FR2956777A1 - Antenne a reflecteurs - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne une antenne à réflecteurs comprenant : un réflecteur principal (10) définissant un cône d'interception (70) ; une ou plusieurs source(s) primaire(s) (20) disposée(s) de manière à émettre et/ou recevoir des ondes électromagnétiques ; un sous réflecteur (40) de forme générale plane ; dans laquelle le réflecteur principal, la ou les source(s) primaire(s) et le sous-réflecteur sont agencés les uns par rapport aux autres de la manière suivante : (i) le sous-réflecteur est disposé dans le cône d'interception du réflecteur principal et (ii) la ou les source(s) sont disposés par rapport au sous-réflecteur de manière à ce que l'angle d'incidence d'une onde issue d'une source soit tel que le sous-réflecteur réfléchisse 80% de l'onde.

Description

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne les antennes à réflecteurs embarquées sur des satellites et destinées à transmettre et/ou recevoir des ondes électromagnétiques sur une zone de couverture reconfigurable en vol.
ETAT DE LA TECHNIQUE Les antennes à réflecteurs sont une solution technique très répandue pour couvrir une zone géographique choisie depuis une orbite géostationnaire. io La figure 1 illustre une antenne à réflecteurs de type connu. Cette antenne comprend un réflecteur principal 10, une source primaire 20 et un sous-réflecteur 30. Dans ce type d'antenne, le réflecteur principal 10, la source primaire 20 et le sous-réflecteur 30 sont disposés les uns par rapport aux autres is selon une configuration de type Cassegrain ou Grégory (configuration connue issue de l'optique). Cette configuration est du type miroir. Dans cette configuration, le sous-réflecteur 30 utilisé (hyperbole ou ellipse) possède deux foyers. L'un d'entre eux coïncide avec le foyer F du réflecteur principal 10 et l'autre, appelé foyer image F', correspond au 20 positionnement de la source primaire 20. On précise que la notion de foyer image vient de l'équivalence qui peut être faite avec une antenne à simple réflecteur. En effet, moyennant le respect de la condition de Dragone-Mizuguchi, les performances de toutes les antennes à double réflecteurs sont assimilables à celles d'une antenne à 25 simple réflecteur centré associée à une focale équivalente que l'on peut calculer et qui ne subirait pas les effets de la zone d'ombre. Cette condition mène également à une minimisation de la polarisation croisée. Des sous-réflecteurs reconfigurables peuvent être utilisés notamment pour que l'antenne soit reconfigurable en vol. 30 La figure 2 illustre une antenne à réflecteurs comprenant un sous-réflecteur reconfigurable.
De manière connue, le sous-réflecteur 30 de la figure 1 est remplacé par un sous-réflecteur reconfigurable 40 dont la forme initiale peut être plane et dont le type peut être un réseau réflecteur. Un sous-réflecteur reconfigurable est connu sous le terme réseau réflecteur (en anglais, « reflectarray »). Un réseau réflecteur est constitué d'une surface, le plus souvent plane, sur laquelle sont disposés plusieurs éléments rayonnants, qui peuvent être imprimés ou en technologie guide d'onde. De manière plus précise, on positionne le réseau réflecteur 40 devant io le réflecteur principal 10 en conservant la configuration miroir (c'est-à-dire en conservant la géométrie Cassegrain ou Gregory). De telles antennes présentent de très bonnes performances. Toutefois, un problème avec ce type de configuration est leur encombrement. En effet, ce type de configuration est basé sur une is géométrie de type miroir et impose de fortes contraintes sur l'agencement des éléments. Ceci est problématique dans les applications où l'antenne est destinée à être embarquée sur un satellite.
PRESENTATION DE L'INVENTION 20 L'invention permet de pallier aux inconvénients précités et permet en particulier de dimensionner une antenne à réflecteurs plus compacte que les solutions de type connu en s'affranchissant des contraintes liées à la configuration miroir sans sacrifier les performances. On précise que l'on entend par antenne à réflecteurs l'association 25 d'un réseau réflecteur avec un réflecteur parabolique. Selon un premier aspect, l'invention concerne une antenne à réflecteurs comprenant : un réflecteur principal définissant un cône d'interception ; une ou plusieurs source(s) primaire(s) disposée(s) de manière à émettre et/ou recevoir des ondes électromagnétiques ; un réseau 30 réflecteur de forme générale plane.
L'antenne selon le premier aspect de l'invention est caractérisée en ce que le réflecteur principal, la ou les source(s) primaire(s) et le réseau réflecteur sont agencés les uns par rapport aux autres de la manière suivante : (i) le réseau réflecteur est disposé dans le cône d'interception du réflecteur principal et (ii) la ou les source(s) sont disposés par rapport au réseau réflecteur de manière à ce que l'angle d'incidence d'une onde issue d'une source soit tel que le réseau réflecteur réfléchisse 80% de l'onde. L'architecture de l'antenne de l'invention est par conséquent obtenue de manière à optimiser le fonctionnement du réseau réflecteur et à définir io une position de la source primaire qui satisfasse les contraintes d'implantation et non plus une simple condition de miroir qui imposait la position de la source comme dans les solutions présentées en introduction. Ainsi, en fixant des critères de dimensionnement propres à l'illumination du réseau réflecteur et non plus en se basant sur des is contraintes propres aux dispositifs optiques conventionnels, l'antenne de l'invention reste performante tout en offrant plus de liberté au niveau de l'implantation de l'antenne dans un satellite. Des aspects préférés mais non limitatifs de l'antenne selon le premier aspect de l'invention sont les suivants : 20 l'angle d'incidence maximal du réseau réflecteur n'excède pas une valeur comprise entre 30 et 40° ; le réseau réflecteur est tel que le rapport (F/D) focale sur diamètre du réseau réflecteur est supérieur à 1 ; elle comprend une pluralité de sources primaires disposées en 25 réseau ; la source comprend sept sources primaires, six sources étant disposées de façon régulière autour d'une source centrale ; chaque source est constituée d'un élément rayonnant choisi dans le groupe suivant : antenne à ouverture rayonnante de type cornet ou 30 guide, élément imprimé, une fente, une hélice. 15 Selon un second aspect, l'invention concerne un satellite comprenant une antenne à réflecteurs selon le premier aspect de l'invention.
PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels outre les figures 1 et 2 déjà discutées : la figure 3 illustre une antenne à réflecteurs conforme à l'invention selon un premier mode de réalisation ; la figure 4 illustre une antenne à réflecteurs conforme à l'invention selon un second mode de réalisation ; la figure 5 illustre des performances d'une antenne conforme à l'invention comparées à des performances d'une antenne de type connu. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Description de l'antenne 20 Les figures 3 et 4 illustrent respectivement un mode de réalisation d'une antenne à réflecteurs. L'antenne à réflecteurs, illustrée sur ces figures, comprend : un réflecteur principal définissant un cône d'interception ; une ou plusieurs source(s) primaire(s) disposée(s) de manière à émettre et/ou recevoir des 25 ondes électromagnétiques ; un réseau réflecteur de forme générale plane. Dans cette antenne, le réflecteur principal, la ou les source(s) primaire(s) et le réseau réflecteur sont agencés les uns par rapport aux autres de la manière suivante : (i) le réseau réflecteur est disposé dans le cône d'interception du réflecteur principal et (ii) la ou les source(s) sont 30 disposés par rapport au réseau réflecteur de manière à ce que l'angle d'incidence d'une onde issue d'une source soit tel que le réseau réflecteur réfléchisse 80% de l'onde dans la direction utile de rayonnement. Une telle condition traduit le fait que l'énergie incidente sur le réseau réflecteur est couplée à plus de 80% pour constituer le rayonnement final dans la direction voulue. Cette condition sur la réflexion de l'onde permet alors d'éviter une réflexion parasite importante, dite spéculaire, connue avec ce type de réseau réflecteur, dans une direction non désirée de la zone de couverture de l'antenne, ce qui serait préjudiciable aux performances de l'antenne, surtout io dans le cas de couvertures reconfigurables. Cette condition favorise également un meilleur comportement des éléments constituant le réseau réflecteur d'un point de vue électromagnétique (phénomènes de réflexions multiples, couplages) Une telle antenne est dite à configuration compacte. is En configuration compacte, l'angle d'incidence maximal 13 est compris entre 30 et 40° et le rapport de la distance focale du réseau réflecteur sur le diamètre du réseau réflecteur est supérieur à 1 en n'excédant pas 2. On précise que l'on entend par angle d'incidence 13, l'angle que fait un trajet 50 d'une onde électromagnétique avec la normale h au réseau 20 réflecteur 40. Les modes de réalisation des figures 3 et 4 sont plus compacts que le mode de réalisation de la figure 2. En effet, l'antenne illustrée sur les figures 3 et 4 est configurée en s'affranchissant des contraintes de configuration miroir. 25 Il est à noter que le fait de ne plus respecter le mode miroir permet d'offrir une latitude supplémentaire sur l'agencement des éléments. Ceci peut faciliter l'implantation en fonction de contraintes propres au satellite. Dans le mode de réalisation de la figure 3 l'antenne est configurée d'un point de vue compacité seule : le réseau réflecteur 40 est ramené le 30 plus prés possible du réflecteur principal 10 tout en restant dans le cône d'interception 60.
Une marge 70 est prévue pour éviter une occultation du réflecteur principal 10. Le réseau réflecteur 40 et la source primaire 20 sont enfin agencés par rapport aux critères visant à optimiser le comportement du sous-réflecteur 40.
La position de la source primaire 20 est définie par rapport à des contraintes d'implémentations mécaniques et de façon à éviter une occultation du réflecteur principal 10 et du réseau réflecteur 40. L'orientation de la source primaire 20 par rapport au réseau réflecteur est telle qu'elle permet de minimiser la valeur maximale de l'angle io d'incidence R, de façon à ne pas excéder une valeur de 40°. Le rapport de la distance focale du réseau réflecteur sur le diamètre du réseau réflecteur (rapport F/D) est déterminé conjointement avec les contraintes de positionnement et d'orientation de la source primaire de façon à obtenir une valeur de rapport F/D typiquement comprise entre 1 et 2. is En termes de bande passante de l'antenne, le fait de respecter ces critères doit permettre de reporter la limitation en bande passante directement sur la propre bande passante des éléments rayonnants constituants le sous-réflecteur. Cette limitation existant aussi sur les configurations de type miroir, il 20 ne doit pas y avoir de différences notables en comparant les systèmes sur une même bande de fréquences. Le mode de réalisation de la figure 4 rajoute une contrainte supplémentaire par rapport au mode de réalisation de la figure 3. Il s'agit en particulier de rajouter une contrainte sur le diamètre du 25 réseau réflecteur. Une limitation à un diamètre inférieur à 25X est effectuée. On note que correspond à la longueur d'onde à laquelle l'antenne fonctionne. Cette contrainte sur le diamètre maximal du réseau réflecteur est donnée pour ne pas introduire les limitations en termes de bande passante 30 fréquentielle qui sont connues de l'homme de l'art avec ce type de réseau réflecteur, et qui peuvent être incompatibles avec les critères de performances requis pour certaines applications. Ce second mode de réalisation permet d'optimiser les performances globales du système par rapport au premier mode de réalisation qui peut comporter des réseaux réflecteurs de diamètres supérieurs à 25X. Un tel mode de réalisation conduit à une antenne moins compacte que le mode de réalisation de la figure 4 mais on obtient malgré tout un compromis satisfaisant à la fois les contraintes de compacités et illumination du réseau réflecteur. Enfin, la limite supérieure qu'il est possible d'utiliser io pour le réseau réflecteur est étroitement liée a l'encombrement de la source primaire, étant donne que celle-ci sera d'autant plus directive et encombrante que le rapport focale sur diamètre du réseau réflecteur sera grand. Dans chaque mode de réalisation, le réseau réflecteur est 15 reconfigurable mécaniquement (surface souple associée à des actuateurs par exemple) ou électriquement (réseau réflecteur constitué d'un ensemble de cellules à déphaseurs par exemple). En outre, chaque source primaire est constituée d'un élément rayonnant choisi dans le groupe suivant : ouverture rayonnante de type 20 cornet ou guide d'ondes, élément imprimé, une fente, une hélice.
Performances De manière à évaluer l'éventuelle dégradation des performances lorsque le mode miroir n'est plus respecté, une simulation a été faite en 25 comparant l'agencement compact (illustré sur la figure 3) respectant les critères ci-dessus à une configuration performante en mode miroir (OT voisin de OL). La figure 5 illustre les résultats de la comparaison. La configuration (performances en traits pointillés sur la figure 5) dite 30 miroir est celle de la figure 2 déjà présentée avec un rapport F/D du réseau réflecteur de 1,5 et l'angle 13 vaut 34,2°.
La configuration dite compacte (performances en traits pleins sur la figure 5) a un rapport F/D du réseau réflecteur de 1,9 et l'angle R vaut 33°
Les résultats, qui incluent la contribution du rayonnement spéculaire, montrent une forte similitude entre les performances, Les directivités obtenues avec la configuration compacte sont même légèrement supérieures (+0,5 dB sur la directivité en bord de couverture (en anglais, « Edge Of Coverage »)) dans ce cas). Les mêmes conclusions peuvent être faites en observant les résultats io sur la bande 11,2 û 12 GHz. Ainsi, on peut constater que les performances de la configuration compacte sont similaires à la configuration miroir. Néanmoins, la configuration compacte offre beaucoup plus de libertés et de marges sur l'agencement de la source primaire et du réseau réflecteur is que dans une configuration miroir où l'agencement est très fortement contraint, sans prendre en compte des critères qui affectent les performances du sous-réflecteur. Ainsi, la configuration compacte offre de bonnes performances tout en pouvant offrir des degrés de libertés supplémentaires par rapport à des 20 contraintes d'implantation sur satellite. 20

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS1. Antenne à réflecteurs comprenant : un réflecteur principal (10) définissant un cône d'interception 5 (60) ; une ou plusieurs source(s) primaire(s) (20) disposée(s) de manière à émettre et/ou recevoir des ondes électromagnétiques ; un réseau réflecteur (40) de forme générale plane ; io dans laquelle le réflecteur principal, la ou les source(s) primaire(s) et le réseau réflecteur sont agencés les uns par rapport aux autres de la manière suivante : (i) le réseau réflecteur est disposé dans le cône d'interception du réflecteur principal et (ii) la ou les source(s) sont disposés par rapport au réseau réflecteur de manière à ce que l'angle d'incidence d'une onde issue is d'une source soit tel que le réseau réflecteur réfléchisse 80% de l'onde.
  2. 2. Antenne à réflecteurs selon la revendication précédente dans laquelle l'angle d'incidence maximal du réseau réflecteur n'excède pas une valeur comprise entre 30 et 40°.
  3. 3. Antenne selon l'une des revendications précédentes dans laquelle le réseau réflecteur est tel que le rapport (F/D) focale sur diamètre du réseau réflecteur est supérieur à 1. 25
  4. 4. Antenne à réflecteurs selon l'une des revendications précédentes comprenant une pluralité de sources primaires disposées en réseau.
  5. 5. Antenne selon la revendication précédente dans laquelle la source comprend sept sources primaires, six sources étant disposées de façon 30 régulière autour d'une source centrale.5
  6. 6. Antenne selon l'une des revendications précédentes dans laquelle chaque source est constituée d'un élément rayonnant choisi dans le groupe suivant : antenne à ouverture rayonnante de type cornet ou guide, élément imprimé, une fente, une hélice.
  7. 7. Satellite comprenant une antenne à réflecteurs selon l'une des revendications précédentes.
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