Brevet FR2558991A1 — publié le 19850802

Antenne à réflecteur pour le fonctionnement dans plusieurs gammes de fréquence L'invention se rapporte à une antenne à réflecteur pour le fonctionnement dans deux ou plusieurs gammes de fréquence, comportant un réflecteur bombé et un ou plusieurs éléments d'alimentation y associés. Par le brevet allemand 26 10 506, on connaît une antenne à réflecteur qui est conçue pour fonctionner dans deux gammes de fréquence différentes. Le réflecteur doit pouvoir émettre pour les deux gammes de fréquence des lobes de rayonnement ayant respectivement le même angle d'ouverture. Comme en cas de réflecteursde mêmes dimensions, le lobe de rayonnement associé aux plus hautes fréquences serait plus étroitement concentré, la surface réflectrice pour cette zone de fréquence dans l'antenne à réflecteur connu est réduite en recouvrant le bord du réflecteur d'un produit absorbant annulaire qui présente un fort amortissement pour la plus haute gamme de fréquence et presque aucun amortissement pour la plus basse gamme de fréquence. Par un choix judicieux du produit absorbant et un dimensionnement exact, on peut ainsi arriver à ce que les deux lobes de rayonnement présentent le même angle d'ouverture. Bien entendu, avec une telle antenne on peut manifestement produire également des lobes de rayonnement de différents angles d'ouverture, par exemple si le produit absorbant annulaire est choisi pour privilégier l'absorption des basses fréquences. L'exigence de pouvoir émettre et recevoir dans deux ou plusieurs gammes de fréquence différentes s'applique par exemple aux satellites de télécommunications. Par ailleurs, dans le cas de ces satellites, il est souvent exigé d'utiliser, pour l'émission et la réception,des lobes de rayonnement de différentes formes de section transversale, ainsi par exemple des sections transversales elliptiques pour l'émission et des sections transversales circulaires pour la réception. Pour 2 2558991 satisfaire à toutes ces exigences, on a jusqu'ici fait fonctionner plusieurs réflecteurs qui avaient tous leur propre système d'alimentation et dont l'ouverture était adaptée à la forme de section transversale exigée du lobe de rayonnement. Déjà avec deux réflecteurs de ce type, par exemple un elliptique et l'autre circulaire, cela peut causer des difficultés considérables en ce qui concerne leur logement dans la partie avant très exiguë de la fusée trans- porteuse et ce, d'autant plus que les deux réflecteurs après leur mise sur orbite doivent pouvoir être pivotés de leur position entrée à leur position sortie sans se gêner récipro- quement. Par ailleurs, l'augmentation de poids liée à l'augmentation du nombre de réflecteurs ne doit pas être négligée. Pour toutes ces raisons, il parait souhaitable de n'utiliser qu'un seul réflecteur qui permette le fonction- nement dans différentes gammes de fréquence avec différentes ouvertures. Le réflecteur d'antenne connu par le brevet allemand 26 10 506 satisfait à ces exigences en ce sens qu'il permet, certes, de traiter deux gammes de fréquence différentes, mais les deux lobes de rayonnement y associés ont la même forme de section transversale, une section transversale étant contenue dans l'autre. Un autre inconvénient est qu'en cas de fortespuissancesde rayonnement, des quantités de chaleur considérable sont dégagées dans le produit absorbant et ce en raison de l'absorption de l'énergie de rayonnement dans l'une des gammes de fréquence. En particulier, en cas d'utilisation dans l'espace, cela peut poser des problèmes considérables, attendu que la chaleur en raison de l'absence de convection peut difficilement être évacuée et qu'il y a risque de déformation thermique du réflecteur. Par ailleurs, le produit absorbant n'est pas non plus totalement neutre pour l'autre gamme de fréquence. Un très faible effet diélectrique entralne cependant déjà une diminution de l'amortissement du lobe secondaire, si bien-que les exigences actuelles pour les antennes de satellites de télé- communications ne peuvent plus être satisfaites (normes CCIR). L'invention a par conséquent pour objet de mettre au point une antenne à réflecteur du type précité qui puisse être utilisée dans différentes gammes de fréquence et qui p uisse également émettre des lobes de rayonnement de surfacesde section transversale de différentes formes, et ce,de façon que n'apparaissent pas les problèmes thermiques mentionnés ci-dessus. Ce résultat est atteint selon l'invention par le fait que pour la formation de différentes ouvertures se chevauchant pour les différentes gammes de fréquence présélectionnées, la surface du réflecteur est divisée en plusieurs zones dont au moins une est réfléchissante pour toutes les gammes de fréquence présélectionnés au moins une autre n'est réfléchis- sante que pour une gamme de fréquence et éventuellement d'autres sont réfléchissantes pour plusieurs des gammes de fréquence et en même temps transparentes pour les autres gammes de fréquence présélectionnées, le contour marginal du réflecteur résultant du chevauchement réciproque des ouver- tures. L'uninue réflecteur doit donc pour les différentes gammes de fréquence comporter différentes ouvertures qui se chevauchent réciproquement. Le contour marginal du réflecteur résulte de la superposition géométrique des ouvertures. La surface du réflecteur, en vue de la formation des ouvertures, est divisée en plusieurs zones dont la forme résulte des formes et des dimensions ainsi que de la position relative des ouvertures souhaitées dans chaque cas considéré. Dans un cas très simple, on cherche par exemple à obtenir une ouverture elliptique et une ouverture circulaire. Si leurs cen- tres coïncident et si le rayon du cercle concorde avec le demi petit axe de l'ellipse (voir figure 3), on obtient à partir de la superposition géométrique des ouvertures une zone supericielle centrale(K) circulaire dans laquelle les deux gammes de fréquence sont réfléchies, ainsi que deux zones extérieures (L) mutuellement opposées qui sont entourées par le contour total de l'ellipse et qui ne sont réfléchissantes que pour l'une des gammes de fréquence et transparentes pour l'autre. Le contour marginal en résultant du réflecteur est elliptique. Si le rayon de l'ouverture circulaire est plus grand que le demi petit axe de l'ellipse, il s'y ajoute deux znes "4)quî faisant saillie latéralement en dehors du contour de l'ellipse, ne sont réfléchissantes que pour la seconde des deux gammes de fréquence et transparentes pour la première. (voir figure 3). Le contour marginal n'est plus exactement elliptique. Si l'on prévoit plus de deux gammes de fréquence a v e c leurs propres ouvertures respectives, on obtient, à partir de la superposition ou du chevauchement réciproque des ouvertures, une répartition compliquée en zones de la totalité de la surface du réflecteur, et dans ce cas il peut en résulter ici aussi des zones qui sont sélectivement réfléchissantes pour plus d'une gamme de fréquence et transparente pour la ou les autres gammes de fréquence. Les zones de la surface,en général centrales réfléchis- santes pour toutes les gammes de fréquence présélectionnées présentent avantageusement une sur-face entièrement métallique ou une surface réalisée en un autre matériau bon conduc- tuer des micro-ondes, par exemple en matière synthétique renforcée de fibres de carbone. On peut toutefois aussi utiliser des structures réticulées ou en treillis métallique à mailles étroites en ce qui concerne la plus petite longueur d'onde utilisée. Pour les zones de la surface ne réfléchissant sélecti- vement qu'une ou plusieurs des gammes de fréquence présé- lectionnées, on propose des agencements réguliers en nappes d'un certain nombre d'éléments réflecteurs métalliques accordés à la ou aux gammes de fréquence à chaque fois considérées. En ce qui concerne ces éléments réflecteurs, 2558991 il peut s'agir par exemple de dipôles croisés, de croix de Jérusalem, c'est-à-dire de dipôles croisés munis d'une bande transversale aux extrémités de leurs dipôles individuels, ou aussi d'anneaux concentriques. Dans le cas de plusieurs gammes de fréquence à réfléchir sélectivement, des réseaux d'éléments réflecteurs respectivement accordés différemment peuvent &tre imbriqués les uns dans les autres sur la surface de la zone. Pour la fabrication de ces agencements réguliers d'éléments réflecteurs métalliques, on peut recourir à des techniques classiques de dépôt de couches minces, Or exemple à la technique des circuits imprimés ainsi qu'aux techniques de masquage et d'attaque chimique. Pour ce faire, sur un substrat électrique, on applique tout d'abord par la technique de dép&t de couches minces une couche métallique continue, puis on exécute la trame souhaitée des éléments réflecteurs répartis en nappes en utilisant des techniques de masquage et d'attaque chimique. Une autre possibilité d'aménager une zone réfléchissante pour une gamme de fréquence et transparente pour une autre gamme de fréquence consiste à utiliser une structure métallique en nid d'abeilles ouverte des deux côtés constituée par des sections guides d'ondes contiguës de sections transversales, par exemple carrées ou hexagonales. Dans ce cas, la fréquence limite des sections guides d'ondesdoit se situer entre les deux gammes de fréquence présélectionnées. Une telle structure en nid d'abeilles est transparente au-dessus de la fréquence limite des guides d'ondes et totalement réfléchissante en dessous de cette fréquence limite. Comme autre variante de zones sélectives de fréquence, on peut mentionner la possibilité de pratiquer dans une couche métallique tout d'abord continue un certain nombre d'ouver- tures disposées suivant un agencement régulier dont les dimensions sont accordées à une étroite gamme de fréquence déterminée et sont ainsi transparentes pour celles-ci. 6 2558991 Toutes les autres fréquences sont alors réfléchies, si bien qu'un tel agencement peut être utilisé pour deux gammes de fréquence présélectionnées. Les ouvertures peuvent avoir la forme de dip8les croisés ou de croix de Jérusalem et être pratiquées par découpage ou attaque chimique. Les couches superficielles métalliques ou éléments réflecteurs mentionnés ci-dessus doivent être appliqués sur une structure de base diélectrique qui constitue le corps réflecteur proprement dit, dont la surface tournée vers le rayonnement et portant les couches métalliques ou les éléments réflecteurs est réalisée bombée, de préférence en forme de paraboloide. La structure de base diélectrique peut être une structure sandwich dont les revêtements supérieur et inférieur sont réalisés en matériau diélectrique. La structure sandwich peut comporter comme noyau une couche en mousse rigide ou aussi une structure en nid d'abeilles, assurément pas en métal, mais par exemple en papier dur (connu sous la désigna- tion commerciale "Nomex" de la firme Dupont). La mousse rigide peut être fabriquée à base de polyuréthane, de polyacrylate ou de polyméthacrylimide. Pour les revêtements diélectriques, on peut utiliser une matière synthétique renforcée de fibres, en particulier renforcée de fibres d'aramide. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description de modes de réalisation pris comme exemples, mais non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel: la figure 1 représente en coupe transversale ainsi que vue en plan une antenne à réflecteur parabolique à décalage avec une ouverture elliptique et une ouverture circulaire pour deux gammes de fréquence différentes; la figure 2 représente vu en plan un réflecteur comportant deux ouvertures circulaires décalées ainsi qu'une ouverture elliptique pour au total trois gammes de fréquence différentes; 7 2558991 la figure 3 représente en deux variantes la super- position d'une ouverture elliptique et d'une ouverture circulaire; les figures 4a à 4c représentent trois éléments réflecteurs métalliques différents; la figure 5 représente une disposition imbriquée de deux éléments réflecteurs de dimensions différentes; la figure 6 représente une coupe transversale d'un réflecteur à structure sandwich. La figure 1 représente un détail d'une surface para- boloide 12 dont l'axe de symétrie correspondant est désigné par 13 et représenté par une ligne en tirets. Un cornet d'excitation 15 est disposé dans la zone du foyer 14. Il peut être conçu pour deux gammes de fréquence différentes. A ces deux gammes de fréquence sont associées deux ouvertures ou sections transversales de lobes de rayonnement différents, à savoir une elliptique et une circulaire. Le réflecteur correspondant, disposé ici en un agencement à décalage, est déterminé en ce qui concerne son contour marginal 16 par le fait que la surface paraboloide 12 est coupée par deux cylindres parallèles à l'axe, l'un de section transversale circulaire et l'autre de section transversale elliptique, les deux surfaces de section transversale différente se chevauchant. Vu en plan parallèlement à l'axe il en résulte par conséquent la figure de coupe représentée en haut sur la figure 1. Du fait du chevauchement de l'ouverture circulaire et de l'ouverture elliptique, on obtient donc différentes zones superficielles, à savoir tout d'abord la zone centrale A dont la surface est réfléchissante pour les deux gammes de fréquence présélectionnées Alf ainsi que a f2. Cette zone superficielle centrale A peut être recouverte d'une couche métallique continue. On obtient ensuite les zones superficielles B ainsi que C, la zone B n'étant réfléchis- sante que pour la gamme de fréquence A fl et transparente pour la gamme de fréquence af2. On obtient 8 2558991 l'inverse pour les deux zones superficielles C. Si donc le cornet d'excitation 15 n'émet que la gamme de fréquence f1, c'est uniquement à l'intérieur de l'ouverture circulaire qu'elle est réfléchie, tandis qu'en cas d'émission de la gamme / f2pc'est l'ouverture elliptique qui intervient. Dans les zones superficielles B et C, on peut aménager les structures en nappes qui sont décrites plus loin et constituées par des éléments réflecteurs métalliques. Comme métal pour les parties réfléchissantes, on utilise principalement du cuivre. La figure 2 représente vu en plan un réflecteur bombé 5, par exemple paraboloidal, conçu avec différentes ouvertures pour trois gammes de fréquence. Il est élargi par rapport k celui de la figure I par le fait qu'en plus des ouvertures ellip- tiques et circulaires déjà existantes, il comporte une autre ouverture circulaire décalée par rapport à la première. Du fait de cette superposition des ouvertures, on obtient d'autres zones superficielles, k savoir une zone D dans laquelle seule la gamme de fréquence A f3 est réfléchie, tandis que les deux autres gammes de fréquence sont trans- mises, ainsi que les deux zones E et F, qui sont sélectivement réfléchissantes pour les gammes de fréquence A f! et àf2 ou Af2 + A f3. On a done ici deux ouvertures circulaires 2, 3 et une ouverture elliptique 1, qui sont respectivement associées à des gammes de fréquence propres, k savoir A fi, A1 f2 et lXf3. Sur la figure 3, on a encore représenté deux variantes très simples qui concernent la superposition d'une ouverture circulaire et d'une ouverture elliptique. Dans une ouverture elliptique est inscrite une ouverture circulaire, les centres du cercle et de l'ellipse coincidant et cette disposition engendrant une zone centrale circulaire K ainsi que deux autres zones L mutuellement opposées. Ici, le rayon du cercle et le demi petit axe de l'ellipse sont égaux. Si on rallonge le rayon du cercle par rapport au demi petit axe de l'ellipse, il en résulte la seconde superposition représentée sur la 9s 2558991 figure 3. Ici s'ajoutent deux autres zones latérales M. La zone centrale K est sélectivement réfléchissante pour deux gammes de fréquence, les zones L ne sont réfléchissantes que pour une gamme de fréquence et les zones M ne sont sélective- ment réfléchissantes que pour la seconde des deux gammes de fréquence présélectionnées à chaque fois considérées. La figure 4 représente trois types 6, 7 et 8 d'éléments réflecteurs qui peuvent être utilisés disposés en nappes régulières pour les différentes zones superficielles sélectives de fréquence. Il s'agit en l'occurrence de dipôles croisés 6, de croix de Jérusalem 7 ainsi que d'anneaux concentriques 8. Pour leur adaptation aux différentes gammes de fréquence présélectionnées, les éléments réflecteurs doivent être dimensionnés en conséquence. La figure 5 représente la façon dont par exemple deux réseaux constitués de dipèles croisés peuvent être imbriqués l'un dans l'autre pour être sélectivement réfléchissants pour deux gammes de fréquence différentes. A cet effet, on peut aussi imbriquer les uns dans les autres des réseaux de différents types d'éléments réflecteurs. Les couches superficielles métalliques réfléchissantes ou éléments réflecteurs sont principalement réalisés en cuivre. Ce métal convient particulièrement bien pour l'appli- cation de couches par la technique des circuits imprimés. Les couches réfléchissantes peuvent cependant être aussi réalisées en matière synthétique renforcée de fibres de carbone. La figure 6 représente schématiquement en coupe transversale une partie d'une structure de base diélectrique 10 avec revêtement diélectriquessupérieur et inférieur 11. Le noyau de la structure sandwich représentée est une structure en nid d'abeilles 17 qui est fabriquée en papier dur et se distingue par son extraordinaire rigidité à la flexion. Grâce aux deux revêtements diélectriques 11, par exemple réalisés en matière synthétique renforcée de fibres 2558991 d'aramide, on obtient ainsi une structure de base qui se caractérise par une légèreté et une stabilité remarquables. La structure en nid d'abeilles peut être constituée par des alvéoles individuels 18 carrés ou hexagonaux, comme cela est également représenté en coupe partielle sur la figure 6. Le principal avantage de l'invention réside dans le fait qu'en particulier dans le cas des antennes de satellites o jusqu'ici on utilisait plusieurs, en particulier deux réflecteurs à antenne, il suffit maintenant d'une seule antenne. Il en résulte une diminution considérable de l'en- combrement et du poids. Ainsi, le SAT TV comporte deux antennes paraboliques décalées ayant toutes deux une distance focale de 1,50 m. L'antenne émettrice (t f1 = 11,7 - 12,1 GHz) a une ouverture elliptique de 1,40 m et 2,70 m de longueur axiale. L'antenne réceptrice (A f2 = 17,7 18,1 GHz) a une ouverture circulaire d'un diamètre de 2 m. Ces deux ouvertures peuvent être superposées en analogie avec la figure 1 de façon que plus qu'un seul réflecteur soit désormais nécessaire. il 2558991 REVENDICATIONS 1. Antenne à réflecteur pour le fonctionnement dans deux ou plusieurs gammes de fréquence présélectionnées, comportant un réflecteur bombé et un ou plusieurs éléments d'alimentation y associés, caractérisée par le fait que pour la formation de différentes ouvertures (1, 2, 3) se chevau- chant pour les différentes gammes de fréquence présélection- nées, la surface du réflecteur est divisée en plusieurs zones (A, B, C, D, E, F), dont au moins une (A) est réfléchissante pour toutes les gammes de fréquence présélectionnées, au moins une autre (B, C, D) n'est réfléchissante que pour une gamme de fréquences et éventuellement d'autres (E, F) sont réfléchissantes pour plusieurs des gammes de fréquence et en même temps transparentes pour les autres gammes de fréquence présélectionnées, le contour marginal (4) du réflecteur (5) résultant du chevauchement réciproque des ouvertures (1, 2, 3). 2. Antenne à réflecteur selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les zones réfléchissantes (A) pour toutes les gammes de fréquence présélectionnées comportent une couche superficielle entièrement métallique. 3. Antenne à réflecteur selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les zones réfléchissantes (B, C) prévues respectivement que pour une seule des gammes de fréquence présélectionnées sont recouvertes d'un agencement régulier en nappes d'un certain nombre d'éléments réflecteurs métalliques (6, 7, 8) accordés à la gamme de fréquence à chaque fois considérée. 4. Antenne à réflecteur selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les zones réfléchissantes (E, F) prévues pour plusieurs des gammes de fréquence présélectionnées sont recouvertes d'un agencement régulier en nappes d'un certain nombre d'éléments réflecteurs (6, 7) respectivement accordés à une autre des gammes de fréquence présélectionnées. 12 2558991 5. Antenne à réflecteur selon la revendication 3 ou 4, caractérisée par le fait que les éléments réflecteurs métal- liques sont des dipôles croisés (6), des croix de Jérusalem (7) ou des anneaux concentriques (8). 6. Antenne à réflecteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisée par le fait que les agencements réguliers d'éléments réflecteurs (6, 7, 8) sont obtenus par emploi de techniques de masquage et d'attaque chimique à partir d'une couche métallique continue tout d'abord appliquée par une technique de dépôt de couches minces-sur un substrat diélectrique. 7. Antenne à réflecteur selon la revendication 1, caractérisée par le fait que pour le cas de seulement deux gammes de fréquence présélectionnées, les zones ne réflé- chissant respectivement que l'une des gammes de fréquence sont recouvertes d'une couche métallique tout d'abord continue dans laquelle sont pratiquées des ouvertures disposées suivant un agencement régulier en nappes, par exemple par découpage, accordées à l'autre gamme de fréquence et transparentes pour celle-ci. 8. Antenne à réflecteur selon la revendication 7, caractérisée par le fait que les ouvertures ont la forme de dipôles croisés ou de croix de Jérusalem. 9. Antenne à réflecteur selon la revendication 1, caractérisée par le fait que pour le cas de seulement deux gammes de fréquence présélectionnées, dans la zone super- ficielle (G) réfléchissante pour la gamme de plus basse fréquence et transparente pour la gamme de plus haute fréquence, il est prévu une structure métallique en nid d'abeilles ouverte des deux côtés constituée par des sections guides d'ondes contiguës (9) de section transversale par exemple carrée ou hexagonale. 10. Antenne à réflecteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisée par le fait que les couches superficielles métalliques et/ou les éléments 13 2558991 réflecteurs métalliques sont appliqués sur une structure de base diélectrique (10). 11. Antenne à réflecteur selon la revendication 10, caractérisée par le fait que la structure de base est une structure sandwich (11) avec un noyau en mousse rigide ou en une structure en nid d'abeilles à papier dur avec revêtements diélectriques. 12. Antenne à, réflecteur selon la revendication 11, caractérisée par le fait que comme matériau pour les revêtements diélectriques, on utilise une matière synthétique renforcée de fibres, en particulier renforcée de fibres d'aramide.