FR3076088A1 - Formateur de faisceaux quasi-optique, antenne elementaire, systeme antennaire, plateforme et procede de telecommunications associes - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un formateur (10) de faisceaux quasi-optique pour antenne élémentaire (A) de télécommunications, le formateur (10) de faisceaux quasi-optique présentant une entrée propre à être connectée à une source (16) d'onde électromagnétique et une sortie propre à alimenter au moins un élément rayonnant (18), caractérisé en ce que le formateur (10) de faisceaux quasi-optique comprend au moins : - deux couches (C1, C2) superposées de formation de faisceaux quasi-optique, chaque couche étant associée à un état de polarisation d'onde distinct, chaque couche comprenant : - un guide d'onde (12) à plaques parallèles, et - une tranche (14) de lentille à gradient d'indice dont la forme correspond à un ellipsoïde de révolution ou à un demi-ellipsoïde de révolution, la tranche étant, prélevée selon un plan méridien de la lentille, et placée parallèlement entre les plaques parallèles du guide d'onde (12), et - un polariseur placé parallèlement entre ces deux couches.
Description
FORMATEUR DE FAISCEAUX QUASI-OPTIQUE, ANTENNE ELEMENTAIRE, SYSTEME ANTENNAIRE, PLATEFORME ET PROCEDE DE TELECOMMUNICATIONS
ASSOCIES
La présente invention concerne un formateur de faisceaux quasi-optique pour antenne élémentaire de télécommunications, notamment satellitaires et de préférence dans la bande Ka. L’invention se rapporte aussi à une antenne élémentaire comportant un tel formateur de faisceaux, à un système antennaire comportant une telle antenne élémentaire, une plateforme, notamment terrestre, aérienne ou spatiale, comportant au moins une antenne élémentaire ou un système antennaire précités, et un procédé de télécommunication entre deux stations utilisant l’antenne élémentaire ou le système antennaire précités.
Dans le domaine des communications satellitaires, l’obtention d’une communication de bonne qualité implique des performances pour les ondes électromagnétiques produites par le système antennaire utilisé dans la communication en termes de gain et de niveau des lobes secondaires (rapport entre l’intensité des lobes secondaires et l’intensité du lobe principal).
Dans le cas particulier de la bande électromagnétique Ka, deux bandes de fréquences distinctes sont impliquées. En effet, en émission, les ondes électromagnétiques de la bande Ka ont une fréquence comprise entre 27,5 GigaHertzs (GHz) et 31 GHz tandis qu’en réception, les ondes électromagnétiques de la bande Ka ont une fréquence comprise entre 17,3 GHz et 21,2 GHz. En outre, les polarisations des ondes en émission et en réception sont généralement de type circulaires opposées ou non.
Ces fréquences et ces polarisations circulaires en réception et en émission imposent des contraintes sur le système antennaire. De plus, dans le contexte de liaison satellitaire, il convient d’orienter l’antenne afin de pointer le satellite permettant d’établir la liaison. En outre, pour réduire la signature visuelle (l’encombrement physique), les solutions de type antenne parabolique ne sont généralement pas privilégiées notamment en contexte terrestre ou aérien.
Parmi les systèmes antennaires permettant de respecter ces différentes contraintes, il est connu d’utiliser une antenne à balayage électronique comprenant deux panneaux antennaires disjoints respectivement pour l’émission d’une onde à une fréquence autour de 30 GHz et pour la réception d’une onde à une fréquence autour de 20 GHz. Toutefois, l’antenne à balayage électronique obtenue présente un encombrement important correspondant aux surfaces rayonnantes de chacun des modes de fonctionnement (émission/réception). En outre, l’efficacité d’une telle antenne est souvent insuffisante car sont utilisées le plus souvent des antennes unitaires de type patch.
De plus, la mise en œuvre d’une polarisation circulaire dans un premier sens dans la partie émissive et d’une polarisation circulaire dans un deuxième sens opposé au premier sens pour la partie de réception s’avère difficile. Notamment, l’emploi d’un polariseur réduit la flexibilité d’utilisation de l’antenne à balayage considérée.
Afin de limiter les pertes de l’antenne à balayage électronique, il est également connu d’utiliser des structures de type cornet pour obtenir une meilleure efficacité. Néanmoins, dans ce cas également, l’antenne obtenue présente un encombrement important du fait de l’emploi d’un polariseur et surtout de deux panneaux utilisés pour l’émission et la réception.
Pour remédier à ces inconvénients, une structure antennaire pouvant recevoir des ondes à une fréquence distincte des ondes émises tout en étant compacte a été proposée dans la demande FR 3 013 909 A1. Une telle structure antennaire est basée sur la mise en œuvre d’un cornet en guide rayonnant chargé avec du diélectrique et intégrant un polariseur pour la génération de la polarisation circulaire nécessaire.
Cependant, une telle structure requiert la mise en œuvre d’une alimentation complexe d’un cornet, ou d’une pluralité de cornets, notamment, au moyen d’un réseau de distribution en guide. En effet, l’utilisation d’un guide implique un usinage présentant des tolérances, une masse et un coût importants imposant le recours à des dispositifs d’entrainement volumineux.
Des solutions à base de formateurs de faisceaux ont été proposées notamment dans la demande FR 3 038 457 basée sur une structure à excroissance(s) correspondant à une structure parabolique intégrée à l’alimentation. Cependant, une telle structure n’est pas adaptée pour une utilisation en bande électromagnétique Ka, car impropre à générer une polarisation circulaire, et présentant une structure à excroissance(s) dont l’épaisseur est propre à réduire la capacité de dépointage d’un système antennaire monodimensionnel actif à balayage électronique.
Il existe donc un besoin pour une alimentation simplifiée, compacte allégée et propre à permettre la génération d’une polarisation circulaire tout en étant compacte et en conservant la capacité de dépointage d’une structure antennaire propre à recevoir des ondes à une fréquence distincte des ondes émises. A cet effet, l’invention a pour objet un formateur de faisceaux quasi-optique pour antenne élémentaire de télécommunications, notamment satellitaires, le formateur de faisceaux quasi-optique présentant une entrée propre à être connectée à une source d’onde électromagnétique et une sortie propre à alimenter au moins un élément rayonnant, le formateur de faisceaux quasi-optique comprenant au moins : - une première couche et une deuxième couche superposées de formation de faisceaux quasi-optique, chaque couche étant associée à un état de polarisation d’onde distinct, chaque couche comprenant : - un guide d’onde à plaques parallèles, et - une tranche de lentille à gradient d’indice dont la forme correspond à un ellipsoïde de révolution ou à un demi-ellipsoïde de révolution, la tranche étant, prélevée selon un plan méridien de l’ellipsoïde de révolution, ou du demi-ellipsoïde de révolution, et propre à être placée parallèlement entre les plaques parallèles du guide d’onde à plaques parallèles, et - un polariseur placé parallèlement entre les deux couches superposées.
Selon des modes de réalisation particuliers de l’invention, le formateur de faisceaux quasi-optique présente également l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute(s) combinaison(s) techniquement possible(s) : - la lentille à gradient d’indice est formée d’un matériau diélectrique ; - la lentille est une lentille hémisphérique inhomogène à gradient d’indice de type œil de poisson de Maxwell, dont la tranche est formée : - d’une pluralité de N matériaux diélectriques, présentant des caractéristiques diélectriques discrètes distinctes, et répartis en continu, successivement, et concentriquement selon le rayon de la tranche, avec 3<N<10, ou - d’un matériau diélectrique diffractif présentant une pluralité d’orifices dont la densité augmente concentriquement selon le rayon de la tranche ; - la lentille à gradient d’indice est formée à partir d’un matériau correspondant à un ensemble de plots métalliques. L’invention a également pour objet une antenne élémentaire comprenant au moins un élément rayonnant et un formateur de faisceaux quasi-optique tel que précédemment décrit, la sortie du formateur de faisceaux quasi-optique étant propre à alimenter l’entrée dudit au moins un élément rayonnant.
Suivant des modes de réalisation particuliers, l’antenne élémentaire présente également l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute(s) combinaison(s) techniquement possible(s) : ledit au moins un élément rayonnant comprend un cornet comprenant une première partie d’émission-réception alimentée par la première couche du formateur de faisceaux quasi-optique, et une deuxième partie d’émission-réception alimentée par la deuxième couche du formateur de faisceaux quasi-optique, chacune des première et deuxième parties d’émission-réception étant propre à émettre et recevoir une onde électromagnétique à une première fréquence ou à une deuxième fréquence, le rapport entre la deuxième fréquence et la première fréquence étant supérieur à 1,2, de préférence supérieur à 1,5, la première fréquence et la deuxième fréquence appartenant à la bande Ka du spectre électromagnétique, le polariseur du formateur de faisceaux quasi-optique étant propre à s’étendre entre la première partie d’émission-réception et la deuxième partie d’émission-réception. - le polariseur est propre à polariser circulairement dans un premier sens les ondes électromagnétiques que la première partie d’émission-réception est propre à émettre et à polariser circulairement les ondes électromagnétiques que la deuxième partie d’émission-réception est propre à émettre dans un sens opposé au premier sens. L’invention a également pour objet un système antennaire comportant au moins une antenne élémentaire telle que précédemment décrite.
En outre, l’invention se rapporte aussi à une plateforme, notamment aérienne, comportant au moins une antenne élémentaire telle que précédemment décrite ou un système antennaire telle que précédemment décrit.
La présente invention a également pour objet un procédé de télécommunications, notamment par satellite, entre deux stations, le procédé comprenant l’emploi d’au moins une antenne élémentaire telle que précédemment décrit ou un système antennaire tel que décrit précédemment. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement et en références aux dessins qui sont : - figure 1, une vue schématique en perspective d’une antenne élémentaire comprenant un formateur de faisceaux quasi-optique selon un premier mode de réalisation ; - figure 2, une vue schématique en perspective d’une antenne élémentaire comprenant un formateur de faisceaux quasi-optique selon un deuxième mode de réalisation ; - figure 3, une vue schématique en perspective d’un système antennaire selon un mode de réalisation de l’invention ; - figure 4, une vue schématique en perspective d’un exemple d’élément rayonnant d’antenne élémentaire selon la présente invention.
Dans la suite de la description, l’expression « sensiblement » exprimera une relation d’égalité à plus ou moins 10%. L’antenne élémentaire A selon la présente invention comprend un formateur de faisceaux quasi-optique 10, ou FFQO, dont des exemples de réalisation sont représentés respectivement sur les figures 1 et 2.
De manière générale, un tel formateur de faisceaux quasi-optique 10 comprend au moins une première couche C-ι et une deuxième couche C2 superposées de formation de faisceaux quasi-optique, chaque couche ou C2 étant associée à un état de polarisation d’onde distinct, chaque couche Ci ou C2 comprenant : - un guide d’onde 12 à plaques parallèles, et - une tranche 14 de lentille à gradient d’indice dont la forme correspond à un ellipsoïde de révolution ou un demi-ellipsoïde de révolution, la tranche étant, prélevée selon un plan méridien de l’ellipsoïde de révolution, ou du demi-ellipsoïde de révolution, et propre à être placée parallèlement entre les plaques parallèles du guide d’onde 12 à plaques parallèles, et - un polariseur 15 placé parallèlement entre les deux couches superposées.
Plus précisément, de manière connue, pour chaque couche ou C2, le guide d’onde 12 à plaques parallèles (PPW de l’anglais « Parallel Plate Waveguide ») est un guide de transmission comprenant deux plaques métalliques empilées, espacées l’une de l’autre selon une épaisseur de couche Ec et s’étendant, selon deux directions longitudinale X et transversale Y.
Un tel guide d’onde 12 PPW est propre à concentrer l’énergie fournie par une source d’alimentation 16 propre à produire une ou plusieurs ondes électromagnétiques.
Selon la présente invention, pour une couche C-, ou C2 considérée, le guide d’onde 12 PPW comprend une structure plane focalisante correspondant à une tranche 14 de lentille à gradient d’indice (i.e. présentant un indice de réfraction variant en fonction de la position au sein de la lentille) dont l’épaisseur EL s’étend selon la direction Z orthogonale au plan XY et dont la face arrière repose sur une des plaques métalliques du guide d’onde 12.
Par « tranche » (14) on entend une portion d’épaisseur EL prélevée selon un plan de prélèvement méridien dans un ellipsoïde de révolution ou un demi-ellipsoïde de révolution. Autrement, dit le contour selon l’épaisseur EL de la tranche est elliptique, respectivement demi-elliptique.
Plus précisément, la tranche 14 de lentille à gradient d’indice de la première couche Ci repose sur la plaque métallique 15 commune à la fois au premier guide d’onde 12i de la première couche Ci et au deuxième guide d’onde 122 de la première couche C2, cette plaque métallique commune correspondant au polariseur du formateur de faisceaux quasi-optique 10 selon la présente invention.
La tranche 14 de lentille à gradient d’indice est orientée selon la direction longitudinale X de diffusion de l’énergie fournie par la source 16 vers un élément rayonnant 18 ou une pluralité de M éléments rayonnants 18 identiques accolés les uns aux autres selon la direction transversale Y (avec M>2), de sorte que le diamètre D de la lentille à gradient d’indice, opposé au pôle P de la tranche 14 de lentille à gradient d’indice, est en contact avec l’entrée d’une pluralité d’éléments rayonnants 18. Autrement dit, l’antenne élémentaire A, selon les modes de réalisation des figures 1 et 2, correspond à une ligne rayonnante d’éléments rayonnants 18 identiques accolés.
Chaque élément rayonnant 18 présente une forme parallélépipédique, et comprend, au niveau du diamètre D de la tranche 14 de lentille à gradient d’indice, une première partie 20 polarisante dans laquelle se prolonge le polariseur 15 du formateur de faisceaux quasi-optique 10 selon l’invention, le polariseur 15 étant propre à délivrer pour chaque couche ou C2 une onde plane polarisée circulairement à partir de l’onde électromagnétique sphérique délivrée en sortie de la source 16, et une deuxième partie ou sortie 22 dédiée à l’émission/réception en tant que telle. A titre d’alternative, un élément rayonnant 18 de forme cylindrique représenté en relation avec la figure 4, détaillée par la suite, est également propre à être utilisé selon la présente invention.
Selon la présente invention, l’épaisseur EL de la tranche 14 de lentille à gradient d’indice, est inférieure ou égale à l’épaisseur Ec du guide d’onde 12 à plaques parallèles, ce qui permet de garantir une compacité de chaque couche planaire Ci ou C2.
Une telle tranche 14 de lentille à gradient d’indice, permet de focaliser l’onde radiofréquence sphérique émise par la source 16 en la transformant en onde plane dans le guide d’onde 12 PPW. La loi de l’indice dans la tranche de lentille à gradient d’indice étant par définition discrète (et non pas continue), la lentille à gradient d’indice délivre une tâche focale permettant une gamme de dépointage importante.
Le formateur de faisceaux quasi-optique 10 comprenant au sein d’une couche ou C2 une telle combinaison est donc propre à concentrer l’énergie et focaliser l’onde produite au sein d’un guide 12 parallèle large bande compatible de la pluralité d’élément rayonnants 18 tout en évitant les difficultés d’usinage des solutions de l’art antérieur.
Par ailleurs, la mise en œuvre de la tranche 14 de lentille à gradient d’indice permet une réduction de masse significative de l’ordre de deux à trois fois inférieure aux solutions de l’art antérieur.
Ainsi, l’alimentation d’élément(s) rayonnant(s) 18 selon la présente invention présente une simplification de réalisation propre à réduire l’impact des tolérances d’usinage sur les performances inhérent aux solutions de l’art antérieur.
Différents types de lentilles à gradient d’indice sont propres à être utilisées pour en extraire la tranche 14 selon la présente invention.
Selon un mode de réalisation, non représenté, la tranche 14 présente un contour selon l’épaisseur de forme elliptique, demi-elliptique, ou encore hémisphérique tel que représenté sur les exemples des figures 1 et 2. Les formes demi-elliptique, ou encore hémisphérique permettent de limiter les dimensions du formateur de faisceaux quasi-optique 10
De plus, le matériau utilisé pour former la lentille à gradient d’indice est par exemple diélectrique ou métallique.
En relation avec les figures 1 et 2 deux variantes de lentilles à base de matériau diélectrique sont représentées. Plus précisément, sur ces deux figures, la tranche 14 de lentille est hémisphérique inhomogène à gradient d’indice de type œil de poisson de Maxwell (HMFE de l’anglais « half Maxwell's fish-eye »). La tranche 14 de lentille HMFE est, prélevée selon un plan méridien de l’hémisphère de la lentille (i.e. plan d’hémisphère comprenant le pôle P), et propre à être placée dans chaque guide d’onde 12ί et 122 à plaques parallèles.
Selon le premier mode de réalisation illustré par la figure 1, la tranche 14 de lentille HMFE est formée d’une pluralité de N matériaux 14^ à 14N, présentant des caractéristiques diélectriques discrètes distinctes, et répartis en continu, successivement, et concentriquement selon le rayon R de la tranche, avec 3SN<10.
Sur la figure 1, une configuration à N=6 strates concentriques de matériaux distincts est mise en œuvre, les constantes diélectriques Si à SN associées respectivement à chaque strate étant conformes à une distribution diélectrique prédéterminée, leur valeur étant par exemple, comprise entre deux et quatre, et décroissante de 1 à N pour les strates concentriques correspondantes partant du centre O au pôle P de la tranche de lentille HMFE.
Un nombre maximal de strates de matériaux diélectriques par exemple N=10 permet d’améliorer la continuité de la distribution des constantes diélectriques discrètes associées à chaque strate de matériau diélectrique par rapport à la configuration à N=6 strates distinctes de matériaux diélectriques.
Selon la figure 1, M=13 éléments rayonnants 18 sont représentés.
Avantageusement, la structure de couche de formateur 10 de faisceaux quasi-optique selon l’invention est aisément scalable, i.e. propre à s’adapter au nombre M d’éléments rayonnants 18 considérés en modifiant uniquement le diamètre D de la lentille HMFE à concevoir pour en extraire la ou les tranches utilisées selon la présente invention.
Ainsi, lorsqu’une augmentation du gain de l’antenne élémentaire A est requis, une augmentation du nombre d’éléments rayonnants 18 est nécessaire et pour se faire le dimensionnement de l’alimentation correspondant formateur 10 de faisceaux quasi-optique selon l’invention est opérée de sorte à en augmenter proportionnellement le diamètre D de lentille HMFE et, selon la direction Y, la largeur de guide d’onde 12 contenant la tranche de lentille HMFE utilisée.
Par exemple, pour un diamètre D=60 mm associé à M=13 éléments rayonnants 18 un gain supérieur à 13,5 dB est par exemple obtenu en émission pour l’antenne élémentaire A, tandis que des gains de 15,5 dB et de 17 dB sont respectivement obtenus pour des diamètres D=100 mm associé à M=21 éléments rayonnants 18 et D=200 mm associé à M=43 éléments rayonnants 18. A titre d’alternative, selon le deuxième mode de réalisation illustré par la figure 2, la tranche 14Ci, 14C2 de lentille HMFE de chaque couche et C2 est formée d’un matériau diélectrique diffractif présentant une pluralité d’orifices H dont la densité augmente concentriquement selon le rayon R de la tranche.
Autrement dit, selon ce deuxième mode de réalisation de la figure 2, le gradient d’indice en termes de constante diélectrique de la tranche 14 de lentille HMFE est obtenu en considérant des strates réparties en continu, successivement et concentriquement de même matériau mais présentant une densité de matériaux distinctes par strate, la densité en matériau étant croissante de la strate de matériau comprenant le pôle P vers la strate de matériau comprenant le centre O de la lentille HMFE.
Selon une autre alternative, non représentée, la tranche 14 de lentille HMFE est dépourvue de matériau diélectrique et formée d’un matériau métallique correspondant à un ensemble de plots métalliques par exemple disposés dans l’air en lieu et place des orifices H de la figure 2 de sorte à obtenir également un gradient d’indice selon le rayon R de la tranche 14.
Le formateur 10 de faisceaux quasi-optique est particulièrement adapté à une utilisation en bande électromagnétique Ka, car il comprend les deux couches Ci et C2 superposées (autrement dit deux guides d’ondes 12i et 122 superposés et présentant une plaque métallique commune 15) de formation de faisceaux quasi-optique, chaque couche étant propre à fonctionner selon au moins deux fréquences U et f2 de fonctionnement distinctes (i.e. chaque couche et C2 étant au moins bi-bande).
De plus, chaque couche et C2 est associée à un état de polarisation de fonctionnement distinct de sorte que le formateur 10 de faisceaux quasi-optique est adapté pour fournir en sortie une onde polarisée circulairement lorsque les deux couches Ci et C2 sont activées simultanément, un état de polarisation circulaire distinct étant produit pour chaque couche Ci et C2. Pour ce faire, le formateur 10 de faisceaux quasi-optique comprend le polariseur 15 (non représenté sur les figures 1 et 2) placé parallèlement entre ces deux couches Ci et C2 et propre également à s’étendre, selon la direction X dans une partie 20 polarisante de chaque élément rayonnant 18.
En d’autres termes, selon cet aspect le formateur 10 de faisceaux quasi-optique est bi-bande et propre à mettre en œuvre une polarisation linéaire distincte pour chaque couche ou C2 si une seule couche est activée à la fois sélectivement par la source 16 (i.e. excitée) ou une polarisation circulaire lorsque les deux couches et C2 sont activées simultanément et polarisées circulairement distinctement au moyen du polariseur 15, ce qui le rend propre à une utilisation en bande électromagnétique Ka, où les fréquences dédiées à l’émission et à la réception sont distinctes, notamment pour une application satellitaire SATCOM.
Autrement dit, lorsque les deux couches C1 et C2 sont associées (i.e. jointes en superposition) via le polariseur 15 et activées simultanément, chaque couche Ci ou C2 fournit un état de polarisation circulaire qui lui est propre, par exemple circulaire gauche pour Ct et circulaire droite pour C2.
Plus précisément, chaque couche Ci et C2 est propre à recevoir deux ondes radiofréquences distinctes fournies par l’une ou l’autre des deux parties 161 et 162 de source 16. Les deux parties 16t et 162 de source, fonctionnant identiquement, sont chacune propre à fournir des ondes électromagnétiques selon au moins deux fréquences distinctes, et sont pour ce faire dotées chacune d’un duplexeur propre à sélectionner au moins la génération d’une onde électromagnétique à une première fréquence f1f dédiée, par exemple, à l’émission des ondes électromagnétiques de la bande Ka, U étant alors comprise entre 27,5 GHz et 31 GHz, ou la génération d’une onde électromagnétique à une deuxième fréquence f2, dédiée, par exemple, à la réception des ondes électromagnétiques de la bande Ka, f2 étant alors comprise entre 17,3 GHz et 21,2 GHz.
Selon un exemple de mise en œuvre pour la bande Ka, l’épaisseur de couches Ci et C2 est telle que ECi=EC2=2,2 mm et l’épaisseur du polariseur 15 est de l’ordre de 0,1mm, ce qui aboutit à une hauteur globale du formateur 10 de faisceaux quasi-optique selon la présente invention de 4,5 mm, rendant l’alimentation d’éléments rayonnants compacte et adaptée pour un assemblage en superposition de V lignes rayonnantes (i.e. niveaux) d’un système antennaire 100 tel que représenté et décrit ci-après en relation avec la figure 3. Le polariseur 15 est agencé de manière à polariser les ondes électromagnétiques que la première partie 16i de source 16 et la deuxième partie 162 de source 16 sont propres à fournir de sorte à alimenter le ou les éléments rayonnants 18.
Le polariseur 15 comporte lui-même deux parties non représentées agencées de manière à polariser circulairement dans un premier sens les ondes électromagnétiques que la première partie 16! de source 16 est propre à émettre, et à polariser circulairement les ondes que la deuxième partie 162 de source 16 est propre à émettre dans un sens opposé au premier sens.
En particulier, un tel polariseur 15 est par exemple un polariseur 15 basé sur un septum.
Ainsi, le formateur 10 de faisceaux quasi-optique selon la présente invention est propre à alimenter de manière compacte un ou plusieurs élément(s) rayonnant(s) 18 propre(s) à émettre et/ou recevoir des ondes dans deux états de polarisation différents, en l’occurrence pour l’exemple de la figure 1 ou de la figure 2, des polarisations circulaires gauche et droite.
Un système antennaire 100 selon un mode de réalisation est représenté sur la figure 3.
Le système antennaire 100 est un assemblage d’antennes élémentaires A (ou lignes rayonnantes) assemblées de manière à obtenir V lignes regroupant chacune M éléments rayonnants 18 identiques accolés.
Il est aisé de dissocier la partie dédiée au rayonnement dans le système antennaire 100 des autres éléments du système antennaire 100 et notamment, la partie dédiée à la commutation, au filtrage et au circuit de répartition. Cette dissociation permet de minimiser les pertes globales du système antennaire 100.
Le système antennaire 100 est plus compact et allégé au regard des systèmes antennaires de l’art antérieur. Cet effet est amplifié par la légèreté de l’alimentation de chaque antenne élémentaire A, une telle alimentation correspondant, telle que décrite précédemment, au formateur de faisceaux quasi-optique 10 selon l’invention. Par exemple, pour V=54 et M=21 le système antennaire 100 présente par exemple une profondeur sensiblement égale à 250mm correspondant à l’empilement des 54 antennes élémentaires A, chaque antenne élémentaire A présentant une longueur sensiblement égale à 150 mm correspondant au diamètre D de la tranche 14 de lentille HMFE du formateur de faisceaux quasi-optique 10 selon l’invention alimentant M=21 éléments rayonnants 18, et une largeur sensiblement égale à 112 mm correspondant à la largeur du guide 12 d'onde à plaques métalliques.
Dans ce mode de réalisation, chacune des première et deuxième parties de sources 16i, 162 des différentes antennes élémentaires A! à Av sont propres à être reliées à un duplexeur non représenté afin de garantir une bonne isolation entre les couches Ci et C2 du formateur 10 de faisceaux quasi-optique selon la présente invention. Un duplexeur est un dispositif permettant l’emploi d’une même antenne pour l'émission et la réception d’un signal. Des commutateurs insérés entre le duplexeur et les première et deuxième parties de sources 1615 162 peuvent permettre une sélection aisée de la partie de source 16^ 162 et du fonctionnement désiré pour le système antennaire 100.
De plus, chaque antenne élémentaire A est associée à un circuit de contrôle de phase. Ainsi, il est possible d’orienter le faisceau du système antennaire 100 dans des directions quelconques dans un hémisphère, en fonction des circuits de contrôle de phase associés à chacune des antennes élémentaires A, par exemple il est possible de réaliser un dépointage selon l’axe Z dans le plan XZ.
Dans le vocabulaire du spécialiste du domaine des antennes, cela s’appelle réaliser un balayage électronique à une dimension ou balayage unidirectionnel. Dans cette configuration, pour obtenir un balayage multi directionnel, un ou plusieurs systèmes motorisés complémentaires selon un axe, par exemple au moyen d’un plateau tournant est associé au système antennaire 100.
Un tel système antennaire 100 est avantageusement utilisable dans une plateforme, notamment terrestre, aérienne ou satellitaire. Dans le cadre de cette utilisation, la compacité et la légèreté du système antennaire 100 permet de réduire les contraintes au niveau des implantations d’équipements sur la plateforme.
Selon un aspect particulier, l’élément rayonnant 18 alimenté par le formateur de faisceaux quasi-optique selon l’invention, est cylindrique et conforme à l’objet de la demande FR 3 013 909 A1 tel qu’illustré par la figure 4.
Plus précisément, tel qu’illustré par la figure 4, l’élément rayonnant 18 comporte un cornet 24, une partie polarisante 20 comprenant une extrémité 25, des éléments diélectriques 26 et deux accès 28, 30 pour les ondes émises ou reçues par l’élément rayonnant 18.
Le cornet 24 comporte une première partie d’émission-réception 22^ propre à émettre et recevoir une onde selon un état de polarisation et une deuxième partie selon un autre état de polarisation 222, distinct de la première partie d’émission-réception 22λ.
Comme indiqué précédemment, chaque partie 22i et 222 est respectivement associée via les accès 28 et 30 respectivement, à la première couche Ci d’alimentation et à la deuxième couche C2 d’alimentation du formateur 10 de faisceaux quasi-optique selon la présente invention.
Les parties 22^ et 222 selon une variante de réalisation sont propres à être associées en un seul bloc.
Chacune des première et deuxième parties d’émission-réception 22u 222 est propre à émettre et recevoir une onde électromagnétique à une première fréquence U ou à une deuxième fréquence f2, le rapport entre la deuxième fréquence f2 et la première fréquence U est supérieur à 1,2, et de préférence supérieur à 1,5.
Selon une caractéristique particulière, le cornet 24 a une forme cylindrique conférant à l’émission de l’antenne élémentaire A un caractère large bande. La bande couverte par un cornet s’étend typiquement à 40% de part et d’autre de la fréquence de fonctionnement.
Ainsi, dans cette variante, la première partie d’émission-réception 22i et la deuxième partie d’émission-réception 222 ont chacune la forme d’un demi-disque, l’association des deux parties d’émission-réception formant le cornet 24.
De façon classique, un cornet dimensionné pour fonctionner sur une large bande de fréquence présente des dimensions extérieures qui sont contraintes par la longueur d’onde de fonctionnement correspondant à la plus faible des fréquences à émettre ou recevoir. De plus, l’intérieur de celui-ci est vide.
Dans l’exemple présenté, identiquement aux éléments diélectriques 26, l’intérieur du cornet 24 est rempli d’un matériau diélectrique afin de réduire les dimensions physiques du cornet 24. En effet, la longueur d’onde dans un matériau diélectrique est plus petite que dans la longueur d’onde correspondante dans l’air. Ainsi, pour une structure de cornet donné, un élargissement vers la bande de fréquence de fonctionnement est réalisé. Ce matériau diélectrique est un substrat présentant une permittivité comprise entre deux et cinq en fonction des contraintes de réalisation.
Tel qu’indiqué précédemment, selon un aspect particulier de l’invention le polariseur 15 s’étend à la fois dans la partie polarisante 20 de l’élément rayonnant 18 et dans le formateur 10 de faisceaux quasi-optique.
Dans la partie polarisante 20 de l’élément rayonnant 18, le polariseur 15 est agencé de manière à polariser les ondes que la première partie d’émission-réception 221 et la deuxième partie d'émission-réception 222 sont propres à émettre.
Le polariseur 15 comporte deux parties agencées, non représentées, de manière à polariser circulairement dans un premier sens les ondes que la première partie d’émission-réception 22i est propre à émettre et à polariser circulairement les ondes que la deuxième partie d’émission-réception 222 est propre à émettre dans un sens opposé au premier sens.
Pour la suite de la description, le premier sens est la polarisation droite.
Ainsi, un tel élément rayonnant 18 conforme à l’objet de la demande FR 3 013 909 A1 est par exemple propre à émettre et/ou recevoir des ondes présentant une polarisation circulaire droite à la première fréquence fi. Un tel élément rayonnant 18 est également propre à émettre et/ou recevoir des ondes présentant une polarisation circulaire gauche à la deuxième fréquence f2.
Selon une variante, le polariseur 15 fait également partie du cornet 24 (i.e. se prolonge également dans le cornet 24).
Selon une variante de réalisation, les éléments constitutifs de l’antenne élémentaire A, à savoir le formateur de faisceaux quasi-optique 10 et le ou la pluralité d’éléments rayonnants 18 sont usinés ensemble de sorte à former une seule pièce dans laquelle le polariseur 15 s’étend sur toute la dimension selon la direction longitudinale X de diffusion de l’énergie fournie par la ou les source(s) 16 vers l’élément rayonnant 18 ou la pluralité de M éléments rayonnants 18 identiques accolés les uns aux autres selon la direction transversale Y (avec M>2). Dans l'élément rayonnant 18, les éléments diélectriques 26 sont insérés afin de réduire la dimension électrique par rapport à la longueur d’onde et ainsi d’obtenir une antenne élémentaire A avec des dimensions permettant de rapprocher les éléments rayonnants 18 suffisamment lors de la mise en réseau afin de faciliter le balayage angulaire sur une plage suffisamment grande tout en gardant des performances de rayonnement compatibles de l’application de type liaison satellitaire envisagée. Les éléments diélectriques 26 sont préférentiellement uniquement localisés au niveau des accès 28, 30 ainsi que dans le polariseur 15. En variante, les éléments diélectriques 26 sont prolongés dans les parties 22Λ et 222.
Chaque accès 28, 30 est en regard d’une partie d’émission-réception du cornet 24. Par exemple, un accès 28 pour une onde polarisée circulaire gauche est donc prévu en regard de la première partie d’émission-réception 22^ du cornet 24 tandis qu’un accès 30 pour une onde polarisée circulaire droite est prévu en regard de la deuxième partie d’émission-réception 222.
En fonctionnement, la première partie d’émission-réception 22\ reçoit des ondes électromagnétiques selon un état de polarisation dès que le cornet 24 est excité électriquement. Cette onde est polarisée circulaire gauche par le polariseur 15. Cette onde passe ensuite par l’accès 28 prévu pour une onde polarisée circulaire gauche.
Une onde polarisée circulaire droite passe par l’accès 30 prévu pour une onde polarisée circulaire droite. Cette onde passe ensuite à travers le polariseur 15 avant d’être émise par la deuxième partie d’émission-réception 222. Ce fonctionnement émission-réception peut être inversé entre les accès 28 et 30.
Il apparaît ainsi qu’un seul élément rayonnant 18 permet d’assurer à la fois les fonctions émission et réception, pour deux fréquences f-ι et f2 dont le rapport est supérieur à 1,2. C’est un cornet 24 bi-bande compact à polarisation circulaire qui rend chaque élément rayonnant 18 bi-bande.
En outre, chaque élément rayonnant 18 est propre à émettre et/ou recevoir des ondes dans deux états de polarisation différents, par exemple, des polarisations circulaires gauche et droite. Dans le cas où une onde à polarisation linéaire est souhaitée, soit les deux accès 28, 30 sont utilisés simultanément en leur appliquant, via les couches et C2 du formateur 10 de faisceaux quasi optique et les parties de sources ^ et 162, un certain déphasage en fonction de l’orientation de la polarisation souhaitée, ou un seul accès 28 ou 30 est utilisé et une seule des deux couches Ci ou C2 est excitée sélectivement par la source 16.
Le cornet 24 présente alternativement une forme parallélépipédique comme illustré sur les figures 1 et 2 décrites précédemment.
Ainsi, l’alimentation spécifique basée sur l’utilisation du formateur 10 de faisceaux quasi-optique selon la présente invention permet en association avec un ou plusieurs éléments rayonnants 18 tels que ceux de la demande FR 3 013 909 A1 ou des éléments rayonnants 18 parallélépipédiques d’obtenir un système antennaire très efficace car principalement focalisant, avec des contraintes d’usinage et des coûts de réalisation associés abaissés par rapport aux alimentations selon l’art antérieur, tout en garantissant un diagramme de rayonnement conforme aux normes, une utilisation pour des antennes aussi bien passives qu’actives et une scalabilité de réalisation propre à s’adapter à une variation du nombre d’éléments rayonnants à mettre en oeuvre de sorte à optimiser le gain antennaire résultant.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1, -Formateur (10) de faisceaux quasi-optique pour antenne élémentaire (A) de télécommunications, notamment satellitaires, le formateur (10) de faisceaux quasi-optique présentant une entrée propre à être connectée à une source (16) d’onde électromagnétique et une sortie propre à alimenter au moins un élément rayonnant (18), caractérisé en ce que le formateur (10) de faisceaux quasi-optique comprend au moins : - une première couche (Ci) et une deuxième couche (C2) superposées de formation de faisceaux quasi-optique, chaque couche étant associée à un état de polarisation d’onde distinct, chaque couche comprenant : - un guide d’onde (12) à plaques parallèles, et - une tranche (14) de lentille à gradient d’indice dont la forme correspond à un ellipsoïde de révolution ou à un demi-ellipsoïde de révolution, la tranche étant, prélevée selon un plan méridien de l’ellipsoïde de révolution, ou du demi-ellipsoïde de révolution, et propre à être placée parallèlement entre les plaques parallèles du guide d’onde (12) à plaques parallèles, et - un polariseur placé parallèlement entre les deux couches superposées.
- 2, -Formateur (10) de faisceaux quasi-optique selon la revendication 1, dans lequel la lentille à gradient d’indice est formée d’un matériau diélectrique.
- 3, -Formateur (10) de faisceaux quasi-optique selon la revendication 2, dans lequel la lentille est une lentille hémisphérique inhomogène à gradient d’indice de type œil de poisson de Maxwell, dont la tranche (14) est formée : - d’une pluralité de N matériaux diélectriques, présentant des caractéristiques diélectriques discrètes distinctes, et répartis en continu, successivement, et concentriquement selon le rayon (R) de la tranche, avec 3^N^10, ou - d’un matériau diélectrique diffractif présentant une pluralité d’orifices (H) dont la densité augmente concentriquement selon le rayon (R) de la tranche (14).
- 4, -Formateur (10) de faisceaux quasi-optique selon la revendication 1, dans lequel la lentille à gradient d’indice est formée à partir d’un matériau correspondant à une pluralité de plots métalliques.
- 5, -Antenne élémentaire (A) comprenant au moins un élément rayonnant (18) et un formateur (10) de faisceaux quasi-optique selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, la sortie du formateur (10) de faisceaux quasi-optique étant propre à alimenter l’entrée dudit au moins un élément rayonnant (18).
- 6. - Antenne élémentaire (A) selon la revendication 5, dans lequel ledit au moins un élément rayonnant (18) comprend un cornet (24) comprenant une première partie d’émission-réception (22^ alimentée par la première couche (C^ du formateur (10) de faisceaux quasi-optique, et une deuxième partie d’émission-réception (222) alimentée par la deuxième couche (C2) du formateur (10) de faisceaux quasi-optique, chacune des première et deuxième parties d’émission-réception (221t 222) étant propre à émettre et recevoir une onde électromagnétique à une première fréquence (fi) ou à une deuxième fréquence (f2), le rapport entre la deuxième fréquence et la première fréquence étant supérieur à 1,2, de préférence supérieur à 1,5, la première fréquence (f^ et la deuxième fréquence (f2) appartenant à la bande Ka du spectre électromagnétique, le polariseur du formateur (10) de faisceaux quasi-optique étant propre à s’étendre entre la première partie d’émission-réception (22^ et la deuxième partie d’émission-réception (222).
- 7. - Antenne élémentaire (A) selon la revendication 6, dans lequel le polariseur est propre à polariser circulairement dans un premier sens les ondes électromagnétiques que la première partie d’émission-réception (22i) est propre à émettre et à polariser circulairement les ondes électromagnétiques que la deuxième partie d’émission-réception (222) est propre à émettre dans un sens opposé au premier sens.
- 8. - Système antennaire (100) comportant au moins une antenne élémentaire (A) selon l’une quelconque des revendications 5 à 7.
- 9. - Plateforme comportant au moins une antenne élémentaire (A) selon l’une quelconque des revendications 5 à 7 ou un système antennaire (100) selon la revendication 8.
- 10. - Procédé de télécommunications, notamment par satellite, entre deux stations de télécommunications, le procédé comprenant l’emploi d’au moins une antenne élémentaire (A) selon l’une quelconque des revendications 5 à 7 ou un système antennaire (100) selon la revendication 8.
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