EP2807702A1 - Formateur multi-faisceaux à deux dimensions, antenne comportant un tel formateur multi-faisceaux et système de télécommunication par satellite comportant une telle antenne - Google Patents

Formateur multi-faisceaux à deux dimensions, antenne comportant un tel formateur multi-faisceaux et système de télécommunication par satellite comportant une telle antenne

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EP2807702A1
EP2807702A1 EP13701118.5A EP13701118A EP2807702A1 EP 2807702 A1 EP2807702 A1 EP 2807702A1 EP 13701118 A EP13701118 A EP 13701118A EP 2807702 A1 EP2807702 A1 EP 2807702A1
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EP
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reflector
layer
internal
stage
sources
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EP13701118.5A
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Hervé Legay
Ronan Sauleau
Mauro Ettorre
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Rennes 1
Thales SA
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Rennes 1
Thales SA
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Publication date
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Definitions

  • Multi-beam two-dimensional trainer, antenna comprising such a multi-beam trainer and satellite telecommunication system comprising such an antenna
  • the present invention relates to a two-dimensional multi-beam trainer, an antenna comprising such a multi-beam trainer and a satellite telecommunication system comprising such an antenna. It applies in particular to the field of satellite telecommunications.
  • a first beam-forming antenna architecture called a reflector antenna with a focal network, consists in using a source network associated with a reflector, for example a parabolic one, the source network, called the focal grating, being placed in a plane focal located at the focus of the reflector.
  • the reflector reflects a received incident plane wave and focuses it in the focal plane of the reflector on the focal grating. According to the direction of arrival of the plane wave incident on the reflector, its focusing by the reflector is performed at different points of the focal plane.
  • the reflector thus makes it possible to concentrate the energy of the incident signals received on a reduced area of the focal network, this area depending on the direction of arrival of the incident signal.
  • the synthesis of a beam corresponding to a particular direction can therefore be made from a reduced number of preselected sources of the focal network, typically of the order of seven sources for a focal network comprising, for example, the order of two hundred sources.
  • the sources selected for the synthesis of a beam are different from one beam to another and selected according to the direction of arrival of the signals incident on the reflector.
  • a beamformer For the synthesis of a beam, a beamformer combines all the focused signals on the selected sources dedicated to that beam. As the number of sources dedicated to a beam is small, this type of antenna has the advantage of operating with a beamformer of reduced complexity and not posing any major problem for its realization even when the number of beams increases significantly, by example for 400 beams.
  • a second beam-forming antenna architecture called a phased array antenna, consists of using a network of direct-radiating sources in which all the sources participate in the synthesis of each of the beams. synthesis of each beam being carried out by a beamformer by applying a phase shift matrix at the output of the array of radiating sources so as to compensate for the radiation delay of the sources relative to each other for each direction of radiation of the grating network. radiant sources. As a result, all the beams are formed by all the sources, only the delay law applied to each source changes from one beam to another beam.
  • This architecture has the advantage of a lower sensitivity of the antenna in case of loss of sources and reduces the number of amplification chains by a factor of two but has the disadvantage of a beamformer very complex to realize, or even unachievable now when the number of beams to be synthesized is very important.
  • the beamformer must combine the 300 microwave signals at the output of each source.
  • this combination must be performed 100 times. Matrices corresponding phase shift are therefore very bulky and can not be performed with microwave circuits. Therefore, this type of antenna currently exists only for a limited number of beams and sources, such as for example 6 beams and 64 sources.
  • microwave signals are converted at each source into digital signals before being input to the digital beamformer.
  • this solution requires the implementation of frequency transposition devices and analog / digital converters at each source, which increases the complexity, mass, volume and consumption of the antenna and is not acceptable for a use in the field of multimedia telecommunications.
  • a third multibeam antenna architecture consists in using a phased array comprising small sources magnified by an optical system comprising one or more reflectors.
  • This architecture can be called imager network antenna, since the focal network generally retains the same characteristics as a phased array with direct radiation, the synthesis of a spot being performed by almost all sources.
  • a first imaging network antenna configuration has two parabolic reflectors, main and secondary, having the same focus and a phased array.
  • the main parabolic reflector is large, the secondary parabolic reflector is smaller, the phased array placed in front of the secondary reflector has smaller sources.
  • the behavior of this antenna is similar to that of the direct-radiation phased array antenna, but has the advantage of increasing the size of the radiating aperture of the antenna relative to a direct-radiation phased array antenna, with a magnification factor defined by the ratio of the diameters of the two reflectors, which makes it possible to reduce the size of the sources of the phased network and therefore the size of the beams.
  • Its main disadvantage lies in the complexity of the beamformer associated with the phased array because, as in the case of the phased array antenna with direct radiation, all the sources participate in the contribution of all the beams.
  • a second imaging network antenna configuration has a single parabolic reflector and a defocused phased array placed in front of the reflector.
  • This configuration has a magnification factor of the radiating aperture of the antenna relative to a phased array antenna with direct radiation, equal to the ratio between the focal length of the parabolic reflector and the distance at which the grating has been defocused.
  • most of the sources participate in an identical manner to the contribution of all the beams, but the operation of the phased array is a little different from that of a phased array with direct radiation, or that of the associated phased array.
  • the defocused network associated with a single reflector imaging array antenna pattern emits a spherical wave, which is converted into a plane wave by the main reflector.
  • the two imaging array antenna configurations have two major drawbacks. Due to the distance of the phased array from the focus of the reflector or reflectors, they induce aberrations. Indeed, the phase distribution on the radiating aperture associated with the main reflector is affected by a phase spatial distortion which is all the more important that the signal beam is detuned. These phase distortions result in a degradation of the radiated beam and must be compensated for by a modification of the power supply law of the phased array.
  • the two imaging array antenna configurations also have a second drawback resulting from the variation of the size of the radiating aperture as a function of the misalignment of the beam and due to the fact that the intercept surface of a beam emitted by the phased array varies depending on the misalignment angle. To get an opening radiating identical size, it is then necessary to adjust the size of the phased array according to the misalignment angle.
  • an orthogonal beamformer developed for a direct-radiation phased array is not optimal if it is used for imaging array antennas.
  • the beamformer must be designed in conjunction with the optical system of the antenna, ie with the reflector (s), which is impossible with existing beamformers for which the beamformer is designed independently reflectors of the antenna.
  • a fourth beamforming antenna architecture includes a quasi-optical beamformer in which a signal from a set of input ports is guided between two parallel metal plates to an output port. The propagation of the transmitted signal is interrupted by a reflecting wall which reflects it and focuses it on the output port.
  • the input and output ports are situated in the same propagation medium defined between two parallel plates, the propagation medium possibly comprising a dielectric.
  • the input and output ports are distributed along two distinct orthogonal axes and the reflector wall is illuminated with an offset angle so that it transmits the entire signal from the input ports to one or more , exit port.
  • the input and output ports are located in two different superimposed propagation media, each propagation medium being defined between two parallel metal plates.
  • the two substrate layers constituting the two propagation media are coupled by an internal reflecting wall extending transversely to the plane of the layers.
  • the first substrate layer for example the lower layer, comprises at least one microwave energy source placed at the focus of the internal reflector.
  • the output ports are located in the second layer of substrate.
  • the document FR 2 944 153 describes arranging coupling slots extending along the inner reflector.
  • the energy source placed at the focus of the internal reflector emits a guided cylindrical incident wave in the tri-plate propagation medium.
  • the cylindrical incident wave is reflected by the internal reflector which transforms it into a plane wave.
  • the reflected plane wave is then conveyed by waveguides to a network of radiating slots.
  • the energy is then radiated by radiating slits in the form of a beam.
  • the formation of the beam radiated by the antenna is achieved naturally by simply guiding the wave in the substrate layer, or in the two substrate layers, and via the quasi-optical transition means constituted by the internal reflector and possibly the coupling slots.
  • the displacement of the source in the plane of the focus of the reflector generates wavefronts corresponding to given propagation directions.
  • Scanning and misalignment of the beam in elevation, in a plane perpendicular to the plane of the antenna, is obtained by switching from different sources.
  • the sources are located in the same plane, the misalignment of the beam can not be realized in all directions of space but only in one plane and no azimuth beam formation is possible.
  • a first object of the invention is to provide a multi-beam formatter that does not have the drawbacks of existing beam formers, which is simple to implement, allowing the formation of a large number of thin beams with good beam coverage in a wide angular range and to ensure a misalignment of the beams in all directions of space.
  • a second object of the invention is to provide a beamformer that can be designed and sized in association with reflectors of an antenna.
  • a third object of the invention is to provide a multi-beam forming antenna and in particular an imaging array antenna comprising such a multi-beam trainer and wherein the phase aberrations are greatly reduced.
  • the invention relates to a two-dimensional multi-beam trainer comprising a first beam forming stage intended to synthesize beams focused in a first direction X of the space and a second beam forming stage intended to focus the beams. beams formed by the first stage in a second direction Y of space, the two stages being connected to each other.
  • Each floor has at least two flat multilayer structures superimposed one above the other.
  • Each multi-layer structure of the first and second stages comprises an internal reflector extending transversely to the plane of the multi-layer structure, at least two first internal sources arranged in front of the internal reflector and respectively connected to two first input ports.
  • the two second internal sources of the same multi-layer structure of the first beam-forming stage are respectively connected to two first internal sources of two different multi-layer structures of the second beam-forming stage via the input ports. / output, called link ports, to which are respectively connected the second and first internal sources.
  • the first beam forming stage comprises Ny multilayer planar structures superimposed one above the other, each multi-layer structure of the first stage comprising Nx first internal sources arranged in front of the internal reflector of the multi structure. -layer matching and connected to Nx input / output ports aligned parallel to an axis V and Mx second sources arranged in the focal plane of the corresponding internal reflector and connected to Mx connecting ports aligned parallel to an axis U perpendicular to the axis V.
  • the second beam forming stage comprises Mx multi-layer planar structures superimposed one above the other, each multi-layer structure of the second beam forming stage comprising Ny first internal sources arranged in front of the internal reflector of the corresponding multi-layer structure and connected to Ny link ports aligned parallel to a V axis and My second sources arranged in the focal plane of the corresponding internal reflector (16) and connected to My input / output ports aligned parallel to an axis U perpendicular to the axis V.
  • the Ny multi-layer structures of the first stage comprise Ny * Mx respective connected connection ports Mx * Ny corresponding link ports of the Mx multi-layer structures of the second stage, Nx, Ny, Mx, My being integers greater than 1, the connection ports of the same multi-layer structure of the first stage of beam formation being respectively connected to different multi-layer structures of the second beam-forming stage.
  • each link port of the N-th multilayer structure of the first beam-forming stage is connected to the N-th connection port of one of the corresponding multi-layer structures of the second beam-forming stage, Nk being a whole number. between 1 and Ny included.
  • each multi-layer structure comprises an upper metal plane, a lower metal plane and a single substrate layer interposed between the upper metal plane and the lower metal plane, the internal reflector extends transversely in the substrate layer from the lower metal plane to the upper metal plane and the first and second internal sources of each multi-layer structure are disposed in the substrate and respectively connected to a first and a second input / output port, the first and second input / output ports being arranged in two orthogonal directions of the plane of the substrate layer.
  • the first internal sources of each multi-layer structure are arranged in a first substrate layer sandwiched between an upper metal plane and an intermediate metal plane, the second sources are disposed in a second substrate layer interposed between the intermediate metal plane and a lower metal plane; the first and second substrate layers are coupled by the inner reflector extending from the lower metal plane to the upper metal plane and through an opening or coupling slots extending along the inner reflector and formed in the intermediate metal plane separating the two substrate layers; each multi-layer structure further comprises first waveguides disposed in the second substrate layer, each first waveguide having a first guide portion extending along a longitudinal axis of the multi-layer structure and connected to the second internal sources and a second angled guide portion extending perpendicular to the longitudinal axis and connected to a second input / output port.
  • the second beam forming stage comprises Mx first multi-layer structures and at least Mx second multi-layer structures and each connecting port of the Nth multi-layer structure the first beam-forming stage is connected to the N-th connecting port of one of the corresponding first multi-layer structures of the second beam forming stage and the N-th connecting port of one of the second multi-layer structures of the second beam forming stage, Nk being an integer between 1 and Ny inclusive.
  • the M ⁇ second multi-layer structures of the second beam-forming stage comprise first internal sources linearly offset with respect to the first internal sources of the first M ⁇ multi-layer structures. the second beam forming stage, the linear offset corresponding to a translation of all the first internal sources of the same distance T less than a distance between centers of two first consecutive internal sources.
  • the Mx second multi-layer structures of the second beam-forming stage comprise an internal reflector having an orientation offset from the inner reflector of the first Mx multi-layer structures of the second beam-forming stage.
  • the first beam-forming stage comprises Ny first and Ny second multi-layer structures and the first internal sources of the Ny second multi-layer structures are connected to the first sources. internally of the first Ny multilayer structures, the Ny second multilayer structures of the first beam forming stage comprising first internal sources linearly offset with respect to the first internal sources of the first Ny first multilayer structures of the first beam forming stage .
  • the first stage of beam formation comprises Ny first and Ny second multi-layer structures and the first internal sources of Ny second multi-layer structures are connected to the first internal sources of the Ny first multi-layer structures, the Ny second multi structures first-stage beam-forming layers having an internal reflector having an offset orientation relative to the inner reflector of the first multilayer structures of the first beam forming stage.
  • the single substrate layer or the first and second substrate layers of each multi-layer structure comprise a dielectric material.
  • the dielectric material is a dielectric lens placed between the internal reflector and the first and second internal sources, the dielectric lens having a convex periphery surface and having inclusions of air holes, the inclusions of air holes having a density gradually increasing from the inner reflector to the first and the second internal sources.
  • the single substrate layer or the first and second substrate layers of each multi-layer structure further comprise a first dielectric material having a first dielectric permittivity, the first dielectric material having inclusions of a second dielectric material having a second dielectric permittivity lower than the first dielectric permittivity, the inclusions having a density increasing from the internal reflector towards the first and the second internal sources.
  • the first layer and the second substrate layer of each multi-layer structure comprises deformation means of the internal reflector.
  • the invention also relates to a multi-beam antenna, comprising at least one such two-dimensional multi-beam formatter and a phased array consisting of a plurality of elementary radiating elements, each elementary radiating element being connected to an input port corresponding output of the first beam forming stage via a transmission chain and a microwave signal receiving chain.
  • the antenna further comprises at least one main reflector, the phased array connected to the two-dimensional multi-beam formatter being placed in front of the main reflector in a defocused plane.
  • the antenna further comprises at least one main reflector and one auxiliary reflector, the main reflector and the auxiliary reflector, having different sizes and having the same focal length F and in that the phased array connected to the Multi-beam two-dimensional formatter is placed in front of the auxiliary reflector.
  • each microwave signal transmission and reception chain comprises a dynamic phase shifter.
  • the invention also relates to a satellite telecommunication system comprising such an antenna.
  • Other features and advantages of the invention will become clear in the following description given by way of purely illustrative and non-limiting example, with reference to the attached schematic drawings which represent:
  • FIG. 1a a perspective diagram of an example of a two-dimensional BFN multi-beam formatter according to the invention
  • FIG. 1b a diagram of an example of connections between the multi-beam formatter of FIG. 1a and a phased array, according to the invention
  • FIG. 2a an exploded diagram, in perspective, of a first example of a multi-layer structure of a BFN wafer, according to the invention
  • FIG. 2b an exploded schematic, in perspective, of a second example of multi-layer structure of a BFN wafer, according to the invention
  • FIG. 2c an exploded diagram, in perspective, of an alternative embodiment of the first example of multi-layer structure of a BFN wafer, according to the invention
  • FIG. 2d an exploded schematic, in perspective, of an alternative embodiment of the second exemplary multi-layer structure of a BFN wafer, according to the invention.
  • FIG. 2e a schematic view from above of an example of a dielectric comprising inclusions of air holes, according to an alternative embodiment of the invention
  • FIG. 3 a schematic cross-sectional example of a reflector comprising deformation means on its rear face
  • FIGS. 4a and 4b two diagrams illustrating the connections between the BFN wafers of the two beam forming stages;
  • FIGS. 5a, 5b, 5c three diagrams illustrating a second example of multi-beam former with two dimensions making it possible to improve the overlap between the spots in the first direction of space, according to the invention
  • FIG. 6 is a diagram of a third example of a multi-beam former with two dimensions making it possible to improve the overlap between the spots in the second direction of space, according to the invention.
  • FIG. 7a a diagram of a fourth example of a multi-beam former with two dimensions making it possible to improve the overlap between the spots in the first and in the second direction of the space, according to the invention
  • Figure 7b an example illustrating the recovery of spots in the case of a hexagonal mesh
  • FIG. 8a a diagram illustrating the operation of a first exemplary imaging array antenna comprising a multi-beam formatter, according to the invention
  • FIGS. 8b and 8c two diagrams illustrating the operation of a second example of an imaging array antenna comprising a multi-beam formatter, according to the invention
  • FIG. 8d a diagram illustrating an example of transmission and reception chains connected to a multibeam format and including dynamic phase shifters, according to the invention
  • FIG. 9 is a diagram of a second exemplary embodiment of an imaging array antenna comprising a two-dimensional multibeam format according to the invention.
  • the two-dimensional multi-beam formatter (Beam Forming Netwok) comprises a first beamforming stage capable, on transmission to form focused signal beams in a first dimension of the space, for example parallel to an X axis and a second beam forming stage connected to the first beam forming stage, the second beam forming stage being capable of at the emission, to focus the beams formed by the first beam forming stage, in a second dimension of the space, for example parallel to a Y axis.
  • Beam Forming Netwok comprises a first beamforming stage capable, on transmission to form focused signal beams in a first dimension of the space, for example parallel to an X axis and a second beam forming stage connected to the first beam forming stage, the second beam forming stage being capable of at the emission, to focus the beams formed by the first beam forming stage, in a second dimension of the space, for example parallel to a Y axis.
  • the X and Y axes are related to the radiating elements 30 of a phased array 41 to which the multi-beamformer is intended to be connected and may not be orthogonal.
  • the orientation of these axes X and Y depends on the connections, partially shown in FIG. 1b, between the radiating elements of the phased array and the input / output ports 27 of the multi-beamformer to which these radiating elements 30 are intended to to be connected.
  • the phased array comprises a mesh of rectangular shape, but the invention is not limited to this form of mesh and can also be applied to a phased array having, for example a mesh of hexagonal or square shape.
  • the two beam forming stages comprise corresponding ports 25, 26 connected in pairs, called connection ports in the following description.
  • Each beamforming stage has at least two plane beam forming structures, referred to as slices of BFN, P1 1 to P1 NY and P21 to P2Mx, where Ny and Mx are integers greater than one, the slices of BFN being stacked parallel to each other along an axis perpendicular to the plane U, V, respectively LT, V, of the planar structure.
  • Each BFN P1 Nk slice of the first beamforming stage where Nk is an integer between 1 and Ny inclusive, has Nx input / output ports 27, where Nx is an integer greater than one, intended to be connected to Nx radiating elements 30 of a phased array 41 of a multi-beam antenna through transmission and reception chains for the transmission of signal beams synthesized by the multi-beam trainer to different zones of ground coverage and for receiving signal beams from different ground coverage areas.
  • Each BFN P2Mi slice of the second beamforming stage, where Mi is an integer between 1 and Mx inclusive has My input / output ports 28, where My is an integer greater than one, destined for transmission, to be connected to a microwave signal supply and on reception, to receive the signals separated by the multi-beam trainer.
  • the two-dimensional multi-beam formatter therefore has Nx * Ny input / output ports 27 intended to be connected to Nx * Ny radiating elements of an antenna and Mx * My input / output ports 28 intended to be connected to a supply of microwave signals and to form Mx * My spots on the ground.
  • the input / output ports 27, 28 are waveguide accesses whereas in the case of an embodiment in integrated circuit technology, the input / output ports 27, 28 are connectors.
  • the Ny slices of BFN of the first stage P1 1 to P1 NY and the Mx slices of BFN of the second stage P21 to P2Mx of the multibeam trainer have an identical structure and function in the same way but may have a number of input ports / output 27, 28 different and therefore a number of different transmit / receive channels.
  • the two beam forming stages are arranged in two UV, LTV planes perpendicular to each other, but it is not essential.
  • the beams of synthesized signals In order for the beams of synthesized signals to be transmitted by the beamformer to be focused according to the two dimensions X, Y of the space, it is however necessary to connect each connection port 25 of the same Nth BFN slice P1 Nk the first beam forming stage at an Nth corresponding link port 26 of one of the different BFN P21 to P2Mx slots of the second beam forming stage.
  • FIG. 2a represents an exploded schematic, in perspective, of an exemplary BFN slice, according to a first embodiment of the invention.
  • the BFN wafer comprises a multi-layer planar structure comprising two parallel metallic planes, respectively lower 14 and upper 10, and a substrate layer 9 interposed between the two lower and upper metal planes 14, 10.
  • the two planes Metals and the substrate layer of the BFN wafer are parallel to a UV plane.
  • the multi-layer structure thus formed forms a propagation medium in the so-called triplate configuration.
  • the height of the slice of BFN is disposed along an axis W orthogonal to the UV plane.
  • the substrate layer 9 comprises two networks of input / output ports 27, 25, depending on whether the BFN slot is used on transmission or on reception, arranged orthogonally along the V and U axes.
  • the two networks of input / output ports respectively comprise four input / output ports 27 aligned in the direction V and two input / output ports 25 aligned in the direction U.
  • the input ports / 25, 27 are coupled through an inner reflector 16 disposed transversely in the substrate layer 9, the inner reflector 16 extending from the lower metal plane 14 to the upper metal plane 10.
  • Each input / output port 27, 25 is connected to a waveguide 20, 19 connected to an internal source 15, respectively 18.
  • FIG. 2b represents an exploded schematic, in perspective, of an example of a slice of BFN, according to a second embodiment of the invention.
  • the slice of BFN has a flat multi-layer structure of Pill-box type. It comprises three parallel metallic planes, respectively lower 14, intermediate 12 and upper 10, a first substrate layer 11 and a second substrate layer 13, each substrate layer 11, 13 being respectively interposed between two successive parallel metallic planes, the intermediate metal plane 12 separating the two substrate layers 1 1,
  • the planes of the different layers of the BFN slice are parallel to a UV plane.
  • the multi-layer structure thus formed forms two propagation media in the so-called tri-plate configuration, each tri-plate propagation medium comprising a substrate layer disposed between two metal planes.
  • the height of the slice of BFN is disposed along an axis W orthogonal to the UV plane.
  • the two substrate layers 1 1, 13 are coupled by an internal reflector 16 disposed transversely in the two substrate layers 1 1, 13 of the BFN wafer, the internal reflector 16 extending from the lower metal plane 14 to the upper metal plane 10, and via an opening or several coupling slots 17 extending along the inner reflector 16 and made in the intermediate metal plane 12 separating the two substrate layers 1 1, 13.
  • the multi-layer structure comprises two networks of input / output ports, depending on whether the BFN slot is used at transmission or reception, arranged orthogonally along the axes U and V.
  • the two networks of input / output ports respectively comprise four input / output ports 27 aligned in the direction V and two input / output ports 25 aligned in the direction
  • Each input / output port 27, 25 is connected to a waveguide 20, 19 connected to an internal source 15, 18.
  • the waveguides 19 of the second substrate layer 13 are preferably bent at 90.degree. °, so as to connect input / output sources 18 and input / output ports 25 arranged along orthogonal axes.
  • Each slice of BFN can operate in transmission or reception.
  • the input / output ports 27 are intended to receive an incident microwave signal and to retransmit it into the first tri-plate propagation medium of the BFN slot which combines the signals re-transmitted by all the first internal sources 15.
  • the internal reflector 16 reflects the combined signal and focuses it in its focal plane on one of the second internal sources 18 of the BFN slot as a function of the arrival direction of the incident signal.
  • an excitation signal is applied to one of the second internal sources 18 of the BFN wafer, then reflected on the internal reflector 16.
  • the energy of the signal reflected by the internal reflector 16 is propagated in the tri-plate propagation medium then is distributed on all the first internal sources 15 of the BFN slice.
  • the first internal sources 15 transmit this energy in the form of signal beams to the first input / output ports 27 to which they are respectively connected.
  • the input / output ports 27 connected to the first internal sources 15 being arranged on the same line parallel to the direction V, the signal beams transmitted on each first input / output port 27 of the BFN wafer are focused according to a only dimension of the space, for example parallel to the Y direction, and form a line of ground cover areas called spots.
  • the number of spots formed on the ground is equal to the number of input / output ports 25 placed in the focal plane of the internal reflector 16 of the BFN wafer.
  • FIG. 2b four input / output ports 27 in the first substrate layer 11 and two input / output ports 25 in the second substrate layer 13 are shown, which makes it possible to develop two different beams corresponding to two different pointing directions and the formation of two ground spots.
  • the substrate layer 9 or the first and second substrate layers 11, 13 of the BFN wafer may comprise a dielectric.
  • the BFN slice can be made using PCB printed circuit board technology.
  • the internal reflector 16 the transverse walls of the first internal sources 15, and if appropriate of the second internal sources 18, and the transverse walls of the waveguides 19, 20 are made by regular arrangements of metallized holes passing through the substrate layer or layers 9, 11, 13 and connecting the upper and lower metal plates 14, respectively the upper and intermediate plates 12 and / or the intermediate plates 12 and lower 14.
  • SIW Substrate Integrated Waveguide
  • laminate laminated
  • the use of tri-plate dielectric propagation media provides a multi-beam trainer very compact and compact.
  • the excitations of the input / output ports of the internal microwave sources are then realized by transitions.
  • this technology induces propagation losses which must be compensated by amplifiers arranged upstream of the first internal sources of the BFN wafer.
  • the substrate layer 9 or the first and second substrate layers 11, 13 of the BFN wafer may comprise a dielectric medium having a dielectric permittivity gradient, the dielectric permittivity decreasing progressively from the internal reflector 16 to the first and second internal sources 15, 18.
  • the dielectric permittivity gradient can be obtained by using a dielectric material having a first dielectric permittivity ⁇ and having inclusions 22 of a different dielectric material having a second dielectric permittivity ⁇ 2 smaller than the first dielectric permittivity ⁇ - ⁇ .
  • the inclusions 22 must have dimensions b less than the wavelength of said signals and the distances d separating two consecutive inclusions must be less than the wavelength of said signals.
  • the density of the inclusions increases from the reflector 16 towards the first and second internal sources 15, 18 of the BFN wafer so that the dielectric permittivity decreases more and more as it gets closer to the first and second internal sources 15, 18.
  • the dielectric permittivity gradient can be obtained for example by inclusions 22 of air holes formed in the dielectric medium.
  • the air holes are not metallized and can be made by holes opening through the upper metal plate 10, the density of air holes increasing from the reflector 16 to the first and second internal sources 15 , 18 of the BFN slice to decrease dielectric permittivity near internal sources.
  • the metal deposition of the upper metal plate 10 having been destroyed locally by the drilling of the air holes, it is necessary to make an additional deposit of a dielectric layer above the upper metal plate 10 and depositing an additional metal layer above the additional dielectric layer to restore the sealing of the propagation medium.
  • the dielectric permittivity gradient can be obtained by using a dielectric medium consisting for example of a dielectric lens 21 with a convex periphery, having a dielectric permittivity ⁇ greater than the dielectric permittivity of the air, and including inclusions 22, such as represented for example in Figures 2d and 2e.
  • the inclusions 22 may for example be inclusions of air holes, the diameter and / or the density of the inclusions 22 progressively increasing from the internal reflector to the internal sources 15, 18.
  • the use of a dielectric medium having a permittivity gradient in the first and second substrate layers 9, 11, 13 of the BFN slice has the advantage of curving the direction of propagation of the signals and thus to be able to use first and second internal sources 15, 18 less directive. It then becomes possible to tighten the synthesized beams. The first and second internal sources 15, 18 are then reduced in size, the multi-beam formatter is more compact and the recovery of the synthesized beams is better.
  • each slice of BFN may comprise deformation means making it possible to modify the shape of the reflector 16 internal to the multi-layer structure of said slice of BFN, as represented for example in FIG. 3.
  • deformation means may for example comprise a set 23 of pistons associated with actuators, the pistons being regularly distributed on the rear face of the reflector 16, the rear face being the face of the reflector opposite to the reflecting face of the microwave waves.
  • the deformation means of the reflector 16 thus make it possible to optimize the shape of the internal reflector 16 and to effectively focus the signals on the second sources 18 of each BFN wafer, according to their direction of arrival on the first internal sources 15.
  • the deformation means of the reflector 16 also make it possible to produce contoured beams of any previously chosen shape.
  • the deformations of the internal reflector may, for example, be different from one slice of BFN to another slice of BFN to produce contour beams of different shapes.
  • the first stage of the beamformer comprises Nx * Ny input / output ports of signal beams for connection to Nx * Ny radiating elements 30 of a multi-beam antenna.
  • the second stage of the beamformer includes Mx * My signal input / output ports, allowing emission, to form Mx * My focused beams in the two directions X and Y of the space corresponding to Mx * My ground spots .
  • Nx, Ny, Mx, My are integers greater than 1.
  • the first beam forming stage comprises Ny slices of BFN, P1 1,..., P1 Ny, superimposed one above the other. other, each first stage BFN P1 Nk slot having Nx input / output ports, 271 to 27Nx, signal beams and Mx link ports, 251 to 25Mx, respectively connected to Mx BFN slots, P21 to P2Mx, from the second floor.
  • the second beam forming stage comprises Mx slices of BFN, P21 to P2Mx superimposed on each other, each slice of BFN P2Mi of the second beam forming stage comprising Ny binding ports, 261 to 26Ny respectively connected respectively to the Ny slices of BFN, P1 1 to P1 Ny, of the first stage and My input / output ports 281 to 28My intended, on transmission, to be supplied by excitation signals, and on reception, to receive signals focused in the two dimensions of the X and Y space by the two stages of the multi-beam formatter.
  • Nx, Ny, Mx and My are equal to two and make it possible to form two lines of two beams corresponding to four ground spots, 1 to 4.
  • the Ny slices of BFN, P1 1 to P1 Ny, of the first stage comprise Ny * Mx connection ports respectively connected to Mx * Ny corresponding link ports of the Mx slices of BFN, P21 to P2Mx, of the second stage.
  • the first BFN slot P1 1 of the first stage has Mx link ports 251 to 25Mx connected to the first link ports 261 of each of the Mx BFN slots P21 to P2Mx of the second slot.
  • each Nth Nth stage of the first stage BFN P1 Nk includes Mx link ports connected to the Nth 26Nk link port (not shown) of each of the Mx BFN slices, P21 to P2Mx, of the second stage, up to the last slice of BFN, P1 Ny, of the first stage which comprises Mx link ports connected to the last link ports, 26Ny, of each of the Mx slices of BFN, P21 to P2Mx, of the second stage.
  • the first beam forming stage comprises three slots of BFN, each BFN slot comprising five input / output ports and five connection ports.
  • the second beamforming stage has five BFN slots, each BFN slot having three input / output ports and three link ports, the five ports of BFN. connecting each BFN slice of the first beam forming stage being respectively connected to one of the three corresponding link ports of the five different BFN slices of the second stage.
  • the two-dimensional multi-beam formatter can operate in transmission and / or reception. It is possible to use a single beamformer operating on transmission and reception or alternatively to use two different beamformers, one operating on transmission and the other on reception. In the case where a single beamformer is used for the transmission and reception of signals, switching between transmission and reception can be carried out for example, either from the frequencies of the signals, the transmission frequencies and the reception frequencies being located in different frequency bands, either by a predetermined time sequencing, or by any other known method.
  • the first internal sources receive a signal transmitted by the radiating elements of a phased array and re-transmit the energy of the received signal in each BFN slot of the first beam-forming stage.
  • the energy is first focused, in a first dimension of space, on one of the second sources 18 of the first stage via the internal reflector.
  • the second source 18 which collects the focused energy depends on the direction of arrival of the signal.
  • the focused signal in the first dimension of the space is then transmitted to one of the first internal sources of each BFN slice of the second beam forming stage.
  • each BFN slice of the second stage the beam is focused a second time, in the same way as in the first stage, in a second dimension of the space perpendicular to the first dimension of space, on one of the second sources 18 of one of the second stage BFN slices and transmitted to the input / output port 28 at which she is connected.
  • the second stage BFN slices having a structure identical to that of the first stage BFN slices, the beam focusing is carried out according to the same principle in both stages.
  • an excitation signal is applied to one of the input / output ports 28 of the second beam forming stage and transmitted, via the second source 18 to which it is connected, to the inside the corresponding BFN slice.
  • the signal is guided in the waveguide 19 connected to the second source 18 and then reflected on the internal reflector 16.
  • the energy reflected by the internal reflector 16 is then distributed over all the first sources 15 the second stage BFN slot then transmitted to one of the second sources 18 of each first stage BFN slot to which the first sources of the second stage BFN slot are respectively connected.
  • the energies of the signal beams transmitted to the second sources 18 of the first stage BFN slices are then reflected by the internal reflector 16 of the first stage BFN slices and then distributed over all the first sources of the first stage BFN slices. beams.
  • the signal beams synthesized by the beamformer are then transmitted to all the phased array radiators 30 to which the first sources of the first beamforming stage are connected and then the signal beams are emitted to ground coverage areas. constituting the spots.
  • the invention consists in adding additional BFN slices to obtain additional spots between two initial consecutive spots of the same line. and / or to realize additional spot lines interspersed between two lines of initial spots.
  • the exemplary embodiment illustrated schematically in FIG. 5a represents two BFN slices of the first beam forming stage connected to the same radiating elements.
  • This embodiment having only one beam forming stage, the beams 1 and 3 corresponding are focused in a single direction Y and correspond to two lines of spots L1 and L2 widened in the direction X where there is no focus of the beams.
  • additional spot lines L'1, L'2, parallel to the Y direction are added to two lines of spots L1, L2, using twice as many slices BFN of the first beam forming stage than radiating elements of the defocused network and connecting two slices of BFN, P1 1, ⁇ 1, different from the first beam forming stage to each of the radiating elements 30 of the defocused network 41.
  • the addition of additional BFN slices restee 1 requires placing a signal splitter at the output of the radiating elements 30 of the phased array, which induces losses which must be compensated by an amplifier.
  • the second slice of BFN ⁇ 1 In order to obtain additional spot lines 1 and 2, it is also necessary for the second slice of BFN ⁇ 1 to have a linear offset, for example of a half-stitch, a mesh corresponding to the spacing between two first internal sources 15 ', with respect to the first portion of BFN P1 1 with respect to the respective position of the first internal sources 15' relative to the corresponding inner reflector 16 '.
  • the linear offset can be obtained either by applying a translation to the first internal sources 15 'of the second BFN slice as shown schematically in FIG. 5c, or by applying a rotation to the internal reflector 16' of the second slice of BFN to change it. the orientation, the position of the first internal sources 15 'then not being modified.
  • a linear offset for example of a half-stitch
  • the second stage of BFN, ⁇ 1, of the first stage comprises first internal sources 15 'linearly offset along the axis V perpendicular to the longitudinal direction U of the BFN slice with respect to the first internal sources 15 of the first slice of BFN, P1 1, of the first stage connected to the same radiating element 30.
  • the linear offset corresponds to a translation of all the first internal sources 15 'of a same distance T less than the distance between the centers of two first consecutive sources 15.
  • the linear offset T may for example be equal to half the distance between the centers of two first consecutive sources, that is to say half a mesh.
  • the second beam-forming stage not shown in FIG. 5a, also has twice as many BFN slices, each second-stage BFN slice being connected to the together the first stage BFN slices via the link ports, as indicated above in conjunction with Figures 4a and 4b.
  • the number of spot lines is unchanged but additional spots 5, 6, 7, 8 are added on each line of spots, L1, L2, each additional spot being inserted between two initial consecutive spots 1, 2, 3, 4, so as to fill ground cover holes on each spot line.
  • additional spots 5, 6, 7, 8 are added on each line of spots, L1, L2, each additional spot being inserted between two initial consecutive spots 1, 2, 3, 4, so as to fill ground cover holes on each spot line.
  • Each link port, 251 to 25Mx, BFN slices, P1 1 to P1 Ny, of the first stage is then connected to a link port, 261 to 26Ny, of a first slice of BFN, P21 to P2Mx, of the second beam forming stage and at a connecting port, 26 ⁇ to 26'Ny, a second BFN slice, P'21 to P'2Mx, second stage.
  • a link port, 261 to 26Ny of a first slice of BFN, P21 to P2Mx, of the second beam forming stage and at a connecting port, 26 ⁇ to 26'Ny, a second BFN slice, P'21 to P'2Mx, second stage.
  • the second slice of BFN, P'21 to P'2Mx, of the second stage comprises first internal sources 15 'linearly offset along the axis V perpendicular to the longitudinal direction U of the second slice of BFN with respect to the first internal sources 15 of the first slice of BFN, P21 to P2Mx, of the second stage connected to the same link port of the first beam forming stage.
  • the positions of the first internal sources are identical for the first portion P21 to P2Mx and the second slice P'21 to P'2Mx of BFN of the second stage but the inner reflector 16 'of the second slice P'21 to P'2Mx of BFN of the second stage is angularly offset relative to the reflector 16 of the first slice P21 to P2Mx of the second floor.
  • additional spots and additional lines are added.
  • the number of BFN slices of the first beamforming stage and the number of BFN slices of the second beamforming stage are doubled as indicated in connection with FIG. FIG. 5a and in addition, for the addition of the additional spots on each spot line L1, L2, L'1, L'2, the number of BFN slices of the second beam-forming stage is doubled again as indicated in connection with FIG. 6.
  • the number of BFN slices of the first stage P1 1 to P1 Ny, ⁇ 1 to ⁇ Ny is doubled and the number of slices of BFN from the second stage P21 to P2Mx, P'21 to P'2Mx, P "21 to P" 2Mx, P '"21 to P"' 2Mx is quadrupled.
  • a hexagonal mesh as shown for example in Figure 7b, can also be realized with the same configuration of the two beam forming stages as that shown in the embodiment of Figure 7a. For this, it is necessary either to shift, by half a mesh, the first internal sources of the additional BFN slices P "21 to P" 2Mx and P "" 21 to P "'2Mx, or to offset the second sources additional BFN slices P "21 to P" 2Mx and P "" 21 to P "'2Mx, ie to modify the orientation of the internal reflector 16 of these additional BFN slices P" 21 to P "2Mx and P' "21 to P” '2Mx.
  • FIGS. 8a, 8b and 8c represent three diagrams illustrating the operation of a first example (FIG. 8a) and a second example (FIGS. 8b and 8c) of an imaging array antenna comprising a main reflector 40, a defocused phased array 41 placed in front of the main reflector 40 and a multi-beam trainer according to the invention.
  • the radiating network 41 considered is a linear network and a single slice of BFN is considered for the formation of a beam.
  • the internal reflector 16 at the BFN wafer is disposed in an offset configuration corresponding to the first embodiment of the BFN wafer described with reference to FIG. 2a.
  • the internal reflector 16 at the BFN wafer reflects the signals in the same direction as the incident beam, which corresponds to the second embodiment of the BFN wafer described with reference to FIG. 2b.
  • the direction of the incident beam 33a is normal to the main reflector 40 of the antenna while in FIG. 8c the direction of the incident beam 33b is detuned relative to the normal direction.
  • the phased array 41 consists of a plurality of elementary radiating elements 30, each elementary radiating element 30 being intended to transmit and / or receive beams of microwave signals.
  • Each elementary radiating element 30 is connected to an input / output port 27 of the BFN wafer by a transmission chain and a microwave signal reception chain and via connecting guides 42.
  • each receive chain may comprise an amplifier 31 for masking the energy losses in the BFN slices of the beamformer.
  • the amplifier 31 is a power amplifier and on reception the amplifier 31 is a low noise amplifier.
  • each transmission and reception system may also comprise a dynamic phase shifter 32, as represented for example in FIG. 8d, making it possible in particular to compensate for the deformations of the main reflector 40 of the imaging array antenna and the static errors of manufacture and integration of the antenna.
  • the deformations of the main reflector may for example be due to temperature variations or instabilities of a satellite to which the imaging array antenna is fixed.
  • the input / output ports 25 connected to the second internal sources 18 of the BFN slot are intended to be connected to receiving received signal processing means and remission means from excitation means.
  • an incident signal beam 33a, 33b is reflected by the main reflector 40 on the phased array 41.
  • the energy of the reflected beam 34a, 34b is picked up by almost all the radiating elements 30 of the phased array 41 and then transmitted by each reception chain to the input / output ports 27, and guided by the linking guides 42 to all the first internal sources 15 of the BFN slices.
  • the first internal sources re-transmit the energy of the signal received in the BFN slot, where the energy is focused on one of the second sources 18 via the internal reflector 16 and transmitted to one of the ports of Inlet / outlet 25.
  • the input / output port 25 which collects the focused energy depends on the direction of arrival of the signal. As shown in Figures 8b and 8c, for two different directions of arrival, the energy is focused on two different ports 25a, 25b.
  • an excitation signal is applied to one of the input / output ports 25 and transmitted, via the second source 18 to which it is connected, inside the BFN slot. .
  • the signal energy is reflected on the inner reflector 16 and distributed over all the first sources of the BFN slice.
  • the signal beams synthesized by the BFN wafer are then transmitted to all the radiating elements 30 of the defocused phased array 41 to which the first sources 15 are connected and then transmitted to the main reflector 40 of the antenna which reflects the beams to zones of ground cover constituting the spots.
  • the second embodiment of a BFN wafer corresponding to FIGS. 2b, 8b and 8c makes it possible to obtain a more efficient imaging array antenna than using a multi-beam formatter according to the first embodiment corresponding to FIGS. 2a and 8a.
  • the slices of BFN have an internal reflector placed in an offset configuration.
  • the second internal sources 18 associated with the input / output ports 25 are centered with respect to the internal reflector 16, which improves the misalignment performance of the imaging array antenna because the antenna will have fewer phase aberrations.
  • this optical configuration is only possible thanks to the separation, on different layers of substrates, incident signals and reflected on the inner reflector 16.
  • any other type of known multi-beam trainer it would be impossible to make an antenna with equivalent configuration operating in a free space because the phased array would then block the signal reflected by the auxiliary reflector.
  • the invention presents the advantage of being able to realize, in the imaging array antenna associated with the multibeam format, important optical paths similar to those which are established in a Cassegrain-type dual reflector antenna configuration while minimizing the space requirement of the 'antenna.
  • the inner reflector of the multi-beam formatter is elliptical in shape.
  • the imaging array antenna associated with the multi-beam trainer according to the invention compared with the configuration of an equivalent Cassegrain-type antenna, relates to its radiation performance.
  • the imaging network antenna made from a reflector and a defocused phased array and associated with the multi-beam trainer according to the invention has several parameters making it possible to optimize its operation, such as the shape of the main reflector 40, the arrangement of the radiating elements 30 of the phased array 41, the length of the connecting guides 42, the arrangement of the first internal sources 15, the shape of the internal reflector 16, and the arrangement of the second internal sources 15. These different degrees of freedom can be optimized to minimize phase aberrations in multiple directions of arrival, and thus significantly extend the antenna's angular coverage.
  • the Cassegrain antenna configuration can be optimized only with regard to the shape of the main and auxiliary reflectors and thus form only two foci.
  • a reflector antenna which has two contiguous sources arranged in the antenna focal plane generates two beams overlapping at a low level, typically -4 to -5 dB.
  • the same problems of overlap between beams appear for an imaging array antenna with a quasi-optical multi-beam trainer according to the invention, but as described with reference to FIGS. 5a, 6 and 7, the invention makes it possible to solve this problem by adding additional BFN slices in the two stages of the quasi-optical multi-beam trainer whereas in known antennas this problem can only be solved by multiplying the number of antennas used.
  • the two-dimensional multi-beam formatter can also be used in other types of antenna, such as, for example, a direct-radiation phased array or an imaging array antenna comprising two external parabolic reflectors of different sizes having the same focal length, such as as shown for example in Figure 9.
  • a direct radiation network the antenna has no external reflector, the beams synthesized by the multi-beam trainer are directly emitted by the radiating elements of the phased array and form the spots on the ground.
  • the phased array 41 associated with the two-dimensional multi-beam formatter according to the invention is placed in front of the auxiliary reflector 44.
  • a signal beam incident on the main reflector 40 is reflected towards the auxiliary reflector 44 through the focal plane F located between the main reflector and the auxiliary reflector.
  • the signal reflected a first time by the main reflector 40 and imaged by the focal plane F is reflected a second time by the auxiliary reflector 44 on the phased array 41 and focused by the multi-beam trainer.
  • the beams synthesized by the multi-beam trainer are emitted by the phased array and then follow the propagation path opposite to that followed on reception.
  • a single multi-beam trainer is connected to the phased array.
  • the multi-beam trainer can only operate in a single polarization whereas the phased array can extract signals in two orthogonal polarizations.

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

Le formateur multi-faisceaux comporte: deux étages connectés entre eux et destinés à synthétiser des faisceaux focalisés selon deux directions de l'espace, chaque étage comporte au moins deux structures planes multi-couches (P11, P1Ny), (P21, P2Mx), superposées l'une au-dessus de l'autre, chaque structure multi-couches (P11, P1Ny, P21, P2Mx) comporte un réflecteur interne, au moins deux premières sources internes disposées devant le réflecteur interne et reliées à deux ports d'entrée/sortie (27, 26) alignés selon un axe (V, V'), au moins deux secondes sources internes disposées dans un plan focal du réflecteur interne et reliées à deux seconds ports d'entrée/sortie (25, 28) alignés selon un axe (U, U') perpendiculaire à l'axe (V, V'), les deux secondes sources internes de la même structure multi-couches (P11) du premier étage sont respectivement reliées à deux premières sources internes de deux structures multi-couches différentes (P21), (P2Mx) du deuxième étage.

Description

Formateur multi-faisceaux à deux dimensions, antenne comportant un tel formateur multi-faisceaux et système de télécommunication par satellite comportant une telle antenne
La présente invention concerne un formateur multi-faisceaux à deux dimensions, une antenne comportant un tel formateur multi- faisceaux et un système de télécommunication par satellite comportant une telle antenne. Elle s'applique notamment au domaine des télécommunications par satellite.
Dans le domaine des télécommunications par satellite, il est nécessaire de disposer d'une antenne à formation de faisceaux permettant de couvrir un vaste territoire, tel que l'Europe par exemple, avec un très grand nombre de faisceaux fins ayant une ouverture angulaire par exemple inférieure à 0,2°, et avec un bon recouvrement des faisceaux.
Une première architecture d'antenne à formation de faisceaux, appelée antenne à réflecteur avec un réseau focal, consiste à utiliser un réseau de sources associé à un réflecteur, par exemple parabolique, le réseau de sources, appelé réseau focal, étant placé dans un plan focal situé au foyer du réflecteur. En réception, le réflecteur réfléchit une onde plane incidente reçue et la focalise dans le plan focal du réflecteur sur le réseau focal. Selon la direction d'arrivée de l'onde plane incidente sur le réflecteur, sa focalisation par le réflecteur est réalisée en différents points du plan focal. Le réflecteur permet donc de concentrer l'énergie des signaux incidents reçus sur une zone réduite du réseau focal, cette zone dépendant de la direction d'arrivée du signal incident. La synthèse d'un faisceau correspondant à une direction particulière, peut donc être réalisée à partir d'un nombre réduit de sources présélectionnées du réseau focal, typiquement de l'ordre de sept sources pour un réseau focal comportant par exemple de l'ordre de deux cent sources. Les sources sélectionnées pour la synthèse d'un faisceau sont différentes d'un faisceau à un autre et sélectionnées selon la direction d'arrivée des signaux incidents sur le réflecteur. Pour la synthèse d'un faisceau, un formateur de faisceaux combine tous les signaux focalisés sur les sources sélectionnées dédiées à ce faisceau. Le nombre de sources dédié à un faisceau étant faible, ce type d'antenne présente l'avantage de fonctionner avec un formateur de faisceau de complexité réduite et ne posant pas de problème majeur pour sa réalisation même lorsque le nombre de faisceaux augmente significativement, par exemple pour 400 faisceaux. Cependant en cas de perte d'une source, par exemple suite à une panne d'un amplificateur de signaux positionné en sortie de cette source, le faisceau correspondant sera fortement altéré. Pour éviter la perte d'une source, il est donc nécessaire de doubler le nombre d'amplificateurs positionnés en sortie de chaque source ainsi que toutes les chaînes électroniques de commande correspondantes. Ce qui augmente la complexité et l'encombrement de l'antenne.
Une deuxième architecture d'antenne à formation de faisceaux, appelée antenne réseau phasé (en anglais : phased array antenna), consiste à utiliser un réseau de sources rayonnantes à rayonnement direct dans lequel toutes les sources participent à la synthèse de chacun des faisceaux, la synthèse de chaque faisceau étant réalisée par un formateur de faisceaux par application d'une matrice de déphasage en sortie du réseau de sources rayonnantes de manière à compenser le retard de rayonnement des sources les unes par rapport aux autres pour chaque direction de rayonnement du réseau de sources rayonnantes. Par conséquent, tous les faisceaux sont formés par l'ensemble des sources, seule la loi de retard appliquée à chaque source change d'un faisceau à un autre faisceau. Cette architecture présente l'avantage d'une moindre sensibilité de l'antenne en cas de perte de sources et permet de diminuer le nombre de chaînes d'amplification par un facteur deux mais présente l'inconvénient d'un formateur de faisceaux très complexe à réaliser, voire irréalisable actuellement lorsque le nombre de faisceaux à synthétiser est très important. En effet, pour synthétiser par exemple un faisceau avec un réseau de 300 sources rayonnantes, le formateur de faisceaux doit combiner les 300 signaux hyperfréquences en sortie de chaque source. Pour synthétiser 100 faisceaux avec un réseau de 300 sources rayonnantes, cette combinaison doit être réalisée 1 00 fois. Les matrices de déphasage correspondantes sont donc très volumineuses et ne peuvent pas être réalisées avec des circuits hyperfréquences. Par conséquent, ce type d'antenne n'existe actuellement que pour un nombre limité de faisceaux et de sources, tel que par exemple 6 faisceaux et 64 sources.
Il est possible de réaliser la synthèse d'un grand nombre de faisceaux et d'obtenir un grand nombre de spots en utilisant une formation numérique des faisceaux. Pour cela, les signaux hyperfréquences sont convertis au niveau de chaque source en signaux numériques avant d'être appliqués en entrée du formateur de faisceaux numérique. Cette solution nécessite cependant d'implanter des dispositifs de transposition de fréquence et des convertisseurs analogique / numérique au niveau de chaque source, ce qui augmente la complexité, la masse, le volume et la consommation de l'antenne et n'est pas acceptable pour une utilisation dans le domaine des télécommunications multimédia.
Une troisième architecture d'antenne à formation de faisceaux multiples, consiste à utiliser un réseau phasé comportant des sources de petite taille magnifié par un système optique comportant un ou plusieurs réflecteurs. Cette architecture peut être appelée antenne réseau imageur, car le réseau focal conserve globalement les mêmes caractéristiques qu'un réseau phasé à rayonnement direct, la synthèse d'un spot étant réalisée par la quasi-totalité des sources.
Une première configuration d'antenne réseau imageur comporte deux réflecteurs paraboliques, principal et secondaire, ayant le même foyer et un réseau phasé. Le réflecteur parabolique principal est de grande taille, le réflecteur parabolique secondaire est de taille plus faible, le réseau phasé placé devant le réflecteur secondaire comporte des sources de taille réduite. Le comportement de cette antenne est similaire à celui de l'antenne réseau phasé à rayonnement direct mais présente l'avantage d'augmenter la taille de l'ouverture rayonnante de l'antenne par rapport à une antenne réseau phasé à rayonnement direct, avec un facteur d'agrandissement défini par le rapport des diamètres des deux réflecteurs, ce qui permet de diminuer la taille des sources du réseau phasé et donc la taille des faisceaux. Son principal inconvénient réside dans la complexité du formateur de faisceaux associé au réseau phasé car, comme dans le cas de l'antenne réseau phasé à rayonnement direct, l'ensemble des sources participe à la contribution de l'ensemble des faisceaux.
Une deuxième configuration d'antenne réseau imageur comporte un seul réflecteur parabolique et un réseau phasé défocalisé placé devant le réflecteur. Cette configuration présente un facteur d'agrandissement de l'ouverture rayonnante de l'antenne par rapport à une antenne réseau phasé à rayonnement direct, égal au rapport entre la focale du réflecteur parabolique et la distance à laquelle le réseau a été défocalisé. Dans cette configuration, la plupart des sources participe de façon identique à la contribution de l'ensemble des faisceaux, mais le fonctionnement du réseau phasé est un peu différent de celui d'un réseau phasé à rayonnement direct, ou de celui du réseau phasé associé à la première configuration d'antenne réseau imageur. Au contraire de ces deux types de réseaux phasés qui émettent une onde plane, le réseau défocalisé associé à une configuration d'antenne réseau imageur à un seul réflecteur émet une onde sphérique, qui est convertie en onde plane par le réflecteur principal.
Les deux configurations d'antenne réseau imageur présentent deux inconvénients majeurs. En raison de l'éloignement du réseau phasé par rapport au foyer du ou des réflecteurs, ils induisent des aberrations. En effet, la distribution de phase sur l'ouverture rayonnante associée au réflecteur principal est affectée par une distorsion spatiale de phase qui est d'autant plus importante que le faisceau de signaux est dépointé. Ces distorsions de phase se traduisent par une dégradation du faisceau rayonné et doivent être compensées par une modification de la loi d'alimentation du réseau phasé. Les deux configurations d'antenne réseau imageur présentent également un deuxième inconvénient provenant de la variation de la taille de l'ouverture rayonnante en fonction du dépointage du faisceau et dû au fait que la surface d'interception d'un faisceau émis par le réseau phasé varie en fonction de l'angle de dépointage. Pour obtenir une ouverture rayonnante de taille identique, il est alors nécessaire d'ajuster la taille du réseau phasé en fonction de l'angle de dépointage.
Du fait de ces différents inconvénients, un formateur de faisceaux orthogonaux développé pour un réseau phasé à rayonnement direct n'est pas optimal s'il est utilisé pour les antennes réseau imageur. Le formateur de faisceau doit être conçu en association avec le système optique de l'antenne, c'est-à-dire avec le ou les réflecteurs, ce qui est impossible avec les formateurs de faisceaux existants pour lesquels le formateur de faisceaux est conçu indépendamment des réflecteurs de l'antenne.
Une quatrième architecture d'antenne à formation de faisceaux comporte un formateur de faisceaux quasi-optique dans lequel un signal émis par un ensemble de ports d'entrée est guidé entre deux plaques métalliques parallèles vers un port de sortie. La propagation du signal émis est interrompue par un mur réflecteur qui le réfléchit et le focalise sur le port de sortie.
Il existe deux configurations différentes de formateur de faisceaux quasi-optique. Selon une première configuration, les ports d'entrée et de sortie sont situés dans un même milieu de propagation défini entre deux plaques parallèles, le milieu de propagation pouvant comporter un diélectrique. Dans ce cas, les ports d'entrée et de sortie sont distribués selon deux axes orthogonaux distincts et le mur réflecteur est illuminé avec un angle d'offset pour qu'il transmette la totalité du signal des ports d'entrée vers un, ou plusieurs, port de sortie.
Selon une deuxième configuration, appelée structure pill-box, les ports d'entrée et de sortie sont situés dans deux milieux de propagation différents superposés, chaque milieu de propagation étant défini entre deux plaques métalliques parallèles. Les deux couches de substrat constituant les deux milieux de propagation, sont couplées par un mur réflecteur interne s'étendant transversalement par rapport aux plans des couches. La première couche de substrat, par exemple la couche inférieure, comporte au moins une source d'énergie hyperfréquence placée au foyer du réflecteur interne. Les ports de sortie sont situés dans la deuxième couche de substrat. Pour améliorer la transition des ondes entre les deux couches de substrat, le document FR 2 944 153 décrit d'aménager des fentes de couplage s'étendant le long du réflecteur interne.
Dans ces deux configurations, en émission, la source d'énergie placée au foyer du réflecteur interne émet une onde incidente cylindrique guidée dans le milieu de propagation tri-plaques. L'onde incidente cylindrique est réfléchie par le réflecteur interne qui la transforme en une onde plane. L'onde plane réfléchie est ensuite acheminée par des guides d'onde jusqu'à un réseau de fentes rayonnantes. L'énergie est alors rayonnée par des fentes rayonnantes sous la forme d'un faisceau. La formation du faisceau rayonné par l'antenne est réalisée de façon naturelle par simple guidage de l'onde dans la couche de substrat, ou dans les deux couches de substrat, et par l'intermédiaire des moyens de transition quasi-optiques constitués par le réflecteur interne et éventuellement les fentes de couplage. Le déplacement de la source dans le plan du foyer du réflecteur génère des fronts d'onde correspondant à des directions de propagation données. Un balayage et un dépointage du faisceau en élévation, dans un plan perpendiculaire au plan de l'antenne, est obtenu par commutation de différentes sources. Cependant, étant donné que les sources sont situées dans un même plan, le dépointage du faisceau ne peut pas être réalisé dans toutes les directions de l'espace mais uniquement dans un seul plan et aucune formation de faisceaux en azimut n'est possible.
Un premier but de l'invention est de réaliser un formateur multi- faisceaux ne comportant pas les inconvénients des formateurs de faisceaux existants, simple à mettre en œuvre, permettant la formation d'un grand nombre de faisceaux fins avec un bon recouvrement des faisceaux dans un large domaine angulaire et permettant d'assurer un dépointage des faisceaux dans toutes les directions de l'espace.
Un deuxième but de l'invention est de réaliser un formateur de faisceau pouvant être conçu et dimensionné en association avec des réflecteurs d'une antenne. Un troisième but de l'invention est de réaliser une antenne à formation de faisceaux multiples et en particulier une antenne réseau imageur comportant un tel formateur multi-faisceaux et dans laquelle, les aberrations de phases sont fortement réduites.
Pour cela, l'invention concerne un formateur multi-faisceaux à deux dimensions comportant un premier étage de formation de faisceaux destiné à synthétiser des faisceaux focalisés selon une première direction X de l'espace et un deuxième étage de formation de faisceaux destiné à focaliser les faisceaux formés par le premier étage selon une deuxième direction Y de l'espace, les deux étages étant connectés entre eux. Chaque étage comporte au moins deux structures planes multi-couches superposées l'une au-dessus de l'autre. Chaque structure multi-couches du premier et du deuxième étage comporte un réflecteur interne s'étendant transversalement au plan de la structure multi-couches, au moins deux premières sources internes disposées devant le réflecteur interne et respectivement reliées à deux premiers ports d'entrée/sortie alignés selon un premier axe de la structure multi- couches, au moins deux secondes sources internes disposées dans un plan focal du réflecteur interne et respectivement reliées à deux seconds ports d'entrée/sortie alignés selon un deuxième axe de la structure multi-couches perpendiculaire au premier axe. Les deux secondes sources internes de la même structure multi-couches du premier étage de formation de faisceaux sont respectivement reliées à deux premières sources internes de deux structures multi-couches différentes du deuxième étage de formation de faisceaux par l'intermédiaire des ports d'entrée/sortie, appelés ports de liaison, auxquels sont respectivement connectées les secondes et premières sources internes.
Avantageusement, le premier étage de formation de faisceaux comporte Ny structures multi-couches planes superposées l'une au- dessus de l'autre, chaque structure multi-couches du premier étage comportant Nx premières sources internes disposées devant le réflecteur interne de la structure multi-couches correspondante et connectées à Nx ports d'entrée/sortie alignés parallèlement à un axe V et Mx secondes sources disposées dans le plan focal du réflecteur interne correspondant et connectées à Mx ports de liaison alignés parallèlement à un axe U perpendiculaire à l'axe V. En outre le deuxième étage de formation de faisceaux comporte Mx structures multi-couches planes superposées l'une au-dessus de l'autre, chaque structure multi-couches du deuxième étage de formation de faisceaux comportant Ny premières sources internes disposées devant le réflecteur interne de la structure multi-couches correspondante et connectées à Ny ports de liaison alignés parallèlement à un axe V et My secondes sources disposées dans le plan focal du réflecteur interne (16) correspondant et connectées à My ports d'entrée /sortie alignés parallèlement à un axe U' perpendiculaire à l'axe V. Les Ny structures multi-couches du premier étage comportent Ny*Mx ports de liaison connectés respectivement à Mx*Ny ports de liaison correspondants des Mx structures multi-couches du deuxième étage, Nx, Ny, Mx, My étant des nombres entiers supérieurs à 1 , les ports de liaison d'une même structure multi-couches du premier étage de formation de faisceaux étant respectivement connectés à des structures multi-couches différentes du deuxième étage de formation de faisceaux.
Avantageusement, chaque port de liaison de la Nkième structure multi-couches du premier étage de formation de faisceaux est connecté au Nkième port de liaison de l'une des structures multi-couches correspondante du deuxième étage de formation de faisceaux, Nk étant un nombre entier compris entre 1 et Ny inclus.
Selon un premier mode de réalisation des structures multi- couches de l'invention, chaque structure multi-couches comporte un plan métallique supérieur, un plan métallique inférieur et une unique couche de substrat intercalée entre le plan métallique supérieur et le plan métallique inférieur, le réflecteur interne s'étend transversalement dans la couche de substrat du plan métallique inférieur au plan métallique supérieur et les premières et secondes sources internes de chaque structure multi-couches sont disposées dans la couche de substrat et reliées respectivement à un premier et un second port d'entrée/sortie, les premier et second ports d'entrée/sortie étant disposés selon deux directions orthogonales du plan de la couche de substrat.
Selon un deuxième mode de réalisation des structures multi- couches de l'invention, les premières sources internes de chaque structure multi-couches sont disposées dans une première couche de substrat intercalée entre un plan métallique supérieur et un plan métallique intermédiaire, les secondes sources sont disposées dans une deuxième couche de substrat intercalée entre le plan métallique intermédiaire et un plan métallique inférieur; les première et deuxième couches de substrat sont couplées par le réflecteur interne s'étendant du plan métallique inférieur au plan métallique supérieur et par l'intermédiaire d'une ouverture ou de fentes de couplage s'étendant le long du réflecteur interne et réalisées dans le plan métallique intermédiaire séparant les deux couches de substrat; chaque structure multi-couches comporte en outre des premiers guides d'onde disposés dans la deuxième couche de substrat, chaque premier guide d'onde comportant une première partie de guide s'étendant selon un axe longitudinal de la structure multi-couches et connectée aux secondes sources internes et une deuxième partie de guide coudée s'étendant perpendiculairement à l'axe longitudinal et reliée à un second port d'entrée/sortie.
Selon un mode de réalisation du formateur multi-faisceaux de l'invention, le deuxième étage de formation de faisceaux comporte Mx premières structures multi-couches et au moins Mx secondes structures multi-couches et chaque port de liaison de la Nkième structure multi- couches du premier étage de formation de faisceaux est connecté au Nkième port de liaison de l'une des premières structures multi-couches correspondante du deuxième étage de formation de faisceaux et au Nkième port de liaison de l'une des secondes structures multi-couches du deuxième étage de formation de faisceaux, Nk étant un nombre entier compris entre 1 et Ny inclus. Selon un autre mode de réalisation du formateur multi-faisceaux de l'invention, les Mx secondes structures multi-couches du deuxième étage de formation de faisceaux comportent des premières sources internes décalées linéairement par rapport aux premières sources internes des Mx premières structures multi-couches du deuxième étage de formation de faisceaux, le décalage linéaire correspondant à une translation de toutes les premières sources internes d'une même distance T inférieure à une distance entre des centres de deux premières sources internes consécutives.
Alternativement, les Mx secondes structures multi-couches du deuxième étage de formation de faisceaux comportent un réflecteur interne ayant une orientation décalée par rapport au réflecteur interne des Mx premières structures multi-couches du deuxième étage de formation de faisceaux.
Selon un autre mode de réalisation du formateur multi-faisceaux de l'invention, le premier étage de formation de faisceaux comporte Ny premières et Ny secondes structures multi-couches et les premières sources internes des Ny secondes structures multi-couches sont reliées aux premières sources internes des Ny premières structures multi- couches, les Ny secondes structures multi-couches du premier étage de formation de faisceaux comportant des premières sources internes décalées linéairement par rapport aux premières sources internes des Ny premières structures multi-couches du premier étage de formation de faisceaux.
Alternativement, le premier étage de formation de faisceaux comporte Ny premières et Ny secondes structures multi-couches et les premières sources internes des Ny secondes structures multi-couches sont reliées aux premières sources internes des Ny premières structures multi-couches, les Ny secondes structures multi-couches du premier étage de formation de faisceaux comportant un réflecteur interne ayant une orientation décalée par rapport au réflecteur interne des Ny premières structures multi-couches du premier étage de formation de faisceaux.
Optionnellement, la couche de substrat unique ou les première et deuxième couches de substrat de chaque structure multi-couches comportent un matériau diélectrique.
Avantageusement, le matériau diélectrique est une lentille diélectrique placée entre le réflecteur interne et les premières et secondes sources internes, la lentille diélectrique ayant une surface périphérie convexe et comportant des inclusions de trous d'air, les inclusions de trous d'air ayant une densité augmentant progressivement du réflecteur interne vers les premières et les secondes sources internes.
Optionnellement, la couche de substrat unique ou les première et seconde couches de substrat de chaque structure multi-couches comportent en outre un premier matériau diélectrique ayant une première permittivité diélectrique, le premier matériau diélectrique comportant des inclusions d'un deuxième matériau diélectrique ayant une deuxième permittivité diélectrique plus faible que la première permittivité diélectrique, les inclusions ayant une densité augmentant du réflecteur interne vers les premières et les secondes sources internes. Avantageusement, la première couche et la deuxième couche de substrat de chaque structure multi-couches comporte des moyens de déformation du réflecteur interne.
L'invention concerne aussi une antenne multi-faisceaux, comportant au moins un tel formateur multi-faisceaux à deux dimensions et un réseau phasé constitué d'une pluralité d'éléments rayonnants élémentaires, chaque élément rayonnant élémentaire étant relié à un port d'entrée/sortie correspondant du premier étage de formation de faisceaux par l'intermédiaire d'une chaîne d'émission et d'une chaîne de réception de signaux hyperfréquence. Selon un mode de réalisation, l'antenne comporte en outre au moins un réflecteur principal, le réseau phasé connecté au formateur multi-faisceaux à deux dimensions étant placé devant le réflecteur principal dans un plan défocalisé.
Selon un autre mode de réalisation, l'antenne comporte en outre au moins un réflecteur principal et un réflecteur auxiliaire, le réflecteur principal et le réflecteur auxiliaire, ayant des tailles différentes et ayant la même focale F et en ce que le réseau phasé connecté au formateur multi-faisceaux à deux dimensions est placé devant le réflecteur auxiliaire.
Avantageusement, chaque chaîne d'émission et de réception de signaux hyperfréquence comporte un déphaseur dynamique.
L'invention concerne aussi un système de télécommunication par satellite comportant une telle antenne. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la suite de la description donnée à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés qui représentent :
figure 1 a : un schéma en perspective d'un exemple de formateur multi-faisceaux BFN à deux dimensions, selon l'invention ;
figure 1 b : un schéma d'un exemple de connexions entre le formateur multi-faisceaux de la figure 1 a et un réseau phasé, selon l'invention ;
- figure 2a : un schéma éclaté, en perspective, d'un premier exemple de structure multi-couches d'une tranche de BFN, selon l'invention;
figure 2b : un schéma éclaté, en perspective, d'un deuxième exemple de structure multi-couches d'une tranche de BFN, selon l'invention; figure 2c : un schéma éclaté, en perspective, d'une variante de réalisation du premier exemple de structure multi-couches d'une tranche de BFN, selon l'invention;
figure 2d : un schéma éclaté, en perspective, d'une variante de réalisation du deuxième exemple de structure multi- couches d'une tranche de BFN, selon l'invention;
figure 2e : une vue schématique de dessus d'un exemple de diélectrique comportant des inclusions de trous d'air, selon une variante de réalisation de l'invention;
figure 3 : un exemple schématique en coupe d'un réflecteur comportant des moyens de déformation sur sa face arrière, figures 4a et 4b : deux schémas illustrant les connexions entre les tranches de BFN des deux étages de formation de faisceaux ;
figures 5a, 5b, 5c : trois schémas illustrant un deuxième exemple de formateur multi-faisceaux à deux dimensions permettant d'améliorer le recouvrement entre les spots dans la première direction de l'espace, selon l'invention ;
figure 6: un schéma d'un troisième exemple de formateur multi-faisceaux à deux dimensions permettant d'améliorer le recouvrement entre les spots dans la deuxième direction de l'espace, selon l'invention ;
figure 7a: un schéma d'un quatrième exemple de formateur multi-faisceaux à deux dimensions permettant d'améliorer le recouvrement entre les spots dans la première et dans la deuxième direction de l'espace, selon l'invention ;
figure 7b : un exemple illustrant le recouvrement des spots dans le cas d'un maillage hexagonal ;
figure 8a: un schéma illustrant le fonctionnement d'un premier exemple d'antenne réseau imageur comportant un formateur multi-faisceaux, selon l'invention;
figures 8b et 8c : deux schémas illustrant le fonctionnement d'un deuxième exemple d'antenne réseau imageur comportant un formateur multi-faisceaux, selon l'invention; figure 8d : un schéma illustrant un exemple de chaînes d'émission et de réception connectées à un formateur multifaisceaux et comportant des déphaseurs dynamiques, selon l'invention ;
figure 9 : un schéma d'un deuxième exemple de réalisation d'une antenne réseau imageur comportant un formateur multifaisceaux à deux dimensions, selon l'invention.
Selon l'exemple de réalisation de l'invention représenté sur les figures 1 a et 1 b, le formateur multi-faisceaux (en anglais : Beam Forming Netwok) à deux dimensions comporte un premier étage de formation de faisceaux apte, à l'émission, à former des faisceaux de signaux focalisés dans une première dimension de l'espace, par exemple parallèle à un axe X et un deuxième étage de formation de faisceaux connecté au premier étage de formation de faisceaux, le deuxième étage de formation de faisceaux étant apte, à l'émission, à focaliser les faisceaux formés par le premier étage de formation de faisceaux, dans une deuxième dimension de l'espace, par exemple parallèle à un axe Y. Comme représenté sur la figure 1 b, les axes X et Y sont liés aux éléments rayonnants 30 d'un réseau phasé 41 auquel le formateur multi-faisceaux est destiné à être relié et peuvent ne pas être orthogonaux. L'orientation de ces axes X et Y dépend des connexions, partiellement représentées sur la figure 1 b, entre les éléments rayonnants du réseau phasé et les ports d'entrée/sortie 27 du formateur multi-faisceaux auxquels ces éléments rayonnants 30 sont destinés à être reliés. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1 b, le réseau phasé comporte une maille de forme rectangulaire, mais l'invention n'est pas limitée à cette forme de maille et peut également s'appliquer à un réseau phasé ayant par exemple une maille de forme hexagonale ou carrée.
Les deux étages de formation de faisceaux comportent des ports correspondants 25, 26 connectés deux à deux, appelés ports de liaison dans la suite de la description. Chaque étage de formation de faisceaux comporte au moins deux structures planes de formation de faisceaux, appelées tranches de BFN, P1 1 à P1 NY et P21 à P2Mx, où Ny et Mx sont des nombres entiers supérieurs à un, les tranches de BFN étant empilées parallèlement les unes au-dessus des autres selon un axe perpendiculaire au plan U, V, respectivement LT, V, de la structure plane. Chaque tranche de BFN P1 Nk du premier étage de formation de faisceaux, où Nk est un nombre entier compris entre 1 et Ny inclus, comporte Nx ports d'entrée/sortie 27, où Nx est un nombre entier supérieur à un, destinés à être connectés à Nx éléments rayonnants 30 d'un réseau phasé 41 d'une antenne à faisceaux multiples par l'intermédiaire de chaînes d'émission et de réception pour l'émission de faisceaux de signaux synthétisés par le formateur multi-faisceaux vers différentes zones de couverture au sol et pour la réception de faisceaux de signaux provenant de différentes zones de couverture au sol. Chaque tranche de BFN P2Mi du deuxième étage de formation de faisceaux, où Mi est un nombre entier compris entre 1 et Mx inclus, comporte My ports d'entrée/sortie 28, où My est un nombre entier supérieur à un, destinés à l'émission, à être connectés à une alimentation de signaux hyperfréquence et à la réception, à recevoir les signaux séparés par le formateur multi-faisceaux. Le formateur multi- faisceaux à deux dimensions comporte donc Nx*Ny ports d'entrée/sortie 27 destinés à être connectés à Nx*Ny éléments rayonnants d'une antenne et Mx*My ports d'entrée/sortie 28 destinés à être reliés à une alimentation de signaux hyperfréquence et permettant de former Mx*My spots au sol. Dans le cas d'une réalisation en technologie des guides d'onde métalliques, les ports d'entrée/sortie 27, 28 sont des accès de guides d'onde alors que dans le cas d'une réalisation en technologie des circuits intégrés, les ports d'entrée/sortie 27, 28 sont des connecteurs. Les Ny tranches de BFN du premier étage P1 1 à P1 NY et les Mx tranches de BFN du deuxième étage P21 à P2Mx du formateur multi-faisceaux ont une structure identique et fonctionnent de la même façon mais peuvent avoir un nombre de ports d'entrée/sortie 27, 28 différent et donc un nombre de voies d'émission/réception différent.
Sur le mode de réalisation représenté sur les figures 1 a et 1 b, les deux étages de formation de faisceaux sont disposés selon deux plans UV, LTV perpendiculaires entre eux, mais ce n'est pas indispensable. Pour que les faisceaux de signaux synthétisés à rémission par le formateur de faisceaux soient focalisés selon les deux dimensions X, Y de l'espace, il est par contre nécessaire de connecter chaque port de liaison 25 d'une même Nkième tranche de BFN P1 Nk du premier étage de formation de faisceaux à un Nkième port de liaison 26 correspondant de l'une des différentes tranches de BFN P21 à P2Mx du deuxième étage de formation de faisceaux.
La figure 2a représente un schéma éclaté, en perspective, d'un exemple de tranche de BFN, selon un premier mode de réalisation de l'invention. Sur cet exemple, la tranche de BFN comporte une structure plane multi-couches comportant deux plans métalliques parallèles, respectivement inférieur 14 et supérieur 10, et une couche de substrat 9 intercalée entre les deux plans métalliques inférieur et supérieur 14, 10. Les deux plans métalliques et la couche de substrat de la tranche de BFN sont parallèles à un plan UV. La structure multi-couches ainsi constituée, forme un milieu de propagation en configuration dite tri- plaques. La hauteur de la tranche de BFN est disposée selon un axe W orthogonal au plan UV. La couche de substrat 9 comporte deux réseaux de ports d'entrée/sorties 27, 25, selon que la tranche de BFN est utilisée à l'émission ou à la réception, disposés orthogonalement selon les axes V et U. Dans l'exemple de la figure 2a, les deux réseaux de ports d'entrée/sorties comportent respectivement quatre ports d'entrée/sortie 27 alignés selon la direction V et deux ports d'entrée/sortie 25 alignés selon la direction U. Les ports d'entrée/sortie 25, 27 sont couplés par l'intermédiaire d'un réflecteur interne 16 disposé transversalement dans la couche de substrat 9, le réflecteur interne 16 s'étendant du plan métallique inférieur 14 au plan métallique supérieur 10. Chaque port d'entrée/sortie 27, 25 est connecté à un guide d'onde 20, 19 relié à une source interne 15, respectivement 18. Les guides d'onde 20, 19 peuvent s'étendre parallèlement les uns à côté des autres ou être espacés les uns des autres et ils peuvent avoir une section transversale rectangulaire ou un profil incurvé. Les sources internes 15, 18 peuvent être alignées les unes à côtés des autres ou disposées selon un contour courbe afin d'optimiser les performances de l'antenne multi-faisceaux. La figure 2b représente un schéma éclaté, en perspective, d'un exemple de tranche de BFN, selon un second mode de réalisation de l'invention. Sur cet exemple, la tranche de BFN a une structure plane multi-couches de type Pill-box. Elle comporte trois plans métalliques parallèles, respectivement inférieur 14, intermédiaire 12 et supérieur 10, une première couche de substrat 1 1 et une deuxième couche de substrat 13, chaque couche de substrat 1 1 , 13 étant respectivement intercalée entre deux plans métalliques parallèles successifs, le plan métallique intermédiaire 12 séparant les deux couches de substrat 1 1 ,
13. Les plans des différentes couches de la tranche de BFN sont parallèles à un plan UV. La structure multi-couches ainsi constituée, forme deux milieux de propagation en configuration dite tri-plaques, chaque milieu de propagation tri-plaques comportant une couche de substrat disposée entre deux plans métalliques. La hauteur de la tranche de BFN est disposée selon un axe W orthogonal au plan UV. Les deux couches de substrat 1 1 , 13 sont couplées par un réflecteur interne 16 disposé transversalement dans les deux couches de substrat 1 1 , 13 de la tranche de BFN, le réflecteur interne 16 s'étendant du plan métallique inférieur 14 au plan métallique supérieur 10, et par l'intermédiaire d'une ouverture ou de plusieurs fentes de couplage 17 s'étendant le long du réflecteur interne 16 et réalisées dans le plan métallique intermédiaire 12 séparant les deux couches de substrat 1 1 , 13.
La structure multi-couches comporte deux réseaux de ports d'entrée/sortie, selon que la tranche de BFN est utilisée à l'émission ou la réception, disposés orthogonalement selon les axes U et V. Dans l'exemple de la figure 2b, les deux réseaux de ports d'entrée/sortie comportent respectivement quatre ports d'entrée/sortie 27 alignés selon la direction V et deux ports d'entrée/sortie 25 alignés selon la direction
U. Chaque port d'entrée/sortie 27, 25 est connecté à un guide d'onde 20, 19 relié à une source interne 15, 18. Les guides d'onde 19 de la deuxième couche de substrat 13 sont préférentiellement coudés à 90°, de sorte à relier des sources d'entrée/sortie 18 et des ports d'entrée/sortie 25 disposés selon des axes orthogonaux. Chaque tranche de BFN peut fonctionner en émission ou en réception. En réception, les ports d'entrée/sortie 27 sont destinés à recevoir un signal hyperfréquence incident et à le réémettre dans le premier milieu de propagation tri-plaques de la tranche de BFN qui combine les signaux réémis par toutes les premières sources internes 15. Le réflecteur interne 16 réfléchit le signal combiné et le focalise dans son plan focal sur l'une des deuxièmes sources internes 18 de la tranche de BFN en fonction de la direction d'arrivée du signal incident.
A l'émission, un signal d'excitation est appliqué sur l'une des deuxièmes sources internes 18 de la tranche de BFN, puis réfléchi sur le réflecteur interne 16. L'énergie du signal réfléchi par le réflecteur interne 16 se propage dans le milieu de propagation tri-plaques puis est répartie sur toutes les premières sources internes 15 de la tranche de BFN. Les premières sources internes 15 transmettent cette énergie sous forme de faisceaux de signaux aux premiers ports d'entrée/sortie 27 auxquels elles sont respectivement reliées.
Les ports d'entrée/sortie 27 reliés aux premières sources internes 15 étant disposés sur une même ligne parallèle à la direction V, les faisceaux de signaux émis sur chaque premier port d'entrée/sortie 27 de la tranche de BFN sont focalisés suivant une seule dimension de l'espace, par exemple parallèle à la direction Y, et forment une ligne de zones de couverture au sol appelées spots. Le nombre de spots formés au sol est égal au nombre de ports d'entrée/sortie 25 placés dans le plan focal du réflecteur interne 16 de la tranche de BFN.
Sur la figure 2b, quatre ports d'entrée/sortie 27 dans la première couche de substrat 1 1 et deux ports d'entrée/sortie 25 dans la deuxième couche de substrat 13 sont représentés ce qui permet d'élaborer deux faisceaux différents correspondant à deux directions de pointage différentes et à la formation de deux spots au sol.
Les ports d'entrée/sortie 27 reliés aux premières sources internes 15 d'une même tranche de BFN étant disposés selon une même ligne, les spots formés au sol par une tranche de BFN sont alignés. La couche de substrat 9 ou les première et deuxième couches de substrat 1 1 , 13 de la tranche de BFN peuvent comporter un diélectrique. Dans ce cas, la tranche de BFN peut être réalisée en utilisant la technologie des cartes de circuits imprimés PCB (en anglais
Printed Circuit Board). Selon cette technologie, connue sous le nom SIW (en anglais : Substrate Integrated Waveguide) ou sous le nom de laminé (en anglais : laminated), le réflecteur interne 16, les parois transversales des premières sources internes 15, et le cas échéant des deuxièmes sources internes 18, et les parois transversales des guides d'onde 19, 20 sont réalisés par des arrangements réguliers de trous métallisés traversant la ou les couches de substrat 9, 1 1 , 13 et reliant les plaques métalliques supérieure 10 et inférieure 14, respectivement les plaques supérieure 10 et intermédiaire 12 et/ou les plaques intermédiaire 12 et inférieure 14. L'utilisation de milieux de propagation diélectriques tri-plaques permet d'obtenir un formateur multi-faisceaux très compact et d'encombrement réduit. Les excitations des ports d'entrée/sortie des sources hyperfréquence internes sont alors réalisées par des transitions. Cependant, cette technologie induit des pertes de propagation qui doivent être compensées par des amplificateurs disposés en amont des premières sources internes 15 de la tranche de BFN.
Selon une variante de réalisation particulièrement avantageuse de l'invention, la couche de substrat 9 ou les première et deuxième couches de substrat 1 1 , 13 de la tranche de BFN peuvent comporter un milieu diélectrique ayant un gradient de permittivité diélectrique, la permittivité diélectrique diminuant progressivement du réflecteur interne 16 vers les premières et secondes sources internes 15, 18. A titre d'exemple non limitatif, comme représenté sur la figue 2c, le gradient de permittivité diélectrique peut être obtenu en utilisant un matériau diélectrique ayant une première permittivité diélectrique ει et comportant des inclusions 22 d'un matériau diélectrique différent ayant une deuxième permittivité diélectrique ε2 plus faible que la première permittivité diélectrique ε-ι. Pour ne pas perturber la propagation des signaux destinés à se propager dans la tranche de BFN, les inclusions 22 doivent avoir des dimensions b inférieures à la longueur d'onde desdits signaux et les distances d séparant deux inclusions consécutives doivent être inférieures à la longueur d'onde desdits signaux. La densité des inclusions augmente du réflecteur 16 vers les premières et les secondes sources internes 15, 18 de la tranche de BFN pour que la permittivité diélectrique diminue de plus en plus en se rapprochant des premières et secondes sources internes 15, 18.
Lorsque la tranche de BFN est réalisée en technologie SIW, le gradient de permittivité diélectrique peut être obtenu par exemple par des inclusions 22 de trous d'air aménagés dans le milieu diélectrique. Dans ce cas, les trous d'air ne sont pas métallisés et peuvent être réalisés par des perçages débouchant au travers de la plaque métallique supérieure 10, la densité des trous d'air augmentant du réflecteur 16 vers les premières et les secondes sources internes 15, 18 de la tranche de BFN pour diminuer la permittivité diélectrique près des sources internes. Dans ce cas, le dépôt métallique de la plaque métallique supérieure 10 ayant été détruit localement par le perçage des trous d'air, il est nécessaire de réaliser un dépôt additionnel d'une couche de diélectrique au-dessus de la plaque métallique supérieure 10 et un dépôt d'une couche métallique additionnelle au-dessus de la couche de diélectrique additionnelle pour reconstituer l'étanchéité du milieu de propagation.
Avantageusement, le gradient de permittivité diélectrique peut être obtenu en utilisant un milieu diélectrique constitué par exemple d'une lentille diélectrique 21 à périphérie convexe, ayant une permittivité diélectrique ει supérieure à la permittivité diélectrique de l'air, et comportant des inclusions 22, comme représenté par exemple sur les figures 2d et 2e. Les inclusions 22 peuvent par exemple être des inclusions de trous d'air, le diamètre et/ou la densité des inclusions 22 augmentant progressivement du réflecteur interne vers les sources internes 15, 18.
L'utilisation d'un milieu diélectrique ayant un gradient de permittivité dans la ou les première et seconde couches de substrat 9, 1 1 , 13 de la tranche de BFN présente l'avantage d'incurver la direction de propagation des signaux et donc de pouvoir utiliser des premières et des secondes sources internes 15, 18 moins directives. Il devient alors possible de resserrer les faisceaux synthétisés. Les premières et les secondes sources internes 15, 18 sont alors de taille réduite, le formateur multi-faisceaux est plus compact et le recouvrement des faisceaux synthétisés est meilleur.
Avantageusement, chaque tranche de BFN peut comporter des moyens de déformation permettant de modifier la forme du réflecteur 16 interne à la structure multi-couches de ladite tranche de BFN, comme représenté par exemple sur la figure 3. Ces moyens de déformation peuvent par exemple comporter un ensemble 23 de pistons associés à des actionneurs, les pistons étant régulièrement répartis sur la face arrière du réflecteur 16, la face arrière étant la face du réflecteur opposée à la face réfléchissant les ondes hyperfréquence. Les moyens de déformation du réflecteur 16 permettent ainsi d'optimiser la forme du réflecteur interne 16 et d'assurer efficacement la focalisation des signaux, sur les secondes sources 18 de chaque tranche de BFN, en fonction de leur direction d'arrivée sur les premières sources internes 15. Les moyens de déformation du réflecteur 16 permettent aussi de réaliser des faisceaux à contours formés de forme quelconque préalablement choisie. Les déformations du réflecteur interne peuvent, par exemple, être différentes d'une tranche de BFN à une autre tranche de BFN pour réaliser des faisceaux de contours de formes différentes.
Sur les figures 4a et 4b, le premier étage du formateur de faisceaux comporte Nx*Ny ports d'entrée/sortie de faisceaux de signaux destinés à être connectés à Nx*Ny éléments rayonnants 30 d'une antenne multi-faisceaux. Le deuxième étage du formateur de faisceaux comporte Mx*My ports d'entrée/sortie de signaux permettant, à émission, de former Mx*My faisceaux focalisés dans les deux directions X et Y de l'espace correspondants à Mx*My spots au sol. Nx, Ny, Mx, My sont des nombres entiers supérieurs à 1 .
Le premier étage de formation de faisceaux comporte Ny tranches de BFN, P1 1 ,..,P1 Ny, superposées les unes au-dessus des autres, chaque tranche de BFN P1 Nk du premier étage comportant Nx ports d'entrée/sortie, 271 à 27Nx, de faisceaux de signaux et Mx ports de liaison, 251 à 25Mx, connectés respectivement à Mx tranches de BFN, P21 à P2Mx, du deuxième étage.
Le deuxième étage de formation de faisceaux comporte Mx tranches de BFN, P21 à P2Mx, superposées les unes au-dessus des autres, chaque tranche de BFN P2Mi du deuxième étage de formation de faisceaux comportant Ny ports de liaison, 261 à 26Ny, connectés respectivement aux Ny tranches de BFN, P1 1 à P1 Ny, du premier étage et My ports d'entrée /sortie 281 à 28My destinés, à l'émission, à être alimentés par des signaux d'excitation, et à la réception, à recevoir des signaux focalisés dans les deux dimensions de l'espace X et Y par les deux étages du formateur multi-faisceaux. Sur l'exemple de la figure 4a, Nx, Ny, Mx et My sont égaux à deux et permettent de former deux lignes de deux faisceaux correspondant à quatre spots au sol, 1 à 4.
Les Ny tranches de BFN, P1 1 à P1 Ny, du premier étage comportent Ny*Mx ports de liaison connectés respectivement à Mx*Ny ports de liaison correspondants des Mx tranches de BFN, P21 à P2Mx, du deuxième étage. Comme le montre la figure 4b, la première tranche de BFN, P1 1 , du premier étage comporte Mx ports de liaison, 251 à 25Mx, reliés aux premiers ports de liaison 261 de chacune des Mx tranches de BFN, P21 à P2Mx, du deuxième étage, et ainsi de suite, chaque Nkième tranche de BFN P1 Nk du premier étage comporte Mx ports de liaison reliés au Nkième port de liaison 26Nk (non représenté) de chacune des Mx tranches de BFN, P21 à P2Mx, du deuxième étage, jusqu'à la dernière tranche de BFN, P1 Ny, du premier étage qui comporte Mx ports de liaison reliés aux derniers ports de liaison, 26Ny, de chacune des Mx tranches de BFN, P21 à P2Mx, du deuxième étage.
Sur l'exemple de réalisation représenté sur les figures 1 a et 1 b, le premier étage de formation de faisceaux comporte trois tranches de BFN, chaque tranche de BFN comportant cinq ports d'entrée/sortie et cinq ports de liaison. Le deuxième étage de formation de faisceaux comporte cinq tranches de BFN, chaque tranche de BFN comportant trois ports d'entrée/sortie et trois ports de liaison, les cinq ports de liaison de chaque tranche de BFN du premier étage de formation de faisceaux étant respectivement connectés à l'un des trois ports de liaison correspondant des cinq tranches de BFN différentes du deuxième étage. Ce formateur de faisceaux permet de synthétiser 3*5=15 faisceaux différents focalisés dans les deux directions X et Y de l'espace.
Le formateur multi-faisceaux à deux dimensions peut fonctionner en émission et/ou en réception. Il est possible d'utiliser un seul formateur de faisceaux fonctionnant à l'émission et à la réception ou alternativement d'utiliser deux formateurs de faisceaux différents, l'un fonctionnant à l'émission et l'autre à la réception. Dans le cas où un seul formateur de faisceaux est utilisé pour l'émission et la réception de signaux, la commutation entre l'émission et la réception peut être réalisée par exemple, soit à partir des fréquences des signaux, les fréquences d'émission et les fréquences de réception étant situées dans des bandes de fréquence différentes, soit par un séquencement temporel prédéterminé, ou par toute autre méthode connue.
En réception, les premières sources internes 15 reçoivent un signal transmis par les éléments rayonnants 30 d'un réseau phasé et réémettent l'énergie du signal reçue dans chaque tranche de BFN du premier étage de formation de faisceaux. Dans les tranches de BFN du premier étage de formation de faisceaux, l'énergie est focalisée une première fois, dans une première dimension de l'espace, sur l'une des deuxièmes sources 18 du premier étage par l'intermédiaire du réflecteur interne 16, la deuxième source 18 qui collecte l'énergie focalisée dépend de la direction d'arrivée du signal. Le signal focalisé dans la première dimension de l'espace est ensuite transmis à l'une des premières sources internes 15 de chaque tranche de BFN du deuxième étage de formation de faisceaux. Dans chaque tranche de BFN du deuxième étage, le faisceau est focalisé une deuxième fois, de la même façon que dans le premier étage, dans une deuxième dimension de l'espace perpendiculaire à la première dimension de l'espace, sur l'une des deuxièmes sources 18 de l'une des tranches de BFN du deuxième étage et transmis au port d'entrée/sortie 28 auquel elle est reliée. Les tranches de BFN du deuxième étage ayant une structure identique à celle des tranches de BFN du premier étage, la focalisation de faisceau est réalisée selon le même principe dans les deux étages.
A l'émission, un signal d'excitation est appliqué sur l'un des ports d'entrée/sortie 28 du deuxième étage de formation de faisceaux et transmis, par l'intermédiaire de la deuxième source 18 auquel il est connecté, à l'intérieur de la tranche de BFN correspondante. Dans la tranche de BFN, le signal est guidé dans le guide d'onde 19 relié à la deuxième source 18 puis réfléchi sur le réflecteur interne 16. L'énergie réfléchie par le réflecteur interne 16 est ensuite répartie sur toutes les premières sources 15 de la tranche de BFN du deuxième étage puis transmise à l'une des deuxièmes sources 18 de chaque tranche de BFN du premier étage auxquelles les premières sources 15 de la tranche de BFN du deuxième étage sont respectivement connectées. Les énergies des faisceaux de signaux transmis aux deuxièmes sources 18 des tranches de BFN du premier étage sont ensuite réfléchies par le réflecteur interne 16 des tranches de BFN du premier étage puis réparties sur toutes les premières sources 15 des tranches de BFN du premier étage de formation de faisceaux. Les faisceaux de signaux synthétisés par le formateur de faisceau sont alors transmis à tous les éléments rayonnants 30 du réseau phasé auxquels les premières sources 15 du premier étage de formation de faisceaux sont connectées puis les faisceaux de signaux sont émis vers des zones de couverture au sol constituant les spots.
Pour obtenir une bonne couverture au sol, il faut que deux spots consécutifs se recouvrent partiellement. Si le recouvrement entre deux spots consécutifs est insuffisant, comme représenté par exemple sur la figure 4a qui montre quatre spots, 1 à 4, espacés les uns des autres et ne se recouvrant pas, la couverture au sol présente des trous. Pour améliorer le recouvrement entre les spots, l'invention consiste à ajouter des tranches de BFN supplémentaires permettant d'obtenir des spots supplémentaires entre deux spots consécutifs initiaux d'une même ligne et/ou pour réaliser des lignes de spots additionnelles s'intercalant entre deux lignes de spots initiales.
L'exemple de réalisation illustré schématiquement sur la figure 5a représente deux tranches de BFN du premier étage de formation de faisceaux connectées aux mêmes éléments rayonnants. Cet exemple de réalisation ne comportant qu'un seul étage de formation de faisceaux, les faisceaux 1 et 3 correspondants sont focalisés dans une seule direction Y et correspondent à deux lignes de spots L1 et L2 élargis dans la direction X où il n'y a pas de focalisation des faisceaux. Selon cet exemple de réalisation, comme représenté sur la figure 5b, des lignes de spots additionnelles L'1 , L'2, parallèles à la direction Y, sont ajoutées à deux lignes de spots L1 , L2, en utilisant deux fois plus de tranches de BFN du premier étage de formation de faisceaux que d'éléments rayonnants du réseau défocalisé et en connectant deux tranches de BFN, P1 1 , ΡΊ 1 , différentes du premier étage de formation de faisceaux à chacun des éléments rayonnants 30 du réseau défocalisé 41 . Pour une antenne de réception, l'ajout des tranches de BFN ΡΊ 1 supplémentaires nécessite de placer un diviseur de signal en sortie des éléments rayonnants 30 du réseau phasé, ce qui induit des pertes qui doivent être compensées par un amplificateur.
Pour obtenir des lignes de spots L'1 et L'2 additionnelles, il est en outre nécessaire que la deuxième tranche de BFN ΡΊ 1 présente un décalage linéaire, par exemple d'une demi-maille, une maille correspondant à l'espacement entre deux premières sources internes 15', par rapport à la première tranche de BFN P1 1 en ce qui concerne la position respective des premières sources internes 15' par rapport au réflecteur interne 16' correspondant. Le décalage linéaire peut être obtenu soit en appliquant une translation aux premières sources internes 15' de la deuxième tranche de BFN comme représenté schématiquement sur la figure 5c, soit en appliquant une rotation au réflecteur interne 16' de la deuxième tranche de BFN pour en changer l'orientation, la position des premières sources internes 15' n'étant alors pas modifiée. Sur la figure 5c, la deuxième tranche de BFN, ΡΊ 1 , du premier étage comporte des premières sources internes 15' décalées linéairement selon l'axe V perpendiculaire à la direction longitudinale U de la tranche de BFN par rapport aux premières sources internes 15 de la première tranche de BFN, P1 1 , du premier étage connectée au même élément rayonnant 30. Le décalage linéaire correspond à une translation de toutes les premières sources internes 15' d'une même distance T inférieure à la distance entre les centres de deux premières sources 15 consécutives. Le décalage linéaire T peut par exemple être égal à la moitié de la distance entre les centres de deux premières sources consécutives, c'est-à-dire à une demi-maille. Dans le cas d'un formateur de faisceaux à deux étages, le deuxième étage de formation de faisceaux, non représenté sur la figure 5a, comporte également deux fois plus de tranches de BFN, chaque tranche de BFN du deuxième étage étant connectée à l'ensemble des tranches de BFN du premier étage par l'intermédiaire des ports de liaison, comme indiqué ci-dessus en liaison avec les figures 4a et 4b.
Sur l'exemple de réalisation de la figure 6, le nombre de lignes de spots est inchangé mais des spots additionnels 5, 6, 7, 8, sont ajoutés sur chaque ligne de spots, L1 , L2, chaque spot additionnel étant intercalé entre deux spots consécutifs initiaux 1 , 2, 3, 4, de façon à combler des trous de couverture au sol sur chaque ligne de spot. Pour cela, seul le nombre de tranches de BFN du deuxième étage de formation de faisceaux est doublé, le nombre de tranches de BFN du premier étage n'est pas changé. Chaque port de liaison, 251 à 25Mx, des tranches de BFN, P1 1 à P1 Ny, du premier étage est alors relié à un port de liaison, 261 à 26Ny, d'une première tranche de BFN, P21 à P2Mx, du deuxième étage de formation de faisceaux et à un port de liaison, 26Ί à 26'Ny, d'une deuxième tranche de BFN, P'21 à P'2Mx, du deuxième étage. Comme dans le cas décrit en liaison avec la figure 5c, la deuxième tranche de BFN, P'21 à P'2Mx, du deuxième étage comporte des premières sources internes 15' décalées linéairement selon l'axe V perpendiculaire à la direction longitudinale U de la deuxième tranche de BFN par rapport aux premières sources internes 15 de la première tranche de BFN, P21 à P2Mx, du deuxième étage connectée au même port de liaison du premier étage de formation de faisceaux. Alternativement, les positions des premières sources internes sont identiques pour la première tranche P21 à P2Mx et la deuxième tranche P'21 à P'2Mx de BFN du deuxième étage mais le réflecteur interne 16' de la deuxième tranche P'21 à P'2Mx de BFN du deuxième étage est décalé angulairement par rapport au réflecteur 16 de la première tranche P21 à P2Mx du deuxième étage.
Sur l'exemple de réalisation de la figure 7a, des spots additionnels et des lignes additionnelles sont ajoutés. Pour l'ajout des lignes additionnelles L'1 et L'2, le nombre de tranches de BFN du premier étage de formation de faisceaux et le nombre de tranches de BFN du deuxième étage de formation de faisceaux sont doublés comme indiqué en liaison avec la figure 5a et en outre, pour l'ajout des spots additionnels sur chaque ligne de spots L1 , L2, L'1 , L'2, le nombre de tranches de BFN du deuxième étage de formation de faisceaux est doublé une nouvelle fois comme indiqué en liaison avec la figure 6. Au total, le nombre de tranches de BFN du premier étage P1 1 à P1 Ny, ΡΊ 1 à ΡΊ Ny est doublé et le nombre de tranches de BFN du deuxième étage P21 à P2Mx, P'21 à P'2Mx, P"21 à P"2Mx, P'"21 à P"'2Mx est quadruplé.
Les différents exemples de réalisation ont été décrits en considérant un maillage rectangulaire des spots. Un maillage hexagonal, comme représenté par exemple sur la figure 7b, peut également être réalisé avec la même configuration des deux étages de formation de faisceaux que celle représentée sur l'exemple de réalisation de la figure 7a. Pour cela, il est nécessaire soit de décaler, d'une demi-maille, les premières sources internes des tranches de BFN additionnelles P"21 à P"2Mx et P'"21 à P"'2Mx, soit de décaler les secondes sources internes des tranches de BFN additionnelles P"21 à P"2Mx et P'"21 à P"'2Mx, soit de modifier l'orientation du réflecteur interne 16 de ces tranches de BFN additionnelles P"21 à P"2Mx et P'"21 à P"'2Mx.
Les figures 8a, 8b et 8c représentent trois schémas illustrant le fonctionnement d'un premier exemple (figure 8a) et d'un deuxième exemple (figures 8b et 8c) d'antenne réseau imageur comportant un réflecteur principal 40, un réseau phasé 41 défocalisé placé devant le réflecteur principal 40 et un formateur multi-faisceaux selon l'invention. Pour simplifier les figures 8a à 8c et la description correspondante, dans ces trois schémas, le réseau rayonnant 41 considéré est un réseau linéaire et une seule tranche de BFN est considérée pour la formation d'un faisceau. Sur la figure 8a, le réflecteur interne 16 à la tranche de BFN est disposé dans une configuration offset correspondant au premier mode de réalisation de la tranche de BFN décrite en liaison avec la figure 2a. Sur les figures 8b et 8c, le réflecteur interne 16 à la tranche de BFN réfléchit les signaux dans la même direction que le faisceau incident, ce qui correspond au deuxième mode de réalisation de la tranche de BFN décrite en liaison avec la figure 2b. Sur les figures 8a et 8b, la direction du faisceau incident 33a est normale au réflecteur principal 40 de l'antenne alors que sur la figure 8c, la direction du faisceau incident 33b est dépointée par rapport à la direction normale. Le réseau phasé 41 est constitué d'une pluralité d'éléments rayonnants élémentaires 30, chaque élément rayonnant élémentaire 30 étant destiné à émettre et/ou à recevoir des faisceaux de signaux hyperfréquence. Chaque élément rayonnant élémentaire 30 est connecté à un port d'entrée/sortie 27 de la tranche de BFN par une chaîne d'émission et une chaîne de réception de signaux hyperfréquence et par l'intermédiaire de guides de liaison 42. Chaque chaîne d'émission et chaque chaîne de réception peut comporter un amplificateur 31 destiné à masquer les pertes d'énergie dans les tranches de BFN du formateur de faisceau. A l'émission, l'amplificateur 31 est un amplificateur de puissance et à la réception l'amplificateur 31 est un amplificateur à faible bruit. Optionnellement, chaque chaîne d'émission et de réception peut également comporter un déphaseur dynamique 32, comme représenté par exemple sur la figure 8d, permettant notamment de compenser les déformations du réflecteur principal 40 de l'antenne réseau imageur et les erreurs statiques de fabrication et d'intégration de l'antenne. Les déformations du réflecteur principal peuvent par exemple être dues à des variations de température ou à des instabilités d'un satellite auquel l'antenne réseau imageur est fixée. Les ports d'entrée/sortie 25 reliés aux deuxièmes sources internes 18 de la tranche de BFN sont destinés à être reliés à la réception, à des moyens de traitement des signaux reçus et à rémission, à des moyens d'excitation.
En réception, un faisceau de signaux incident 33a, 33b est réfléchi par le réflecteur principal 40 sur le réseau phasé 41 . Le réseau phasé 41 étant défocalisé, l'énergie du faisceau réfléchi 34a, 34b est captée par la quasi-totalité des éléments rayonnants 30 du réseau phasé 41 puis transmise par chaque chaîne de réception, aux ports d'entrée/sortie 27, et guidée par les guides de liaison 42 jusqu'à l'ensemble des premières sources internes 15 des tranches de BFN. Les premières sources internes 15 réémettent l'énergie du signal reçu dans la tranche de BFN, où l'énergie est focalisée sur l'une des deuxièmes sources 18 par l'intermédiaire du réflecteur interne 16 et transmise à l'un des ports d'entrée/sortie 25. Le port d'entrée/sortie 25 qui collecte l'énergie focalisée dépend de la direction d'arrivée du signal. Comme le montrent les figures 8b et 8c, pour deux directions d'arrivée différentes, l'énergie est focalisée sur deux ports 25a, 25b différents.
A l'émission, un signal d'excitation est appliqué sur l'un des ports d'entrée/sortie 25 et transmis, par l'intermédiaire de la deuxième source 18 auquel il est connecté, à l'intérieur de la tranche de BFN. Dans la tranche de BFN, l'énergie du signal est réfléchie sur le réflecteur interne 16 puis répartie sur toutes les premières sources 15 de la tranche de BFN. Les faisceaux de signaux synthétisés par la tranche de BFN sont alors transmis à tous les éléments rayonnants 30 du réseau phasé défocalisé 41 auxquels les premières sources 15 sont connectées puis émis vers le réflecteur principal 40 de l'antenne qui réfléchit les faisceaux vers des zones de couverture au sol constituant les spots.
Le second mode de réalisation d'une tranche de BFN correspondant aux figures 2b, 8b et 8c permet d'obtenir une antenne réseau imageur plus performante qu'en utilisant un formateur multi- faisceaux selon le premier mode de réalisation correspondant aux figures 2a et 8a dans lequel les tranches de BFN comportent un réflecteur interne placé dans une configuration offset. En effet, dans le second mode de réalisation d'une tranche de BFN, les secondes sources internes 18 associées aux ports d'entrée/sortie 25 sont centrées par rapport au réflecteur interne 16, ce qui améliore les performances en dépointage de l'antenne réseau imageur car l'antenne comportera moins d'aberrations de phase. Or, cette configuration optique n'est possible que grâce à la séparation, sur différentes couches de substrats, des signaux incidents et réfléchis sur le réflecteur interne 16. Avec tout autre type de formateur multi-faisceaux connus, il serait impossible de réaliser une antenne à configuration équivalente fonctionnant dans un espace libre car le réseau phasé ferait alors blocage au signal réfléchi par le réflecteur auxiliaire.
Par ailleurs, grâce à la présence du réflecteur interne au formateur multi-faisceaux, et à la possibilité d'ajouter un diélectrique dans la tranche de BFN, ce qui permet de diminuer l'encombrement du formateur multi-faisceaux, l'invention présente l'avantage de pouvoir réaliser, dans l'antenne réseau imageur associée au formateur multi- faisceaux, des trajets optiques importants similaires à ceux qui s'établissent dans une configuration d'antenne à deux réflecteurs de type Cassegrain tout en minimisant l'encombrement de l'antenne. Dans ce cas, le réflecteur interne au formateur multi-faisceaux est de forme elliptique.
Un autre avantage de l'antenne réseau imageur associée au formateur multi-faisceaux selon l'invention, par rapport à la configuration d'une antenne de type Cassegrain équivalente, concerne ses performances en rayonnement. L'antenne réseau imageur réalisée à partir d'un réflecteur et d'un réseau phasé défocalisé et associée au formateur multi-faisceaux selon l'invention dispose de plusieurs paramètres permettant d'optimiser son fonctionnement, tels que la forme du réflecteur principal 40, la disposition des éléments rayonnants 30 du réseau phasé 41 , la longueur des guides de liaison 42, la disposition des premières sources internes 15, la forme du réflecteur interne 16, et la disposition des secondes sources internes 15. Ces différents degrés de libertés peuvent être optimisés pour minimiser les aberrations de phase dans plusieurs directions d'arrivée, et ainsi étendre considérablement la couverture angulaire de l'antenne. Il est ainsi possible d'annuler ces aberrations dans cinq directions d'arrivée différentes, ce qui correspond à une antenne à cinq foyers. Au contraire, la configuration d'antenne de type Cassegrain peut être optimisée uniquement en ce qui concerne la forme des réflecteurs principal et auxiliaire et ainsi former uniquement deux foyers.
Enfin un dernier avantage réside dans la qualité de recouvrement des faisceaux. Une antenne à réflecteur qui comporte deux sources contigues disposées dans le plan focal de l'antenne génère deux faisceaux qui se recouvrent à un faible niveau, typiquement -4 à -5 dB. Les mêmes problèmes de recouvrement entre faisceaux apparaissent pour une antenne réseau imageur avec un formateur multi-faisceaux quasi-optique selon l'invention, mais comme décrit en liaison avec les figures 5a, 6 et 7, l'invention permet de résoudre ce problème en ajoutant des tranches de BFN supplémentaires dans les deux étages du formateur multi-faisceaux quasi-optique alors que dans les antennes connues, ce problème ne peux être résolu qu'en multipliant le nombre des antennes utilisées.
Le formateur multi-faisceaux à deux dimensions peut également être utilisé dans d'autres types d'antenne, telle que par exemple un réseau phasé à rayonnement direct ou une antenne réseau imageur comportant deux réflecteurs paraboliques externes de tailles différentes ayant la même focale, tel que représenté par exemple sur la figure 9. Dans le cas d'un réseau à rayonnement direct, l'antenne ne comporte aucun réflecteur externe, les faisceaux synthétisés par le formateur multi-faisceaux sont directement émis par les éléments rayonnants du réseau phasé et forment les spots au sol. Dans le cas d'une antenne réseau imageur comportant deux réflecteurs externes constitués d'un réflecteur principal 40, et d'un réflecteur auxiliaire 44 de tailles différentes ayant la même focale F, le réseau phasé 41 associé au formateur multi-faisceaux à deux dimensions selon l'invention est placé devant le réflecteur auxiliaire 44. A la réception, un faisceau de signaux incident sur le réflecteur principal 40 est réfléchi vers le réflecteur auxiliaire 44 en passant par le plan focal F situé entre le réflecteur principal et le réflecteur auxiliaire. Le signal réfléchi une première fois par le réflecteur principal 40 et imagé par le plan focal F est réfléchi une deuxième fois par le réflecteur auxiliaire 44 sur le réseau phasé 41 et focalisé par le formateur multi-faisceaux. A l'émission, les faisceaux synthétisés par le formateur multi-faisceaux sont émis par le réseau phasé puis suivent le chemin de propagation inverse de celui suivi à la réception.
Dans les différents exemples de réalisation d'antennes décrits ci- dessus, un seul formateur multi-faisceaux est connecté au réseau phasé. Or le formateur multi-faisceaux ne peut fonctionner que dans une seule polarisation alors que le réseau phasé peut extraire des signaux dans deux polarisations orthogonales. Aussi, pour obtenir une antenne multi-faisceaux fonctionnant dans deux polarisations orthogonales, il est nécessaire d'utiliser deux formateurs multi- faisceaux et de connecter les éléments rayonnants du réseau phasé de l'antenne aux deux formateurs multi-faisceaux.
Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
Formateur multi-faisceaux à deux dimensions, caractérisé en ce que :
Il comporte un premier étage de formation de faisceaux destiné à synthétiser des faisceaux focalisés selon une première direction X de l'espace et un deuxième étage de formation de faisceaux destiné à focaliser les faisceaux formés par le premier étage selon une deuxième direction Y de l'espace, les deux étages étant connectés entre eux, chaque étage comporte au moins deux structures planes multi-couches (P1 1 , P12), (P21 , P22) superposées l'une au- dessus de l'autre,
chaque structure multi-couches (P1 1 , P12, P21 , P22) du premier et du deuxième étage comporte un réflecteur interne (16) s'étendant transversalement au plan de la structure multi- couches, au moins deux premières sources internes (15) disposées devant le réflecteur interne (16) et respectivement reliées à deux premiers ports d'entrée/sortie (27, 26) alignés selon un premier axe (V, V) de la structure multi-couches, au moins deux secondes sources internes (18) disposées dans un plan focal du réflecteur interne (16) et respectivement reliées à deux seconds ports d'entrée/sortie (25, 28) alignés selon un deuxième axe (U, Ι ) de la structure multi-couches perpendiculaire au premier axe (V, V),
les deux secondes sources internes (18) de la même structure multi-couches (P1 1 ), respectivement (P12), du premier étage de formation de faisceaux étant respectivement reliées à deux premières sources internes (15) de deux structures multi-couches différentes (P21 ), (P22) du deuxième étage de formation de faisceaux par l'intermédiaire des ports d'entrée/sortie (25, 26), appelés ports de liaison, auxquels sont respectivement connectées les secondes et premières sources internes (18, 15). Formateur multi-faisceaux selon la revendication 1 , caractérisé en ce le :
le premier étage de formation de faisceaux comporte Ny structures multi-couches (P1 1 ,..,P1 Ny) planes superposées l'une au-dessus de l'autre, chaque structure multi-couches du premier étage comportant Nx premières sources internes (15) disposées devant le réflecteur interne (16) de la structure multi-couches correspondante et connectées à Nx ports d'entrée/sortie (271 à 27Nx) alignés parallèlement à un axe V et Mx secondes sources (18) disposées dans le plan focal du réflecteur interne (16) correspondant et connectées à Mx ports de liaison (251 à 25Mx) alignés parallèlement à un axe U perpendiculaire à l'axe V,
le deuxième étage de formation de faisceaux comporte Mx structures multi-couches (P21 à P2Mx) planes superposées l'une au-dessus de l'autre, chaque structure multi-couches (P21 à P2Mx) du deuxième étage de formation de faisceaux comportant Ny premières sources internes (15) disposées devant le réflecteur interne (16) de la structure multi-couches correspondante et connectées à Ny ports de liaison (261 à 26Ny) alignés parallèlement à un axe V et My secondes sources (18) disposées dans le plan focal du réflecteur interne (16) correspondant et connectées à My ports d'entrée /sortie (281 à 28My) alignés parallèlement à un axe U' perpendiculaire à l'axe V,
les Ny structures multi-couches du premier étage comportent Ny*Mx ports de liaison connectés respectivement à Mx*Ny ports de liaison correspondants des Mx structures multi- couches du deuxième étage, Nx, Ny, Mx, My étant des nombres entiers supérieurs à 1 , les ports de liaison d'une même structure multi-couches du premier étage de formation de faisceaux étant respectivement connectés à des structures multi-couches différentes du deuxième étage de formation de faisceaux. Formateur multi-faisceaux selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque port de liaison (251 à 25Mx) d'une Nkième structure multi- couches (P1 Nk) du premier étage de formation de faisceaux est connecté au Nkième port de liaison de l'une des structures multi- couches (P21 à P2Mx) correspondante du deuxième étage de formation de faisceaux, Nk étant un nombre entier compris entre 1 et Ny inclus.
Formateur multi-faisceaux selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque structure multi-couches comporte un plan métallique supérieur (10), un plan métallique inférieur (14) et une unique couche de substrat (9) intercalée entre le plan métallique supérieur (10) et le plan métallique inférieur (14), en ce que le réflecteur interne (16) s'étend transversalement dans la couche de substrat (9) du plan métallique inférieur (14) au plan métallique supérieur 10 et en ce que les premières sources internes (15) et les secondes sources internes (18) de chaque structure multi-couches sont disposées dans la couche de substrat (9) et reliées respectivement à un premier et un second port d'entrée/sortie (27, 25), les premier et second ports d'entrée/sortie (27, 25) étant disposés selon deux directions orthogonales (V, U) du plan de la couche de substrat (9).
Formateur multi-faisceaux selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que:
Les premières sources internes (15) de chaque structure multi-couches sont disposées dans une première couche de substrat (1 1 ) intercalée entre un plan métallique supérieur (10) et un plan métallique intermédiaire (12), les secondes sources (18) sont disposées dans une deuxième couche de substrat (13) intercalée entre le plan métallique intermédiaire (12) et un plan métallique inférieur (14),
les première et deuxième couches de substrat (1 1 , 13) sont couplées par le réflecteur interne (16) s'étendant du plan métallique inférieur (14) au plan métallique supérieur (10) et par l'intermédiaire d'une ouverture ou de fentes de couplage (17) s'étendant le long du réflecteur interne (16) et réalisées dans le plan métallique intermédiaire (12) séparant les deux couches de substrat (1 1 , 13),
chaque structure multi-couches comporte en outre des premiers guides d'onde (19) disposés dans la deuxième couche de substrat (13), chaque premier guide d'onde (19) comportant une première partie de guide s'étendant selon un axe longitudinal de la structure multi-couches et connectée aux secondes sources internes (18) et une deuxième partie de guide coudée s'étendant perpendiculairement à l'axe longitudinal et reliée à un second port d'entrée/sortie (25).
6. Formateur multi-faisceaux selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le deuxième étage de formation de faisceaux comporte Mx premières structures multi-couches (P21 à P2Mx) et au moins Mx secondes structures multi-couches (P'21 à P'2Mx) et en ce que chaque port de liaison (251 à 25Mx) de la Nkième structure multi- couches (P1 Nk) du premier étage de formation de faisceaux est connecté au Nkième port de liaison de l'une des premières structures multi-couches (P21 à P2Mx) correspondante du deuxième étage de formation de faisceaux et au Nkième port de liaison de l'une des secondes structures multi-couches (P'21 à P'2Mx) correspondante du deuxième étage de formation de faisceaux, Nk étant un nombre entier compris entre 1 et Ny inclus.
7. Formateur multi-faisceaux selon la revendication 6, caractérisé en ce que les Mx secondes structures multi-couches (P'21 à P'2Mx) du deuxième étage de formation de faisceaux comportent des premières sources internes (15') décalées linéairement par rapport aux premières sources internes (15) des Mx premières structures multi-couches (P21 à P2Mx) du deuxième étage de formation de faisceaux, le décalage linéaire correspondant à une translation de toutes les premières sources internes (15') d'une même distance T inférieure à une distance entre des centres de deux premières sources internes consécutives.
8. Formateur multi-faisceaux selon la revendication 6, caractérisé en ce que les Mx secondes structures multi-couches (P'21 à P'2Mx) du deuxième étage de formation de faisceaux comportent un réflecteur interne (16') ayant une orientation décalée par rapport au réflecteur interne (16) des Mx premières structures multi-couches (P21 à P2Mx) du deuxième étage de formation de faisceaux.
9. Formateur multi-faisceaux selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le premier étage de formation de faisceaux comporte Ny (P1 1 ,..,P1 Ny) premières et Ny secondes structures multi-couches (ΡΊ 1 ,..,P'1 Ny) et en ce que les premières sources internes des Ny secondes structures multi-couches (ΡΊ 1 ,..,P'1 Ny) sont reliées aux premières sources internes des Ny premières structures multi-couches (ΡΊ 1 ,..,P'1 Ny), les Ny secondes structures multi-couches du premier étage de formation de faisceaux comportant des premières sources internes (15') décalées linéairement par rapport aux premières sources internes (15) des Ny premières structures multi-couches du premier étage de formation de faisceaux.
10. Formateur multi-faisceaux selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le premier étage de formation de faisceaux comporte Ny (P1 1 ,..,P1 Ny) premières et Ny secondes structures multi-couches (ΡΊ 1 ,..,P'1 Ny) et en ce que les premières sources internes des Ny secondes structures multi-couches (ΡΊ 1 ,..,P'1 Ny) du premier étage sont reliées aux premières sources internes des Ny premières structures multi-couches (P1 1 ,..,P1 Ny) du premier étage, les Ny secondes structures multi-couches (ΡΊ 1 à P'1 Ny) du premier étage de formation de faisceaux comportant un réflecteur interne (16') ayant une orientation décalée par rapport au réflecteur interne (16) des Ny premières structures multi-couches (P1 1 à P1 Ny) du premier étage de formation de faisceaux.
1 1 . Formateur multi-faisceaux selon l'une des revendications 4 à 10, caractérisé en ce que la couche de substrat unique (9) ou les première (1 1 ) et deuxième (13) couches de substrat de chaque structure multi-couches comportent un matériau diélectrique.
12. Formateur multi-faisceaux selon la revendication 1 1 , caractérisé en ce que le matériau diélectrique est une lentille diélectrique (21 ) placée entre le réflecteur interne (16) et les premières et secondes sources internes (15, 18), la lentille diélectrique (21 ) ayant une surface périphérie convexe et comportant des inclusions de trous d'air (22), les inclusions (22) de trous d'air ayant une densité augmentant progressivement du réflecteur interne (16) vers les premières et les secondes sources internes (15).
13. Formateur multi-faisceaux selon l'une des revendications 4 à 10, caractérisé en ce que la couche de substrat unique (9) ou les première et seconde couches de substrat (1 1 , 13) de chaque structure multi-couches comportent en outre un premier matériau diélectrique ayant une première permittivité diélectrique (ε-ι), le premier matériau diélectrique comportant des inclusions (22) d'un deuxième matériau diélectrique ayant une deuxième permittivité diélectrique (ε2) plus faible que la première permittivité diélectrique (ε-ι), les inclusions (22) ayant une densité augmentant du réflecteur interne (16) vers les premières et les secondes sources internes (15,
18).
14. Formateur multi-faisceaux selon l'une des revendications 4 à 10, caractérisé en ce que la première couche et la deuxième couche de substrat de chaque structure multi-couches comporte des moyens de déformation (23) du réflecteur interne (16).
15. Antenne multi-faisceaux, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un formateur multi-faisceaux à deux dimensions selon l'une des revendications 1 à 14 et un réseau phasé (41 ) constitué d'une pluralité d'éléments rayonnants élémentaires (30), chaque élément rayonnant élémentaire (30) étant relié à un port d'entrée/sortie (27) correspondant du premier étage de formation de faisceaux par l'intermédiaire d'une chaîne d'émission et d'une chaîne de réception de signaux hyperfréquence.
16. Antenne multi-faisceaux selon la revendication 15, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au moins un réflecteur principal (40), le réseau phasé (41 ) connecté au formateur multi-faisceaux à deux dimensions étant placé devant le réflecteur principal (40) dans un plan défocalisé.
17. Antenne multi-faisceaux selon la revendication 15, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au moins un réflecteur principal (40) et un réflecteur auxiliaire (44), le réflecteur principal (40) et le réflecteur auxiliaire (44), ayant des tailles différentes et ayant la même focale F et en ce que le réseau phasé (41 ) connecté au formateur multi- faisceaux à deux dimensions est placé devant le réflecteur auxiliaire (44).
18. Antenne multi-faisceaux selon l'une des revendications 16 ou 17, caractérisée en ce que chaque chaîne d'émission et de réception de signaux hyperfréquence comporte un déphaseur dynamique (32).
19. système de télécommunication par satellite, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une antenne selon l'une des revendications 15 à 18.
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