EP0512487A1 - Antenna with shaped lobe and high gain - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention concerne une antenne à lobe formé et à grand gain.The invention relates to a high-gain shaped lobe antenna.
Des antennes de ce type sont très utiles dans le domaine spatial. Ainsi les satellites à défilement et à orbite basse ont un cône de visibilité de la terre très ouvert : à une altitude de 800 Km, le demi-angle au sommet du cône est de 63°. La distance d'un tel satellite à une station à l'intérieur de ce cône varie de 800 km (au Nadir) à 2300 km en bord du cône. Dans le cas d'une mission de télémesure ou de télécommande entre ce satellite et cette station, on cherche à assurer une liaison isoflux, quelle que soit la position relative de cette station dans le cône. Les antennes utilisées pour de telles missions doivent donc présenter un diagramme tel que le gabarit de PIRE ait un maximum en bord du cône et soit décroissant jusqu'au Nadir; La dynamique étant alors de l'ordre de 12 dB. De tels gabarits peuvent inclure, de plus, soit une provision pour les niveaux faibles (au Nadir, la dynamique tombant à environ 10 dB) soit au contraire une compensation de l'atténuation atmosphérique (proportionnelle à la distance), la dynamique devenant supérieure à 13 dB. Ces gabarits sont de révolution en azimut et ont la forme de cuvette. Ils nécessitent donc l'utilisation d'antennes à lobe formé.Antennas of this type are very useful in the space field. Thus the traveling and low-orbiting satellites have a very open cone of visibility of the earth: at an altitude of 800 km, the half-angle at the top of the cone is 63 °. The distance of such a satellite to a station inside this cone varies from 800 km (at Nadir) to 2300 km on the edge of the cone. In the case of a telemetry or remote control mission between this satellite and this station, an attempt is made to provide an isoflux link, whatever the relative position of this station in the cone. The antennas used for such missions must therefore present a diagram such that the size of PIRE has a maximum at the edge of the cone and is decreasing until Nadir; The dynamics then being of the order of 12 dB. Such templates can include, in addition, either a provision for low levels (at Nadir, the dynamic falling to around 10 dB) or on the contrary a compensation for atmospheric attenuation (proportional to the distance), the dynamic becoming greater than 13 dB. These jigs are revolution in azimuth and have the shape of a bowl. They therefore require the use of formed lobe antennas.
Parmi les quelques techniques connues pour obtenir de tels gabarits on distingue deux grandes familles.
- les réflecteurs conformés :
Ce sont des réflecteurs de révolution dont le profil est optimisé pour suivre le gabarit formé en élévation. Le problème de ces réflecteurs est qu'ils ont un diagramme de révolution, parce qu'ils doivent assurer la liaison dans tout le cône. Il est donc difficile d'obtenir un gain élevé, tout en ayant des dimensions raisonnables de réflecteur. Un réflecteur de ce type est analysé dans un article intitulé "Method of moment analysis of a cavity-fed shaped beam reflector antenna" de Bridges; Shafaï, et Kishk (Antenn'90 conference proceedings; August 15, 17-1990; Winniped; Canada). - les antennes réseau :
A partir de la constatation précédente, on a eu l'idée d'utiliser des antennes réseau à balayage électronique qui présentent un lobe d'antenne directif, de gain élevé, que l'on déplace par commande électronique. De telles antennes sont décrites dans l'ouvrage intitulé "Antenna Engineering handbook" (de R.C.Johnson et H. Jasik; McGraw-Hill;chapitre 20 "Phased Arrays" de R.Tang et R.W. Burns; pages 20-1 à 20-5). La liaison n'est alors plus assurée sur tout le cône simultanément mais uniquement dans la direction de la station visée. On distingue ici deux familles de réseaux : les réseaux plans et les réseaux conformés.
- . Les réseaux plans :
Si l'on s'affranchit des lobes de réseaux par des techniques classiques de dimensionnement de réseaux jouant sur le pas, c'est-à-dire sur la distance entre deux sources adjacentes, on peut obtenir, pour des dimensions semblables une directivité bien supérieure à celle obtenue avec un réflecteur formé. La phase d'alimentation de chaque source étant commandée par un déphaseur, on déplace le diagramme en modifiant ces phases. Cette solution présente deux inconvénients majeurs :- il faut dépointer le lobe en élévation de ± 60° environ, voire plus, à plus basse altitude. Ceci nécessite de rapprocher beaucoup les sources.
- Il est très difficile d'obtenir un maximum de rayonnement vers 60° et un creux dans l'axe; ce qui nécessite d'avoir des sources dont la directivité est élevée à 60°, même si leur diagramme présente l'allure du gabarit, c'est-à-dire avec un maximum de rayonnement à 60° (hélices par exemple). Par conséquent, si l'on veut obtenir un gain élevé (>20 dBi par exemple), il faut des dimensions relativement importantes et donc un grand nombre de sources et de déphaseurs (entre 50 et 100 selon la directivité élémentaire à 60°). Ce type d'antenne nécessite donc un grand nombre de points de commandes.
- . Les réseaux conformés :
Pour obtenir un maximum de rayonnement sur un cône à 60°, on peut disposer les sources sur une surface conformée (hémisphère par exemple). En commandant chaque source par un déphaseur on balaye le lobe en élévation et en azimut. Mais avec de tels réseaux :- on ne peut plus utiliser toutes les sources à la fois.
- on peut utiliser des éléments rayonnants dont le maximum de directivité est à 0° mais il faut, de plus, pouvoir dépointer à 60°.
- conformed reflectors:
These are revolution reflectors whose profile is optimized to follow the template formed in elevation. The problem with these reflectors is that they have a revolution diagram, because they have to bond across the cone. It is therefore difficult to obtain a high gain, while having reasonable reflector dimensions. A reflector of this type is analyzed in an article entitled "Method of moment analysis of a cavity-fed shaped beam reflector antenna" by Bridges; Shafaï, and Kishk (Antenn'90 conference proceedings; August 15, 17-1990; Winniped; Canada). - network antennas:
From the previous observation, we had the idea of using electronic scanning array antennas which have a directional antenna lobe, of high gain, which is moved by electronic control. Such antennas are described in the work "Antenna Engineering handbook" (by RCJohnson and H. Jasik; McGraw-Hill;chapter 20 "Phased Arrays" by R.Tang and RW Burns; pages 20-1 to 20-5) . The connection is then no longer provided over the entire cone simultaneously but only in the direction of the target station. Two families of networks are distinguished here: flat networks and conformed networks.
- . Plan networks:
If one overcomes the lobes of networks by conventional techniques of dimensioning of networks playing on the step, that is to say on the distance between two adjacent sources, one can obtain, for similar dimensions a directivity well greater than that obtained with a formed reflector. The supply phase of each source being controlled by a phase shifter, the diagram is moved by modifying these phases. This solution has two major drawbacks:- it is necessary to spot the lobe in elevation of ± 60 ° approximately, or even more, at lower altitude. This requires bringing the sources very close.
- It is very difficult to obtain maximum radiation around 60 ° and a trough in the axis; which requires having sources whose directivity is high at 60 °, even if their diagram presents the shape of the template, that is to say with a maximum radiation at 60 ° (propellers for example). Consequently, if one wants to obtain a high gain (> 20 dBi for example), relatively large dimensions are required and therefore a large number of sources and phase shifters (between 50 and 100 depending on the elementary directivity at 60 °). This type of antenna therefore requires a large number of control points.
- . The conformed networks:
To obtain maximum radiation on a 60 ° cone, the sources can be placed on a shaped surface (hemisphere for example). By controlling each source by a phase shifter, the lobe is scanned in elevation and in azimuth. But with such networks:- we can no longer use all sources at once.
- it is possible to use radiating elements the maximum directivity of which is at 0 ° but it is also necessary to be able to spot at 60 °.
L'invention a pour objet de réaliser une antenne permettant de pallier ces inconvénients : c'est-à-dire de diminuer le nombre de points de commande de ladite antenne, tout en assurant efficacement la mission considérée.The object of the invention is to produce an antenna which makes it possible to overcome these drawbacks: that is to say to reduce the number of control points of said antenna, while effectively ensuring the mission considered.
Elle propose à cet effet une antenne à lobe formé et à grand gain, caractérisée en ce qu'elle comprend un réseau conformé sur une surface conformée de profil quelconque ayant un axe de symétrie, qui comporte plusieurs génératrices d'éléments rayonnants se trouvant dans un plan passant par l'axe de symétrie de l'antenne ; tous les éléments rayonnants d'une même génératrice étant reliés à un seul point de commande de phase et d'amplitude ; le balayage en site et en azimut du lobe formé étant obtenu uniquement à partir de la commande de la phase des génératrices par ces points de commande.To this end, it provides a high-gain shaped lobe antenna, characterized in that it comprises a shaped array on a shaped surface of any profile having an axis of symmetry, which comprises several generators of radiating elements located in a plane passing through the axis of symmetry of the antenna; all the radiating elements of the same generator being connected to a single phase and amplitude control point; the sweep in elevation and in azimuth of the lobe formed being obtained solely from the control of the phase of the generators by these control points.
Avantageusement tous les éléments rayonnants d'une même génératrice sont reliés à un répartiteur passif et à un déphaseur commandable. Les lois d'amplitude et de phase des éléments rayonnants de chaque génératrice sont ainsi déterminés par les caractéristiques radioélectriques du répartiteur passif de chaque génératrice. On règle le diagramme élévation de ladite antenne en commandant lesdits déphaseurs, le balayage en azimut étant assuré par une commutation des génératrices.Advantageously, all the radiating elements of the same generator are connected to a passive distributor and to a controllable phase shifter. The laws of amplitude and phase of the radiating elements of each generator are thus determined by the radioelectric characteristics of the passive distributor of each generator. The elevation diagram of said antenna is adjusted by controlling said phase shifters, the azimuth scanning being ensured by switching the generators.
De fait que le réseau conformé selon l'invention se trouve sur une surface conformée de profil quelconque ayant un axe de symétrie, avantageusement, le profil peut être optimisé pour déterminer la forme du diagramme de rayonnement d'une génératrice. Pour ce faire, la normale à la génératrice dans un plan passant par l'axe de symétrie aura une orientation variable selon la position sur la génératrice. Il en résulte que les éléments rayonnants se trouvant sur la génératrice auront des orientations différentes. Autrement dit, l'inclinaison d'un élément rayonnant par rapport à l'axe de symétrie est optimisé pour obtenir la forme souhaitée du diagramme de rayonnement d'une génératrice.In fact that the shaped network according to the invention is on a shaped surface of any profile having an axis of symmetry, advantageously, the profile can be optimized to determine the shape of the radiation pattern of a generator. To do this, the normal to the generator in a plane passing through the axis of symmetry will have a variable orientation depending on the position on the generator. As a result, the radiating elements on the generator will have different orientations. In other words, the inclination of a radiating element relative to the axis of symmetry is optimized to obtain the desired shape of the radiation diagram of a generator.
Une telle antenne possède le grand avantage de permettre un balayage deux plans en utilisant une seule commande monodirectionnelle qui est répartie dans le plan azimut. Elle permet, de plus, de diminuer le nombre de contrôles nécessaires (un par génératrice) par rapport à une antenne classique qui nécessite un contrôle par élément rayonnant.Such an antenna has the great advantage of allowing two-plane scanning using a single unidirectional control which is distributed in the azimuth plane. It also makes it possible to reduce the number of controls required (one per generator) compared to a conventional antenna which requires control by radiating element.
De plus, en jouant sur le répartiteur passif et l'inclinaison variable des éléments rayonnants par rapport à l'axe de symétrie, la forme du lobe de rayonnement peut être optimisé.In addition, by playing on the passive distributor and the variable inclination of the radiating elements relative to the axis of symmetry, the shape of the radiation lobe can be optimized.
On dégage ainsi un troisième degré de liberté dans le processus d'une colonne d'éléments rayonnants se trouvant sur une même génératrice. Ceci permet d'utiliser efficacement les éléments rayonnants dans les directions où ceux-ci doivent travailler, et ceci est d'autant plus intéressant que le domaine de balayage est important, avec un dépointage important, par exemple plus grand que +/-60°. Cette capacité de l'invention permet d'assurer les grands débattements et est un avantage décisif par rapport à des solutions planaires qui souffrent d'une perte d'efficacité dans les directions à site élevé.A third degree of freedom is thus released in the process of a column of radiating elements located on the same generator. This allows efficient use of the radiating elements in the directions where they must work, and this is all the more interesting as the scanning range is large, with a large deflection, for example greater than +/- 60 °. . This capacity of the invention makes it possible to ensure large deflections and is a decisive advantage compared to planar solutions which suffer from a loss of efficiency in the directions at high site.
Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles :
- la figure 1 illustre un exemple d'une antenne selon l'invention ;
- les figures 2
et 3 illustrent plusieurs caractéristiques de l'exemple d'antenne de la figure 1 ; - les figures 4 à 7 illustrent d'autres exemples de réalisation de l'antenne selon l'invention.
- FIG. 1 illustrates an example of an antenna according to the invention;
- Figures 2 and 3 illustrate several features of the example antenna of Figure 1;
- Figures 4 to 7 illustrate other embodiments of the antenna according to the invention.
L'antenne de l'invention comprend un réseau conformé 10 disposé sur une surface conformée 11 ayant un axe de symétrie et ayant un profil quelconque (conique, sphérique, elliptique, parabolique, hyperbolique, etc...). Ce réseau est constitué de génératrices 12 composées de plusieurs sources ou éléments rayonnants 13. Chaque génératrice 12 est à l'intersection de la surface conformée 11 et d'un plan passant par l'axe de symétrie Δ (par exemple l'axe du Nadir). Sur la figure 1 la surface 11 est une surface conique et les génératrices 12 comportent, chacune, trois éléments rayonnants 13.The antenna of the invention comprises a shaped
Dans l'antenne selon l'exemple de la figure 1, on ne considère qu'un seul déphaseur 14 par génératrice 12 ; un répartiteur passif 15, divisant le signal en amplitude et en phase entre chacune des sources, étant disposé entre la sortie de ce déphaseur 14 et l'entrée de chaque source 13. Ce répartiteur 15 est le même pour chaque génératrice, de sorte que la géométrie de l'antenne de l'exemple de la figure 1 est complètement de révolution. Ce répartiteur 15 est calculé pour obtenir un certain diagramme des rayonnements émis par les sources 13 de chaque génératrice 12 et réaliser un certain diagramme résultant à partir de toutes les sources 13 de l'antenne.In the antenna according to the example of FIG. 1, only one
Afin d'obtenir une directivité suffisante on fait rayonner simultanément une ou plusieurs génératrices adjacentes. La rotation des génératrices a deux effets sur la phase du rayonnement:
- le premier effet est une rotation φ du plan de polarisation autour de l'axe de révolution Δ. Cette rotation est constante ; Elle est liée à la géométrie du réseau, comme représenté sur la figure 2 ;
- le deuxième effet est un retard de propagation proportionnel à la distance relative d'une source par rapport à un plan de référence P orthogonal à la direction de visée. Pour un plan de référence P donné, les distances à ce plan des sources d'une même génératrice peuvent varier.
- the first effect is a rotation φ of the plane of polarization around the axis of revolution Δ. This rotation is constant; It is related to the geometry of the network, as shown in Figure 2;
- the second effect is a propagation delay proportional to the relative distance of a source with respect to a reference plane P orthogonal to the direction of sight. For a given reference plane P, the distances to this plane from the sources of the same generator can vary.
Les déphaseurs ont pour rôle de compenser ces effets. Mais comme il n'y a qu'un déphaseur par génératrice et que la compensation de ce retard de propagation doit être le même pour toutes les sources, on est amené à calculer la moyenne des retards. Ces retards de propagation dépendent de la direction de visée en élévation; c'est-à-dire de l'inclinaison du plan de référence P. Sur la figure 3, on remarque que dans une direction correspondant à l'axe Δ , par exemple au Nadir, toutes les génératrices sont en phase (ϑ = 0°) : Les déphaseurs ne doivent compenser que la rotation du plan de polarisation en azimut. Par contre il y a de grosses variations lorsque l'axe de visée est à 60° (ϑ = 60°). Il est donc impossible de sommer en phase plusieurs génératrices adjacentes simultanément sur tout le domaine en élévation; ce qui se traduit par une dégradation du diagramme en dehors de la direction visée.The role of phase shifters is to compensate for these effects. But as there is only one phase shifter per generator and since the compensation for this propagation delay must be the same for all the sources, we are led to calculate the average of the delays. These propagation delays depend on the direction of sight in elevation; that is to say of the inclination of the reference plane P. In FIG. 3, we note that in a direction corresponding to the axis Δ, for example at Nadir, all the generators are in phase (ϑ = 0 °): The phase shifters must only compensate for the rotation of the polarization plane in azimuth. On the other hand there are big variations when the line of sight is at 60 ° (ϑ = 60 °). It is therefore impossible to add several adjacent generators in phase simultaneously over the entire elevation area; which results in a deterioration of the diagram outside the intended direction.
Ainsi, même si le diagramme d'une génératrice 12 respecte tout le gabarit, lorsque l'on compense les retards de propagation, dans une direction de 60°, par exemple, cela reste vrai pour ϑ = 60° mais plus du tout ailleurs, surtout pour ϑ = 0° où le diagramme obtenu est situé nettement en-dessous du gabarit.Thus, even if the diagram of a
Il est possible de surdimensionner la génératrice pour compenser cette dégradation : c'est-à-dire d'augmenter l'énergie fournie aux sources de cette génératrice pour obtenir un diagramme situé nettement au-dessus du gabarit prévu.It is possible to oversize the generator to compensate for this degradation: that is to say to increase the energy supplied to the sources of this generator to obtain a diagram located clearly above the planned template.
Mais il est également possible de jouer sur les déphaseurs pour déformer le diagramme et l'adapter à l'élévation de la station visée. Lorsque celle-ci se trouve à ϑ = 60°, on compense les retards de propagation dans cette direction. Lorsque l'élévation décroît, on déforme le diagramme en jouant sur les déphaseurs : En effet, par exemple, lorsque la station se situe aux environs de ϑ = 30°, à 30° le diagramme remonte au-dessus du gabarit alors qu'il chute au-dessous à 60° et ainsi de suite jusqu'à 0° où le diagramme ne correspond plus du tout au gabarit à 60°.But it is also possible to play on the phase shifters to distort the diagram and adapt it to the elevation of the target station. When the latter is at ϑ = 60 °, the propagation delays in this direction are compensated for. When the elevation decreases, we distort the diagram by playing on the phase shifters: Indeed, for example, when the station is located around ϑ = 30 °, at 30 ° the diagram rises above the gauge while it drops below at 60 ° and so on until 0 ° where the diagram no longer corresponds at all to the 60 ° template.
Le balayage en azimut est assuré par une simple commutation des génératrices puisque la géométrie est de révolution.The azimuth scanning is ensured by a simple switching of the generators since the geometry is of revolution.
Dans une telle réalisation on restreint le nombre de déphaseurs d'autant qu'il y a de sources sur une génératrice, par rapport à une structure conformée classique. Avec un nombre beaucoup plus faible de points de commandes, les déphaseurs des génératrices 12 étant activés simultanément, on peut réaliser du balayage en azimut et en élévation de l'antenne. On obtient donc une solution conformée où l'on désire obtenir un diagramme formé en élévation respectant un gabarit, que l'on commute simplement en azimut, avec des génératrices de directivité faible, et des dimensions petites.In such an embodiment, the number of phase shifters is restricted as far as there are sources on a generator, compared to a conventional shaped structure. With a much lower number of control points, the phase shifters of the
Ainsi dans un exemple d'application, pour réaliser une mission de télémesure suivant le gabarit de PIRE (Puissance Isotrope Rayonnée Equivalente) de la figure 4 (avec une courbe des maxima 16 et une courbe des minima 17) qui est un gabarit TMCU (Télémesure charge utile pour un satellite d'observation optique ou radar) haut débit bande X (8 à 12GHz). L'objectif est de respecter le gabarit de PIRE avec le minimum de puissance rayonnée. Par exemple avec 10 W rayonnés il faudra un gain maximum de 21 dBi. La directivité sera de 22 dBi tenant compte d'une perte de 1 dB. On dimensionne une antenne 20 de forme pseudo-cônique, comme représenté sur la figure 5. Cette antenne comprend 36 génératrices 21 de 4 sources 22. Chacune de ces sources 22 est réalisée en technologie imprimée; un pavé de cuivre étant gravé sur un substrat diélectrique conformé qui réalise la surface pseudo-cônique dont le profil n'est pas linéaire mais présente une brisure α de 10° environ sur la première source à partir du haut. Entre les 4 sources 22 d'une même génératrice 21, et sur le même substrat que celles-ci, est gravé le répartiteur sous forme de pistes de cuivre; lui-même étant relié à un déphaseur. Sur les 36 génératrices 9 seulement sont actives simultanément.Tout le rayonnement est donc commandé par 9 déphaseurs à la fois.Thus in an example of application, to carry out a telemetry mission according to the template of PIRE (Equivalent Isotropic Radiated Power) of Figure 4 (with a curve of
La figure 6 montre le gabarit minimum 25 et le diagramme obtenu 26 en compensant les retards de propagation dans une direction de 62°. Sur la figure 7, qui montre le même gabarit minimum 27 et le diagramme obtenu 28, on a seulement modifié la valeur des 9 déphaseurs pour compenser les retards dans une direction d'élévation de 5° (ces figures 6 et 7 correspondant à des directivités Di en dBi).FIG. 6 shows the
Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et que l'on pourra remplacer ses éléments constitutifs par des éléments équivalents sans, pour autant, sortir du cadre de l'invention.It is understood that the present invention has only been described and shown as a preferred example and that its constituent elements can be replaced by equivalent elements without, however, departing from the scope of the invention.
Notamment, la surface conformée peut être de profil quelconque, du moment qu'elle comporte un axe de symétrie quelconque. Dans les exemples décrits, la surface comporte un axe de symétrie de révolution, mais la surface peut aussi bien avoir une symétrie d'ordre 2 (réflection dans un plan), comme une ellipse, une parabole ou une hyperbole, par exemple, ou encore elle peut avoir une symétrie d'ordre plus élevé donnant des surfaces plus complexes, sans sortir du cadre de l'invention.In particular, the shaped surface can be of any profile, as long as it has any axis of symmetry. In the examples described, the surface has an axis of symmetry of revolution, but the surface may as well have a symmetry of order 2 (reflection in a plane), such as an ellipse, a parabola or a hyperbola, for example, or it can have a higher order symmetry giving more complex surfaces, without departing from the scope of the invention.
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