5 - Les techniques et les technologies

Durant les vingt premières années de l'ère spatiale à Thomson, à CSF et à Thomson-CSF, les impératifs de fiabilité incitent les concepteurs de matériels à prendre le minimum de risques en utilisant de préférence des schémas de circuits déjà éprouvés dans d'autres domaines, quitte à les adapter, en tant que de besoin, à certaines caractéristiques des liaisons spatiales. La plus grande partie des innovations sont faites non pas dans les circuits eux-mêmes, mais dans leurs technologies de réalisation où les exigences de poids et de fiabilité ne permettent pas de copier purement et simplement ce qui se fait ailleurs.

Pour ces raisons, le présent chapitre, consacré aux techniques, est moins détaillé que le suivant, qui traite des technologies. Leur évolution y sera passée en revue dans les trois principaux domaines d'activité de la société, dans l'ordre historique : la télémesure-télécommande-localisation (TM-TC), les antennes, les répéteurs de télécommunications, en mentionnant également la visualisation du Spacelab, l'électronique de SPOT, les radars d'ERS et le domaine numérique.

Afin de limiter les «redites», certains points techniques, qui ont déjà été traités dans les chapitres consacrés aux programmes de satellites, ne seront rappelés ici que très brièvement.
 

La TM-TC 

Les émetteurs et les récepteurs

La conception des premiers émetteurs et récepteurs de télémesure et de télécommande fabriqués par Thomson et par CSF pour les satellites de la série Diamant, dans la période 1964-1970, est largement inspirée par celle de divers émetteurs-récepteurs VHF portables à usage militaire que produisent chacune d'elles.

Les bandes de fréquences utilisées sont 148-149,9 MHz pour les liaisons montantes et 136-138 MHz pour les liaisons descendantes.

Les semi-conducteurs ne sont en usage que depuis peu d'années. Tous les circuits sont à constantes localisées. La puissance des émetteurs est de quelques watts.

Les mêmes techniques sont utilisées par Thomson pour les satellites ESRO 1 et ESRO 2 (1965-1966) où sont fournis de plus des duplexeurs VHF, toujours en circuits localisés.

Dans HEOS A1 et HEOS A2 (1966-1967), où les émetteurs, récepteurs et duplexeurs sont largement dérivés de ceux des satellites précédents, on voit apparaître un coupleur d'antenne réalisé en «strip-line» sur Téflon ainsi qu'un boîtier de mesure de distance utilisant trois tons harmoniques déphasés.

Dans Eole, du CNES, programme contemporain d'HEOS A1, les techniques et technologies de l'émetteur, du récepteur et du duplexeur VHF restent inchangées. C'est également le cas pour les matériels de TM-TC de Symphonie.

Le programme Eole voit d'autre part l'apparition d'un émetteur et d'un récepteur UHF (émission à 464 MHz et réception à 401 MHz) destinés au sous-système d'interrogation des ballons. Le récepteur possède un dispositif de démodulation cohérente. L'ensemble, étudié par l'équipe CSF de Corbeville, est finalement fabriqué à Vélizy après la fusion de Thomson et de CSF. Les techniques utilisées y restent très voisines de celles mises en oeuvre pour la VHF.

Les programmes Intelsat II et Intelsat IV ne donnent lieu à aucun développement technique. Ils se bornent à une fabrication sur plans de matériels étudiés par Hughes.

Après le satellite franco-allemand Symphonie (1969-1973), le dernier programme où sont fournis des émetteurs et des récepteurs VHF est GEOS, entre 1973 et 1975. Dans les deux cas, ces équipements, ainsi que le duplexeur, sont semblables à ceux d'HEOS.

Le premier émetteur en bande S (2 GHz) à l'état solide est étudié et réalisé pour ce même satellite GEOS. Sa puissance de sortie est d'environ 4 watts.

Le Service Hyperfréquences de Vélizy a déjà acquis une certaine expérience dans cette bande au cours du programme Helios entre 1970 et 1973. L'émetteur d'Helios possède un premier étage de sortie à l'état solide d'une puissance de 1 watt et un second, d'une puissance de 20 watts, équipé d'un tube à ondes progressives (TOP). La plus grande difficulté de l'étude a été, comme il est exposé dans le chapitre consacré à ce programme, de satisfaire aux exigences concernant le temps de propagation de groupe dans les différents circuits.

C'est dans ces émetteurs en bande S qu'est mise en oeuvre et qualifiée pour l'usage spatial la technologie des circuits hyperfréquences en sérigraphie sur substrat de céramique qui avait été développée pour des autodirecteurs de missiles.

Le dernier émetteur «indépendant» de télémesure en bande S, analogue à celui de GEOS, avant l'apparition des transpondeurs cohérents, est fabriqué en 1976-1977 pour le satellite ISEE B de l'ESA.
 

Les émetteurs et les récepteurs en bande C

Le programme Telecom 1 donne l'occasion de développer un récepteur de télécommande en bande C (6 GHz) et une balise de télémesure également en bande C (4 GHz). Ces équipements sont prévus pour être utilisés après la mise à poste du satellite. Leur conception modulaire permet une adaptation aisée à tout satellite opérant en bande C.

Le récepteur, équipé de son propre oscillateur local, est raccordé à l'amplificateur à faible bruit du récepteur de télécommunications. Son facteur de bruit propre est de 8,5 dB.

La balise, dont la puissance de sortie est de 200 milliwatts, est connectée à l'antenne d'émission du canal de télécommunications.
 

Les décodeurs de télécommande

Le premier décodeur de télécommande réalisé à Gennevilliers en 1964 pour le satellite D1A du CNES utilise la détection de trois fréquences vocales dont les combinaisons permettent d'identifier huit ordres. Ses circuits à constantes localisées sont équipés de transistors.

Dans ESRO 1 et ESRO 2, où le nombre d'ordres reçus est plus important, les décodeurs utilisent des tons codés, c'est-à-dire un embryon de ce qui, plus tard, sera qualifié de technique numérique. Trois durées d'impulsions représentent respectivement les bits 0 et 1 et la synchronisation. Ces impulsions modulent le ton en amplitude.

Dans HEOS A1 et HEOS A2, le taux d'erreurs de bits (BER) du décodeur est amélioré par rapport à celui obtenu dans ESRO 1 et 2. La modulation est du type PSK (Phase Shift Keying).

Depuis ESRO 1, le nombre d'ordres traités par les décodeurs de télécommande augmente rapidement pour atteindre 140 dans Symphonie.

Dans le décodeur de télécommande de GEOS, d'une conception voisine de celui d'HEOS, on voit apparaître les premiers circuits intégrés ainsi qu'une technologie d'assemblage (MGM) dérivée de la technologie MICAM d'Intelsat IV.

Le même type de décodeur est réalisé, en 1975-1976, dans le programme ISEE B de l'ESA.

Un nouveau pas est franchi dans le satellite ISPM/Ulysses de l'ESA (1980) pour lequel est développé un décodeur entièrement nouveau utilisant un microprocesseur. Si la mise au point des circuits ne présente qu'un minimum de difficultés, il n'en est pas de même de la technique d'assemblage mécanique qui donne lieu à quelques péripéties qui sont relatées dans le chapitre consacré à ce satellite.
 

Spacelab

Dans le Spacelab, le service ES du Département ESA (puis DSP) doit résoudre des problèmes techniques et technologiques entièrement nouveaux pour lui et qui sont décrits dans le chapitre consacré à ce programme. Les principaux circuits de traitement des données et de visualisation sont étudiés en coopération avec le Département Avionique Générale qui réalise des matériels similaires pour les postes de pilotage d'avions de combat. Les principales innovations sont liées à la commutation de très hautes tensions (12 000 à 15 000 volts) et au fonctionnement dans une atmosphère riche en oxygène et en l'absence de gravité.
 

Les transpondeurs cohérents

À la fin des années soixante-dix, l'encombrement des fréquences des bandes VHF réservées à la télécommande et à la télémesure est devenu tel que les agences spatiales décident de généraliser l'emploi de la bande S (2 025- 2 110 MHz pour les liaisons montantes et 2 200-2 290 MHz pour les liaisons descendantes).

Photo: vue du transpondeur bande S de Telecom 1  (1^ère génération).

Pour assurer la fonction de mesure de distance au moyen de mesures de phase sur des sous-porteuses harmoniques, il est nécessaire de maintenir une cohérence de phase entre la réception et la réémission de ces sous-porteuses.

Dans ISEE B, par exemple, la mise en oeuvre d'un émetteur et d'un récepteur séparés a conduit à un matériel relativement lourd.

Dès 1976, l'ESA a lancé un appel d'offres pour l'étude d'un transpondeur cohérent en bande S afin d'obtenir un matériel compact et relativement léger.

Suite à quelques péripéties qui sont relatées au chapitre consacré au programme ISPM, qui voit la première utilisation du transpondeur réalisé par ATES, la décision est prise de développer ce qui est, pour le Département DSP, le premier matériel destiné à être proposé sur catalogue.

Pour permettre une transmission cohérente des signaux utilisés dans la mesure de distance, l'émetteur est piloté par un VCXO (Voltage Controlled Crystal Oscillator) asservi sur la porteuse reçue.

Dans sa version standard, le transpondeur dispose d'un émetteur de quelques watts en bande S (5 ou 2,5), suffisant pour la plupart des missions en orbite terrestre. Une version destinée aux sondes interplanétaires, comme c'est le cas pour ISPM/Ulysses, possède, en plus, des circuits de multiplication alimentant un étage de sortie à TOP de 10 à 20 watts en bande X, afin d'assurer les communications aux très grandes distances. La conception modulaire permet de passer d'une version à l'autre avec une grande souplesse.

Quarante exemplaires de la première génération de transpondeurs, dont le développement a commencé en 1978, sont livrés à partir de 1983 pour les satellites Telecom 1, TELE X, ERS 1, Viking, TV-Sat 1 et 2, TDF 1  et 2, Eutelsat II, Ulysses, Giotto, SPOT 1 et 2 et IOC.

À partir de 1988, le développement de la deuxième génération est entrepris avec, comme objectifs, la réduction des coûts de fabrication par une augmentation du niveau d'intégration, une réduction des réglages et une recherche de récurrence plus poussée. La conception des étages à fréquence intermédiaire y est modifiée : l'ensemble de l'oscillateur local et des multiplicateurs de fréquences y est remplacé par un ensemble intégré comprenant un VCXO et des diviseurs de fréquences. Les circuits intégrés y sont utilisés à plus grande échelle et quelques ASIC sont introduits.

La fourniture d'une quarantaine de modèles est prévue à partir de Telecom 2, SPOT 4, Helios, Hispasat, Soho, Cluster, etc., le développement d'une troisième génération étant envisagé à partir de 1994 en vue de réduire les paramètres critiques (masse, consommation, volume).

Une anecdote vaut la peine d'être mentionnée : après l'échec du lancement de Cluster par Ariane V le 4 juin 1996, sept transpondeurs sur les huit de la charge utile sont récupérés dans la mangrove guyanaise. Deux d'entre eux, remis à ATES, sont mis sous tension en laboratoire et manifestent un bon fonctionnement avec des performances de puissance de sortie et de sensibilité de réception très peu dégradées. Cela signifie-t-il que ces équipements, qui ont résisté à une telle explosion, étaient peut-être quelque peu surdimensionnés ?
 

Les antennes et leurs moyens d'essais

Les antennes

La première antenne de fabrication Thomson mise en orbite est, le 26 novembre 1965, celle de la capsule technologique lancée par le vol probatoire du premier lanceur Diamant. Les caractéristiques en sont décrites dans le chapitre consacré aux débuts de Thomson-Houston dans les activités spatiales. Il semble que cette antenne ait été fortement endommagée au cours du lancement, rendant impossible l'émission des signaux de télémesures.

À partir de 1970, le Service Antennes du Département Espace-Satellites étudie les premières antennes destinées à un satellite de télécommunications : Symphonie.

L'antenne de réception à 6 GHz (avant plan de la photo) est un cornet circulaire «corrugué», alimenté en coaxial, dont l'ouverture de faisceau de 18° assure une couverture globale en polarisation circulaire droite avec un gain supérieur à 16 dB en bordure de couverture.

Les deux antennes d'émission à 4 GHz sont identiques. Chacune d'elles a un gain supérieur à 19,5 dB dans une ouverture elliptique de 14,4° x 9,3° (en regard des réflecteurs sur la photo). Dans ce but, un cornet rectangulaire illumine un réflecteur parabolique de forme approximativement elliptique. L'émission se fait en polarisation circulaire gauche. La principale difficulté de leur étude est d'optimiser le diagramme d'illumination du réflecteur pour obtenir le gain spécifié dans toute la zone de couverture.

Les technologies utilisées dans la fabrication des réflecteurs de toutes les antennes évoquées dans ce chapitre ainsi que dans celle des répartiteurs des antennes multisources sont décrites dans le chapitre suivant qui traite des technologies en général.

Pendant une période rendue difficile par l'absence de commandes, de 1974 à 1978, le Laboratoire Antennes ne reste pas inactif et entame des études sur les antennes à faisceaux formés dont le besoin est prévisible dans les futurs satellites de télécommunications.
Photo: La 1^ère source d'antenne bande C en fibre de carbone (Brazilsat).

Dans le cadre d'une proposition pour le satellite brésilien Brazilsat, une étude détaillée, suivie de la réalisation d'une maquette, est entreprise pour la source primaire de l'antenne d'émission à 4 GHz dont la zone de couverture doit épouser au mieux les contours du territoire brésilien. Afin d'effectuer les calculs nécessaires, le Service Antennes fait appel au logiciel PROFIL développé par la Division Radars de Surface (DRS) de Thomson-CSF. La proposition pour Brazilsat n'ayant pas été couronnée de succès, l'antenne ne dépassera pas le stade de la maquette. Sa source primaire, composée de neuf cornets hexagonaux, réalisés en composite graphite-époxy, figure toujours au «musée» du Laboratoire Antennes.

Dans les études et réalisations suivantes, qui commencent en 1979 pour le satellite Telecom 1, les acquis de Symphonie et de Brazilsat sont largement utilisés. Ainsi qu'il est exposé dans le chapitre consacré à Telecom 1, le cornet de réception en bande C et les deux cornets (émission et réception) en bande X, tous trois à couverture globale, sont déduits de ceux de Symphonie. Le diamètre de leur ouverture est égal à trois à quatre longueurs d'onde, et leur longueur hors tout est égale à huit à dix longueurs d'onde. Leur gain atteint 20 dB dans l'axe et 16,8 dB en limite de couverture.

L'antenne à réflecteur semi-globale en bande C est alimentée par une source multiple formée de cinq hélices. Afin de limiter les pertes, la connexion à l'émetteur, prévue initialement en coaxial, est finalement effectuée en guide d'onde. Chacune des deux antennes à couverture de zone en bande Ku est faite d'un réflecteur elliptique et d'un cornet d'alimentation rectangulaire. L'une d'elles a en fait un cornet double permettant l'émission en bande Ku vers la métropole et l'émission d'un pinceau fin en bande C vers la zone Antilles-Guyane.

Brazilsat et Telecom 1 ont donné l'occasion au Service Antennes de perfectionner le logiciel PROFIL en l'adaptant de plus près aux besoins des antennes à couverture de zone.
 
 

Les antennes des satellites TDF 1 et TDF 2, conçues à partir de 1980 pour être mises en orbite respectivement en 1988 et 1989, profitent de ces améliorations. L'antenne de réception fonctionne en bande Ka (18 GHz). Sa source d'alimentation est un simple cornet circulaire corrugué. Son réflecteur, toujours fabriqué en composite graphite-époxy, est circulaire, d'un diamètre de deux mètres. 
Photo: source d'alimentation de l'antenne d'émission de TDF 1 en bande Ku.
Il assure un angle d'ouverture relativement faible, les stations d'émission des signaux de télévision et de télécommande étant localisées dans une zone relativement réduite. L'antenne d'émission multisource en bande Ku, qui doit couvrir les pays francophones de l'Europe occidentale et permettre également une réception acceptable en Afrique du Nord, possède neuf sources en guide à section hexagonale. Son réflecteur a une forme elliptique assez allongée (2,4 x 0,9 m).

En 1984, une menace d'interruption pèse sur l'activité Antennes, le contrôle de gestion ayant constaté que sa rentabilité laisse à désirer. Cette situation donne lieu à quelques discussions. Certains suggèrent de fusionner les laboratoires Antennes d'Alcatel Espace et d'Alcatel Telspace. En fait, ils ne se rendent pas compte des différences fondamentales, aussi bien techniques que technologiques, qui séparent les antennes destinées aux liaisons point à point des faisceaux hertziens ou des stations terriennes des antennes à faisceaux formés et à couverture de zone de la plupart des satellites de télécommunications. Finalement, le caractère stratégique de l'activité Antennes peut être démontré : elle constitue l'un des atouts majeurs dans les prétentions d'ATES à confirmer sa vocation de maître d'oeuvre de charges utiles de satellites de télécommunications. Les investissements relativement lourds qui y ont été consacrés ont permis d'affirmer, vis-à-vis de la concurrence, une excellente position qu'il serait très dangereux d'abandonner sans compromettre les chances de la société dans son domaine de prédilection.

Un nouveau pas est franchi dans la technique des antennes à l'occasion du programme Eutelsat II. Aussi bien dans l'antenne d'émission que dans celle de réception, le besoin de reconfigurer par télécommande la zone de couverture conduit à augmenter le nombre de sources d'alimentation qui atteint la vingtaine. De plus, à l'émission et à la réception, on utilise des polarisations linéaires croisées pour contribuer à la séparation des canaux adjacents. Dans ce but, chaque antenne possède un réflecteur en Kevlar à double grille permettant une grande discrimination de polarisation (36 dB) et recouvert d'un écran thermique dichroïque.

Photo: source d'alimentation d'antenne d'Eutelsat II en bande Ku.

Les puissances d'émission relativement importantes utilisées dans Eutelsat II sont à l'origine de l'apparition de produits d'intermodulation passive (PIMP), bien connus dans les faisceaux hertziens mais nouveaux pour ATES dans les conditions du vide spatial. Les connaissances s'enrichissent des procédés de maîtrise des PIMP et de la mise en oeuvre des bancs d'essais correspondants.

Des techniques analogues à celles utilisées dans Eutelsat II sont reprises dans le programme Telecom 2.

En 1987-1988, les premiers travaux sur les antennes actives sont engagés, tant pour les futures antennes de télécommunications que pour les applications militaires ou l'observation par radar. Ces études permettent de mettre au point des amplificateurs de puissance à l'état solide de haut rendement, les déphasages en amont étant réalisés avec des circuits MMIC (microélectronique hyperfréquences intégrée monolithique).

Le développement des sources actives, pleinement encouragé par le CNES et l'ESA, dans un domaine où ATES a une avance incontestable et fait preuve d'un grand volontarisme, avec des équipes compétentes et motivées, marque une évolution majeure de l'activité Antennes, en la rapprochant de l'activité Équipements et en faisant progresser celle-ci.

Suite à la grande complexité atteinte par les sources multiples d'antennes telles que celles d'Eutelsat II, un virage technique est entamé à partir de 1991 pour revenir à des sources primaires plus simples en utilisant des réflecteurs formés. De nouveaux développements de logiciels de simulation et de conception des réflecteurs sont lancés en 1992.
 

Les moyens d'essais d'antennes

Les premiers moyens d'essais utilisés au Département ESA pour vérifier les diagrammes de rayonnement des antennes du satellite Symphonie sont ceux qui sont déjà en exploitation pour les activités de missiles. Sur la terrasse du bâtiment de Vélizy, une base de mesures de quelques dizaines de mètres est équipée, à une extrémité, d'un générateur de signaux et d'une petite antenne, et, à l'autre, d'un plateau tournant destiné à recevoir l'antenne à tester avec un récepteur permettant de mesurer le niveau du signal à la sortie de l'antenne.

Peu à peu, le dispositif se perfectionne pour aboutir à un enregistrement automatique des diagrammes, c'est-à-dire du niveau de la puissance de sortie de l'antenne en fonction de sa position angulaire.

Pour des mesures nécessitant une base plus longue, il est toujours possible d'utiliser la base de la Division Radars de Surface, située en région parisienne, à Limours. Ce sera le cas au cours de l'étude des antennes de Telecom 1. À partir de 1984, des essais sur base longue sont également effectués sur la base du CNET, à la Turbie.

Photo: Candie en 1987 avec sur le bâtiment d'intégration, les 2 radômes du laboratoire d'antenne, et au premier plan le pylône de la base longue de mesure

Dès 1983, des moyens très performants sont mis en place à Toulouse. Une base de mesures en champ lointain est aménagée sur la terrasse du bâtiment d'intégration, le Labo­ratoire Antennes étant installé au niveau immédiatement inférieur. Un radôme pressurisé abrite un plateau tournant équipé pour effectuer des relevés entièrement automatiques. Ce plateau est monté sur une plate-forme qu'un vérin hydraulique permet de faire descendre au niveau de la salle d'intégration.

Les débuts de cette installation sont marqués par quelques incidents. Durant les essais en charge préalables à la réception du vérin, le tube de ce dernier, au moment où la plate-forme arrive au niveau du radôme, se met à «flamber», prenant une forme en S. Heureusement la plate-forme ne redescend que d'environ 1,50 mètre puis se bloque en position oblique. Les concepteurs en sont quittes pour reprendre leurs calculs, ainsi d'ailleurs que la société qui les a certifiés conformes aux normes de sécurité. Plus tard, une partie des bancs d'essais sera détruite par la foudre.

Ces moyens évoluent constamment par adjonctions successives de nouveaux systèmes de relevés automatiques et par la mise en oeuvre d'une deuxième base d'essais, avec un deuxième radôme.

L'évolution des techniques de conception des antennes entraîne par ailleurs une évolution corrélative des moyens d'essais. Dès 1989-1990 plusieurs voies sont examinées simultanément.
 

La chambre anhécoïde de Candie

Le développement prévisible des antennes réseaux, actives ou passives, rend nécessaire l'exécution de mesures rapides et précises en champ proche. Cela impose à la fois de grandes chambres anéchoïques, des bancs de positionnement et de déplacement de sondes de mesure précis, rigides, et de grandes dimensions (réseaux de sources de plusieurs mètres), ainsi que le développement des logiciels correspondants.

Les investissements, très importants, s'étalent de 1989 à 1992-93 et l'on peut considérer qu'à cette date ATES dispose d'ensembles de mesure correspondant parfaitement aux besoins engendrés par les antennes réseaux, actives ou passives.

Parallèlement, la lourdeur des essais classiques sur base longue, au niveau d'antennes complètes (ensemble source plus réflecteur), les aléas propres à ces bases dus aux intempéries, amènent à envisager l'utilisation de «bases compactes». Une base compacte n'est autre qu'une base longue installée en chambre anéchoïque, repliée grâce à des jeux de miroirs, les effets parasites introduits par les miroirs étant corrigés par des logiciels appropriés, paramétrés dans chaque cas d'antenne par au moins une série de mesures en base longue.

Le développement d'une telle base au CNES (quoique ne répondant pas à l'époque aux besoins d'ATES) est un obstacle à la participation de celui-ci au financement d'une base à ATES. Parallèlement, l'Aérospatiale engage de gros investissements à Cannes pour s'équiper d'une base compacte. LORAL, de son côté, s'est également équipé.

Compte tenu de l'importance des investissements matériels et logiciels engagés par ATES pour les bases en champ proche, qui sont prioritaires, le projet de création d'une base compacte est mis en sommeil en 1992. Il y a lieu de remarquer que la base compacte est plus nécessaire à ceux qui font des essais sur des satellites complets qu'à ceux qui étudient et construisent les seules antennes. C'est pourquoi les ensembliers, maîtres d'oeuvre de satellites, sont les premiers à s'en doter. La progression continue des responsabilités d'ATES dans le domaine des satellites rendra nécessaire l'accès à ce type de moyen d'essais, in situ ou autrement.
 

Les répéteurs de télécommunications

Les premiers travaux sur des répéteurs de télécommunications sont exécutés dès 1968 en vue du programme Symphonie par des ingénieurs de Thomson et de CSF qui commencent par s'affronter sur ce que doit être le schéma des répéteurs. D'un côté on préconise l'utilisation de schémas et de composants déjà éprouvés dans les matériels de faisceaux hertziens, de l'autre on veut introduire des méthodes et des composants d'avant-garde tels que, par exemple, une diode Schottky dans le mélangeur de réception. Ces querelles s'apaisent lorsque, après la fusion de Thomson et de CSF et l'opération de «symétrisation» du programme, le schéma retenu pour les répéteurs est finalement celui proposé par la société allemande Siemens.

Thomson-CSF se voit attribuer la responsabilité de la réalisation des oscillateurs locaux et des mélangeurs d'émission. Les études de maquettes sont effectuées par la Division DFH, le Département ESA prenant la suite pour réaliser les modèles suivants, des modèles d'identification aux modèles de vol.

La charge utile du satellite est composée de deux répéteurs en bande C (6/4 GHz), d'une largeur de bande de 90 MHz et réglés sur deux fréquences différentes. L'oscillateur local, qui est le seul élément redondant, est commun aux deux chaînes de réception et d'émission. À partir d'un maître oscillateur suivi de circuits multiplicateurs délivrant une fréquence de 2 225 MHz, un multiplicateur par trois produit une fréquence de 6 675 MHz destinée au mélangeur de réception, et un multiplicateur par deux produit une fréquence de 4 450 MHz destinée au mélangeur d'émission. De ce fait, les fréquences intermédiaires sont différentes selon les chaînes.

Dans l'étude de l'oscillateur local le principal souci est d'assurer la stabilité de fréquence d'une manière fiable. L'utilisation classique d'un thermostat ne paraît pas, a priori, pouvoir assurer une fiabilité suffisante. On se tourne vers l'utilisation, dans les circuits, de composants (sensistors) à coefficients de température judicieusement choisis. C'est l'un d'eux qui est la cause la plus vraisemblable de la panne, survenue en vol, de l'oscillateur local de Symphonie 1. Les circonstances de cette panne et les investigations qui la suivront sont relatées dans le chapitre consacré à Symphonie.

Le mélangeur d'émission, à simple diode, est d'une conception classique dérivée de celle des matériels de faisceaux hertziens de l'époque.
 

Les récepteurs

L'étape suivante, dans le développement des matériels de répéteurs, est franchie, à partir de 1973, à l'occasion des programmes de l'ESRO/ESA : OTS, MAROTS et MARECS. C'est cette organisation qui finance les premières études dans la bande Ku (14 GHz), donnant à l'industrie européenne de l'époque une avance incontestable dans ce domaine.
 
 

Récepteur large bande pour le satellite OTS

Dans le récepteur d'OTS, dont la maquette est étudiée à DFH et dont les modèles suivants sont réalisés au Département ESA, la principale innovation technique est celle d'un mélangeur symétrique à récupération de fréquence image, permettant une amélioration du facteur de bruit par rapport à celui d'un mélangeur conventionnel. Le même type de récepteur, à quelques détails près, est fabriqué pour le satellite MAROTS qui ne sera jamais lancé, l'Agence ayant entre-temps décidé de passer à la bande C pour cette catégorie de satellites.

C'est pour les récepteurs d'OTS qu'est mise au point et qualifiée pour l'usage spatial la technologie des circuits hyperfréquences en couches minces obtenues par évaporation sous vide.

Les performances du mélangeur qui peut, dans certains cas, permettre de faire l'économie d'un amplificateur paramétrique à l'entrée du récepteur, sont largement à l'origine de l'obtention, en 1977, d'un contrat pour la fourniture à la société TRW de soixante-dix récepteurs destinés aux satellites TDRSS construits pour la NASA. Ces récepteurs sont conçus pour fonctionner dans cinq bandes de fréquences réparties entre 14 et 15,2 GHz. Ils comprennent un mélangeur à très faible facteur de bruit, un amplificateur à fréquence intermédiaire (0,6 à 1,6 GHz), un amplificateur et un multiplicateur de la fréquence de l'oscillateur local, ce dernier ne faisant pas partie de la fourniture. Pour les circuits de microélectronique, les couches épaisses sérigraphiées sont encore utilisées.

De 1978 à 1982 la famille des récepteurs dérivés de ceux d'OTS est, moyennant quelques adaptations, utilisée pour les cinq satellites successifs de la série ECS, puis pour Telecom 1 entre 1980 et 1983. Dans ces deux programmes, les amplificateurs paramétriques d'entrée sont approvisionnés à l'extérieur. Ils sont suivis, dans chaque récepteur, d'un étage d'amplification équipé d'un transistor à effet de champ qui précède le mélangeur.

Alors que, dans OTS et dans ECS, la fréquence intermédiaire est d'environ 1 GHz, le récepteur de Telecom 1 convertit directement les signaux reçus dans la bande des 14 GHz en signaux à la fréquence de réémission dans la bande des 12 GHz.

Le programme MARECS, décidé par l'ESA en 1978 pour remplacer MAROTS, donne l'occasion au Départe­ment Espace-Satellites, devenu DSP, de reprendre pied dans la bande C où il n'a eu aucune activité depuis Symphonie. L'étude du récepteur de MARECS consiste largement en une transposition des techniques et des technologies mises au point au cours des années précédentes pour la bande Ku.

Ce récepteur est reproduit, avec quelques améliorations, pour Telecom 1 en vue d'en faire un matériel de catalogue. Il comprend un préamplificateur à faible bruit, d'un facteur de bruit inférieur à 4 dB, un mélangeur 6/4 GHz et un oscillateur local piloté par quartz, avec un bloc d'alimentation pouvant s'adapter à une alimentation du satellite régulée ou non.

Dans Intelsat VI, à partir de 1982, le Département DSP, qui fait désormais partie de la nouvelle Division DES, met en oeuvre les acquis de tous les programmes précédents, car il doit fournir des récepteurs en bande C, des récepteurs en bande Ku et des OMUX en bande C dont il sera question plus loin. Les récepteurs ont semblé, au départ, pouvoir être dérivés sans trop de difficultés de ceux déjà développés pour Telecom 1. En fait l'obtention des performances requises, en particulier celle du facteur de bruit, nécessite un certain nombre de reprises de détails dont la mise au point est assez longue.

Avec TDF 1, un nouveau pas est franchi pour opérer en bande Ka (17,3-18,1 GHz). Le récepteur dans cette bande utilise un préamplificateur équipé d'un transistor à effet de champ suivi d'un mélangeur à diode Schottky fournissant directement la fréquence de réémission à 12 GHz. 

La ligne de produits des récepteurs en bande Ku continue avec les programmes Eutelsat II, puis Telecom 2, avec une évolution recherchant la réduction des coûts et des délais de livraison.

Dans le programme Artemis, ATES commence le développement de nouveaux éléments de récepteurs fonctionnant en bande Ka : préamplificateurs à faible bruit et convertisseurs de fréquences.
 

Les filtres

Le programme OTS fournit également l'occasion à la Division DFH et au Département ESA de donner naissance à une ligne de produits dans le domaine des filtres hyperfréquences. Dès le début des années soixante-dix, la Division DFH a entamé la mise au point de programmes de conception assistée par ordinateur (CAO) pour le calcul de ces filtres. Ces programmes sont mis en oeuvre en particulier dans le domaine des filtres démultiplexeurs de canaux (IMUX) placés à la sortie des récepteurs à large bande des répéteurs de satellites, ainsi que dans celui des filtres multiplexeurs de canaux placés à la sortie des émetteurs (OMUX).

Dans OTS, le Département ESA, avec l'assistance de la Division DFH, fournit l'ensemble multiplexeur de sortie en bande Ku (12 GHz) qui rassemble, pour les envoyer vers l'antenne d'émission :

- deux canaux d'une largeur de bande de 40 MHz  chacun;

- deux canaux d'une largeur de bande de 120 MHz  chacun;

- deux canaux d'une largeur de bande de 5 MHz chacun, destinés à des essais de propagation et à des transmissions à bande étroite.
 
 

Dans la série des cinq satellites ECS, construits à partir de 1978, les OMUX, réalisés au Département DSP (ex-ESA), toujours avec l'assistance de DFH, sont beaucoup plus complexes. L'ensemble des répéteurs comprend neuf canaux fonctionnant simultanément, chacun d'une largeur de bande de 80 MHz, avec un système de commutation permettant d'activer, en cas de besoin, trois TOP supplémentaires placés en redondance.

Les filtres élémentaires sont faits de cavités cylindriques bimodes couplées entre elles par des iris, avec les entrées et les sorties en guide rectangulaire. Pour le démultiplexage ils sont couplés par iris à un manifold en guide rectangulaire. Le matériau utilisé est l'Invar.

Dans Telecom 1, aussi bien pour les OMUX que pour les IMUX, les techniques utilisées sont très voisines. Deux IMUX séparent respectivement les trois canaux pairs et les trois canaux impairs en bande Ku, chacun d'une largeur de bande de 36 MHz. De même, deux OMUX rassemblent respectivement les canaux pairs et impairs pour les envoyer vers deux antennes différentes. Le matériau utilisé pour leur construction est l'Invar. Pour la bande C, deux IMUX traitent respectivement les signaux des canaux pairs et impairs. Trois d'entre eux sont ensuite repris par un OMUX avant d'être appliqués à l'antenne dite semi-globale. Le quatrième passe par un simple filtre passe-bande avant d'être envoyé vers un cornet faisant partie de l'une des antennes d'émission en bande Ku. Deux de ces canaux ont une largeur de bande de 40 MHz et les deux autres une largeur de 120 MHz. À cause des contraintes de poids, les IMUX et les OMUX en bande C sont réalisés en matériau composite à base de fibres de carbone.

Les IMUX de TDF 1 et de TDF 2, qui doivent séparer cinq canaux de 40 MHz chacun à 12 GHz, sont d'une conception analogue à ceux de Telecom 1.

Dans Intelsat VI, les OMUX donnent l'occasion d'utiliser, pour la première fois, une technologie de l'Invar mince pour laquelle un brevet vient d'être déposé. Leur développement ne donnera lieu à aucune difficulté particulière.

Dans Eutelsat II et Telecom 2 apparaissent des multiplexeurs à canaux adjacents dans la bande des 12 GHz alors que dans Telecom 1 les multiplexeurs traitent séparément les canaux pairs et les canaux impairs.

Telecom 2 voit également la mise en oeuvre, dans la bande des 4 GHz, d'un type nouveau de démultiplexeurs à résonateurs diélectriques.
 

Les amplificateurs de canaux

Les premiers amplificateurs de canaux (Channel Amp.) sont étudiés pour Telecom 1. Placés à la sortie de l'IMUX en bande Ku, ils amplifient les signaux à 12 GHz à un niveau suffisant avant de les envoyer vers les étages amplificateurs de sortie à TOP. Ils utilisent des transistors à effet de champ. Des amplificateurs analogues seront réalisés pour TDF 1.

Le programme Eutelsat II qui suit donne l'occasion de nouveaux développements, en particulier dans le domaine de la technologie des couches minces. Les amplificateurs de canaux développés pour ce programme seront, grâce à leur succès, une véritable rampe de lancement pour l'activité équipements, car ils démontrent qu'à cette époque la prise de risques liée à l'innovation est devenue beaucoup plus payante que le confort de l'immobilisme.

C'est ainsi que, sur un point aussi fondamental que la technologie de base des hyperfréquences, ATES est le premier qualifié par l'ESA pour les amplificateurs de canaux.

Ces amplificateurs, aussi bien en bande Ku qu'en bande C, sont devenus l'un des produits phares de la société, vendus dans de nombreux programmes : Arabsat, Turksat, Hot Bird, Nilesat, etc. D'après Espace Info, le millième doit être livré en 1998. L'évolution de leurs technologies de fabrication est exposée au chapitre suivant.
 

Les générations successives d'amplificateur de canaux ou CAMP.

Les amplificateurs de puissance

Une étude fut faite, en 1974, d'un étage de puissance à l'état solide en bande L (1,5 GHz) en prévision du programme MAROTS. À cette époque, la puissance que l'on pouvait espérer obtenir des transistors disponibles sur le marché dans cette bande de fréquences ne dépassait pas quelques watts (10 au maximum). Pour obtenir les 50 watts requis, l'étude consista à mettre au point les circuits hybrides de couplage permettant de mettre en parallèle un nombre suffisant de transistors. La construction de la maquette fut interrompue après que le maître d'oeuvre de la charge utile eut décidé de fournir lui-même l'émetteur.

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Maquette du premier amplificateur de puissance en bande L (1550 MHz) à l'état solide - 50 watts (1974)

Par la suite, DSP ne tentera pas, avant les années quatre-vingt, de pénétrer dans le domaine des amplificateurs en bande C ou en bande Ku. Ces derniers utilisent des tubes à ondes progressives fournis par Thomson-CSF, AEG-Telefunken, Hughes ou Watkins-Johnson. Les mêmes sociétés peuvent fournir les alimentations associées (EPC) et donc les amplificateurs complets (ATOP). Les unités successives DSP, DES et ATES leur achètent les ATOP nécessaires pour équiper les répéteurs dont elles ont la responsabilité.

À l'occasion du programme TELE X, un dispositif «linéariseur» d'ATOP est développé. Ce circuit effectue, sur le signal entrant dans l'amplificateur, une précorrection destinée à corriger les non-linéarités introduites dans la transmission par le TOP.

C'est pour les satellites Telecom 2 que sont étudiés et réalisés les premiers amplificateurs de puissance en bande C (4 GHz) à l'état solide.

Le développement d'amplificateurs de puissance de 30 watts à l'état solide fonctionnant en bande S (2 GHz) est entrepris en 1993 pour le programme Artemis.
 

Les répéteurs complets

Si l'on excepte les exercices de conception d'ensemble faits à l'occasion de la proposition de Symphonie et de celle d'Aerosat, les premiers travaux de définition et de réalisation d'un ensemble de répéteurs sont exécutés et menés à leur terme au cours du programme Telecom 1.

Comme il est dit dans le chapitre consacré à ce programme, il faut faire cohabiter dans un même satellite trois répéteurs fonctionnant dans trois bandes de fréquences différentes, C, X et Ku, sans compter la TM-TC en bande S. Il s'agit en quelque sorte d'une «première mondiale» en la matière.

Un gros travail de simulation est nécessaire pour définir le plan de fréquences en évitant, dans la mesure du possible, tout risque d'interférences.
 

Les répéteurs en bande X sont entièrement sous-traités. Dans les autres bandes, outre les récepteurs, les IMUX et les OMUX, dont il a été question plus haut, des amplificateurs de canaux à l'état solide sont développés pour alimenter les étages de puissance à TOP en bande Ku.

Les répéteurs suivants où le département DSP est maître d'oeuvre sont ceux de TDF 1, bien qu'il ait fallu, à cause de TV-Sat, discuter âprement de leur conception avec le partenaire allemand ANT. Outre les équipements déjà mentionnés ci-dessus, DSP étudie et réalise les amplificateurs de canaux à 12 GHz à l'état solide. Les autres équipements de l'ensemble répéteurs sont développés par ANT.

ATES poursuit son activité dans le domaine de la conception et de la réalisation de sous-systèmes répéteurs dans Telecom 2 (bandes C, Ku et X), dans IOC (bandes Ku et Ka) et dans Turksat (bande Ku).
 

L'électronique de SPOT

Les caractéristiques générales des deux sous-ensembles réalisés par DSP pour SPOT sont décrites dans le chapitre consacré à ce programme.

Dans l'électronique HRV, les développements nouveaux portent plus particulièrement sur la numérisation des signaux et la mise au format des signaux fournis par les détecteurs des instruments.

Dans la télémesure charge utile (TMCU), plusieurs disciplines sont mises en oeuvre, de l'électronique vidéo assurant divers traitements, séquencements, mises au format, commutations et finalement modulations de signaux en QPSK à 50 mégabits/seconde, jusqu'à la génération des fréquences porteuses en bande X et l'émission au moyen de TOP de 20 watts.
 

Les matériels de radars  et les techniques numériques

Dans le programme ERS, qui s'étale de 1981 à 1989 pour ERS 1, puis de 1990 à 1993 pour ERS 2, DSP, DES puis finalement ATES font connaissance avec plusieurs nouvelles techniques.

Après un certain nombre d'études «papier» conduites à partir de 1973, les principales nouveautés techniques mises en application dans le domaine spatial pour les matériels qu'ATES est chargée de réaliser se trouvent dans le domaine des circuits radiofréquences et dans celui des circuits numériques.

Dans la partie radiofréquences, il y a lieu de citer :

- l'utilisation de lignes dispersives à ondes de surface pour étaler l'impulsion radar avant l'amplification de puissance et la comprimer à la réception;

- la réalisation d'une enceinte thermostatée de haute précision pour garantir la stabilité des performances;

- la réalisation de commutateurs en guide à ferrite pour assurer la redondance des amplificateurs de puissance;

- la réalisation de limiteurs destinés à isoler les récepteurs pendant l'émission de l'impulsion.
 
 

Une partie de ces développements sont sous-traités ou effectués avec l'assistance d'unités spécialisées du groupe Thomson. Le détail en est donné dans le chapitre consacré au programme ERS.

À l'époque de ce programme, les technologies mises en oeuvre jusqu'alors dans les circuits numériques ne sont plus compétitives. Pour remédier à ce problème, et dans le cadre de la coopération avec la Division AVS de Thomson CSF, qui a été poursuivie dans le domaine des applications radar, la technologie CMS (Composants Montés en Surface) développée par cette Division est mise en oeuvre et transposée pour les applications spatiales. Les détails en sont donnés au chapitre suivant consacré aux technologies.

Ensuite, très rapidement, l'introduction de circuits ASIC de haute densité amène à redévelopper une technologie performante propre à ATES.

Il y a lieu de noter que, d'une manière générale, la grande prudence des agences spatiales vis-à-vis des évolutions technologiques est, au départ, un obstacle aux évolutions rapides, seules capables d'assurer la compétitivité. En 1990, la durée du cycle de qualification du CNES ou de l'ESA peut dépasser la durée de vie compétitive des composants ou des technologies concernés. Cette attitude évoluera ensuite, tant grâce à la pression de l'évolution mondiale des technologies numériques qu'à la réussite des premiers marchés pris par ATES dans ce domaine.

L'introduction de ces nouvelles technologies, ainsi que des nouvelles techniques mises en oeuvre, notamment en matière numérique, ne peut se faire dans de bonnes conditions que grâce à la mise en place progressive, dès 1985 :

- d'outils de conception assistée et de leur intégration dans un ensemble cohérent de XAO mécanique, électrique, thermique;

- d'outils logiciels d'essais automatiques;

- d'outils de calcul associés.
 
 

Il serait fastidieux d'énumérer tous les progiciels utilisés qui évoluent et continueront d'évoluer sans cesse (cf. chapitre sur l'informatique).

On peut simplement affirmer que la compétitivité d'Alcatel Espace en tant que fournisseur d'équipements s'est affirmée au fil du temps grâce à la simultanéité :

- de l'existence de structures adaptées : lignes de produits, ingénieurs responsables de produits, système de suivi des coûts et des délais (Artemis);

- d'une innovation permanente technique et technologique;

- de l'utilisation maximale des techniques de conception assistée par ordinateur et d'outils de calcul dans un système global cohérent.