EP3014704B1

EP3014704B1 - Dispositif de polarisation pour antenne de telecommunications par satellite et antenne associee

Info

Publication number: EP3014704B1
Application number: EP14726562.3A
Authority: EP
Inventors: Gérard Collignon
Original assignee: Ineo Defense SAS
Current assignee: Ineo Defense SAS
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2034-05-20
Also published as: ES2633512T3; WO2014206649A1; FR3007913A1; US20160372820A1; FR3007913B1; EP3014704A1; US10333203B2

Description

Domaine de l'invention

La présente invention se rapporte au domaine des polariseurs pour antenne de télécommunications par satellite. L'invention concerne également une antenne de télécommunications par satellite associée.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse pour l'émission et la réception des données vers ou depuis un satellite notamment pour les télécommunications par satellites de type Satcom (acronyme de communication par satellite ou « Satellite communications » en terminologie anglo-saxonne).

Etat de la technique

Les télécommunications par satellite utilisent habituellement une bande de fréquence à l'émission Tx et une bande de fréquences à la réception Rx. La polarisation est souvent circulaire de sens opposé en émission et réception, notamment pour certains satellites travaillant dans les bandes X, Ka et Q/V.
L'utilisation de la polarisation circulaire est particulièrement bien adaptée aux communications entre un mobile (véhicule terrestre, navire, avion..) et un satellite car elle ne nécessite aucune orientation de polarisation contrairement à la polarisation linéaire.
La réalisation d'une antenne réseau plate pour cette application nécessite donc l'utilisation d'éléments rayonnants bi bandes (bande Rx et bande Tx) et bi polarisations (circulaire gauche et circulaire droite). Le sens de polarisation est préférentiellement commutable.
Les éléments rayonnants (patch, dipôles, ...) sont, le plus souvent, bi polarisation linéaire et la polarisation circulaire est obtenue au moyen d'un coupleur hybride 90° (ou équivalent) associé à chaque élément ou à chaque ligne d'éléments rayonnants si l'antenne est active ou à balayage électronique. Le principal inconvénient de cette structure provient du fait que la distribution de puissance sur les N éléments rayonnants nécessite l'utilisation de deux répartiteurs à une entrée et N sorties. Soit un répartiteur pour l'émission et un répartiteur pour la réception soit un répartiteur pour chacune des deux polarisations linéaires orthogonales. Un dispositif de polarisation est divulgué dans EP 2 469 653 A1 .

Exposé de l'invention

La présente invention entend remédier aux inconvénients de l'art antérieur en proposant un dispositif de polarisation permettant d'utiliser une antenne de télécommunications par satellite munie d'éléments rayonnants à une seule polarisation linéaire donc à un seul répartiteur et un seul accès pour les bandes Rx et Tx. Les deux polarisations circulaires sont réalisées en espace libre devant l'antenne au moyen d'un polariseur qui transforme la polarisation linéaire en polarisations circulaire gauche dans la bande de fréquences Tx et en polarisation circulaire droite dans la bande de fréquences Rx, ou inversement.
A cet effet, la présente invention concerne, selon un premier aspect, un dispositif de polarisation pour antenne de télécommunications par satellite comportant au moins une couche sélective en fréquence apte à transformer une polarisation linéaire, comprenant deux composantes, en polarisation circulaire gauche dans une première bande de fréquence en émission et en polarisation circulaire droite dans une seconde bande de fréquence en réception ou inversement, le déphasage entre les deux composantes de la polarisation linéaire étant compris entre -85 et -95 degrés, préférentiellement -90 degrés dans une des bandes de fréquence, et le déphasage entre les deux composantes de la polarisation linéaire étant compris entre +85 et +95 degrés, préférentiellement +90 degrés dans l'autre bande de fréquence, l'au moins une couche sélective comprenant des fils horizontaux en méandre associés à doubles résonateurs en anneaux rectangulaires fendus.
L'invention permet de réduire la complexité des éléments rayonnants et des répartiteurs d'une antenne de télécommunications par satellite et ainsi de faciliter sa réalisation. En outre, l'invention permet également de limiter l'encombrement d'une antenne de télécommunications par satellite facilitant son implantation dans un terminal mobile. De manière classique, les fréquences en émission et en réception sont séparées par filtrage au moyen d'un diplexeur.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comporte plusieurs couches sélectives en fréquence de motifs identiques. En variante, le motif peut être différent entre les différentes couches.
Selon un mode de réalisation, l'au moins une couche sélective en fréquence est réalisée sur un circuit imprimé comprenant un substrat d'épaisseur 2mm et de constante diélectrique relative égale à 2.2. Par exemple, le substrat sélectionné est de type RT/duroid 5880.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comporte quatre couches sélectives en fréquence.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comporte une susceptance correspondant à l'équation suivante : $B = \frac{B_{2}}{(1 - {(\frac{F}{F_{0}})}^{2})}$
dans laquelle une caractéristique permet de régler la pente autour d'une fréquence de coupure en fonction de la fréquence.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comporte une susceptance correspondant à l'équation suivante : $B = B_{1} (1 - {(\frac{F}{F_{0}})}^{2})$
dans laquelle une caractéristique permet de régler la pente autour d'une fréquence de coupure en fonction de la fréquence.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comporte au moins une couche diélectrique. Cette réalisation permet d'améliorer l'adaptation du dispositif de polarisation.
Selon un deuxième aspect, l'invention concerne une antenne de télécommunications par satellite comportant un dispositif de polarisation selon le premier aspect de l'invention.
Selon un mode de réalisation l'antenne est plate. Le dispositif de polarisation est particulièrement bien adapté à une antenne plate ou il apporte une réduction de l'encombrement mais il peut également être utilisé pour tout type d'antenne. De préférence, l'antenne plate est constituée d'un réseau d'éléments rayonnants de type patchs en matériau conducteur ou de dipôles ou équivalents.

Brève description des dessins

On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description, faite ci-après à titre purement explicatif, des modes de réalisation de l'invention, en référence aux Figures dans lesquelles :

la Figure 1 illustre une antenne de télécommunications par satellite plate munie d'un polariseur selon un mode de réalisation de l'invention ;
la Figure 2 illustre une allure des susceptances d'une couche sélective en fréquence selon un mode de réalisation de l'invention ;
la Figure 3 illustre un motif d'une couche sélective en fréquence selon un premier exemple ;
la Figure 4 illustre un motif d'une couche sélective en fréquence selon un deuxième exemple ;
la Figure 5 illustre un motif d'une couche sélective en fréquence selon un troisième exemple ; et
la Figure 6 illustre un motif d'une couche sélective en fréquence selon un mode de réalisation ; et
la Figure 7 illustre une allure de la phase différentielle du dispositif de polarisation comportant quatre couches sélectives en fréquence d'une antenne de télécommunications par satellite pour la bande Ka.

Description détaillée des modes de réalisation de l'invention

La Figure 1 révèle une antenne de télécommunications par satellite 11 plate recouverte d'un dispositif de polarisation 10 comprenant plusieurs couches sélectives 12 en fréquence selon un mode de réalisation de l'invention. L'antenne de télécommunications par satellite 11 est reliée à un canal de transmission 27 apte à transmettre des informations dans les deux sens de circulation. Lorsque l'antenne de télécommunications par satellite 11 est utilisée en émission, dans la première bande de fréquence en émission Tx, le signal à émettre 25 est appliqué à l'entrée du filtre Tx 20 puis envoyé à l'antenne 11 par le canal de transmission 27. Lorsque l'antenne 11 est utilisée en réception, dans la seconde bande de fréquence en réception Rx, l'antenne de télécommunications par satellite 11 capte un signal brut qui est dirigé sur le canal de transmission 27 jusqu'au filtre Rx 21 afin d'être orienté vers le récepteur 26. L'ensemble des filtres Rx 21 et Tx 20 constitue un diplexeur.
Une polarisation linéaire E émise par l'antenne 11 peut être décomposée en deux composantes linéaires à ±45° : Ex et Ey. Le dispositif de polarisation 10 est un déphaseur en espace libre permettant de transformer les composantes Ex et Ey de la polarisation linéaire E de l'antenne en polarisation circulaire gauche ou en polarisation circulaire droite. Le dispositif de polarisation impose un déphasage entre la polarisation linéaire Ex et la polarisation linéaire Ey compris entre -85 et -95 degrés, préférentiellement -90 degrés pour obtenir la polarisation circulaire gauche, ou un déphasage entre la polarisation linéaire Ex et la polarisation linéaire Ey compris entre +85 et +95 degrés, préférentiellement +90 degrés pour obtenir la polarisation circulaire droite.
En réception, une polarisation circulaire gauche ou droite est transformée en polarisation linéaire suivant le même principe réciproque. Le sens de la polarisation circulaire droite en réception et gauche en émission peut être inversé simplement en tournant physiquement le dispositif de polarisation de 90°, ce qui a pour effet d'inverser les composantes Ex et Ey et donc d'inverser le signe du déphasage de 90°.
Le dispositif de polarisation 10 comprend quatre couches sélectives en fréquence 12 comprenant un motif métallique identique permettant d'obtenir le déphasage souhaité. En variante, le dispositif de polarisation peut comporter un nombre quelconque de couches sélectives en fréquences 12 et leurs motifs peuvent être différents. Contrairement à un dispositif de polarisation classique ou un déphasage constant de 90° en fonction de la fréquence est recherché, le dispositif de polarisation de l'invention accorde les circuits pour obtenir un déphasage de +90° dans la bande de fréquence réception Rx et un déphasage de -90° dans la bande de fréquence Emission Tx. (ou l'inverse).
La susceptance B (partie imaginaire de l'admittance) de chaque couche sélective en fréquence 12 est différente selon les composantes x et y, le déphasage différentiel Δϕx/y est donné par : $Δϕx / y = Atan (Bx / 2) - Atan (By / 2)$
Si les motifs sont identiques sur chaque couche, le nombre de couches N pour obtenir un déphasage de 90° est donc de : $N = 90 / Δϕx / y$
Si les motifs de chaque couche ne sont pas identiques, la somme des déphasages différentiels est voisine de 90°.
L'adaptation de l'ensemble est obtenue en écartant les différentes couches sélectives en fréquence 12 de ¼ de longueur d'onde environ. De plus, pour obtenir un déphasage de 90° dans la bande de fréquence réception Rx et un déphasage de -90° dans la bande de fréquence Emission Tx, il est nécessaire de se conformer à l'équation suivante : $Δϕx / yTx = - Δϕx / yRx$
L'allure des susceptances B utilisées est représentée sur la Figure 2 en fonction de la fréquence F. La Figure 2 révèle une courbe de résonance série de la susceptance By pour la composante y et une courbe de résonance parallèle de la susceptance Bx pour la composante x. En variante, la résonance série peut correspondre à la composante x et la résonance parallèle peut correspondre à la composante y.
Dans un exemple de réalisation, la résonance série de la susceptance By peut correspondre à l'équation : $By = \frac{B_{2}}{(1 - {(\frac{F}{F_{0}})}^{2})}$
et la résonance parallèle de la susceptance Bx peut correspondre à l'équation : $Bx = B_{1} (1 - {(\frac{F}{F_{0}})}^{2}) .$
Les équations de ces susceptances Bx et By offrent une possibilité d'ajuster les fréquences de résonance F0 et les coefficients B1 et B2 pour obtenir les déphasages ou les susceptances nécessaires au bon fonctionnement du dispositif de polarisation 10. Ces équations permettent également d'obtenir une phase Δϕx/y stationnaire dans les deux bandes de fréquence Rx et Tx.
Les composantes de la susceptance Bx et By sont obtenues avec un motif identique sur quatre couches sélectives en fréquence 12 dont le comportement est celui d'un circuit LC parallèle pour la composante Ex et d'un circuit LC série pour la composante Ey ou inversement. Le motif peut prendre des formes diverses permettant de régler l'allure et les paramètres des déphasages ou des susceptances.
La Figure 3 révèle un exemple de motif des couches sélectives en fréquence 12 constitué d'un réseau de fils continus horizontaux parallèles et d'un réseau de dipôles verticaux, le pas de ce réseau est de l'ordre d'une demi longueur d'onde λ/2 soit environ 5mm à 30 GHz. Les fils sont réalisés par des lignes parallèles et les dipôles sont réalisés par des rectangles pleins 30 régulièrement espacés en colonnes et reliés en leur milieu. Le motif de la Figure 3 permet d'obtenir une composante Ex présentant un comportement équivalent à une capacitance C1 en parallèle avec une inductance L1 et une composante Ey présentant un comportement équivalent à une inductance L2 en série avec une capacitance C2. Des variantes de ce motif donnent des degrés de liberté supplémentaires permettant d'accorder le circuit avec plus de souplesse, le pas est toujours voisin de λ/2.
Par exemple, la Figure 4 révèle un motif d'une couche sélective en fréquence 12 constitué de lignes parallèles de carrés pleins 35 régulièrement espacés en colonnes. Entre chaque groupe de quatre carrés pleins 35 sont disposés des carrés vides 36 et entre les lignes parallèles de carrés pleins 35 sont disposés des traits pleins 29b passant par le milieu des carrés vides 36. Le motif de la Figure 4 permet d'obtenir une composante Ex présentant un comportement équivalent à une capacitance C3 en parallèle avec une inductance L3 et une composante Ey présentant un comportement équivalent à une inductance L4 en série avec une capacitance C4 placés en parallèle avec une capacitance C5.
Dans un autre exemple, la Figure 5 révèle un motif d'une couche sélective en fréquence 12 constitué de lignes parallèles de segments 38. Entre deux segments 38 parallèles sont disposées des croix 39 régulièrement espacés en colonne. Le motif de la Figure 5 permet d'obtenir une composante Ex présentant un comportement équivalent à une capacitance C6 en série avec une inductance C5 montés en parallèle avec une inductance L6 en série avec une capacitance C7 et une composante Ey présentant un comportement équivalent à une inductance L7 en série avec une capacitance C8.
Dans un mode de réalisation préférentiel, la Figure 6 révèle un motif d'une couche sélective en fréquence 12 constitué de fils horizontaux 40 en méandre qui permettent d'ajuster la valeur de l'inductance correspondante afin d'obtenir une résonance parallèle de sélectivité satisfaisante en polarisation suivant x associés à des doubles résonateurs 41 en anneaux rectangulaires fendus (double C) qui donnent une résonance série de sélectivité convenable en polarisation suivant y. Les fréquences de résonance et la sélectivité des deux résonnances, série en polarisation suivant y, et parallèle en polarisation suivant x, permettent d'obtenir le déphasage souhaité Δϕx/y dans les deux bandes de fréquence Rx et Tx. A cet effet, le motif de la Figure 6 permet d'obtenir une composante Ex présentant un comportement équivalent à une capacitance C9 en série avec une inductance L8 montés en parallèle avec une inductance L9 et une composante Ey présentant un comportement équivalent à une inductance L10 en série avec une capacitance C10 montés en parallèle avec une inductance L11 et montés en série avec une capacitance C11 et montés en parallèle avec une capacitance C12.
Lors de la réalisation d'un dispositif de polarisation 10, il convient tout d'abord étudier la fréquence d'utilisation de l'antenne 11. Par exemple, pour une antenne de télécommunications par satellite (Satcom) de la bande Ka, les bandes de fréquences suivantes sont utilisées :

bande de fréquence en réception Rx : de 17.7 à 20.2 GHz
bande de fréquence en émission Tx : de 27.5 à 30 GHz

Le motif des couches sélectives en fréquences 12 est ensuite déterminé en fonction des comportements électriques recherchés. Par exemple, les couches sélectives en fréquences 12 sont réalisées sur un circuit imprimé dont le substrat est de type RT/duroid 5880 d'épaisseur 2mm et de constante diélectrique relative ε_r =2.2.
Les susceptances au centre de la bande de fréquence en réception Rx sont : Bx= -0.4 et By = 0.4. Les susceptances au centre de la bande de fréquence en émission Tx sont : Bx= 0.4 et By = -0.4.
Le déphasage différentiel d'une couche est donc : $Δϕx / y = 2 Atan (0.4 / 2) = 22.5 °$
Le déphasage différentiel d'une couche est donc de 22.5° dans la bande de fréquence en émission Tx et de -22.5° dans la bande de fréquence en réception Rx.
Si le dispositif de polarisation 10 comporte quatre couches sélectives en fréquence 12 séparées d'un espacement de λ/4 dans le matériau soit 2 mm, l'épaisseur totale du dispositif de polarisation est donc de 6mm.
L'allure de la phase différentielle Δϕx/y du dispositif de polarisation 10 complet est représentée sur la Figure 7 en fonction de la fréquence F. La phase différentielle de la bande de fréquence en réception Rx est stationnaire et voisine de +90°. A l'inverse, la phase différentielle de la bande de fréquence en émission Tx est stationnaire et voisine de -90°.
Ce mode de réalisation permet ainsi d'obtenir un déphasage proche de +90° dans la bande de fréquence réception Rx et un déphasage proche de -90° dans la bande de fréquence en transmission Tx. En variante, le nombre de couches peut être réduit ou augmenté en fonction des performances souhaitées en termes d'adaptation, de taux d'ellipticité et de plage de fonctionnement en incidence.
Il est également possible d'améliorer l'adaptation en ajoutant de part et d'autre une ou plusieurs couches diélectriques de constantes différentes et d'épaisseurs égales à environ un quart de longueur d'onde dans le matériau. Par exemple, une couche de constante diélectrique 1.5 et d'épaisseur 2.5mm environ à l'entrée et a la sortie.

Claims

Dispositif de polarisation (10) pour antenne de télécommunications par satellite (11) caractérisé en ce qu'il comporte au moins une couche sélective en fréquence (12) apte à transformer une polarisation linéaire (E), comprenant deux composantes (Ex, Ey), en polarisation circulaire gauche dans une première bande de fréquence en émission (Tx) et en polarisation circulaire droite dans une seconde bande de fréquence en réception (Rx) ou inversement, et en ce que
- le déphasage entre les deux composantes (Ex, Ey) de la polarisation linéaire (E) est compris entre -85 et -95 degrés, préférentiellement -90 degrés dans une des bandes de fréquence (Rx, Tx), et

- le déphasage entre les deux composantes (Ex, Ey) de la polarisation linéaire (E) est compris entre +85 et +95 degrés, préférentiellement +90 degrés dans l'autre bande de fréquence (Rx, Tx),

- l'au moins une couche sélective (12) comprenant des fils horizontaux (40) en méandre associés à des doubles résonateurs (41) en anneaux rectangulaires fendus.
Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs couches sélectives en fréquence (12) possédant des motifs identiques.
Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que l'au moins une couche sélective en fréquence (12) est réalisée sur un circuit imprimé comprenant un substrat d'épaisseur 2mm et de constante diélectrique relative (ε_r ) égale à 2.2.
Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte quatre couches sélectives en fréquence (12).
Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une susceptance (B) correspondant à l'équation suivante : $B = \frac{B_{2}}{(1 - {(\frac{F}{F_{0}})}^{2})}$
dans laquelle une caractéristique (B ₂) permet de régler la pente autour d'une fréquence de coupure (F ₀) en fonction de la fréquence (F).
Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une susceptance (B) correspondant à l'équation suivante : $B = B_{1} (1 - {(\frac{F}{F_{0}})}^{2})$
dans laquelle une caractéristique (B ₁) permet de régler la pente autour d'une fréquence de coupure (F ₀) en fonction de la fréquence (F).
Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une couche diélectrique.
Antenne (11) de télécommunications par satellite comportant un dispositif de polarisation (12) selon l'une des revendications 1 à 7.
Antenne (11) selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle est plate.