FR3017748A1 - Systeme de telemetrie utilisant une antenne retrodirective a faible consommation d'energie - Google Patents

Description

- 1 - Système de télémétrie avec antenne rétrodirective à faible consommation d'énergie Domaine de l'invention L'invention concerne une antenne rétrodirective à faible consommation d'énergie. État de la technique Dans un système de télécommunication à grande distance (depuis ou vers l'espace, par exemple) il est indispensable d'utiliser des antennes suffisamment directives pour concentrer le faisceau vers l'équipement distant, évitant ainsi les déperditions d'énergies dans des directions inutiles et par conséquent permettant de compenser la très grande atténuation de l'onde due à la propagation sur de grandes distances (de l'ordre de 160 dB pour un satellite en orbite basse). En outre, l'utilisation d'antennes directives limite le risque d'interférences vers d'autres équipements. Par ailleurs, il est généralement nécessaire que le signal émis soit dirigé sensiblement dans la même direction que le signal reçu. Les antennes aptes à réémettre un signal en direction de la source de transmission sont dites rétrodirectives. L'inconvénient majeur qui résulte de l'utilisation d'antennes directives est la nécessité de pointer les antennes l'une vers l'autre. Aux fréquences usuellement utilisées dans les télécommunications spatiales, les antennes sont souvent constituées de paraboles, offrant un gain important (de l'ordre de 30 dB) mais nécessitant un pointage mécanique de l'aérien. Les réseaux phasés d'antennes « patch » permettent de nos jours un pointage électrique, sans mouvement mécanique, par déphasage contrôlé du signal injecté ou reçu sur chaque patch. Dans les deux cas cependant, un contrôle précis de l'attitude des objets mobiles (satellite et/ou station sol mobile) est nécessaire et peut s'avérer très couteux en énergie. Par ailleurs, depuis quelques années, des satellites de très petite taille, tels que des nanosatellites et picosatellites sont apparus sur le marché. La très petite taille de ces satellites et la très faible réserve d'énergie disponible qui résulte de cette petite taille imposent de limiter autant que possible la puissance du signal émis. Or les antennes à réseau phasé classiquement utilisées sur les satellites nécessitent un traitement numérique complexe du signal, ce traitement étant par conséquent consommateur d'énergie, et ne sont donc pas utilisables facilement avec les nanosatellites. - 2 - D'autre part, il existe également des balises au sol de très petite taille, qui sont généralement autonomes et situées dans des environnements non contrôlés. Il apparaît alors intéressant, pour limiter les besoins en énergie, tout en permettant une télétransmission de qualité, d'avoir également sur ces balises un système d'antenne offrant un gain important dans la direction du satellite, sans avoir à gérer cette direction. De nombreux documents décrivent des systèmes d'antennes rétrodirectives. Les brevets US 3,757,334 et US 3,757,335 décrivent la réalisation d'une boucle rétrodirective résonnante. Les systèmes décrits dans ces brevets travaillent en fréquence intermédiaire et avec des dipôles séparés entre transmission et réception. La rétrodirectivité est assurée par permutation de dipôles. Le principal inconvénient de ces systèmes réside dans le fait qu'un défaut de positionnement des dipôles d'émissions par rapport aux dipôles de réception induit une erreur dans le pointage de l'antenne. D'autre part, la mise en oeuvre de ces systèmes semble très complexe Le brevet US 3,611,381 décrit une antenne rétrodirective sur une bande au moins égale à 5% de la porteuse, utilisée dans des applications spatiales cherchant à s'asservir sur la phase du signal reçu. L'antenne décrite dans ce brevet est trop complexe pour pouvoir être efficace en termes de puissance consommée. Le brevet US 6,630,905 décrit un système de conjugaison de phase par mélange avec une fréquence double de la porteuse pour assurer la rétrodirectivité. Ce système s'affranchit d'un oscillateur local en utilisant un doubleur de fréquence sur le signal issu d'un des aériens pris en référence. Ce doubleur de fréquence impose d'une part une amplification importante du signal reçu et d'autre part que seul le signal provenant de la station distante soit présente sur l'aérien (problème d'une très grande sensibilité aux interférences). La demande de brevet W02006/125081 décrit un système d'antenne rétrodirectif qui utilise la détection de phase du signal et des déphaseurs programmable. Ce système est très complexe et consomme beaucoup d'énergie. La demande de brevet W02008/144684 décrit un système d'antenne rétrodirectif utilisé pour la communication avec des satellites géostationnaires. Ce système utilise un système complexe de traitement numérique en plus d'un réflecteur parabolique, et consomme beaucoup d'énergie. La demande de brevet W02012/118619 décrit un système rétrodirectif quadratique qui opère par paires d'antennes (permutations de dipôles) avec polarisation croisée entre - 3 - réception et émission. Ce système présente comme inconvénient une polarisation rectiligne mal adaptée aux télécommunications spatiales, voire à toute communication dans laquelle l'orientation d'une antenne par rapport à l'autre n'est pas assurée. Un autre inconvénient est que les fréquences montante et descendante sont identiques, limitant le gain à une valeur inférieure à la séparation entre les 2 polarisations que procurent les aériens (20-30 dB typiquement) De plus, ce système nécessite un très bon positionnement des dipôles de transmissions par rapport aux dipôles de réception. Le brevet US 4,148,031 a pour objet un système de conjugaison de phase pour système rétrodirectif applicable à de très grands réseaux et qui nécessite une grande précision des déphasages. Tous les dispositifs décrits ci-dessus sont complexes et consommateurs d'énergie, ils ne sont donc pas utilisables avec de petits appareils tels que des nanosatellites ou des balises de petite taille. Il existe donc un besoin pour un système d'antenne rétrodirective simple et garantissant une grande efficacité énergétique.

Objet de l'invention Un premier but de l'invention est de fabriquer une antenne rétrodirective utilisant le même aérien pour la réception et pour l'émission, et dont le circuit électronique est extrêmement simple, permettant une consommation électrique très faible.

Ce but est atteint grâce à une antenne rétrodirective configurée pour recevoir un signal dit « montant » de fréquence fu, et pour émettre un signal dit « descendant » de fréquence fd, ladite antenne comprenant au moins un ensemble constitué d'un aérien et de son circuit électronique associé, ledit circuit comprenant, dans le sens de la réception du signal montant vers l'émission du signal descendant : un premier duplexeur, apte à laisser passer le signal montant et le signal descendant, un premier étage d'amplification relié au duplexeur, apte à amplifier le signal montant, un répartiteur dans lequel entre le signal montant amplifié, et duquel sortent une première partie du signal montant et une seconde partie du signal montant, un mélangeur dans lequel entre la première partie du signal montant, et dans lequel entre également un signal de fréquence (fu-Ffd) généré par un oscillateur local relié au mélangeur, et duquel sortent deux signaux l'un de fréquence (2f,-Ffd) et l'autre de fréquence fd, ce signal de fréquence fd étant le signal descendant, un moyen de filtrage apte à laisser passer le signal de fréquence fd et à couper le signal de fréquence (2f,-Ffd), éventuellement un second étage d'amplification, apte à amplifier le signal descendant, un circuit de démodulation-modulation, apte à démoduler ladite seconde partie du signal montant et - 4 - re-moduler un signal pour obtenir un signal contenant l'information à émettre, ledit circuit étant relié au répartiteur et à l'oscillateur local, ladite antenne étant également caractérisée en ce que les fréquences fu et fd sont différentes l'une de l'autre, et leur différence n'excède pas 10%, et est de préférence comprise entre 1 et 5%.

De ce fait, le positionnement des dipôles n'intervient pas dans la fonction de rétrodirectivité. En utilisant deux fréquences relativement proches entre le signal montant et le signal descendant, le dépointage de l'antenne reste très limité. Typiquement, avec 4% de déviation entre les deux bandes de fréquence, une antenne constituée de 16 patchs présentera une atténuation de seulement une fraction de dB due au dépointage du faisceau (qui est d'environ 2° sur les bords de lobe principal). Dans un mode de réalisation de l'antenne selon l'invention, le premier étage d'amplification comprend un amplificateur, et le second étage d'amplification comprend également un amplificateur placé après le moyen de filtrage.

La consommation électrique de l'antenne selon l'invention peut être encore diminuée grâce à la réutilisation des amplificateurs. Selon l'invention, cette réutilisation est rendue possible par un circuit dans lequel le premier étage d'amplification comprend un second duplexeur apte à laisser passer le signal montant et le signal descendant, un amplificateur et un troisième duplexeur apte à laisser passer le signal montant et le signal descendant, ledit premier étage d'amplification étant également utilisé en tant que second étage d'amplification, le troisième duplexeur étant placé à l'entrée du premier duplexeur, les second et troisième duplexeurs étant reliés entre eux via l'amplificateur. Dans ce mode de réalisation, il peut être utile qu'un amplificateur, qui amplifie le signal montant, soit placé à la sortie du premier duplexeur. De préférence, cet amplificateur est de type amplificateur à faible bruit « LNA ». Cette amplification du signal permet d'avoir un signal ayant un bon facteur de bruit. Dans ce mode de réalisation, il peut également être utile qu'un amplificateur, qui amplifie le signal descendant, soit placé à l'entrée du premier duplexeur. De préférence, cet amplificateur est un amplificateur de puissance. Cet amplificateur est nécessaire lorsque le signal descendant issu du mélangeur a une puissance faible. Un autre but de l'invention est de permettre la transmission sécurisée de données. Ce but est atteint grâce au codage de la porteuse des signaux montant et descendant. Le système transmet par conséquent une information qu'un système interférant, écoutant - 5 - par exemple le trafic en vue de le pirater n'est pas en mesure d'utiliser. Le codage est de préférence un codage de type CDMA (en anglais « Code Division Multiple Access », le terme officiel français étant « Accès Multiple par Répartition en Code »). Dans un mode de réalisation, l'antenne comprend entre 16 et 256 ensembles constitués d'un aérien et de son circuit électronique associé. Encore un autre but de l'invention est de former une boucle résonante entre deux antennes distantes. Ce but est atteint grâce à la mise en relation de deux antennes distantes selon l'invention, le pointage d'une antenne vers l'autre est assuré automatiquement par la rétrodirectivité.

En effet, dans l'hypothèse où la distance entre les deux antennes n'est pas trop importante, c'est-à-dire que la perte due à la propagation peut être compensée par le gain de l'électronique augmenté du gain de l'antenne, qui dépend du nombre d'éléments rayonnants, il est possible de mettre en relation deux antennes rétrodirectives selon l'invention, et former ainsi une boucle résonnante. Une fois le signal initié, les deux antennes se poursuivent l'une l'autre tant qu'elles sont dans leurs zones de couverture respectives. Encore un autre objet de l'invention est un objet mobile équipé d'une antenne selon l'invention, ledit objet étant de préférence un véhicule terrestre, aérien ou marin, un drone, un ballon ou un téléphone mobile.

Encore un autre objet de l'invention est un satellite équipé d'une antenne selon l'invention. Le satellite étant de préférence un microsatellite, un nanosatellite ou un picosatellite. Encore un autre objet de l'invention est une balise fixe ou mobile équipé de l'antenne selon l'invention, ladite balise étant placée sur terre ou en mer ou étant aéroportée.

Dans un mode de réalisation la balise comprend une antenne selon l'invention, ladite antenne comprenant plusieurs ensembles constitués d'un aérien et de son circuit, et ladite balise est apte à communiquer avec un satellite, et ladite balise comprend en outre un système d'activation et de mise en veille desdits ensembles, parmi lesquels au moins un ensemble est apte à être activé périodiquement et à vérifier si le satellite est en vue de la balise, et ledit ensemble étant apte à activer, lorsque le satellite est en vue de la balise, les autres ensembles pour transmettre une information au satellite. Encore un autre objet de l'invention est un système de radiocommunication comprenant deux antennes selon l'invention ou une boucle résonante selon l'invention, - 6 - l'une des antennes étant placée sur un satellite, et l'autre antenne étant placée dans une station au sol. Description des figures Les figures 1 à 4 représentent l'état de la technique, alors que les figures 5 à 11 illustrent des aspects de l'invention. La figure 1 représente un schéma de principe d'une antenne rétrodirective. Les figures 2 à 4 représentent différents schémas électroniques d'antennes rétrodirectives de l'état de la technique.

La figure 5 représente un schéma de principe du circuit électronique selon l'invention. La figure 6 représente un autre schéma de principe du circuit électronique selon l'invention, dans lequel la partie modulation / démodulation a été omise. La figure 7 représente les caractéristiques du patch utilisé dans le prototype utilisé pour les essais.

La figure 8 représente un schéma de principe du circuit électronique simplifié utilisé dans le prototype dans lequel la partie modulation / démodulation a été omise. La figure 9 représente les résultats des mesures sur le prototype confirmant la fonction de rétrodirectivité. La figure 10 représente un schéma de principe du système de modulation / 20 démodulation en BPSK. La figure 11 représente un exemple de chronogramme du système de modulation / démodulation BPSK. Références des figures 1 Antenne 2,D1,D2 Aérien 3 Duplexeur 4 Amplificateur 5 Répartiteur 6 Mélangeur 7 Oscillateur local (O.L.) 8 Filtre passe-bande 9 Amplificateur 10 Démodulateur 11 OU exclusif - 7 - 12 Modulateur 13 Amplificateur LNA (optionnel) 14 Amplificateur PA (optionnel) 15 Duplexeur 16 Duplexeur 17 Amplificateur principal 18 Mélangeur 19 Mélangeur 20 Filtre passe bas 21 Ligne à retard 22 Comparateur à hystérésis Description détaillée de l'invention Dans le cadre de l'invention, on entend par microsatellite un satellite dont la masse est comprise entre 10 et 100 kg, un nanosatellite un satellite dont la masse est comprise entre 1 et 10 kg, et par picosatellite un satellite dans la masse est comprise entre 0,1 et 1 kg. 1. Définition d'une antenne rétrodirective Une antenne qui reçoit un signal d'une station distante (signal montant) et qui renvoie un signal majoritairement dans la direction de cette station distante est dite antenne rétrodirective (voir figure 1). Cette fonction d'antenne rétrodirective peut être simplement obtenue à l'aide d'un réseau d'antennes dites « phasées » dans lequel, l'information de phase du signal montant est préservée lors de la génération du signal descendant, ce qui permet de contrôler la direction de l'émission. On parle alors de conjugaison de phase. 2. Rappel du principe de la rétrodirectivité Afin de simplifier la formulation mathématique, l'antenne rétrodirective est décrite ici avec seulement deux aériens D1,D2. De plus, en première approche les couplages entre aériens sont négligés. Il est bien entendu que le principe peut aisément être étendu à n'importe quelle taille et topologie de réseau phasé.

Si donc, nous considérons deux aériens situés à une distance b l'un de l'autre tel que représenté sur la figure 1, la différence de phase AT des signaux reçus d'une source distante (onde plane) dans une direction 0 est donnée par : 49 = -276sin 0 (1) - 8 - Dans le cas maintenant d'une émission sur une telle antenne, le gain maximal est obtenu lorsque les deux aériens apparaissent en phase le long du plan d'onde. Cela se produit pour une différence de phase égale à : = 276 sin 0 (2) qui correspond à l'opposé de la phase du signal incident. Cette conjugaison de phase peut s'effectuer de différentes manières décrites ci-après. Une première solution représentée par la figure 2 consiste en la détermination de la phase incidente et utilisation de déphaseurs pour réémettre avec une phase conjuguée.

Cette solution est la plus répandue dans les systèmes existants, bien qu'elle nécessite des moyens importants pour le traitement de l'information. C'est la solution qui offre certainement le plus de souplesse, principalement lorsque le traitement est effectué en numérique (formage de faisceau numérique ou « digital beam-forming ») mais consomme beaucoup d'énergie, principalement lorsque plusieurs canaux sont à considérer. Il faut également noter que les systèmes de déphasage peuvent être très coûteux. Une seconde solution pour effectuer une conjugaison de phase et représentée à la figure 3 consiste en la permutation des aériens par paires entre la réception et la 20 transmission. Dans cette configuration, chaque aérien est connecté à un autre de façon symétrique par rapport à l'axe de l'antenne. Cette solution simple est en général limitée à une fonction de réflecteur car la fréquence réémise doit correspondre à la fréquence reçue. Par ailleurs, il faudra veiller à une très bonne isolation entre le signal incident et le 25 signal réémis, afin de ne pas avoir d'interférences destructives au niveau des aériens et de ne pas faire osciller l'ensemble dans le cas où le signal serait amplifié. Enfin ce système est sensible aux défauts de positionnement des aériens et peut présenter un câblage relativement complexe, surtout lorsque le nombre d'aériens augmente. 30 Enfin, la troisième solution est un changement de fréquence « adapté », tel que représenté par exemple par la figure 4. Dans cette configuration, on utilise deux fréquences différentes mais très voisines pour le signal montant et le signal descendant, et l'on profite du changement de fréquence - 9 - pour inverser la phase. En effet, si l'on considère le signal montant (en direction du système), la tension aux bornes de chacun des deux aériens, U1 et U2 peut s'écrire : lU1 =A1 cos(cout +QI) U2 = A2COS(Out ± 92) , 27r6 92 - (PI = zuP = -sine Dans ces deux équations : A représente le module du signal reçu respectivement sur chacun des deux aériens, wu correspond à la pulsation du signal, avec où fu est la fréquence, = ' À, est la longueur d'onde ( fu où C est la célérité de la lumière), t représente le temps, l'espacement entre les deux aériens, 0 l'angle d'incidence de l'onde, Pi et (P2 la phase respective de chacun des signaux. L'origine des phases peut être prise en un point quelconque de l'antenne.

En multipliant, à l'aide d'un mélangeur, ces deux signaux par un oscillateur local commun dont l'amplitude est notée Ao et la pulsation est réglée sur wu+ wd, où wd est la pulsation du signal descendant, et en supposant que le signal à la pulsation 2wu+ wd qui résulte de cette opération est correctement filtré en sortie du mélangeur, on obtient : {VI = A14 C040 dt - 9 1) V2 =A24 C040 dt - 92) Ces tensions correspondent aux conjuguées des tensions provenant du signal montant. En réémettant ces tensions V1 et V2 sur chacun des aériens respectifs, on obtient bien la fonction désirée de rétrodirectivité. Cette solution apparaît comme étant simple et surtout bien adaptée à l'objet de cette 25 invention, c'est donc ce principe qui est utilisé dans le cadre de la présente invention. Le principal avantage de cette méthode de génération d'un signal conjugué, par comparaison avec les techniques classiques de formage de faisceau, réside dans le fait que les performances de l'antenne ne sont quasiment pas dépendantes de la position des aériens (chaque signal est réémis par l'antenne sur laquelle il a été reçu) (3) (4) C (5) -10- et qu'il ne nécessite pas un traitement de signal complexe ni l'utilisation de déphaseurs très coûteux. Les seules contraintes sont des fréquences proches entre le signal montant et le signal descendant et un rapport signal sur bruit suffisant pour le signal reçu afin qu'il puisse être réémis, après changement de fréquence, avec les bonnes caractéristiques de phase. 3. Mise en oeuvre de l'invention La solution retenue dans le cadre de la présente invention consiste donc à effectuer un changement de fréquence adapté, à savoir une conversion hétérodyne, permettant de conjuguer la phase des signaux reçus. Le signal ainsi transformé est réémis sur l'aérien par lequel il a été reçu. L'objet de la présente invention est décrit ci-dessous en référence à un élément unique constitué d'un aérien et de l'électronique associée pour effectuer la fonction de rétrodirectivité. Il est bien entendu qu'une antenne complète est constituée d'un réseau de tels éléments, dont le nombre et la topologie dépendent de l'application et la bande de fréquence utilisée, le nombre étant généralement compris entre 16 et 256, organisés en un réseau plan, souvent de forme rectangulaire. Le schéma de principe d'un tel élément est donné à la figure 5. L'aérien 2 est directement connecté à un duplexeur 3 afin d'isoler le signal reçu du signal réémis. Le signal montant dont la fréquence est fu, est amplifié par un amplificateur 4 puis séparé en deux parties par un répartiteur 5: La première partie du signal est utilisée pour la démodulation et la seconde partie est utilisée pour la réémission rétrodirective. Cette seconde partie du signal entre dans un mélangeur 6 dont l'oscillateur local (O.L.) 7 est réglé sur une fréquence égale à fu-Ffd. A la sortie du mélangeur 6 on retrouve deux signaux superposés : un signal de fréquence 2f,-Ffd qui est éliminé par le filtre passe bande 8 connecté en aval du mélangeur et un second signal dit « signal utile » qui est le signal réémis, de fréquence fd , et dont la phase est la phase conjuguée de la phase du signal initial, ainsi que cela a été décrit ci-dessus. Ce signal à la fréquence fd est ensuite amplifié par un amplificateur 9 et alimente l'aérien 2 via le duplexeur 3.

Dans un mode de réalisation particulier, le duplexeur 3 est intégré à l'aérien 2. La seule limitation d'un tel circuit provient de la stabilité de la chaine d'amplification qui est affectée par la quantité de signal à la fréquence fu qui peut être ramenée vers l'entrée du système. Cette stabilité est exprimée par le facteur de Rollet K au niveau du système global, dont le carré doit être supérieur à 1 : K= 1+ D2 -s112 -s222 (6) 25'12 - S211 Où S11, S12, S21 et S22 sont les paramètres S et D est le gain transducique : D = Sic S22 - Sl2 - S21 (7) Par ailleurs, le système est inconditionnellement stable dès lors que pI<1, c'est-à- dire, si l'on suppose S11 et S22 suffisamment petits, dès lors que Si <y . En clair, le 2 S21 gain de la chaine d'amplification peut être égal l'isolation total que l'on peut obtenir entre les deux bandes de fréquence. Cette isolation est donnée par les différents filtres, le mélangeur et le duplexeur. Le gain maximal est un des paramètres clefs de ce dispositif dans des applications spatiales pour lesquelles il est indispensable de compenser des pertes très importantes dues à la propagation sur de très grandes distances. Le mélangeur peut être de n'importe quel type et sa sélection dépendra essentiellement de la gamme de fréquence dans laquelle il doit fonctionner. Il peut s'agir d'un mélangeur équilibré classique ou, pour des fréquences plus élevées, d'un mélangeur subharmonique. Sa caractéristique principale sera d'offrir une bonne isolation entre l'entrée dite RF et la sortie dite IF et autant que faire se peut une perte de conversion la plus faible possible (généralement de l'ordre de 7dB). Plus l'isolation RF/IF sera importante, plus elle contribuera à l'isolation entre les deux bandes de fréquence, autorisant ainsi un gain global plus important.

Par ailleurs, pour assurer la fonction de télémétrie de l'antenne, le signal démodulé par un démodulateur 10 est enlevé du signal reçu et le signal à transmettre, modulé par un modulateur 12 est ajouté à ce même signal, par le biais d'un OU exclusif 11 qui commande le modulateur 12 branché à l'oscillateur local 7. A titre d'exemple non limitatif, un système classique de modulation/démodulation à saut de phase binaire (BPSK, en anglais « Binary Phase-Shift Keying ») est présenté à la figure 10. Le démodulateur comprend un mélangeur 18 associé à un OL à la fréquence f,' et un filtre passe-bas 20. Le modulateur 12 comprend un mélangeur 19 et une ligne à retard 21. Le signal reçu est mélangé à l'oscillateur local 18 à la fréquence f,' avant d'être filtré par un filtre passe-bas 20 afin d'éliminer les harmoniques générées lors du mélange, puis ce signal entre dans un comparateur à hystérésis 22 pour fournir le signal binaire Rx décodé. Ce même signal est complémenté par le signal binaire à transmettre Tx via un OU exclusif 11 avant d'attaquer un autre mélangeur 19 qui -12- module le signal de l'Oscillateur Local 7. Afin de compenser le délai induit par le filtre 20, une ligne à retard 21 présentant un temps de groupe similaire est insérée dans la boucle principale de signal, afin de s'assurer que le signal qui sera mélangé par le mélangeur 6 soit bien synchrone avec les informations issue du OU exclusif 11. Avec ce type de démodulation/re-modulation, le circuit de démodulation/re-modulation comprend un mélangeur 19 qui module le signal issu de l'oscillateur local 7. Dans ce cas le circuit de démodulation/re-modulation est donc relié à la sortie de l'oscillateur local. Un chronogramme illustrant ce principe est proposé à la figure 11. Ce chronogramme montre les signaux montant de fréquence fu et descendant de fréquence fd très voisines, et en conjugaison de phase, et les signaux contenant les données reçues Rx et à transmettre Tx, ainsi que le signal obtenu à la sortie du OU exclusif, en fonction des valeurs Rx et Tx. Si l'on emploie une modulation par saut de fréquence (FSK), la modulation se fait directement sur l'oscillateur local 7, par exemple à l'aide d'un varactor. Dans ce cas le circuit de démodulation/re-modulation est donc relié à l'entrée de l'oscillateur local. Le principe de démodulation/re-modulation est décrit en relation à une modulation de type BPSK. Le circuit électronique de l'antenne selon l'invention peut bien évidemment être adapté à tout type de modulation. 4. Réutilisation des amplificateurs Un autre mode de réalisation de l'invention est décrit ci-après. Ce mode de réalisation permet de réduire encore la consommation d'énergie du système. Afin de limiter au maximum l'énergie dissipée par les amplificateurs de chacun des éléments de base de l'antenne, il est intéressant de partager les amplificateurs entre le signal montant et le signal descendant. En effet, outre l'oscillateur local qui doit générer un signal d'égale amplitude et à un niveau relativement important (typiquement +7dBm) pour chacun des modules, et le système de modulation/démodulation, l'essentiel de l'énergie est consommée par les amplificateurs présents dans chacun des éléments de l'antenne. Or, dans une certaine limite, cette énergie consommée ne dépend pas du niveau du signal à amplifier. En positionnant des duplexeurs aux endroits canoniques, on peut alors envisager, d'amplifier le signal descendant en réutilisant l'amplificateur du signal montant. Ce mode de réalisation est décrit ci-dessous en référence à la figure 6. -13- Le signal issu de l'aérien 2 et du premier duplexeur 3 est amplifié par un premier étage optionnel, de préférence de type amplificateur à faible bruit (ou L.N.A. ou Low Noise Amplifier) 13 dont le but est uniquement de garantir un bon facteur de bruit à l'ensemble avant d'entrer dans un second duplexeur 15, et qui peut donc éventuellement être omis. La sortie du duplexeur 15 est connectée à la chaine principale d'amplification qui comporte au moins un amplificateur 17 et qui alimente un troisième duplexeur 16. Le signal montant à la fréquence f,' y est séparé du signal qui est généré à la fréquence fd, (et qui sera le signal descendant), et entre dans le mélangeur 6 qui est chargé de générer ledit signal de fréquence fd. La sortie du mélangeur 6 fournit à la deuxième entrée du duplexeur 15 ledit signal de fréquence fd, en tête de la chaîne d'amplification. Ce signal est séparé du signal montant dans le troisième duplexeur 16 puis éventuellement amplifié par un amplificateur de puissance 14 (P.A. - Power Amplifier), si cela s'avère nécessaire, avant d'alimenter le duplexeur 3 puis l'aérien 2. Le duplexeur 3 directement connecté à l'aérien 2 peut être une partie de l'aérien lui-même dans le cas où celui-ci dispose de deux accès distincts. Ainsi, dans la chaine principale d'amplification, on retrouve la superposition des deux signaux f,' et fd, permettant quasiment de doubler le gain de cette chaine. En reprenant les critères de stabilité indiqués ci-dessus, le système est inconditionnellement stable dès lors que le gain de l'amplificateur est inférieur à la perte à la fréquence f,' dans la boucle qui ramène le signal à l'entrée de l'amplificateur. En notant Id l'isolation d'un duplexeur entre ces deux accès, Pd la perte du même duplexeur entre l'entrée commune et l'accès correspond à la fréquence du signal, Pm la perte de conversion du mélangeur, /, l'isolation RF/IF du mélangeur (aux fréquences concernées) et G le gain de l'amplificateur, alors la condition de stabilité s'écrit, en dB : G < Pd± Id± lm (8) Et le gain total de la chaîne vaut : GT = 2G - Pm -613d (9) Auquel s'ajouteront les gains des amplificateurs LNA et PA optionnels, le cas échéant. Pour les mêmes critères de stabilité, la somme de ces deux gains optionnels doit être inférieure à 2Pd + 2/d - G . En pratique, on peut espérer les valeurs suivantes pour les différents paramètres : Pd 2.5 dB Pm 7 dB -14- Id 50 dB 30 dB Conduisant à une valeur possible de gain d'amplificateur égale à 82,5 dB, que l'on limite cependant à environ 60 dB pour des questions pratiques. Il en résulte malgré tout un gain total de l'ordre de 100 dB qui est en général suffisant. Pour une puissance rayonnée par aérien de l'ordre du mW (soit 0 dBm) il est ainsi envisageable de réaliser une telle chaine d'amplification pour une consommation électrique inférieure à 100 mW. Si l'on considère maintenant un réseau de 16 éléments de ce type, le gain total de l'ensemble rétrodirectif peut atteindre 120 dB pour une consommation totale de la partie RF inférieure à 1,6 W, à laquelle il convient d'ajouter l'énergie nécessaire à alimenter l'oscillateur local et le système de modulation démodulation. 5. Avantages de l'invention Le principal avantage de la présente invention résident dans le design extrêmement simple du circuit électronique permettant une consommation électrique très faible. L'utilisation du même aérien pour la réception et l'émission implique que le positionnement des dipôles n'intervient pas dans la fonction de rétrodirectivité. Cela permet, par exemple, de placer les aériens au dos des panneaux solaires d'un satellite. La plupart des systèmes rétrodirectifs existants effectuent la conjugaison de phase par permutation d'aériens par paires, obligeant ainsi à positionner les aériens de manière très précise.

L'antenne selon l'invention permet également une correction automatique de l'effet Doppler. En effet, le fait d'inverser le spectre lors de la conversion de fréquence a pour conséquence de transformer tout décalage de fréquence, dû à l'effet Doppler induit par le déplacement d'une des stations par rapport à l'autre (défilement du satellite), en un décalage dans la direction opposée. Ainsi lors du trajet retour, le signal arrive avec la fréquence qu'aurait un objet immobile. En utilisant deux fréquences relativement proches entre le signal montant et le signal descendant, le dépointage de l'antenne reste très limité. Typiquement, avec 4% de déviation entre les deux bandes de fréquence, une antenne constituée de 16 patchs présentera une atténuation de seulement une fraction de dB due au dépointage du faisceau (qui est d'environ 2° sur les bords de lobe principal). En codant la porteuse émise par la station distante, le système transmet une information qui se trouve de fait « brouillée » par cette porteuse codée. Tout système interférant, écoutant le trafic en vue de le pirater ne sera pas en mesure de le faire. -15- Dans l'hypothèse où la distance entre deux dispositifs pourvus chacun d'une antenne rétrodirective selon l'invention n'est pas trop importante, en ce sens que la perte due à la propagation peut être compensée par le gain de l'électronique augmenté du gain de l'antenne, qui dépend lui-même du nombre d'éléments rayonnants, il est envisageable de mettre en relation deux dispositifs pourvus chacun d'une antenne rétrodirective, formant ainsi une boucle résonnante. Lorsque l'on injecte un signal radiofréquence sur l'une des deux antennes, on initialise la boucle résonnante, ensuite les deux dispositifs se poursuivent l'un l'autre tant qu'ils sont dans leurs zones de couverture respectives. La limite de distance est assez rapidement atteinte pour les systèmes satellites, il existe en revanche de nombreuses autres applications où cette boucle peut être utilisée. Il peut s'agir en particulier de la télécommande de drones, de la télémétrie pour les systèmes de radiosondage, de la téléphonie mobile. 6. Exemple de réalisation d'une antenne rétrodirective selon l'invention Afin de confirmer le fonctionnement d'un tel système rétrodirectif un prototype a été réalisé et testé en chambre anéchoïde. Ce prototype était constitué de quatre éléments de base, chacun étant conçu autour d'un patch rectangulaire. Pour des questions de commodité d'utilisation sur le banc de mesure, les patchs ont été dessinés pour travailler en polarisation rectiligne. Toujours pour des questions de commodité, les bandes de fréquence choisies correspondent à la bande PCS (Personal Communications Services) qui permet de s'approvisionner aisément en composants électroniques. Ainsi la fréquence montante a-t-elle été fixée à 1960 MHz en polarisation verticale ; la fréquence descendante quant à elle est fixée à 1880 MHz en polarisation horizontale (soit 4% d'écart entre les deux).

Le patch était un patch rectangulaire à deux accès. Chacune des deux longueurs du rectangle correspond au mode principale de chacune des deux fréquences et la position du point d'alimentation (connecteur coaxial traversant) a été optimisée afin d'adapter l'impédance. L'avantage d'une telle configuration de patch réside dans la très bonne séparation entre les deux accès liée au croisement de polarisation. De ce fait, le duplexeur d'entrée se trouve intégré à l'aérien. La figure 7 montre les paramètres S du patch ainsi simulé. -16- L'électronique associée à chaque patch reprend le schéma décrit ci-dessus, en omettant cependant la partie modulation/démodulation, inutile ici. Ce schéma est reproduit de manière très synthétique à la figure 8 Les tests étant effectués dans une chambre anéchoïde de volume limité, il n'a pas semblé indispensable de prévoir un gain important au système. Le gain total était ainsi fixé à 40 dB afin de compenser la perte pour une émission située à environ 3 mètre. Les boitiers électroniques ainsi que les patchs ont été validés indépendamment et sont interconnectés à l'aide de cordons SMA appairés en phase. Cette architecture offre une grande souplesse dans les phases initiales de validation des sous-ensembles.

Cependant, la présence de boîtiers et de câbles à proximité immédiate des patchs peut légèrement influer sur leur fonctionnement. Cette influence est très minime et ne compromet pas la validation du concept. Le but de cette validation était de pouvoir émettre sur le prototype depuis toutes les directions et de mesurer son rayonnement, pour chaque incidence, également dans toutes les directions. On a positionné un émetteur et un récepteur fixes dans la chambre, la direction de la source d'émission faisant un angle variable, tous les 3° environ, avec le cornet de mesure. Pour chacune des positions de l'antenne d'émission, l'antenne rétrodirective effectuait une rotation complète sur 360° et le diagramme du signal mesuré a été relevé. L'antenne d'émission était alimentée par un synthétiseur de signal réglé à 1960 MHz, +10 dBm. Le cornet était raccordé à un analyseur de spectre calé à 1880 MHz. Les mesures ont été recueillies sous la forme d'une matrice de niveaux reçus, dont les lignes représentent l'orientation de l'antenne rétrodirective et les colonnes l'angle entre la source et le cornet de mesure. Pour des questions pratiques, toutes les cases de la matrice n'ont pu être relevées. Cette matrice a ensuite été transformée pour extraire l'information utile, à savoir le signal reçu dans toutes les directions pour une incidence donnée de la source dans le référentiel de l'antenne rétrodirective. Un logiciel spécifique a été développé afin de réaliser cette transformation. Ce logiciel permet en outre la simulation du signal attendu par un tel réseau de patchs. Les résultats de la mesure sont présentés à la figure 9 en superposition avec la simulation : On y retrouve une très bonne corrélation des résultats et surtout un comportement nominal de la fonction de rétrodirectivité, avec pour chaque direction de la source, une rémission majoritairement dans cette direction. L'ouverture à 3dB du lobe principal est de l'ordre d'une vingtaine de degrés, ce qui est conforme aux attentes pour un réseau -17- constitué de 4 patchs. Le gain dans l'axe est d'environ 11 dBi, là aussi conformes aux attentes. On constate, aux fortes incidences, un dépointage vers le centre du lobe principal dû au diagramme de chaque patch élémentaire. Cela s'explique par le fait que le dépointage engendré par le rapport des fréquences montante et descendante est tel que : sinK, (10) sin(6d) 4 Et donc, comme fu > fd alors A, < Ad et par conséquent ed > eu. C'est-à-dire que l'incidence du signal réémis est plus forte que celle du signal reçu. Cependant, chaque patch présente le même diagramme qui tend à atténuer plus fortement les signaux dont les incidences sont plus élevées aura tendance à réémettre plus fortement vers le centre du système. D'où le dépointage observé. La bonne corrélation des mesures avec la simulation confirme également que le modèle de simulation ainsi développé est bien représentatif de la réalité. Le modèle de simulation peut ainsi être utilisé pour des configurations plus complexes et donc difficile à tester en chambre anéchoïde ou bien pour réaliser des optimisations de paramètres tels que le rapport des fréquences montante et descendante ou l'espacement entre les patchs afin d'améliorer la couverture angulaire globale du système. 7. Exemples d'utilisation de l'antenne selon l'invention a. Communication avec un nanosatellite Le principal problème d'un nanosatellite réside dans sa très faible réserve d'énergie de par sa très petite taille. Il est donc difficilement envisageable d'utiliser une antenne directive à fort gain qui, outre son poids important, nécessite un contrôle d'attitude précis du satellite. Les antennes plus compactes à formage de faisceau électronique (réseaux de patchs phasés) semblent mieux adaptées, mais nécessitent cependant un traitement de signal relativement complexe et donc énergivore. L'antenne rétrodirective selon la présente invention est de ce fait un très bon compromis car elle permet un gain relativement important dans la direction de la source qui l'a illuminée sans pour autant nécessiter le déplacement de pièces mécaniques où un traitement complexe du signal. Le système selon l'invention ne fait rien d'autre qu'amplifier, avec changement de fréquence, le signal reçu, par conséquent, plus la station au sol fournit de l'énergie au satellite, plus celui-ci en renvoie vers la station au sol améliorant d'autant la qualité -18- de la transmission. Virtuellement le système à bord du satellite n'a pas de limite, seule la puissance émise par la station au sol, ainsi que sa capacité à sortir du bruit le signal reçu en retour (gain de l'antenne de réception) limite les performances de la liaison. Il n'est pas rare dans les systèmes de télécommunication spatiale de trouver des puissances isotropes rayonnées équivalentes (EIRP) par les stations sols de l'ordre de 50 dBW soit +80 dBm. Une propagation sur 2000 km en bande C présente une perte de l'ordre de 173 dB. Le signal parvenant sur chacun des patchs de l'antenne rétrodirective est alors de l'ordre de -93 dBm, -88 dBm reçu si l'on considère un gain du patch de l'ordre de 5dBi, ce qui est suffisant pour une identification correcte de la porteuse et son décodage éventuel. Si l'on considère un gain global de l'électronique de 100 dB et une antenne constituée de 16 patchs, chaque patch réémettra 12 dBm et l'ensemble des 16 patchs assure un EIRP de +32 dBm. Ce signal arrive alors à la station au sol avec typiquement la même perte que lors du trajet aller, soit 173 dB, et est donc de l'ordre de -141 dBm. Une antenne présentant un gain de l'ordre de 33 dB, c'est-à-dire typiquement pour la bande de fréquence concernée, une parabole de 2,4m de diamètre suffit alors à ramener ce signal à un niveau suffisant pour une exploitation correcte. b. Communication depuis l'espace avec une balise autonome On entend ici par « balise » un dispositif qui émet des signaux radioélectriques pour permettre, en particulier, mais de manière non limitative, sa localisation géographique et/ou son identification, par un système de détection spécifique terrestre ou satellitaire. D'une manière symétrique à l'exemple précédent, on a utilisé ici un satellite dont le système de télécommunication est suffisamment puissant, préférablement réalisé à l'aide d'une antenne à réseau phasé à formage de faisceau numérique, afin de pouvoir gérer à moindre coût un nombre important de canaux en parallèles. Une multitude de balises au sol, en l'air ou en mer, doit pouvoir communiquer avec ce satellite une quantité d'information relativement limitée (quelques centaines d'octets) plusieurs fois par jour, ou alors dans d'autres applications, une grande quantité d'information de manière ponctuelle. Ces balises doivent pouvoir fonctionner quelle que soit leur orientation dans l'espace (exemple de bouées flottantes soumises à la houle ou de drones effectuant une mission de reconnaissance), de manière autonome et dans des environnements potentiellement hostiles. Leur grand nombre impose également une contrainte sévère sur le coût de fabrication. L'utilisation d'une antenne rétrodirective selon l'invention pour la transmission de données est donc particulièrement -19- avantageuse, permettant une bonne directivité de l'antenne sans pour autant avoir à se soucier de la direction du satellite. Le bilan de liaison avec le satellite étant similaire à celui de l'exemple précédent, un patch seul reçoit suffisamment d'énergie pour permettre un décodage correct du signal reçu du satellite et ainsi mettre en service l'ensemble de l'électronique de l'antenne. On a ainsi un système de veille très économe en énergie, qu'il suffit de réveiller sur une période programmée lorsque la balise a une information à transmettre, afin de vérifier si le satellite est en vue de la balise. Lorsque c'est le cas, tous les patchs sont alors activés en transmission et la balise est en mesure de retransmettre la porteuse reçue, démodulée puis re-modulée avec ses propres informations. Le système repasse ensuite en mode veille, jusqu'à ce qu'il ait de nouvelles données à transmettre et reparte dans un tel cycle de réveil partiel périodique, jusqu'à détection de la présence du satellite suivi du réveil complet de l'antenne et de la transmission de ces nouvelles données.

II est judicieux d'utiliser un codage CDMA de la porteuse afin d'assurer une meilleure immunité au bruit du système et également de protéger les données transmises de l'écoute par des antennes « pirates ». Un protocole possible est alors de faire émettre par le satellite une porteuse sur un canal dit « broadcast » qui est utilisé pour réveiller les balises au fur et à mesure. Cette porteuse est modulée avec l'information du prochain numéro de canal privé utilisable. Une fois que la balise est réveillée et qu'elle a pu décoder cette information et en acquitter le satellite, elle se cale sur le code de ce canal et attend la porteuse modulée avec ce code pour retransmettre ses informations. Un protocole classique de transmission avec contrôle d'erreur et acquittement peut alors être mis en oeuvre sur le canal de transmission ainsi formé.25

Claims (13)

1. REVENDICATIONS1. Antenne rétrodirective configurée pour recevoir un signal dit « montant » de fréquence fu, et pour émettre un signal dit « descendant » de fréquence fd, ladite antenne comprenant au moins un ensemble (1) constitué d'un aérien (2) et de son circuit électronique associé, ladite antenne étant caractérisée en ce que ledit circuit comprend, dans le sens de la réception du signal montant vers l'émission du signal descendant : - un premier duplexeur (3), apte à laisser passer le signal montant et le signal descendant, - un premier étage d'amplification (4, 15-16-17) relié au duplexeur (3), apte à amplifier le signal montant, - un répartiteur (5) dans lequel entre le signal montant amplifié, et duquel sortent une première partie du signal montant et une seconde partie du signal montant, - un mélangeur (6) dans lequel entre la première partie du signal montant, et dans lequel entre également un signal de fréquence (f,+fd) généré par un oscillateur local (7) relié au mélangeur (6), et duquel sortent deux signaux l'un de fréquence (2f, + fd) et l'autre de fréquence fd, ce signal de fréquence fd étant le signal descendant, - un moyen de filtrage (8,15), apte à laisser passer le signal de fréquence fd et à couper le signal de fréquence (2f,+fd), - éventuellement un second étage d'amplification (9, 15-16-17), apte à amplifier le signal descendant, - un circuit de démodulation-modulation (10,11,12), apte à démoduler ladite seconde partie du signal montant et re-moduler un signal pour obtenir un signal contenant l'information à émettre, ledit circuit étant relié au répartiteur (5) et à l'oscillateur local (7), ladite antenne étant également caractérisée en ce que les fréquences fu et fd sont différentes l'une de l'autre, et en ce que leur différence n'excède pas 10%, et est de préférence comprise entre 1 et 5%.- 21 -
2. 2. Antenne selon la revendication 1 caractérisée en ce que : - le premier étage d'amplification comprend un amplificateur (4), - et le second étage d'amplification comprend un amplificateur (9) placé après ledit moyen de filtrage (8), ledit moyen de filtrage étant de préférence un filtre passe-bande.
3. 3. Antenne selon la revendication 1 caractérisée en ce que : - le premier étage d'amplification comprend un second duplexeur (15), un amplificateur (17) et un troisième duplexeur (16), lesdits second et troisième duplexeur étant aptes à laisser passer ledit signal montant de fréquence f,' et ledit signal descendant de fréquence fd, - ledit premier étage d'amplification étant également utilisé en tant que second étage d'amplification, - le troisième duplexeur (16) étant placé à l'entrée du premier duplexeur (3), les second (15) et troisième (16) duplexeurs étant reliés entre eux via l'amplificateur (17).
4. 4. Antenne selon la revendication 3 caractérisée en ce que le circuit comprend en outre un amplificateur (13) placé à la sortie du duplexeur (3), ledit amplificateur (13) étant de préférence un amplificateur à faible bruit (LNA).
5. 5. Antenne selon la revendication 3 ou 4 caractérisée en ce que le circuit comprend en outre un amplificateur (14) placé à l'entrée du duplexeur (3), ledit amplificateur (14) étant de préférence un amplificateur de puissance.
6. 6. Antenne selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que les porteuses des signaux montant et descendant sont codées, de préférence en CDMA.
7. 7. Antenne selon l'une des revendications précédentes comprenant entre 16 et 256 ensembles (1) constitués d'un aérien (2) et de son circuit électronique associé.-22-
8. 8. Objet mobile caractérisé en ce qu'il est équipé d'une antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, ledit objet mobile étant un véhicule terrestre, aérien ou marin, un satellite, un drone, un ballon ou un téléphone mobile.
9. 9. Satellite caractérisé en ce qu'il est équipé d'une antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, le satellite étant de préférence un microsatellite, un nanosatellite ou un picosatellite.
10. 10. Balise fixe ou mobile caractérisée en ce qu'elle est équipé de l'antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, ladite balise étant placée sur terre ou en mer ou étant aéroportée.
11. 11. Boucle résonnante comprenant deux antennes selon l'une des revendications 1 à 7, lesdites antennes étant placées en des points distants et assurant automatiquement le pointage de l'une vers l'autre par rétrodirectivité.
12. 12. Système de radiocommunication comprenant deux antennes selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 ou une boucle résonante selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'une des antennes est placée sur un objet mobile ou un satellite, et l'autre antenne est placée dans une station au sol.
13. 13. Balise selon la revendication 10, comprenant une antenne selon l'une des revendications 1 à 7, ladite antenne comprenant plusieurs ensembles (1), et ladite balise étant apte à communiquer avec un objet mobile, de préférence un satellite, et ladite balise étant caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un système d'activation et de mise en veille desdits ensembles (1), parmi lesquels au moins un ensemble (1) est apte à être activé périodiquement et à vérifier si le satellite est en vue de la balise, et ledit ensemble étant apte à activer, lorsque le satellite est en vue de la balise, les autres ensembles (1) pour transmettre une information au satellite.