Brevet FR2571898A1 — publié le 19860418

La présente invention concerne une structure de réflecteur d'antenne destinée à un système d'antenne à réutiLisa- tion de fréquence ou de spectre. En particuLier, la structure comporte deux cuvettes en chevauchement, o chaque cuvette comprend une grille faite de conducteurs métalliques de polarisation Linéaire, la grille d'une cuvette étant orientée perpendiculairement à La grille de l'autre cuvette. Un système d'antenne qui réalise une réutilisation de fréquence au moyen de réflecteurs et de sources polarisés per- pendiculairement trouve un large emploi dans le domaine des appli- cations aux satellites. Dans ce domaine, il est également souhai- table que l'antenne soit compacte et d'un poids léger. Chacun des réflecteurs polarisés perpendiculairement comporte une grille faite de conducteurs parallèles étroitement rapprochés qui sont orientés parallèlement à l'une de deux sources en polarisation linéaire perpendiculaire. Un exemple d'un semblable système d'antenne est donné dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 898 667. La structure d'antenne peut être formée de deux cuvettes paraboliques, une cuvette contenant une première grille de conducteurs parallèles orientés suivant une première direction et alignés avec la polarisation de la première source et un deuxième réflecteur chevauchant le premier réflecteur et ayant sa grille faite de conducteurs parallèles orientés perpendiculairement à la première grille de conducteurs parallèles et alignés sur la polarisation de l'autre source. Dans le brevet des EtatsUnis d'Amérique ci-dessus cité, les réflecteurs se recouvrent de façon que les foyers respectifs soient non coïncidents. Une structure de réflecteur à grille double est également décrite dans le brevet des Etats- Unis d'Amérique no 3 096 519 et dans un article intitulé "The SPS Communications Satellites - An Integrated Design", de H. A. Rosen, repéré par CH1352-4/78/000-0343 et publié par IEEE, pages 343 à 347. Dans La demande de brevet français n 83-13 323 déposée le 16 août 1983 par la demanderesse, deux cuvettes de réflecteurs paraboliques sont disposées l'une au-dessus de l'autre à une certaine distance et sont réunies entre elles par une structure de nervures. La structure de nervures, qui est fixée 71898 en position intermédiaire, soutient et fait partie de la structure, est faite de manière générale en un matériau du type diélectrique. Une première des nervures de la structure est annulaire et s'étend suivant la périphérie des cuvettes de réflecteurs o les cuvettes se chevauchent l'une l'autre. Une deuxième des nervures de La structure est concentrique à la première nervure. La deuxième nervure également réunit les deux cuvettes paraboliques. Plusieurs nervures supplémentaires sont disposées radialement entre la première et la deuxième nervure annulaires. Les diverses nervures présentent une structure en sandwich, comprenant des feuilles de tissu de polyparabenzamide multicouche renforcées par de l'époxy et un noyau en nid d'abeilles renforcé de tissu de polyparabenza- mide en une seule couche. Ces nervures sont considérées comme transparentes vis-à-vis des fréquences radioélectriques. Toutefois, les nervures provoquent un retard de phase relatif pour les signaux passant dans la structure d'antenne. En conséquence, les nervures altèrent les signaux qui les traversent pour atteindre la cuvette de réflecteur en chevauchement et déforment les caractéristiques du diagramme de l'antenne. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les nervures de support situés entre deux. cuvettes de réflecteurs en chevauchement sont orientées linéairement de façon à être per- pendiculaires ou bien parallèles à la direction des conducteurs de polarisation de la cuvette de réflecteur en chevauchement, de manière à produire une distorsion minimale des signaux qui sont propages jusqu'aux conducteurs de polarisation ou sont réfléchis par ceux-ci. Ces nervures de support linéaires sont également séparées d'une distance aussi grande que cela est pratiquement possible à l'extérieur de la région à haute intensité de champ. La description suivante, conçue à titre d'illustra- tion de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés parmi lesquels: - la figyre 1 est une vue en élévation de face du système de réflecteur selon un mode de réalisation de l'invention; 257 1898 - la figure 2 est une section droite du système d'antenne suivant les lignes 2-2 de la figure 1; - La figure 3 présente une distribution typique du champ pour le genre d'antenne représenté et un schéma indiquant la position voulue des nervures pour cette distribution du champ; - la figure 4 est un schéma du système de réflecteur de la figure 1 o la cuvette avant a été retirée pour montrer la position des nervures de support selon un mode de réalisation de l'invention permettant la distribution de champ indiquée sur la figure 3; - la figure 5 montre la position des nervures de support dans un autre mode de réalisation de l'invention; - la figure 6 montre la position des nervures de support assurant un support supplémentaire lorsque la distribution de champ de la figure 3 est demandée; et - la figure 7 montre l'arrière du deuxième réflecteur et le moyen de montage permettant la connexion au satellite. Les figures 1 et 2 montrent une structure 10 pour un ensemble réflecteur d'antenne de télécommunication. La struc- ture 10 comprend une première cuvette de réflecteur parabolique 11 montée en décalage au-dessus d'une deuxième cuvette de réflecteur parabolique 13. Chaque cuvette de réflecteur a la forme d'une section circulaire tronquée de parabole de révolution et présente les surfaces réfléchissantes que décrivent les équations suivantes: U2 + V2 = 4fW, o U et V sont les coordonnées de tout point de la surface réfléchissante et f est la distance -focale du réflecteur. Cette équation décrit la surface de révolution par rapport à un axe W (non représenté), centrée en U=V=W=O. Le centre est couramment appelé le sommet. Le sommet de la section représentée sur la figure 1 est voisin du point médian du bord inférieur 11a de la cuvette 11. Les cuvettes de réflecteurs 11 et 13 sont chacune par exemple constituées d'un noyau en nid d'abeilles formé d'un tissu de Kevlar renforcé par de l'époxy, de préférence un tissu en Kevlar de DuPont, du type 120. Le noyau peut avoir une épaisseur 71898 de 0,32 à 1,27 cm par exemple. Keviar est une marque déposée de la société E.I. DuPont pour un matériau de polyparabenzamide se présentant sous forme de fibres ou sous forme d'un tissu tissé. Le noyau comprend, placés côte à côte, des rubans de tissu, sous forme non ondulée, qui sont liés les uns aux autres de manière à former Les cellules hexagonales d'un nid d'abeilles, chaque cellule ayant une dimension longitudinale perpendiculaire à la direction du ruban. Le noyau en nid d'abeilles a la forme d'un paraboloide comme ci-dessus décrit. Une feuille, formant une première face, se trouvant au-dessus du noyau comprend deux couches de tissu cd Kevar renforcé par de l'époxy. La couche de face se trouve au-dessus de la face du noyau en nid d'abeilles peut toutefois comprendre plus de deux couches ou moins de deux couches. La couche est liée à la face du noyau de façon que sa chaîne (le terme'bhaine" se rapporte à la direction dans laquelle des fibres principales sont paral- lèlement disposées, tandis que les fibres secondaires sont per- pendiculaires à celles-ci et sont appelées "charge") fasse un certain angle avec la direction du ruban. A titre d'exemple, cet angle peut être de 45 . La couche extérieure se trouve suivant une chaîne à 0 , soit la direction des rubans. Sur cette couche extérieure, est fixée une couche de grille 20. La couche de grille 20 comprend une grille faite de conducteurs électriques 33 parallèLement écartés, par exemple des bandes de cuivre, qui sont fixées dans un milieu transparent vis- à-vis des fréquences radioélectriques, par exemple polymide (un tel matériau est connu sous l'appellation "Kapton", marque déposée de la société DuPont.) La grille de conducteurs 33 est perpendi- culaire à la direction des rubans. On peut former la grille en appliquant des bandes diélectriques courbes souples séparées contenant des conducteurs imprimés, ou formés d'une autre manière, ces bandes diélectriques qui portent des conducteurs imprimés étant disposées une à une sur la cuvette parabolique. Les bandes diélectriques sont minces et sont incurvées de manière appropriée pour se trouver dans la surface concave d'une cuvette parabolique. Un exemple de technique de construction suivant laquelle on lie 7 1898 un unique ensemble de conducteurs en bandes à une cuvette para- bolique est décrit et illustré dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 001 836. Le rôle joué par cette disposition en - réseau est de permettre des utilisations simultanées indépendantes des deux polarisations linéaires perpendiculaires. La feuille constituant la face inférieure, ou dorsale,de la cuvette de réflecteur comprend deux couches de tissu de Kevlar renforcées par un matériau du type époxy. Ces couches sont liées à la face inférieure du noyau. Les conducteurs 33 s'étendent sensiblement de manière à couper les cuvettes de réflecteurs 11 et 13 et semblent parallèles entre eux, lorsqu'on observe suivant la direction de propagation. Les conducteurs 33 de la grille 21 de la cuvette sont horizontaux par exemple afin de recevoir des ondes horizontalement polarisées au niveau d'un cornet 12 horizontalement polarisé se trouvant en un point source F1 sur la figure 2. La grille 22 de conducteurs 33 de la cuvette 13 est orientée perpendiculairement à la grille de conducteur 33 de la cuvette 11 et répond donc à des signaux verti- calement polarisés émanant d'un cornet 14 verticalement polarisé se trouvant en un point source F2. Les points sources F1 et F2 représentent respectivement les foyers des deux cuvettes de réflecteurs décalées 11 et 13. Les deux cuvettes de réflecteurs 11 et 13 et les cornets sources sont montés en décalage de façon que leurs axes focaux soient parallèles et légèrement décalés les uns des autres de manière analogue à celle présentée dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 898 667 cité cidessus. Les cornets 12 et 14 sont inclinés de manière à centrer le rayonnement sur le centre des cuvettes 11 et 13. Les deux cuvettes de réflecteurs 11 et 13 sont montées suivant une relation de chevauchement mutuel au moyen d'un réseau de nervures de support de raidissement commun formant une structure de "super-sandwich". Par le terme "super-sandwich", on entend une structure comprenant plusieurs couches disposées en sandwich qui sont combinées en une structure en sandwich supplémentaire, à savoir des couches multiples en sandwich qui sont combinées pour 71898 former un sandwich composite dont les éléments sont des structures en sandwich. On a trouvé que, grâce à cette structure, il était possible d'empiler l'une au-dessus de l'autre deux surfaces réflé- chissantes répondant à des ondes perpendiculairement polarisées, et qu'on obtenait un encombrement optimal pour les surfaces réflé- chissantes de l'antenne à l'intérieur d'un volume limité. Ceci est hautement souhaitable en ce qui concerne les satellites. Il a été découvert que ces nervures de support et de raidissement disposées entre les cuvettes réfléchissantes perturbaient le diagramme voulu pour l'antenne. Avec la structure d'antenne décrite dans la demande de brevet français n 83-13 323 citée ci-dessus, la structure de nervures comportait une bague circulaire interne et quatre pointes radiales. Des essais expé- rimentaux menés sur cette structure ont révélé que ce type de géométrie conduisait à une dégradation des performances de gain de l'antenne. Il a été déterminé que la bague interne était une cause prédominante de cette dégradation des performances. La source transmet ou reçoit deux signaux linéairement polarisés perpendiculaires P1 et P2. Si l'on suppose que la cuvette supérieure 11 fait fonction de réflecteur pour l'énergie du signal de polarisation horizontale P1 par exemple, alors elle est presque opaque aux signaux de la polarisation verticale perpendiculaire P2. Les signaux P2 de polarisation verticale sont réfléchis par le réflecteur inférieur, ou partiellement recouvert par chevauchement, 13. Les signaux P2 sont dans ce cas gênés par les nervures de support et de raidissement qui sont placés entre les deux cuvettes. Dans le cas de la demande de brevet ci-dessus citée, cette struc- ture gênante est la bague circulaire interne et les pointes radiales. La bague circulaire interne située au voisinage de la périphérie n'a que peu ou pas d'effet puisqu'elle se trouve hors de la région o le champ est élevé. Les nervures de support et de raidissement peuvent introduire des retards de phase inégaux dans les signaux P2, ce qui produit des obstructions du signal P2. Les nervures de support amènent une partie du signal voulu à rayonner non dans la polarisation linéaire voulue, mais suivant une polarisation per- pendiculaire et provoquent donc une perte de gain de l'antenne. 257 1898 Ainsi, en général, la présence de ces nervures de support est cause d'une perte de performance des signaux verticalement polarisés P2. Une élimination totale de ces nervures est souhaitable, mais n'est généralement pas possible en raison des contraintes mécaniques rencontrées pour satisfaire la nécessité de maintenir les deux cuvettes de réflecteurs ensemble suivant un système de support structurel combiné. Selon les enseignements de la présente invention, il est possible d'optimiser le positionnement et l'orientation des nervures de support de façon que celles-ci aient un impact minimal sur le bon comportement électrique des signaux verticale- ment polarisés P2. Selon les enseignements présentement apportés, on produit une structure d'antenne perfectionnée en déterminant tout d'abord la distribution du champ autour de l'ouverture de la cuvette de réflecteur d'antenne recouverte en chevauchement, puis en orientant les supports ou nervures à l'extérieur de la région o le champ est élevé. Il est possible de déterminer la distribution du champ au moyen d'équations bien connues ou par des mesures. On peut par exemple se reporter à The Handbook of Antenna Desiqn, Volume 1, A.W. Rudge et al., publié par Peter Peregrinus Ltd., Londres, Grande-Bretagne pour le compte de l'Institute of Electrical Engineers, 1982, p. 190-196. Dans le cas d'une antenne destinée à rayonner sur la région continentale des Etats-Unis d'Amérique par exemple, l'ouverture de l'antenne aurait une distribution de champ typique telle que présentesur la figure 3. Cette distribution de champ a été obtenue par l'emploi de plusieurs cornets et a donné le dia- gramme ainsi conformé. La détermination a été faite au moyen d'équations bien connues pouvant par exemple être trouvées dans l'ouvrage cité ci-dessus. Dans cet exemple, la périphérie de la cuvette 13 de réflecteur recouverte en chevauchement, ou inférieure, est représentée par la ligne interrompue 15 quasi-circulaire. Selon les enseignements de l'invention, pour minimiser l'effet des nervures de support s'étendant au travers du réflecteur 13, on 71898 dispose les nervures de support comme indiqué par les Lignes 34a et 35a à tirets aLlongés de la figure 3, à L'extérieur des régions de champ à haute intensité. L'intensité du champ est signalée généralement par les courbes et les niveaux indiqués en décibels, comptés à partir du maximum, ou zéro, au centre. La courbe à l'extérieur présente 21 dB depuis le maximum, soit - 21 dB. On note que les nervures sont bien extérieures de la région -15 dB. De plus, selon l'invention, les nervures de sup- port, au lieu d'être incurvées comme l'est la nervure circulaire interne ou en diagonale comme les nervures radiales de la demande de brevet cidessus indiquée, sont orientées parallèlement ou perpendiculairement à la cuvette de réflecteur 13 recouverte en chevauchement, qui, dans ce cas, est dans la direction verticale. -En rendant ces nervures de support perpendiculaires ou parallèles à la polarisation des conducteurs du réflecteur arrière, on minimise le passage à la polarisation perpendiculaire non voulue. Ainsi, selon les enseignements présentement donnés, les-nervures de sup- port sont placées à l'extérieur des régions à champ élevé de façon à minimiser l'interaction avec les régions à champ élevé, et les nervures de support sont orientées parallèlement ou perpendiculaire- ment à la polarisation de la cuvette de réflecteur arrière. Selon ces enseignements, comme on peut le voir sous la forme des lignes en trait interrompu de la figure 1, les nervures de support 34 et 35 séparent les deux cuvettes de réflecteurs 11 et 13. Les nervures 34 et 35 sont parallèles à la grille 21 des conducteurs 33 de la cuvette de réflecteur d'antenne arrière 13 et sont perpendiculaires à la grille 22 des conducteurs 33 de la cuvette de réflecteur avant 11. Les nervures de support 34 et 35 s'étendent parallèlement entre elles et sont reliées à la nervure annulaire 44 qui s'étend suivant la périphérie des réflec- teurs 11 et 13. Les nervures de support 34 et 35 sont généralement rectilignes et parallèles aux conducteurs de la cuvette de réflec- teur 13. La profondeur D de chacune dés nervures 34 et 35 suit la forme des cuvettes de réflecteurs 11 et 13 et l'écartement voulu. 2 5 7 1898 Par exemple, cet écartement varie de 2,54 à 12,70 cm. La nervure annulaire 44 suit la frontière des cuvettes et est droite au voisinage des bords inférieurs tronqués 11a et 13a. La figure 4 représente une vue avant de la cuvette de réflecteur arrière 13 et du réseau de nervures lorsque la cuvette de réflecteur avant 11 a été retirée. On considère ensuite une distribution de champs élevés devant l'ouverture de la cuvette d'antenne recouverte 13 qui est différente de la distribution indiquée sur la figure 3. Cette distribution différente est plus importante en largeur et plus étroite en hauteur, comme représenté par la ligne en trait interrompu 50 de la figure 5. Pour la distribution de la figure 5, on oriente les nervures de support 41 et 42 perpendiculairement aux conducteurs 33 de la grille arrière de façon qu'elles soient à l'extérieur de la région du champ élevé. Les nervures 41 et 42 sont suffisamment écartées l'une de l'autre pour être à l'extérieur de la région de champ élevé qui est indiquée par la ligne 50 en trait interrompu. Les nervures 41 et 42 peuvent être fixées, de la même façon, à la nervure annulaire 44 s'étendant au voisinage de la périphérie des cuvettes. Il peut arriver que des nervures de support supplé- mentaires soient nécessaires pour la structure et la distribution de champ respectivement présenté sur les figures 1 et 3. Il est possible de réaliser un tel support supplémentaire tout en limitant les pertes supplémentaires au moyen de nervures supplémentaires disposées parallèlement aux nervures représentées par les lignes 34 et 35. Dans le cas o une résistance plus grande est nécessaire au voisinage du centre, ces.nervures supplémentaires, indiquées par la référence 80 sur la figure 6, peuvent être disposées perpendi- culairement aux nervures 34 et 35. Touteslesnervures supplémentaires, comme 80, sont, de la même façon que les nervures 34 et 35, placées aussi loin que possible de la région à champ élevé. La figure 7 est une vue de dos du système d'antenne perfectionné de la figure 1. La cuvette de réflecteur inférieure 13 et la cuvette de réflecteur supérieure 11 sont montées, avec les nervures 34 et 35, sur un support tel qu'un engin spatial 74, 71898 indiqué sur la figure 2. Deux nervures en croix 36 et 37 sont liées à l'époxy sur Le dos de la cuvette de réflecteur 13. Quatre montants ou pattes 52, 54, 56 et 58 sont fixés au moyen d'époxy sur le dos de la cuvette de réflecteur 13 en des points placés derrière les nervures 34 et 35. Chacune des pattes comporte une bague d'ajustement servant au montage des nervures 36 et 38. Des goussets de support 25 sont reliés aux bagues d'ajustement et aux réflecteurs et passent sur les nervures 34 et 35. Selon les enseignements de l'invention, le réali- sateur d'un tel système d'antenne à grille double déterminera d'abord la distribution du champ passant dans l'ouverture de l'antenne qui doit varier en fonction du diagramme de rayonnement voulu pour L'antenne. Sur cette base, il placera les nervures de support, par exempLe 34 et 35 entre les cuvettes de façon que les croisements des nervures de support avec les régions à champ intense soient minimisés. Les nervures de support, une fois en place, seront parallèles ou perpendiculaires aux conducteurs du réflecteur arrière. Alors que le mode de réalisation ci- dessus présenté décrit des réflecteurs paraboliques, l'invention peut être appliquée à toute forme de réflecteur à grille. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du procédé et du dispositif dont la descrip- tion vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nulle- ment limitatif diverses autres variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. 257 1898 REVENDICATIONS 1. Procédé de construction d'un système réflecteur d'antenne à grille double du type comprenant une paire de cuvettes de réflecteurs polarisées ayant chacunedes conducteurs orientés parallèles, L'une des cuvettes de réflecteurs étant montée au- dessus de l'autre cuvette à une certaine distance de celle-ci au moyen de nervures de support, de sorte que l'orientation des con- ducteurs du réflecteur recouvert en chevauchement soit alignée avec une source de rayonnement linéairement polarisée voulue et soit perpendiculaire à celle des conducteurs de l'autre réflecteur, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: établir la distribution prévue du champ électrique en travers de l'ouverture de la cuvette de réflecteur recouverte en chevauchement en provenance de la source de rayonnement linéaire- ment polarisée voulu, et mettre en place les nervures de support de façon qu'elles soient parallèles ou bien perpendiculaires à l'orientation des conducteurs de la cuvette de réflecteur recouverte en chevau- chement et de façon qu'elles se trouvent sensiblement à l'extérieur de la région établie comme ayant un champ élevé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans l'opération de mise en place, on place lesdites nervures de support parallèlement à l'orientation des conducteurs de la cuvette de réflecteur recouverte en chevauchement. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans l'opération de mise en place, on place lesdites nervures de support perpendiculairement à l'orientation des con- ducteurs de la cuvette de réflecteur recouverte en chevauchement. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans l'opération de mise en place, on place certaines desdites nervures de support perpendiculairement à l'orientation des conducteurs de la cuvette recouverte en chevauchement et on place d'autres desdits éléments de support parallèlement à cette orientation. 71898 Système réflecteur d'antenne à grille double pour système d'antenne à réutilisation de spectre comportant deux sources de rayonnement linéairement polarisées à angle droit, ledit système de réflecteur étant caractérisé en ce qu'il comprend: deux cuvettes de réflecteurs (11, 13) ayant chacune une grille de conducteurs réfléchissantsparallèLes (33), les conducteurs de chaque grille apparaissant parallèles entre eux depuis l'une desdites sources de rayonnement linéaire; et un moyen (44) servant à monter une première desdites cuvettes de réflecteur à une certaine distance d'écartement au-dessus de ladite deuxième cuvette de réflecteur par rapport auxdites sources de rayonnement de manière qu'elle chevauche sensiblement ladite deuxième cuvette de réflecteur et de sorte que la grille de conducteurs réfléchissants de ladite première cuvette de réflecteur soit perpendiculaire à la grille de conducteursde ladite deuxième cuvette de réflecteur; et en ce que ledit moyen de montage comporte des nervures de support linéaires (34, ) s'étendant entravers desdites cuvettes, chacune desdites ner- vures de support étant orientée parallèLement ou bien perpendi- culairement à l'orientation des conducteurs de la deuxième cuvette de réflecteur (13). 6. Système seLon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites nervures de support sont montées sensiblement à L'extérieur de la région de ladite source de rayonnement linéaire ayant un champ élevé. 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit moyen de montage comporte une nervure périphérique (44) s'étendant au voisinage de la périphérie desdites cuvettes de réflecteurs et entre lesdites cuvettes, et en ce que lesdites ner- vures de support (34, 35) s'étendent en travers desdites cuvettes de façon que leurs extrémités respectives se réunissent à ladite nervure périphérique. 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdites cuvettes de réflecteurs sont chacune des coupes d'un paraboloide. 9. Système seLon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite nervure périphérique est sensiblement circulaire. 10. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que Lesdites nervures de support sont paraLLèles à l'orientation des conducteurs de la deuxième cuvette de réflecteur. 11. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites nervures de support sont perpendiculaires à l'orientation des conducteurs de la deuxième cuvette de réflecteur.