EP1170823B1

EP1170823B1 - Antenne de télécommunication destinée à couvrir une large zone terrestre

Info

Publication number: EP1170823B1
Application number: EP01401597A
Authority: EP
Inventors: Gérard Caille; Yann Cailloce
Original assignee: Alcatel CIT SA; Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 2000-07-06
Filing date: 2001-06-18
Publication date: 2006-09-06
Anticipated expiration: 2021-06-18
Also published as: FR2811480A1; DE60122832T2; US6650281B2; ATE339023T1; CA2351119A1; US20020005800A1; FR2811480B1; EP1170823A1; JP5007005B2; JP2002111361A; DE60122832D1

Description

L'invention est relative à une antenne de télécommunication installée dans un satellite géostationnaire et destinée à relayer des communications sur un territoire étendu.
Pour assurer des communications sur un territoire étendu, par exemple de la dimension de l'Amérique du Nord, on fait appel un satellite géostationnaire comprenant une antenne d'émission et une antenne de réception dont chacune présente un réflecteur associé à une multiplicité d'éléments rayonnants ou sources. Afin de pouvoir réutiliser des ressources en communication, notamment des sous-bandes de fréquences, le territoire à couvrir est divisé en zones et ces ressources sont affectées aux diverses zones de façon telle que lorsqu'à une zone est affectée une ressource, aux zones adjacentes on affecte des ressources différentes.
Chaque zone, par exemple, d'un diamètre de l'ordre de plusieurs centaines de kilomètres, est d'une étendue telle qu'elle doit être couverte par plusieurs éléments rayonnants afin d'assurer un gain élevé et une homogénéité suffisante du rayonnement de l'antenne dans la zone.
Ainsi sur la figure 1, on a représenté un territoire 10 couvert par une antenne à bord d'un satellite géostationnaire et n zones 12₁, 12₂, ..., 12_n. Dans cet exemple, on utilise 4 sous-bandes de fréquences f1, f2, f3, f4.
La zone 12_i est divisée en plusieurs sous-zones 14₁, 14₂, etc. dont chacune correspond à un élément rayonnant de l'antenne. La figure 1 montre qu'à certains éléments rayonnants, par exemple celui de référence 14₃ au centre de la zone 12_i, ne correspond qu'une seule sous-bande de fréquences f4, alors que d'autres, tels que ceux se trouvant à la périphérie de la zone 12_i sont associés à plusieurs sous-bandes, celles qui sont affectées aux zones adjacentes.
La figure 2 représente une antenne de réception d'un type connu pour un tel système de télécommunication.
Cette antenne comporte un réflecteur 20 et une pluralité d'éléments rayonnants 22₁, ..., 22_N se trouvant à proximité du plan focal du réflecteur. Le signal reçu par chaque élément rayonnant, par exemple celui de l'élément 22_N, traverse d'abord un filtre 24_N destiné notamment à éliminer la fréquence d'émission (puissante) puis un amplificateur à faible bruit 26_N. A la sortie de l'amplificateur à faible bruit 26_N, le signal est, grâce à un diviseur 30_N, divisé en plusieurs parties, éventuellement avec des coefficients qui peuvent différer d'une partie à une autre ; le but de cette division est de permettre qu'un élément rayonnant puisse participer à la formation de plusieurs faisceaux. On voit ainsi qu'une sortie 32₁ du diviseur 30_N est affectée à une zone 34_p, alors qu'une autre sortie 32i du diviseur 30_N est affectée à une autre zone 34_q.
Les diviseurs 30₁, ..., 30_N ainsi que les sommateurs 34_p, ..., 34_q destinés à reconstituer les zones font partie d'un dispositif 40 appelé réseau formateur de faisceaux ou pinceaux.
Dans le réseau formateur de faisceaux 40 représenté sur la figure 2, on prévoit pour chaque sortie de chaque diviseur 30_i, un ensemble comportant un déphaseur 42 et un atténuateur 44. Les déphaseurs 42 et atténuateurs 44 permettent de modifier le diagramme de rayonnement soit pour le corriger, si le satellite a subi un déplacement indésiré, soit pour conférer une répartition différente aux zones terrestres.
Par ailleurs, à chaque amplificateur à faible bruit 26_N est associé un autre amplificateur à faible bruit 26'_N, qui lui est identique et dont le but est de remplacer l'amplificateur 26_N en cas de panne de ce dernier. A cet effet, on prévoit deux commutateurs 46_N et 48_N permettant le remplacement. Il est donc nécessaire de prévoir des moyens de télémesure (non montrés) pour détecter la panne et des moyens de télécommande (également non représentés) pour assurer le remplacement.
On constate que dans un système d'antenne du type de celui représenté sur la figure 2, le nombre d'amplificateurs à faible bruit et le nombre de déphaseurs et d'atténuateurs sont importants. Un nombre élevé de composants dans un satellite est un inconvénient gênant en raison de la masse. En outre le nombre élevé de déphaseurs 42 et d'atténuateurs 44 n'est pas favorable à la fiabilité.
L'invention permet de réduire dans une proportion importante le nombre d'amplificateurs à faible bruit et le nombre de déphaseurs et d'atténuateurs.
L'antenne du document FR-A-2,750,258 est relative à un système conformateur de faisceau destiné à générer un seul faisceau reconfigurable servant à l'optimisation d'un seul faisceau.
Le document US-A-4,901,085 décrit une antenne de réception multi-faisceaux. Cependant, l'état de la technique ne permet pas de resoudre le problème de la reconfiguration généralisée et flexible des faisceaux, avec une correction de pointage et un déplacement des zones au sol d'une plus grande simplicité.
Une antenne de réception selon l'invention est définie par la revendication indépendante 1.
Dans une matrice de type Butler, qui est formée de coupleurs 3dB, le signal sur chaque sortie est une combinaison des signaux sur toutes les entrées, mais les signaux provenant des diverses entrées ont une phase déterminée, distincte d'une entrée à une autre, ce qui permet, après passage dans la matrice de type Butler inverse, de reconstituer intégralement les signaux d'entrées, après amplification et déphasage, et atténuation le cas échéant.
Le nombre de sorties de la première matrice de Butler est de préférence égal à son nombre d'entrées. Dans ces conditions, le nombre d'amplificateurs à faible bruit est égal au nombre d'éléments rayonnants alors que dans la réalisation antérieure, telle que celle représentée sur la figure 2, le nombre d'amplificateurs à faible bruit est le double du nombre d'éléments rayonnants. En outre, le nombre de déphaseurs est aussi égal au nombre d'éléments rayonnants alors qu'avec la technique antérieure ce nombre de déphaseurs et d'atténuateurs est sensiblement supérieur puisque le signal de sortie d'un élément rayonnant est divisé et que le déphasage et l'atténuation 42, 44 sont affectés à chaque voie du réseau formateur de faisceau.
Pour corriger ou modifier les faisceaux dans une antenne de réception selon l'invention, la commande à appliquer aux déphaseurs en série avec les amplificateurs à faible bruit est particulièrement simple.
Grâce à l'utilisation de matrices de type Butler, lorsqu'un amplificateur à faible bruit tombe en panne, le signal est réduit uniformément sur toutes les sorties.
Pour diminuer l'effet de la panne d'un amplificateur sur les signaux de sortie, dans un mode de réalisation l'amplificateur à faible bruit qui est associé à chaque sortie de la première matrice de type Butler, comprend une pluralité, par exemple une paire, d'amplificateurs en parallèle grâce, par exemple, à des coupleurs. Dans ces conditions, l'effet de la panne d'un seul des deux amplificateurs d'une paire entraîne une dégradation au moins deux fois moins importante qu'avec un seul amplificateur associé à chaque sortie.
On peut montrer que si l'on utilise des matrices de Butler d'ordre 8 et une paire d'amplificateurs en parallèle associée à chaque sortie, la dégradation est de -0,56 dB, et avec des matrices de Butler d'ordre 16 - également avec une paire d'amplificateurs associée à chaque sortie de la première matrice de type Butler - la dégradation est de -0,28 dB.
Dans un mode de réalisation, on fait appel à une pluralité de matrices bidimensionnelles associées, par exemple dans des plans différents, de façon que chaque signal reçu par un élément rayonnant soit réparti sur nxn amplificateurs à faible bruit, n étant l'ordre de chaque matrice bidimensionnelle. Dans un exemple, n=8 et, dans ces conditions, chaque signal reçu par un élément rayonnant est réparti sur 64 amplificateurs à faible bruit. Dans cet exemple, une panne d'un amplificateur n'entraîne qu'une perte de -0,14 dB si un seul amplificateur est associé à chaque sortie.
L'invention s'applique également à une antenne d'émission avec une structure analogue. Cette antenne d'émission selon l'invention est définie par la revendication indépendante 14. Dans ce cas, les entrées de la première matrice de type Butler reçoivent les signaux à émettre, tandis que ce sont les sorties de la seconde matrice de type Butler qui sont connectées aux éléments rayonnants. Bien entendu, à la place d'amplificateurs à faible bruit, on prévoit, pour de telles antennes d'émission, des amplificateurs de puissance.
Dans un mode de réalisation qui s'applique tant à l'émission qu'à la réception, l'une des matrices de Butler et le réseau formateur de faisceaux constituent un dispositif unique.
Il est vrai qu'il est déjà connu d'utiliser une structure à deux matrices de Butler pour des antennes d'émission afin de répartir la puissance d'émission sur l'ensemble des amplificateurs de puissance, mais, dans ces antennes connues,la correction ou la reconfiguration des faisceaux était obtenue comme décrit en relation avec la figure 2 pour les antennes de réception. Ainsi, pour les antennes d'émission, l'invention permet de réduire le nombre de déphaseurs, et d'atténuateurs éventuellement, et simplifie aussi la commande de ces derniers. Par ailleurs, pour les antennes de réception, l'invention, comme indiqué ci-dessus, réduit (par rapport aux antennes de réception connues) le nombre d'amplificateurs à faible bruit.
Chaque couple de matrices de Butler correspond, de préférence, à plusieurs zones. Il est même possible de prévoir une seule matrice de Butler pour l'ensemble des zones. Cependant, pour des raisons de simplicité de réalisation, il est préférable de prévoir plusieurs matrices de Butler. Dans ce cas, certains des éléments rayonnants peuvent être affectés à deux matrices de Butler différentes. Dans cette hypothèse, une panne d'un amplificateur associé à une matrice de Butler d'une paire de telles matrices conduit à une dégradation des signaux pour l'ensemble des faisceaux associés à la matrice de Butler correspondante. Par contre s'il ne se produit pas de panne d'amplificateur pour la matrice de Butler de la même paire, il se produira alors une atténuation pour les sous-zones correspondant à la première matrice de la paire alors qu'il n'y aura pas d'atténuation pour les sous-zones de la seconde matrice de la paire.
Pour remédier à cet inconvénient, l'invention prévoit, dans un mode de réalisation, de commander les atténuateurs associés à une matrice de Butler adjacente à une matrice pour laquelle au moins un amplificateur est tombé en panne de façon à homogénéiser les puissances d'émission ou de réception.
Ainsi, l'invention concerne une antenne de réception (ou d'émission) pour satellite géostationnaire d'un système de télécommunication destiné à couvrir un territoire divisé en zones, selon les revendications indépendantes 1 et 14.
De préférence, un atténuateur est en série avec chaque amplificateur et chaque déphaseur de façon à permettre d'égaliser les gains des amplificateurs.
Dans une réalisation, l'antenne comprend au moins deux matrices de type Butler à entrées (ou sorties) connectées aux éléments rayonnants, au moins l'un des éléments rayonnants étant connecté à la fois à une entrée de la première matrice et à une entrée de la seconde matrice de type Butler.
Dans ce cas, il est préférable que l'élément rayonnant associé à deux matrices de type Butler soit connecté aux entrées (ou sorties) de ces deux matrices par l'intermédiaire d'un coupleur 3dB et qu'un coupleur analogue soit prévu aux sorties (ou aux entrées) correspondantes des matrices de type Butler inverses.
On peut aussi disposer en série avec chaque amplificateur et déphaseur, un atténuateur qui, en cas de panne d'un amplificateur associé à une matrice, atténue les signaux de sorties de l'autre matrice de type Butler, afin d'homogénéiser les signaux de sorties de ces deux matrices.
Selon un mode de réalisation, entre chaque sortie (entrée) de la première matrice de type Butler et chaque entrée (sortie) correspondante de la matrice de type Butler inverse, on prévoit des amplificateurs en parallèle, par exemple associés par des coupleurs 90°.
Pour corriger une déviation angulaire et repointer simultanément tous les faisceaux, de préférence les déphaseurs sont commandés pour modifier la pente du front de phase des signaux de sortie de la première matrice de type Butler.
La matrice de type Butler inverse et le réseau formateur de faisceaux forment avantageusement un ensemble unique.
Lorsqu'on prévoit un atténuateur en série avec chaque amplificateur, celui-ci présente de préférence une dynamique inférieure à 3dB.
Les matrices de Butler sont, par exemple, d'ordre huit ou seize.
Dans une réalisation, l'antenne comporte une première série de premières matrices de Butler disposées dans des plans parallèles et une seconde série de premières matrices de Butler disposée également dans des plans parallèles à une direction différente de celle de la première série, par exemple orthogonale, de façon à permettre le déplacement des zones, ou des corrections de défaut de pointage dans deux directions différentes et, ainsi, dans toutes les directions de la zone couverte par l'antenne.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisations, celle-ci étant effectuée en ce référant aux dessins ci-annexés sur lesquels :

la figure 1, déjà décrite, montre un territoire divisé en zones qui est couvert par une antenne à bord d'un satellite géostationnaire,
la figure 2, également déjà décrite, représente une antenne de réception de l'état antérieur de la technique,
les figures 3 et 4 sont des schémas montrant des parties d'antennes de réception conformes à l'invention,
la figure 5 est un schéma d'une variante d'une partie d'antenne selon l'invention,
la figure 6 représente une matrice de Butler d'ordre 64,
la figure 7 est un schéma d'une matrice de Butler d'ordre 4,
la figure 8 est un schéma d'une matrice de Butler d'ordre 16,et
la figure 9 est un schéma d'une antenne de réception montrant d'autres dispositions de l'invention.

L'antenne de réception représentée sur la figure 3 comporte, comme l'antenne montrée sur la figure 2, un réflecteur (non montré sur la figure 3) et une pluralité d'éléments rayonnants 22₁, .., 22_N disposés au voisinage de la zone focale du récepteur.
Dans l'exemple de la figure 3, l'antenne de réception comporte plusieurs matrices de Butler 50₁, ..., 50_j, ..., 50_p. Ces matrices sont toutes identiques, avec un nombre d'entrées égal au nombre de sorties.
Chaque entrée reçoit le signal d'un élément rayonnant. Ainsi la matrice de Butler 50_j comporte huit entrées 52₁ à 52₈ et l'entrée 52₁ reçoit le signal de l'élément rayonnant 22_k+1 tandis que l'entrée 52₈ reçoit le signal de l'élément rayonnant 22_k+8. Les éléments rayonnants 22_k+1 à 22_k+8 sont, dans une réalisation, tous affectés à une même zone, c'est-à-dire à un même faisceau. Cependant, comme indiqué plus haut, certains de ces éléments rayonnants contribuent aussi à la formation d'autres faisceaux pour des zones adjacentes.
Chaque sortie de la matrice de Butler 50_j est reliée à une entrée correspondante d'une matrice de Butler inverse 54_i par l'intermédiaire d'un filtre et d'un amplificateur à faible bruit. Sur la figure 3, on a représenté seulement les amplificateurs à faible bruit et les filtres qui correspondent, d'une part, à la première sortie 56_k+1 de la matrice 50_j et, d'autre part, à la dernière sortie 56_k+8 de cette matrice 50_j. Ainsi la sortie 56_k+1 de la matrice 50_j est reliée à l'entrée 58_k+1 de la matrice 54_j par l'intermédiaire d'un filtre 60_k+1 et d'un amplificateur à faible bruit 62_k+1 disposés en série. Le filtre 60_k+1 a pour but d'éliminer les signaux d'émission. Ce filtre peut faire partie de la matrice 50_j, notamment si celle-ci est réalisée en technologie guide d'ondes.
La matrice de Butler 54_j a une fonction de transfert inverse de celle de la matrice 50_j. Elle présente un nombre d'entrées égal au nombre de sorties de la matrice 50_j et un nombre de sorties égal au nombre d'entrées de la matrice 50_j.
Les sorties des diverses matrices de Butler inverses 54_j sont reliées aux sorties de faisceaux 64₁, ..., 64_S par l'intermédiaire d'un réseau 66 formateur de faisceaux.
On sait qu'une matrice de Butler, qui est, comme on le verra plus loin, formée à partir de coupleurs 3dB, est telle qu'un signal appliqué sur une entrée est réparti sur toutes les sorties avec des phases décalées d'une sortie à une autre de 2π/M, M étant le nombre de sorties. La matrice 54_j ayant une fonction inverse de la matrice 50_j, un signal d'une entrée déterminée de la matrice 50_j se retrouve, à un filtrage et une amplification près, sur la sortie correspondante de la matrice 54_j.
Chaque sortie 56 de la matrice 50_j délivre un signal représentant l'ensemble des signaux d'entrées de cette même matrice. Dans ces conditions, une panne d'un ou plusieurs des amplificateurs à faible bruit 62 n'entraînera pas un défaut d'homogénéité du faisceau reconstitué pour la zone correspondante, mais une diminution homogène de la puissance sur l'ensemble de la zone ou des zones correspondant aux éléments rayonnants 22_k+1 à 22_k+8.
On peut montrer qu'en cas de panne d'un amplificateur, le signal sur toutes les sorties de la matrice 54_j est réduit d'un facteur 20log(1-1/M) en dB, M étant l'ordre de la matrice de Butler concernée, c'est-à-dire huit dans l'exemple. Toutefois la dégradation du paramètre G/T de l'antenne a une valeur moitié, c'est-à-dire 10log(1-1/M), car la perte dans les charges de la matrice 54_j est négligeable. En effet, le bruit prépondérant est celui recueilli en sortie des amplificateurs à faible bruit et comme un amplificateur en panne ne contribue plus au bruit, la puissance de bruit totale est réduite d'un facteur 1-1/M.
Dans ces conditions, pour des matrices d'ordre huit, la panne d'un amplificateur à faible bruit entraîne une dégradation de G/T égale à -0,56 dB et si M = 16 la dégradation est de -0,28 dB. Ces chiffres correspondent à l'hypothèse où chaque amplificateur est constitué par une paire d'amplificateurs, comme décrit plus loin avec la figure 5 et où par « panne d'un amplificateur » on entend la panne d'un seul amplificateur d'une paire.
La panne d'un amplificateur à faible bruit entraîne aussi une dégradation de l'isolation entre les signaux de sorties. Ainsi, si avant la panne les signaux d'entrées sont parfaitement isolés, et donc les signaux de sorties aussi parfaitement isolés, après la panne d'un amplificateur l'isolation entre deux sorties est 20log(M-1) soit 17 dB si G=8 et 23,5 dB si G = 16.
Les valeurs indiquées ci-dessus sont des valeurs théoriques issues de calculs classiques. Cependant, si on fait appel à des technologies appropriées, par exemple la technique des répartiteurs compacts en guides d'ondes, les pertes et les erreurs sont faibles et les résultats correspondent pratiquement à ceux indiqués par les calculs.
Dans un mode de réalisation, les matrices inverses 54_j et le réseau 66 formateur de faisceaux constituent un seul circuit multicouche. Cette réalisation est rendue possible, car les matrices inverses et le réseau 66 sont, de préférence, constitués à l'aide de circuits multicouches planaires utilisant la même technologie et peuvent être ainsi disposés dans un même boîtier. Les pertes entraînées par les circuits se trouvant à l'aval des amplificateurs à faible bruit étant moins critiques qu'en amont, on peut utiliser des circuits du type microbande ou triplaque plutôt que des circuits à guide d'ondes car ces circuits microbandes ou triplaques sont plus compacts, mais entraînent des pertes légèrement supérieures aux circuits à guide d'ondes, ce qui est peu gênant, comme indiqué ci-dessus.
La figure 4 représente un mode de réalisation préféré de l'invention dans lequel on met à profit l'utilisation de matrices de Butler pour simplifier la commande de la correction ou la modification des faisceaux. Sur cette figure, on a représenté en traits mixtes la direction correcte du rayonnement 70 par rapport à l'antenne, et, en traits interrompus 72, la direction du rayonnement qui est vu de façon incorrecte par l'antenne, par exemple en raison d'une instabilité du satellite.
L'énergie du rayonnement 70 correspond au diagramme 74 représenté en traits pleins, et l'énergie du rayonnement 72 correspond au diagramme 76 représenté en traits interrompus. On voit donc qu'une orientation incorrecte de l'antenne correspond à un décalage du rayonnement dans le plan focal, et l'élément rayonnant destiné à capter le plus d'énergie provenant d'un direction donnée ne reçoit cette dernière qu'avec une forte atténuation. Ainsi, le décalage entraîne une perte importante de gain et une altération de l'isolation.
Pour repointer l'antenne, c'est-à-dire corriger son orientation, comme décrit ci-dessus en relation avec la figure 2, la solution antérieure consiste à affecter à chaque élément rayonnant, un déphaseur 42 et un atténuateur 44, et à commander les déphaseurs 42 de façon individuelle. En outre, les atténuateurs ont une forte dynamique car ils doivent pouvoir « éteindre » ou « allumer » certaines sources. Cette contrainte entraîne la nécessité que les amplificateurs à faible bruit aient un grand gain. En outre, il est nécessaire que le nombre d'éléments rayonnants, ou sources, affectés à une zone soit plus important que le nombre de sous-zones. Par exemple, si sept éléments rayonnants fournissent le diagramme nominal, pour permettre un repointage il faut au moins une couronne autour du septet formé par ces éléments rayonnants. Il faudra donc alors prévoir 19 sources (au lieu de 7) pour chaque accès à une zone. Dans le cas où les zones forment une maille carrée et si l'on prévoit quatre sources actives par zone, le nombre d'accès pour une zone sera de 16.
L'invention permet une correction de pointage ou un déplacement des zones au sol d'une plus grande simplicité que la solution représentée sur la figure 2. Elle tire avantage de la présence des matrices de Butler 50_j. On part de la constatation qu'à la sortie de la matrice 50_j, le front de phase 80_k+1 est simplement incliné par rapport au front de phase 82_k+1 désiré. En effet, le signal de chaque faisceau est réparti sur toutes les sorties de la matrice correspondante 50_j avec une pente de phase donnée ; les pentes correspondant à chaque entrée sont séparées par une valeur fixée, constante pour une matrice d'ordre donné. Dans ces conditions, pour effectuer le repointage, c'est-à-dire la correction désirée, il suffit de rectifier la pente en prévoyant un déphaseur associé à chaque sortie de la matrice 50j.
Sur la figure 4, on a représenté par les droites 80_k+1 et 82_k+1 la répartition des phases sur les sorties 56_k+1 à 56_k+8 pour les signaux provenant de l'élément rayonnant 22_k+1. Les droites 80_k+3 et 82_k+3 correspondent aux répartitions des phases sur les sorties pour le signal provenant de l'élément rayonnant 22_k+3 tandis que les droites 80_k+7 et 82_k+7 correspondent aux phases sur toutes les sorties pour les signaux fournis par l'élément rayonnant 22_k+7. Sur ces diagrammes, la distance entre la sortie 56_k+1 et l'intersection P_k+1 de la droite 82_k+1 avec la droite D_k+1 liée à la sortie 56_k+1 représente, par convention, la phase pour cette sortie du signal provenant de l'élément rayonnant 22_k+1. De même, les intersections de cette droite 82_k+1 avec les droites D_k+2, etc., correspondantes fourniront les phases des signaux sur les autres sorties toujours pour le signal correspondant à l'élément rayonnant 22_k+1.
Ainsi, par exemple pour la sortie 56_k+1, pour corriger le front de phase de 80 en 82, du signal provenant d'un élément rayonnant 22_i, il faudra appliquer une correction de phase δ _k+1, δ_k+2..., δ_k+8. Mais on constate que les valeurs de δ _k+1, δ _k+2, δ_k+3, etc., sont les mêmes. Il suffit donc d'un simple déphaseur 84_k+1, etc., pour corriger cette valeur commune δ _k+1, δ_k+2, etc.
Il est à noter que la correction qui est effectuée par la matrice de Butler 50_j ne s'effectue que dans un seul plan, celui de la figure. Pour effectuer une correction réelle, il faut prévoir des matrices de Butler dans un autre plan, par exemple perpendiculaire, comme représenté sur la figure 6 qui sera décrite plus loin.
Dans l'exemple, on prévoit un tel déphaseur 84 à l'aval de l'amplificateur à faible bruit 52. Ainsi, le déphaseur 84_k+1 sur la figure 4 est relié à la sortie de l'amplificateur 62_k+1 par l'intermédiaire d'un atténuateur 86_k+1 et la sortie du déphaseur 84_k+1 est reliée à l'entrée correspondante de la matrice inverse 54_j.
Dans ce mode de réalisation, les atténuateurs commandables 86 permettent une égalisation du gain des amplificateurs 62. Ils permettent également une compensation en cas de défaillance d'un (ou plusieurs) amplificateur(s) à faible bruit raccordé(s) à une matrice couplée à la matrice 50j, comme on le verra plus loin.
Dans cet exemple on prévoit, dans les matrices de Butler 50_j, des filtres passe-haut pour empêcher que les fréquences d'émission ne viennent perturber les fréquences de réception. Il s'agit, par exemple, de guides d'ondes dont la fréquence de coupure est comprise entre la bande de réception et la bande d'émission.
Dans cet exemple, on peut aussi, comme décrit en relation avec la figure 3, prévoir que les matrices de Butler inverses 54_j soient intégrées dans le réseau formateur de faisceaux 66.
Dans la variante représentée sur la figure 5, les amplificateurs à faible bruit 62 sont associés par paires grâce à des coupleurs 90°. De façon plus précise, l'amplificateur 62_k+1 est associé à l'amplificateur 62_k+2, de manière telle qu'un coupleur 90°, 88, relie les entrées des amplificateurs et un coupleur 90° relie entre elles les sorties de ces amplificateurs. De cette manière en cas de panne d'un amplificateur, on obtient, avec une matrice de Butler d'ordre 8 une perte de 0,28 dB, ce qui correspond, en l'absence de la disposition représentée sur la figure 5, à la perte quand les matrices de Butler sont d'ordre 16. En effet, la disposition, qui consiste à réaliser chaque amplificateur associé à une sortie d'une matrice de Butler, à l'aide d'une paire d'amplificateurs, réduit de moitié la perte de puissance en cas de panne d'un seul amplificateur de la paire puisque l'autre amplificateur de cette paire est encore en fonctionnement. Autrement dit, cette disposition a le même effet que de multiplier par deux l'ordre des matrices de Butler
De façon plus générale, également dans le but de réduire l'effet d'une panne d'un amplificateur, on peut associer à chaque sortie une pluralité d'amplificateurs en parallèle. Dans ce cas, le nombre d'amplificateurs associés à chaque sortie est une puissance de 2 afin de faciliter la division puis la recombinaison.
Bien que dans les exemples décrits jusqu'à présent on ait prévu plusieurs matrices 50_j, il est possible de prévoir une seule matrice de Butler d'ordre M, M étant le nombre d'éléments rayonnants. Cependant les contraintes d'encombrement à bord d'un satellite empêchent de réaliser une telle matrice de Butler dans un seul plan dès que le nombre d'éléments rayonnants devient important. Dans ce cas, il est nécessaire de faire appel à une matrice de Butler de type bidimensionnel comme représenté sur la figure 6. Cette dernière montre une matrice d'ordre 64 réalisée avec une première couche de 8 matrices de Butler 90₁ à 90₈ et une seconde couche de matrices de Butler 92₁ à 92₈ disposées perpendiculairement aux matrices 90.
Une telle matrice bidimensionnelle est de réalisation complexe ; elle peut aussi présenter des pertes préjudiciables à la température de bruit de l'antenne. Mais, elle permet un repointage simultané dans deux plans orthogonaux et elle réduit l'impact d'une panne en couplant entre eux un nombre plus élevé d'amplificateurs à faible bruit.
De façon générale, il n'est pas indispensable pour pouvoir effectuer une correction dans deux plans différents que les matrices 90 et 92 soient selon deux plans perpendiculaires. Il suffit qu'elles soient selon deux plans de directions différentes, suffisamment écartées. Dans un exemple, les directions sont écartées de 60° pour faciliter la connexion à un réseau dont les centres des sources adjacentes forment des triangles équilatéraux.
Les matrices de Butler d'ordre 8 et d'ordre 16 sont réalisées à partir de matrices de Butler d'ordre 4.
Une matrice de Butler d'ordre 4 est représentée sur la figure 7. Elle comporte six coupleurs 3dB avec deux coupleurs d'entrée 94, 96, deux coupleurs de sorties 100, 104 et deux coupleurs intermédiaires 98 et 100. Dans une variante (non montrée), au lieu de coupleurs intermédiaires 98 et 100, on prévoit des croisements ; toutefois ces croisements sont difficiles à réaliser en technologie guide d'ondes.
On rappelle qu'un coupleur 3dB, par exemple le coupleur 104 d'entrée, comporte deux entrées 104₁ et 104₂ et deux sorties 104₃ et 104₄ et est tel qu'un signal appliqué sur une sortie, par exemple celle de référence 104₁, voit sa puissance répartie sur les deux sorties 104₃, 104₄ avec un déphasage de π/2 entre les deux signaux de sorties. Ainsi, comme indiqué sur la figure 7, le signal S à l'entrée 104₁ devient le signal $\overline{\sqrt{2}}$
à la sortie 104₃ et le signal $- j \frac{}{\sqrt{2}}$
sur la sortie 104₄. A un signal S' appliqué sur l'entrée 104₂ correspond un signal $\overline{\sqrt{2}}$
sur la sortie 104₄ et $- j \frac{}{\sqrt{2}}$
sur la sortie 104₃.
Le signal sur l'entrée 104₁ se retrouve sur les quatre sorties de la matrice de Butler d'ordre 4, à savoir les sorties 94₃, 94₄ et 96₃, 96₄ des coupleurs respectivement 94 et 96. Sur la sortie 94₃ on obtient le signal $j \frac{S}{2},$
sur la sortie 94₄, le signal $- \frac{S}{2},$
sur la sortie 96₃ le signal $- j \frac{S}{2} e^{- j_{ψ}},$
et sur la sortie 96₄ le signal $\frac{S}{2} e^{- j_{ψ}} .$
La phase ϕ, constante, est introduite par un déphaseur 105 entre les coupleurs 98 et 100. Ce déphaseur est réglé pour compenser les différences entre longueurs de guide dans les voies centrales et les voies d'extrémités ; ainsi, la matrice fournit une pente régulière aux phases des signaux sur les sorties.
On constate qu'avec une matrice de Butler d'ordre 4, les phases des signaux de sorties varient par incrément de 90°. Avec une matrice de Butler d'ordre 8, l'incrément est de 45°.
Pour réaliser une telle matrice de Butler d'ordre huit, 120 ou 130 (figure 8), on fait appel à deux matrices d'ordre quatre, respectivement 122 et 124, et les sorties de ces deux matrices d'ordre quatre sont combinées grâce à quatre coupleurs 3dB : 126₁, 126₂, 126₃, 126₄.
Pour la réalisation d'une matrice de Butler d'ordre 16 (figure 8), on utilise deux matrices, 120 et 130, d'ordre 8, et les sorties des matrices 120 et 130 sont combinées grâce à huit coupleurs 3dB : 132₁ à 132₈.
Il est à noter que, de façon en soi connue, les croisements de lignes de la matrice d'ordre 16 qui sont représentés sur la figure 8, peuvent être remplacés par des coupleurs tête-bêches analogues aux coupleurs 98 et 100 de la matrice d'ordre 4 représentée sur la figure 7.
Les matrices de Butler 50 sont, dans l'exemple, réalisées en technologie « répartiteur compact en guide d'ondes ». Dans ce cas il est possible d'intégrer à ces matrices un filtrage évitant que les amplificateurs à faible bruit ne soient délinéarisés par des signaux parasites hors bande. Il s'agit en particulier du filtrage permettant de rejeter les fréquences d'émission qui, du fait de la très grande puissance d'émission, sont nécessairement réinjectées dans les antennes de réception disposées à proximité.
Il est préférable de réaliser chaque matrice de Butler 50j de façon telle qu'elle corresponde à une ou plusieurs zones et que les autres matrices n'interviennent pas pour la (ou les) zone(s) associée(s) à la matrice de Butler 50j. Mais il n'est pas toujours possible de satisfaire à cette condition car chaque source contribue en général à la formation de plusieurs zones adjacentes. Dans ces conditions, une source 22q (figure 9) qui doit être associée à deux matrices 50₁, 50₂ adjacentes est reliée aux entrées, respectivement 140₁ et 140₂, des matrices 50₁ et 50₂ par l'intermédiaire d'un coupleur 3 dB 142. Un coupleur identique 144 permet de recombiner les sorties correspondantes des matrices inverses 50'₁ et 50'₂.
Les coupleurs 142, 144 permettent, en outre, de limiter la dégradation du signal provenant d'une source partagée entre deux matrices, en cas de panne d'un amplificateur à faible bruit associé soit aux matrices 50₁, 50'₁ soit aux matrices 50₂, 50'₂. En effet, le signal capté par une telle source est réparti en parts égales sur deux matrices. Ainsi, seule la partie affectée par une panne intervient.
Bien que ces coupleurs permettent de réduire (de moitié) le déséquilibre provoqué par une panne dans une matrice, le déséquilibre qui subsiste en cas de panne n'est en général pas acceptable. C'est pourquoi à la place des coupleurs 142, 144, ou en complément de ces derniers, en cas de panne d'un amplificateur à faible bruit associé à l'une des matrices, par exemple celle de référence 50₁, on atténue les signaux de sortie de l'autre matrice 50₂ d'une quantité permettant d'équilibrer les signaux des sorties des matrices 50₁ et 50₂. Cette commande d'atténuation est effectuée à l'aide des atténuateurs 86 représentés sur la figure 4. Cette atténuation doit être de 20log(1-1/M) pour les entrées ou sorties n'utilisant pas de coupleur 3dB et de 10log(1-1/M) pour les sorties reliées à des coupleurs 3dB 144.
L'atténuation est réalisée de façon automatique après détection d'une panne. La détection de panne sur chaque amplificateur à faible bruit est, par exemple, réalisée par contrôle de son courant d'alimentation ou à l'aide d'un détecteur à diode disposé en aval de chaque amplificateur à faible bruit.
Il est à noter que les atténuateurs 86 (figure 4) ont, dans l'exemple, une faible dynamique, inférieure à 3dB. En effet, leur dynamique est principalement déterminée par leur fonction d'égalisation des gains des divers amplificateurs à faible bruit à l'installation de l'antenne. Pour cette égalisation, la dynamique est au maximum de 2,5 dB. Par ailleurs, la compensation à apporter pour rééquilibrer les sorties d'une matrice quand la matrice adjacente comporte un amplificateur en panne, est de 0,28 dB.
Bien qu'on ait seulement décrit une antenne de réception, il va de soi que l'invention s'applique aussi à une antenne d'émission dont la structure est analogue mais en sens inverse, des amplificateurs de puissance étant utilisés à la place d'amplificateurs à faible bruit.

Claims

Antenne de réception multi-faisceaux pour satellite géostationnaire d'un système de télécommunication destiné à couvrir un territoire divisé en zones, les n faisceaux respectivement destinés à une zone étant définis à partir de plusieurs éléments rayonnants compris d'un ensemble de N éléments rayonnants (22₁, ..., 22_N), ou sources, disposés au voisinage du plan focal d'un réflecteur, l'antenne comprenant une pluralité de premières matrices (5dj) de type Butler dont respectivement chaque entrée est connectée à un élément rayonnant (22_k+1,..., 22_k+8) et dont chaque sortie (56_k+1,..., 56_k+8) est reliée à une entrée correspondante d'une matrice (54_i) de type Butler inverse par l'intermédiaire d'un amplificateur (62_k+1),, les sorties des matrices de type Butler inverse étant associées à un réseau formateur de faisceaux, chaque première matrice et chaque matrice de type Butler inverse correspondante permettant de répartir l'énergie reçue par chaque élément rayonnant sur l'ensemble des amplificateurs afin qu'une panne de l'un de ces derniers ait un effet uniformément réparti sur tous les signaux de sorties caractérisé en ce que l'antenne comporte des moyens (84, 84k+1, 84k+3) pour modifier les emplacements de zones afin de corriger un défaut de pointage de l'antenne, un déphaseur (84_k+1) étant relié respectivement avec chacun des amplificateurs (62_k+1), lesdites moyens pour modifier les emplacements de zones comprenant lesdits déphaseurs, et en ce que,pour corriger une déviation angulaire et repointer simultanément tous les faisceaux, les déphaseurs sont commandés pour modifier la pente du front de phase (80) des signaux de sortie de la première matrice de type Butler (50_j).
Antenne selon la revendication 1 caractérisée en ce que chaque matrice de type Butler présente un nombre d'entrées égal à son nombre de sorties.
Antenne selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'un atténuateur (86_{k + 1}) est en série avec chaque amplificateur et chaque déphaseur de façon à permettre d'égaliser les gains des amplificateurs.
Antenne selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux matrices de type Butler (M₁, M₂) à entrées connectées aux éléments rayonnants, au moins l'un (22_q) des éléments rayonnants étant connecté à la fois à une entrée de la première matrice (M₁) et à une entrée de la seconde matrice (M₂) de type Butler.
Antenne selon la revendication 4 caractérisée en ce que l'élément rayonnant associé à deux matrices de type Butler est connecté aux entrées de ces deux matrices par l'intermédiaire d'un coupleur 3dB (14₂) et en ce qu'un coupleur analogue (144) est prévu aux sorties correspondantes des matrices de type Butler inverses.
Antenne selon la revendication 4 ou 5 caractérisée en qu'elle comprend, en série avec chaque amplificateur et déphaseur, un atténuateur (86_k+1) qui, en cas de panne d'un amplificateur associé à une matrice, atténue les signaux de sorties de l'autre matrice de type Butler, afin d'homogénéiser les signaux de sorties de ces deux matrices.
Antenne selon selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'entre chaque sortie de la première matrice de type Butler et chaque entrée correspondante de la matrice de type Butler inverse, on prévoit des amplificateurs en parallèle (62_k+1, 62'_k+1), par exemple associés par des coupleurs 90° (88, 90).
Antenne selon selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'étant destinée à la réception, la première matrice de type Butler comporte des moyens de filtrage pour éliminer les bandes de fréquences d'émission.
Antenne selon selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la matrice de type Butler inverse et le réseau formateur de faisceaux forment un ensemble unique.
Antenne selon la revendication 3 ou 6, caractérisée en ce que l'atténuateur en série avec chaque amplificateur présente une dynamique inférieure à 3dB.
Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une première série de pluralité de premières matrices de Butler disposées dans des plans parallèles et une seconde série de pluralités de premières matrices de Butler disposée également dons des plans parallèles à une direction différente de celle de la première série, de façon à permettre le déplacement des zones, ou des corrections de défaut de pointage dans deux directions différentes et, ainsi, dans toutes les directions de la zone couverte par l'antenne.
Antenne selon la revendication 11, caractérisée en ce que les directions des deux séries de premières matrices de Butler sont orthogonales.
Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les matrices de Butler sont d'ordre huit ou seize.
Antenne d'émission multi-faisceaux pour satellite géostationnaire d'un système de télécommunication destiné à couvrir un territoire divisé en zones, les n faisceaux respectivement destinés une zone étant définis à partir de plusieurs éléments rayonnants compris d'un ensemble de N éléments rayonnants (22₁, ..., 22_N), ou sources, disposés ou voisinage du plan focal d'un réflecteur, l'antenne comprenant une pluralité de premières matrices (50_j) de type Butler dont respectivement chaque sortie est connectée à un élément rayonnant (22_k+1,..., 22_k+8) et dont chaque entrée (56_k+1,..., 56_k+8) est reliée à une entrée correspondante d'une matrice (54_j) de type Butler inverse par l'intermédiaire d'un amplificateur (62_k+1), les entrées des matrices de type Butler inverse étant associées à un réseau formateur de faisceaux, chaque première matrice et chaque matrice de type Butler inverse correspondante permettant de répartir l'énergie reçue par chaque élément rayonnant sur l'ensemble des amplificateurs afin qu'une panne de l'un de ces derniers ait un effet uniformément réparti sur tous les signaux de sorties, caractérisé en ce que l'antenne comporte des moyens (84, 84k+1, 84k+3) pour modifier les emplacements de zones afin de corriger un défaut de pointage de l'antenne, un déphaseur (84_k+1) étant relié respectivement avec chacun des amplificateurs (62_k+1), lesdits moyens pour modifier les emplacements de zones comprenant lesdits déphaseurs, et en ce que, pour corriger une déviation angulaire et repointer simultanément tous les faisceaux, les déphaseurs sont commandés pour modifier la pente du front de phase (80) des signaux d'entrée de la première matrice de type Butler (50j).
Antenne selon la revendication 14 caractérisée en ce que chaque matrice de type Butler présente un nombre d'entrées égal à son nombre de sorties.
Antenne selon la revendication 14 ou 15 caractérisée en ce qu'un atténuateur (86_k+1) est en série avec chaque amplificateur et chaque déphaseur de façon à permettre d'égaliser les gains des amplificateurs.
Antenne selon l'une des revendications 14 à 16 caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux matrices de type Butler (M₁, M₂) à entrées (ou sorties) connectées aux éléments rayonnants, au moins l'un (22q) des éléments rayonnants étant connecté à la fois à une entrée de la première matrice (M₁) et à une entrée de la seconde matrice (M₂) de type Butler.
Antenne selon la revendication 17 caractérisée en ce que l'élément rayonnant associé à deux matrices de type Butler est connecté aux sorties de ces deux matrices par l'intermédiaire d'un coupleur 3dB (14₂) et en ce qu'un coupleur analogue (144) est prévu aux entrées correspondantes des matrices de type Butler inverses.
Antenne selon la revendication 17 ou 18 caractérisée en qu'elle comprend, en série avec chaque amplificateur et déphaseur, un atténuateur (86_k+1) qui, en cas de panne d'un amplificateur associé à une matrice, atténue les signaux de sorties de l'autre matrice de type Butler, afin d'homogénéiser les signaux de sorties de ces deux matrices.
Antenne selon selon l'une quelconque des revendications 14 à 19 caractérisée en ce qu'entre chaque entrée de la première matrice de type Butler et chaque sortie correspondante de la matrice de type Butler inverse, on prévoit des amplificateurs en parallèle (62_k+1, 62'_k+1), par exemple associés par des coupleurs 90° (88, 90).
Antenne selon selon l'une quelconque des revendications 14 à 20 caractérisée en ce que la matrice de type Butler inverse et le réseau formateur de faisceaux forment un ensemble unique.
Antenne selon la revendication 16 ou 19 caractérisée en ce que l'atténuateur en série avec chaque amplificateur présente une dynamique inférieure à 3dB.
Antenne selon l'une quelconque des revendications 14 22 caractérisée en ce qu'elle comporte une première série de pluralité de premières matrices de Butler disposées dans des plans parallèles et une seconde série de pluralités de premières matrices de Butler disposée également dans des plans parallèles à une direction différente de celle de la première série, de façon à permettre le déplacement des zones, ou des corrections de défaut de pointage dans deux directions différentes et, ainsi, dans toutes les directions de la zone couverte par antenne.
Antenne selon la revendication 23 caractérisée en ce que les directions des deux séries de premières matrices de Butler sont orthogonales.
Antenne selon la revendication 14 caractérisée en ce que les matrices de Butler sont d'ordre huit ou seize.