Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02474126 2004-07-22
WO 03/065507 PCT/FR03/00140
Antenne de réception pour couverture multi - faisceaux
Le domaine de l'invention est celui des antennes muftifaisceaux pour des
applications de télécommunications par satellite. Une telle antenne peut
servir
plusieurs aires au sol (des spots en anglais) avec des pinceaux fin de
rayonnement
( spot beams en anglais).
Plus particulièrement, l'invention concerne une antenne ayant un ou plusieurs
réflecteurs focalisant(s), avec un réseau de sources élémentaires placé dans
la zone
focale. Une telle géométrie d'antenne est connue de l'homme de l'art comme une
l o antenne F.A.F.R. ( Focal Array Fed Reflector en anglais). Au sein
d'une telle
antenne, chaque spot est réalisé par le regroupement cohérent des signaux d'un
sous-
ensemble des sources élémentaires, avec des amplitudes et phases appropriés
pour
obtenir le diagramme d'antenne voulu, notamment la taille et le direction de
visée du
lobe principal de rayonnement.
II est connu par la demande de brevet Dl = FR 97 08 011 = US 6 172 649 au
nom de la Demanderesse, une antenne muitifaisceaux à géométrie Grégorienne
telle
que montrée sur la figure 1. _
A cet effet, l'antenne comprend un panneau plan 30 d'éléments rayonnants
associé à un réseau formateur de faisceau (non montré) de commande de la phase
2o des signaux appliqués aux éléments rayonnants. Un faisceau 32 émis par le
panneau
30 est dirigé vers un premier réflecteur concave 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 réflecteur 34.
L'axe 38 est perpendiculaire au plan du panneau 30.
Le faisceau 42 réfléchi par le réflecteur 34 est dirigé vers un second
réflecteur
concave 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 1, est une parabole de même foyer 40 que la parabole 36 et de
même axe
38. La surface 46 est également un parabolôide.
La concavité du réflecteur 44 est tournée vers la concavité du réflecteur 34.
CA 02474126 2004-07-22
WO 03/065507 PCT/FR03/00140
2
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 réflecteurs 34 et 44. Le bord
441
du réflecteur 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 1 le réseau 30 a une forme extérieure
générale d'un cercle de diamètre 30 cm (ou 12 a,) environ avec 37 éléments
rayonnants séparés les uns des autres de 42 mm, soit 1,7 X, X étant 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 exemple, de l'ordre de 28 X, tandis
que le diamètre
du cercle limitant le réflecteur 44 est de l'ordre de 30 X. La distance
séparant le bord
341 de l'axe 38 est de 24 a, et la distance entre le bord 441 du réflecteur 44
et l'axe 38
est de 4 1
Lorsque le réseau 30 émet 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 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 émet un faisceau 325 incliné d'un angle 0 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 327 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 327 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, émis par le réseau 30, qui présentent
un
angle d'inclinaison important par rapport à l'axe 38.
CA 02474126 2004-07-22
WO 03/065507 PCT/FR03/00140
3
On voit ainsi sur la figure 1 que le faisceau 3210 est réfléchi en un faisceau
3211 par le réflecteur 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.
Cette géométrie présente de nombreux avantages pour l'implantation a bord
d'un satellite, parmi lesquels on citerait sa compacité, ses dimensions
relativement
réduites entraînant un poids plus faible, et la possibilité de montage de
l'électronique
associé a chaque source élémentaire directement sur le corps du satellite.
Il est connu par la demande de brevet D2 = FR 95 00 515 = US 5 734 349 =
EP 0 723 308 au nom de la Demanderesse, une antenne FAFR multifaisceaux à
i o géométrie offset , telle que montrée sur la figure 2. Offset est un
mot anglais qui
signifie que le réseau 110 de sources élémentaires est déplacé par rapport au
foyer F
du réflecteur parabolique 100, et surtout, que le réseau 110 de sources est
positionné
en dehors de la direction principale du rayonnement réfléchie par le
réflecteur, de
manière à ne pas occulter ce dernier. En jouant sur les phases et amplitudes
des
signaux, on peut synthétiser la réponse d'une source virtuelle 120 placée
exactement
au foyer F du réflecteur.
Un exemple d'un réseau focal plan 110 de sources élémentaires (A,B,C,D) est
montré sur la figure 3, (provenant du même document D2) où l'on voit une
disposition
hexagonale de 61 sources élémentaires 31 distribuées sur un réseau plan 110
destiné
à être positionné au plan focal d'un réflecteur focalisant 100. Les sources
alimentés à
partir de chaque groupe A, B, C, D sont indiquées par la lettre
correspondante. On
constate qu'aucune source d'un groupe donné ne se trouve disposée adjacente à
une
autre source du même groupe.
Selon l'enseignement de ce document D2, le nombre de sources Ni contribuant
à un faisceau i, est variable et déterminé en fonction des caractéristiques
désirées du
faisceau i. Il en résulte que plusieurs sources contribuent a former chaque
pinceau, et
par ailleurs, que chaque source peut être appelée à plusieurs pinceaux. Il en
est de
même dans le document Dl.
Cependant, pour les antennes décrites dans Dl et D2, il y a une limitation
3 0 pratique du nombre des sources qui peuvent être positionnées au voisinage
du foyer
CA 02474126 2004-07-22
WO 03/065507 PCT/FR03/00140
4
d'un réflecteur focalisant, sans en être trop éloignées, ce qui engendrait des
distorsions, aberrations, et autres pertes d'efficacité pour la formation de
faisceaux.
Cette contrainte nous emmène à considérer une conception d'antenne FAFR
dans laquelle les sources sont contiguës, ce qui donne un espacement de
l'ordre de
1,2 2 pour une maille hexagonale comme dans la figure 3.
Le document D3 = US 5 202 700 concerne une antenne radar FAFR pour le
contrôle de trafic aérien. D'une géométrie du type offset , cette antenne
est
multipinceaux mais en élévation seulement, avec les sources déployées sur la
surface
d'un cylindre convexe pour la correction de phase et pour la réduction des
lobes
latéraux. Cette antenne peut fonctionner en polarisation circulaire.
Le document D4 = US 4 535 338 décrit une antenne multi-spot ayant une
géométrie de type Cassegrain, avec un premier sub réflecteur convexe 12
devant
un deuxième réflecteur parabolique principal concave 10. Cet arrangement est
montré
schématiquement sur la figure 4.
Cette antenne, de conception plus classique, comporte une source cornet
(141,142 , 143) pour chaque faisceau (15, , 152 , 153) chaque faisceau
comportant
une source cornet unique, et les sources sont espacées dans le plan focal et
orientées
de manière à ce qu'un rayon central de chaque cornet, après réflexion sur le
premier
réflecteur 12, tombe sur un point unique C du réflecteur principal 10.
Cependant, cette solution n'est pas envisageable pour les applications visés
par la présente invention. L'antenne de l'invention est conçue pour réaliser
la fonction
de réception pour une couverture constituée d'une multiplicité de spots
contiguës de
faible taille. Une solution d'antenne associant une source a chaque spot ne
peut être
envisagée, car elle conduit à un recouvrement des sources.
D'autre part, l'antenne de l'invention sera conçue pour fonctionner a des
hautes
fréquences, allant de la bande Ku (11 à 15 GHz environ) à la bande Ka (20 à 40
GHz
environ) et au delà. Du coup, les dimensions des sources élémentaires
résonantes
deviennent très petites, de l'ordre du centimètre. Comme dans les documents Dl
à
D3, chaque pinceau de l'antenne selon l'invention est formé par l'excitation
d'une
3 0 multiplicité de sources élémentaires, en générale pas inférieur à 7.
CA 02474126 2004-07-22
WO 03/065507 PCT/FR03/00140
Les petites dimensions des sources élémentaires, disposées de façon contiguë
et leur grande nombre, dont un nombre conséquent impliqué dans la formation de
chaque faisceau, rend la connectique derrière ces sources problématique. En
effet,
pour une antenne fonctionnant en réception, un amplificateur faible bruit doit
être placé
5 le plus prés possible au capteur constitué par la source élémentaire pour
minimiser les
pertes de propagation dans les guides d'ondes assurant l'interface. A chaque
source
élémentaire est associé un déphaseur variable et un atténuateur ou
amplificateur
variable, ainsi que leur électronique de contrôle. Les valeurs de déphasage et
d'atténuation ou d'amplification, sont appliqués en amont des réseaux de
formation de
l o faisceaux, pour créer chaque spot de la couverture.
De la même manière que l'on cherche à avoir un grand nombre de petits spots
contiguës pour obtenir la meilleure réutilisation de fréquences sur la zone de
couverture, on cherche aussi a utiliser deux polarisations orthogonales. Ceci
implique
en plus des dispositifs énumérés ci-dessus, d'insérer des multiplexeurs de
polarisation, aussi connus sous le nom orthomode , entre les sources
élémentaires
et les amplificateurs faible bruit. En tant que concepteur d'antenne pour
répondre à
toutes ces contraintes, nous sommes confrontés à de sérieux problèmes
d'encombrement derrière le plan de sources élémentaires.
L'antenne selon l'invention cherche à résoudre ces différents problèmes
simultanément. A ces fins, l'invention propose une antenne de réception pour
couverture multispots, comportant au moins un réflecteur focalisant (34, 44,
100), et un
réseau focal (30, 110) de sources élémentaires (31) disposé dans la zone
focale dudit
réflecteur focalisant (34, 44, 100), caractérisée en ce que lesdites sources
(31) sont
substantiellement contiguës et disposées sur une surface S concave et
approximativement sphérique.
Selon une caractéristique avantageuse, une pluralité de sources élémentaires
est utilisée pour former chaque faisceau qui illumine chaque spot respectif de
ladite
couverture. Selon une autre caractéristique avantageuse, une seule source
élémentaire peut être utilisée dans la formation de plusieurs faisceaux
différents. De
3 o préférence, le nombre de sources élémentaires utilisées dans la formation
d'un seul
CA 02474126 2010-03-11
6
faisceau est supérieur ou égal a sept. Avantageusement, le nombre de sources
élémentaires contribuant à un faisceau n'est pas le même pour tous les
faisceaux, ce
nombre étant déterminé en fonction des caractéristiques désirées de chaque
faisceau.
Selon une réalisation préférée, l'antenne comporte deux réflecteurs concaves
(34,
44) dans une géométrie dite de type Grégoire . Selon une variante,
l'antenne comporte
un seul réflecteur concave (100), dans une géométrie dite offset .
Selon un mode de réalisation préféré, l'antenne comporte en outre des
duplexeurs
de polarisation (20) derrière chaque source élémentaire. Selon un autre mode
de
réalisation, l'antenne est conçue pour fonctionner avec une seule
polarisation, et il n'y a pas
de duplexeur de polarisation.
Selon une caractéristique préférée, les sources élémentaires sont d'une
dimension
n'excédant pas 1.2 fois la longueur d'onde.
Un aspect de l'invention concerne une antenne de réception pour
couverture multispots, comprenant:
au moins un réflecteur focalisant; et
un réseau focal de sources élémentaires disposé dans une zone focale
dudit au moins un réflecteur focalisant;
dans laquelle lesdites sources élémentaires sont substantiellement
contiguës et disposées sur une surface concave et approximativement
sphérique; et
dans laquelle ledit au moins un réflecteur focalisant est concave et fait
face audit un réseau focal.
Un autre aspect de l'invention concerne une antenne de réception,
comprenant:
un réflecteur focalisant concave; et
un réseau focal comprenant des sources élémentaires disposé dans une
zone focale dudit réflecteur focalisant concave;
dans laquelle lesdites sources élémentaires sont substantiellement
contiguës et disposées sur une surface concave, et ledit réflecteur focalisant
concave fait généralement face audit réseau focal; et
dans laquelle lesdites sources élémentaires sont disposées sur une
surface sphérique ou approximativement sphérique.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la
description
détaillée qui suit, avec ces dessins annexés qui sont donnés à titre
d'exemptes non limitatifs
de réalisations selon l'invention ou de quelques unes de ses principales
caractéristiques, et
CA 02474126 2010-03-11
6a
sur lesquels :
-la figure 1, déjà évoquée, représente schématiquement une antenne a réseau
d'éléments actifs ayant une géométrie de type Grégorien avec ses deux
réflecteurs
concaves (34, 44) se faisant face ;
- la figure 2, déjà évoquée, montre schématiquement une antenne de type
offset
connue de l'art antérieur, avec un réflecteur concave focalisant 100 et un
réseau 110 de
sources élémentaires 31 en son foyer F ;
- la figure 3, déjà évoquée, qui donne un exemple de répartition des sources
élémentaires 31 en quatre groupes A,B,C,D selon une maille hexagonale ;
- la figure 4, déjà, évoquée, montre schématiquement une antenne de type
Cassegrain connue de hart antérieur, avec un premier réflecteur convexe 12 et
un réflecteur
principal concave et focalisant 10, illuminés par des cornets individuels 14,
,142 ,143 selon
un géométrie classique d'une source par faisceau, respectivement 15, ,152, 15,
CA 02474126 2004-07-22
WO 03/065507 PCT/FR03/00140
7
- la figure 5, qui montre schématiquement un premier exemple d'un réseau focal
de
sources élémentaires 31, substantiellement contiguës et disposées sur une
surface
concave S approximativement sphérique, apte à être intégré à l'antenne selon
l'invention ;
- la figure 6, qui montre schématiquement un deuxième exemple d'un réseau
focal
de sources élémentaires 31, substantiellement contiguës et disposées sur une
surface
concave S approximativement sphérique, apte à être intégré à l'antenne selon
l'invention.
- la figure 7, qui montre schématiquement un exemple d'une antenne à réseau
focal
selon l'invention, avec une géométrie de type Grégorien avec un premier
réflecteur
ellipsoïde concave et un deuxième réflecteur paraboloïde concave et confocal
avec le
l o premier réflecteur.
Sur toutes les figures, les mêmes repères se réfèrent aux mêmes éléments
l'échelle n'est pas toujours respectée pour des raisons de clarté du dessin.
La réalisation d'une antenne selon l'invention s'appuie en partie sur des
technologies
connues et illustrées par les figures 1 à 3 qui représentent des réalisations
connues de l'art
antérieur.
Ainsi, l'antenne de l'invention comprend un réseau (30, 11) de Ne sources
élémentaires 31 ; des moyens optiques formant un réflecteur (10, 34, 44) et
focalisant
l'énergie ; le réseau étant situé dans la zone focale desdits moyens
focalisant, tel que
montré sur les figures 1 et 2.
Les sources élémentaires sont contiguës, soit en maille hexagonale tel que
montré
sur la figure 3, soit en maille rectangulaire. Avantageusement, plusieurs
sources
contribuent a un seul faisceau, tandis que chaque source peut contribuer à une
pluralité de
faisceaux. Les sources peuvent être divisées en groupes A, B, C, D qui seront
excités et
amplifiées séparément ; cette disposition par groupes améliorant l'isolation
entre sources
voisines et permet de simplifier l'architecture de l'étage d'amplification.
De toutes les figures, seule la figure 4 montre un enseignement contraire à
celui de
l'invention. Une seule source est utilise pour chaque pinceau correspondant.
Il n'y a pas de
réseau focal, et les sources sont distincts et non contiguës. D'autre part,
elles sont placées
devant un réflecteur convexe divergent 12, ce qui contribue à agrandir la
distance entre les
3 0 sources, contrairement a l'invention.
CA 02474126 2004-07-22
WO 03/065507 PCT/FR03/00140
8
La figure 5 montre schématiquement un premier exemple d'un réseau focal de
sources élémentaires 31, substantiellement contiguës et disposées sur une
surface
concave S approximativement sphérique, apte à être intégré à l'antenne selon
l'invention.
La forme de la surface S permet d'améliorer l'efficacité de l'antenne d'une
part, selon une
conséquence de l'optique géométrique ; d'autre part, cette forme permet
d'avoir les sources
très serrées les unes contre les autres sur la face avant du réseau, mais
d'avoir plus de
place entre les guides d'ondes de sortie 112 sur la face arrière du réseau.
Selon une réalisation avantageuse, les sources élémentaires peuvent être
divisées
en groupes, par exemple A, B, C, D comme exposé ci-dessus lors de la
description de la
l o figure 3. Elles peuvent être disposées selon une maille hexagonale comme
montré ici ; ou
tout autre maille choisie par le concepteur. Dans cet exemple, les sources
sont des
cornets, reliés aux guides d'onde de sortie 112 moyennant des brides 111.
La figure 6 montre schématiquement un deuxième exemple d'un réseau focal de
sources élémentaires 31, substantiellement contiguës et disposées sur une
surface
concave S approximativement sphérique, apte à être intégré à l'antenne selon
l'invention.
Dans cette exemple, on peut profiter de l'augmentation de l'espace entre
guides sur la face
arrière du réseau pour y ajouter des duplexeurs de polarisation 20, aussi
connu sous le
nom orthomode . Ces duplexeurs 20 permettent de séparer les signaux en deux
polarisations orthogonales, par exemple Horizontale et Verticale (H,V), qui
seront véhiculés
2o ensuite dans des guides d'ondes respectifs, par exemple guide 21 pour H,
guide 22 pour V.
Sans la courbure de la surface S, il n'y a pas de place pour installer les
duplexeurs
de polarisation 20, ni pour doubler le nombre de guides d'onde sur la face
amère tel que
montré sur cette figure 6. Mais la réutilisation de fréquence par la
polarisation permet de
doubler la capacité de l'antenne, un avantage décisif pour cette réalisation.
La figure 7 montre schématiquement un exemple d'une antenne à réseau focal
selon l'invention, avec une géométrie de type Grégorien. Cette antenne
comprend un
premier réflecteur concave ellipsoïde 54 ayant deux points focaux F1 et F2. Un
réseau focal
110 d'éléments actifs est placé au voisinage du premier foyer F1. Une
propriété de la
géométrie d'un ellipsoïde est que tous les rayons émis de l'un des points
focaux (F2 par
CA 02474126 2004-07-22
WO 03/065507 PCT/FR03/00140
9
exemple) et réfléchis par le réflecteur ellipsoïde 54 seront focalisés dans
l'autre point focal.
(FI).
Un deuxième réflecteur concave parabolôide 44 est positionné avec son foyer au
même endroit que le deuxième foyer F2 dudit premier réflecteur, les deux
réflecteurs
concaves se faisant face. Les rayons parallèles incidents, réfléchis par le
réflecteur
paraboloïde 44,seront ainsi focalisés au foyer F2, d'où ils seront réfocalisés
sur le réseau
focal 110 au foyer FI par le réflecteur ellipsdide 54.
Cette géométrie représente une réalisation préférée de l'invention, toutefois,
d'autres
géométries d'antennes, avec d'autre types et dispositions de réflecteurs
peuvent être
l o contemplées pour obtenir un grand nombre de variantes.
Les quelques exemples décrits ci-dessus l'ont été pour illustrer de manière
non-
limitatif les principes de l'invention et de quelques unes de ses principales
caractéristiques.
L'homme de l'art saura décliner ces principes dans des multiples réalisations,
sans pour
autant sortir du cadre de l'invention.
Notamment, la caractéristique principale de l'invention peut être combinée
avec les
caractéristiques des réalisations connues, par exemple celles citées dans les
documents
Dl à D2, comme exposé ci-dessus.
