EP2383838B1 - Système d'antenne déportée - Google Patents

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EP2383838B1
EP2383838B1 EP11305484.5A EP11305484A EP2383838B1 EP 2383838 B1 EP2383838 B1 EP 2383838B1 EP 11305484 A EP11305484 A EP 11305484A EP 2383838 B1 EP2383838 B1 EP 2383838B1
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optical
antenna system
antenna
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Bernard Leroy
Patrice Le Boudec
David Mechin
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • H01Q3/2676—Optically controlled phased array
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/002—Protection against seismic waves, thermal radiation or other disturbances, e.g. nuclear explosion; Arrangements for improving the power handling capability of an antenna

Definitions

  • the present invention relates to a remote antenna system.
  • the invention relates to such an antenna system which comprises optical fiber means for connecting an optical source to means forming an antenna for transmitting signals, for example radio signals.
  • This type of remote antenna system has a certain appeal, in particular in terms of discretion in the field of communications for submarines or the like.
  • the problem is that the antenna-forming means require a supply of electrical energy.
  • This power supply has hitherto been ensured by using electrical conductors associated with optical fiber means.
  • Optical fiber means are then used to transport the signals to be transmitted while the electrical conductors are used to transmit the electrical power to corresponding control means associated with the means in the form of an antenna.
  • both electrical and optical connections require cables which can be heavy and bulky, with a mass and a volume that are detrimental to the desired discretion.
  • the aim of the invention is therefore to resolve these problems.
  • the subject of the invention is a remote antenna system as defined in claim 1.
  • the remote antenna system comprises one or more of the features of claims 2 to 9.
  • a remote antenna system which comprises optical fiber means designated by the general reference 1 on this figure 1 , connecting an optical source designated by the general reference 2 to means forming an antenna for transmitting signals, for example radioelectric signals, designated by the general reference 3.
  • this system also comprises means for modulating the beam coming from the optical source as a function of the signals to be transmitted by the means forming an antenna on the one hand and means for opto-electric conversion of this modulated power supply beam. means in the form of an antenna on the other hand.
  • the modulation means are designated by the general reference 4 and are suitable for directly controlling the optical source 2 so that the latter delivers a beam modulated as a function of the signals to be transmitted.
  • the optoelectric power conversion means of the antenna-shaped means 3 are for their part designated by the general reference 5.
  • the optical source 2 can for example be a laser source while the optoelectric conversion means comprise an array of photovoltaic cells suitable for converting the modulated laser beam coming from the optical fiber means into electric drive energy for the means in antenna shape 3.
  • the means 6 for modulating the laser beam coming from this source are interposed between the beam output of this source and the corresponding end of the optical fiber means 1.
  • the optical source such as for example the laser source designated by the general reference 2, the optical fiber means designated by the general reference 1 and the array of photovoltaic cells designated by the general reference 5.
  • the optical fiber means can for example be formed by microstructured fiber means, hollow core fiber means and / or fiber means for example of non-circular section such as for example square or rectangular, these three characteristics that can be combined, as shown in the figure 4 , or not.
  • Diffractive optic means designated by the general reference 7 are interposed between the corresponding end of these fiber means 1 and the array of cells 5 to illuminate all of them and optimize the level of illumination of this array.
  • the system according to the invention being based on the use of an optical source such as for example a laser source and of means making it possible to modulate this source directly or externally, that is to say by acting directly on this source or on the beam coming from it, to modulate this beam as a function of the signals to be transmitted by the means in the form of an antenna, this signal is then transported by optical fiber means to an array of photovoltaic cells making it possible to convert the light energy back into modulated electrical energy that can be applied directly to the means in the form of an antenna or to any other device making it possible, for example, to generate the emission of a radioelectric signal.
  • an optical source such as for example a laser source and of means making it possible to modulate this source directly or externally, that is to say by acting directly on this source or on the beam coming from it, to modulate this beam as a function of the signals to be transmitted by the means in the form of an antenna
  • this signal is then transported by optical fiber means to an array of photovoltaic cells making it possible to convert the light energy back into modul
  • a network of n photovoltaic cells can be used to each deliver a power p, which will then be used in order to increase the total power supplied by this network, total P being equal to np.
  • a diffractive optic element is inserted between the transport fiber means and the array of photovoltaic cells in order to improve the efficiency of the conversion.
  • this element makes it possible to divide the laser beam exiting the fiber means into several beams according to a predetermined diffraction pattern which corresponds for example to the shape of the matrix of the network of cells used to reconvert light energy into electrical energy.
  • This type of configuration which allows non-uniform illumination of the network, is necessary if the spacing between each cell is important since any part of the beam that does not reach the cells is lost, because it is not converted into electrical energy. .
  • Another solution may consist, to optimize the coupling between the fiber and the network, to use a hollow core transport fiber and / or for example of non-circular section such as for example square or rectangular, which makes it possible to uniformly insulate a network of cells of the same shape, by using the natural divergence of the beam.
  • the transport fiber must also be specially designed to transmit high modulated power. Indeed it must benefit from a specific bandwidth.
  • the use of microstructured fibers makes it possible to overcome certain limitations imposed by conventional fibers.
  • the microstructure provides an additional degree of freedom and therefore greater flexibility in the design of the fiber.
  • these new fibers can make it possible to support higher powers by using, for example, fibers with a hollow core, to transmit greater bandwidths for the modulated signals (fibers with a very high index gradient) or to optimize the coupling. fiber with external elements (fibers with very high numerical aperture of the AIRCLAD type).
  • the desired electric power on the means in the form of an antenna can be 100 or 200 Watts.
  • the efficiency of the network of photovoltaic cells is of the order of 50%. It must therefore be exposed by an optical power of 200 or 400 Watts. Knowing that the losses of the rest of the system, that is to say at the level of the modulation means, of the fiber and of the diffractive optics, are of the order of 50%, the optical power of the laser source may by example be of the order of 400 or 800 Watts.
  • Such a system finds numerous applications in particular in antenna systems for integrated masts or for the transmission of signals in immersion for submarines.

Landscapes

  • Optical Communication System (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Optical Couplings Of Light Guides (AREA)

Description

  • La présente invention concerne un système d'antenne déportée.
  • Plus particulièrement l'invention concerne un tel système d'antenne qui comporte des moyens à fibre optique de raccordement d'une source optique à des moyens formant antenne d'émission de signaux par exemple radioélectriques.
  • Ce type de systèmes d'antenne déportée présente un certain attrait notamment en matière de discrétion dans le domaine des communications pour des sous-marins ou équivalents.
  • Différents travaux ont déjà été menés sur ces antennes déportées et en particulier des moyens à fibre optique ont déjà été utilisés entre la source optique et les moyens formant antenne proprement dits pour transmettre les signaux à émettre.
  • Il est connu du document US 5 136 295 A de remorquer un ou plusieurs leurres par un aéronef en utilisant des câbles de remorquage. Ces câbles de remorquage comprennent des composants de fibre optique qui transmettent optiquement aux leurres les deux signaux radiofréquences pour la retransmission vers un radar hostile et une alimentation en courant continu.
  • Il est connu du document US 4 885 589 A de distribuer des signaux radiofréquences au moyen de fibres optiques entre un émetteur-récepteur radar central et des modules d'émission-réception distants associés à des éléments d'un réseau actif à commande de phase.
  • Le problème est que les moyens formant antenne nécessitent une alimentation en énergie électrique.
  • Cette alimentation a jusqu'à présent été assurée en utilisant des conducteurs électriques associés aux moyens à fibre optique.
  • Des moyens à fibre optique sont alors utilisés pour transporter les signaux à émettre tandis que les conducteurs électriques sont utilisés pour transmettre la puissance électrique à destination de moyens de commande correspondants associés aux moyens en forme d'antenne.
  • On conçoit que ceci présente un certain nombre d'inconvénients car il est alors nécessaire de prévoir des circuits électroniques à proximité des moyens en forme d'antenne.
  • Par ailleurs, les liaisons tant électriques qu'optiques nécessitent des câbles qui peuvent être lourds et volumineux, d'une masse et d'un volume préjudiciables à la discrétion recherchée.
  • Par ailleurs des problèmes de liaison galvanique, de puissance, de rendement et de compatibilité électromagnétique se posent également.
  • Le but de l'invention est donc de résoudre ces problèmes.
  • A cet effet l'invention a pour objet un système d'antenne déportée tel que défini dans la revendication 1.
  • Selon d'autres aspects de l'invention, le système d'antenne déportée comprend l'une ou plusieurs des caractéristiques des revendications 2 à 9.
  • L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels :
    • la figure 1 représente un premier exemple de réalisation d'un système d'antenne déportée selon l'invention ;
    • la figure 2 représente un deuxième exemple de réalisation d'un système d'antenne déportée selon l'invention ;
    • la figure 3 illustre un troisième exemple de réalisation d'un système d'antenne déportée selon l'invention; et
    • la figure 4 illustre le détail de l'éclairement de cellules.
  • On a en effet illustré sur ces figures et en particulier sur la figure 1, un système d'antenne déportée qui comporte des moyens à fibre optique désignés par la référence générale 1 sur cette figure 1, de raccordement d'une source optique désignée par la référence générale 2 à des moyens formant antenne d'émission de signaux par exemple radioélectriques désignés par la référence générale 3.
  • Bien entendu d'autres types de signaux peuvent être envisagés.
  • Selon l'invention ce système comporte également des moyens de modulation du faisceau issu de la source optique en fonction des signaux à faire émettre par les moyens formant antenne d'une part et des moyens de conversion opto-électriques de ce faisceau modulé d'alimentation des moyens en forme d'antenne d'autre part.
  • Sur la figure 1, les moyens de modulation sont désignés par la référence générale 4 et sont adaptés pour piloter directement la source optique 2 afin que celle-ci délivre un faisceau modulé en fonction des signaux à émettre.
  • Les moyens de conversion opto-électriques d'alimentation des moyens en forme d'antenne 3 sont quant à eux désignés par la référence générale 5.
  • En fait la source optique 2 peut par exemple être une source laser tandis que les moyens de conversion opto-électriques comprennent un réseau de cellules photovoltaïques adaptées pour convertir le faisceau laser modulé issu des moyens à fibre optique en énergie électrique d'attaque des moyens en forme d'antenne 3.
  • Bien entendu d'autres modes de réalisation peuvent être envisagés comme celui illustré sur la figure 2, sur laquelle on reconnaît la source optique 2, les moyens à fibre optique 1, les moyens formant cellules photovoltaïques 5, les moyens en forme d'antenne 3 et les moyens de modulation du faisceau issu de la source 2, ces moyens étant désignés par la référence générale 6 sur cette figure 2.
  • A la différence de la modulation directe de la source illustrée sur la figure 1, sur cette figure 2, les moyens 6 de modulation du faisceau laser issu de cette source 2, sont interposés entre la sortie de faisceau de cette source et l'extrémité correspondante des moyens à fibre optique 1.
  • On a illustré sur la figure 3 , l'utilisation de moyens à optique diffractive interposés entre l'extrémité correspondante des moyens à fibre 1 et le réseau de cellules photovoltaïques 5.
  • Sur cette figure 3, on reconnaît toujours la source optique telle que par exemple la source laser désignée par la référence générale 2, les moyens à fibre optique désignés par la référence générale 1 et le réseau de cellules photovoltaïques désigné par la référence générale 5.
  • De façon avantageuse, les moyens à fibre optique peuvent par exemple être formés par des moyens à fibre microstructurée, des moyens à fibre à cœur creux et/ou des moyens à fibre par exemple de section non circulaire comme par exemple carrée ou rectangulaire, ces trois caractéristiques pouvant être cumulées, comme cela est illustré sur la figure 4, ou non.
  • D'autres moyens à fibre comme par exemple des moyens à fibre à gradient d'indice ou des moyens à fibre à gaine d'air de type « airclad » peuvent également être envisagés.
  • Des moyens à optique diffractive désignés par la référence générale 7 sont interposés entre l'extrémité correspondante de ces moyens à fibre 1 et le réseau de cellules 5 pour éclairer l'ensemble de celles-ci et optimiser le taux d'éclairement de ce réseau.
  • On conçoit alors que, le système selon l'invention étant basé sur l'utilisation d'une source optique telle que par exemple une source laser et de moyens permettant de moduler cette source directement ou de manière externe, c'est-à-dire en agissant directement sur cette source ou sur le faisceau issu de celle-ci, pour moduler ce faisceau en fonction des signaux à faire émettre par les moyens en forme d'antenne, ce signal est alors transporté par des moyens à fibre optique jusqu'à un réseau de cellules photovoltaïques permettant de reconvertir l'énergie lumineuse en énergie électrique modulée pouvant être appliquée directement aux moyens en forme d'antenne ou à tout autre dispositif permettant de générer par exemple l'émission d'un signal radioélectrique.
  • Un réseau de n cellules photovoltaïques peut être utilisé pour délivrer chacune une puissance p, qui seront alors utilisées afin d'augmenter la puissance totale fournie par ce réseau, P totale étant égale à np.
  • Un élément à optique diffractive est inséré entre les moyens à fibre de transport et le réseau de cellules photovoltaïques afin d'améliorer l'efficacité de la conversion.
  • En effet cet élément permet de diviser le faisceau laser sortant des moyens à fibre en plusieurs faisceaux selon un motif de diffraction prédéterminé qui correspond par exemple à la forme de la matrice du réseau de cellules utilisées pour reconvertir l'énergie lumineuse en énergie électrique.
  • Ce type de configuration, qui permet un éclairement non uniforme du réseau, est nécessaire si l'espacement entre chaque cellule est important vu que toute partie du faisceau n'atteignant pas les cellules est perdue, car elle n'est pas convertie en énergie électrique.
  • Si l'espacement entre les cellules est nul ou très faible (réseau MIM pour Monolithic Interconnected Module), une autre solution peut consister, pour optimiser le couplage entre la fibre et le réseau, à utiliser une fibre de transport à cœur creux et/ou par exemple de section non circulaire comme par exemple carrée ou rectangulaire, qui permet d'insoler uniformément un réseau de cellules de même forme , en utilisant la divergence naturelle du faisceau.
  • Cette solution permet d'améliorer le rendement de l'ensemble tout en se passant de l'élément à optique diffractive qui peut être coûteux et volumineux.
  • L'inconvénient de ce type d'architecture est la plus faible bande passante des réseaux MIM qui peut être rédhibitoire pour utiliser ce genre de configuration dans la transmission de signaux de fréquence élevée.
  • La fibre de transport doit également être spécialement conçue pour transmettre de la forte puissance modulée. En effet elle doit bénéficier d'une bande passante spécifique. L'utilisation de fibres microstructurées permet de lever certaines limitations imposées par les fibres classiques.
  • La microstructure amène un degré de liberté supplémentaire et donc une plus grande flexibilité dans la conception de la fibre. En particulier ces nouvelles fibres peuvent permettre de supporter de plus fortes puissances en utilisant par exemple des fibres à cœur creux, de transmettre de plus grandes bandes passantes pour les signaux modulés (fibres à très fort gradient d'indice) ou d'optimiser le couplage de la fibre avec des éléments externes (fibres à très forte ouverture numérique de type AIRCLAD).
  • A titre d'exemple la puissance électrique recherchée sur les moyens en forme d'antenne peut être de 100 ou 200 Watts. L'efficacité du réseau de cellules photovoltaïques est de l'ordre de 50%. Il doit donc être insolé par une puissance optique de 200 ou 400 Watts. Sachant que les pertes du reste du système c'est-à-dire au niveau des moyens de modulation, de la fibre et de l'optique diffractive, sont de l'ordre de 50%, la puissance optique de la source laser peut par exemple être de l'ordre de 400 ou 800 Watts.
  • Un tel système trouve de nombreuses applications notamment dans les systèmes antennaires pour les mâtures intégrées ou encore pour l'émission de signaux en immersion pour les sous-marins.
  • Il va de soi bien entendu que d'autres modes de réalisation encore peuvent être envisagés.

Claims (9)

  1. Système d'antenne déportée, du type comportant des moyens à fibre optique (1) de raccordement d'une source optique (2) à des moyens formant antenne d'émission de signaux (3), comportant :
    des moyens (4 ; 6) de modulation du faisceau issu de la source optique (2) en fonction des signaux à faire émettre par les moyens formant antenne (3) d'une part et des moyens (5) de conversion opto-électrique d'alimentation en énergie des moyens formant antenne (3) d'autre part, les moyens de conversion opto-électrique comprenant un réseau de cellules photovoltaïques adaptées pour convertir le faisceau modulé issu des moyens à fibre optique (1) en énergie électrique d'attaque des moyens formant antenne (3), et caractérisé
    en ce que des moyens à optique diffractive (7) sont interposés entre les moyens à fibre (1) et le réseau de cellules photovoltaïques (5) pour adapter le faisceau optique en sortie de fibre au réseau de cellules et optimiser le taux d'éclairement de ce réseau.
  2. Système d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de modulation comprennent des moyens de modulation directe (4) de la source optique (2).
  3. Système d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de modulation comprennent des moyens (6) de modulation du faisceau en sortie de la source optique (2).
  4. Système d'antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source optique (2) est une source laser.
  5. Système d'antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens à fibre optique (1) comprennent des moyens à fibre microstructurée.
  6. Système d'antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens à fibre optique (1) comprennent des moyens à fibre à gradient d'indice.
  7. Système d'antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens à fibre optique (1) comprennent des moyens à fibre à gaine d'air.
  8. Système d'antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens à fibre optique (1) comprennent des moyens à fibre à cœur creux.
  9. Système d'antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens à fibre optique (1) comprennent des moyens à fibre présentant une section non circulaire.
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FR2959612A1 (fr) 2011-11-04
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