Système antennaire intégré de télécommunications spatiales pour les stations terrestres mobiles (SATCOMS)

Description

[0001] L'invention concerne notamment un système antennaire intégré de télécommunications spatiales pour les stations terrestres mobiles (Satcom).

[0002] Elle peut aussi être utilisée dans des domaines connexes, tels que les radars, les faisceaux hertziens, chaque fois que le système antennaire se trouve en mouvement par rapport à son porteur.

[0003] Dans les télécommunications spatiales en bande C, X, Ku, Ka, Q, etc, avec les satellites géostationnaires existants, les stations terrestres mobiles sont supposées équipées d'une antenne agile pointée automatiquement sur le satellite de trafic, quelle que soit la position de celui-ci dans le ciel (toutes les élévations de 0 à 90 degrés, tous les gisements de 0 à 360 degrés).

[0004] Dans la description les directions de verticale et d'horizontale sont référencées sur les figures. Elles se rapportent par exemple à un sol supposé horizontal et plan noté S, ou encore au lieu sur lequel est disposée l'antenne.

[0005] La figure 1 montre un exemple de système antennaire usuel selon l'art antérieur. L'antenne est une antenne parabolique motorisée 1, représentée ici avec son réflecteur principal 2 et sa source 3. L'ensemble est protégé par un radôme 4. La figure 1 montre l'antenne dans 3 positions d'élévation, respectivement une position horizontale, une position à 45 degrés et une position verticale. Le volume interne du radôme 4 est majoritairement occupé par l'antenne 1 et son débattement. Toute proportion gardée, il reste donc peu de place pour loger les équipements associés à l'antenne, tels que la motorisation, l'amplificateur de puissance, l'amplificateur faible bruit, les transpositions et tous les équipements habituellement associés au fonctionnement d'une antenne. Une partie de ces équipements est parfois déportée dans d'autres compartiments de la station, souvent de manière peu commode.

[0006] Une autre solution selon l'état de l'art antérieur consiste à utiliser une antenne à balayage électronique 5, tel que représentée sur la figure 2. Ce type d'antenne présente notamment comme propriétés d'être plane et de pouvoir dépointer électroniquement son faisceau selon un axe « A ». La figure 2 montre une antenne réalisant un balayage électronique en élévation 6 et un dépointage mécanique en gisement 7. Par rapport à l'antenne de la figure 1, il n'y a plus de débattement d'antenne. En comparant la figure 1 et la figure 2, on constate qu'une bonne partie du volume initialement occupé par le débattement de l'antenne est libéré et donc disponible (volume référencé 8 sur la figure).

[0007] Cette solution rencontre néanmoins des difficultés relatives à l'antenne à balayage électronique; à savoir, le coût, les performances, etc.

[0008] Le brevet EP 0867 969 divulgue un dispositif antennaire à faisceau directionnel qui comprend : un support d'antenne qui est supporté sur une base de façon telle qu'il puisse être mis en rotation autour d'un premier axe de rotation, une portion d'antenne qui est supportée sur le support d'antenne de façon telle qu'il soit mobile autour d'un second axe qui est perpendiculaire à l'ouverture d'antenne et qui est incliné avec un premier angle thêta par rapport au premier axe de rotation, la direction du faisceau d'antenne étant inclinée d'un second angle thêta 2 par rapport au second axe de rotation; une première unité pour faire tourner le support d'antenne autour du premier axe de rotation respectivement par rapport à la base; une deuxième unité pour faire tourner la portion d'antenne autour du second axe de rotation par rapport au support d'antenne. Un dispositif de contrôle du faisceau est associé à une unité de contrôle. L'angle d'élévation du faisceau d'antenne peut ainsi être contrôlé, la seconde unité permettant de faire tourner la portion d'antenne par rapport au support d'antenne et pour contrôler un angle d'azimut du faisceau d'antenne, la première unité permettant de faire tourner le support d'antenne par rapport à la base.

[0009] Le système antennaire selon l'invention réside sur une approche nouvelle utilisant judicieusement une antenne plate dont le faisceau d'antenne est fixe mais dépointé de l'axe mécanique de l'antenne, ce dernier étant également incliné par rapport à un axe mécanique principal.

[0010] L'invention concerne un système antennaire intégré pour des télécommunications, selon la revendication 1, et un procédé liée.

[0011] Le diamètre de l'antenne est par exemple choisi en fonction de l'application de communication.

[0012] L'angle θ est par exemple égal à 45 degrés par rapport à un deuxième axe de rotation (axe de rotation du support) sensiblement vertical, et l'angle ϕ est égal à 45 degrés. L'ensemble présente ainsi la propriété par rotation de chacun des angles et selon les valeurs prises de couvrir le demi-angle situé au-dessus de l'horizontale par le faisceau d'antenne.

[0013] Le système antennaire selon l'invention présente l'avantage déterminant d'utiliser une simple antenne plate passive à faisceau fixe dont la conception peut être optimisée pour l'inclinaison du faisceau retenue. Les performances radioélectriques en terme de gain d'antenne dans l'axe de faisceau, ainsi que de rayonnement hors axe en termes de lobes secondaires sont alors optimales et maintenues constantes quelque soit le pointage souhaité.

[0014] Le système antennaire selon l'invention présente également l'avantage d'être compact et intégré. La rotation selon les deux axes permet de couvrir un domaine de pointage significatif. Le volume initialement nécessaire pour le débattement de la parabole se libère pour laisser la place aux équipements associés à l'antenne.

[0015] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif et nullement limitatif annexée des figures qui représentent :

• La figure 1 un exemple de système antennaire selon l'état de l'art antérieur,
• La figure 2 une solution d'antenne compacte à balayage électronique selon l'art antérieur,
• La figure 3 un exemple d'antenne illustrant le principe selon l'art antérieur,
• La figure 4A une vue en coupe et la figure 4B une vue en perspective d'une variante de réalisation du système antennaire de la figure 3 comprenant deux antennes.

[0016] La figure 3 schématise, selon l'état de l'art, un système antennaire comprenant une antenne plate 10, circulaire, de faisceau incliné par exemple à ϕ = 45° par rapport à son axe mécanique 12, lui-même incliné à 45 degrés par rapport à la verticale du lieu. L'antenne tourne sur son axe mécanique propre 12, un moteur 15 permet cette rotation. L'antenne est associée à un axe de rotation vertical en gisement 11 également motorisé 16. Les autres éléments associés à l'antenne et connus de l'Homme du métier, ne sont pas représentés car ils n'interviennent pas dans la compréhension de l'invention.

[0017] Selon cet agencement, une rotation de l'antenne sur son axe mécanique 12 fait courir le faisceau d'antenne 13 sur un cône de 90 degrés de sommet, le faisceau passant par toutes les valeurs d'élévation de l'horizontale à la verticale (faisceau d'antenne position basse F_apb et faisceau d'antenne position haute F_aph). La rotation de l'antenne sur l'axe de gisement permet d'orienter le faisceau dans toutes les directions de gisement utiles pour viser un satellite.

[0018] De manière plus générale, soit θ l'inclinaison de l'axe mécanique de l'antenne par rapport à la verticale du lieu et ϕ l'inclinaison du faisceau d'antenne par rapport à l'axe mécanique d'antenne, la rotation de l'antenne sur son axe mécanique permet d'atteindre toutes les valeurs d'élévations comprises entre (θ + ϕ) et (θ - ϕ) par rapport à la verticale, soit un secteur angulaire égal à 2 fois la plus petite valeur de θ ou ϕ, soit 2 fois min(θ, ϕ). Pour θ = ϕ = 45 degrés, le faisceau prend donc toutes les valeurs d'élévation comprises entre 0 et 90 degrés comme l'indique la figure 3.

[0019] Afin de mieux faire comprendre le principe mis en oeuvre dans l'invention, l'exemple qui suit concerne un système antennaire intégré monté sur le fuselage d'un avion de ligne. Dans cette application, le système antennaire doit présenter une faible épaisseur pour limiter la traînée aérodynamique.

[0020] Les figures 4A et 4B schématisent une vue en coupe et une vue en perspective d'une antenne installée sur un fuselage d'un avion de ligne, dont les dimensions sont données à titre d'exemple non limitatif.

[0021] Le système antennaire de la figure 4 comprend 2 antennes plates 20, 21 circulaires de 50 cm de diamètre, les antennes sont disposées par rapport à un support 22 supposé horizontal (en pratique, le haut du fuselage de l'avion). La valeur du diamètre respectivement D₁ et D₂ des antennes est choisie par exemple en fonction de l'application de radio-transmission. Chacune des antennes 20, 21 (plan de l'antenne qui est incliné) est inclinée par exemple d'un angle α₁= α₂ = 20 degrés par rapport au support 22. Chaque antenne tourne sur son axe mécanique, respectivement 23, 24. La première antenne 20 présente un faisceau incliné d'un angle ϕ₁ = 60° et la deuxième antenne a un faisceau incliné d'un angle ϕ₂ = 20°. L'ensemble tourne en gisement autour d'un axe principal 25 vertical par rapport au support sur lequel est positionné l'antenne. Tous les axes mécaniques sont motorisés au moyen de moteurs non représentés car ne participant pas directement au principe de l'invention. Le système antennaire est protégé par exemple par un radôme 26 ayant une base circulaire de 1 mètre de diamètre et une épaisseur de 20 cm.

[0022] Selon cet agencement, la première antenne 20 couvre les élévations de 10 à 50 degrés (40 à 80 degrés par rapport à la verticale 25), la deuxième antenne 21 couvre les élévations de 50 à 90 degrés (0 à 40 degrés par rapport à la verticale 25 définie précédemment). L'ensemble permet notamment d'atteindre toutes les élévations comprises entre 10 et 90 degrés (0 et 80 degrés par rapport à la verticale 25) et tous les gisements de 0 à 360 degrés, soit la totalité du secteur utile pour un avion de ligne. L'espace disponible sous les antennes plates est disponible par exemple pour loger les différents équipements connexes à l'antenne et obtenir un système intégré de faible dimension.

Revendications

1. Système antennaire intégré pour des télécommunications comportant :

un support d'antenne (22) horizontal ayant un axe vertical de lieu (25);

une première antenne (20) solidaire du support d'antenne (22), sensiblement plate et circulaire de diamètre D1, inclinée d'un angle α₁ par rapport au support d'antenne (22), et équipée d'un axe de rotation (23) coïncidant avec son axe mécanique, la première antenne (20) présentant un faisceau (A1) incliné d'un angle ϕ₁ de son axe de rotation (23) ; et

un dispositif adapté à faire tourner la première antenne (20) sur son axe de rotation (23) et le support d'antenne sur l'axe vertical (25) ;

caractérisé en ce que le système antennaire intégré comprend :

une deuxième antenne (21) solidaire du support d'antenne (22), sensiblement plate et circulaire de diamètre D2, inclinée d'un angle α₂ par rapport au support d'antenne (22), et équipée d'un axe de rotation (24) coïncidant avec son axe mécanique, la deuxième antenne (21) présentant un faisceau (A2) incliné d'un angle ϕ₂ de son axe de rotation (24) ; où

le dispositif est adapté à faire tourner la deuxième antenne (2) sur son axe de rotation (24) et l'ensemble des deux antennes sur l'axe vertical (25).

2. Système antennaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que α₁ = α₂ = 20 degrés, ϕ₁ = 60° et ϕ₂ = 20°.

3. Système antennaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre de la première antenne (20) est choisi en fonction de l'application de communication.

4. Système antennaire selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comprend un radôme englobant les éléments antennaires.

5. Système antennaire selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il est disposé sur un fuselage d'avion.

6. Procédé d'émission d'un ou de plusieurs faisceaux d'antennes (A1, A2) dans un système antennaire intégré de télécommunications selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que l'on fait tourner un ensemble comprenant les deux antennes plates (20, 21), la rotation s'effectuant en gisement autour de l'axe vertical (25).

Claims

1. An integrated antenna system for telecommunications comprising:

a horizontal antenna support (22) having a vertical axis of location (25);

a first antenna (20) that is integral with said antenna support (22) and is substantially flat and circular with a diameter D1, inclined at an angle α₁ relative to said support (22) and provided with an axis of rotation (23) that coincides with its mechanical axis, said first antenna (20) having a beam (A1) that is inclined at an angle ϕ₁ relative to its axis of rotation (23); and

a device that is designed to rotate said first antenna (20) about its axis of rotation (23) and said antenna support about said vertical axis (25);

characterised in that said integrated antenna system comprises:

a second antenna (21) that is integral with said antenna support (22) and is substantially flat and circular with a diameter D2, inclined at an angle α₂ relative to said antenna support (22) and provided with an axis of rotation (24) that coincides with its mechanical axis, said second antenna (21) having a beam (A2) that is inclined at an angle ϕ₂ relative to its axis of rotation (24); where

said device is designed to rotate said second antenna (21) about its axis of rotation (24) and both of the antennae about said vertical axis (25).

2. The antenna system according to claim 1, characterised in that α₁ = α₂ = 20 degrees, ϕ₁ = 60° and ϕ₂ = 20°.

3. The antenna system according to claim 1, characterised in that the diameter of said first antenna (20) is select as a function of the communication application.

4. The antenna system according to any one of claims 1 to 3, characterised in that it comprises a radome (26) that encapsulates the antenna elements.

5. The antenna system according to any one of claims 1 to 4, characterised in that it is arranged on an aircraft fuselage.

6. A method for transmitting one or more antenna beams (A1, A2) in as integrated antenna system for telecommunications according to any one of the preceding claims, characterised in that an assembly comprising the two flat antenna (20, 21) is rotated, the rotation being carried out in azimuth about said vertical axis (25).

Ansprüche

1. Integriertes Antennensystem für Telekommunikationen, das Folgendes umfasst:

einen horizantalen Antennenträger (22) mit einer vertikalen Ortsachse (25);

eine erste Antenne (20), die mit dem Antennenträger (22) fest verbundes ist, im Wesentlichen flach und kreisförmig mit eine Durchmesser D1, in einem Winkel α₁ in Bezug auf den Antennenträger (22) geneigt und mit einer Rotationsachse (23), die mit seiner mechanischen Achse übereinstimmt, wobei die erste Antenne (20) einen in einem Winkel ϕ₁ zu ihrer Rotationsachse (23) geneigten Strahl (A1) aufweist; und

eine Vorrichtung zum Drehen der ersten Antenne (20) um ihre Rotationsachse (23) und des Antennenträgers um die vertikale Achse (25);

dadurch gekennzeichnet, dass das integrierte Antennensystem Folgendes umfasst:

eine zweite Antenne (21), die mit dem Antennenträger (22) fest verbunden ist, im Wesentlichen flach und kreisförmig mit eine Durchmesser D2, in eine Winkel α₂ in Bezug auf den Antennenträger (22) geneigt und mit einer Rotationsachse (24), die mit seiner mechanischen Achse übereinstimmt, wobei die zweite Antenne (21) einen einem Winkel ϕ₂ zu ihrer Rotationsachse (24) geneigten Strahl (A2) aufweist; wobei

die Vorrichtung die Aufgabe hat, die zweite Antenne (21) um ihre Rotationsachse (24) und die beiden Antennen um die vertikale Achse (25) zu drehen.

2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass α₁ = α₂ = 20 Grad, ϕ₁ = 60° und ϕ₂ = 20° ist.

3. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der ersten Antenne (20) in Abhängigkeit von der Kommunikationsanwendung gewählt wird.

4. Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Radarkuppel (26) umfasst, die die Antennenelemente einschließt.

5. Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es auf einem Flugzeugrumpf angeordnet ist.

6. Vorfahren zum Ausstrahlen von ein oder mehreren Antennenstrahlen (A1, A2) in einem integrierten Telekommunikationsantemensystem nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine die zwei flaschen Antennen (20, 21) umfassende Baugruppe in Drehung versetzt wird, wobei die Drehung in Azimuth um die vertikale Achse (25) gelagert erfolgt.

Dessins