 60k+1 a pour but
d'éliminer les signaux d'émission. Ce filtre peut faire partie de
la matrice 50j, notamment si celle-ci est réalisée en technologie
guide d'ondes.
La matrice de Butler 54j a une fonction de transfert
inverse de celle de la matrice 50j. Elle présente un nombre
d'entrées égal au nombre de sorties de la matrice 50j et un
nombre de sorties égal au nombre d'entrées de la matrice 50j.
Les sorties des diverses matrices de Butler inverses 54j
sont reliées aux sorties de faisceaux 641, ..., 64S par
l'intermédiaire d'un réseau 66 formateur de faisceaux.
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On sait qu' une matrice de Butler, qui est, comme on le
verra plus loin, formée à partir de coupleurs 3dB, est telle
qu'un signal appliqué sur une entrée est réparti sur toutes les
sorties avec des phases décalées d'une sortie à une autre de
5 2~/M, M étant le nombre de sorties. La matrice 54~ ayant une
fonction inverse de la matrice 50~, un signal d'une entrée
déterminée de la matrice 50~ se retrouve, à un filtrage et une
amplification près, sur la sortie correspondante de la matrice
54~.
10 Chaque sortie 56 de la matrice 50~ délivre un signal
représentant l'ensemble des signaux d'entrées de cette même
matrice. Dans ces conditions, une panne d'un ou plusieurs des
amplificateurs à faible bruit 62 n'ent.raînera pas un défaut
d'homogénéité du faisceau reconstitué pour la zone
correspondante, mais une diminution homogéne de la puissance sur
l'ensemble de la zone ou des zones correspondant aux éléments
rayonnants 22k+1 à 22k+8-
On peut montrer qu' en cas de panne d' un amplificateur,
le signal sur toutes les sorties de la matrice 54~ est réduit
d'un facteur 201og(1-1/M) en dB, M étant l'ordre de la matrice de
Butler concernée, c'est-à-dire huit dans :L'exemple. Toutefois la
dégradation du paramètre G/T de l'antenne a une valeur moitié,
c'est-à-dire lOlog(1-1/M), car la perte dans les charges de la
matrice 54~ est négligeable. En effet, le bruit prépondérant est
celui recueilli en sortie des amplificateurs à faible bruit et
comme un amplificateur en panne ne contribue plus au bruit, la
puissance de bruit totale est réduite d'un facteur 1-1/M.
Dans ces conditions, pour des matrices d'ordre huit, la
panne d'un amplificateur à faible bruit entraîne une dégradation
de G/T égale à -0,56 dB et si M = 16 la dégradation est de -0,28
dB. Ces chiffres correspondent à l'hypothèse où chaque
amplificateur est constitué par une paire d'amplificateurs, comme
décrit plus loin avec la figure 5 et où par « panne d'un
amplificateur » on entend la panne d' un seul amplificateur d' une
paire.
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La panne d'un amplificateur à faible bruit entraîne
aussi une dégradation de l'isolation entre les signaux de
sorties. Ainsi, si avant la panne les signaux d'entrées sont
parfaitement isolés, et donc les signaux de sorties aussi
parfaitement isolés, après la panne d'un amplificateur
l'isolation entre deux sorties est 201og(M-1) soit 17 dB si G=8
et 23,5 dB si G = 16.
Les valeurs indiquées ci-dessus sont des valeurs
théoriques issues de calculs classiques. Cependant, si on fait
appel à des technologies appropriées, pair exemple la technique
des répartiteurs compacts en guides d'ondes, les pertes et les
erreurs sont faibles et les résultats correspondent pratiquement
à ceux indiqués par les calculs.
Dans un mode de réalisation, les matrices inverses 54~
et le réseau 66 formateur de faisceaux constituent un seul
circuit multicouche. Cette réalisation est rendue possible, car
les matrices inverses et le réseau 66 sont, de préférence,
constitués à l'aide de circuits multicouches planaires utilisant
la même technologie et peuvent être ainsi disposés dans un même
boîtier. Les pertes entraînées par les circuits se trouvant à
l'aval des amplificateurs à faible bruit étant moins critiques
qu'en amont, on peut utiliser des circuits du type microbande ou
triplaque plutôt que des circuits à guide d'ondes car ces
circuits microbandes ou triplaques sont plus compacts, mais
entraînent des pertes :Légèrement supérieures aux circuits à guide
d'ondes, ce qui est peu gênant, comme indiqué ci-dessus.
La figure 4 représente un mode de réalisation préféré de
l'invention dans lequel on met à profit l'utilisation de matrices
de Butler pour simplifier la commande de la correction ou la
modification des faisceaux. Sur cette figure, on a représenté en
traits mixtes la direction correcte du rayonnement 70 par rapport
à l'antenne, et, en traits interrompus 72, la direction du
rayonnement qui est vu de façon incorrecte par l'antenne, par
exemple en raison d'une instabilité du satellite.
L'énergie du rayonnement 70 correspond au diagramme 74
représenté en traits pleins, et l'énergie du rayonnement 72
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correspond au diagramme 76 représenté en traits interrompus. On
voit donc qu'une orientation incorrecte de l'antenne correspond à
un décalage du rayonnement dans le plan focal, et l'élément
rayonnant destiné à capter le plus d'énergie provenant d'un
direction donnée ne reçoit cette derniére qu'avec une forte
atténuation. Ainsi, le décalage entraîne une perte importante de
gain et une altération de l'isolation.
Pour repointer l'antenne, c'est-à-dire corriger son
orientation, comme décrit ci-dessus en relation avec la figure 2,
la solution antérieure consiste à affecter à chaque élément
rayonnant, un déphaseur 42 et un atténuateur 44, et à commander
les déphaseurs 42 de façon individuelle. En outre, les
atténuateurs ont une forte dynamique car ils doivent pouvoir
éteindre » ou « allumer » certaines sources. Cette contrainte
entraîne la nécessité que les amplificateurs à faible bruit aient
un grand gain. En outre, il est nécessaire que le nombre
d'éléments rayonnants, ou sources, affectés à une zone soit plus
important que le nombre de sous-zones. Par exemple, si sept
éléments rayonnants fournissent le diagramme nominal, pour
permettre un repointage il faut au moins une couronne autour du
septet formé par ces éléments rayonnants. I1 faudra donc alors
prévoir 19 sources (au lieu de 7) pour chaque accès à une zone.
Dans le cas où les zones forment une maille carrée et si l'on
prévoit quatre sources actives par zone, le nombre d'accès pour
une zone sera de 16.
L'invention permet une correction de pointage ou un
déplacement des zones au sol d' une plus grande simplicité que la
solution représentée sur la figure 2. Elle tire avantage de la
présence des matrices de Butler 50j. On part de la constatation
qu'à la sortie de la matrice 50~, le front de phase 80k+1 est
simplement incliné par rapport au front de phase 82k+1 désiré. En
effet, le signal de chaque faisceau est réparti sur toutes les
sorties de la matrice correspondante 50~ avec une pente de phase
donnée ; les pentes correspondant à chaque entrée sont séparées
par une valeur fixée, constante pour une matrice d'ordre donné.
Dans ces conditions, pour effectuer le repointage, c'est-à-dire
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la correction désirée, il suffit de rectifier la pente en
prévoyant un déphaseur associé à chaque sortie de la matrice 50j.
Sur la figure 4, on a représenté par les droites 80k+1
et 82k+1 la répartition des phases sur les sorties 56k+1 à 56k+8
pour les signaux provenant de l'élément rayonnant 22k+1- Les
droites 80k+3 et 82k+3 correspondent aux répartitions des phases
sur les sorties pour le signal provenant de l'élément rayonnant
22k+3 tandis que les droites 80k+~ et 82k+~ correspondent aux
phases sur toutes les sorties pour les signaux fournis par
l'élément rayonnant 22k+~. Sur ces diagrammes, la distance entre
la sortie 56k+1 et l'intersection Pk+1 de 1a droite 82k+1 avec la
droite Dk+1 liée à la sortie 56k+1 représente, par convention, la
phase pour cette sortie du signal provenant de l'élément
rayonnant 22k+1. De même, les intersections de cette droite 82k+1
avec les droites Dk+2, etc., correspondantes fourniront les
phases des signaux sur les autres sorties toujours pour le signal
correspondant à l'élément rayonnant 22k+1~
Ainsi, par exemple pour la sortie 56k+1, pour corriger
le front de phase de 80 en 82, du signal provenant d' un élément
rayonnant 22i, il faudra appliquer une correction de phase S k+1~
S k+2~~~~ S k+8 ~ Mais on constate que les valeurs de S k+1 ~ ~ k+2
s k+3~ etc., sont les mêmes. Il suffit donc d'un simple déphaseur
84k+1~ etc., pour corriger cette valeur commune S k+1~ S k+2~ etc.
Il est à noter que la correction qui est effectuée par
la matrice de Butler 50j ne s'effectue que dans un seul plan,
celui de la figure. Pour effectuer une correction réelle, il faut
prévoir des matrices de Butler dans un autre plan, par exemple
perpendiculaire, comme représenté sur l.a figure 6 qui sera
décrite plus loin.
Dans l'exemple, on prévoit un tel déphaseur 84 à l'aval
de l'amplificateur à faible bruit 52. Ainsi, le déphaseur 84k+1
sur la figure 4 est relié à la sortie de l'amplificateur 62k+1
par l'intermédiaire d'un atténuateur 86k+1 et la sortie du
déphaseur 84k+1 est reliée à l'entrée correspondante de la
matrice inverse 54j.
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Dans ce mode de réalisation, les atténuateurs
commandables 86 permettent une égalisation du gain des
amplificateurs 62. Ils permettent également une compensation en
cas de défaillance d'un (ou plusieurs) amplificateurs) à faible
bruit raccordés) à une matrice couplée à la matrice 50j, comme
on le verra plus loin.
Dans cet exemple on prévoit, dans les matrices de Butler
50j, des filtres passe-haut pour empêcher que les fréquences
d'émission ne viennent perturber les fréquences de réception. I1
s'agit, par exemple, de guides d'ondes dont la fréquence de
coupure est comprise entre la bande de réception et la bande
d'émission.
Dans cet exemple, on peut aussi, comme décrit en
relation avec la figure 3, prévoir que les matrices de Butler
inverses 54j soient intégrées dans le réseau formateur de
faisceaux 66.
Dans la variante représentée sur la figure 5, les
amplificateurs à faible bruit 62 sont associés par paires grâce à
des coupleurs 90°. De façon plus précise, l'amplificateur 62k+1
est associé à l'amplificateur 62k+2, de manière telle qu'un
coupleur 90°, 88, relie les entrées des amplificateurs et un
coupleur 90° relie entre elles les sorties de ces amplificateurs.
De cette manière en cas de panne d' un amplificateur, on obtient,
avec une matrice de Butler d'ordre 8 une ~>erte de 0,28 dB, ce qui
correspond, en l'absence de la disposition représentée sur la
figure 5, à la perte quand les matrices de Butler sont d'ordre
16. En effet, la disposition, qui consiste à réaliser chaque
amplificateur associé à une sortie d'une matrice de Butler, à
l'aide d'une paire d'amplificateurs, réduit de moitié la perte de
puissance en cas de panne d'un seul amplificateur de la paire
puisque l'autre amplificateur de cette paire est encore en
fonctionnement. Autrement dit, cette disposition a le même effet
que de multiplier par deux l'ordre des matrices de Butler
De façon plus générale, également dans le but de réduire
l'effet d'une panne d'un amplificateur, on peut associer à chaque
sortie une pluralité d'amplificateurs en parallèle. Dans ce cas,
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le nombre d'amplificateurs associés à chaque sortie est une
puissance de 2 afin de faciliter la division puis la
recombinaison.
Bien que dans les exemples décrits jusqu'à présent on
5 ait prévu plusieurs matrices 50j, il est possible de prévoir une
seule matrice de Butler d'ordre M, M étant le nombre d'éléments
rayonnants. Cependant les contraintes d'encombrement à bord d'un
satellite empêchent de réaliser une telle matrice de Butler dans
un seul plan dès que le nombre d'éléments rayonnants devient
10 important. Dans ce cas, il est nécessaire de faire appel à une
matrice de Butler de type bidimensionnel comme représenté sur la
figure 6. Cette derniére montre une matrice d'ordre 64 réalisée
avec une première couche de 8 matrices de :Butler 901 à 90g et une
seconde couche de matrices de Butler 921 à 92g disposées
15 perpendiculairement aux matrices 90.
. Une telle matrice bidimensionne:Lle est de réalisation
complexe ; elle peut aussi présenter des pertes préjudiciables à
la température de bruit de l'antenne. Mais, elle permet un
repointage simultané dans deux plans orthogonaux et elle réduit
l'impact d'une panne en couplant entre eux un nombre plus élevé
d'amplificateurs à faible bruit.
De façon générale, il n'est pas indispensable pour
pouvoir effectuer une correction dans deux plans différents que
les matrices 90 et 92 soient selon deux plans perpendiculaires.
Il suffit qu'elles soient selon deux plans de directions
différentes, suffisamment écartées. Dans un exemple, les
directions sont écartées de 60° pour faci:Liter la connexion à un
réseau dont les centres des sources adjacentes forment des
triangles équilatéraux.
Les matrices de Butler d'ordre 8 et d'ordre 16 sont
réalisées à partir de matrices de Butler d'ordre 4.
Une matrice de Butler d'ordre 4 est représentée sur la
figure 7. Elle comporte six coupleurs 3dB avec deux coupleurs
d'entrée 94, 96, deux coupleurs de sorties 100, 104 et deux
coupleurs intermédiaires 98 et 100. Dans une variante (non
montrée), au lieu de coupleurs intermédiaires 98 et 100, on
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prévoit des croisements ; toutefois ces croisements sont
difficiles à réaliser en technologie guide d'ondes.
On rappelle qu'un coupleur 3dB, par exemple le coupleur
104 d' entrée, comporte deux entrées 1041 et 1042 et deux sorties
1043 et 1044 et est tel qu'un signal appliqué sur une sortie, par
exemple celle de référence 1041, voit sa puissance répartie sur
les deux sorties 1043, 1044 avec un déphasage de n/2 entre les
deux signaux de sorties. Ainsi, comme indiqué sur la figure 7, le
signal S à l'entrée 1091 devient le signal ~ à la sortie 1043 et
le signal -j~ sur la sortie 1044. A un signal S' appliqué sur
l'entrée 1042 correspond un signal ~ sur la sortie 1044 et
-j sur la sortie 1043.
Le signal sur l'entrée 1041 se retrouve sur les quatre
sorties de la matrice de Butler d'ordre 4, à savoir les sorties
943, 944 et 963, 964 des coupleurs respectivement 94 et 96. Sur
la sortie 943 on obtient le signal js , sur la sortie 944, le
2
signal - 2 , sur la sortie 963 le signal -j 2e'"~ , et sur la
sortie 964 le signal 2 e~''. La phase ~p, constante, est introduite
par un déphaseur 105 entre les coupleurs 98 et 100. Ce déphaseur
est réglé pour compenser les différences entre longueurs de guide
dans les voies centrales et les voies d'extrémités ; ainsi, la
matrice fournit une pente régulière aux phases des signaux sur
les sorties.
On constate qu'avec une matrice de Butler d'ordre 4, les
phases des signaux de sorties varient par incrément de 90°. Avec
une matrice de Butler d'ordre 8, l'incrément est de 45°.
Pour réaliser une telle matrice de Butler d'ordre huit,
120 ou 130 (figure 8), on fait appel à deux matrices d'ordre
quatre, respectivement 122 et 124, et les sorties de ces deux
matrices d'ordre quatre sont combinées grâce à quatre coupleurs
3dB . 1261, 1262, 1263, 1264.
Pour la réalisation d' une matrice de Butler d' ordre 16
(figure 8), on utilise deux matrices, 120 et 130, d'ordre 8, et
les sorties des matrices 120 et 130 sont combinées grâce à huit
coupleurs 3dB : 1321 à 1328.
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I1 est à noter que, de façon en soi connue, les
croisements de lignes de la matrice d'ordre 16 qui sont
représentés sur la figure 8, peuvent être remplacés par des
coupleurs tête-bêches analogues aux coupleurs 98 et 100 de la
matrice d'ordre 9 représentée sur la figure 7.
Les matrices de Butler 50 sont, dans l'exemple,
réalisées en technologie « répartiteur compact en guide
d' ondes ». Dans ce cas il est possible d' .intégrer à ces matrices
un filtrage évitant que les amplificateurs à faible bruit ne
soient délinéarisés par des signaux parasites hors bande. I1
s'agit en particulier du filtrage permettant de rejeter les
fréquences d'émission qui, du fait de la très grande puissance
d'émission, sont nécessairement réinjectées dans les antennes de
réception disposées à proximité_
I1 est préférable de réaliser chaque matrice de Butler
50j de façon telle qu'elle corresponde à une ou plusieurs zones
et que les autres matrices n'interviennent pas pour la (ou les)
zones) associées) à la matrice de Butler 50j. Mais il n'est pas
toujours possible de satisfaire à cette condition car chaque
source contribue en général à la formation de plusieurs zones
adjacentes. Dans ces conditions, une source 22q (figure 9) qui
doit être associée à deux matrices 501, 502 adjacentes est reliée
aux entrées, respectivement 1401 et 1402, des matrices 501 et 502
par l'intermédiaire d'un coupleur 3 dB 142. Un coupleur identique
144 permet de recombiner les sorties correspondantes des matrices
inverses 50'1 et 50'2.
Les coupleurs 142, 144 permettent, en outre, de limiter
la dégradation du signal provenant d'une source partagée entre
deux matrices, en cas de panne d' un amplificateur à faible bruit
associé soit aux matrices 501, 50'1 soit aux matrices 502, 50'2.
En effet, le signal capté par une telle source est réparti en
parts égales sur deux matrices. Ainsi, seule la partie affectée
par une panne intervient.
Bien que ces coupleurs permettent de réduire (de
moitié) le déséquilibre provoqué par une panne dans une
matrice, le déséquilibre qui subsiste en cas de panne n'est
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en général pas acceptable. C'est pourquoi à la place des
coupleurs 142, 144, ou en complément de ces derniers, en cas
de panne d'un amplificateur à faible bruit associé à l'une
des matrices, par exemple celle de référence 501, on atténue
les signaux de sortie de l'autre matrice 502 d'une quantité
permettant d'équilibrer les signaux des sorties des matrices
501 et 502. Cette commande d'atténuation est effectuée à
l'aide des atténuateurs 86 représentés sur la figure 4.
Cette atténuation doit être de 201og(1-1/M) pour les entrées
ou sorties n'utilisant pas de coupleur 3dB et de lOlog(1-
1/M) pour les sorties reliées à des coupleurs 3dB 144.
L' atténuation est réalisée de façon automatique après
détection d'une panne. La détection de panne sur chaque
amplificateur à faible bruit est, par Exemple, réalisée par
contrôle de son courant d'alimentation ou à l'aide d'un
détecteur à diode disposé en aval de chaque amplificateur à
faible bruit.
Il est à noter que les atténuateurs 86 (figure 4) ont,
dans l'exemple, une faible dynamique, inférieure à 3dB. En
effet, leur dynamique est principalement déterminée par leur
fonction d'égalisation des gains des divers amplificateurs à
faible bruit à l'installation de l'antenne. Pour cette
égalisation, la dynamique est au maxïmum de 2,5 dB. Par
ailleurs, la compensation à apporter pour rééquilibrer les
sorties d'une matrice quand la matrice adjacente comporte un
amplificateur en panne, est de 0,28 dB.
Bien qu'on ai.t seulement décrit une antenne de
réception, il va de soi que l'invention s'applique aussi à
une antenne d'émission dont la structure est analogue mais
en sens inverse, des amplificateurs de puissance étant
utilisés à la place d'amplificateurs à faible bruit.
