EP2380235B1

EP2380235B1 - Système d'émission de faisceaux électromagnétiques à réseau d'antennes.

Info

Publication number: EP2380235B1
Application number: EP10701005A
Authority: EP
Inventors: Patrick Dumon; Philippe Garreau; Marc Le Goff; Luc Duchesne
Original assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES; Microwave Vision SAS
Current assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES; Microwave Vision SAS
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2010-01-19
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2030-01-19
Also published as: FR2941333B1; JP2012515674A; WO2010084116A1; FR2941333A1; JP5479493B2; ES2396021T3; US20110279320A1; US8681046B2; EP2380235A1

Description

L'invention concerne un système antennaire d'émission et/ou de réception de grande dimension comportant un réseau d'éléments rayonnants.
Le domaine d'application de l'invention est les antennes satellites, les antennes radars, les antennes d'aéronefs, de façon générale, les antennes sols ou embarquées intégrant des réseaux d'éléments rayonnants.
En émission, les éléments rayonnants de l'antenne réseau sont alimentés par des signaux électromagnétiques préalablement pondérés numériquement en phase et en amplitude par des coefficients d'excitations déterminés par des moyens de calcul. En réception, les signaux électromagnétiques reçus par les éléments de l'antenne réseau sont ensuite pondérés numériquement en phase et en amplitude par des coefficients d'excitations déterminés par ces mêmes moyens de calcul. Ces coefficients d'excitation servent en réception à transformer les signaux reçus par les éléments de l'antenne réseau et provenant d'une ou de plusieurs directions en un signal cohérent utile, et en émission à transformer un signal utile en différents signaux alimentant les éléments du réseau et constituant un ou plusieurs faisceaux d'illumination donnés, dans les deux cas pour respecter une certaine loi d'illumination voulue pour le réseau. L'homme de l'art reconnaîtra dans la génération numérique des coefficients d'excitation et la pondération numérique des signaux des éléments de l'antenne réseau un Réseau de Formation de Faisceaux Numérique (en anglais : Digital Beamforming Network ou DBFN)
L'un des problèmes des antennes réseau de grande dimension est le fait que la disposition et l'orientation des éléments du réseau peut varier au cours du temps.
Par exemple, un satellite en orbite peut être soumis à des variations brusques de température selon qu'il est éclairé ou non par le soleil.
Il s'ensuit des déformations de l'antenne dues à l'existence de gradients thermiques importants.
D'une manière générale, l'antenne peut être soumise à des contraintes thermiques et mécaniques importantes engendrant des déformations de cette dernière.
Ces déformations perturbent la loi d'illumination des éléments du réseau.
Actuellement, pour limiter ces déformations, on a recours à des structures mécaniques de support de l'antenne réseau dont la conception doit permettre le maintien de la rigidité, de la planéité et de la forme de l'antenne sous des contraintes thermiques et mécaniques très sévères. De ce fait, ces structures mécaniques de support possèdent en général une masse, un coût et un encombrement importants.
Actuellement, les fonctions d'étalonnage des éléments du réseau sont généralement assurées en utilisant des coupleurs insérés dans le circuit d'émission pour prélever une partie du signal envoyé aux éléments en émission.
Une autre solution d'étalonnage consiste à effectuer des mesures déportées. Par exemple, sur un satellite en orbite, les mesures sont effectuées depuis une station terrestre.
Ces moyens sont lourds et coûteux à mettre en oeuvre et les corrections ne peuvent pas toujours être effectuées en temps réel pour des questions de logistique et/ou de rentabilité. De plus, de nombreuses approximations sont faites lors de ces mesures (couplages mutuels entre éléments non pris en compte, comportement des éléments rayonnants non pris en compte, tests non exhaustifs, etc.). Ceci est préjudiciable à un fonctionnement optimum des antennes car les conditions environnementales dans lesquelles se trouvent celles-ci (gradients en températures élevés et rapides par exemple pour les antennes spatiales, vents pour les antennes radar sol, etc.) provoquent des variations de la forme du réseau, des performances des éléments rayonnants et du diagramme de rayonnement résultant de l'antenne. Des concepts d'antennes aux structures mécaniques complexes et souvent lourdes et encombrantes s'ensuivent.
Un objectif de l'invention est de pallier ces inconvénients en proposant un système d'antenne réseau permettant le plus possible de respecter une loi d'illumination et un diagramme de rayonnement souhaités.
Un autre objectif de l'invention est d'obtenir un système d'antenne réseau qui soit moins lourd à mettre en oeuvre.
Un autre objectif de l'invention est de permettre un contrôle en temps réel de chacun des éléments de l'antenne et du diagramme rayonné en champ lointain.
Un premier objet de l'invention est un système d'émission de faisceaux électromagnétiques, selon la revendication 1.
Grâce à l'invention, on contrôle en temps réel la loi d'illumination du réseau à partir de mesures locales du champ proche rayonné par celui-ci, permettant ainsi une reconfiguration rapide des faisceaux. Le système comporte ainsi des moyens de contrôle embarqués permettant de vérifier le diagramme de rayonnement de l'antenne réseau en temps réel. Ceci permet un ajustement et une compensation en temps réel du diagramme de rayonnement de l'antenne en cas de déformation du réseau ou bien de panne d'un ou plusieurs éléments du réseau. On corrige en temps réel les diagrammes de rayonnement d'émission ou de réception de l'antenne en jouant sur les valeurs des coefficients d'excitation de chacun des éléments du réseau. Le système permet de prendre en compte les déformations mécaniques et thermiques que pourrait subir l'antenne, et qui peuvent être non négligeables devant la longueur d'onde en bande Ku ou Ka pour un satellite en orbite par exemple.
Ceci permettra par la suite de relâcher certaines contraintes de fabrication des antennes réseau de grandes dimensions et de leurs moyens de support, notamment dans le milieu spatial, et de réduire la masse et les coûts des antennes et du système. Ainsi, on pourra accepter une certaine possibilité de déformation de l'antenne réseau et de ses moyens de support sous l'effet de conditions extérieures, sachant que le contrôle embarqué de la loi d'illumination de l'antenne et les calculs de correction des coefficients d'excitation permettront de compenser cette déformation en temps réel.
Ainsi, suivant ce mode de réalisation, les éléments rayonnants du réseau sont fixées à un premier support, le deuxième réseau de capteurs étant fixé à un deuxième support distinct du premier support, le premier support et le deuxième support étant fixés à une embase commune avec un espace entre le premier support et le deuxième support autorisant une déformation du premier support.
Suivant d'autres modes de réalisation de l'invention :

Le premier support comprend une plaque de support en commun des éléments rayonnants du réseau, et il est prévu un deuxième support pour chaque capteur, ce support pour chaque capteur comportant une tige de maintien dont une extrémité est fixée au capteur et dont l'autre extrémité est fixée à une embase, à laquelle le premier support est également fixé par l'intermédiaire d'entretoises, la plaque comportant des trous pour la traversée des tiges avec ledit espace présent entre le bord du trou et la tige.
Les capteurs sont positionnés dans l'espace libre et répartis au dessus du plan du réseau d'éléments rayonnants.
La hauteur entre les capteurs et les éléments rayonnants du réseau est supérieure à une fraction de la longueur d'onde de travail des éléments.
Les coefficients d'excitation comprennent un déphasage et une amplitude, le système comporte pour chaque élément du réseau une voie associée de réception et/ou une voie associée d'émission, les moyens de calcul étant prévus pour calculer les ajustement en déphasage des coefficients d'excitation et les ajustements en amplitude des coefficients d'excitation pour que le diagramme de rayonnement mesuré à partir des capteurs soit le plus proche possible d'un diagramme de rayonnement d'une consigne.
Le système comporte des moyens d'adressage des capteurs pour recueillir la mesure de champ proche localement à l'endroit de chaque capteur en utilisant la technique de diffusion modulée par exemple.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés, sur lesquels :

la figure 1 représente un synoptique modulaire d'un exemple de système antennaire d'émission et de réception suivant l'invention,
la figure 2 représente un synoptique modulaire d'une partie de régulation du système antennaire suivant la figure 1,
la figure 3 représente une vue de côté d'un exemple de partie du réseau d'éléments du système antennaire suivant la figure 1,
la figure 4 représente une vue de dessus d'un autre exemple de partie du réseau d'éléments du système antennaire suivant la figure 1.

L'invention est décrite ci-dessous dans l'exemple d'une antenne réseau de satellite, chargé de retransmettre vers la terre un signal reçu depuis une station de base terrestre.
Le système 1 d'émission et de réception comporte un réseau 2 d'une pluralité d'éléments rayonnants 2₁, 2₂, ..., 2_i, ... 2_N. Ce réseau 2 est par exemple disposé sur un plan. Chaque élément 2_i est par exemple en forme de cornet ou d'élément imprimé ayant une ouverture orientée vers une direction DIR commune à toutes les antennes 2_i.
Le réseau 2 d'antennes est relié à un calculateur 3 par l'intermédiaire d'une part d'un circuit 4 de réception et d'autre part par un circuit 5 d'émission. La séparation entre les voies de réception et d'émission est réalisée au moyen d'un ensemble 7 de diplexeurs en fréquence placés près des éléments rayonnants.
Le circuit 4 de réception comporte une voie 4i de réception pour traiter chaque signal s_i reçu sur chaque antenne 2_i et l'amener sur une entrée 6i du calculateur 3. Le traitement de chaque voie 4i de réception comprend, ainsi que cela est connu, un étage 7 de diplexage en fréquence, un étage 8 d'amplification à faible bruit, un étage 9 d'amplification à gain variable, un étage 10 de passage en bande de base et un étage 110 de conversion analogique/numérique.
Le circuit 5 d'émission comporte une voie 5i d'émission pour chaque élément 2_i du réseau 2 et permet d'acheminer un signal s'_i à émettre par les éléments 2_i du réseau 2. Le traitement de chaque voie 5i d'émission comprend, ainsi que cela est connu, un étage 12 de conversion numérique/analogique, un étage 13 de passage en fréquence porteuse, un étage 14 de distribution à travers des matrices de Buttler, un étage 15 d'amplification, un étage 16 de filtrage, un étage 17 de recombinaison à travers des matrices de Buttler et un étage 18 de diplexage en fréquence.
Le calculateur 3 comporte des moyens 30a de calcul des coefficients d'excitation complexes des antennes 2_i en réception et des moyens 30b de calcul des coefficients d'excitation complexes des antennes 2_i en émission.
Il y a donc un coefficient complexe Ki d'excitation pour chaque antenne 2_i en réception et un coefficient complexe Lk d'excitation pour chaque antenne 2_i en émission. Les coefficients Ki et Lk d'excitation permettent, respectivement, de reconstituer, à partir des signaux s_i reçus par les antennes 2_i, un signal cohérent utile S, et de réenvoyer ce signal utile S sous la forme du signal s'_k à chaque voie 5k d'émission en formant les faisceaux d'émission souhaités. Les coefficients Ki et Lk d'excitation apportent un gain et un déphasage, c'est-à-dire un facteur multiplicatif complexe ou une pondération complexe, respectivement à chaque voie 4i de réception par rapport aux autres voies 4i de réception, et à chaque voie 5k d'émission par rapport aux autres voies 5k d'émission. De manière connue de l'homme de l'art, les valeurs complexes des coefficients Ki en réception sont optimisées et calculées numériquement par les moyens 35 de calcul du calculateur 3 pour maximiser le signal cohérent issu de la somme pondérée par les coefficients Ki des signaux s_i reçus.
Les moyens 35 des moyens 30a de calcul produisent en fonction des signaux s_i de réception des antennes 2_i un signal S égal à la somme pondérée des signaux s_i par les coefficients Ki d'excitation selon l'équation : $S = \sum_{i = 1}^{N} Ki \cdot s_{i}$
Suivant l'invention, il est prévu à proximité du réseau 2 d'éléments rayonnants 2_i, des capteurs 10₁, 10₂, ..., 10_j, ...10_M mesurant le champ proche rayonné par les éléments 2_i, M pouvant être différent de N et étant en général supérieur au nombre N d'éléments 2_i.
Le réseau des capteurs 10 est relié par des moyens 11 d'adressage, de collecte et de réception aux moyens 30b de calcul du calculateur 3.
Les moyens 30b de calcul des coefficients complexes Lk d'excitation en émission sont représentés à la figure 2.
Le moyen 30b de calcul comporte un module 31 de détermination des coefficients Lk d'excitation à partir du champ proche Epj mesuré par les capteurs 10_j.
Chaque capteur 10_j sert à mesurer le champ proche Epj rayonné par le réseau 2 d'éléments rayonnants 2_i. Un moyen 11 d'adressage, de collecte et de réception entre chaque capteur 10_j et un module 32 de calcul de champ lointain est prévu. Le module 32 calcule le champ lointain existant El à partir du champ proche mesuré Epj par les capteurs 10_j. Le module 32 possède par exemple à cet effet des algorithmes de calcul avancés du champ lointain à partir de données en champs proche planaire, des tables de valeur préenregistrées du diagramme de rayonnement des capteurs 10_j et des éléments 2_i et/ou d'autres règles de correspondance préenregistrées, une mémoire étant prévue à cet effet.
Un comparateur 33 compare ce champ lointain existant calculé El à un champ lointain de consigne Elc prédéterminé et préenregistré, par exemple dans un module 34. Le comparateur 33 calcule ainsi un signal Err d'erreur en champ lointain en fonction de la différence entre le champ lointain existant calculé El et le champ lointain de consigne Elc. Le module 31 de calcul détermine au moyen d'algorithmes d'optimisation avancés les coefficients Lk d'excitation des éléments 2_i à partir de ce signal d'erreur Err en champ lointain. Le signal S est envoyé depuis le module 35 de la partie 30a lorsqu'elle est prévue ou depuis un générateur de signal S à émettre au module 31 de calcul. Les coefficients Lk d'excitation sont appliqués au signal S à émettre sur les différentes voies 5k d'émission par le module 31 pour former les signaux s'k. ${sʹ}_{k} = L_{k} . S$
Le module 31 modifie le champ rayonné en émission par les éléments 2_i, qui sera à nouveau mesuré par les capteurs 10. Ainsi, le champ lointain rayonné par les éléments 2_i est optimisé en jouant sur les coefficients Lk pour se rapprocher du champ idéal Elc ou être égal à celui-ci. Le champ lointain rayonné par les éléments 2_i est donc régulé pour se rapprocher ou être égal au champ lointain idéal Elc.
Bien entendu, il peut y avoir plus ou moins d'éléments rayonnants utilisés en émission par rapport à la réception, le nombre d'éléments émetteurs utilisés pouvant être différent du nombre d'éléments récepteurs utilisés. Bien entendu, le système pourrait fonctionner uniquement en émission. Dans ce qui précède, l'indice i se rapporte aux éléments utilisés en réception, inférieur ou égal au nombre N d'éléments du réseau 2, et k se rapporte aux éléments utilisés en émission, inférieur ou égal au nombre N d'éléments du réseau 2. Dans un satellite, le système fonctionne en réception et en émission, c'est-à-dire en transpondeur, où le signal reçu est réémis. Si le système ne fonctionne pas comme un transpondeur de satellite, mais principalement en émission, comme par exemple pour un radar, dans lequel on émet le signal, on reçoit un signal d'écho qui est traité à part, alors le signal S provient d'un générateur de signal et le bloc 30a devient une source de signal numérique S.
A la figure 3, la pluralité d'éléments rayonnants 2_i, symbolisée par deux traits à la figure 3, est fixée à un même premier support 20, tandis que la pluralité de capteurs 10_j est fixée à un autre deuxième support 100, différent du premier support 20. Le premier support 20 est par exemple formé par une même plaque plane. Il est par exemple prévu un deuxième support 100 pour chaque capteur 10. Ce support 100 est par exemple formé par une tige de maintien dont une extrémité est fixée au capteur 10_j et dont l'autre extrémité est fixée à une embase 40 stable et rigide pouvant être la plateforme du satellite, à laquelle le premier support 20 est également fixé par l'intermédiaire d'entretoises 21. Les capteurs 10_j sont positionnés dans l'espace libre devant le plan du réseau d'éléments rayonnants 2_i, par exemple en étant situés dans un même plan géométrique parallèle au plan dans lequel les éléments 2_i du réseau 2 sont disposés. La hauteur H entre les capteurs 10 et les éléments 2_i, par exemple perpendiculairement au plan sur lequel les éléments 2_i sont disposés, est par exemple supérieure à un cinquième de la longueur d'onde λ de travail des éléments 2_i.
La figure 3 montre que les capteurs 10_i sont prévus à côté et entre des éléments 2_i. Il existe un espace 22 entre le premier support 20 des éléments 2_i et chaque deuxième support 100 des capteurs 10_j. A la figure 3, la plaque formant le premier support 20 comporte des trous 23 pour le passage des deuxièmes supports 100 dedans. Par conséquent, chaque deuxième support 100 traverse un trou 23 de la plaque formant le premier support 20 avec l'espace 22 présent entre le bord du trou 23 et le support 100. L'espace 22 permet donc un jeu entre le support 20 et le support 100. Ce jeu permis par les espaces 22 autorise le premier support 20 à se déformer dans une certaine mesure du fait de contraintes thermiques ou mécaniques par exemple. La déformation du support 20 sera prise en compte par les capteurs 10_j du fait que ces capteurs 10_j mesureront le champ proche Epj rayonné par les éléments 2_i. Par conséquent, cette déformation pourra être corrigée en temps réel. Il sera donc possible d'imposer des exigences beaucoup moins fortes au premier support 20 et d'accepter dans une certaine mesure une déformation de celui-ci, ce qui permettra d'alléger ce support 20 et les moyens 21 de liaison à l'embase 40.
La figure 4 montre que plusieurs capteurs 10_j peuvent être prévus autour de et entre chaque élément rayonnant 2_i, tels que par exemple au nombre de 6 par éléments 2_i dans la configuration hexagonale représentée. En outre, un capteur 10_j peut être prévu au-dessus de chaque élément 2_i, ainsi que cela est également représenté à la figure 4. Dans ce cas, le support 100 du capteur 10 situé au-dessus de l'élément 2_i traverse aussi bien le premier support 20 que cet élément 2_i.
Les capteurs 10 sont très discrets de part leur petite taille et du fait qu'ils ne perturbent pas le champ rayonné par l'antenne réseau 2. Des techniques de diffusion modulée peuvent être appliquées aux capteurs 10 pour mesurer localement le champ proche rayonné par l'antenne réseau 2.
La figure 1 représente un mode de réalisation d'un système de capteurs 10 utilisant la technique de diffusion modulée pour réaliser les mesures du champ proche Epj localement à l'endroit des capteurs. A cet effet, le système comporte un bus 11j d'adressage des capteurs 10_j depuis le calculateur 3 et une autre voie 19 de collecte des mesures de champ proche Epj depuis les capteurs vers un module 36 de réception de mesure. Du fait que pour adresser l'un des capteurs 10_j, le signal d'adressage envoyé par le calculateur 3 sur le bus 11j est modulé pour ce capteur 11j, avec par exemple une modulation différente d'un capteur à l'autre pour identifier les réponses des capteurs à cette modulation sur la voie de collecte 19. Le signal de mesure Epj recueilli par le module 36 sur la voie de collecte 19 et ayant la modulation envoyée au capteur 11j sera celui fourni par ce capteur 11j. Après avoir été préalablement numérisées, le module 36 fournira les différentes mesures de champ proche Epj au moyen 30b.
Les capteurs 10 peuvent être étalonnés en recevant un signal d'étalonnage en champ lointain dans la direction DIR, par exemple depuis la terre pour un satellite. Cette calibration peut être périodique, par exemple une fois par mois ou par semaine ou autre. Dans le cas d'un satellite, une station de base terrestre éclaire le satellite en onde plane. Par ce moyen, on détermine les coefficients de correction complexes de chaque capteur 10 de façon à ce que les réponses en amplitude et en phase des capteurs soient uniformisées, et, de même, que les axes radio - électriques de chaque capteur soient orthogonaux par capteur et parallèles entre eux.

Claims

Système d'émission de faisceaux électromagnétiques, comportant un réseau (2) d'éléments d'émission de faisceaux électromagnétiques en champ lointain, les signaux provenant de et/ou arrivant vers chacun des éléments étant pondérés par des coefficients d'excitation déterminés numériquement par des moyens de calcul, comprenant
- un deuxième réseau distinct de capteurs (10) agencés à proximité du réseau (2) d'éléments rayonnants afin de mesurer le champ proche existant (Epj) rayonné par les éléments,

- des moyens (32) de calcul du champ lointain (El) rayonné par le réseau (2) à partir du champ proche (Epj) réellement mesuré par les capteurs (10),

- des moyens (31) de calcul de correction des coefficients d'excitation des éléments (2) à partir de la différence existante entre le champ lointain (El) calculé à partir de la mesure du champ proche (Epj) et un champ lointain (Elc) de consigne prédéterminé, caractérisé en ce que le système comporte :
les éléments rayonnants (2_i) du réseau (2) étant fixés à un premier support (20), chaque capteur (10) étant fixé à un deuxième support (100) distinct du premier support (20), le premier support (20) et les deuxièmes supports (100) étant fixés à une embase commune avec un espace (22) entre le premier support (20) et chaque deuxième support (100), le premier support (20) comprenant une plaque de support en commun des éléments rayonnants (2_i) du réseau (2), la plaque comportant des trous (23) pour la traversée des deuxièmes supports (100) avec ledit espace (22) présent entre le bord du trou (23) et le deuxième support (100), ledit espace (22) autorisant une déformation du premier support (20).
Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième support (100) pour chaque capteur (10) comporte une tige de maintien dont une extrémité est fixée au capteur (10) et dont l'autre extrémité est fixée à l'embase (40), à laquelle le premier support (20) est également fixé par l'intermédiaire d'entretoises (21), la plaque comportant des trous (23) pour la traversée des tiges avec ledit espace (22) présent entre le bord du trou (23) et la tige.
Système suivant l'une quelconque des revendications précédentes,, caractérisé en ce que les capteurs sont prévus à côté et entre des éléments (2_i).
Système suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que plusieurs capteurs sont prévus autour et entre chaque élément (2_i).
Système suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'un des capteurs est prévu au-dessus de chaque élément (2_i), le deuxième support (100) de ce capteur prévu au-dessus de chaque élément (2_i) traversant le premier support (20) et ledit élément (2_i).
Système suivant l'une quelconque des revendications précédentes,, caractérisé en ce que les capteurs (10) sont positionnés dans l'espace libre et répartis au-dessus du plan du réseau (2) d'éléments rayonnants (2_i).
Système suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la hauteur (H) entre les capteurs (10) et les éléments rayonnants (2_i) du réseau (2) est supérieure à une fraction de la longueur d'onde (λ) de travail des éléments (2_i).
Système suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la hauteur (H) entre les capteurs (10) et les éléments rayonnants (2_i) du réseau (2) est supérieure à un cinquième de la longueur d'onde (λ) de travail des éléments (2_i).
Système suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les coefficients d'excitation comprennent un déphasage et une amplitude, le système comporte pour chaque élément du réseau une voie associée de réception et/ou une voie associée d'émission, les moyens de calcul étant prévus pour calculer les ajustement en déphasage des coefficients d'excitation et les ajustements en amplitude des coefficients d'excitation pour que le diagramme de rayonnement mesuré à partir des capteurs (10) soit le plus proche possible d'un diagramme de rayonnement d'une consigne.
Système suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'adressage des capteurs et de collecte de la valeur de champ proche (Epj) mesurée localement à l'endroit de chaque capteur (10_j) en utilisant la méthode de diffusion modulée.