Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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Antenne à réflecteur à flexibilité de couverture et de fréquence et
satellite comportant une telle antenne
La présente invention concerne une antenne à réflecteur à flexibilité
de couverture et de fréquence et un satellite comportant une telle antenne.
Elle s'applique notamment au domaine des antennes de télécommunication
par satellite.
La durée de vie croissante des satellites de télécommunications et
l'évolution des exigences associées aux différentes missions qui peuvent leur
être confiées, impose que les charges utiles, et en particulier les antennes,
=
des futures générations de satellites soient flexibles. Cette flexibilité peut
être
réalisée au niveau de la zone de couverture géographique de l'antenne et/ou
au niveau de la polarisation et/ou au niveau de la bande de fréquences de
fonctionnement. Cette flexibilité n'a pas pour objectif de couvrir toutes les
zones de couverture géographiques simultanément mais d'avoir le choix
entre plusieurs couvertures géographiques pouvant être générées par la
même antenne et de pouvoir modifier, en orbite, la mission du satellite.
Les antennes placées à bord des satellites comportent typiquement
un réflecteur, géométriquement formé, éclairé par une source unique pour
couvrir une zone de couverture pointée sur la Terre. Un satellite comporte
généralement une antenne d'émission et de réception, ou une antenne
d'émission et une antenne de réception, par zone de couverture. La forme
géométrique du réflecteur peut éventuellement être définie de façon à être
optimisée pour plusieurs positions orbitales du satellite mais généralement
pour couvrir une unique couverture géographique.
La flexibilité de fréquence sur un spectre à large bande, par exemple
le plan de fréquences Ku, Ku+ couvrant les fréquences comprises entre
10,7GHz et 18,4GHz et une seule zone de couverture, ne peut pas être
obtenue avec une seule source car aucune source n'est actuellement
suffisamment à large bande. En outre, il existe un point critique concernant
le
diplexage entre les bandes d'émission et de réception et il est nécessaire de
conserver une marge de l'ordre de 250MHz entre la fréquence haute de la
bande d'émission et la fréquence basse de la bande de réception.
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Une première solution connue est d'utiliser deux antennes distinctes
pour couvrir la même zone géographique, mais cette solution engendre des
problèmes de masse, d'encombrement et de coût.
Une deuxième solution connue consiste à placer deux sources côte à
côte devant un réflecteur surdimensionné de manière à minimiser la
défocalisation des deux sources. Les centres de phase des deux sources
sont placés dans le plan focal du réflecteur et leurs axes de rayonnement
sont parallèles. Les deux sources sont positionnées au plus près du foyer du
réflecteur pour réduire la défocalisation des sources et les pertes en
directivité de l'antenne qui en résultent. Cependant cette solution n'est pas
optimale.
A titre d'exemple, la demande de brevet français référencée sous le
numéro de publication FR2648278 divulgue un dispositif antennaire
comportant deux sources et un réflecteur auxiliaire pivotable et pourvu de
deux surfaces réfléchissantes. D'une part, ce dispositif souffre des
inconvénients de défocalisation précités, ce qui dégrade les performances de
l'antenne, d'autre part, le nombre de degrés de liberté accessibles sur un
réflecteur auxiliaire est assez faible, ce qui revient à limiter les
possibilités de
déformation de la couverture obtenue par faisceau de l'antenne.
Une autre possibilité consiste à utiliser une seule source placée au
foyer d'un réflecteur, la source étant reliée à une architecture électrique
complexe combinant deux chaînes radiofréquences, la première chaîne
fonctionnant dans un premier plan de fréquences, la seconde chaîne
fonctionnant dans un second plan de fréquences. Cependant cette
architecture induit une complexité engendrant des pertes ohmiques non
négligeables et un coût de réalisation important.
Par ailleurs, pour réaliser deux zones de couverture distinctes, les
solutions actuelles nécessitent d'utiliser deux antennes distinctes et
indépendantes comportant chacune un réflecteur déployable, le réflecteur
devant être associé à deux sources différentes pour couvrir entièrement une
bande de fréquence choisie, ce qui impose donc quatre sources au total,
placées sur une face latérale d'un satellite et un double système de gerbage
pour déployer ou stocker les deux réflecteurs des deux antennes.
Le brevet US 6 859 188 décrit une autre solution consistant à utiliser
un réflecteur retournable comportant deux surfaces réfléchissantes couvrant
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deux zones de couvertures différentes le réflecteur étant associé à une seule
source. Le positionnement de l'une des surfaces réfléchissantes devant la
source permet de sélectionner l'une des zones de couverture, cependant
cette solution ne comporte aucune flexibilité de fréquence et ne permet pas
un fonctionnement dans un plan de fréquence à large bande.
Le but de l'invention est de réaliser une antenne optimale permettant
de répondre aux besoins de flexibilité en couverture et en fréquence,
permettant de supprimer les aberrations et les pertes dues à la
défocalisation, simple à mettre en oeuvre, et dont la géométrie ne résulte pas
d'un compromis en performances et permet de réduire les pertes ohmiques
par rapport aux solutions antérieures.
Pour cela, l'invention concerne une antenne à réflecteur à flexibilité de
couverture et de fréquence comportant un réflecteur retournable ayant deux
surfaces réfléchissantes distinctes formées géométriquement de façon à
couvrir respectivement une première et une deuxième zones géographiques
différentes et de formes prédéterminées, caractérisée en ce que les deux
surfaces réfléchissantes sont fixées dos à dos sur un support commun ,et en
ce que l'antenne comporte en outre au moins deux sources indépendantes
disposées dans une configuration fixe et reliées à des chaînes d'alimentation
radiofréquence distinctes définissant des plans de fréquences de
fonctionnement différents et prédéfinis, le réflecteur comportant une première
position de déploiement selon laquelle le foyer de la première surface
réfléchissante est placé au centre de phase de la première source Si et une
deuxième position de déploiement selon laquelle le foyer de la deuxième
surface réfléchissante est placé au centre de phase de la deuxième source
S2.
Un autre aspect de l'invention concerne une antenne à réflecteur à
flexibilité de couverture et de fréquence comportant:
un réflecteur réversible ayant deux surfaces réfléchissantes distinctes
formées géométriquement de façon à couvrir respectivement une première et
une deuxième zones géographiques différentes et de formes prédéterminées,
dans laquelle les deux surfaces réfléchissantes sont fixées dos à dos sur un
support commun; et
au moins deux sources indépendantes disposées dans une configuration
fixe et reliées à des chaînes d'alimentation radiofréquence distinctes
définissant
des plans de fréquence de fonctionnement différents et prédéfinis, le
réflecteur
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comportant une première position de déploiement dans laquelle un foyer d'une
première surface réfléchissante est placé au centre de phase d'une première
source indépendante et une deuxième position de déploiement dans laquelle un
foyer d'une deuxième surface réfléchissante est placé au centre de phase d'une
deuxième source indépendante, une troisième position de déploiement, dans
laquelle le foyer de la première surface réfléchissante est place au centre de
phase de la deuxième source indépendante et une quatrième position de
déploiement, dans laquelle le foyer de la deuxième surface réfléchissante est
place au centre de phase de la première source indépendante.
Ainsi, quelle que soit la configuration dans laquelle l'antenne selon
l'invention est utilisée, la source active, S1 ou S2, est focalisée car son
centre de phase est positionné au foyer du réflecteur.
Avantageusement, l'antenne comporte des moyens de déploiement
du réflecteur comportant au moins un premier moteur et des moyens de
retournement du réflecteur comportant au moins un deuxième moteur, les
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deux moteurs ayant des axes de rotation perpendiculaires entre eux, le
deuxième moteur actionnant le retournement du réflecteur de la première
position à la deuxième position par une rotation d'un angle prédéterminé du
support commun.
Avantageusement, le réflecteur comporte une troisième position de
déploiement selon laquelle le foyer de la première surface réfléchissante est
placé au centre de phase de la deuxième source et une quatrième position
de déploiement selon laquelle le foyer de la deuxième surface réfléchissante
est placé au centre de phase de la première source.
Avantageusement, l'antenne comporte en outre des moyens de
translation du réflecteur comportant un troisième moteur relié au premier
moteur et au deuxième moteur par des bras de levier, le troisième moteur
ayant un axe de rotation parallèle à l'axe de rotation du premier moteur, le
premier et le troisième moteur actionnant le réflecteur en translation
permettant un changement de la position du foyer de la première surface
réfléchissante, respectivement de la deuxième surface réfléchissante, de la
première source à la deuxième source. L'antenne selon l'invention bénéficie
ainsi d'une cinématique spécifique, grâce notamment aux trois moteurs
placés judicieusement, et permet d'atteindre des performances RF optimales
sur deux couvertures distinctes et sur deux plans de fréquences différents.
Selon un mode de réalisation, l'antenne comporte un unique
réflecteur, ce réflecteur étant le réflecteur retoumable. Un grand nombre de
couvertures différentes peuvent ainsi être produites (bien que, in fine,
uniquement deux couvertures soient accessibles sur le réflecteur), par
exemple des couvertures géographiques très déformées, très allongées.
Selon un autre mode de réalisation, l'antenne comporte un
réflecteur principal associé à un réflecteur auxiliaire (par exemple une
antenne avec un montage de type Cassegrain). Dans ce cas, c'est de
préférence le réflecteur principal qui comporte deux surfaces réfléchissantes
retournables, de manière à bénéficier d'un maximum de degrés de libertés
dans la production des couvertures.
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Avantageusement, les sources peuvent être fixées côte à côte ou
l'une au-dessus de l'autre.
L'invention concerne également un satellite de télécommunications
5 comportant une telle antenne.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront
clairement dans la suite de la description donnée à titre d'exemple purement
illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés
qui
représentent :
figure la: un schéma en perspective d'un exemple d'antenne
à réflecteur à flexibilité de couverture, montée sur la plate-
forme d'un satellite, le réflecteur étant dans une position
stockée, selon l'invention;
figure lb: un schéma en perspective du réflecteur en position
déployée montrant les deux surfaces réfléchissantes du
réflecteur montées sur un support commun, selon l'invention ;
figures 2a, 2b: deux schémas de la même antenne pour deux
directions de pointage différentes, selon l'invention ;
figures 3a, 3b: deux schémas de la même antenne dans une
deuxième et une troisième positions selon lesquelles la
source Si, respectivement la source S2, est au foyer du
réflecteur pointé dans une même direction, selon l'invention ;
Sur l'exemple représenté sur la figure la, l'antenne passive simple
offset comporte un réflecteur 10 en position stockée sur la plate-forme 11
d'un satellite, par exemple sur une face latérale parallèle à un plan YZ, et
deux sources indépendantes Si, S2 de signaux radiofréquence. Un
mécanisme de déploiement 12 visible sur les figures suivantes, permet de
déployer le réflecteur 10 pour que dans une position déployée, les deux
sources Si, S2 soient disposées devant le réflecteur, dans son plan focal. Le
réflecteur 10 comporte deux surfaces réfléchissantes R1, R2 distinctes et de
formes différentes fixées dos à dos sur un support commun 15, comme
représenté par exemple sur la figure lb. Chaque surface réfléchissante est
formée géométriquement et optimisée pour une mission donnée de façon à
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illuminer une zone de couverture au sol ayant des dimensions
prédéterminées lorsqu'une seule source est placée à son foyer. Cette forme
a approximativement l'allure d'une parabole et n'en diffère que légèrement.
Les sources Si, S2, par exemple de type cornets, sont fixées sur un plan
incliné 16 aménagé sur la plate-forme 11 et sont disposées selon une
configuration fixe prédéterminée par exemple l'une à côté de l'autre. Les
sources Si et S2 peuvent dans certains cas être placées l'une au dessus de
l'autre ou dans toute autre configuration.
En position déployée, l'une des surfaces réfléchissantes R1, R2 est
positionnée en regard des deux sources S1, S2 et est orientée selon une
direction de pointage prédéterm. inée 17. Le réflecteur 10 est retournable par
rapport au plan du support 15 par une rotation de l'ensemble constitué par le
support 15 et les deux surfaces réfléchissantes R1, R2, ce qui permet de
pouvoir changer de surface réfléchissante et donc de zone de couverture
souhaitée. L'invention consiste donc à positionner les deux surfaces
réfléchissantes R1, R2 sur le support commun 15 de façon que dans une
première position du réflecteur 10 correspondant à une première mission du
satellite, le centre de phase de la source Si soit placé au foyer de la
première surface réfléchissante R1 et de façon que dans une deuxième
position du réflecteur obtenue par une rotation du réflecteur et correspondant
à une deuxième mission du satellite, le centre de phase de la deuxième
source S2 soit placée au foyer de la deuxième surface réfléchissante R2. La
rotation permettant le retournement du réflecteur de la première position à la
deuxième position est réalisée autour d'un axe 22 parallèle au plan du
support 15 et sur un angle prédéterminé dépendant du positionnement relatif
des surfaces réfléchissantes R1, R2 sur le support 15. A titre d'exemple non
limitatif, l'angle de rotation pour le retournement du réflecteur est réglable
dans une fourchette de valeurs prédéterminée, par exemple entre 175 et
1950.
Le mécanisme de déploiement du réflecteur comporte par exemple un
moteur M1 ayant un axe de rotation parallèle au plan YZ et un bras de
déploiement 13 pouvant être actionné en rotation par le moteur M1 entre une
position dans laquelle le réflecteur 10 est stocké contre la paroi de la plate-
forme 11 parallèle au plan YZ du satellite et une position de déploiement. Le
mécanisme de retournement du réflecteur 10 comporte par exemple un
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deuxième moteur M2 d'axe perpendiculaire à l'axe du moteur M1 et relié au
bras de déploiement 13 et au réflecteur 10. Le deuxième moteur M2 actionne
le retournement du réflecteur 10 de la première position à la deuxième
position par une rotation d'un angle prédéterminé du support commun 15.
Les deux sources S1, S2 sont alimentées respectivement par
l'intermédiaire de deux chaînes 2, 3 différentes d'alimentation en signaux
radiofréquence RF de préférence intégrées dans un boîtier 14. Chaque
chaîne RF 2, 3 étant dédiée à des fonctions de télécommunication, les deux
sources S1, S2 peuvent être alimentées dans des plans de fréquence
différents F1 et F2, chaque plan de fréquence pouvant comporter une ou
plusieurs sous-bandes de fréquence à l'émission et/ou à la réception.
Sur la figure 2a, le centre de phase 5 de la source S1 est positionné
au foyer de la première surface réfléchissante R1 qui pointe dans une
première direction de pointage 17 située sur une première zone de
couverture terrestre correspondant à une première mission prédéterminée.
Sur la figure 2b, le centre de phase 6 de la source S2 est positionné au foyer
de la deuxième surface réfléchissante R2 qui pointe dans une deuxième
direction de pointage 18 située sur une deuxième zone de couverture
terrestre différente de la première zone de couverture et correspondant à une
deuxième mission prédéterminée. Le passage de la première mission à la
deuxième mission est réalisé par une rotation d'un angle prédéterminé du
réflecteur retournable 10, par exemple de 1800, par rapport au plan du
support 15. L'entraînement en rotation du réflecteur 10 est réalisé au moyen
du deuxième moteur M2. Le changement de direction de pointage souhaité
entre la mission 1 et la mission 2 détermine la position relative des deux
surfaces réfléchissantes R1, R2 l'une par rapport à l'autre sur le support 15.
Outre la flexibilité de couverture obtenue par le retournement du
réflecteur 10, il est possible d'obtenir une flexibilité de fréquence sur une
même zone de couverture et donc pour une même position et une même
direction de pointage du réflecteur, sans pertes ni aberrations dues à une
défocalisation. Pour cela, l'invention consiste à sélectionner l'une des
sources S1 ou S2 en fonction de la fréquence souhaitée puis à déplacer et
orienter le réflecteur 10 de façon que la source sélectionnée soit positionnée
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au foyer du réflecteur et que le réflecteur illumine la zone de couverture
sélectionnée.
Dans la configuration initiale représentée sur la figure 3a, le centre de
phase 5 de la source Si est positionné au foyer de la première surface
réfléchissante R1 du réflecteur 10 qui pointe dans une direction de pointage
17 située par exemple sur l'équateur terrestre. Si la source S1 est par
exemple alimentée dans un plan de fréquence F1 par l'intermédiaire d'une
première chaîne RF et la source S2 est reliée à une deuxième chaîne RF
optimisée pour fonctionner dans un plan de fréquence F2, pour passer du
plan de fréquence F1 au plan de fréquence F2 sans changer le pointage de
- l'antenne, l'invention consiste à commuter l'alimentation de la source S1
à la
source S2 et à déplacer le réflecteur en translation de la source S1 vers la
source S2 pour positionner le foyer de la première surface réfléchissante R1
au centre de phase 6 de la source S2, comme représenté sur la figure 3b. Le
déplacement et l'orientation du réflecteur 10 devant la source S2 sans
changer la direction de pointage 17 de l'antenne peut être réalisé par
exemple au moyen de deux moteurs M1, M3, le moteur M3 étant relié au
moteur M1 et au moteur M2 par l'intermédiaire de bras de levier 20, 21
correspondants. Les deux moteurs Ml, M3 ont des axes de rotation
parallèles, ou quasiment parallèles, entre eux et quasiment parallèles au plan
YZ de la face latérale de la plate-forme 11 du satellite qui supporte le
réflecteur 10. L'actionnement du moteur M1 en rotation dans le sens inverse
des aiguilles d'une montre et selon un angle de rotation dépendant de
l'espacement entre les sources S1 et S2, entraîne le premier bras de levier
20 en rotation dans le même sens ce qui a pour effet de déplacer et de
rapprocher le moteur M3 et le réflecteur 10 de la plate-forme 11 du satellite,
comme le montre la figure 3b et de déplacer ainsi le réflecteur de la source
Si vers la source S2. L'actionnement en rotation du moteur M3 dans le sens
des aiguilles d'une montre selon un même angle de rotation que le moteur
Ml, permet ensuite, par l'intermédiaire du bras de levier 21, de basculer le
réflecteur 10 en rotation dans l'autre sens jusqu'à ce qu'il soit dans une
position parallèle à sa position initiale et que le centre de phase 6 de la
source S2 soit ainsi positionné au foyer du réflecteur 10 et illumine la même
zone de couverture sur la Terre. Les rotations successives des différents
moteurs Ml, et M3 font ainsi subir une translation au réflecteur 10 telle que
le
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foyer de la surface réfléchissante RI passe de la source Si à la source S2.
En utilisant un nombre de sources supérieur à deux, les mêmes opérations
peuvent être reproduites avec une ou plusieurs sources additionnelles, par
exemple pour réaliser une ou plusieurs autres missions dans d'autres plans
de fréquence si chacune des sources additionnelles est reliée à une chaîne
RF dédiée et optimisée pour un autre plan de fréquence que celui des
sources S1 et S2.
Avec une seule antenne comportant deux surfaces réfléchissantes
interchangeables, trois moteurs et deux sources Si, S2, il est ainsi possible
de déployer l'antenne en orbite, de la positionner de manière à remplir au
choix une mission parmi quatre missions possibles. Les deux surfacés
réfléchissantes étant interchangeables et mécaniquement solidarisées entre
elles, les quatre missions différentes sont remplies en utilisant une seule
structure mécanique de support et de déploiement. La première mission est
réalisée en plaçant le foyer de la surface réfléchissante R1 sur le centre de
phase 5 de la première source Si, pour la deuxième mission, le réflecteur
est translaté et le centre de phase 6 de la deuxième source S2 est au foyer
de la surface réfléchissante R1, pour la troisième mission, le réflecteur est
tourné d'un angle réglable prédéterminé, par exemple compris entre 175 et
195 sur les exemples de réalisation, et la première source Si est au foyer
de la surface réfléchissante R2 et pour la quatrième mission, la deuxième
source S2 est au foyer de la surface réfléchissante R2.
Grâce aux trois moteurs, il est ainsi possible de focaliser les sources
Si ou S2 au foyer de l'une des surfaces réfléchissantes R1, R2 du réflecteur
10 ce qui permet d'obtenir des performances optimales sur tout le plan de
fréquence. En ajoutant des sources supplémentaires, des missions
additionnelles dans des plans de fréquence différents deviennent également
possibles.
Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des modes de
réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement
limitée et
qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi
que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.
