FR2652952A1

FR2652952A1 - ELECTRONIC SCAN ANTENNA IN TRANSMISSION.

Info

Publication number: FR2652952A1
Application number: FR8913188A
Authority: FR
Inventors: Lenormand Regis; Coustere Michel; Henrion Xavier; Vidal Saint Andre Bruno; Curbelie Bernard; Roederer Antoine
Original assignee: Alcatel Espace Industries SA
Current assignee: Alcatel Espace Industries SA
Priority date: 1989-10-10
Filing date: 1989-10-10
Publication date: 1991-04-12
Anticipated expiration: 2009-10-10
Also published as: DE69011456T2; CA2027183C; DE69011456D1; EP0422551A1; JPH03135205A; EP0422551B1; CA2027183A1; FR2652952B1

Abstract

L'invention concerne une antenne à balayage électronique en émission comprenant un réseau (11) de sources élémentaires, caractérisée en ce qu'elle comprend 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 en ce que la zone de couverture est réalisée par m spots, m étant au moins égal à deux, chaque spot utilisant le même nombre de sources élémentaires actives qui fonctionnent de manière non simultanée. Application notamment au domaine des télécommunications spatiales.The invention relates to a transmission electronic scanning antenna comprising an array (11) of elementary sources, characterized in that it comprises a reflector (10) focusing the energy, the array (11) being located in the focal zone of the reflector, so as to synthesize the electromagnetic field in this focal zone, and in that the coverage zone is produced by m spots, m being at least equal to two, each spot using the same number of active elementary sources which operate non-simultaneously. Application in particular to the field of space telecommunications.

Description

L'invention se rapporte à une antenne à balayage électronique en émission.The invention relates to a transmitting electronic scanning antenna.

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 des réseaux rectilignes 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. One can thus realize rectilinear networks

ou plans.or plans.

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'invention a pour but de résoudre ces différents problèmes. The object of the invention is to solve these various problems.

Elle propose à cet effet une antenne à balayage électronique en émission 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, m étant au moins égal à deux, chaque spot utilisant le même nombre de sources élémentaires To this end, it proposes a transmitting electronic scanning antenna comprising a network of elementary sources, characterized in that it comprises a reflector focusing the energy, the grating being located in the focal zone of the reflector, so as to carry out the synthesis. of the electromagnetic field in this focal zone, and in that the coverage area is made by m spots, m being at least equal to two, each spot using the same number of elementary sources

actives qui fonctionnent de manière non simultanée. active which operate in a non-simultaneous manner.

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 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

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 - 3 - 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; - l'efficacité antenne est améliorée. Enfin, si on compare la solution proposée à une solution réseau imageur à double réflecteur, la compacité de l'antenne de l'invention 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; - Implantation is not necessarily on the face of the satellite. Compared to a single reflector imaging network solution, the proposed solution has the following advantages: - the overall network dimension is reduced; - the antenna efficiency is improved. 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 l'arrangement en classe du réseau; - la figure 3 illustre une première réalisation d'un électronique d'alimentation et de commande 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 limiting, with reference to the appended figures in which: - Figure 1 schematically illustrates the scanning antenna according to the invention; FIG. 2 illustrates the class arrangement of the network; FIG. 3 illustrates a first embodiment of an electronic supply and control of the antenna 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

d'alimentation et de commande de l'antenne selon l'invention. supply and control of 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 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

11.11.

Dans l'antenne selon l'invention, on joue uniquement sur la phase de chaque source élémentaire; ce qui permet de réaliser la synthèse optimale de chaque source élémentaire comme si elle était au foyer F du réflecteur. Un tel fonctionnement permet de réaliser une antenne dont le gain ne dépend pas de la direction de pointage, tout en maintenant fixes le In the antenna according to the invention, only the phase of each elementary source is played; which makes it possible to achieve the optimal synthesis of each elementary source as if it were at the focal point F of the reflector. Such an operation makes it possible to produce an antenna whose gain does not depend on the pointing direction, while keeping the

réflecteur 10 et le réseau 11 de sources élementaires. reflector 10 and the network 11 of elementary sources.

Lorsque la couverture spécifiée est réalisée en utilisant plusieurs spots, la performance de directivité antenne est définie par le niveau de recouvrement des spots. On peut d'ailleurs donner des formes -4appropriées aux sources dans le plan focal pour améliorer l'efficacité When the specified coverage is achieved using multiple spots, the antenna directivity performance is defined by the spot coverage level. We can also give appropriate forms -4 to the sources in the focal plane to improve the efficiency

de l'antenne.of the antenna.

Ainsi l'antenne de l'invention est prévue pour un nombre m de spots, un nombre f d'élements rayonnants ou sources correspondant à chaque spot. Tous les éléments rayonnants, correspondant à un spot Thus the antenna of the invention is provided for a number m of spots, a number f of radiating elements or sources corresponding to each spot. All the radiating elements, corresponding to a spot

donné, fonctionnent de manière non simultanée. given, operate in a non-simultaneous manner.

Pour réaliser une couverture entière on utilise m spots, chaque spot comportant f éléments. Certains éléments n'appartiennent qu'à un spot. Les éléments sont regroupés en classes de telle sorte qu'à un To achieve an entire coverage we use m spots, each spot with f elements. Some items belong to only one spot. The elements are grouped into classes so that at one

instant donné un seul élément d'une classe soit utilisé. given moment a single element of a class is used.

En contraignant les spots à utiliser le même nombre de sources actives et en limitant le contr8le des éléments, par exemple à un contr8le de phase (tous les éléments ayant le même poids en amplitude), on obtient des performances limitées de l'antenne. Par contre, By forcing the spots to use the same number of active sources and limiting the control of the elements, for example to a phase control (all the elements having the same weight in amplitude), we obtain limited performances of the antenna. On the other hand,

l'architecture du sous-système est simplifiée. the architecture of the subsystem is simplified.

En effet, en considérant la matrice faisant correspondre les m spots aux n sources, par la relation des f sources actives pour un spot donné, il est possible d'identifier des classes d'éléments fonctionnant non simultanément. Une définition adéquate des spots permet d'obtenir une configuration selon laquelle les f sources actives correspondent à f classes d'éléments fonctionnant de manière non simultanée, et ceci pour Indeed, by considering the matrix matching the m spots to the n sources, by the relation of the f active sources for a given spot, it is possible to identify classes of elements operating not simultaneously. An adequate definition of the spots makes it possible to obtain a configuration according to which the f active sources correspond to f classes of elements operating in a non-simultaneous manner, and this for

tous les spots.all the spots.

Un exemple d'organisation en classes pour un réseau de 64 éléments rayonnants ou sources correspondant à 8 classes à 8 éléments est donné à la figure 2: chaque classe étant représentée par un numéro différent An example of organization in classes for a network of 64 radiating elements or sources corresponding to 8 classes with 8 elements is given in Figure 2: each class being represented by a different number

allant de 1 à 8.ranging from 1 to 8.

Une réalisation d'une électronique d'alimentation et de commande d'une telle antenne selon l'invention, telle que représenté à la figure 3, comporte: - un diviseur de puissance 15 à une entrée E et m sorties qui forment m voies V1 à Vm séparées; - et sur chaque voie (Vi) (qui correspond à une classe): un dispositif de contrôle 16 comprenant un déphaseur réglable 17; 35. un commutateur, ou "switch", bas niveau 19 permettant de relier une entrée à une des f sorties; - 5- un étage d'amplification 20 à f entrées et f sorties comprenant un premier et un second coupleurs généralisés 21 et 22 disposés de part et d'autre de f amplificateurs 23 disposés en parallèle; f f iltres 24 disposés en parallèle entre les f sorties de l'étage d'amplification 20 et f éléments rayonnants Sil à Sif du réseau pour An embodiment of an electronic supply and control of such an antenna according to the invention, as shown in FIG. 3, comprises: a power divider 15 with an input E and m outputs that form m channels V1 at Vm separated; and on each channel (Vi) (which corresponds to a class): a control device 16 comprising an adjustable phase-shifter 17; 35. a switch, or "switch", low level 19 for connecting an input to one of f outputs; An amplification stage 20 with inputs and outputs comprising first and second generalized couplers 21 and 22 arranged on either side of amplifiers 23 arranged in parallel; f f ilters 24 arranged in parallel between the f outputs of the amplification stage 20 and f radiating elements Sil to Sif of the network for

former un spot SPi.form a SPi spot.

Le diviseur de puissance 15 est constitué d'un ensemble de The power divider 15 consists of a set of

coupleurs hybrides 25 qui sont combinés entre eux pour former m sorties. hybrid couplers 25 which are combined with each other to form m outputs.

Un étage d'amplification 20 comprend un premier et un second coupleurs généralisés 21 et 22 respectivement formés d'une association de coupleurs hybrides 25 de part et d'autre d'amplificateurs 23 de telle façon que chaque entrée du premier coupleur 21 soit répartie sur tous les amplificateurs 23 et donc sur toutes les sorties des coupleurs An amplification stage 20 comprises first and second generalized couplers 21 and 22 respectively formed of an association of hybrid couplers 25 on either side of amplifiers 23 so that each input of the first coupler 21 is distributed over all the amplifiers 23 and therefore on all the outputs of the couplers

hybrides du premier coupleur généralisé 21. hybrids of the first generalized coupler 21.

Dans cet étage d'amplification 20 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 d'un étage (de rang i par exemple), à la sortie correspondante (de rang i) le signal sera amplifié In this amplification stage 20 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 a stage (of rank i for example), at the corresponding output (of rank i) the signal will be amplified

par tous les amplificateurs et aucune autre sortie ne recevra de signal. by all the amplifiers and no other output will receive any signal.

Un schéma détaillé de l'étage d'amplification est représenté à la A detailed diagram of the amplification stage is shown in FIG.

figure 4.figure 4.

Les amplificateurs de puissance 23 reçoivent sur leurs entrées respectives un signal provenant de chaque faisceau, à un niveau quasi- identique. On obtient une répartition de charge quasi-uniforme sur toutes les entrées des amplificateurs 23. On reconstitue ensuite les signaux à l'aide du deuxième coupleur généralisé 22 qui a une structure The power amplifiers 23 receive at their respective inputs a signal from each beam at a substantially identical level. A quasi-uniform load distribution is obtained on all the inputs of the amplifiers 23. The signals are then reconstituted using the second generalized coupler 22 which has a structure

inverse de celle du premier.opposite of that of the first.

Les amplificateurs 23 ont ainsi une puissance d'entrée constante et The amplifiers 23 thus have a constant input power and

peuvent ainsi fonctionner à leur capacité nominale. can thus operate at their nominal capacity.

Ainsi dans l'électronique d'alimentation et de commande, tel que représenté à la figure 3, un commutateur (19), dit "commutateur de classe", peut adresser n'importe quel élément rayonnant d'une classe, sans que le fonctionnement des amplificateurs ne soit affecté. Il en est Thus in the power supply and control electronics, as shown in FIG. 3, a switch (19), referred to as a "class switch", can address any radiating element of a class, without the operation amplifiers are affected. It is

de même pour toutes les classes, et donc pour tous les amplificateurs. the same for all classes, and therefore for all amplifiers.

Les circuits d'atténuation (18) et de déphasage (17) sont pilotés The attenuation (18) and phase shift circuits (17) are controlled

par une unité de commande non représentée sur les figures. by a control unit not shown in the figures.

- 6 - L'électronique d'alimentation et de commande de l'antenne, tel que représenté sur la figure 3, ne possède qu'une entrée E c'est-à-dire qu'elle ne fonctionne qu'avec un seul utilisateur, mais elle peut aussi The antenna supply and control electronics, as shown in FIG. 3, has only one input E, that is to say that it only works with one user. but she can also

fonctionner avec p utilisateurs, comme représenté à la figure 5. operate with users, as shown in Figure 5.

A titre d'exemple les électroniques d'alimentation et de commande des figures 3 et 5 sont représentées avec 8 spots (m=8), et 8 sources correspondant à chaque spot (f=8); On définit ainsi un réseau de 64 éléments rayonnants correspondant à 8 classes de 8 éléments. La réalisation d'un faisceau donné est donc obtenue lorsque 8 éléments, appartenant respectivement à chacune des 8 classes, sont adressés avec 8 valeurs de phases, pour réaliser après amplification un ensemble de 8 spots. On obtient ainsi un fonctionnement multi-spots simultané et donc By way of example, the power supply and control electronics of FIGS. 3 and 5 are represented with 8 spots (m = 8), and 8 sources corresponding to each spot (f = 8); An array of 64 radiating elements corresponding to 8 classes of 8 elements is thus defined. The realization of a given beam is thus obtained when 8 elements, belonging respectively to each of the 8 classes, are addressed with 8 phase values, to carry out after amplification a set of 8 spots. This gives a simultaneous multi-spot operation and therefore

à un optimum de la synthèse du faisceau émis. at an optimum of the synthesis of the emitted beam.

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

An emitting electronic scanning antenna comprising a network (11) of elementary sources, characterized in that it comprises a reflector (10) focusing the energy, the grating (11) being located in the focal zone of the reflector, in order to realize the synthesis of the electromagnetic field in this focal zone, and in that the coverage area is made by m spots (SPi), m being at least equal to two, each spot (SPi) using the same number of sources ( SPi) elementary

active which operate in a non-simultaneous manner.

2 / Antenna according to claim 1, characterized in that it comprises a power supply and control electronics comprising: - at least one power divider (15) with an input and m outputs which form m channels (V1 to Vm) separated; - and on each channel (Vi) 15. a control device (16) a low level switch (19) for connecting an input to one of f outputs; an amplification stage (20) with inputs and outputs; f filters (24) arranged in parallel between the outputs of the amplification stage (20) and f radiating elements (Sil to Sif) of the network

to form a spot (SPi).

3 / Antenna according to claim 2, characterized in that the power divider (15) comprises a set of hybrid couplers (25) which

are combined with each other to form m outputs.

4 / Antenna according to claim 2, characterized in that the

control device (16) comprises an adjustable phase shifter (17).

Antenna according to claim 2, characterized in that the amplification stage (20) comprises first and second generalized couplers (21 and 22) arranged on either side of amplifiers (23) in parallel, such that a signal applied to the first

Inlet comes out amplified on the first output.

6 / Antenna according to claim 5, characterized in that the first and second generalized couplers (21 and 22) are respectively formed of an association of hybrid couplers (25), so that each input of the first coupler ( 21) is distributed on all the amplifiers (23) and thus on all the outputs of the hybrid couplers of the first generalized coupler (21), the second coupler

generalized (22) having a reverse structure from that of the first.