WO2011101471A1 - 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 (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; 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 maximal (β
max ) d'un trajet (50) d'une onde issue d'une source avec la normale (formule (I)) au réseau réflecteur (40) soit tel que le réseau réflecteur réfléchisse plus de 80% de la puissance portée par les ondes interceptées par le réseau réflecteur, l'agencement ainsi réalisé étant distinct d'une configuration du type miroir.
Description
ANTENNE A REFLECTEURS
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.
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 selon une configuration de type Cassegrain ou Grégory (configuration connue issue de l'optique). Cette configuration est du type miroir.
La configuration du type miroir repose sur un positionnement de la source primaire 20 du sous-réflecteur 30 qui correspond à l'image du foyer du réflecteur parabolique (foyer image F').
Le sous-réflecteur auxiliaire utilisé (hyperbole ou ellipse) comporte deux foyers. Lun d'entre eux coïncide avec le foyer F du réflecteur principal 10 et l'autre, appelé foyer virtuel ou image, correspond au 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 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.
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 le réflecteur principal 10 en conservant la configuration miroir (c'est-à-dire en conservant la géométrie Cassegrain ou Gregory).
En note qu'en configuration miroir, on peut envisager deux configurations.
Dans une première configuration, le réseau réflecteur est orienté pour être orthogonal à l'axe du réflecteur principal 10. Un angle <9r lui est associé et il vaut 0°.
Dans une seconde configuration, le réseau réflecteur est incliné jusqu'à une position limite qui va être définie pour éviter la zone d'ombre liée à la source primaire 20. La valeur limite de l'angle θτ est liée à la géométrie du réflecteur principal 10 et correspond a la valeur de l'angle 6L sous-tendu inférieur du réseau réflecteur. Ce cas limite est tel que 0T = 6L .
Ces antennes telles que présentées 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 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
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 ici que l'on entend par antenne à réflecteurs l'association d'un réseau réflecteur avec un réflecteur ayant une forme conformée, généralement 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 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 maximal d'un trajet d'une onde issue d'une source avec la normale au réseau réflecteur soit tel que le réseau réflecteur réfléchisse plus de 80% de la puissance portée par les ondes interceptées par le réseau réflecteur, l'agencement ainsi réalisé étant distinct d'une configuration du type miroir.
L'architecture de l'antenne de l'invention est par conséquent obtenue de manière à optimiser le fonctionnement du réseau réflecteur et à définir
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 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 :
- 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 défini par la distance entre le(s) centre(s) de phase de la (les) source(s) primaire(s) et le centre du réseau réflecteur est supérieur à 1 ;
- elle comprend une pluralité de sources primaires disposées en 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 guide, élément imprimé, une fente, une hélice.
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 une antenne à réflecteurs conforme à l'invention selon un troisième mode de réalisation
- la figure 6 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
Les figures 3 et 5 illustrent respectivement un mode de réalisation d'une antenne à réflecteurs.
L'antenne à réflecteurs, illustrée sur ces figures, comprend : un réflecteur principal 10 définissant un cône d'interception 60 ; une ou plusieurs source(s) primaire(s) disposée(s) de manière à émettre et/ou recevoir des ondes électromagnétiques ; un réseau réflecteur de forme générale plane.
On précise ici que l'on entend par cône d'interception un cône délimité par les extrémités du réflecteur principal 10 et celles du réseau réflecteur 40.
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 40 est disposé dans le cône d'interception 60 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 maximal ^ d'un trajet 50 d'une onde issue d'une source avec la normale n au réseau réflecteur 40 soit tel que le réseau réflecteur
réfléchisse plus de 80% de la puissance portée par les ondes interceptées par le réseau réflecteur.
Un tel agencement conduit à une configuration distincte du type miroir. La contrainte sur la ou les source(s) peut également être vue comme une disposition de la ou les source(s) par rapport au réseau réflecteur de manière à ce que l'angle d'incidence maximal d'une onde issue d'une source en provenance de la ou (les) source(s) primaire(s) et arrivant à la surface du réseau réflecteur soit tel que le réseau réflecteur 40 permette de réfléchir plus de 80% de la puissance portée par les ondes interceptées en tant que contribution utile pour la formation du rayonnement objectif.
En effet, on précise ici que la puissance de l'onde incidente issue de la ou les source(s) primaire(s) et interceptée par le réseau réflecteur 40 est divisée en deux principales contributions. Une de ces contributions, dite utile, participe directement aux performances radioélectriques voulues. L'autre contribution, dite spéculaire, traduit une puissance réfléchie par la surface du réseau réflecteur 40 dans des directions déterminées. La contribution spéculaire, liée à la nature des éléments constituant le réseau réflecteur et à l'orientation de la source primaire 20, est difficilement contrôlable et doit être minimisée, surtout dans le cadre de couvertures reconfigurables.
Ainsi, une telle condition sur l'angle d'incidence maximal ?max 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 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.
En configuration compacte, l'angle d'incidence maximal ^ 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 β^ , l'angle maximal que fait un trajet 50 d'une onde électromagnétique avec la normale n au réseau réflecteur 40, trajet 50 en provenance d'une source.
Les modes de réalisation des figures 3 à 5 sont plus compacts que le mode de réalisation de la figure 2.
En effet, l'antenne illustrée sur les figures 3 à 5 est configurée en s'affranchissant des contraintes de configuration miroir.
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 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 d'incidence ?max , de façon à ne pas excéder une valeur de 40°.
De manière avantageuse, le réseau réflecteur 40 est tel que le rapport <5 défini par la distance entre le(s) centre(s) de phase de la (les) source(s) primaire(s) et le centre du réseau réflecteur est supérieur à 1 .
Le rapport δ est déterminé conjointement avec les contraintes de positionnement et d'orientation de la source primaire de façon à obtenir une valeur de rapport δ , typiquement comprise entre 1 et 2.
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 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 5 rajoute une contrainte supplémentaire par rapport au mode de réalisation de la figure 4.
Il s'agit en particulier de rajouter une contrainte sur le diamètre du réseau réflecteur. Une limitation à un diamètre inférieur à 25λ est effectuée. On note que À 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 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 25 À .
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
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 δ sera grand.
Dans chaque mode de réalisation, le réseau réflecteur est 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 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 comparant l'agencement compact (illustré sur la figure 4) respectant les critères ci-dessus à une configuration performante en mode miroir (θτ voisin de 0L).
La figure 6 illustre les résultats de la comparaison.
La configuration (performances en traits pointillés sur la figure 6) dite miroir est celle de la figure 2 déjà présentée avec un rapport δ de 1 ,5 et l'angle /?max vaut 34,2°.
La configuration dite compacte (performances en traits pleins sur la figure 6) a un rapport δ de 1 ,9 et l'angle ?max 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 sur la bande 1 1 ,2 - 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 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 contraintes d'implantation sur satellite.
Claims
1 . Antenne à réflecteurs comprenant :
- un réflecteur principal (10) définissant un cône d'interception (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 ; 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 maximal ( ?max ) d'un trajet (50) d'une onde issue d'une source avec la normale ( « ) au réseau réflecteur (40) soit tel que le réseau réflecteur réfléchisse plus de 80% de la puissance portée par les ondes interceptées par le réseau réflecteur, l'agencement ainsi réalisé étant distinct d'une configuration du type miroir.
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. Antenne selon l'une des revendications précédentes dans laquelle le réseau réflecteur est tel que le rapport δ est supérieur à 1 .
4. Antenne à réflecteurs selon l'une des revendications précédentes comprenant une pluralité de sources primaires disposées en réseau.
5. Antenne selon la revendication précédente dans laquelle la source comprend sept sources primaires, six sources étant disposées de façon régulière autour d'une source centrale.
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. Satellite comprenant une antenne à réflecteurs selon l'une des revendications précédentes.
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Publications (1)
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|---|---|---|---|---|
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- 2010-02-19 FR FR1051208A patent/FR2956777B1/fr active Active
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2011
- 2011-02-21 WO PCT/EP2011/052520 patent/WO2011101471A1/fr active Application Filing
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Also Published As
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 11704240 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 11704240 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |