EP2497150A1 - Montage d'antenne a faisceau mobile - Google Patents
Montage d'antenne a faisceau mobileInfo
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Abstract
L'invention concerne un montage d'antenne à faisceau mobile comportant une base supportrice (6), au moins un réflecteur (1) et une source d'émission et/ou de réception. La source (3) est montée dans le montage de façon à être immobile par rapport à la base supportrice (6) et le montage comporte également un support mobile (7) portant le réflecteur (1), le support mobile étant monté sur la base supportrice avec des moyens de liaisons (9) aptes à le déplacer autour d'au moins un axe de déplacement fixe traversant le centre de phase (41) de la source.
Description
MONTAGE D'ANTENNE A FAISCEAU MOBILE
Le domaine de l'invention concerne les montages d'antennes à faisceau mobile, notamment les antennes embarquées sur les satellites de télécommunication.
Les satellites de télécommunication embarquent des antennes pouvant générer des faisceaux mobiles pour la diffusion de services multimédia. Ces services exigent que les réseaux de communication puissent couvrir de larges zones géographiques et maintenir une qualité de signal suffisamment élevée sur l'ensemble de la zone à couvrir. Pour cela, il existe des antennes à faisceaux mobiles pouvant modifier la direction de pointage du faisceau afin de répondre aux besoins des services de télécommunication.
Les satellites de télécommunication reçoivent des stations Sol des données puis ceux-ci émettent ces données vers la Terre au moyen d'antenne positionnées en face Terre. On utilise préférentiellement des antennes passives à double réflecteur car celles-ci présentent le meilleur compromis entre les contraintes de masse, d'encombrement, de performance et de coût. En effet, ces antennes à double réflecteurs permettent, à focale équivalente donnée, de réduire l'encombrement de l'antenne en comparaison d'une antenne simple réflecteur. Ceci présente un avantage particulièrement intéressant pour réduire l'encombrement d'un satellite dans un lanceur.
Les solutions connues d'antennes passives pour déplacer un faisceau de signaux radiofréquences sur la surface terrestre sont des antennes comportant des moyens permettant le mouvement soit du montage d'antenne complet soit uniquement du réflecteur par le changement d'orientation de la surface réfléchissante. Les solutions existantes de montage d'antenne passive comporte une source d'émission et/ou de réception de signaux RF, un ou plusieurs réflecteurs et une base supportrice pour porter l'ensemble des composants radiofréquence de l'antenne.
Plusieurs types de montage existent et on peut nommer à titre indicatif les montages de type Cassegrain, de type antenne Grégorienne.
On connaît également de l'état de la technique le document brevet EP0139482. Ce document divulgue une antenne à faisceau mobile où seuls les réflecteurs sont déplacés. Il s'agit d'un montage à source fixe où le point focal du réflecteur primaire est maintenu sur le foyer du réflecteur secondaire. Dans le cas de la mise en mouvement du montage d'antenne complet, c'est-à-dire de l'ensemble constitué de la base supportrice, du ou des réflecteurs et de la source d'émission et/ou de réception, la conception de la liaison entre la source et la charge utile du satellite devient problématique. En effet, il est nécessaire d'utiliser des guides d'ondes déformables ou de joints tournants qui présentent les inconvénients suivants: pertes de signal radiofréquence, limitation en bande de fréquence, limitations en puissance, limitation mécaniques et nombre d'actuations et limitation en nombres de ports à l'interface hyperfréquence antenne. De plus, les guides d'onde déformables présentent généralement une raideur pouvant être importante et entraînent des contraintes supplémentaires sur les moyens de cinématique du montage de l'antenne. Ces derniers doivent en effet être dimensionnés de façon à pouvoir déformer ces pièces mécaniques.
Ces nombreux inconvénients liés à la mobilité de la source peuvent être résolus par une solution alternative de montages d'antenne pour lesquels seule l'orientation du réflecteur est modifiée. Cependant, dans le cas de réflecteur parabolique, lorsque son orientation est modifiée, le foyer de la parabole est également décalé du centre de phase de la source. Ce décalage provoque une distorsion de la géométrie radiofréquence entraînant une dégradation des performances par les aberrations de focalisation.
L'objectif de l'invention est de palier les problèmes précités et de proposer un montage d'antenne permettant d'émettre et/ou recevoir un faisceau mobile, comprenant une mécanique cinématique simplifiée et présentant de meilleures performances radiofréquences.
Plus précisément, l'invention concerne un montage d'antenne à faisceau mobile comportant une base supportrice, un réflecteur primaire parabolique présentant un foyer et un réflecteur secondaire de type ellipsoïde présentant deux foyers, une source d'émission et/ou de réception de signaux RF formant un faisceau montée dans le montage de façon à être immobile par rapport à la base supportrice, un support mobile portant le réflecteur primaire et le réflecteur secondaire, les dits réflecteurs étant immobiles par rapport l'un par rapport à l'autre, le support mobile étant monté sur la base supportrice avec des moyens de liaisons aptes à déplacer les réflecteurs autour d'au moins un axe de déplacement fixe traversant le centre de phase de la source.
Avantageusement, le foyer du réflecteur primaire est maintenu positionné sur un premier foyer du réflecteur secondaire et le second foyer du réflecteur secondaire est maintenu positionné sur le centre de phase de la source en toute position du support mobile.
Ainsi, selon une caractéristique essentielle, le support mobile, le réflecteur primaire et le réflecteur secondaire forment un ensemble mobile par rapport à la base supportrice.
Selon l'une quelconque des variantes, les moyens de liaison sont aptes à mettre en mouvement le dit ensemble mobile autour de deux axes de rotation concourants au centre de phase de la source.
Selon l'une quelconque des variantes, la surface d'au moins un réflecteur est sensiblement supérieure à la surface du faisceau réfléchi sur la surface dudit réflecteur.
Le montage d'antenne selon l'invention résout les problèmes de connexion entre la source RF et la charge utile du satellite. En outre, l'immobilité de la source dans le montage ne requière pas l'utilisation de guides d'onde souples et des moyens de cinématiques complexes pour déformer ce type de guide d'onde. Il en résulte également de meilleures performances radiofréquences.
De plus, le déplacement de l'ensemble constitué du support mobile et des réflecteurs, immobiles entre eux, autour de la source permet de maintenir la géométrie de propagation de signaux RF la plus optimale et de réduire, voire rendre inexistante, les aberrations de focalisation du
montage d'antenne. En définitive, le montage permet un déplacement du faisceau sur la Terre sans aucune déformation du faisceau.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :
La figure 1 représente un schéma de principe du montage d'antenne selon l'invention symbolisant la source, le réflecteur primaire et le réflecteur secondaire.
La figure 2 représente un schéma simplifié du montage d'antenne selon une vue de face.
La figure 3 représente un schéma simplifié du montage d'antenne selon une vue de profil.
La figure 4 représente un schéma d'un réflecteur selon deux positions ainsi que le faisceau réfléchi pour chaque position.
La figure 5a représente des simulations radio fréquence d'émission de faisceaux mobiles répartis sur la surface terrestre au moyen d'un montage d'antenne comportant un unique réflecteur mobile.
La figure 5B représente des simulations radio fréquence d'émission de faisceaux mobiles répartis sur la surface terrestre au moyen d'un montage d'antenne selon l'invention.
Le montage d'antenne selon l'invention se destine particulièrement aux applications de télécommunication spatiale. Les satellites de télécommunication présentent généralement une forme parallélépipédique comportant une face Terre en permanence dirigée vers la Terre. Un système d'émission de signaux RF est monté sur cette face Terre pour la réalisation de la mission du satellite comme par exemple l'offre de service de téléphonie et de transmission de données et de vidéos. Pour répondre aux besoins de ces missions, il est connu d'utiliser des antennes mobiles qui permettent de déplacer le faisceau de signaux RF sur la surface terrestre.
Usuellement, ces antennes comportent un réflecteur paraboloïdal basé sur les propriétés géométriques de la courbe nommée parabole et de la
surface nommée paraboloïde de révolution. Le réflecteur parabolique est chargé de concentrer les ondes reçues ou émises vers l'antenne-source, communément appelée source, qui se situe au foyer de la parabole. Plusieurs types de montage d'antennes à réflecteur paraboloïdal peuvent être utilisés dans le cadre de l'invention. On peut citer les montages d'antenne comportant un unique réflecteur et les montages à plusieurs réflecteurs, communément appelé montage de type antenne Cassegrain ou montage de type antenne Grégorienne. L'objet de l'invention est décrit par la suite sur la base de l'exemple d'un montage d'antenne particulièrement bien adapté pour une application spatiale. Il s'agit d'un montage de type antenne Grégorienne. Toutefois, la portée de l'invention ne se limite pas à ce type de montage d'antenne. L'homme du métier sait adapter le concept de l'invention aux autres types de montage d'antenne comportant un réflecteur secondaire ellipsoïdale.
La figure 1 représente un schéma simplifié des éléments fonctionnels participant à la fonction d'émission et/ou de réception d'un montage de type antenne Grégorienne. L'antenne comporte un réflecteur primaire 2 et un réflecteur secondaire 1 . Le réflecteur primaire 2 présente une forme paraboloïdale concentrant les signaux RF vers le foyer 21 de la parabole. Le réflecteur secondaire 1 présente une forme ellipsoïdale. Dans un montage d'antenne Grégorienne, la source est décentrée de l'axe central du réflecteur secondaire 1 . Ce type de montage comportant une source décentrée est un montage dit « Offset » et présente l'avantage de ne pas positionner la source dans le champ du faisceau radiofréquence évitant alors une perte de rendement. L'utilisation d'un réflecteur secondaire 1 de forme ellipsoïdale, permettant de décentrer la source, présente deux foyers, un foyer primaire 32 et un foyer secondaire 31 . Selon une caractéristique essentielle de l'invention, pour un montage de type antenne Grégorienne, le réflecteur primaire et le réflecteur secondaire sont montés ensemble dans le montage d'antenne de façon que le foyer secondaire 31 du réflecteur secondaire soit confondu avec le foyer 21 du réflecteur primaire 2, quelle que soit l'orientation du faisceau 10.
L'antenne comporte une source 3 rayonnant vers le réflecteur secondaire 1 . Selon une caractéristique essentielle de l'invention, pour un montage de type antenne Grégorienne, la source est montée de façon que le foyer primaire 32 du réflecteur secondaire 1 soit confondu avec le centre de phase de la source 3, quelle que soit l'orientation du faisceau. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, la source 3 est montée immobile dans le montage de l'antenne. La source 3 est de préférence fixée sur la base supportrice 6. Ainsi, le montage d'antenne avec une source immobile permet d'éviter l'utilisation de guides d'onde déformables ou de joints tournants.
Le déplacement du faisceau de l'antenne est alors réalisé en rendant le réflecteur primaire 2 et le réflecteur secondaire 1 mobiles par rapport à la source 3. Les figures 2 et 3 représentent un schéma simplifié du montage d'antenne de type antenne grégorienne selon l'invention en vue de face et vue de profil. Pour des raisons de clarté des dessins, la source n'est pas représentée. Le centre de phase de la source est représenté par la référence 41 . Le montage d'antenne comporte une base supportrice 6 et un support mobile 7.
La base supportrice 6 est montée sur un référentiel 8 de façon à être immobile par rapport à ce référentiel. Ce référentiel 8 représente par exemple la face Terre d'un satellite de télécommunication. La source 3 est montée dans le montage d'antenne de façon à être également immobile par rapport au référentiel 8. De préférence, la source 3 est fixée sur la base supportrice 6. A titre d'exemple, la base supportrice 6 comporte une partie inférieure 61 couvrant une surface suffisante pour stabiliser l'ensemble du montage sur le satellite. Deux parties latérales allongées 62 et 63, fixées en une première extrémité sur la surface de stabilisation 61 , s'étendent à l'opposé du satellite sensiblement à la perpendiculaire de la surface de stabilisation 61 symétriquement par rapport à cette surface. Les deux parties latérales 62 et 63 sont reliées ensembles en leurs secondes extrémités par une partie longitudinale 64 servant également à fixer des moyens de liaison 9 entre la base supportrice 6 et le support mobile 7.
Le support mobile 7 est articulé sur la base supportrice 6 avec des moyens de liaison 9 permettant de conférer au support mobile 7 une capacité de mobilité par rapport à la source 3 et par conséquent par rapport au
référentiel 8, la source 3 étant en effet immobile par rapport au référentiel 8. Le support mobile 7 maintien le réflecteur primaire 1 ainsi que le réflecteur secondaire 2. Les deux réflecteurs sont immobiles l'un par rapport à l'autre sur le support mobile 7, des moyens de fixations permettant de maintenir les deux réflecteurs sur le support mobile.
Selon une caractéristique essentielle de l'invention, les moyens de liaison 9 permettent de déplacer le support mobile 7 autour d'au moins un axe de rotation 4 traversant le centre de phase 41 de la source 3, et préférentiellement autour de deux axes de rotation 4 et 5 concourant par le centre de phase 41 de la source 3. Les deux axes de rotation 4 et 5 sont perpendiculaires l'un par rapport à l'autre et permettent de déplacer les réflecteurs autour de la source 3, en plusieurs positions distinctes dans le montage, selon les degrés de liberté nécessaires au besoin de déplacement du faisceau.
La géométrie de propagation des signaux RF émis par la source 3 dans l'ensemble constitué par le réflecteur primaire 2 et le réflecteur secondaire 1 est formée de sorte que le foyer principal 32 du réflecteur secondaire 1 soit localisé sur le centre de phase de la source 3 et le foyer secondaire 31 du réflecteur secondaire 1 soit confondu avec le foyer 32 du réflecteur principal 2. Ainsi, quelle que soit la position du support mobile 7, les deux réflecteurs sont immobiles l'un par rapport à l'autre et le foyer principal 32 du réflecteur secondaire 1 est constamment maintenu localisé sur le centre de phase 41 de la source 3. Les propriétés géométriques de la forme ellipsoïdale du réflecteur secondaire 1 maintiennent également le foyer secondaire 31 à la même position quel que soit la position du réflecteur secondaire autour du ou des axes de rotation 4 et 5 concourants au centre de phase 41 de la source. Par géométrie, le foyer du réflecteur principal 2 est également maintenu au niveau du foyer secondaire.
Les moyens de liaisons 9 sont par exemple constitués d'une pièce d'articulation mécanique de type cardan. Le cardan est une articulation mécanique servant à transmettre un ou deux mouvements de rotation entre deux arbres d'axes concourants 4 et 5. Le cardan est de préférence positionné au niveau de la source 3, elle-même fixée sur la partie 64 de la base supportrice 6, de sorte que les axes de rotation du cardan concourent à la position du centre de phase 41 de la source 3.
A titre d'exemple non limitatif, le support mobile 7 peut être une structure mécanique sensiblement de la forme d'un U, comportant une partie centrale allongée 71 et deux parties latérales allongées 72 et 73, au niveau de chacune des extrémités de la partie centrale 71 , positionnées en perpendiculaire par rapport à la partie centrale. Une partie latérale est sensiblement de plus grande longueur que la seconde partie latérale. En outre, la partie latérale 73 supportant le réflecteur primaire 2, de circonférence supérieure au réflecteur secondaire 1 , est constituée d'une longueur supérieure à la longueur de la partie latérale 72 supportant le réflecteur secondaire 2. Des moyens de fixation non représentés maintiennent les réflecteurs 2 et 1 sur le support mobile 7. Les moyens de liaison 9 relient la partie centrale 71 du support mobile avec la base supportrice 6. La base supportrice 6 est une structure mécanique dimensionnée de façon à permettre la mobilité de l'ensemble constitué du support mobile 7 et des réflecteurs 2 et 1 . La source 3 montée sur la base supportrice 6 est reliée aux équipements électroniques de la charge utile du satellite par exemple.
Pour imaginer le concept de l'invention, le montage d'antenne peut être assimilé à un berceau dans lequel le support mobile 7 est balancé entre les parties latérales allongées 62 et 63 de la base supportrice 6 qui est stabilisée sur un référentiel 8. Ainsi les réflecteurs 1 et 2 se déplacent autour de la source 3.
Du fait de l'immobilité de la source 3, il résulte de nombreux avantages parmi lesquels le montage d'antenne montre une amélioration des performances radiofréquences et une utilisation dans des bandes de fréquence pour lesquelles des guides d'onde déformables ne sont pas qualifiés ou n'existent pas. Le montage d'antenne montre également une meilleure tenue en puissance et aucunes limitations fonctionnelles liées à la tenue en fatigue des guides déformables. De plus, des mécanismes plus simples peuvent être utilisés car les guides d'ondes présentent des couples résistants plus faibles.
La figure 4 décrit plus précisément un réflecteur du montage d'antenne réfléchissant un faisceau selon deux positions différentes. Le réflecteur dans une première position 210 réfléchit un faisceau 21 1 selon une
direction 212 et dans une seconde position 220 réfléchit un faisceau 221 selon une direction 222. Les faisceaux réfléchis présentent un diamètre donné. Selon une caractéristique particulière du montage d'antenne le réflecteur présente un diamètre sensiblement supérieur au diamètre du faisceau de sorte que la surface du faisceau soit constamment couverte par le réflecteur quelle que soit la position du réflecteur. En effet, la source étant immobile, la surface du faisceau est positionnée à la même localisation dans le montage. L'orientation du faisceau est modifiée par déplacement de la surface réfléchissante.
Dans le cadre de l'invention, on entend par réflecteur tout type de surface exerçant une fonction de réflexion d'un faisceau RF, y compris les réseaux réflecteurs communément appelés « Reflect Array » en langage anglo-saxon. Le Réseau Réflecteur est une surface réfléchissante périodique, constituée de cellules métallisées, placées au dessus d'un plan de masse. Des études électromagnétiques détaillées ont permis d'identifier le profil optimal de ces cellules, de sorte qu'elles puissent réfléchir une onde incidente avec un retard électrique paramétrable. On peut alors réaliser avec un Reflect Array de surface canonique le même rayonnement que celui d'un réflecteur formé.
La figure 5a et 5b représentent des simulations d'émission de plusieurs faisceaux RF en plusieurs zones de la surface terrestre. Les simulations de la figure 5a sont réalisées avec un montage d'antenne tel que décrit dans l'état de la technique comportant un réflecteur seul mobile. Le montage d'antenne pointe et déplace un faisceau 102 en plusieurs zones de la surface terrestre. Le cercle 101 représente une surface circulaire visée par le faisceau. Les simulations montrent la déformation du faisceau 102 dans le plan Est/Ouest et Nord /Sud et la « délocalisation » du faisceau 102 dans le plan Nord /Sud des faisceaux. Les simulations de la figure 5b sont réalisées avec un montage d'antenne selon l'invention telle que revendiquée. Le montage d'antenne pointe et déplace un faisceau 103 en plusieurs zones de la surface terrestre. Le cercle 103 représente une surface circulaire visée par le faisceau Les simulations montrent l'inexistence de déformation et de délocalisation du faisceau 104.
Le montage d'antenne s'applique aux montages d'antenne pour satellite avec source décalée ou non et comportant au moins deux réflecteurs.
Claims
1 . Montage d'antenne à faisceau mobile comportant une base supportrice (6), un réflecteur primaire parabolique (2) présentant un foyer (21 ) et un réflecteur secondaire (2) de type ellipsoïde présentant deux foyers (31 , 32), une source (3) d'émission et/ou de réception de signaux RF formant un faisceau montée dans le montage de façon à être immobile par rapport à la base supportrice (6), un support mobile (7) portant le réflecteur primaire (2) et le réflecteur secondaire (1 ), les dits réflecteurs étant immobiles par rapport l'un par rapport à l'autre, le support mobile (7) étant monté sur la base supportrice (6) avec des moyens de liaisons (9) aptes à déplacer les réflecteurs (1 , 2) autour d'au moins un axe de déplacement fixe (4) traversant le centre de phase (41 ) de la source (3), caractérisé en ce que le foyer (21 ) du réflecteur primaire est maintenu positionné sur un premier foyer (31 ) du réflecteur secondaire (2) et le second foyer (32) du réflecteur secondaire (2) est maintenu positionné sur le centre de phase (41 ) de la source (3) en toute position du support mobile (7).
2. Montage d'antenne selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le support mobile (7), le réflecteur primaire (2) et le réflecteur secondaire (1 ) forment un ensemble mobile par rapport à la base supportrice (6).
3. Montage d'antenne selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de liaison (9) sont aptes à mettre en mouvement le dit ensemble mobile autour de deux axes de rotation (4, 5) concourants au centre de phase (41 ) de la source.
4. Montage d'antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface d'au moins un réflecteur (210) est sensiblement supérieure à la surface du faisceau (21 1 ) réfléchi sur la surface dudit réflecteur.
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