Soutenance mémoire
Caracteristiques électromagnetiques des antennes spatiales
Généralités
Introduction
Les télécommunications par satellite permettent de repousser les limites de la transmission de données par voie terrestre. Ainsi, une audience de millions de foyers et d’entreprises peut être desservie par un même satellite même lorsque les utilisateurs sont situés dans des régions hostiles aux moyens classiques de transmission et de diffusion. La position en haute altitude des émetteurs autorise, bien évidemment, des zones de couverture très étendues. Avec seulement trois satellites, il est possible de transmettre sur la quasi-totalité du globe. Pour obtenir une couverture équivalente avec des moyens terrestres, il faudrait un réseau d’émetteurs au sol très dense et très coûteux.
La principale fonction des antennes utilisées dans les systèmes de télécommunications par satellite est de compenser la perte de puissance du signal qui se produit lors de son émission du sol vers l’espace (et vice versa). Les antennes spatiales installées à bord des satellites géostationnaires peuvent émettre, recevoir ou les deux à la fois. La conception d’une antenne dépend des exigences de la mission, lesquelles deviennent de plus en plus complexes. Elles sont caractérisées par le nombre de zones de services, la bande passante, la réutilisation des fréquences, la connectivité des canaux entre les zones de service, la flexibilité et la tenue en puissance. Pour répondre à de nombreuses applications, le satellite embarque une multitude d’aériens comme le
Chapitre I Généralités
Cependant, l’environnement spatial, le lanceur et le satellite imposent des contraintes sévères à la conception de l’antenne qui doit présenter le meilleur compromis entre les performances radioélectriques, mécaniques et thermiques. Son développement exige une pluridisciplinarité nécessitant des compétences électromagnétiques mais aussi thermomécaniques et technologiques [1]: · Contraintes thermiques :Les variations de températures, généralement de -180°C à 150°C engendre des fortes contraintes thermomécaniques qui imposent d’utiliser des matériaux à faible coefficient de dilatation. · Contraintes mécaniques : Engendrées par la présence de nombreux sous-systèmes coexistant dans un satellite mais aussi par les fortes vibrations au décollage.
Caractéristiques électromagnétiques des antennes bbspatiales
Gain d¶antenne spatiale
L’antenne satellitaire, relais hertzien situé à 36 000 Km doit avoir un grand gain pour compenser l’affaiblissement des signaux hyperfréquences sur les trajets montants et descendants. Le signal reçu sur la terre devra être de puissance suffisante afin de limiter le coût des nombreux terminaux de réceptions dont le prix est classiquement défini par la puissance des amplificateurs. L’objectif majeur pour une antenne de télécommunications est donc de maximiser le gain dans une zone géographique de forme complexe[2].
Bande passante
Pour transmettre un débit de un Gigabit par seconde, la bande passante de l’antenne doit être approximativement de 1 GHz. Les antennes satellitaires doivent conserver un comportement homogène sur des larges bandes de fréquence (3 GHz en bande Ka). Bande Fréquences Largeur de bande Service fixe par satellites .
Couvertures et faisceaux
Le diagramme de rayonnement d’une antenne spatiale est caractérisé par un lobe principal qui concentre la plupart de la puissance rayonnée dans une direction définie et des lobes secondaires bas afin de limiter les interférences. Le lobe principal est classiquement appelé faisceau et son intersection avec la terre constitue un spot. Etant donné que le gain d’une antenne est inversement proportionnel à l’ouverture du faisceau, il est nécessaire d’utiliser des antennes multifaisceaux pour couvrir une zone étendue. Les raisons du choix de la couverture multifaisceaux sont multiples : Elle permet d’assurer un plus grand gain sur l’ensemble de la zone, par utilisation de spots contigus à grand gain. · Elle permet la réutilisation de fréquence, c’est à dire d’utiliser plusieurs fois la même bande de fréquence dans plusieurs zones géographiques différentes. Pour cela, la bande totale utilisée est divisée en sous bande, dont chacune est utilisée dans plusieurs spots. Il y a ainsi accroissement de la capacité. Le plan de fréquence est supposé régulier, c’est-à-dire que les sous-bandes sont de la même largeur. Les communications correspondant à la même bande de fréquence réutilisée sont séparées par la formation de faisceaux. Un exemple de couverture composé de 48 spots fixes fonctionnant dans quatre sous bande de fréquence (A,B,C,D) est donné par la figure I.2.
Ce système réutilise des bandes de fréquence par diversification spatiale ; on peut ajouter encore une diversification de polarisation, deux utilisateurs situés dans la même région pouvant utiliser la même bande de fréquence, l’un avec une polarisation horizontale, l’autre avec polarisation verticale.
Contourage
La conformation du diagramme de rayonnement peut s’effectuer à l’aide d’une antenne multifaisceaux, chaque faisceau produit par une source utilise alors la même bande de fréquence [3, 4]. En combinant de façon adéquate les différents faisceaux générés par les sources, on peut produire un faisceau global unique dont la forme peut être imposée en contrôlant la puissance fournie par le répartiteur Toute la difficulté du problème consiste à déterminer la combinaison optimale des faisceaux qui produira un faisceau résultant dont la forme est celle désirée à l’avance (figure I.3). Ce problème est désigné généralement par le nom d’optimisation d’antennes multifaisceaux. C’est le but essentiel de cette thèse.
Différents types d¶antennes spatiales
Antenne réseau
Principe
Ce type d’antenne est composé d’une multitude d’éléments identiques et indépendants. L’énergie est distribuée entre les diverses sources selon une loi donnée grâce à un répartiteur qui distribue le signal sur chaque élément avec une amplitude et une phase connue. Des déphaseurs commandables peuvent être insérés entre les éléments rayonnants et le répartiteur pour former un réseau phasé. Les antennes réseaux peuvent produire des diagrammes de rayonnement variés selon le besoin des utilisateurs (figure I.4). La mise en réseau des éléments rayonnants permet une augmentation du gain. En effet, l’utilisation de N éléments permet de multiplier par N le gain de l’élément élémentaire. La pondération de phase relative sert à diriger le lobe principal dans une direction donnée. La pondération en amplitude permet de diminuer le niveau des lobes secondaires et de conformer la forme du faisceau. Cependant, ce type d’aériens nécessite un nombre important d’éléments pour limiter les lobes de réseau ou pour former un faisceau avec une précision extrême [5,6]. Les caractéristiques de rayonnement du système dépendent à la fois : Ø Du diagramme de rayonnement de l’élément de base multiplié par le facteur de bxcxcvxcvréseau. Ø Des coefficients d’excitation en amplitude et phase de chacune des sources. Ø De la distance entre éléments.
Circuit de formation de faisceaux BFN
Il est possible de générer une multitude de faisceaux avec un même réseau d’antennes, en associant au système un circuit de formation de faisceaux (BFN : Beam Forming Network). Ce système peut être passif ou actif pour pouvoir reconfigurer les faisceaux. Les BFN sont très souvent réalisés avec des composants analogiques (coupleur, déphaseur, diviseur, croisement) mais des versions numériques plus performantes et plus coûteuses existent. Ces dispositifs possèdent un nombre de ports d’entrée correspondant au nombre de faisceaux et le nombre de sorties correspond au nombre d’éléments rayonnants.
Antenne à système focalisant
Un système focalisant transforme une onde sphérique produite par une source élémentaire placé en son foyer en une onde plane sur l’ouverture de l’antenne permettant ainsi Source Déphaseur Atténuateur ou diviseur de puissance d’avoir un gain maximal pour une zone donnée [7, 8]. Deux types de système sont particulièrement utilisés : la lentille et le réflecteur parabolique.
Structure
Ce type d’antenne est constitué des différents éléments suivants: v Source élémentaire La source primaire a pour rôle d’illuminer le projecteur d’onde collimateur à l’émission ou de recueillir l’énergie concentrée par le focalisant à la réception. Les caractéristiques électromagnétiques de l’antenne source doivent être parfaitement maîtrisées : position du centre de phase de l’onde émise, forme du diagramme de rayonnement, phase et polarisation. Différentes antennes peuvent constituer la source primaire, mais dans la grande majorité des cas ce sont les cornets qui sont les plus utilisés dans le domaine spatiale. v Surface réflectrice Généralement des formes paraboliques ou d’un jeu de surfaces réflectrices (réflecteur principale et sous réflecteurs) ou des lentilles pour l’antenne à lentilles. v Répartiteur Chargé de répartir en amplitude et en phase la puissance disponible aux différents éléments rayonnants du réseau d’alimentation.
Principe de fonctionnement
Un système focalisant transforme en onde plane l’onde sphérique émise par l’antenne élémentaire placée à son foyer. Dans le cas de la lentille, la focalisation s’effectue en transmission (Figure I.5) alors que dans le cas d’un réflecteur parabolique celle-ci est effectuée en réflexion (Figure I.6). L’ensemble des rayons issus du foyer, qui sont transmis ou réfléchis (suivant le focaliseur choisi) émergent parallèlement à l’axe de l’antenne. Dans un plan P orthogonal à cet axe situé en sortie de focaliseur, tous les rayons ont parcouru le même chemin optique. Ce faisceau de rayons délimite donc, dans ce plan, une ouverture équivalente circulaire équiphase de diamètre D.
Avec des dimensions d’ouverture équivalente grandes devant la longueur d’onde, le rayonnement de ces systèmes à projecteur d’onde peut donc être assimilé à celui d’une ouverture circulaire rayonnante. Le gain est directement lié aux dimensions de l’ouverture rayonnante équivalente. De nombreux ouvrages exposent la théorie des ouvertures rayonnantes et permettent de connaître l’expression des champs en zone de Fraunhoffer et donc le rayonnement en champ lointain de ces systèmes focalisants [9,10].
Système focalisant comme antennes multifaisceaux
L’insertion de plusieurs sources au voisinage du foyer du focaliseur permet de générer une multitude de faisceaux comme le montre schématiquement la Figure I.7. Figure I. 7 : Principe du multifaisceaux avec un système focalisant [6] Ces antennes multifaisceaux sont constituées de trois composantes majeurs : un réseau d’antenne sources (classiquement des cornets), un focaliseur assurant la collimation, et un circuit de distribution permettant de répartir la puissance d’alimentation sur les sources. Ce circuit de distribution peut varier d’une configuration simple réalisant la commutation des sources à des configurations plus complexes permettant de reconfigurer les faisceaux.
Comparaison entre le réflecteur parabolique et l¶antenne lentille
Une énumération de caractéristiques qui différencient le réflecteur parabolique de la lentille est exposée : · Peu de pertes Les pertes diélectriques et les pertes par transmission représentent un problème majeur des lentilles car elles constituent un obstacle aux rendements de l’antenne. En effet, de multiples réflexions s’opèrent aux interfaces et engendrent une diminution de la puissance
transmise. Les réflecteurs ne sont affectés que par des pertes négligeables : les pertes métalliques et les pertes liées à l’état de surface du paraboloïde. Pas de réflexions parasites sur la surface du focaliseur Les lentilles sont sujettes à de multiples réflexions sur les interfaces qui engendrent des effets néfastes [6,7] comme : perte de puissance, remontée des lobes secondaires, interférences entre les ondes (Figure I.8).
Les réflecteurs possèdent une masse inférieure et une distance focale moins importante par rapport à une lentille de performance similaire. Ces critères sont capitaux dans le domaine spatial où en favorisent toujours les structures les plus légères et les plus petites [1]. · Mise en offset Le réflecteur parabolique doit être utilisé en offset afin d’éviter la zone d’ombre engendrée par la source. Cette dernière provoque une perturbation du diagramme de rayonnement du réflecteur caractérisée par une remontée excessive des lobes secondaires et une baisse du gain. Dans une application multifaisceaux où des batteries de source de taille prohibitive sont utilisées, cette notion prend une importance capitale [1,2]. Une représentation est donnée sur la figure I.9.
Le répartiteur
Introduction
Afin de simplifier le dispositif de formation de faisceaux, de limiter la complexité de l’électronique et donc réduire les coûts, les sources et leur module peuvent être groupés en sous réseau où il est appliqué la même phase [11, 12, 13]. Un exemple simple de circuit formateur de faisceaux analogique passif est donné Figure I.10. Il permet de distribuer les signaux issus de deux faisceaux sur 4 sources rayonnantes avec les amplitudes et phases désirées afin de pouvoir former deux zones de couvertures.
Le répartiteur schématisé dans la figure I.11 permet de formés N zones de couvertures. De plus, chacune des N sources de l’antenne peut être utilisé M fois (M étant le nombre de faisceaux que l’on veut réalisé). Un circuit fonctionnant sur le même principe a été utilisé sur satellite GLOBSTAR et permet de former 16 faisceaux avec un réseau de 91 éléments rayonnants [14,15]. Mode de fonctionnement du répartiteur Il existe deux modes de fonctionnement de ces répartiteurs de faisceaux [16, 17] : v soit un système de signaux indépendants connecté à chaque port, l’opération de simultanéité dans plusieurs directions peut par conséquent être obtenue. v soit un seul système est connecté aux ports d’entrée par une commande à chemins multiples ou commutateur « switch » donnant une antenne à balayage séquentielle. Ces antennes à multiples faisceaux commutées peuvent revenir moins cher que des réseaux d’antennes équivalents déphasés, en particulier lorsque peu de faisceaux sont nécessaires.
Répartiteur type matrice de Butler
Introduction
Il existe plusieurs types de répartiteurs tels que La lentille de Rotman ; la matrice Blass et La matrice de Butler [12]; cette dernière est sûrement un des répartiteurs de faisceaux les plus pratiqués. C’est un circuit réciproque symétrique à N ports d’entrées et M ports de sorties qui pilote N éléments rayonnants produisant M faisceaux orthogonaux différents Figure I.12. C’est un système parallèle, contrairement à la matrice de Blass (système série), qui est composé de jonctions qui connectent les ports d’entrée aux ports de sortie par des lignes de transmission de longueur de chemin égal. Ainsi un signal d’entrée est à plusieurs reprises divisé sans pertes jusqu’aux ports de sortie ; le schéma d’une matrice de Butler est identique avec celui d’une FFT (Fast Fourier Transform). Les signaux alimentés à chaque port d’entrée sont divisés en signaux d’amplitudes égales aux N ports de sortie. Le réseau combine les signaux dans M chemins différents pour produire M faisceaux.
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Table des matières
Introduction
I.2 Caracteristiques électromagnetiques des antennes spatiales
I.2.1 Gain d’antenne spatiale
I.2.2 Bande passant
I.2.3 Couverture et faisceaux
I.2.4 Contourage
I.3 Differents types d¶antennes spatiales
I.3.1 Antenne réseau
I.3.1.1 Principe.
I.3.1.2 Circuit de formation de faisceaux BFN
I.3.2 Antenne à système focalisant.
I.3.2.1 Structure
I.3.2.2 Principe de fonctionnement
I.3.2.3 Système focalisant comme antenne multifaisceaux
I.3.2.4 Comparaison entre Le réflecteur parabolique et l’antenne lentille
I.4 Le repartiteur
I.4.1 Introduction
I.4.2 Mode de fonctionnement du répartiteur
I.4.3 Répartiteur type matrice de Butler
I.4.3.1 Introduction
I.4.3.2 Avantages et inconvénients de la matrice de Butler
CHAPITRE II
Etude d·antennes à réflecteur multifaisceaux
II.1 Introduction
II.2 Réflecteur parabolique en offset alimente par une seule source
II.2.1 Description géométrique
II.2.2 Influence des paramètres géométriques
II.2.3 Gain d’antenne réflecteur
II.2.4 Champ rayonné par un réflecteur
II.2.5 Etude comparative de diagrammes de faisceaux élementaires
II.3 Réflecteur parabolique en offset alimente par un réseau de sources
II.3.1 Introduction
II.3.2 Caractéristiques des faisceaux
II.3.3 Disposition des faisceaux
II.3.3.1 Echantillonnage type carré
II.3.3.2 Echantillonnage type hexagonal
II.3.4 Zones de couvertures
II.3.5 La distance entre les faisceaux
II.4 Amelioration du dispositif
II.4.1 Système à multiples focaliseurs
II.4.2 Système multifaisceaux à bouquets de source
II.4.2.1 Exemple de génération de faisceau
II.4.3 Diagramme de rayonnement d’un réseau d’antennes à réflecteur
II.5 Independance des couvertures
II.5.1 Formulation de la condition d’orthogonalité
II.6 Conclusion
CHAPITRE III :
Synthèse de réseaux d·antennes a réflecteur
mono_couverture
III.1 Introduction
III.2 Probleme de synthèse
III.3 Méthode de synthèse basée sur un critére variationnel
III.3.1 Principe
III.3.2 Définition du gabarit
III.3.2.1 Spécification du gabarit
III.3.3 Critère d’erreur
III.3.4 Synthèse par la méthode variationnelle
III.3.5 Stationnarité de J
III.3.6 Algorithme de calcul
III.3.7 Description du programme.
III.4Résultats de simulation
III.4.1 Zones à échantillonnage hexagonal complet
III.4.2 Zones à échantillonnage hexagonal incomplet
III.5 Conclusion
CHAPITRE IV :
Synthèse de réseaux d·antennes réflecteur
double_couvertures
IV.1 Introduction
IV.2 Developpement de la methode variationnelle dans le cas deux couvertures a
recouvrement total
IV.2.1 Condition d’amplitude et de phase
IV.2.2 Formulation du problème
IV.2.3 Algorithme de calcul
IV.2.4 Résultats de simulation
IV.2.4.1 Deux zones à échantillonnage hexagonal complet à recouvrement total
IV.2.4.2 Deux zones à échantillonnage hexagonal incomplet à recouvrement
total««78
IV.2.5 Etude comparative
IV.3 Cas de deux couvertures a recouvrement partiel
IV.3.1 Formulation du problème
IV.4 Resultats de simulation
IV.4.1 Deux zones à échantillonnage hexagonal complet à recouvrement partiel
IV.4.2 Deux zones à échantillonnage hexagonal incomplet à recouvrement partiel
IV.4.3 Etude comparative
IV.5 Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie
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