Brevet FR2555369A1 — publié le 19850524

La présente invention concerne une antenne et, plus spécialement, une antenne en cornet à variation progressive, améliorée, qui peut être fabriquée à coût réduit, pour être utilisée comme source primaire dans un système d'antenne pour micro-ondes. La littérature relative aux cornets à mode double, aux cornets ondulés, et aux autres cornets de modèles spéciaux décrit leur aptitude à procurer des diagrammes de rayonnement ayant la symétrie de rotation et desfaiblesniveauxpour leurs lobes latéraux. Toutefois, ces modèles sont complexes et coûteux à fabriquer. Pour les applications en polarisation circulaire, il est souhaitable que les largeurs des diagrammes, dans les plans E et H, du faisceau principal soient égales pour procurer de bonnes caractéristiques de rapport axial sur tous les angles d'éclairage du réflecteur par la source primaire. Cet éclairage symétrique d'un réflecteur parabolique réalisé par un cornet ayant des largeurs de faisceau égales dans les plans E et H conduira également à de bonnes caractéristiques de polarisation croisée des diagrammes secondaires. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 216 018 ou 3 274 603 décrit un cornet à grand angle. La figure 3 du brevet n 3 216 018 par exemple illustre un moyen de suppression de rayonnement qui a été ajouté pour améliorer le diagramme de rayon- nement dans le plan E. Cette figure montre des éléments 36 et 37 en forme de tige qui sont utilisés pour produire un éclairage tel que le rayonnement excessif dans le plan E est ramené à un niveau approprié au rayonnement dans le plan H. Les éléments 36 et 37 en forme de tige s'étendent perpendiculairement à la surface conique interne du cornet conique. Sur les figures 5 et 6 de ce même brevet, les tiges sont remplacées par des éléments annulaires. L'élément annulaire 38 est également orienté perpendiculairement à la surface conique interne du cornet. Les figures 7, 8 et 9 montrent qu'on peut obtenir un effet identique à l'aide de rainures formées dans les parois du cornet et s'étendant dans un sens sensiblement perpendi- culaire à la surface du cornet, les rainures ayant des profondeurs comprises entre le quart et la moitié de la longueur d'onde, pour la fréquence de travail. Ce type de cornet pour source primaire, doté de rainures angulaires perpendiculaires, a été largement utilisé comme source primaire dans des systèmes de télécommunication par satellites. En particulier, on a trouvé de tels cornets utilisés comme sources primaires permettant de recevoir des signaux de diffusion de télévision en provenance de satellites. Ce type de source primaire est coûteux, du fait qu'il faut appliquer des techniques d'usinage coûteuses pour former des rainures perpendi- culaires dans les parois évasées de la cavité. Il est souhaitable de concevoir une source primaire qui peut être fabriquée par une technique de moulage ou de moulage sous pression d'un faible coût. Ceci est particulièrement vrai pour les systèmes d'antenne réceptrice des satellites domestiques pour lesquels le coût est un facteur très important. Les techniques de moulage et de moulage sous pression ne peuvent pas être facilement adaptées à la fabrication de cornets dont les parois évasées sont perpendiculairement rainurées. Un autre type nouveau de cornet du type source primaire pouvant être fabriqué économiquement est donc nécessaire pour l'obtention de systèmes d'antenne d'un faible coût. Ce nouveau modèle de cornet pour source primaire, en plus d'avoir des largeurs de faisceau égales dans les plans E et H et des faibles niveaux pour les lobes latéraux, doit pouvoir être fabriqué de façon que la largeur angulaire de son lobe principal puisse être ajusté par une sélection des dimensions appropriées du cornet. Selon un mode de réalisation de la présente invention, il est proposé une antenne en cornet dans laquelle la surface conique métallique à variation progressive comporte un canal annulaire ou plusieurs qui sont concentriques et sont orientés parallèlement à l'axe de symétrie du cornet. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: - la figure 1 montre le profil en section droite d'un cornet conique classique selon la technique antérieure; - la figure 2 montre le profil en section droite d'un cornet conique doté de canaux de piégeage selon un mode de réalisation de l'invention; - les figures 3, 4 et 5 montrent le profil en section droite de cornets coniques comportant respectivement un, deux et quatre canaux, selon d'autres modes de réalisation de l'invention; - la figure 6 est une vue en bout d'un cornet pyramidal doté de canaux; et - la figure 7 est un schéma en élévation d'un système d'antenne pour source primaire à décalage utilisant un cornet à canaux de piégeage comme décrit dans l'invention en relation avec la figure 2. La figure 1 représente une source primaire 10 de type petit cornet conique alimenté par une section 11 d'un guide d'onde circulaire. Ce type de cornet est couramment utilisé comme source primaire servant à éclairer des surfaces réfléchissantes de forme parabolique et autres. Son avantage principal est qu'il est simple à concevoir et économique à réaliser. Pour de très petits diamètres d'ouverture A, ses largeurs de faisceau dans les plans E et H tendent à être presque égales. Par exemple, pour un angle 9 valant 20 et un diamètre d'ouverture valant 2,34 cm, les diagrammes des plans E et H (à 12,45 GHz) ont une largeur de faisceau à -10 dB d'environ 113 . Toutefois, le lobe arrière est tout à fait important et est de l'ordre de -15 dB. Lorsque l'on augmente l'ouverture du cornet conique, les largeurs de faisceau dans les plans E et H diminuent toutes deux, mais non de manière égale. Lorsque le diamètre d'ouver- ture est devenu notablement plus grand, les largeurs de faisceau dans les plans E et H sont de moins en moins égales, la largeur de faisceau dans le plan H étant normalement la plus grande. La largeur de fais- ceau exacte (comme les formes des diagrammes) est également une fonction de l'angle d'évasement. En tout cas, il est difficile d'obtenir des diagrammes égaux (ou presque égaux) dans les plans E et H à partir de simples cornets coniques si l'on souhaite des largeurs de faisceau à -10 dB qui sont inférieures à 100 environ. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 216 018 révèle une manière d'améliorer le rayonnement dans le plan E par l'adjonction d'éléments qui interrompent la surface interne par ailleurs continue du cornet et qui sont perpendiculaires à la surface conique interne du cornet et alignés avec le plan E, comme indiqué sur les figures 3 et 4 de ce brevet. Les éléments décrits sur ces figures 3 et 4 peuvent être remplacés, comme indiqué sur les figures 5 et 6 de ce brevet, par des bagues annulaires ou bien, comme indiqué sur les figures 7, 8 et 9 de ce brevet, par des rainures annulaires orientées perpendiculairement à la surface conique. Alors que ces éléments perpendiculaires, bagues ou rainures, réalisent l'égali- sation des diagrammes dans les plans E et H pour des largeurs de faisceau inférieures à 100 , ce type de structure est coûteux à fabriquer par comparaison à une structure qui peut facilement être adaptée aux techniques de moulage. L'invention résulte du fait qu'il a été découvert que les diagrammes dans les plans E et H pouvaient être rendus égaux à l'aide de canaux partant de la surface conique interne du cornet suivant une direction qui est parallèle à l'axe de symétrie du cornet et qui ne doit pas nécessairement se trouver dans le plan E perpen- diculaire à la surface conique, comme c'était le cas dans le brevet cité ci-dessus. La figure 2 montre la structure de base d'un mode de réalisation de l'invention. Fondamentalement, le cornet métallique 15 est un cornet conique présentant le cone de translation d'onde indiqué par la ligne 21 en trait interrompu de la figure 2 et alimenté par la section 17 d'un guide d'onde circulaire. Toutefois, les parois lisses du cornet conique classique sont remplacées par d'étroits canaux annulaires concentriques 19 faisant fonction de bagues de piègeage HF. Les surfaces de translation d'onde du cornet 15 dont les diamètres moyens varient progressivement suivant la longueur de l'axe de symétrie 15a, sont formées par les extrémités libres 19b des canaux 19 de la figure 2. Chacun des canaux 19 est limité par des surfaces terminales 19b immédiatement adjacentes, chaque surface 19b se trouvant en commun entre les canaux 19 adjacents. Les parois latérales 19c et 19d des canaux respectifs 19 sont orientées parallèlement à l'axe de symétrie 15a du cornet entre les surfaces de translation correspondant aux extrémités 19b et les parois conductrices inférieures 19a respectives. En vue de face, 3)5 les surfaces 19b et les surfaces latérales 19c et 19d des canaux annulaires 19 sont circulaires et symétriquement disposées (c'est- à-dire concentriques à l'axe de symétrie 15a du cornet). Les canaux 19 et les extrémités 19b sont formées par des bagues succes- sives mutuellement séparées de matériau, qui sont symétriques autour de l'axe 15a. On discute ci-après de la profondeur des canaux 19. Au niveau de la paroi latérale 19c la plus intérieure, chaque canal 19 possède une profondeur H, mesurée de la surface de translation relative à l'extrémité 19b jusqu'à une paroi de fond 19a. La pro- fondeur H vaut environ (- 20 %) un quart de la longueur d'onde correspondant à la fréquence de travail (x/4 - 20 %). Au niveau d'une paroi latérale extérieure 19d, chaque canal 19 possède une profondeur 211, mesurée entre la surface de translation correspondant a l'extrémité 19b et la paroi de fond 19a du canal. De cette manière, la profondeur de chaque canal 19 varie sur la largeur W entre environ un quart de la longueur d'onde relative à la fréquence de travail au niveau d'une paroi latérale interne 19c et environ la moitié de la longueur d'onde correspondant à la fréquence de travail pour une paroi latérale extérieure 19c. La paroi de fond 19a, ayant pour largeur W, de chaque canal successif commence approximativement au milieu de la paroi latérale externe 19d du canal précédent de plus petit diamètre. De cette manière, les extrémités libres 19b forment des surfaces de transition métalliquesen variation progressive. La ligne 21 en trait interrompu, qui relie les bords des extrémités libres 19b des parois respectives, est une ligne droitedéfinissant l'angle d'évasement e du cornet: e = arctg /(W + T)/H17, o W est la largeur du canal, T est l'épaisseur de la paroi du canal, et I1 est la profondeur du canal au niveau de la paroi latérale interne, comme indiqué sur la figure 2. Un modèle typique (l'un parmi de nombreux modèles qui ont été fabriqués et essayés à 12,45 - 0,25 GHz) possède les dimensions suivantes: profondeur de canal H = 6,15 n (0,255 X 0) largeur de canal W = 3,3 mm (0, 137 X 0) épaisseur de paroi T = 0,76 mm (0,032 0) ouverture du cornet A = 41,91 n (1,74 0) angle d'évasement du cornet 8 = 34 \0 = longueur d'onde dans le vide à la fréquence de travail centrale A 12,45 GHz, un cornet normal sans éléments de piégeage ayant un angle d'évasement de 34 et un diamètre d'ouverture de 41,91 mm possède des largeurs de faisceau à -10 dB dans les plans E et H valant respectivement 67 et 76 . Le lobe latéral maximal (plan E) et les niveauxdu lobe postérieur sont compris entre -18 et -20 dB approxima- tivement. Le modèle de cornet à éléments de piégeage conique représenté sur la figure 2 (ayant les dimensions ci-dessus indiquées) fournit les largeurs de faisceau à -10 dB suivantes: Fréquence (GHz) Largeur de faisceau E H 12,20 71 71 12,45 72 72 12,70 73,5 73,50 Pour toute fréquence donnée comprise entre 12,2 et 12,7 GHz, les formes des diagrammes dans les plans E et H restent identiques, environ jusqu'au niveau -15 dB. Ce haut degré de symétrie des diagrammes produit de très bonnes caractéristiques de polarisa- tion croisée lorsque ce cornet est utilisé pour éclairer un réflecteur parabolique symétrique. Si l'on utilise ce cornet pour rayonner une onde à polarisation circulaire, le rapport axial doit être extrêmement bon sur une largeur de faisceau d'environ 100 . Le modèle de cornet à piégeage conique représenté sur la figure 2 comporte trois canaux annulaires concentriques, ou sections de piégeage HF. Les dimensions H, W et T déterminent l'angle d'évasement e et le diamètre d'ouverture A. La dimension H est nominalement fixée à 0,25 fois la longueur d'onde dans le vide pour l'extrémité inférieure de la fréquence de travail, par exemple. Dans l'exemple déjà décrit (c'est-à-dire o la fréquence vaut 12,45 GHz, e vaut 34 , A vaut 41,91 mm), la largeur de faisceau à -10 dB vaut 72 . Si l'on souhaite avoir une largeur de faisceau plus étendue ou plus étroite, il faut respectivement diminuer ou augmenter le diamètre d'ouverture. On peut réaliser cela, dans certaines limites, en modifiant la dimension W ou T. Toutefois, il semble que l'on obtiendra les meilleurs résultats en donnant à la largeur de canal W une valeur comprise entre environ 0,05 et 0,20 fois la longueur d'onde dans le vide pour la fréquence de travail centrale de l'élément rayonnant. L'épaisseur T de la paroi du canal doit raisonnablement rester mince, soit environ 0, 03 fois la longueur d'onde correspondant à la fréquence de travail, qui est une valeur pratique pour l'épaisseur dans la plupart des modèles. A l'intérieur de ces limites des dimensions, on peut faire varier un modèle à trois canaux (à trois pièges HF) de e = 18 et A = 1,2 longueur d'onde à e = 36 et A = 2,18 longueur d'onde environ. Toutefois, on peut également construire le cornet à variation progressive selon l'inven- tion de façon qu'il comporte un ou plusieurs canaux, ou sections de piégeage HF, comme représentésur les figures 3, 4 et 5. Les largeurs de faisceau dans les plans E et H restent égales, comme le montrent les données mesurées qui sont présentées dans le tableau ci-dessous. Nombre Largeur Diamètre Angle Largeur Valeur maximale de du d'ouverd'évasement de pour les lobes canaux canal ture faisceau latéraux et le à -10 dB lobe arrière (W) (A) (e) E H (dB)- 1 3,18 mm 25,4 mm 33,2 109 109 - 18 2 1,27 mm 27,94 mm 18,6 102 102 - 20 3 3,3 mm 41,91 mm 34,0 72 72 - 28 3 3,81 mm 44,96 mm 37,2 68 68 - 29 4 3,3 mm 50,03 mm 34,0 64 64 - 28 Des expériences ont montré qu'un réglage d"'accord fin" pouvait être exercé sur les largeurs de faisceau par ajustement de la longueur de la paroi extérieure désignée par H sur la figure 2. N En donnant à H ue longueur inférieure à %0/4 (longueur d'onde dans le vide), on amène la largeur de faisceau dans le plan H à être légèrement plus grande que la largeur de faisceau dans le plan E. En donnant à HN une valeur supérieure à %0/4, on amène la largeur de faisceau dans le plan H à être légèrement inférieure à la largeur de faisceau dans le plan E. Lorsque H vaut %0/4, les largeurs de N O faisceau dans les plans E et H sont égales ou presque égales. Le cornet peut également être un cornet pyramidal, comme indiqué sur la vue en bout de la figure 6.- Dans ce cas, le cornet pyramidal 22 est alimenté par un guide d'onde rectangulaire 23. Une configuration de cornet pyramidal à trois canaux aurait le même profil en section droite que le cornet conique de la figure 2. On lui appliquerait les mêmes valeurs pour la profondeur de canal, l'épaisseur de paroi et la largeur de canal. Un cornet selon l'invention convient particulièrement à un système d'antenne pour source primaire à décalage o le réflec- teur 30 est une section de paraboloîde de révolution, le bord 31 passant presque par le sommet, comme représenté sur la figure 7. Le cornet à variation progressive 33 tel que ci-dessus décrit en relation avec la figure 7 par exemple est placé en un foyer F du réflecteur 30. Le cornet 33 pour source primaire est incliné d'un certain angle par rapport à l'axe focal du réflecteur de façon à optimiser l'éclairage du réflecteur 30 et ainsi réaliser un couplage HF maximal des signaux parallèles à l'axe focal. Le cornet pour source primaire destiné à un réflecteur à décalage demande des niveaux bas pour les lobes latéraux et le lobe arrière, ainsi qu'un faisceau principal présentant la symétrie de rotation et ayant une largeur de faisceau à -10 dB typique d'environ 72 . Le cornet pour source primaire 33 peut par exemple être identique à celui présenté sur la figure 2 et il peut avoir les dimensions données en relation avec celle-ci. Le cornet évasé ci-dessus décrit possède des canaux 19 orientés parallèlement à l'axe du cornet lui-même. Ceci signifie que, lorsque l'on retire les moitiés du moule dans un sens d'écarte- ment par rapport à la direction de l'axe de symétrie du cornet, il n'est produit aucune gêne. Dans les modèles o les rainures, parties saillantes, etc. sont perpendiculaires ou situées suivant un angle quelconque par rapport à l'axe de symétrie du cornet, comme par exemple dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique cité ci-dessus, la fabrication à l'aide de techniques peu coûteuses de moulage ou de moulage sous pression est impossible puisque la pièce finie ne peut être retirée du moule. Des modèles de ce type doivent être fabriqués à l'aide de coûteuses techniques d'usinage. Le dispositif selon l'invention peut être facilement fabriqué par des techniques simples et économiques de moulage ou de moulage sous pression en raison de l'alignement des canaux. Pour des systèmes d'antenne de faible coit, comme par exemple le type néces- saire pour les terminaux de réception de télévision des satellites domestiques, le cornet selon l'invention répond à un besoin de haute performance et de coût bas, lesquels sont demandés à un cornet pour source primaire devant éclairer un réflecteur parabolique symétrique ou décalé ou tout autre réflecteur. Le cornet selon l'invention peut être moulé en matière plastique, et ses surfaces internes, y compris celles des canaux, peuvent être métallisées ultérieurement au moyen de l'une quelconque des nombreuses techniques normales de métallisa- tion permettant de former des surfaces conductrices. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du dispositif dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Antenne micro-onde fonctionnant sur un intervalle donné de fréquences micro-onde et comprenant: un cornet possédant des surfaces de translation d'onde à variation progressive métal- liques, et un moyen permettant de modifier les conditions aux limites pour les ondes émanant dudit cornet; caractériséeen ce que: ledit moyen comprend un ou plusieurs canaux à surface métallique (19) se trouvant dans lesdites surfaces de translation d'onde à variation progressive; et chacun de ces canaux est symétrique par rapport à l'axe de symétrie (15a) dudit cornet et se prolonge parallèlement à celui-ci. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que chacun desdits canaux est en forme d'anneau circulaire et est concentrique à l'axe de symétrie dudit cornet. 3. Antenne selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la profondeur de chacun desdits canaux par rapport auxdites surfaces de translation (19b) adjacentesau canal varie, sur l'étendue de la largeur (W) du canal, entre une profondeur (H) qui vaut environ le quart de la longueur d'onde correspondant à l'une desdites fréquences micro-onde et une profondeur (2H) qui vaut environ la moitié de cette longueur d'onde. 4. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'il existe plusieurs de ces dits canaux; des parois latérales (19c, 19d) de chacun desdits canaux se prolongent jusqu'à une paroi de fond (19a) de celui-ci; ladite paroi de fond de l'un donné desdits canaux se trouve approximativement au milieu de la paroi latérale extérieure du canal situé immédiatement à l'intérieur par rapport au canal donné; les bords libres (19b) des parois latérales se trouvant entre canaux adjacents forment des parties respectives desdites surfaces à variation progressive; et les bords libres respectifs des parois latérales desdits canaux, de celui desdits canaux qui est le plus éloigné dudit axe de symétrie à celui desdits canaux qui est le plus proche dudit axe de symétrie, sont progres- sivement plus proches de l'extrémité étroite dudit cornet. 5. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dont le cornet est placé à une extrémité d'un guide d'onde (17), caractérisée en ce qu'une paroi latérale extérieure de celui desdits canaux qui est le plus proche de l'axe de symétrie est formée par une surface métallique d'un anneau dont la section droite est plus grande que la section droite dudit guide d'onde et qui s'étend parallèlement audit axe de symétrie; et en ce que les parois laté- rales d'autres canaux, s'il en existe, sont formées par des surfaces métalliques d'anneaux supplémentaires respectifs, qui ont des sections droites de plus en plus grandes et qui sont également orientées parallèlement à l'axe de symétrie. 6. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit cornet est moulé en matière plastique, les parois desdits canaux étant métallisées. 7. Système d'antenne pour source primaire à décalage, caractérisé en ce qu'il comprend un cornet d'une antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, et un réflecteur (30) possédant une ouverture d'éclairage et comprenant une section de paraboloide de révolution, le réflecteur ayant un sommet voisin d'un de ses bords (31) et un foyer (F), ledit cornet (33) étant écarté dudit réflecteur et étant, par ailleurs, disposé de façon que ledit foyer se trouve à l'intérieur dudit cornet et que ledit cornet soit orienté de façon à optimiser l'éclairage du réflecteur. cornet soit orienté de façon à optimiser l'éclairage du réflecteur.