Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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2~27 ~
Antenne à balayage électronique en émission
L'invention se rapporte à une antenne à balayage électronique en
émission.
Un ouvrage intitulé "télécommunications spatiales" de la collection
technique et scientifique des télécommunications notamment dans son tome
I pages 92 à 94 et pages 259 à 261 (Masson, 1982) décrit d'une part le
fait de grouper plusieurs antennes, alimentées simultanément par le même
émetteur avec .nterposition de diviseurs de puissances et de déphaseurs,
. les caractéristiques de rayonnement de ce groupement dépendant à la fois
du diagramme de chaque antenne et de la répartition des puissances en
amplitude et phase. Cette propriété est mise à profit pour obtenir un
diagramme qui ne pourrait pas être obtenu avec une seule source
rayonnante. Si, en outre, on modifie les caractéristiques des diviseurs
de puissance et des déphaseurs par des moyens électroniques, on peut
obtenir une modification quasi-instantanée du diagramme. Le groupement
le plus simple de sources rayonnantes est le réseau, dans lequel toutes
les sources sont identiques et se déduisent l'une de l'autre par une
translation quelconque. On peut réaliser ainsi des réseaux rectilignes
ou plans.
Ce document décrit, d'autre part, l'utilisation d'antennes à
~ réflecteur pour la génération de plusieurs faisceaux mobiles qui
:il présentent l'avantage d'une faible masse liée à l'utilisation d'étages
. .
amplificateurs optimisés. Le système d'illumination du réflecteur est en
~' général, décentré par rapport à celui-ci de façon à éviter tout blocage
~- 25 de l'ouverture rayonnante et faciliter l'implantation sur la plateforme
dans le cas d'une application spatiale. Le réflecteur principal est par
exemple un paraboloide. Les faisceaux mobiles sont en fait la
combinaison de faisceaux élementaires, obtenus en plaSant un ensemble de
sources d'illumination au voisinage du foyer, chaque source -~-
correspondant à un faisceau élémentaire.
~i` Du fait que l'on ne peut pas les placer exactement au foyer,l'illumination n'est pas géométriquement parfaite et il se produit des
aberrations de phase qui dégradent quelque peu les performances de
~'! rayonnement, donc des baisses de gain par rapport aux valeurs
35 réalisables au foyer. Ces dégradations sont d'autant plus importantes ~-~
, ;. .
-~:
-- 2 --
que l'on s'écarte du foyer et que la courbure du réflecteur est
importante. On doit donc réaliser des réflecteurs aussi "plats" que
possible, c'est-à-dire avec un rapport distance focale à diamètre
d'ouverture élevé. Ceci conduit à des structures de dimensions
- 5 importantes qui posent des problèmes de précision et de tenue mécanique.
Les applications spatiales, qui nécessitent une déflexion
électronique de l'onde rayonnante sur un large champ de vue, conduisent
à des déviations angulaires de plusieurs largeurs de pinceau. En
conséquence la possibilité de contrôler précisément la forme du
diagramme de l'antenne est essentielle.
.
La configuration de ces grandes antennes doit aussi tenir compte de
` plusieurs aspects système :
- limitation en volume du satellite, liée à la nécessité pour une
antenne de transmettre et de recevoir simultanément ;
~;~ 15 _ compatibilité d'un agencement mécanique aisé sur la plate-forme, et
,~ sur le lanceur avant et pendant le fonctionnement ;
- bon contrôle thermique ;
- multiplicité éventuelle des missions et des utilisateurs.
L'invention a pour but de résoudre ces différents problèmes.
~'i 20 Elle propose à cet effet une antenne à balayage électronique en
émission comprenant un réflecteur focalisant l'énergie, un réseau de
sources élémentaires, situé dans la zone focale de ce réflecteur, de
manière à réaliser la synthèse du champ électromagnétique dans cette
zone focale,caractérisée en ce qu'elle possède une zone de couverture `
25 réalisée par plusieurs spots adjacents, qui est couverte partiellement ~;~
et simultanément par un ou plusieurs faisceaux dont les accès sont
indépendants et utilisant pour cela le même nombre m de sources (ou -~
groupes de sources) élémentaires sélectionnées chacune parmi m classes
~`` de sources qui ne sont jamais sollicitées simultanément dans un même
A 30 faisceau, de telle sorte qu'à chaque instant une source élémentaire -~
~-5~
appartenant à une classe et une seule soit sollicitée, la commutation
des sources assurant l'agilité du ou des faisceaux.
Par rapport aux solutions mécaniques, l'invention présente
~' l'avantage de ne pas nécessiter de mouvements de la source ou du
~?~ 35 réflecteur. Elle permet d'utiliser des focales faibles (antenne
~:~ compacte), et d'assurer plusieurs liaisons simultanées.
. ,~ ,
J.. : ~ '
,
2~2 71~t~
Les avantages par rapport à une solution réseau à rayonnement
direct sont les suivants :
- La performance de l'antenne n'est pas liée directement à la dimension
totale du réseau ;
5 - L'implantation n'est pas obligatoirement sur la face terre du
~ satellite.
a Par rapport à une solution réseau imageur à simple réflecteur, la
solution proposée présente les avantages suivants :
- la dimension hors tout de réseau est réduite ;
- 10 _ l'efficacité antenne est améliorée.
Enfin, si on compare la solution proposée à une solution réseau
imageur à double réflecteur, la compacité de l'antenne de l'invention
est clairement mise en évidence.
Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront
15 d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non
limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles :
- la figure 1 illustre schématiquement l'antenne à balayage selon
~ l'invention ;
-~ - la figure 2 illustre l'arrangement en classe du réseau ;
~j 20 _ la figure 3 illustre une première réalisation d'un électronique
j d'alimentation et de commande de l'antenne selon l'invention ;
- la figure 4 illustre un étage de l'électronique telle que représentée ~-
à la figure 3 ;
- la figure 5 illustre une seconde réalisation d'une électronique -
25 d'alimentation et de commande de l'antenne selon l'invention.
L'antenne de l'invention, représentée à la figure 1, comprend un
réflecteur parabolique 10 excentré alimenté par un réseau plan 11 de
sources situé au voisinage du foyer F du réflecteur, le réseau 12
représentant le réseau de sources virtuelles, correspondant à ce réseau
, 30 11.
Dans l'antenne selon l'invention, on joue uniquement sur la phase
de chaque source élémentaire ; ce qui permet de réaliser la synthèse
optimale de chaque source élémentaire comme si elle était au foyer F du
réflecteur.
35Un tel fonctionnement permet de réaliser une antenne dont le gain -~
ne dépend pas de la direction de pointage, tout en maintenant fixes le ~ ;
~j ,.
'''' ~, ':
.~,,~ ,. ~ .
,.,
2 ~ ~ 7 ~ ~ c~
réflecteur 10 et le réseau 11 de sources élementaires.
Lorsque la couverture spécifiée est réalisée en utilisant plusieurs
spots correspondant à des faisceaux émis par l'antenne, la performance
de directivité antenne est définie par le niveau de recouvrement des
spots. On peut d'ailleurs donner des formes
appropriées aux sources dans le plan focal pour améliorer l'efficacité
de l'antenne.
; Ainsi l'antenne de l'invention est prévue pour un nombre Sp, de
spots, un nombre m d'éléments rayonnants ou sources (ou groupe de
sources) correspondant à chaque spot.
Pour réaliser une couverture entière on utilise Sp spots, chaque
spot comportant m sources. Certaines sources n'appartiennent qu'à un
spot. Les sources sont regroupés en classes de telle sorte qu'à un
instant donné une seule source d'une classe soit utilisée.
En contraignant les spots à utiliser le même nombre de sources
actives et en limitant le contrôle des sources, par exemple à un
contrôle de phase (toutes les sources ayant le même poids en amplitude),
on obtient des performances limitées de l'antenne. Par contre,
l'architecture du sous-système est simplifiée.
L'originalité de l'invention réside donc dans l'arrangement des
sources élémentaires en classe. Une classe étant constituée d'un
ensemble de sources qui ne sont pas utilisées simultanément pour la
formation des différents faisceaux. Cette observation permet donc de -~
regrouper ces classes et de choisir par commutation une source par
classe , ces sources associées entre elles par le diviseur d'entrée vont
former le faisceau choisi.
En considérant la matrice faisant correspondre les Sp spots aux n
sources, par la relation des m sources actives pour un spot donné, il
est possible d'identifier djes classes de sources fonctionnant non
simultanément. Une définition adéquate des spots permet d'obtenir une
,~ configuration selon laquelle les m sources actives correspondent à m -
;>'; classes de sources fonctionnant de manière non simultanée, et ceci pour
`~ tous les spots.
.. ,,, ~ .
,~ Ainsi la zone de couverture réalisée par plusieurs spots adjacents
est couverte partiellement et simultanément par un ou plusieurs
faisceaux dont les accès sont indépendants et utilisant pour cela le
,~,,j :
.... .
:..
.;
2 ~ 2 7 .~
~ 5 ~
,
même nombre m de sources (ou groupe de sources) élémentaires
sélectionnées chacune parmi m classes de sources n'étant jamais
sollicitées simultanément dans un même faisceau, de telle sorte qu'à
chaque instant une source élémentaire appartenant à une classe et une
seule soit sollicitée, la commutation des sources assurant l'agilité du
ou des faisceaux.
Un exemple d'organisation en classes pour un réseau de 64 éléments
rayonnants ou sources correspondant à 8 classes à 8 sources est donné à
la figure 2 : chaque classe étant représentée par un numéro différent
allant de l à 8.
: Une réalisation d'une électronique d'alimentation et de commande
d'une telle antenne selon l'invention, telle que représenté à la figure
3, comporte :
- un diviseur de puissance 15 à une entrée E et m sorties qui forment m
. 15 voies V1 à Vm séparées ;
- et sur chaque voie (Vi) (qui correspond à une classe) :
. un dispositif de contrôle 16 comprenant un déphaseur réglable 17 ;
~;~ . un commutateur, ou "switch", bas niveau 19 permettant de relier une
entrée à une des f sorties ;
. un étage d'amplification 20 à f entrées et f sorties comprenant un
premier et un second coupleurs généralisés 21 et 22 disposés de part
et d'autre de f amplificateurs 23 disposés en parallèle ;
~ . f filtres 24 disposés en parallèle entre les f sorties de l'étage
't~' d'amplification 20 et f sources Sil à Sif du réseau ; f n'étant pas -~
obligatoirement identique d'une voie à l'autre ;
Le diviseur de puissance 15 est constitué d'un ensemble de
coupleurs hybrides 25 qui sont combinés entre eux pour former m sorties.
~;~ Un étage d'amplification 20 comprend un premier et un second
coupleurs généralisés 21 et 22 respectivement formés d'une association
`-, 30 de couplèurs hybrides 25 de part et d'autre d'amplificateurs 23 de telle
façon que chaque entrée du premier coupleur 21 soit répartie sur tous
les amplificateurs 23 et donc sur toutes les sorties des coupleurs
~, hybrides du premier coupleur généralisé 21. ~-
Dans cet étage d'amplification 20 un signal appliqué à la première
~,s 35 entrée, par exemple, ressort amplifié sur la première sortie. Ainsi si
'~` un signal est appliqué à l'une des entrées d'un étage (de rang i par
,, ,
.
"':
",,~ :
: .,, .... . ,. ,, . . . : - i - - - : - -
2 0 ~J ~
.
-- 6 --
exemple), à la sortie correspondante (de rang i) le signal sera amplifié
par tous les amplificateurs et aucune autre sortie ne recevra de signal.
Un schéma détaillé de l'étage d'amplification est représenté à la
figure 4.
Les amplifi~ateurs de puissance 23 resoivent sur leurs entrées
respectives un signal provenant de chaque faisceau, à un niveau
quasi-identique. On obtient une répartition de charge quasi-uniforme sur
toutes les entrées des amplificateurs 23. On reconstitue ensuite les -
signaux à l'aide du deuxième coupleur généralisé 22 qui a une structure
inverse de celle du premier.
Les amplificateurs 23 ont ainsi une puissance d'entrée constante et ~-
peuvent ainsi fonctionner à leur capacité nominale.
Ainsi dans l'électronique d'alimentation et de commande, tel que ;
représenté à la figure 3, un commutateur (19), dit "commutateur de
classe", peut adresser n'importe quelle source d'une classe, sans que le
,t, fonctionnement des amplificateurs ne soit affecté. Il en est de même
, pour toutes les classes, et donc pour tous les amplificateurs.
Les circuits de déphasage (17) sont pilotés par une unité de --
commande non représentée sur les figures.
L'électronique d'alimentation et de commande de l'antenne, tel que
représenté sur la figure 3, ne possède qu'une entrée E c'est-à-dire
qu'elle ne fonctionne qu'avec un seul utilisateur, mais elle peut aussi
fonctionner avec p utilisateurs, comme représenté à la figure 5.
A titre d'exemple les électroniques d'alimentation et de commande
-~i 25 des figures 3 et 5 sont représentées avec 8 classes (m=8), et 8 sources ~ -
par classe (f=8) ; On définit ainsi un réseau de 64 sources
correspondant à 8 classes de 8 sources. La réalisation d'un faisceau
donné est donc obtenue lorsque 8 sources, appartenant respectivement à ~ ;
~;l chacune des 8 classes, sont adressés avec 8 valeurs de phases, pour -~
~ 30 réaliser après ampiification ùn ensemble de 8 spots. On obtient ainsi un
'; fonctionnement multi-spots simultané et donc à un optimum de la synthèse -
du faisceau émis.
Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et
représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et que l'on pourra
remplacer ses éléments constitutifs par des éléments équivalents sans,
l pour autant, sortir du cadre de l'invention.
,. ~ .
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