CA2289007C - Antenne a forte capacite de balayage - Google Patents

Abstract

L'invention est relative à une antenne à forte capacité de balayage. Cette antenne comprend un panneau d'éléments rayonnants statiques (30) qui sont commandés pour émettre dans des directions variables par rapport à une direction (38) perpendiculaire au plan du panneau. Des réflecteurs (34, 44) amplifient le balayage effectué par le panneau (30) d'éléments rayonnants. Ces réflecteurs (34, 44) sont par exemple des segments de paraboloïdes de même axe (38) et de même foyer (40).

Description

ANTEI~TE A FORTE CAPACITÉ DE BALAYAGE
La présente invention est relative à une antenne à
forte capacité de balayage. Elle concerne plus particulièrement une antenne qui est destinée â un système de télécommunication, notamment par satellites.
Pour diverses applications, on a souvent besoin d'an-tennes destinées â recevoir des signaux d'une source mobile et/ou émettre des signaux vers un récepteur (ou cible) mobile.
Pour réaliser de telles antennes d'émission et/ou de rêception on utilise le plus souvent des antennes actives constituées d'êléments rayonnants immobiles mais dont on peut faire varier la direction du diagramme de rayonnement en faisant varier la phase des signaux alimentant les êlêments rayonnants.
Cette technique ne permet pas d'obtenir des diagrammes de rayonnement satisfaisants pour les angles de dépointage importants, c'est-à-dire pour les directions s'écartant de façon notable de la direction moyenne d'émission et/ou de réception.
Le suivi d'une source ou d'un rêcepteur peut également être effectué à l'aide d'une antenne conventionnelle, un moteur commandant le déplacement de cette antenne. Ce type d'antenne à
éléments mécaniquement mobiles et â moteur ne convient pas pour toutes les applications. En particulier, pour les applications spatiales il est préférable d'êviter, pour des raisons de

2 fiabilité, d'encombrement et de poids, l'utilisation d'une telle antenne.
L'invention remédie à ces inconvénients. Elle permet la réalisation d'une antenne à forte capacité de balayage avec un diagramme de rayonnement satisfaisant pour les angles de dépointage importants et qui ne fait pas appel à des organes mobiles.
L'antenne conforme à l'invention comporte un ensemble d'éléments rayonnants statiques commandés pour réaliser un bala-yage et des moyens réflecteurs pour amplifier l'angle de lp balayage fourni par les éléments rayonnants. Les moyens réflecteur comportent deux réflecteurs présentant un foyer commun le premier réflecteur recevant le faisceau émis par l'ensemble d'éléments rayonnants et le deuxième réflecteur recevant le faisceau réfléchi par le premier réflecteur.
Selon l'invention la distance focale du premier réflecteur est supérieure à la distance focale du deuxième réflecteur de telle sorte que le faisceau sortant de l' antenne présente une inclinaison par rapport à une direction prédéterminée qui est supérieure à l'inclinaison O, par rapport à la direction donnée, du faisceau émis par les éléments rayonnants.
20 Ainsi l'angle du balayage effectué par les éléments rayonnants peut être réduit en proportion de l'amplification réalisée par les moyens réflecteurs. De cëtte manière, les éléments rayonnants ne sont pas utilisés pour des angles de dépointage trop importants. En outre les contraintes imposées à
des éléments rayonnants devant effectuer un balayage selon un angle réduit, sont beaucoup moins sévêres. En particulier, les dimensions de l'ensemble sont moins limitées, ce qui permet un pas, c'est-à-dire une distance entre deux éléments rayonnants adjacents, d'une valeur suffisante pour éviter les lobes de réseaux sans compromettre la propagation du rayonnement.
30 De préférence, les moyens réflecteurs sont en fait analogues à ceux habituellement utilisés, par exemple

3 dans les antennes Cassegrain, pour augmenter la taille du faisceau. Toutefois avec l'invention les moyens réflecteurs sont utilisés à l'inverse de l'usage habituel. En effet, dans une antenne Cassegrain, une augmentation de la taille du faisceau correspond à une diminution de l'angle de balayage.
De préférence, dans une réalisation, chaque réflecteurs comporte, par exemple, un paraboloïde. Le gain de l'amplification en balayage dëpend du rapport entre les distances focales des deux réflecteurs.
Ce rapport est, par exemple, de quatre.
De préférence, les réflecteurs sont disposés de façon telle que le faisceau de sortie ne soit pas occulté, même partiellement, par le premier réflecteur, c'est-à-dire le réflecteur recevant directement le faisceau provenant des éléments rayonnants.
Une application prêférée de l'invention concerne une antenne pour la communication avec une pluralité de sources ou récepteurs se trouvant dans une zone étendue, la communication devant rester confinée dans la zone malgrë le changement de pôsition de l'antenne par rapport à la zone.
Ce problème se pose en particulier dans un systême de télécommunication â rêseau de satellites à orbite basse_ Un tel système a déjà êtê proposé pour la communication à haut débit entre stations ou mobiles terrestres se trouvant dans une zone géographique déterminée d'une êtendue de plusieurs centaines de kilomêtres. Les satellites ont une altitude qui se situe entre 1000 et 1500 km.
Dans ce système, chaque satellite comporte des groupes d'antennes de-réception et d'émission, chaque groupe êtant dëdié
à une zone donnée. Dans chaque groupe les antennes de rëception reçoivent les signaux provenant d'une station dans la zone et les antennes réémettent les signaux reçus vers une~autre station 3a dans la même zone. Les antennes d'un groupe restent constamment orientées vers la zone, tant que celle-ci reste dans le champ de vision du satellite. Ainsi, pour un satellite, une rëgion de la terre est divisée en n zones et quand il se dêplace au-dessus

4 d'une région, à chaque zone est affecté un groupe d'antennes d'émission et de réception qui restent constamment orientées vers cette zone.
De cette manière, pendant le déplacement - par exemple d' une durée d' une vingtaine de minutes - du satellite au-dessus d'une région, un seul groupe d'antennes d'émission et de récep-tion étant affecté à la zone, on évite des commutations d'une antenne â une autre qui pourraient être dommageables à la rapi-dité ou la qualité de la communication.
l0 Par ailleurs, la basse altitude des satellites minimise les temps de propagation, ce qui est favorable à des communications de type interactif, notamment pour des applications dites multimédias.
On comprend qu'avec ce système de télécommunication il est préférable qu'une antenne destinée â une zone ne puisse être perturbêe par les signaux provenant d'une autre zone ou qu'elle ne perturbe pas d' autres zones . En outre le diagramme de rayon nement présente une forme variable en fonction de la position relative du satellite par rapport à la zone. Quand les zones sont, sur la terre, toutes circulaires, l'antenne voit la zone sous la forme d'un cercle quand le satellite est au nadir de cette zone ; par contre quand le satellite s'éloigne de cette position l'antenne voit la zone sous la forme d'une ellipse d'autant plus aplatie qu'il se rapproche de l'horizon.
On a constaté qu'une antenne conforme à l'invention dans laquelle les réflecteurs sont des paraboloïdes permet d'adapter la trace au sol du diagramme à la position relative de l'antenne par rapport à la zone, sans qu'on ait à modifier le diagramme de rayonnement fourni par les éléments rayonnants.
En outre, l'antenne présente un gain important quand le satellite se trouve proche de l'horizon par rapport à la zone. Or, dans ce cas, la distance du satellite à la zone est 1a plus importante ; ainsi l'augmentation du gain compense l'augmentation de distance, ce qui est favorable au maintien des communications.

De préférence, pour le suivi d'une zone, dans une réalisation, on prévoit deux antennes du type mentionné ci-dessus, chaque antenne étant utilisée pour un balayage encore plus réduit.
Une antenne selon l'invention peut être utilisée pour suivre plusieurs zones, les éléments rayonnants pouvas-~t recevoir, ou émettre, des signaux de, ou vers, plusieurs zones.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes âe 1~ réalisation, celle-ci étant effectuée en se rëférant aux dessins ci-annexés sur lesquels .
la figure 1 est un schéma montrant un système de télé-communication entre stations ou mobiles terrestres faisant appel â un système de satellites, la figure 2 est un schéma illustrant un système de télécommunication, la figure 3 est un schéma en coupe d'une antenne conforme à l'invention, la figure 4 est un schéma en coupe pour une variante, la figure 5 est un schëma montrant la région que peut couvrir l'antenne représentée sur la figure 4, 20 la figure 6 est un schéma montrant deux antennes asso-ciées pour couvrir l'ensemble des zones reprësentëes sur la figure 5 , et la figure 7 est un schéma en perspective d'une réali-sation faisant appel à des antennes associées.
L'exemple d'antenne que l'on va décrire est destiné â
un système de télécommunication faisant appel à une constellation de satellites à orbite basse, environ 1300 km au-dessus de la surface 10 de la terre.
Le systëme doit établir des communications entre des utilisateurs 12, 14, 16 (figure 1) et une, ou plusieurs, sta 30 tion(s) de connexion 2o à laquelle sont connectés des fournis seurs de services tels que des bases de données. Les communi-cations sont également établies entre les utilisateurs par l'in-termédiaire de la station de connexion 2o.

WO 99/00870 PCT/F'R98/01345 Ces communications sont réalisées par l'intermédiaire d'un satellite 22.
Dans le systëme, à chaque instant, le satellite 22 voit une région 24 de la terre (figure 2) et cette région est divisée en zones 261, 262...26n.
Chaque zone 26i a la forme d'un cercle d'un diamètre d'environ 700 km. Chaque région 24 est délimitée par un cône 70 (figure 1) centré sur le satellite et d'un angle au sommet déterminé par l'altitude du satellite. Une région est ainsi la partie de la terre visible depuis le satellite. Quand l'altitude du satellite est de 1300 km, l'angle au sommet est de Ilo°
environ.
La communication entre zones est effectuée à l'aide de moyens terrestres, par exemple à l'aide de câbles disposés entre les stations de connexion des diverses zones faisant partie d'une même région ou de régions différentes.
Le nombre et la disposition des satellites sont tels qu'à chaque instant, une zone 26i voit deux ou trois satellites.
De cette manière, quand une zone 26i sort du champ de vision du satellite affecté aux communications dans cette zone, il reste un satellite pour prendre le relais et la commutation d'un satellite à l'autre s'effectue de façon instantanée.
Toutefois une telle commutation n'intervient que toutes les vingt minutes environ. En pratique cette commutation se produit quand, pour la zone 26i en question, l'élévation du satellite descend en dessous de 10°.
Les antennes selon l'invention sont, au cours du déplacement du satellite au-dessus d'une région 24, toujours pointées vers la même zone ou un même ensemble de zones. Elles doivent donc présenter une forte capacité de balayage ou dépointage.
A cet effet, l'antenne comprend (figure 3) un panneau 30 d'éléments rayonnants associé à un réseau formateur de faisceau (non montré) de commande de la phase des signaux appli-gués aux éléments rayonnants. Un faisceau 32 émis par le panneau - . WO 99/00870 PCT/FR98/01345 30 est dirigé vers un premier réflecteur 34 ayant la forme d'un . paraboloïde à découpe circulaire. Ce réflecteur est un élément d'une surface fictive 36 dont l'axe 38, sur lequel se trouve le foyer 40, est éloigné du rëflecteur 34.
L'axe 38 est perpendiculaire au plan du panneau 30.
Le faisceau 42 réfléchi par le rêflecteur 34 est dirigé vers un second réflecteur 44 disposé à l'opposé de l'axe 38 par rapport au réflecteur 34 et au panneau 30. Ce réflecteur 44 est également un élément d'une surface fictive 46, qui dans le plan de la figure 3, est une parabole de même foyer 40 que la parabole 36 et de même axe 38. La surface 46 est également un paraboloïde.
La concavité du réflecteur 44 est tournêe vers la concavité du réflecteur 34.
La distance focale du réflecteur 44 est par exemple quatre fois plus faible que la distance focale du réflecteur 34.
L'axe 38 ne forme pas d'intersection avec les réflec-teurs 34 et 44 . Le bord 441 du réf lecteur 44 le plus proche de l'axe 38 est à une distance de l'axe sensiblement plus faible que la distance du bord 341 correspondant du réflecteur 34 à
l'axe 38.
Dans l'exemple représenté sur la figure 3 le réseau 30 a une forme extérieure générale d'un cercle de diamètre 30 cm (ou 12 ~.) environ avec 37 éléments rayonnants séparês les uns des autres de 42 mm, soit 1, 7 ~,, ~, ëtant la longueur d' onde du rayonnement.
Chacun des réflecteurs est découpé selon un cercle. Le diamètre du cercle limitant le réflecteur 34 est, dans cet exém ple, de l' ordre de 28 7~, tandis que le diamètre du cercle limi tant le rêflecteur 44 est de l'ordre de 30 ~,. La distance sépa rant le bord 341 de l'axe 38 est de 24 ~, et la distance entre le bord 441 du réflecteur 44 et l'axe 38 est de 4 ~..
Lorsque le réseau 30 êmet un faisceau d'ondes 321 parallèle à l'axe 38; c'est-à-dire perpendiculaire à son plan, ce faisceau est réfléchi par le réflecteur 34 de façon telle qu'il soit focalisé au foyer 40. Dans ces conditions le réflecteur 44 renvoie ce faisceau 322 parallèlement à l'axe 38 comme représenté par le faisceau 323.
Quand le réseau 30 êmet un faisceau 325 incliné d'un angle O relativement faible par rapport à l'axe 38, le faisceau 326 réfléchi par le réflecteur 34 converge en un point 50 proche du foyer 40 et le faisceau 32~ réfléchi par le réflecteur 44 est incliné d'un angle qui est d'environ n fois l'angle O, n étant le rapport de la distance focale f du réflecteur 34 à la distance focale f' du réflecteur 44. Dans l'exemple, ce rapport entre les distances focales étant de quatre, le faisceau 32~ est donc incliné d'un angle 40 par rapport à l'axe 38.
Cette amplification dans le rapport des distances focales ne se vérifie cependant pas pour des faisceaux 3210.
ëmis par le réseau 30, qui présentent un angle d'inclinaison important par rapport à l'axe 38.
On voit ainsi sur la figure 3 que le faisceau 3210 est réfléchi en un faisceau 3211 par le réf lecteur 34 et ce dernier converge en un point 52 éloigné du foyer 40. Le faisceau 3211 est réfléchi par le réflecteur 44 selon un faisceau 3212.
Par exemple, pour un faisceau d'azimut cp - 90° et d'inclinaison O de 4,5° par rapport à l'axe 38,c'est-à-dire par rapport à la normale au plan du réseau 30, le faisceau 32~, également d'azimut 90°, est incliné de 18° par rapport à l'axe 38. Cette valeur correspond bien à 40.
Par contre, pour une inclinaison, ou dépointage, de -14° (faisceau 3210), également avec un azimut de 90°, on constate que le faisceau 3212 présente une inclinaison de 38°
par rapport à l'axe 38, ce qui est sensiblement inférieur au quadruple de l'inclinaison du faisceau 3210. L'azimut du faisceau 3212 est également de 90°.
Dans l'exemple, pour un azimut de 90°, le faisceau émis par le rêseau 30 peut balayer un angle O compris entre 4,5°
et -14°. Ces limites sont imposées, en premier lieu, par la géomé-trie car le faisceau rflchi par le rflecteur 34 doit atteindre le rflecteur 44 et, en outre, le faisceau rflchi par le rflecteur 44 ne doit pas tre occult par le rflecteur 34. En second lieu, les performances de rayonnement des faisceaux convergeant en avant (dans le sens du faisceau sortant) du foyer 40 limitent aussi le balayage car, pour ces faisceaux inclins, on s'loigne du fonctionnement nominal.

La figure 4 se rapporte une variante de la figure 3 dans laquelle le rflecteur 44' prsente une forme gnrale ovode, c'est--dire plus allonge dans une direction que dans la direction orthogonale, et le rflecteur 34' prsente, comme le rflecteur 34, une dcoupe circulaire.

Le rflecteur 44' prsente sa plus grande dimension dans le plan de symtrie gui est perpendiculaire l'axe 38 commun aux deux parabolodes. Dans cet exemple cette plus grande dimension est de 48 7~ environ.

Pour le reste les caractristiques sont les mmes que dans le cas de la figure 3.

Avec la gomtrie reprsente sur la figure 4 on obtient, pour un azimut de 90, les mmes performances que l'antenne reprsente sur la figure 3.

Pour un faisceau mis par le rseau 30 d' azimut 0 on constate, pour une inclinaison O - -5 par rapport l' axe 38, que le faisceau sortant est inclin de -20 avec un azimut de 2,3. Pour un dpointage O = -15 et galement un azimut de 0, le dpointage du faisceau sortant est de -45 avec un angle d'azimut de 31,5.

Avec ce rflecteur pour un azimut de 90 on peut faire varier le dpointage du faisceau mis par le rseau 30 de +4 -14 dans le plan contenant le centre du rseau 30 et l'axe ' et de +15 -15 dans le plan de symtrie.

Avec de tels dpointages l'antenne ne permet pas de couvrir l'intgralit de la rgion vue par le satellite mais la fraction 80 de cette rgion qui est hachure sur la figure

5.

Cette fraction 80 reprsente environ 60% de la rgion.

- __ _ ._ _ _ ___ T _.

Pour pouvoir couvrir l'intégralité de la région, on fait appel à un couple d'antennes arrangé comme représenté sur -la figure 6. Dans cet exemple, une antenne 90 émet de façon privilégiée vers l'Ouest, tandis qu'une antenne 92 êmet de façon 5 privilégiée vers l'Est.
Les deux antennes 90 et 92 sont solidaires d'un support plan 94 dont la normale 96 est dirigée vers le centre de la terre. Autrement dit l'axe 96 est toujours pointé vers le point 100 sur la figure 5.
10 Les antennes 90 et 92 émettent vers des régions symé-triques par rapport à l'axe 102 (Figure 5). Ainsi l'antenne 90 émet vers la région 80 tandis que l'antenne 92 émet vers la région symétrique de cette région 80 par rapport à l'axe 102.
L'axe 381 de l'antenne 90 est, par rapport, à l'axe 96 incliné
de façon telle qu'il soit dirigé vers une zone 26p (figure 5) correspondant sensiblement au centre de la région 80. Bien entendu l'axe 382 de l'antenne 92 est incliné de façon symétrique.
I1 est à noter que le même réseau d'éléments rayonnants 30 peut être utilisé pour émettre plusieurs faisceaux. Autrement dit le même réseau 30 associé aux réflecteurs 34 et 44 ou 34' et 44', peut être, utilisé pour émettre vers plusieurs zones ou recevoir des signaux de plusieurs zones.
Dans l'exemple représenté sur la figure 7 un même sup-port 94 porte deux couples d'antennes 901, 921 et 902, 922. Cha-que antenne, par exemple celle de rêférence 921, comprend deux panneaux d'éléments rayonnants, l'un 301 pour l'émission, et l'autre 302 pour la réception.
Quel que soit le mode de réalisation on constate que le gain est plus important en limite de région 24 qu'au nadir.
En effet, les limites de région correspondent aux inclinaisons les plus importantes pour lesquelles l'aire concernée du réflecteur de sortie (ou ouverture rayonnante) est la plus 3 5 importante et donc pour lesquelles la résolution est la plus importante. Cette propriété apparaît sur la figure 3 oü l'on voit que sur le réflecteur 44 le faisceau 3212 correspond à une aire plus importante que le faisceau 323. De cette manière, pour les zones les plus inclinées qui sont les plus éloignes, l'augmentation du gain compense l'augmentation de distance.
Par ailleurs on a aussi constaté que la forme de la trace au sol s'adapte à la zone visée.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Antenne comprenant un ensemble (30 ; 30 1, 30 2) d'éléments rayonnants statiques commandé pour émettre un faisceau dans des directions variables par rapport à une direction centrale donnée, et des moyens réflecteurs (34, 44 ;
34', 44') comportant deux réflecteurs (34, 44 ; 34', 44') présentant un foyer commun (40) , le premier réflecteur (34, 44) recevant le faisceau émis par l'ensemble d'éléments rayonnants et le deuxième réflecteur (34', 44') recevant le faisceau réfléchi par le premier réflecteur, caractérisée en ce la distance focale du premier réflecteur ( 34 , 44 ) est supérieure à
la distance focale du deuxième réflecteur (34', 44') de telle sorte que le faisceau sortant de l'antenne présente une inclinaison par rapport à une direction prédéterminée (38) qui est supérieure à l'inclinaison .theta., par rapport à la direction donnée (38), du faisceau émis par les éléments rayonnants (30).

2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que chacun des réflecteurs (34, 44 ; 34', 44') est un segment de paraboloïde.

3. Antenne selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les deux réflecteurs présentent un axe commun (38).

4. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'axe commun (38) est dans la direction centrale.

5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'au moins un réflecteur est délimité
par un bord sensiblement circulaire.

6. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'au moins un réflecteur est délimité
par un bord de forme allongée.

7. Antenne selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que l'ensemble (30) d'éléments rayonnants est commandé pour rayonner simultanément vers plu-sieurs zones distinctes (26 1, 26 2 ...).

8. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle est orientée de façon telle que pour les directions de pointage correspondant aux cibles (26) les plus éloignées, l'ouverture rayonnante est plus importante que pour des cibles plus proches.

9. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comporte un ensemble d'éléments rayonnants (30 1) pour l'émission et un ensemble d'éléments rayonnants (30 2) pour la réception qui sont associés aux mêmes moyens réflecteurs.

10. Ensemble d'au moins deux antennes dont chacune est selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, carac-térisée en ce que les éléments rayonnants et les moyens réflec-teurs des deux antennes sont symétriques par rapport à un axe (96) constituant un axe de visée centrale de l'antenne.

11. Application d'une antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, à un système de télécommunication par satellites tournant autour de la terre, l' antenne, montée à
bord d'un satellite, étant commandée de façon telle qu'elle vise toujours la même zone (26i) au cours du déplacement du satellite au-dessus d'une région (24) divisée en une pluralité de zones sensiblement de mêmes formes et de mêmes dimensions.