FR2651927A1

FR2651927A1 - MULTIFUNCER ANTENNA ORIENTABLE BY LOW LEVEL SWITCHING.

Info

Publication number: FR2651927A1
Application number: FR8911967A
Authority: FR
Inventors: Jones Trevor; Roederer Antoine; Lenormand Regis; Raguenet Gerard
Original assignee: Alcatel Espace Industries SA
Current assignee: Alcatel Espace Industries SA
Priority date: 1989-09-13
Filing date: 1989-09-13
Publication date: 1991-03-15
Anticipated expiration: 2009-09-13
Also published as: DE69013831T2; DE69013831D1; CA2025154A1; EP0417679B1; JPH03110905A; FR2651927B1; EP0417679A1

Abstract

L'invention concerne une antenne multifaisceaux orientable par commutation bas niveau comprenant un réseau (11) de sources élémentaires, un réflecteur (10) focalisant l'énergie, le réseau (11) étant situé dans la zone focale du réflecteur, de manière à réaliser la synthèse du champ électromagnétique dans cette zone focale, et la zone de couverture étant réalisée par m spots, chaque spot correspondant chacun à un nombre défini de sources élémentaires actives. Application notamment au domaine des télécommunications spatiales.The invention relates to a multi-beam antenna which can be steered by low-level switching comprising an array (11) of elementary sources, a reflector (10) focusing the energy, the array (11) being located in the focal zone of the reflector, so as to produce the synthesis of the electromagnetic field in this focal zone, and the coverage zone being produced by m spots, each spot each corresponding to a defined number of active elementary sources. Application in particular to the field of space telecommunications.

Description

L'invention se rapporte à une antenne multifaisceaux orientableThe invention relates to an orientable multibeam antenna

par commutation bas niveau.by low level switching.

Un ouvrage intitulé "télécommunications spatiales" de la collection technique et scientifique des télécommunications notamment dans son tome I pages 92 à 94 et pages 259 à 261 (Masson, 1982) décrit d'une part le fait de grouper plusieurs antennes, alimentées simultanément par le même émetteur avec interposition de diviseurs de puissances et de déphaseurs, les caractéristiques de rayonnement de ce groupement dépendant à la fois du diagramme de chaque antenne et de la répartition des puissances en amplitude et phase. Cette propriété est mise à profit pour obtenir un diagramme qui ne pourrait pas être obtenu avec une seule source rayonnante. Si, en outre, on modifie les caractéristiques des diviseurs de puissance et des déphaseurs par des moyens électroniques, on peut obtenir une modification quasi-instantanée du diagramme. Le groupement le plus simple de sources rayonnantes est le réseau, dans lequel toutes les sources sont identiques et se déduisent l'une de l'autre par une translation quelconque. On peut réaliser ainsi A book entitled "Spatial Telecommunications" of the technical and scientific telecommunications collection, particularly in its volume I pages 92 to 94 and pages 259 to 261 (Masson, 1982) describes on the one hand the fact of grouping several antennas, fed simultaneously by the same transmitter with the interposition of power splitters and phase shifters, the radiation characteristics of this group depending both on the diagram of each antenna and the distribution of power amplitude and phase. This property is used to obtain a diagram that could not be obtained with a single radiating source. If, furthermore, the characteristics of the power dividers and the phase shifters are modified by electronic means, a quasi-instantaneous modification of the diagram can be obtained. The simplest grouping of radiating sources is the network, in which all the sources are identical and are deduced from each other by any translation. We can achieve

des réseaux rectilignes ou plans.rectilinear or flat networks.

Ce document décrit, d'autre part, l'utilisation d'antennes à réflecteur pour la génération de plusieurs faisceaux mobiles qui présentent l'avantage d'une faible masse liée à l'utilisation d'étages amplificateurs optimisés. Le système d'illumination du réflecteur est en général, décentré par rapport à celui-ci de façon à éviter tout blocage de l'ouverture rayonnante et faciliter l'implantation sur la plateforme dans le cas d'une application spatiale. Le réflecteur principal est par exemple un paraboloide. Les faisceaux mobiles sont en fait la combinaison de faisceaux élementaires, obtenus en plaçant un ensemble de sources d'illumination au voisinage du foyer, chaque source This document describes, on the other hand, the use of reflector antennas for the generation of several mobile beams which have the advantage of a low mass linked to the use of optimized amplifier stages. The illumination system of the reflector is generally off-center with respect thereto so as to avoid any blockage of the radiating aperture and facilitate implantation on the platform in the case of a spatial application. The main reflector is for example a paraboloid. The moving beams are actually the combination of elementary beams, obtained by placing a set of sources of illumination in the vicinity of the focus, each source

correspondant à un faisceau élémentaire. corresponding to an elementary beam.

Du fait que l'on ne peut pas les placer exactement au foyer, l'illumination n'est pas géométriquement parfaite et il se produit des aberrations de phase qui dégradent quelque peu les performances de rayonnement, donc des baisses de gain par rapport aux valeurs réalisables au foyer. Ces dégradations sont d'autant plus importantes - 2 - que l'on s'écarte du foyer et que la courbure du réflecteur est importante. On doit donc réaliser des réflecteurs aussi "plats" que possible, c'est-à- dire avec un rapport distance focale à diamètre d'ouverture élevé. Ceci conduit à des structures de dimensions importantes qui posent des problèmes de précision et de tenue mécanique. Les applications spatiales, qui nécessitent une déflexion électronique de l'onde rayonnante sur un large champ de vue, conduisent à des déviations angulaires de plusieurs largeurs de pinceau. En conséquence la possibilité de contrôler précisément la forme du Because they can not be placed exactly in the home, the illumination is not geometrically perfect and phase aberrations occur which degrade the radiation performance somewhat, thus decreasing the gain in relation to the values. feasible at home. These degradations are even more important - 2 - that one deviates from the focus and that the curvature of the reflector is important. Reflectors must therefore be made as "flat" as possible, that is to say with a focal length to high aperture diameter ratio. This leads to structures of large dimensions which pose problems of precision and mechanical strength. Space applications, which require electronic deflection of the radiating wave over a wide field of view, lead to angular deviations of several brush widths. Consequently, the possibility of precisely controlling the shape of the

diagramme de l'antenne est essentielle. Antenna diagram is essential.

La configuration de ces grandes antennes doit aussi tenir compte de plusieurs aspects système: - limitation en volume du satellite, liée à la nécessité pour une antenne de transmettre et de recevoir simultanément; compatibilité d'un agencement mécanique aisé sur la plate-forme, et sur le lanceur avant et pendant le fonctionnement; - bon contrôle thermique; The configuration of these large antennas must also take into account several system aspects: - limitation in volume of the satellite, related to the need for an antenna to transmit and receive simultaneously; compatibility of an easy mechanical arrangement on the platform, and on the launcher before and during operation; - good thermal control;

- multiplicité éventuelle des missions et des utilisateurs. - possible multiplicity of missions and users.

L'objet de l'invention est de réaliser une antenne orientable à commutation bas niveau permettant de résoudre ces différents problèmes qui puisse fonctionner avec une très bonne efficacité globale du sous système antenne + amplificateurs quel que soit le nombre d'utilisateurs; nombre pouvant être faible, par exemple inférieur à cinq. L'invention propose à cet effet une antenne multifaisceaux orientable par commutation bas niveau comprenant un réseau de sources élémentaires, caractérisée en ce qu'elle comprend un réflecteur focalisant l'énergie, le réseau étant situé dans la zone focale du réflecteur, de manière à réaliser la synthèse du champ électromagnétique dans cette zone focale, et en ce que la zone de couverture est réalisée par m spots, chaque spot correspondant chacun à un nombre défini de The object of the invention is to provide a steerable low-level switching antenna for solving these various problems that can operate with a very good overall efficiency of the sub-system antenna + amplifiers regardless of the number of users; number may be small, for example less than five. The invention proposes for this purpose a low-level switching orientable multibeam antenna comprising an array of elementary sources, characterized in that it comprises a reflector focusing the energy, the network being located in the focal zone of the reflector, so as to to realize the synthesis of the electromagnetic field in this focal zone, and in that the coverage area is realized by m spots, each spot corresponding each to a defined number of

sources élémentaires actives.active elementary sources.

Par rapport aux solutions mécaniques, l'invention présente l'avantage de ne pas nécessiter de mouvements de la source ou du réflecteur. Elle permet d'utiliser des focales faibles (antenne - 3- Compared to mechanical solutions, the invention has the advantage of not requiring movements of the source or the reflector. It allows to use weak focal lengths (antenna - 3-

compacte), et d'assurer plusieurs liaisons simultanées. compact), and to ensure multiple simultaneous links.

Les avantages par rapport à une solution réseau à rayonnement direct sont les suivants: - La performance de l'antenne n'est pas liée directement à la dimension totale du réseau; - L'implantation n'est pas obligatoirement sur la face terre du satellite. Par rapport à une solution réseau imageur à simple réflecteur, la solution proposée présente les avantages suivants: - la dimension hors tout de réseau est réduite; The advantages over a direct radiation network solution are as follows: - The antenna performance is not directly related to the total size of the network; - The implantation is not necessarily on the satellite face. Compared to a single reflector imaging network solution, the proposed solution has the following advantages: - the overall network dimension is reduced;

- l'efficacité antenne est améliorée. - the antenna efficiency is improved.

Enfin, si on compare la solution proposée à une solution réseau imageur à double réflecteur, la compacité de l'antenne de l'invention Finally, if we compare the proposed solution to a double reflector imaging network solution, the compactness of the antenna of the invention

est clairement mise en évidence.is clearly highlighted.

Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront The features and advantages of the invention will emerge

d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non moreover from the description that follows, as an example not

limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles: - la figure 1 illustre schématiquement l'antenne à balayage selon l'invention; - la figure 2 illustre le fonctionnement de l'antenne selon l'invention; - la figure 3 illustre une première réalisation de l'électronique de l'antenne selon l'invention; - la figure 4 illustre un étage de l'électronique telle que représentée à la figure 3; - la figure 5 illustre une seconde réalisation d'une électronique de limiting, with reference to the appended figures in which: - Figure 1 schematically illustrates the scanning antenna according to the invention; FIG. 2 illustrates the operation of the antenna according to the invention; FIG. 3 illustrates a first embodiment of the antenna electronics according to the invention; - Figure 4 illustrates a stage of the electronics as shown in Figure 3; FIG. 5 illustrates a second embodiment of an electronics of

l'antenne selon l'invention.the antenna according to the invention.

L'antenne de l'invention, représentée à la figure 1, comprend un réflecteur parabolique 10 excentré alimenté par un réseau plan 11 de sources situé au voisinage du foyer F du réflecteur, le réseau 12 représentant le réseau de sources virtuelles, correspondant à ce réseau 11. La figure 2 donne un exemple de plusieurs répartitions en amplitude lors de déplacements selon deux directions OX et OY au niveau The antenna of the invention, represented in FIG. 1, comprises an off-center parabolic reflector 10 fed by a plane array 11 of sources situated in the vicinity of the focal point F of the reflector, the network 12 representing the virtual source network, corresponding to this network 11. Figure 2 gives an example of several amplitude distributions when traveling in two directions OX and OY at

du réseau 11 de sources.network 11 sources.

- 4 - Les diamètres des disques portés sur la figure 2 représentent - 4 - The diameters of the discs shown in Figure 2 represent

l'amplitude du signal reçu par les différentes sources du réseau. the amplitude of the signal received by the different sources of the network.

L'efficacité pour capter ces différentes répartitions d'énergie, The efficiency to capture these different energy distributions,

lorsque le capteur a une loi de répartition fixe, ne peut être optimale. when the sensor has a fixed distribution law, can not be optimal.

Il en est de même pour la répartition en phase. Ainsi si l'on déplace fictivement une source par rapport au foyer It is the same for the distribution in phase. So if we fictitiously move a source in relation to the focus

du réflecteur on dégrade le rendement de l'antenne. the reflector degrades the performance of the antenna.

Lorsque la couverture spécifiée est réalisée en utilisant plusieurs spots, la performance de directivité antenne est définie par When the specified coverage is achieved using multiple spots, the antenna directivity performance is defined by

le niveau de recouvrement des spots. the level of coverage of the spots.

Ainsi l'antenne de l'invention est prévue pour un nombre m de spots, un nombre déterminé d'éléments rayonnants ou sources correspondant à chaque spot; tous les éléments rayonnants, Thus the antenna of the invention is provided for a number m of spots, a given number of radiating elements or sources corresponding to each spot; all the radiating elements,

correspondant à un spot donné fonctionnant de manière non simultanée. corresponding to a given spot operating non-simultaneously.

Une réalisation d'une électronique d'une telle antenne selon l'invention, telle que représenté à la figure 3, comporte: un commutateur, ou "switch", bas niveau Cl permettant de relier l'entrée E à un des groupes d'éléments rayonnants correspondant à un spot SPi; 20. un étage d'amplification 16 à m entrées et m sorties comprenant un premier et un second coupleurs généralisés 17 et 18 disposés de part et d'autre de m amplificateurs 19 disposés en parallèle; m An embodiment of an electronics of such an antenna according to the invention, as represented in FIG. 3, comprises: a switch, or "switch", low level C1 making it possible to connect the input E to one of the groups of radiating elements corresponding to a SPi spot; 20. an amplification stage 16 with m inputs and outputs comprising first and second generalized couplers 17 and 18 disposed on either side of m amplifiers 19 arranged in parallel; m

filtres 20 étant disposés en sortie de ces amplificateurs 19. filters 20 being arranged at the output of these amplifiers 19.

Comme représenté à la figure 4, dans un exemple de réalisation à 16 entrées et 16 sorties (m=16), l'étage d'amplification 16 comprend un premier et un second coupleurs généralisés 17 et 18 respectivement formés d'une association de coupleurs hybrides 21 de part et d'autre d'amplificateurs 19, associés respectivement à un filtre 20, de telle façon que chaque entrée du premier coupleur 17 soit répartie sur tous les amplificateurs 19 et donc sur toutes les sorties des coupleurs hybrides du premier coupleur généralisé 18. Les amplificateurs 19 ont ainsi une puissance d'entrée constante et peuvent ainsi fonctionner à As represented in FIG. 4, in an exemplary embodiment with 16 inputs and 16 outputs (m = 16), the amplification stage 16 comprises first and second generalized couplers 17 and 18 respectively formed of a pair of couplers hybrids 21 on either side of amplifiers 19, respectively associated with a filter 20, such that each input of the first coupler 17 is distributed over all the amplifiers 19 and therefore all the outputs of the hybrid couplers of the first generalized coupler 18. The amplifiers 19 thus have a constant input power and can thus operate at

leur capacité nominale.their nominal capacity.

Dans cet étage d'amplification 16 un signal appliqué à la première entrée, par exemple, ressort amplifié sur la première sortie. Ainsi si un signal est appliqué à l'une des entrées de rang i par exemple, à la sortie correspondante (de rang i) le signal sera amplifié par tous les amplificateurs et aucune autre sortie ne recevra de signal: En effet un signal injecté à l'une des portes d'entrée d'un coupleur généralisé est divisé en n composantes d'amplitude égales, au niveau des n sorties, si et seulement si, aucun signal lui étant cohérent, est injecté à une In this amplification stage 16 a signal applied to the first input, for example, amplified spring on the first output. Thus, if a signal is applied to one of the inputs of rank i for example, at the corresponding output (of rank i) the signal will be amplified by all the amplifiers and no other output will receive a signal: Indeed a signal injected at one of the input ports of a generalized coupler is divided into n equal amplitude components, at the level of the n outputs, if and only if, no signal being coherent thereto, is injected at a

autre entrée.other entry.

Ainsi on adresse une source, ou un groupe de sources correspondant à un spot, en partant de l'entrée E: Il y a donc routage d'énergie -10 entre les deux. A un spot correspond l'entrée E à un moment déterminé: on réalise donc une désignation successive des différents spots SP1 à SPn. Dans le cas de plusieurs utilisateurs on peut dédoubler les entrées en utilisant au moins un second commutateur Ci, la combinaison des signaux s'effectuant sur chaque entrée Ei de l'étage d'amplification 16, par l'intermédiaire de coupleurs connus de l'homme de l'art et non représentés. Ainsi dans l'antenne selon l'invention la couverture à réaliser a été divisée en m zones. Pour chacune des m zones, un groupement de sources du réseau primaire de l'antenne, rayonne un faisceau SPi. Par principe chacune des sources contribue au rayonnement d'un seul faisceau SPi. Le niveau de recouvrement entre faisceaux, défini à la frontière des zones, fait l'objet de l'optimisation des coefficients d'excitation Thus one addresses a source, or a group of sources corresponding to a spot, starting from the entry E: There is thus routing of energy -10 between the two. At a spot corresponds to the entry E at a given moment: therefore, a successive designation of the different spots SP1 to SPn is made. In the case of several users, the inputs can be split by using at least one second switch Ci, the combination of the signals being effected on each input Ei of the amplification stage 16, by means of known couplers of FIG. man of the art and not represented. Thus in the antenna according to the invention the cover to be made has been divided into m zones. For each of the m zones, a group of sources of the primary network of the antenna radiates a beam SPi. In principle each of the sources contributes to the radiation of a single beam SPi. The level of overlap between beams, defined at the boundary of the zones, is the object of the optimization of the excitation coefficients

des sources.sources.

Dans la pratique, ces coefficients définis en amplitude et en In practice, these coefficients defined in amplitude and in

phase sont réalisés par un répartiteur fixe Ri. phase are realized by a fixed splitter Ri.

L'antenne ainsi définie fait correspondre à une couverture donnée, m accès indépendants. Il s'en suit qu'un étage amplificateur, incluant des coupleurs généralisés à m entrées/sorties permet d'utiliser les m amplificateurs 19 de manière optimale (charge d'entrée constante) quel The antenna thus defined corresponds to a given coverage, m independent accesses. It follows that an amplifier stage, including generalized couplers with m inputs / outputs makes it possible to use the m amplifiers 19 optimally (constant input load).

que soit le spot SPi considéré.that is the spot SPi considered.

Ainsi un signal est rayonné dans une direction quelconque de la couverture par l'adressage dudit signal d'entrée de l'étage Thus a signal is radiated in any direction of coverage by addressing said input signal of the stage

d'amplification 16 qui correspond à la zone contenant cette direction. amplification 16 which corresponds to the zone containing this direction.

Les m amplificateurs 19 sont dimensionnés pour obtenir la -6- puissance rayonnée requise. L'extension à un fonctionnement multi-utilisateurs (p utilisateurs) est réalisé grâce à un regroupement The amplifiers 19 are sized to obtain the required radiated power. The extension to a multi-user operation (p users) is achieved through a grouping

par couplage de p circuits de connexions Ci. by coupling p Ci connection circuits.

Ce regroupement se fait en utilisant des techniques bas niveau. This grouping is done using low level techniques.

Dans ce cas les amplificateurs sont dimensionnés en fonction de la somme In this case the amplifiers are sized according to the sum

des puissances à rayonner.powers to radiate.

Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et que l'on pourra remplacer ses éléments constitutifs par des éléments équivalents sans, It is understood that the present invention has been described and shown only as a preferred example and that its constituent elements can be replaced by equivalent elements without,

pour autant, sortir du cadre de l'invention. however, depart from the scope of the invention.

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Claims

1 / low-level switching steerable multibeam antenna comprising a network (11) of elementary sources, characterized in that it comprises a reflector (10) focusing the energy, the network (11) being located in the focal zone of the reflector, so as to realize the synthesis of the electromagnetic field in this focal zone, and in that the coverage area is made by m spots, each spot

each corresponding to a defined number of active elementary sources.

2 / Antenna according to claim 1, characterized in that it comprises an electronics comprising: at least one low level switch (Ci) for connecting an input (Ei) to one of f outputs;

an amplification stage (16) with m inputs and outputs.

3 / Antenna according to claim 2, characterized in that the amplification stage (16) comprises a first and a second generalized couplers (17 and 18) arranged on either side of m amplifiers (19) in parallel, a filter (20) being associated in series with each

amplifier (19).

4 / Antenna according to claim 3, characterized in that the first and the second generalized couplers (17 and 18) are respectively formed of an association of hybrid couplers (21) so that each input of the first coupler (17) is distributed on all the amplifiers (19) and therefore on all the outputs of the hybrid couplers of the first generalized coupler (17), the second coupler

generalized (18) having a reverse structure of that of the first.