Brevet FR2540297A1 — publié le 19840803

ANTENNE MICRO-ONDE A DEUX REFLECTEURS La présente invention a pour objet une antenne micro-onde à deux réflecteurs. Dans de nombreuses applications, il est nécessaire qu'une antenne fournisse un faisceau de rayonnement de quelques degrés d'ouverture (un ou plusieurs) à demi-puissance, ait un bon rende- ment, un bon rapport d'ondes stationnaires (ROS) et présente de bonnes caractéristiques de polarisation. On connaît des antennes relevant de l'art antérieur qui ré- pondent partiellement aux conditions énoncées ci-dessuso On peut citer ainsi une antenne ne comportant qu'un seul réflecteur parabolique avec une source primaire placée au foyer du réflecteur; lorsque le faisceau émis par cette antenne n'a que quelques degrés d'ouverture à demi- puissance, la source primaire forme un masque important pour le rayonnement de l'antenne et en perturbe le fonctionnement. On peut citer également des antennes à deux réflecteurs du type Cassegrain ou Gregory qui répondent, mais encore partiel- lernent, aux conditions mentionnées ci-dessus. On rappellera qu'une arenne du type Cassegrain, dont une description peut être trouvée pages 10-13 à i 0-15 du livre de Merrill I Skolnik "Radar liandbook" édité en 1970 par Mc Graw Hill Cy, est une antenne à deux réflecteurs un réflecteur dit principal, concave, généralement parabolique et un réflecteur dit auxiliaire, convexe, genralement hyperibolique, avec une source primaire hyper- fréquence, généralement placée vers le sommet du réflecteur prin- cipal qui illumine le réflecteur auxiliaire; celui-ci réfléchit le faisceau vers le réflecteur principal qui, à son tour, renvoie dans l'espace un faisceau cylindrique, daxe parallèle à l'axe de l'anienne. Eans une antenne di type Gre;-gory e rfllect-eur au:iiaire est unte portion d'e J 1 ipso Tde. 254 0297 Dans une antenne Cassegrain ou Gregory, le réflecteur auxi- liaire forme un masque pour le rayonnement du réflecteur principal, perturbant ainsi le fonctionnement de l'antenne Ce phénomène est bien entendu d'autant plus accentué que le réflecteur auxiliaire est de grandes dimensions Cependant, si ce dernier est de faibles iimensions, il doit être placé près de la source primaire et il réfléchit alors une partie importante de l'énergie incidente vers cette source: ceci se traduit par un rapport ROS élevé qui, ainsi qu'il est connu, entraîne une détérioration du rendement et du taux d'ellipticité dans le cas d'une polarisation circulaire Ceci est préjudiciable notamment dans le domaine des télécommunications o une telle antenne est utilisée pour l'éiablissement de liaisons émission-réception avec un satellite. L'objet de l'invention est une antenne à deux réflecteurs qui satisfait globalement aux conditions énoncées ci-dessus grâce au choix, pour le réflecteur auxiliaire, d'une forrne telle que, selon les lois de l'optique géométrique, le ROS soit nul quelles que soient les dimensions de la source primaire (à condition d'être inférieures à celles du réflecteur auxiliaire); cette configuration a pour autre avantage d'autoriser l'utilisation de sources de grandes dimensions. Plus précisémrnent, l'invention a pour objet une antenne micro- onde à deux réflecteurs; l'un des réflecteurs, dit réflecteur princi- pal, est engendré par une demi-parabole tournant autour d'un axe de révolution parallèle à l'axe de la demi-parabole; l'autre des ré- flecteurs, dit réflecteur auxiliaire, est engendré par un arc d'ellipse tournant autour du même axe de révolution, l'un des foyers de l'ellipse étant confondu avec celui de la parabole et l'autre foyer étant situé sur l'axe de révolution entre les deux réflecteurs, l'une des extrémités de J'arc d'ellipse étant également située sur l'axe de révolution, l'antennc étant adaptée pour recevoir une source d'é- nergie rayonnée, placée entre les deux réflecteurs de sorte que son centre de phase soit confondu avec {e second foyer de l'arc d'ellipse. D'autres ava tages et caractc-ristiqucs de l'inve,tion a para- tront dans le couirs de la description suivante, or née à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les dessins annexés, qui représentent: la figure la, un schéma des méridiennes des réflecteurs de l'antenne selon l'invention et la figure lb, son diagramme de rayon- nement; la figure 2, un organigramme montrant les opérations exé- cutées pour conformer les réflecteurs; la figure 3, un mode de réalisation d'une antenne complète suivant l'invention, avec son alimentation; la figure 4, une variante de réalisation du réflecteur auxi- liaire utilisé dans l'antenne selon l'invention; la figure 5, une autre variante de ce réflecteur auxiliaire. Sur ces différentes figures, les mêmes références se rap- portent aux mêmes éléments. Sur la figure 1, on a donc schématisé les réflecteurs auxiliaire et principal de l'antenne, ainsi que la source primaire. L'un des réflecteurs, dit réflecteur auxiliaire, 2, est engendré par la rotation, autour d'un axe de révolution ZZ', d'un arc d'el- lipse MN dont la concavité est tournée vers l'autre, dit réflecteur principal, 1, l'axe ZZ' étant choisi de sorte que le premier foyer F 1 de l'ellipse soit situé sur cet axe et le second foyer F 2 de l'ellipse, en dehors de cet axe Une extrémité M de cet arc d'ellipse est située sur l'axe de révolution ZZ' tandis que son autre extrémité N est située sur un axe SN, parallèle à l'axe de révolution ZZ' Cet axe SN passe par le deuxième foyer F 2 de l'arc d'ellipse Engendré par l'arc d'ellipse MN tournant autour de l'axe de révolution ZZ', le réflecteur auxiliaire 2 se présente sous la forme d'un solide de révolution, à génératrices elliptiques avec un sommet M ayant l'aspect d'une pointe tournée vers la concavité du réflecteur principal 1. Le foyer F 2 est par ailleurs le foyer d'un arc de parabole ST, S étant de préférence le sommet de la parabole à laquelle appartient l'arc ST et SN l'axe de cette parabole; la rotation de la demi- parabole ST autour de l'axe de révolution ZZ' engendre le réflecteur principal l Le réflecteur principal apparaît ainsi comme une sorte de tore d'axe ZZ', dont le cercle générateur serait remplacé par une demi-parabole d'axe SN. L'axe SN et son sym étrique S'N' par rapport à l'axe de révolu- tion ZZ' définissent la zone centrale 4 de l'antenne. Dans cette partie centrale 4, devant le réflecteur auxiliaire 2, on dispose une source primaire 3 d'ondes hyperfréquences, par exemple constituée par un guide d'ondes 31 terminé par un cor- net 32 Le centre de phase de la source 3 doit coincider avec le premier foyer (F 1) de l'arc d'ellipse MN. o Un rayon issu de F 1 et frappant le réflecteur auxiliaire 2 en un point A se réfléchit suivant AF 2 et frappe le réflecteur principal 1 en B; ce dernier réfléchit le rayon F 2 B suivant BC, parallèle à l'axe de révolution ZZ' Un autre rayon F 1 D, très faiblement incliné sur l'axe de révolution ZZ', frappe le réflecteur auxiliaire 2 en D, à 1 S proximité de la pointe M et se réfléchit suivant DF 2, frappant le réflecteur principal 1 en E; celui-ci réfléchit le rayon suivant EG, parallèle à ZZ' Quant au rayon extrême F 1 N, il se réfléchit suivant NS puis suivant SN. On constate ainsi que, suivant les lois de l'optique géomé- trique, il n'y a pas d'énergie renvoyée par le réflecteur auxiliaire 2 dans la partie centrale 4 de l'antenne, quelles que soient les dimen- sions de la source 3. Toutefois, l'application des lois sur la diffraction de l'énergie rayonnée montre qu'une partie très faible de l'énergie émise par la source 3 est en réalité renvoyée vers elle par le réflecteur auxi- liaire 2 Mais cette partie d'énergie étant très faible, elle n'affecte pas sensiblement le fonctionnement de l'antenne. Il apparaît ainsi que les formes choisies suivant l'invention, pour les méridiennes des réflecteurs, améliorent sensiblement le rapport d'ondes stationnaires De plus, les dimensions du réflecteur auxiliaire 2 étant limitées à la partie centrale 4 de l'antenne, on constate qu'il n'y a pas (ou peu) de pertes dues aux réflexions du rayonnement du réflecteur principal I sur le réflecteur auxiliaire 2. 2 40297 Il est à noter par ailleurs que la forme du réflecteur principal entre S et S' est indifférente, puisqu'il n'est pas (ou très peu) amené à y recevoir de l'énergie. Sur la figure ib, on a représenté la loi d'illumination de l'antenne selon l'invention, qui présente un creux 6 dans la partie centrale ( 4) de l'antenne, dû au masque. Selon une variante de réalisation de l'antenne selon l'invention, on effectue une optimrnisation de cette antenne sur des bases expérimentales, consistant à ajuster la forme des réflecteurs; cette opération est dite "conformation" des réflecteurs Pour cela, partant des formes des réflecteurs qui ont été définies, on s'en écarte légerement, tout d'abord pour le réflecteur auxiliaire que l'on conforme pour qu'il éclaire suivant une loi optimale en amplitude le réflecteur principal Celui-ci, ensuite, est conformé pour corriger les erreurs de phase dues à la conformation précédente. La figure 2 décrit plus précisément les différentes étapes qui sont effectuées pour optimiser l'antenne. Partant du réflecteur auxiliaire 2 défini au départ (étape 7), on calcule (étape 8) le diagramme de rayonnement qu'il donne, que l'on compare (étape 9) au diagramme idéal recherché Le résultat de la comparaison des diagrammes permet de calculer (étape 10) les déformations qu'il faut donner au réflecteur auxiliaire, déformations qui sont exécutées lors de l'étape 11 Le processus est itératif, c'est à-dire qu'on fait le calcul du diagramme de rayonnement obtenu après qu'on ait procédé à des déformations de la surface du réflecteur auxiliaire (étape 8) et on refait une comparaison (étape 9) du diagramme nouvellement obtenu avec le diagramme idéal désiré, etc. En ce qui concerne le réflecteur principal, on calcule la phase rayonnée par l'ensemble source-rïflecteur auxiliaire conforme et on effectue les corrections qui s'imposent. La figure 3 représente un mode de réalisation d'une antenne selon invention, avec son airnentatien Sur cette figure, on retrouve la source primaire 3, le réflec- teur principal I et le réflecteur auxiliaire 2. On a défini dans ce qui précède la forme à donner aux réflecteurs I et 2 de l'antenne pour qu'elle réponde avec la meilleure approximation aux conditions qui ont été données On a ensuite indiqué comment, à partir des données fournies, on optimisait l'antenne en calculant les déformnations à apporter aux surfaces des réflecteurs. L'optimisation peut encore être améliorée en utilisant, pour la source 3, un cornet corrugué. On rappelle qu'on entend par cornet corrugué un cornet présentant des rainures transversales sur sa face interne, comime décrit par exemple dans le brevet français n 2 255 716 ou l'article de VU paru dans INT J ELECTRONICS ( 1973, vol 34) intitulé "Corrugated horn as highperformnance mornopuise feed", ou encore l'article paru dans PROC IEE (vol 118, n 9, Sept 71) intitulé "Propagation and radiation behavicur of corrugated feeds" Ce type de cornet présente l'avantage d'avoir des diagrammes de rayon- nement identiques dans les plans E et H, caractérisés par des lobes latéraux très bas, une largeur de diagramme quasi-constante en fonction de la fréquence et une position du centre de phase pratiquement indépendante de la fréquence. Toutefois, ainsi qu'il est également connu, un cornet corrugué ne fonctionne de façon satisfaisante que lorsqu'il est relativement grand: à titre d'exemple, un cornet classique a habituellement une ouverture de l'ordre de 2 ou 3 fois la longueur d'onde moyenne (X) de fonctionnement de l'antenne, alors qu'un cornet corrugué a une ouverture qui peut être comprise entre 4 ou 5 X et 10 X. Il apparaît ainsi un autre avantage de l'antenne selon l'inven- tion qui est de permettre l'utilisation de cornets corrugués: leur grande taille n'est pas ici un inconvénient du fait de la très faible quantité d'énergie qui est, par construction, susceptible d'être renvoyée dans la source primaire. Dans un mode de réalisation de l'invention, on utilise un cornet corrugué conique, avec des rainures dont la profondeur est de l'ordre de X/4, X étant la longueur d'onde moyenne de la bande de fré- quence utilisée Ces rainures sont étroites par rapport à leur profondeur, c'est-à-dire de l'ordre de X/10, et relativement proches les unes des autres, leur distance étant petite devant la longueur d'onde (de l'ordre de X/i O également). L'antenne suivant l'invention est complétée par un moyen de support du réflecteur auxiliaire 2 à partir du cornet 32 Ce moyen de support est une jupe 12 de révolution, réalisée en un matériau diélectrique Cette jupe a une forme, par exemple, conique Elle est fixée par tout moyen convenable 5, (colle, vis, etc) au réflecteur auxiliaire 2 et s'appuie au cornet 32 par un filetage 13 La jupe 12 peut être ainsi déplacée précisément et, avec elle, le réflecteur auxiliaire 2, ce qui facilite le réglage de la focalisation Le filetage peut bien entendu être remplacé par un système équivalent, coulis- sant par exemple. Ce mode de fixation par une jupe 12, rendu possible par le fait que les dimensions du cornet 32 sont relativement importantes par rapport à celles du réflecteur 2, présente un certain nombre d'avan- tages Tout d'abord, tout le système d'antenne conserve la symétrie de révolution et le réflecteur auxiliaire 2 n'est pas maintenu par des supports métalliques qui risquent d'apporter des perturbations au champ électromagnétique Ensuite, la fixation de la jupe au cornet assure également l'étanchéité de la source primaire Enfin, comme mentionné plus haut, le réglage de la focalisation est facilité. Sur la figure 4, on a représenté une variante de réalisation de l'antenne selon l'invention, dans laquelle le réflecteur auxiliaire est corrugué de façon analogue à ce qui a été décrit pour le cornet 3 de la figure 2. Sur cette figure, on a donc représenté le réflecteur 2 dont la face recevant l'énergie rayonnée est engendrée par la rotation autour de l'axe ZZ' de l'arc d'ellipse MN Sur cette face, on a réalisé des rainures 14 concentriques dont le centre est porté par l'axe ZZ' 40297 et les dimensions (profondeur, largeur et pas) sont sensiblement celles du cornet 3. Une telle réalisation permet d'assurer une continuité du cornet corrugué, en conservant pour le diagramme de rayonnement du réflecteur auxiliaire la symétrie de révolution qu'il avait au sortir du cornet. La figure 5 représente une autre variante de réalisation de l'antenne selon l'invention, dans laquelle le réflecteur auxiliaire 2 comporte au moins une bande 16, en forme d'anneau déposé à la surface du réflecteur, dont le nombre, l'épaisseur et la distance du centre M du réflecteur 2 sont déterminés expérimentalement afin de conférer aux ondes réfléchies par le réflecteur 2 vers la source 3 des déphasages tels que ces ondes s'annulent mutuellement -ou au moins soient minimisées à l'entrée du guide 31 d'alimentation de la source 3. Enfin, selon une variante non représentée, il est possible d'ajouter au centre du réflecteur auxiliaire 2 une pièce métallique ayant la même fonction que les anneaux précédents et étant dimensionnée de la même manière. A titre d'exemple, il a été réalisé une antenne de télécom- munications réalisée suivant les principes de l'invention, qui a pour caractéristiques: diamètre du réflecteur principal 1500 mm, diamètre du réflecteur auxiliaire 210 mm, ouverture du faisceau à demi-puissance: 1,5 degré, facteur de gain: -1,35 d B, niveau des lobes latéraux -17 d B, ROS: 1,1, température de bruit: 40 K pour l'antenne pointée à 15 degrés au-dessus de l'horizon. REVENDICATIONS 1 Antenne micro-onde à deux réflecteurs, caractérisée par le fait que l'un des réflecteurs, dit réflecteur principal ( 1), est engen- dré par un arc de parabole (ST) tournant autour d'un axe de révo- lution (ZZ') parallèle à l'axe (SN) de la parabole; que l'autre des réflecteurs, dit réflecteur auxiliaire ( 2), est engendré par un arc d'ellipse (MN) tournant autour du même axe de révolution (ZZ'), l'un des foyers (F 2) de l'ellipse étant confondu avec celui de la parabole et l'autre foyer (F 1) étant situé sur l'axe de révolution (ZZ') entre les deux réflecteurs ( 1, 2), l'une des extrémités (M) de l'arc d'ellipse (MN) étant également situé sur l'axe de révolution (ZZ'), l'antenne étant adaptée pour recevoir une source d'énergie rayonnée, placée entre les deux réflecteurs de sorte que son centre de phase soit confondu avec le second foyer (F 1) de l'arc d'ellipse). 2 Antenne selon la revendication 1, caractérisée par le fait que l'autre des extrémités (N) de l'arc d'ellipse (MN) est placée sur l'axe (SN) de la parabole (ST), l'une des extrémités (S) de Pl'arc de parabole (SN) étant le sommet de la parabole. 3 Antenne selon la revendication 2, caractérisée par le fait que la source est placée àa l'intérieur du cylindre défini par la rotation de l'axe (SN) de l'arc de parabole (ST) autour de l'axe de révolution (ZZ'). 4 Antenne selon l'une des revendications précédentes, carac- térisée par le fait que la source ( 3) comporte un cornet ( 32) corrugué. 5 Antenne selon l'une des revendications précédentes, carac- térisée en ce qu'elle comprend une jupe ( 12) en rnatriau diélec- trique, de révolit on autour de l'axe de révolution (RZ) fixée au r,3 flecteur auxiliaire ( 2), qu'elle support% et à la source ( 3) a laquelle elle est fixée par un système autorisant un réglage de la focalisation par déplacement du réflecteur auxiliaire ( 2). 6 Antenne selon l'une des revendications précédentes, carac- trisée par le fait qu'elle est optimisée par conformation des réflecteurs auxiliaire ( 2) et principal ( 1) par modification d'une part de la surface de réflecteur auxiliaire ( 2) ju qu'à obtenir une loi d'éclairement optimale du réflecteur principal ( 1) et, d'autre part, de la surface du réflecteur principal (G) pour corriger les erreurs de phase introduites par la modification de la surface du réflecteur auxiliaire ( 2). 7 Antenne selon l'une des revendications précédentes, carac- térisée par le fait que le réflecteur auxiliaire ( 2) est corrugué. 8 Antenne selon l'une des revendications I à 6, caractérisée par le fait que, la source comportant un guide d'ondes ( 31) alimrren- tant un cornet ( 32), le réflecteur auxiliaire ( 2) porte des anneaux ( 16) conducteurs dont le nombre et les dimensions sont tels que les ondes réfléchies par le réflecteur auxiliaire ( 2) vers la source ( 3) s'annulent mutuellement sensiblement au niveau de l'entrée du guide d'ondes ( 31). 9 Antenne selon l'une des revendications I à 7, caractérisée par le fait que, la source ( 3) comportant un guide d'ondes ( 31) alimentant un cornet ( 32), le réflecteur auxiliaire ( 2) porte en son centre au moins une pièce métallique dont les dimensions sont telles que les ondes réfléchies par le réflecteur auxiliaire ( 2) vers la source ( 3) s'annulent mutuellerrment sensiblement au niveau de l'entrée du guide d'ondes ( 31).