EP1107359A1 - Source rayonnante pour antenne d'émission et de réception destinée à être installée à bord d'un satellite - Google Patents

Source rayonnante pour antenne d'émission et de réception destinée à être installée à bord d'un satellite Download PDF

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EP1107359A1
EP1107359A1 EP00403428A EP00403428A EP1107359A1 EP 1107359 A1 EP1107359 A1 EP 1107359A1 EP 00403428 A EP00403428 A EP 00403428A EP 00403428 A EP00403428 A EP 00403428A EP 1107359 A1 EP1107359 A1 EP 1107359A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radiating
openings
radiation
source
source according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00403428A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Cyril Mangenot
Yann Cailloce
Jacques Maurel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Alcatel Lucent SAS
Original Assignee
Alcatel CIT SA
Alcatel SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Alcatel CIT SA, Alcatel SA filed Critical Alcatel CIT SA
Publication of EP1107359A1 publication Critical patent/EP1107359A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/10—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces
    • H01Q19/12—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces wherein the surfaces are concave
    • H01Q19/17—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using reflecting surfaces wherein the surfaces are concave the primary radiating source comprising two or more radiating elements

Definitions

  • the invention relates to a transmitting and receiving antenna on board a satellite that is part of a telecommunications system in which this antenna relays communications in a terrestrial region divided into a plurality of zones, the division of the region into zones being effected by assigning to each zone a primary source made up of radiant elementary entities which can be common to several sources.
  • a division into regions of the region covered by the satellite has the advantage that energy performance is improved and that the frequencies are reusable from one zone to another.
  • a region covered by a satellite is divided into zones for geostationary satellites than for traveling satellites.
  • the example that we will mainly consider will be that of a system of Ka-band telecommunications for so-called high-speed multimedia services.
  • the transmission frequency is 20 GHz and the reception frequency 30 GHz.
  • These high frequency values allow equipment to relatively small footprint both on board the satellite and on land and therefore costs which, for land equipment, is favorable for manufacturing in large series.
  • a typical geostationary satellite telecommunications system covers a region viewed from a total angle of about 6 ° by the satellite and this region is divided into a number of zones between forty and one hundred.
  • each zone is produced by a beam in linear polarization (or high directivity, of the order of 45 dBi at the edge of the coverage area, the frequency band is divided into four sub-bands and, to limit the interactions between zones of the same frequency, the secondary lobes of each beam must have a low level compared to the main lobe.
  • the level of the side lobes must be at least 25 dB in below the main lobe.
  • the multiplicity of areas for the same region leads to a multiplicity of primary sources, which is not favorable to the minimization of the mass and volume of equipment on board the satellite.
  • FIG. 1 thus represents a diagram showing a reflector 10 in the focal plane 12 of which are arranged several primary sources of which only two of them, 14 and 16, are represented.
  • the source 14 emits or receives a beam whose edge rays have, in FIG. 1, the references 14 1 and 14 2 while the primary source 16 emits or receives a beam whose edge rays have the references 16 1 and 16 2 .
  • Each of the beams 14 1 , 14 2 and 16 1 , 16 2 forms a terrestrial zone with a diameter of at least one hundred kilometers.
  • the diameter of the reflector 10 being of the order of 1 meter or 1.50 meters, it is sufficient that each beam has an opening of a few tenths of degrees to obtain the correspondence, in particular on emission, between primary source, reflector and area earthly.
  • Each primary source 14, 16 having a non-negligible bulk, at each reflector 10 is associated with primary sources corresponding to zones distant. Indeed, the more distant the terrestrial zones from each other, the more the distance, or not, between the primary sources 14,16 must be large. So in general, primary sources associated with two adjacent areas are assigned to different reflectors. In one example, each reflector is assigned a quarter primary sources of emission and / or reception.
  • the distance to the ground between terrestrial zones conditions the spacing between radiating sources 14, 16 while the size of each terrestrial area determines the diameter of the reflector 10.
  • the reflector and radiating sources assembly must, in addition to the conditions mentioned above concerning the side lobes, satisfy two conditions additional information concerning the illumination of the reflector by a primary source:
  • the first is that the source must illuminate the periphery 20 of the reflector 10 with a sufficiently low level so that the radiation does not disturb the areas terrestrial neighbors of the area to which this source is assigned.
  • the second condition is that the primary source must illuminate the periphery 20 of reflector 10 with a sufficiently high level to guarantee good surface efficiency (ratio between the actual directivity of the beam and the directivity antenna maximum for uniform illumination).
  • peripheral zone 20 must be illuminated with a level about 9 dB lower than the illumination of the central zone 22 to obtain a good compromise between these two contradictory constraints.
  • each chosen circular area is optimally lit, it is also necessary that the radiation diagram of each primary source presents a symmetry of revolution, both in transmission and in reception.
  • the radiation pattern of a source depends on the frequency, it is therefore different on transmission and reception. Therefore, it is preferable, to easily satisfy the conditions imposed on the antenna assembly radiant / reflective, to separate the sources provided for the emission of the sources scheduled for reception.
  • a common embodiment of such an assembly consists in providing first reflectors for the emission sources and second reflectors for sources of reception.
  • broadband sources must be used (operating in the transmission band and in the reception band).
  • choice of source is practically limited to a so-called “corrugated” radiant opening, that is to say with internal ribs, because this type of source is the only one that allows obtain a revolution diagram for the transmit and receive frequencies with a satisfactory reflection coefficient (TOS Stationary Wave Rate).
  • a corrected radiating aperture for a given directivity, is more cumbersome than a narrowband primary source (e.g. a Potter's radiant opening).
  • a narrowband primary source e.g. a Potter's radiant opening.
  • sources 14 and 16 correspond to sources transmission (or reception) according to the first embodiment described while the sources 14 'and 16' are sources of emission and reception which are more bulky.
  • the invention aims to provide a transmission and reception assembly in which each primary source is of the broadband type but which does not have the disadvantages of known solutions, that is to say that allows to respect a level sufficiently low illumination of the periphery of the emission reflector.
  • the antenna according to the invention is thus of the type in which at each reflector is associated with a plurality of emission and reception sources and is characterized in that each source of emission and reception comprises several openings radiant with efficiency (or gain) at least equal to 70% with resources individual supply of each radiant opening to provide a different energy at two different radiant openings so that the illumination in periphery of the reflector is at a sufficiently low level that the energy radiated outside the reflector is negligible and that, preferably, the illumination at the periphery is practically the same for the transmission and reception.
  • each radiating opening of efficiency at least equal to 70% has a higher directivity, which makes it possible to reduce the energy at the edge of the reflector.
  • a corrugated radiant opening has an efficiency (or gain) of at most 60%.
  • a highly efficient central radiating opening is provided. and high efficiency peripheral radiant openings, for example evenly distributed around the axis of the central radiating opening.
  • the power supply of a central radiant opening of high efficiency is greater than the power supply of radiant openings highly efficient peripherals and peripheral radiant openings are all powered with the same power.
  • the invention provides an opening feed radiant and the amplitude and phase of each feed can be chosen at will for both the transmission and the reception.
  • the various radiating openings are supplied with polarization linear and polarization is, relative to the arrangement of the various openings radiant, oriented so as to maximize the symmetry of the radiation around the axis of the radiating source.
  • the radiant openings are distributed in such a way that there is a direction passing through the center of the source radiating through which passes a maximum number of centers of the openings radiant, we will choose the direction of polarization perpendicular to this direction.
  • the distance between the centers of the radiating openings is less than a wavelength at the emission frequency (the lowest). For example, when this frequency is 20 GHz, the distance between the radiating openings must be less than about 16 mm.
  • the present invention provides a radiating source of emission and reception intended to be carried on board a satellite so as to define a radiation pattern in a terrestrial area, this source being intended for be arranged in the focal plane, or in the vicinity of the focal plane, of a reflector which are associated with other sources corresponding to other terrestrial areas.
  • This source includes a plurality of radiating openings, each of which has a efficiency at least equal to 70% and the means of supplying these openings radiant, the radiant openings and their supply means being such that the energy radiated by all of the radiant openings, that is, at least at the emission, practically limited to the corresponding reflector.
  • the supply means are such that the radiation pattern is substantially the same in transmission and reception.
  • the radiating source has an opening central radiator and peripheral radiant openings.
  • the peripheral radiating openings are evenly distributed around the axis of the central radiating opening.
  • the supply of the radiating opening central is such that this radiating opening produces the highest radiation.
  • the means for supplying the openings radiant devices are such as the radiation produced by each of these peripheral radiant openings have practically all the same intensity, this being less than the intensity of the radiation produced by the aperture radiant central.
  • the radiation to be emitted by the source has a linear polarization of determined direction
  • the means supply are such that each of the radiant openings emits a radiation polarized in this determined direction, the latter being oriented, by compared to all of the radiant openings, so as to maximize the homogenization of radiation in space.
  • the direction of polarization is chosen to such that a straight line from this direction passing through the center of the exit plane of the source passes through a minimum number of radiant openings.
  • the radiating openings and the means power supply are such that the radiation intensity at emission is, at the periphery of the reflector, about 9 decibels lower than the intensity of the radiation emitted in central part of the associated reflector.
  • the transmission and reception are in Ka band.
  • the transmission frequency is of the order of 20 GHz and the reception frequency of the order of 30 GHz.
  • the distance separating the axes of two neighboring radiant openings is of the order of a wavelength of the radiation resignation.
  • the present invention further provides a telecommunications system in which communications are relayed via antennas on board a satellite, in particular a geostationary satellite, comprising a source antenna radiant of the type defined above.
  • a radiating source 40 of transmission and reception intended to be installed on board a geostationary satellite (not shown) and constituting a relay for communications of a telecommunications system in a region 30 (FIG. 2) covering a large part of the European continent and part of the African continent. This region is divided into circular areas 32 1 , 32 2 , etc.
  • region 30 The whole of region 30 is covered by the geostationary satellite (36,000 km above the surface of the globe) according to a 6 ° cone of total opening, while the angular distance (seen from the satellite) between the centers of two zones neighbors is 0.5 degrees.
  • the satellite comprises four reflectors and to each reflector are associated twelve primary sources corresponding to non-adjacent zones.
  • each transmission and reception band is separated into four sub-bands B1, B2, B3 and B4, each sub-band being used in twelve different zones.
  • two adjacent areas are assigned different sub-bands. It can thus be seen that the zone 32 i , to which a sub-band B4 is assigned, is surrounded by zones to which the sub-bands B1, B2, B3 are assigned, but to none of these adjacent zones is the sub-band assigned. - strip B4.
  • the twelve radiating sources assigned to the same reflector correspond, in the example, to the same transmit sub-band and to the same sub-band of reception.
  • the transmission frequency is 20 GHz and the transmission frequency 30 GHz reception.
  • each primary radiating source 40 (FIG. 3) comprises a plurality of radiating openings 42 1 , 42 2 , ..., 42 7 with an efficiency at least equal to 70% and emerging in a plane 44. These radiating openings are, in the plane 44, inscribed in a circle 46 of diameter approximately 50 mm.
  • the number of radiating openings is seven (7).
  • the radiating opening 42 1 is in the central position, that is to say that its axis 48 coincides with the axis of the circle 46, and in this same plane 44, the radiating openings 42 2 to 42 7 are distributed regularly around the axis 48. In this example, all the axes of the radiating openings 42 1 to 42 7 are parallel to each other.
  • Each of the radiating openings is associated with a supply means 50 1 ... 50 7 of adjustable amplitude and phase. These supplies are such that, both for transmission and for reception, at the periphery of the reflector 10 the illumination is practically constant and is approximately 9 dB lower than the illumination of the central part 22 of this reflector 10.
  • each of the radiating openings of so as to obtain a radiation pattern which is substantially the same in transmission and reception.
  • the supply of the radiating openings is different between transmission and reception.
  • multiplicity of radiant openings and therefore the multiplicity of corresponding power supplies, facilitates this optimization of the diagram of radiation. Indeed, this multiplicity of power supplies constitutes a degree of freedom to achieve this result since each feed is selectable individually.
  • this plurality of feeds to the openings radiant allows you to choose at will, and independently of each other, the transmission and reception diagrams.
  • each radiating opening 42 has a diagram which is not of revolution with respect to its axis but which has a higher directivity in the direction of polarization P than in the direction perpendicular.
  • the fact of providing a plurality of such radiating openings distributed inside the circle 46 intrinsically makes it possible, without particular precautions, to compensate for the individual asymmetry of the diagram of each radiating opening 42.
  • the choice of the direction of polarization with respect to the distribution radiant openings further improves the homogenization of the radiation pattern around axis 48.
  • the direction P 1 of polarization corresponds to a direction for which the straight line having this direction and passing through the axis 48 only crosses the central radiating opening 42 1 , and the parallel straight lines passing through the centers other radiating openings, in the plane 44, are regularly distributed on either side of the axis P1.
  • this distribution is more favorable for the homogenization of the energy than if the polarization was in the perpendicular direction, that is to say along the straight line 54 passing through the center 48.
  • three radiating openings would be along this axis and these three radiating openings would not contribute to the homogenization on either side of this axis 54.
  • each radiating opening 42 is approximately 16 mm, ie a wavelength at 20 GHz. This avoids the network lobes formed by all of these radiating openings 42 1 to 42 7 .
  • correct operation is obtained by supplying the central radiating opening 42 1 with a determined power and by supplying the peripheral radiating openings 42 2 to 42 7 with a given power of value less than the power supplying the radiating opening 42 1 .
  • the source 40 according to the invention has the same properties of purity of polarization, bandwidth and symmetry of the radiation pattern than conventional sources with corrugated radiating apertures. But, by compared to this known solution, the source 40 also has the advantage of minimize overflow losses outside the reflector and allow a level of illumination of the reflector which is practically the same in transmission and reception.
  • the source according to the invention is of a manufacturing less complex than a corrugated radiant opening, because the manufacture of a high efficiency radiant opening 42 is simpler than making a corrugated radiant opening (efficiency of not more than 60%) which requires great precision in determining the ribs.
  • FIG. 5 shows the emission radiation diagram (20 GHz) of the radiating source 40 represented in FIGS. 3 and 4.
  • the opening angular is plotted on the abscissa and ordinate is plotted the amplitude of the radiation expressed in dB relative to the maximum value along the axis at 0 °.
  • Curve 60 corresponds to the central lobe and curves 62 1 and 64 1 represent the secondary lobes in the plane of the polarization while curves 62 2 and 64 2 represent the secondary lobes in the direction perpendicular to the polarization.
  • the central lobe 60 there is no difference between the direction of polarization and the direction perpendicular.
  • the attenuation is - 9 dB, which corresponds to the specifications, the energy lost outside being thus negligible. All other things being equal, with a corrugated radiating aperture, a reduction of -3 dB would have been obtained for the opening of 38 °.
  • Figure 6 is similar to that of Figure 5. It shows the diagram of reception radiation, that is to say at 30 GHz, from a radiating source 40.
  • the curve 66 corresponds to the direction of polarization and curve 68 corresponds to the direction perpendicular. In the useful opening (38 °), curves 66 and 68 are combined. We also note that in this useful opening, diagram 66 is practically the same as the emission diagram 60 in FIG. 5.
  • the invention is, of course, not limited to the embodiments described.
  • the number of radiant openings is not limited to seven. It can be higher or lower.

Landscapes

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

Abstract

L'invention est relative à une source rayonnante (40) d'émission et de réception destinée à être embarquée à bord d'un satellite de façon à définir un diagramme de rayonnement dans une zone terrestre, cette source étant destinée à être disposée dans le plan focal, ou au voisinage du plan focal, d'un réflecteur auquel sont associées d'autres sources correspondant à d'autres zones terrestres. La source (40) comprend une pluralité d'ouvertures rayonnantes (421, 422, ..., 427) dont chacune a une efficacité au moins égale à 70% et des moyens d'alimentation (501, ..., 507) de ces ouvertures rayonnantes. Les ouvertures rayonnantes et leurs moyens d'alimentation sont tels que l'énergie rayonnée par l'ensemble des ouvertures rayonnantes soit, au moins à l'émission, pratiquement limitée au réflecteur correspondant.

Description

L'invention est relative à une antenne d'émission et de réception à bord d'un satellite faisant partie d'un système de télécommunications dans lequel cette antenne relaie des communications dans une région terrestre divisée en une pluralité de zones, la division de la région en zones étant effectuée en affectant à chaque zone une source primaire constituée d'entités élémentaires rayonnantes pouvant être communes à plusieurs sources.
Par rapport à une couverture globale, une division en zones de la région couverte par le satellite présente l'avantage que les performances énergétiques sont améliorées et que les fréquences sont réutilisables d'une zone à une autre. Par exemple, on peut diviser en plusieurs sous-bandes la bande des fréquences allouées et ces sous-bandes sont réparties de façon telle que deux zones adjacentes utilisent des sous-bandes différentes.
La division d'une région couverte par un satellite en zones s'effectue tant pour les satellites géostationnaires que pour les satellites défilants. Dans ce qui suit, on se limitera à décrire un système de télécommunications à satellites géostationnaires, mais l'invention s'applique aussi à un système à satellites défilants du type pour communication avec des mobiles.
L'exemple que l'on considérera principalement sera celui d'un système de télécommunications en bande Ka pour des services dits multimédia à haut débit. Dans cette bande, la fréquence d'émission est de 20 GHz et la fréquence de réception de 30 GHz. Ces valeurs de fréquence élevées permettent des équipements de relativement faible encombrement tant à bord du satellite qu'à terre et donc des coûts réduits, ce qui, pour les équipements terrestres, est favorable à une fabrication en grande série.
Un système de télécommunications typique à satellite géostationnaire couvre une région vue sous un angle total d'environ 6° par le satellite et cette région est divisée en un nombre de zones compris entre une quarantaine et une centaine. Dans ce système, chaque zone est réalisée par un faisceau en polarisation linéaire (ou circulaire) de directivité élevée, de l'ordre de 45 dBi en bord de zone de couverture, la bande de fréquences est divisée en quatre sous-bandes et, pour limiter les interactions entre zones de même fréquence, les lobes secondaires de chaque faisceau doivent présenter un faible niveau par rapport au lobe principal. On admet en général que le niveau des lobes secondaires doit être d'au moins 25 dB en dessous du lobe principal.
La multiplicité des zones pour une même région entraíne une multiplicité des sources primaires, ce qui n'est pas favorable à la minimisation de la masse et du volume des équipements à bord du satellite.
Ces équipements comprennent des réflecteurs à chacun desquels sont associées plusieurs sources primaires, chaque source correspondant à une zone terrestre mais pouvant contribuer à la génération de plusieurs zones. On a ainsi représenté sur la figure 1 un schéma montrant un réflecteur 10 dans le plan focal 12 duquel sont disposées plusieurs sources primaires dont seulement deux d'entre elles, 14 et 16, sont représentées. La source 14 émet ou reçoit un faisceau dont les rayons de bord ont, sur la figure 1, les références 141 et 142 tandis que la source primaire 16 émet ou reçoit un faisceau dont les rayons de bord portent les références 161 et 162. Chacun des faisceaux 141, 142 et 161, 162 forme une zone terrestre de diamètre d'au moins une centaine de kilomètres. Le diamètre du réflecteur 10 étant de l'ordre de 1 mètre ou 1,50 mètres, il suffit que chaque faisceau ait une ouverture de quelques dixièmes de degrés pour obtenir la correspondance, notamment à l'émission, entre source primaire, réflecteur et zone terrestre.
Chaque source primaire 14,16 ayant un encombrement non négligeable, à chaque réflecteur 10 on associe des sources primaires correspondant à des zones éloignées. En effet, plus les zones terrestres sont éloignées l'une de l'autre, plus l'écartement, ou pas, entre les sources primaires 14,16 doit être grand. Ainsi, en général, les sources primaires associées à deux zones adjacentes sont affectées à des réflecteurs différents. Dans un exemple, à chaque réflecteur, sont affectées le quart des sources primaires d'émission et/ou de réception.
Ainsi, au vu du diagramme de la figure 1, on comprend que la distance au sol entre zones terrestres conditionne l'écartement entre sources rayonnantes 14, 16 tandis que la dimension de chaque zone terrestre conditionne le diamètre du réflecteur 10.
L'ensemble à réflecteur et sources rayonnantes doit, outre les conditions mentionnées ci-dessus concernant les lobes secondaires, satisfaire à deux conditions supplémentaires concernant l'éclairement du réflecteur par une source primaire :
La première est que la source doit éclairer la périphérie 20 du réflecteur 10 avec un niveau suffisamment bas afin que le rayonnement ne perturbe pas les zones terrestres voisines de la zone à laquelle est affectée cette source.
La seconde condition est que la source primaire doit éclairer la périphérie 20 du réflecteur 10 avec un niveau suffisamment élevé afin de garantir une bonne efficacité de surface (rapport entre la directivité réelle du faisceau et la directivité maximale de l'antenne pour un éclairement uniforme).
Par exemple, la zone périphérique 20 doit être éclairée avec un niveau inférieur d'environ 9 dB à l'éclairement de la zone centrale 22 pour obtenir un bon compromis entre ces deux contraintes contradictoires.
Enfin, pour que chaque zone circulaire choisie soit éclairée de façon optimale, il faut, en outre, que le diagramme de rayonnement de chaque source primaire présente une symétrie de révolution, tant en émission qu'en réception.
Étant donné que le diagramme de rayonnement d'une source dépend de la fréquence, il est donc différent à l'émission et à la réception. Par conséquent, il est préférable, pour satisfaire aisément aux conditions imposées à l'ensemble antennes rayonnantes/réflecteur, de séparer les sources prévues pour l'émission des sources prévues pour la réception.
Ainsi, un mode de réalisation courant d'un tel ensemble consiste à prévoir des premiers réflecteurs pour les sources d'émission et des seconds réflecteurs pour les sources de réception. Bien que cette solution permette de satisfaire correctement aux contraintes d'isolement entre zones et d'efficacité de chaque faisceau, elle présente cependant l'inconvénient gênant d'entraíner dans le satellite un encombrement et une masse importants. En outre, la multiplicité des réflecteurs augmente la complexité du montage mécanique dans le satellite.
Pour réduire le nombre de réflecteurs dans un satellite, on sait qu'on peut utiliser la même source rayonnante pour l'émission et la réception.
A cet effet, il faut utiliser des sources à large bande (fonctionnant dans la bande d'émission et dans la bande de réception). Dans ce cas, le choix de la source est pratiquement limité à une ouverture rayonnante dite "corruguée", c'est-à-dire présentant des nervures internes, car ce type de source est le seul qui permette d'obtenir un diagramme de révolution pour les fréquences d'émission et de réception avec un coefficient de réflexion satisfaisant (Taux d'Ondes Stationnaires TOS).
Mais, une ouverture rayonnante corruguée, pour une directivité donnée, est plus encombrante qu'une source primaire à bande étroite (par exemple une ouverture rayonnante de Potter). Dans ces conditions, pour une distance donnée entre zones terrestres affectées à un même réflecteur 10, il faut, par rapport à la première réalisation, une distance plus importante entre sources primaires. Ainsi, dans le diagramme de la figure 1, les sources 14 et 16 correspondent à des sources d'émission (ou de réception) selon le premier mode de réalisation décrit alors que les sources 14' et 16' sont des sources d'émission et de réception qui sont plus encombrantes. On voit ainsi que, dans la seconde réalisation, la distance entre les sources étant plus importante, le positionnement des zones au sol ne respecte plus les contraintes imposées. On doit alors réduire la taille des ouvertures rayonnantes corruguées, ce qui entraíne un éclairement excessif de la périphérie 20 du réflecteur 10, cet éclairement étant en général inférieur de seulement 3 dB par rapport à l'éclairement au centre 22. Cet éclairement excessif entraíne des perturbations dans le fonctionnement du système et, en outre, des pertes d'énergie.
L'invention vise à fournir un ensemble d'émission et de réception dans lequel chaque source primaire est du type à large bande mais qui ne présente pas les inconvénients des solutions connues, c'est-à-dire qui permet de respecter un niveau d'éclairement suffisamment bas de la périphérie du réflecteur en émission.
L'antenne selon l'invention est ainsi du type dans laquelle à chaque réflecteur est associée une pluralité de sources d'émission et de réception et elle est caractérisée en ce que chaque source d'émission et de réception comprend plusieurs ouvertures rayonnantes d'efficacité (ou gain) au moins égale à 70% avec des moyens d'alimentation individuels de chaque ouverture rayonnante permettant de fournir une énergie différente à deux ouvertures rayonnantes différentes afin que l'éclairement en périphérie du réflecteur soit à un niveau suffisamment faible pour que l'énergie rayonnée en dehors du réflecteur soit négligeable et que, de préférence, l'éclairement en périphérie soit pratiquement le même pour les fréquences d'émission et de réception.
Toutes choses restant égales par ailleurs, notamment la surface du réflecteur, par exemple un cercle de diamètre égal à 50 mm environ, par rapport à la réalisation d'une ouverture rayonnante corruguée, chaque ouverture rayonnante d'efficacité au moins égale à 70% a une directivité supérieure, ce qui permet de réduire l'énergie en bord du réflecteur. On rappelle ici qu'une ouverture rayonnante corruguée a une efficacité (ou gain) d'au plus 60%.
Il est à noter que, jusqu'à présent, on a considéré qu'une ouverture rayonnante d'efficacité importante du type cornet conique lisse ne pouvait pas convenir pour ce type de source à large bande car elle ne permet pas d'obtenir un diagramme de rayonnement de révolution et ce rayonnement présente des lobes secondaires importants ne permettant pas un isolement correct entre zones auxquelles sont affectées les mêmes sous-bandes de fréquence. Mais l'invention permet de surmonter, au moins en grande partie, cet inconvénient, car les sources rayonnantes étant peu directives, par rapport à la source constituée par l'ensemble de ces ouvertures, la répartition du rayonnement individuel des ouvertures rayonnantes à forte efficacité diminue la dissymétrie d'ensemble autour de l'axe du réflecteur car, ainsi, on obtient un écart réduit entre les niveaux de rayonnement dans deux plans perpendiculaires entre eux et au réflecteur.
De préférence, on prévoit une ouverture rayonnante centrale de forte efficacité et des ouvertures rayonnantes périphériques de forte efficacité, par exemple réparties régulièrement autour de l'axe de l'ouverture rayonnante centrale. Dans une réalisation, la puissance d'alimentation d'une ouverture rayonnante centrale de grande efficacité est supérieure à la puissance d'alimentation des ouvertures rayonnantes périphériques de grande efficacité et les ouvertures rayonnantes périphériques sont toutes alimentées avec la même puissance.
De façon générale, l'invention prévoit une alimentation par ouverture rayonnante et l'amplitude et la phase de chaque alimentation peuvent être choisies à volonté tant pour l'émission que pour la réception. Autrement dit, on peut, grâce à la multiplicité de l'ouverture rayonnante et à l'alimentation individuelle de chaque ouverture rayonnante, choisir à volonté le diagramme de rayonnement à l'émission et à la réception.
Ainsi, on aura souvent intérêt à choisir les alimentations des ouvertures rayonnantes de façon telle qu'elles soient différentes à l'émission et à la réception.
Pour améliorer la symétrie du rayonnement autour de l'axe du réflecteur, ou autour de l'axe de l'ensemble des ouvertures rayonnantes, selon une disposition de l'invention, les diverses ouvertures rayonnantes sont alimentées en polarisation linéaire et la polarisation est, par rapport à la disposition des diverses ouvertures rayonnantes, orientée de façon à maximiser la symétrie du rayonnement autour de l'axe de la source rayonnante. Par exemple, quand les ouvertures rayonnantes sont distribuées de façon telle qu'il existe une direction passant par le centre de la source rayonnante par laquelle passe un nombre maximum de centres des ouvertures rayonnantes, on choisira la direction de polarisation perpendiculaire à cette direction.
Pour éviter les lobes du réseau formés par les ouvertures rayonnantes constituant la source rayonnante, ces lobes réduisant la puissance à émettre dans la direction utile, la distance entre les centres des ouvertures rayonnantes est inférieure à une longueur d'onde à la fréquence d'émission (la plus basse). Par exemple, quand cette fréquence est de 20 GHz, la distance entre les ouvertures rayonnantes doit être inférieure à 16 mm environ.
La présente invention prévoit une source rayonnante d'émission et de réception destinée à être embarquée à bord d'un satellite de façon à définir un diagramme de rayonnement dans une zone terrestre, cette source étant destinée à être disposée dans le plan focal, ou au voisinage du plan focal, d'un réflecteur auquel sont associées d'autres sources correspondant à d'autres zones terrestres. Cette source comprend une pluralité d'ouvertures rayonnantes dont chacune a une efficacité au moins égale à 70% et des moyens d'alimentation de ces ouvertures rayonnantes, les ouvertures rayonnantes et leurs moyens d'alimentation étant tels que l'énergie rayonnée par l'ensemble des ouvertures rayonnantes soit, au moins à l'émission, pratiquement limitée au réflecteur correspondant.
Selon un mode de réalisation, les moyens d'alimentation sont tels que le diagramme de rayonnement soit sensiblement le même en émission et en réception.
Selon un mode de réalisation, la source rayonnante comporte une ouverture rayonnante centrale et des ouvertures rayonnantes périphériques.
Selon un mode de réalisation, les ouvertures rayonnantes périphériques sont réparties régulièrement autour de l'axe de l'ouverture rayonnante centrale.
Selon un mode de réalisation, l'alimentation de l'ouverture rayonnante centrale est telle que cette ouverture rayonnante produit le rayonnement le plus élevé.
Selon un mode de réalisation, les moyens d'alimentation des ouvertures rayonnantes périphériques sont telles que les rayonnements produits par chacune de ces ouvertures rayonnantes périphériques aient pratiquement toutes la même intensité, celle-ci étant inférieure à l'intensité du rayonnement produit par l'ouverture rayonnante centrale.
Selon un mode de réalisation, le rayonnement à émettre par la source présente une polarisation linéaire de direction déterminée, et les moyens d'alimentation sont tels que chacune des ouvertures rayonnantes émet un rayonnement polarisé selon cette direction déterminée, celle-ci étant orientée, par rapport à l'ensemble des ouvertures rayonnantes, de façon à maximiser l'homogénéisation des rayonnements dans l'espace.
Selon un mode de réalisation, la direction de polarisation est choisie de façon telle qu'une droite de cette direction passant par le centre du plan de sortie de la source traverse un nombre minimum d'ouvertures rayonnantes.
Selon un mode de réalisation, les ouvertures rayonnantes et les moyens d'alimentation sont tels que l'intensité du rayonnement à l'émission est, à la périphérie du réflecteur, inférieure d'environ 9 décibels à l'intensité du rayonnement émis en partie centrale du réflecteur associé.
Selon un mode de réalisation, l'émission et la réception sont en bande Ka.
Selon un mode de réalisation, la fréquence d'émission est de l'ordre de 20 GHz et la fréquence de réception de l'ordre de 30 GHz.
Selon un mode de réalisation, la distance séparant les axes de deux ouvertures rayonnantes voisines est de l'ordre d'une longueur d'onde du rayonnement d'émission.
La présente invention prévoit en outre un système de télécommunications dans lequel les communications sont relayées par l'intermédiaire d'antennes à bord d'un satellite, notamment géostationnaire, comprenant une antenne à sources rayonnantes du type défini ci-dessus.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaítront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels :
  • la figure 1, déjà décrite, est un schéma d'un réflecteur et de sources rayonnantes,
  • la figure 2 est un schéma d'une région et de zones d'un système de télécommunications à satellite géostationnaire,
  • la figure 3 représente un mode de réalisation d'une source primaire conforme à l'invention,
  • la figure 4 est un schéma illustrant un mode d'alimentation d'une source représentée sur la figure 3, et
  • les figures 5 et 6 sont des graphiques illustrant des propriétés de la source représentée sur la figure 3.
    • L'exemple de réalisation de l'invention que l'on va maintenant décrire en relation avec les figures est une source rayonnante 40 d'émission et de réception destinée à être installée à bord d'un satellite géostationnaire (non montré) et constituant un relais pour des communications d'un système de télécommunications dans une région 30 (figure 2) couvrant une grande partie du continent européen et une partie du continent africain. Cette région est divisée en zones circulaires 321, 322, etc.
    L'ensemble de la région 30 est couverte par le satellite géostationnaire (36 000 km au-dessus de la surface du globe) selon un cône de 6° d'ouverture totale, tandis que la distance angulaire (vue du satellite) entre les centres de deux zones voisines est de 0,5 degré.
    Dans cet exemple, où le nombre total de zones 32i est de quarante-huit, le satellite comporte quatre réflecteurs et à chaque réflecteur sont associées douze sources primaires correspondant à des zones non adjacentes.
    Dans la réalisation représentée, chaque bande d'émission et de réception est séparée en quatre sous-bandes B1, B2, B3 et B4, chaque sous-bande étant utilisée dans douze zones différentes. Comme représenté sur la figure 2, à deux zones adjacentes, on affecte des sous-bandes différentes. On voit ainsi que la zone 32i, à laquelle est affectée une sous-bande B4, est entourée par des zones auxquelles sont affectées les sous-bandes B1,B2,B3, mais à aucune de ces zones adjacentes n'est affectée la sous-bande B4.
    Les douze sources rayonnantes affectées à un même réflecteur correspondent, dans l'exemple, à la même sous-bande d'émission et à la même sous-bande de réception.
    Dans cet exemple, la fréquence d'émission est de 20 GHz et la fréquence de réception de 30 GHz.
    Selon l'invention, chaque source rayonnante primaire 40 (figure 3) comporte une pluralité d'ouvertures rayonnantes 421, 422, ..., 427 d'efficacité au moins égale à 70% et débouchant dans un plan 44. Ces ouvertures rayonnantes sont, dans le plan 44, inscrites dans un cercle 46 de diamètre 50 mm environ.
    Ainsi, dans l'exemple, le nombre d'ouvertures rayonnantes est de sept (7). L'ouverture rayonnante 421 se trouve en position centrale, c'est-à-dire que son axe 48 est confondu avec l'axe du cercle 46, et dans ce même plan 44, les ouvertures rayonnantes 422 à 427 sont réparties régulièrement autour de l'axe 48. Dans cet exemple, tous les axes des ouvertures rayonnantes 421 à 427 sont parallèles entre eux.
    A chacune des ouvertures rayonnantes est associé un moyen d'alimentation 501 ...507 d'amplitude et de phase réglables. Ces alimentations sont telles que, tant pour l'émission que pour la réception, à la périphérie du réflecteur 10 l'éclairement est pratiquement constant et est inférieur d'environ 9 dB à l'éclairement de la partie centrale 22 de ce réflecteur 10.
    Ainsi on a choisi l'alimentation de chacune des ouvertures rayonnantes à l'émission et à la réception de façon à obtenir une répartition choisie d'éclairements entre la partie centrale et la périphérie.
    De plus, on choisit l'alimentation de chacune des ouvertures rayonnantes de façon à obtenir un diagramme de rayonnement qui soit sensiblement le même en émission et en réception. Dans ce cas l'alimentation des ouvertures rayonnantes est différente entre l'émission et la réception.
    La multiplicité des ouvertures rayonnantes, et donc la multiplicité d'alimentations correspondantes, facilite cette optimisation du diagramme de rayonnement. En effet, cette multiplicité d'alimentations constitue un degré de liberté permettant d'atteindre ce résultat puisque chaque alimentation est sélectionnable individuellement.
    De façon plus générale, cette pluralité d'alimentations des ouvertures rayonnantes permet de choisir à volonté, et indépendamment l'un de l'autre, les diagrammes d'émission et de réception. Autrement dit, les diagrammes d'émission et de réception ne sont pas forcément identiques ; ils peuvent être choisis en fonction des contraintes diverses imposées à l'antenne.
    En outre, dans le mode de réalisation tel qu'il est représenté sur la figure 4, la direction de polarisation (qui est la même pour les ouvertures rayonnantes 421, 422, etc.) de l'alimentation de ces ouvertures rayonnantes est telle qu'elle compense, du moins en grande partie, dans l'espace, la dissymétrie individuelle présentée par chacune de ces ouvertures rayonnantes. En effet, dans l'exemple de la réalisation, on sait que chaque ouverture rayonnante 42 présente un diagramme qui n'est pas de révolution par rapport à son axe mais qui présente une directivité plus élevée selon la direction de polarisation P que selon la direction perpendiculaire. Le fait de prévoir une pluralité de telles ouvertures rayonnantes réparties à l'intérieur du cercle 46 permet intrinsèquement, sans précautions particulières, de compenser la dissymétrie individuelle du diagramme de chaque ouverture rayonnante 42.
    En outre, le choix de la direction de polarisation par rapport à la répartition des ouvertures rayonnantes permet d'améliorer encore l'homogénéisation du diagramme de rayonnement autour de l'axe 48.
    Ainsi, dans l'exemple représenté, la direction P1 de polarisation correspond à une direction pour laquelle la droite présentant cette direction et passant par l'axe 48 traverse seulement l'ouverture rayonnante centrale 421, et les droites parallèles passant par les centres des autres ouvertures rayonnantes, dans le plan 44, sont réparties régulièrement de part et d'autre de l'axe P1. On comprend que cette répartition est plus favorable à l'homogénéisation de l'énergie que si la polarisation était dans la direction perpendiculaire, c'est-à-dire selon la droite 54 passant par le centre 48. En effet, dans ce cas, trois ouvertures rayonnantes seraient selon cet axe et ces trois ouvertures rayonnantes ne contribueraient pas à l'homogénéisation de part et d'autre de cet axe 54.
    Ainsi, pour choisir la direction de polarisation du rayonnement, dans l'exemple, on considère la direction passant par le centre 48 et qui traverse un maximum de centres des ouvertures rayonnantes et on choisit une direction de polarisation qui est perpendiculaire à cette direction.
    Dans le plan 44, le rayon de chaque ouverture rayonnante 42 est de 16 mm environ soit une longueur d'onde à 20 GHz. On évite ainsi les lobes de réseau formés par l'ensemble de ces ouvertures rayonnantes 421 à 427.
    Dans l'exemple, un fonctionnement correct est obtenu en alimentant l'ouverture rayonnante centrale 421 avec une puissance déterminée et en alimentant les ouvertures rayonnantes périphériques 422 à 427 avec une puissance donnée de valeur inférieure à la puissance alimentant l'ouverture rayonnante 421.
    La source 40 selon l'invention présente les mêmes propriétés de pureté de polarisation, de largeur de bande passante et de symétrie de diagramme de rayonnement que les sources classiques à ouvertures rayonnantes corruguées. Mais, par rapport à cette solution connue, la source 40 présente, en outre, l'avantage de permettre de minimiser les pertes par débordement en dehors du réflecteur et de permettre un niveau d'éclairement du réflecteur qui est pratiquement le même en émission et en réception. De plus, la source selon l'invention est d'une fabrication moins complexe qu'une ouverture rayonnante corruguée, car la fabrication d'une ouverture rayonnante 42 de grande efficacité est plus simple que la fabrication d'une ouverture rayonnante corruguée (d'efficacité d'au plus égale à 60%) qui demande une grande précision dans la détermination des nervures.
    On a représenté sur la figure 5 le diagramme de rayonnement à l'émission (20 GHz) de la source rayonnante 40 représentée sur les figures 3 et 4. L'ouverture angulaire est portée en abscisses et en ordonnées est portée l'amplitude du rayonnement exprimée en dB par rapport à la valeur maximale selon l'axe à 0°.
    La courbe 60 correspond au lobe central et les courbes 621 et 641 représentent les lobes secondaires dans le plan de la polarisation tandis que les courbes 622 et 642 représentent les lobes secondaires dans la direction perpendiculaire à la polarisation. Pour le lobe central 60, il n'y a pas de différence entre la direction de polarisation et la direction perpendiculaire. On voit sur cette courbe que pour une ouverture de 38°, qui correspond à l'éclairement du réflecteur 10, l'affaiblissement est de - 9 dB, ce qui correspond aux spécifications, l'énergie perdue à l'extérieur étant ainsi négligeable. Toutes choses restant égales par ailleurs, avec une ouverture rayonnante corruguée on aurait obtenu un affaiblissement de -3 dB pour l'ouverture de 38°.
    La figure 6 est analogue à celle de la figure 5. Elle représente le diagramme de rayonnement à la réception, c'est-à-dire à 30 GHz, de source rayonnante 40. La courbe 66 correspond à la direction de polarisation et la courbe 68 à la direction perpendiculaire. Dans l'ouverture utile (38°), les courbes 66 et 68 sont confondues. On constate aussi que dans cette ouverture utile, le diagramme 66 est pratiquement le même que le diagramme d'émission 60 de la figure 5.
    L'invention n'est, bien entendu, pas limitée aux modes de réalisation décrits. Ainsi, le nombre des ouvertures rayonnantes n'est pas limité à sept. Il peut être supérieur ou inférieur.

    Claims (14)

    1. Source rayonnante (40) d'émission et de réception, à des fréquences différentes, destinée à être embarquée à bord d'un satellite de façon à définir un diagramme de rayonnement dans une zone terrestre (32i), cette source étant destinée à être disposée dans le plan focal, ou au voisinage du plan focal, d'un réflecteur (10) auquel sont associées d'autres sources correspondant à d'autres zones terrestres, caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité d'ouvertures rayonnantes (421, 422, ..., 427) dont chacune a une efficacité au moins égale à 70% et un moyen d'alimentation (501, ..., 507) pour chaque ouverture rayonnante, les ouvertures rayonnantes et leurs moyens d'alimentation étant tels que l'énergie rayonnée par l'ensemble des ouvertures rayonnantes soit, au moins à l'émission, pratiquement limitée au réflecteur correspondant.
    2. Source selon la revendication 1, caractérisée en ce que les alimentations des ouvertures rayonnantes sont différentes à l'émission et à la réception.
    3. Source selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'alimentation de chacune des ouvertures rayonnantes sont tels que le diagramme de rayonnement soit sensiblement le même en émission et en réception.
    4. Source selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce qu'elle comporte une ouverture rayonnante centrale (421) et des ouvertures rayonnantes périphériques.
    5. Source selon la revendication 4, caractérisée en ce que les ouvertures rayonnantes périphériques sont réparties régulièrement autour de l'axe de l'ouverture rayonnante centrale (421).
    6. Source selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que l'alimentation de l'ouverture rayonnante centrale (421) est telle que cette ouverture rayonnante produit le rayonnement le plus élevé.
    7. Source selon la revendication 6, caractérisée en ce que les moyens d'alimentation des ouvertures rayonnantes périphériques sont telles que les rayonnements produits par chacune de ces ouvertures rayonnantes périphériques aient pratiquement toutes la même intensité, celle-ci étant inférieure à l'intensité du rayonnement produit par l'ouverture rayonnante centrale (421).
    8. Source selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le rayonnement à émettre par la source présente une polarisation linéaire de direction déterminée, et les moyens d'alimentation sont tels que chacune des ouvertures rayonnantes émet un rayonnement polarisé selon cette direction déterminée, celle-ci étant orientée, par rapport à l'ensemble des ouvertures rayonnantes, de façon à maximiser l'homogénéisation des rayonnements dans l'espace.
    9. Source selon la revendication 8, caractérisée en ce que la direction de polarisation est choisie de façon telle qu'une droite de cette direction passant par le centre du plan de sortie de la source traverse un nombre minimum d'ouvertures rayonnantes.
    10. Source selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les ouvertures rayonnantes et les moyens d'alimentation sont tels que l'intensité du rayonnement à l'émission est, à la périphérie du réflecteur, inférieure d'environ 9 décibels à l'intensité du rayonnement émis en partie centrale du réflecteur associé.
    11. Source selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'émission et la réception sont en bande Ka.
    12. Source selon la revendication 11, caractérisée en ce que la fréquence d'émission est de l'ordre de 20 GHz et la fréquence de réception de l'ordre de 30 GHz.
    13. Source selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en que la distance séparant les axes de deux ouvertures rayonnantes voisines est de l'ordre d'une longueur d'onde du rayonnement d'émission.
    14. Système de télécommunications dans lequel les communications sont relayées par l'intermédiaire d'antennes à bord d'un satellite, notamment géostationnaire, comprenant une antenne à sources rayonnantes dont chacune est selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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