EP0488101B1 - Antenne émission reconfigurable - Google Patents
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- EP0488101B1 EP0488101B1 EP19910120044 EP91120044A EP0488101B1 EP 0488101 B1 EP0488101 B1 EP 0488101B1 EP 19910120044 EP19910120044 EP 19910120044 EP 91120044 A EP91120044 A EP 91120044A EP 0488101 B1 EP0488101 B1 EP 0488101B1
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q25/00—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns
- H01Q25/007—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns using two or more primary active elements in the focal region of a focusing device
Definitions
- the invention relates to a reconfigurable transmit multi-access and multispot antenna.
- the document D1 FR-A-2 368 836 of 22.10.1976 describes a multi-spot, multi-access antenna system comprising a reflector focusing energy, as well as a plurality of elementary sources arranged in the focal zone of said reflector; control, switching and connection means making it possible to select the source (s) which will be (are) excited; amplification means, which supply energy to the selected source (s) in order to excite them; each excited source emitting a radiation beam, each spot consisting of one of said beams supplied by one of said sources.
- the antenna of D1 can be reconfigured by switching between spots provided by the respective sources.
- the level of reconfigurability of such a system is very poor.
- Active antennas of the direct radiation network or focal network type make it possible to solve such problems of reconfigurability of coverage and capacity exchange between spots. They have, however, the disadvantage of significant complexity. They also allow an exchange of power and reduced reconfigurability.
- the object of the present invention is to offer the flexibility of traffic exchange and reconfiguration, necessary for the missions mentioned, without having the drawbacks of the previous solutions.
- such an antenna makes it possible to exchange power between several spots with an optimum amplification efficiency while allowing them to be reconfigured.
- Each spot being made up of the juxtaposition of the beams of n sources (for example 3), each of these sources and all the associated connectors support the power transmitted by the spot divided by n.
- the antenna of the known art represented in FIG. 1 comprises an eccentric parabolic reflector 10 illuminated by a plane network 11 of sources located in the vicinity of the focal point F of the reflector, the network 12 representing a network of virtual sources, corresponding to this planar network 11.
- this antenna we play only on the phase of each elementary source; which allows the optimal synthesis of each elementary source to be carried out as if it were at focus F of the reflector.
- Such an operation makes it possible to produce an antenna whose gain does not depend on the pointing direction, while keeping the reflector 10 and the array 11 of elementary sources fixed.
- the antenna directivity performance is defined by the level of coverage of the spots.
- the generation of a spot results from the radiation of n sources, for example 3, located in a plane array close to the focal point F of the reflector. This number is identical for all the spots, a source participating, at most, in the radiation of a single spot.
- FIG. 2 is shown a spot at two successive instants, ie SP1 and SP1 ', by conserving for example a source S13 common to these two spots.
- This signal E1 is amplified with an amplification gain controllable by the variable gain amplifier 18.
- This amplified signal is divided, into three components E11, E12, E13, of equal amplitude, in the divider 26.
- Each of these three components E11, E12, E13 is routed respectively to one of the three inputs e11, e12, e13 of three blocks 20 of high power amplification.
- the signal E11 is divided into four components of equal amplitude by the coupler 21. These components are amplified by the four amplifiers 23, recombined by the coupler 22, and routed to the output S11.
- the components E12 and E13 are amplified and routed to the outputs S12 and S13.
- the signals E11, E12 and E13 are routed to the radiating elements S11, S21, S32 respectively through switching matrices 24.
- the radiation by these sources S11, S21, and S32 of the signals E1, E2 and E3 constitutes the coverage SP1 by the three elementary spots sp11, sp21, sp32.
- the radiation area of the antenna ie the coverage SP1
- the radiation area of the antenna can be modified into an area corresponding to the coverage SP1 '(sp12, sp21, sp31 ) by switching the sources respectively (S11, S32 to S12, S31)
- This switching corresponds to a reconfiguration of two switching matrices 24, the last matrix not being reconfigured.
- This antenna reconfiguration does not affect the operation of the amplifiers 23.
- the restriction for this second signal is that it does not use the radiation sources used for the first signal.
- this amplifier stage system 20 with two inputs is compatible with two signals radiated simultaneously if and only if the sources used by these two signals at a given instant are distinct.
- the amplification stage 20 comprises a first and a second generalized couplers 21 and 22, respectively formed of a combination of hybrid couplers, on either side of amplifiers 23 so that each input of the first coupler 21 is distributed over all the amplifiers 23.
- a signal applied to the first input for example, spring amplified on the first output.
- the power amplifiers 23 receive on their respective inputs a signal coming from each beam, at an almost identical level.
- the amplifiers 23 thus have a constant input power and can thus operate at their nominal capacity.
- the number p of sources S ij corresponding to a channel Vi can be equal to or greater than the number m of outputs of the amplifier stage 20.
- each amplifier output is divided to supply the second couplers 22.
- the power handling of the high power stages is respected .
- a spot access Ei SPi of the input coupler corresponds to n antenna access.
- the radiation of the beam corresponding to this spot SPi is obtained by the connection through the circuit 24 corresponding to a switching matrix of each of these n accesses to the n sources of the primary network corresponding to the coverage to be achieved.
- a reconfiguration of coverage for this spot is therefore obtained by switching one, two .... or n sources: In FIG. 2 for example, with n equal to three the passage in two successive instants from spot SP1 to spot SP1 ' requiring the switching of two sources.
- An advantage of such a system is to ensure an optimum exchange of capacity: Namely that the sum of the powers distributed in the spots, whatever the relative distribution ratios, is equal to the maximum available power.
- the solution adopted is to superimpose the main radiation of the sources on the radiation of at least one additional source S 'of insulation as shown in FIG. 4.
- Such sources S' have a position in the network, such that their radiation can act predominantly in the area to be isolated. Isolation is thus ensured by using a cancellation source S 'external to the sources of the switched network.
- the amplitude (27) and the phase (28) of the latter are adjusted to obtain energy in phase opposition and of the same amplitude as that to be canceled.
- the relative level of main source / insulation source is generally less than 12 dB, which makes it possible to derive a small part of the energy of the beam concerned before the amplifier stage; fine adjustment of amplitude and phase being provided by the phase shifter 2B and the variable attenuator 27.
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
- Aerials With Secondary Devices (AREA)
- Radio Relay Systems (AREA)
Description
- L'invention se rapporte à une antenne émission reconfigurable multiaccès et multispot.
- Dans le cas général des missions spatiales, l'évolution des transmissions satellite vers des utilisateurs à capacité réduite, implique une augmentation de la qualité de réception du segment embarqué. Cette augmentation de capacité est obtenue par l'accroissement des gains d'antenne bord, ce qui a pour effet de réduire leurs couvertures.
- Ces réductions de couverture nécessitent, pour assurer la continuité du service, de générer plusieurs faisceaux : De telles couvertures multispots rendent possibles une meilleure gestion des capacités bord en fonction :
- de densités différentes de traffic,
- d'évolutions dans le temps des densités de traffic.
- Pour un système de satellites à couverture mondiale, il est avantageux de pouvoir remplacer un satellite défaillant, ou en fin de vie, par un satellite occupant une autre position orbitale. Ce qui a pour effet de nécessiter des couvertures multispots reconfigurables.
- Le document D1 = FR-A-2 368 836 du 22.10.1976 décrit un système d'antenne multi-spot, multi-accès comprenant un réflecteur focalisant l'énergie, ainsi qu'une pluralité de sources élémentaires disposées dans la zone focale dudit réflecteur ; des moyens de contrôle, de commutation et de connexion permettant de sélectionner la (les) source(s) qui sera (seront) excitée(s) ; des moyens d'amplification, qui fournissent de l'énergie à la (aux) source(s) sélectionnée(s) afin de les exciter ; chaque source excitée émettant un faisceau de rayonnement, chaque spot consistant en un desdits faisceaux fourni par une desdites sources.
- Ainsi, l'antenne de D1 est reconfigurable par un commutation entre spots fournis par les sources respectives. Le niveau de reconfigurabilité d'un tel système est très médiocre.
- Les antennes actives de type réseau à rayonnement direct ou réseau focal permettent de solutionner de tels problèmes de reconfigurabilité de couverture et d'échange de capacité entre spots. Elles présentent, toutefois, l'inconvénient d'une complexité importante. Elles permettent, de plus, un échange de puissance et une reconfigurabilité réduite.
- Ainsi une demande de brevet français, déposée le 18 Mars 1988 sous le numéro 8803547, déposée en Europe le 15 Mars 1989, et publié sous le numéro EP-A1-0 333 166, décrit une antenne à reconfiguration électronique en émission comprenant un réflecteur focalisant l'énergie, un réseau de sources élémentaires situé dans la zone focale de ce réflecteur, une électronique d'alimentation et de commande comprenant un premier et un second coupleurs généralisés disposés de part et d'autre de plusieurs amplificateurs, et des circuits de formation de faisceau correspondant chacun à un faisceau émis; l'amplitude et la phase relative des signaux sortant de ces circuits étant contrôlés respectivement par un déphaseur réglable et un atténuateur réglable.
- Ce type de solution présente l'inconvénient d'une reconfigurabilité limitée à des spots générés par des sources ou des groupes de sources distincts.
- L'objet de la présente invention est d'offrir la souplesse d'échange de traffic et de reconfiguration, nécessitée pour les missions citées, sans présenter les inconvénients des solutions précédentes.
- Elle propose à cet effet une antenne émission reconfigurable multiacces et multispot comprenant :
- . m entrées
- . un réflecteur focalisant l'énergie ;
- . une pluralité de sources élémentaires situées dans la zone focale du réflecteur, chaque source émmettant un faisceau de rayonnement ;
- . des moyens de connexion et de commutation permettant de sélectionner les sources qui seront excitées ;
- . des moyens d'amplification qui fournissent de l'énergie aux sources sélectionnées afin de les exciter ;
- . l'antenne comporte n voies, chacune comprenant un desdits moyens de connexion et de commutation, des moyens d'amplification à m entrées et m sorties, et un sous-ensemble des sources de ladite pluralité
- . ladite pluralité de sources élémentaires constitue un réseau de sources, apte à réaliser la synthèse du champ électromagnétique dans ladite zone focale ;
- . en ce que lesdits moyens sont agencés de manière que chaque spot (SPi) soit constitué d'une pluralité de faisceaux au nombre de n, émis respectivement par une pluralité de n sources respectivement sélectionnées par lesdits moyens de commutation dans chacun desdits sous-ensembles, lesdites n sources de chaque spot (SPi) étant juxtaposées et excitées avec une puissance égale pour toutes les n sources dudit spot (SPi), la puissance totale du spot étant n fois la puissance unitaire d'une source élémentaire ; et que
- . chaque source participe au rayonnement d'un spot au plus à un moment donné.
- Avantageusement une telle antenne permet d'échanger de la puissance entre plusieurs spots avec un rendement d'amplification optimum tout en permettant de les reconfigurer.
- Chaque spot étant constitué de la juxtaposition des faisceaux de n sources (par exemple 3), chacune de ces sources et tous les connecteurs associés supportent la puissance transmise par le spot divisée par n.
- Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront 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 une antenne à balayage de l'art connu;
- la figure 2 illustre le fonctionnement de l'antenne selon l'invention ;
- les figures 3 à 5 illustrent schématiquement plusieurs réalisations d'une électronique d'alimentation et de commande de l'antenne selon l'invention.
- L'antenne de l'art connu représentée à la figure 1, comprend un réflecteur parabolique 10 excentré illuminé par un réseau plan 11 de sources situé au voisinage du foyer F du réflecteur, le réseau 12 représentant un réseau de sources virtuelles, correspondant à ce réseau plan 11. Dans cette antenne, 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. Un tel fonctionnement permet de réaliser une antenne dont le gain ne dépend pas de la direction de pointage, tout en maintenant fixes le réflecteur 10 et le réseau 11 de sources élémentaires.
- Lorsque la couverture spécifiée est réalisée en utilisant plusieurs spots, la performance de directivité antenne est définie par le niveau de recouvrement des spots.
- Dans l'antenne multiaccès et multispots selon l'invention, la génération d'un spot résulte du rayonnement de n sources par exemple 3, situées dans un réseau plan voisin du foyer F du réflecteur . Ce nombre est identique pour tous les spots, une source participant, au plus, au rayonnement d'un seul spot.
- Sur la figure 2 est représenté un spot à deux instants successifs, soient SP1 et SP1', en conservant par exemple une source S₁₃ commune à ces deux spots.
- La description ci-après de la figure 3 est destinée à faciliter la compréhension de l'invention. Dans ce but on relate le routage et le rayonnement d'un signal injecté à une entrée E₁ du bloc diagramme du sous-système antenne selon l'invention.
- Soit le signal E₁ à la première entrée du sous-système. Ce signal E₁ est amplifié avec un gain d'amplification contrôlable par l'amplificateur à gain variable 18. Ce signal amplifié est divisé, en trois composantes E₁₁, E₁₂,E₁₃, d'égale amplitude, dans le diviseur 26. Chacune de ces trois composantes E₁₁,E₁₂,E₁₃ est routée respectivement vers l'une des trois entrées e₁₁, e₁₂, e₁₃ de trois blocs 20 d'amplification forte puissance.
- Le signal E₁₁ est divisé en quatre composantes d'égale amplitude par le coupleur 21. Ces composantes sont amplifiées par les quatre amplificateurs 23, recombinées par le coupleur 22, et routées vers la sortie S₁₁.
- De manière identique les composantes E₁₂ et E₁₃ sont amplifiées et routées vers les sorties S₁₂ et S₁₃.
- Ainsi les signaux E₁₁, E₁₂ et E₁₃ sont routés vers les éléments rayonnants S₁₁, S₂₁,S₃₂ respectivement au travers des matrices de commutation 24. Le rayonnement par ces sources S₁₁,S₂₁, et S₃₂ des signaux E₁, E₂ et E₃ constitue la couverture SP1 par les trois spots élémentaires sp₁₁, sp₂₁, sp₃₂.
- On peut alors effectuer une modification de couverture et, à titre d'exemple, pour le signal E₁, la zone de rayonnement de l'antenne soit la couverture SP1 est modifiable en une zone correspondant à la couverture SP1'(sp₁₂, sp₂₁, sp₃₁) en commutant respectivement les sources (S₁₁, S₃₂ en S₁₂, S₃₁) Cette commutation correspond à une reconfiguration de deux matrices de commutation 24, la dernière matrice n'étant pas reconfigurée. Cette reconfiguration d'antenne n'affecte pas le fonctionnement des amplificateurs 23.
- Dans un fonctionnement multispot (SP1, SP2), de manière identique au fonctionnement décrit ci-dessus pour un signal injecté à la première entrée du sous-système, un deuxième signal peut être injecté de manière simultanée à la seconde entrée sans que le fonctionnement pour le premier signal ne soit affecté.
- La restriction pour ce second signal est qu'il n'utilise pas les sources de rayonnement utilisées pour le premier signal.
- Ainsi ce système à étages amplificateurs 20 à deux entrées est compatible de deux signaux rayonnés simultanément si et seulement si les sources utilisées par ces deux signaux à un instant donné sont distinctes.
- Il est, bien entendu, possible de généraliser ce concept à m spots : Une réalisation d'une électronique d'alimentation et de commande d'une telle antenne selon l'invention, telle que représenté à la figure 4, comporte alors :
- m entrées E₁ à Em correspondant à m spots SP1 à SPm délimitant m couvertures sur la surface terrestre; un amplificateur variable 18 étant disposé sur chacune de ces entrées;
- un nombre n de voies; n correspondant au nombre de sources par spot. (n = 3 sur la figure 3)
- et sur chaque voie (Vi) :
- . un étage d'amplificateur 20 à m entrées correspondant aux m entrées E₁ à Em et m 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;
- . un circuit 24 de connexion et de commutation haut niveau permettant de faire correspondre à chaque spot SP1...SPm n sources élémentaires; Ce circuit étant formé d'un certain nombre de liaisons fixes, et d'un certain nombre de commutateurs pour permettre des liaisons entrées-sorties variables ou non dans le temps;
- . p filtres 25 disposés en série entre les p sorties du circuit 24 et p sources Sij du réseau correspondant à cette voie Vi.
- L'étage d'amplification 20 comprend un premier et un second coupleurs généralisés 21 et 22, respectivement formés d'une association de coupleurs hybrides, 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. Dans cet étage d'amplification 20 un signal appliqué à la première 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 exemple), à la sortie correspondante (de rang i) le signal sera amplifié par tous les amplificateurs et aucune autre sortie ne recevra de signal à un niveau significatif. Les amplificateurs de puissance 23 reçoivent 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.
- Cet arrangement 20 de coupleurs hybrides et d'amplificateurs est connu de l'homme de l'art sous le vocable de "amplificateur multiport". Pour ce type d'étage amplificateur, si on considère une somme constante de puissance des signaux d'entrée non cohérents, la charge d'entrée des amplificateurs est constante quelque soit la répartition des signaux d'entrées. D'autre part, cette distribution est reproduite en sortie de l'étage.
- Le nombre p de sources Sij correspondant à une voie Vi peut être égal ou supérieur au nombre m de sorties de l'étage amplificateur 20.
- Chaque spot SPi étant réalisé avec un nombre constant n de sources, par exemple 3, ces n sources, pour des raisons de non cohérences des signaux dans les étages multiports, sont connectées à n étages "multiport" 20.
- Comme représenté sur la figure 4 on peut regrouper tous les premiers coupleurs 21 en un seul, et par conséquence après les amplicateurs 23 on divise chaque sortie d'amplificateur pour alimenter les seconds coupleurs 22. Ainsi la tenue en puissance des étages forte puissance est respectée.
- Ainsi, un accès Ei de spot SPi du coupleur d'entrée correspond à n accès antenne. Le rayonnement du faisceau correspondant à ce spot SPi est obtenu par la connexion au travers du circuit 24 correspondant à une matrice de commutation de chacun de ces n accès aux n sources du réseau primaire correspondant à la couverture à réaliser. Une reconfiguration de couverture pour ce spot est donc obtenue par la commutation de une, deux ....ou n sources : Sur la figure 2 par exemple, avec n égal à trois le passage en deux instants successifs du spot SP1 au spot SP1' nécessitant la commutation de deux sources.
- Un avantage d'un tel système est d'assurer un échange optimum de capacité : A savoir que la somme des puissances répartie dans les spots quels que soient les ratios relatifs de répartition, est égale à la puissance maximale disponible.
- Il convient par ailleurs de réduire le rayonnement d'un spot sur des spots voisins induit par une illumination uniforme des sources.
- La solution adoptée est de superposer le rayonnement principal des sources au rayonnement d'au moins une source supplémentaire S' d'isolation telle que représentée sur la figure 4. De telles sources S' ont une position dans le réseau, telle que leur rayonnement puisse agir de manière prépondérante dans la zone à isoler. On assure ainsi l'isolation en utilisant une source S' d'annulation extérieure aux sources du réseau commuté. On règle l'amplitude (27) et la phase (28) de celle-ci pour obtenir une énergie en opposition de phase et de même amplitude à celle que l'on veut annuler.
- Ainsi en respectant des lois extérieures telle que l'énergie du rayonnement principal (n sources) et les rayonnements des sources supplémentaires soient minimums dans les zones à isoler, il est possible d'être compatible des exigences d'isolation. Le niveau relatif source principale/source d'isolation, est généralement inférieur à 12 dB, ce qui permet de dériver une faible partie de l'énergie du faisceau concerné avant l'étage amplificateur; le réglage fin d'amplitude et de phase étant assuré par le déphaseur 2B et l'atténuateur variable 27.
- 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, pour autant, sortir du cadre de l'invention.
Claims (6)
- Antenne émission reconfigurable multiaccès et multispot comfirenant :. m entrées. un réflecteur (10) focalisant l'énergie ;. une pluralité de sources élémentaires situées dans la zone focale du réflecteur, chaque source émettant un faisceau de rayonnement ;. des moyens de connexion et de commutation (24) permettant de sélectionner les sources qui seront excitées ;. des moyens d'amplification qui fournissent de l'énergie aux sources sélectionnées afin de les exciter ;caractérisée en ce que :. l'antenne comporte n voies, chacune comprenant un desdits moyens de connexion et de commutation (24), des moyens d'amplification à m entrées et m sorties, et un sous-ensemble des sources de ladite pluralité.. ladite pluralité de sources élémentaires constitue un réseau (11) de sources, apte à réaliser la synthèse du champ électromagnétique dans ladite zone focale ;. en ce que lesdits moyens sont agencés de manière que chaque spot (SPi) soit constitué d'une pluralité de faisceaux au nombre de n, émis respectivement par une pluralité de n sources respectivement sélectionnées par lesdits moyens de commutation dans chacun desdits sous-ensembles, lesdites n sources de chaque spot (SPi) étant juxtaposées et excitées avec une puissance égale pour toutes les n sources dudit spot (SPi), la puissance totale du spot étant n fois la puissance unitaire d'une source élémentaire ; et que. chaque source participe au rayonnement d'un spot au plus à un moment donné.
- Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte :- m entrées (E₁ à Em) correspondant à m spots délimitant m couvertures sur la surface terrestre; un amplificateur variable (18) étant disposé sur chacune desdites entrées;- et sur chaque voie (Vi). un circuit (24) de connexion et de commutation haut niveau à p sorties permettant de faire correspondre à chaque spot (SP₁...SPm) n sources élémentaires, et réalisant lesdits moyens de connexion et de commutation;. p filtres (25) disposés en parallèle entre les p sorties du circuit de connexion et de commutation (24) et les p sources formant chacun desdits sous-ensembles.
- Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'étage d'amplification (20) comprend un premier et un second coupleurs généralisés (21 et 22) disposés de part et d'autre d'amplificateurs (23) en parallèle, de telle façon qu'un signal appliqué à la première entrée ressorte amplifié sur la première sortie.
- Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que le premier et le second coupleurs généralisés (21 et 22), sont respectivement formés d'une association de coupleurs hybrides (25), 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), le second coupleur généralisé (22) ayant une structure inverse de celle du premier.
- Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle ne comporte pour toutes les voies qu'un seul premier coupleur généralisé (21), et en ce que la sortie de chaque amplificateur (23) peut être relié vers la même entrée de n seconds coupleurs généralisés (22).
- Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'il comprend au moins une source supplémentaire (S') d'isolation.
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