EP1010214B1 - Antenne pour satellite a defilement - Google Patents

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EP1010214B1
EP1010214B1 EP98917183A EP98917183A EP1010214B1 EP 1010214 B1 EP1010214 B1 EP 1010214B1 EP 98917183 A EP98917183 A EP 98917183A EP 98917183 A EP98917183 A EP 98917183A EP 1010214 B1 EP1010214 B1 EP 1010214B1
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antenna
satellite
elementary
antennas
radiating elements
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EP98917183A
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Hubert Diez
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Centre National dEtudes Spatiales CNES
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/30—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q11/00—Electrically-long antennas having dimensions more than twice the shortest operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q11/02—Non-resonant antennas, e.g. travelling-wave antenna
    • H01Q11/08—Helical antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/067—Two dimensional planar arrays using endfire radiating aerial units transverse to the plane of the array

Definitions

  • the present invention relates to antennas for scrolling satellites.
  • the antennas used by scrolling satellites are either type antennas omnidirectional (SPOT, ERS, etc.) or directive pointable (LANDSAT, etc).
  • the beam is Gaussian and scanning is carried out using a pointing, the antenna behaving like a Classic design centered parabolic reflector.
  • Document US 5,587,719 describes an assembly of antennas for satellite to communication comprising several aligned elementary helical antennas along their longitudinal axis.
  • Each elementary antenna includes four strands regularly distributed in a helix around a cylindrical generator.
  • antennas having a winding of their strands in one direction given are inserted between antennas with a winding in direction opposite.
  • An object of the invention is to propose a antenna for traveling satellite which does not require no pointing mechanism, which has a gain superior to omni-directional antennas and that is space-saving and low cost.
  • the invention proposes a system according to claim 1.
  • the beam emission beam is an elliptical beam ("fan beans” according to Anglo-Saxon terminology) which extends in a direction parallel to that of the vector satellite speed.
  • the antenna illustrated in Figure 1 has a plurality of elementary radiating elements referenced by 1.
  • These elementary radiating elements 1 each have a plurality of helical strands regularly distributed around the same generator revolution.
  • the generator is for example conical or cylindrical. These strands are supplied in an equi-amplitude manner.
  • these strands there are four of these strands and define four identical propellers, offset by ⁇ / 2 relative to each other. These four strands are advantageously supplied with phase quadrature.
  • the angular radiation pattern of such elementary radiant element is of the type illustrated in figure 2.
  • This diagram corresponds to the diagram obtained for an axial height of the radiating element of 0.050 m, a basic radius of 0.018 m, as well as a frequency 8000 MHz transmission. It is related to a sphere of measures 10 m in diameter.
  • the elementary radiating elements 1 are distributed in line in a plane perpendicular to the direction of the velocity vector.
  • the pitch between said radiating elements 1 is by example of 19 mm for an emission frequency of 8000 MHz, which eliminates the need for network lobes.
  • the pitch d of the network is such that d ⁇ / (1 + sin ⁇ ) where ⁇ is the wavelength of the radiation, and ⁇ the maximum depointing desired.
  • the radiating elements 1 are supplied via phase shifters 2 of ferrite type and couplers 3, by a power distributor 6 (in this case 1: 5), which is for example of the waveguide type.
  • phase shifters 2 are controlled by a unit 4, which is the satellite on-board computer, to which they are linked by control electronics 5.
  • phase shifts imposed on the different elements 1 radiators are used to make the depointings desired, up to ⁇ 62 °.
  • the choice for radiating elements 1 of propeller structure provides a gain at 50 ° 2 dB higher than the gain presented at 0 ° (excluding the space attenuation difference compensation -62 ° satellite lift from the zenith) and therefore naturally compensate for the loss of depointing.
  • the optimal number of radiating element elementary will vary from five to twelve depending on mission needs.
  • the phase shifters 2 for example have steps of 22.5 ° quantization and are coded on 4 bits.
  • the beams generated by such an antenna are elliptical (major axis of ellipses parallel to the trace satellite).
  • the cover is shown obtained in the case of phase shifts respectively of a radiating element from one end to the other at 90 °, 45 °, 0 °, - 45 ° and -90 °.
  • the diagram is then deviated by + 18 °.
  • the directivity is 11.52 dB.
  • the depointing is then 32 °, the directivity 11.49 dB.
  • the depointing obtained is 48 °, the directivity 11.45 dB maximum.
  • the directivity obtained at 65 ° is greater than 9-dB, or a gain greater than 7.5 dB if we consider losses of 0.5 dB on the distributors, of 0.5 dB for phase shifters, 0.25 dB at the connection and 0.25 dB at the power supply.
  • the depointing antenna which has just been described allows high ground retransmission rates and allows retransmissions of High resolution images.
  • Beam switching takes place preferably before passage, so as to avoid phase jump problems on the generated coverage.
  • the depointing antenna which has just been described has the advantage of being low cost and above all small footprint.
  • the size of the part radiant is 90mm in length, 5mm in width and 50 mm in height.
  • the antenna comprises several online antennas of the type which has just been describes and switching means for switch from one online antenna to another depending movements of the satellite, and in particular of its roll movements.
  • the antenna includes means for motorization which allow to modify the orientation of the line (s) of elementary radiating elements to compensate for potential movements of the satellite, especially its rolling movements.

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Radio Relay Systems (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)

Description

La présente invention est relative aux antennes pour satellites à défilement.
A ce jour, les antennes utilisées par les satellites à défilement sont soit des antennes de type omnidirectionnel (SPOT, ERS, etc) soit de type directif pointable (LANDSAT, etc).
Dans ce dernier cas, le faisceau est gaussien et le balayage est réalisé à l'aide d'un mécanisme de pointage, l'antenne se comportant quant à elle comme un réflecteur parabolique centré de conception classique.
Le document US 5 587 719 décrit un assemblage d'antennes pour satellite à communication comprenant plusieurs antennes hélicoïdales élémentaire alignées selon leur axe longitudinal. Chaque antenne élémentaire comprend quatre brins répartis régulièrement en hélice autour d'une génératrice cylindrique. Dans cet assemblage, des antennes présentant un enroulement de leurs brins dans un sens donné sont intercalées entre des antennes présentant un enroulement en sens opposé.
L'article de W.A. Imbriale et al. « An S-band phased array for multiple access communications » décrit un réseau d'antennes destiné à être installé sur un satellite pour bande S et émettant un faisceau sensiblement omnidirectionnel.
Un but de l'invention est de proposer une antenne pour satellite à défilement qui ne nécessite aucun mécanisme de pointage, qui présente un gain supérieur aux antennes omnidirectionnelles et qui est peu encombrante et d'un faible coût.
A cet effet, l'invention propose un système selon la revendication 1.
On notera qu'avec une telle répartition d'antennes élémentaires à diagramme formé, le faisceau d'émission réalisé est un faisceau de type elliptique ("fan beans" selon la terminologie anglo-saxonne) qui s'étend dans une direction parallèle à celle du vecteur vitesse du satellite.
Le dépointage de ce faisceau sur une longitude donnée permet d'atteindre, pendant tout le temps de passage d'un satellite, une station se trouvant à cette longitude, et ce sans avoir besoin de modifier ce dépointage au fur et à mesure que le satellite avance.
On comprend qu'une telle structure d'antenne ne nécessite pas une électronique compliquée et permet des hauts débits de transmission.
Cette antenne est avantageusement complétée par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou selon toutes leurs combinaisons possibles :
  • le nombre d'éléments rayonnants élémentaires est égal ou supérieur à cinq ;
  • les éléments rayonnants élémentaires sont décalés les uns par rapport aux autres avec un pas choisi de façon à éviter les lobes de réseaux ;
  • pour une fréquence d'émission à 8000 MHz, le pas entre deux antennes élémentaires est de l'ordre de 19 mm ;
  • les moyens de déphasage sont codés sur 3 à 8-bits ;
  • les moyens de déphasage sont du type à ferrite.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
  • la figure 1 est une représentation schématique illustrant une antenne conforme à un mode de réalisation de l'invention ;
  • la figure 2 est un graphe sur lequel on a porté le diagramme d'un élément rayonnant élémentaire de l'antenne de la figure 1 ;
  • les figures 3 à 6 illustrent différents diagrammes de couvertures obtenus avec l'antenne de la figure 1.
L'antenne illustrée sur la figure 1 comporte une pluralité d'éléments rayonnants élémentaires référencés par 1.
Ces éléments rayonnants élémentaires 1 comportent chacun une pluralité de brins hélicoïdaux répartis régulièrement autour d'une même génératrice de révolution. La génératrice est par exemple conique ou cylindrique. Ces brins sont alimentés de façon équi-amplitude.
Par exemple, ces brins sont au nombre de quatre et définissent quatre hélices identiques, décalées de π/2 les unes par rapport aux autres. Ces quatre brins sont avantageusement alimentés en quadrature de phase.
Le diagramme angulaire de rayonnement d'un tel élément rayonnant élémentaire est du type de celui illustré sur la figure 2.
Ce diagramme correspond au diagramme obtenu pour une hauteur axiale d'élément rayonnant de 0,050 m, un rayon de base de 0,018 m, ainsi qu'une fréquence d'émission de 8000 MHz. Il est rapporté à une sphère de mesure de 10 m de diamètre.
On notera que les éléments rayonnants élémentaires à plusieurs brins en hélice présentent, comme on le verra plus loin, l'avantage de présenter plus de gains à 50° qu'à 0° et donc de permettre de compenser les pertes de dépointage.
Les éléments rayonnants élémentaires 1 sont répartis en ligne dans un plan perpendiculaire à la direction du vecteur vitesse.
Ils sont disposés de façon que leurs axes soient parallèles, dans un même plan et espacés régulièrement. Le pas entre lesdits éléments rayonnants 1 est par exemple de 19 mm pour une fréquence d'émission de 8000 MHz, ce qui permet de ne pas avoir de lobes de réseau.
De façon plus générale, le pas d du réseau est tel que d<λ/(1+sin) où λ est la longueur d'onde du rayonnement, et  le dépointage maximal souhaité.
Les éléments rayonnants 1 sont alimentés via des déphaseurs 2 de type à ferrite et des coupleurs 3, par un répartiteur de puissance 6 (en l'occurrence 1:5), qui est par exemple de type guide d'onde.
Les déphaseurs 2 sont commandés par une unité 4, qui est le calculateur de bord du satellite, à laquelle ils sont reliés par une électronique de commande 5.
L'utilisation des déphaseurs de type à ferrite présente l'avantage de permettre de conserver toujours le même dépointage. La consommation de l'électronique de commande est alors limitée.
Les déphasages imposés aux différents éléments rayonnants 1 permettent de réaliser les dépointages souhaités, et ce jusqu'à ± 62°.
Le choix pour les éléments rayonnants 1 d'une structure à hélice permet de disposer d'un gain à 50° supérieur de 2 dB au gain présenté à 0° (hors terme de compensation de différence d'atténuation d'espace -62° lever satellite par rapport au zénith) et donc de compenser naturellement les pertes de dépointage.
Le nombre optimal d'élément rayonnant élémentaire variera de cinq à douze en fonction des besoins de la mission.
Les déphaseurs 2 présentent par exemple des pas de quantification de 22,5° et sont codés sur 4 bits.
Les faisceaux générés par une telle antenne sont elliptiques (grand axe des ellipses parallèle à la trace du satellite).
On a illustré sur la figure 3 la couverture obtenue avec l'antenne qui vient d'être décrite, dans le cas d'un déphasage nul entre les différents éléments rayonnants 1.
Il n'y a alors pas de dépointage et la directivité maximale de l'antenne est de 11,55 dB.
Sur la figure 4, on a représenté la couverture obtenue dans le cas de déphasages respectivement d'un élément rayonnant d'extrémité 1 à l'autre de 90°, 45°, 0°, - 45° et -90°.
Le diagramme est alors dépointé de + 18°. La directivité est 11,52 dB.
Sur la figure 5, on a illustré la couverture obtenue dans le cas d'un déphasage respectivement de 180°, 90°, 0°, - 90°, -180°.
Le dépointage est alors de 32°, la directivité de 11,49 dB.
Sur la figure 6, enfin, on a représenté la couverture obtenue respectivement pour des déphasages de 270°, 135°, 0°, - 135° et -270°.
Le dépointage obtenu est de 48°, la directivité maximale de 11,45 dB.
Sur ces différentes figures 3 à 6, les cercles représentés en traits pointillés correspondent aux cercles de visibilité respectivement à ± 60° et ± 65°.
On note que, d'un diagramme à l'autre, la directivité maximale n'évolue que très peu (11,54 dB à 11,45dB).
La directivité obtenue à 65° est supérieure à 9-dB, soit un gain supérieur à 7,5 dB si l'on considère des pertes de 0,5 dB sur les répartiteurs, de 0,5 dB pour les déphaseurs, de 0,25 dB au niveau de la connectique et de 0,25 dB au niveau de l'alimentation.
L'antenne à dépointage qui vient d'être décrite permet des débits de retransmission au sol importants et permet des retransmissions d'images Haute résolution.
La commutation du faisceau s'effectue préférentiellement avant passage, de façon à éviter les problèmes de saut de phase sur la couverture générée.
Dans le cas où le diagramme antenne ne compense pas l'atténuation d'espace, on peut envisager des changements de vitesse de transmission pour utiliser au mieux les gains de l'antenne dans les zones proches du passage au zénith.
L'antenne à dépointage qui vient d'être décrite présente l'avantage d'être d'un faible coût et surtout d'un faible encombrement. L'encombrement de la partie rayonnante est de 90mm en longueur, de 5 mm en largeur et de 50 mm en hauteur.
Avantageusement encore, l'antenne comporte plusieurs antennes en ligne du type qui vient d'être décrit et des moyens de commutation permettant de basculer d'une antenne en ligne à une autre en fonction des mouvements du satellite, et notamment de ses mouvements de roulis.
En variante, l'antenne comporte des moyens de motorisation qui permettent de modifier l'orientation de la (ou des) ligne(s) d'éléments rayonnants élémentaires pour compenser les mouvements potentiels du satellite, notamment ses mouvements de roulis.

Claims (8)

  1. Système comportant un satellite à défilement et une antenne pour la retransmission au sol d'images collectées par des instruments de prise de vue dudit satellite, caractérisé en ce que ladite antenne comporte une pluralité d'antennes élémentaires de rayonnement (1) du type présentant une pluralité de brins répartis régulièrement en hélice autour d'une même génératrice de révolution ainsi que des moyens d'alimentation équi-amplitude des différents brins, en ce que les axes des différentes antennes élémentaires sont parallèles et sont alignés dans un même plan dans lequel ils sont espacés régulièrement, en ce que le plan dans lequel ces différentes antennes élémentaires sont réparties est destiné, lorsque le satellite est en orbite, à être perpendiculaire à la direction du vecteur vitesse du satellite et en ce que l'antenne comporte également des moyens (2) de déphasage de l'alimentation de ces différentes antennes élémentaires qui sont aptes à réaliser un dépointage électronique du faisceau allongé généré par lesdites antennes élémentaires.
  2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre d'éléments rayonnants élémentaires (1) est égal ou supérieur à cinq.
  3. Système selon l'une des revendications précédentes, - caractérisé en ce que les éléments rayonnants élémentaires (1) sont décalés les uns par rapport aux autres avec un pas choisi de façon à éviter les lobes de réseaux.
  4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que, pour une fréquence d'émission de 8000 MHz, le pas entre deux éléments rayonnants élémentaires est de l'ordre de 19 mm.
  5. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de déphasage sont codés sur trois à huit bits.
  6. Système - selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de déphasage (2) sont du type à ferrite.
  7. Système caractérisé en ce que l'antenne comporte plusieurs antennes en ligne selon l'une des revendications précédentes et des moyens de commutation permettant de basculer d'une antenne en ligne à une autre en fonction des mouvements du satellite, et notamment de ses mouvements de roulis.
  8. Système selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'antenne comporte des moyens de motorisation qui permettent de modifier l'orientation de la (ou des) ligne(s) d'éléments rayonnants élémentaires pour compenser les mouvements potentiels du satellite, notamment ses mouvements de roulis.
EP98917183A 1997-03-17 1998-03-17 Antenne pour satellite a defilement Expired - Lifetime EP1010214B1 (fr)

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