Brevet FR2577074A1 — publié le 19860808

Antenne multiréflecteur à faisceau conformé", L'invention concerne une antenne, notamment destinée à la couverture, depuis un satellite, d'une région terrestre à contours prescrits, avec deux polarisations orthogonales bien découplées. On sait que l'utilisation de deux polarisations orthogonales.permet de doubler la capacité de communication d'un satellite, à la condition qu'on obtienne une très bonne isolation entre les deux signaux polarisés. D'autre part, on sait également que la réalisation d'antennes à faisceau conformé, permettant de couvrir des zones terrestres délimitées spécifiques, à savoir généralement un pays ou un groupe de pays donnés, constitue une préoccupation actuelle importante pour la réalisation de la nouvelle génération de satellites de communication. L'augmentation du trafic et les limitations des bandes de fréquence disponibles conduisent en effet à mettre en oeuvre des antennes complexes, dont les faisceaux à contours prescrits, ou à lobes latéraux très bas, sont compatibles avec la réutilisation de fréquence. La solution développée par la présente invention concerne une antenne comportant un réflecteur principal à source primaire unique décalée, coopérant avec un ou plusieurs réflecteurs auxiliaires. On connait déjà des antennes à réflecteur bigrille et à source multiple, permettant d'obtenir une émission de deux signaux polarisés orthogonalement (brevet USSN 665 933 ASE). Comme on peut le voir en figure 1, ce document décrit un type d'antennes comprenant un système 1 réflecteur à deux grilles 2,3 décalée, l'une réfléchissant une polarisation, et l'autre la polarisation orthogonale. Ces deux grilles 2,3 sont des portions de paraboloides, aux foyers desquels sont disposés deux systèmes multisources 4,5, émettant -la polarisation correspondant à la grille 2,3 avec laquelle ils ox*rentchacun respectivement. Le très faible niveau de polarisation croisée est assuré par l'emploi des grilles, et le contour du diagramme de rayonnement est contrôlé par les systèmes multisources 4,5, En outre, l'avantage de ces antennes tient au fait que les deux polarisations peuvent rayonner des faisceaux différents. Néanmoins, ces antennes sont d'une réalisation re A lativement complexe, et couteuse, notamment du fait des réflec- teurs bigrilles, et des sources primaires multiples. La solution multisources exige des répartiteurs complexes, lourds et couteux. Enfin, le rendement de ces antennes est grèvé par les pertes apparaissant dans les répartiteurs et au niveau des réflecteurs. On connait également les antennes du type à un seul réflecteur 10 à source 13 décalée, et dont la surface est conformée (figure 2). Le diagramme de rayonnement de ces antennes est modelé par le fait que la surface active 11 du réflecteur 10 est déformée par rapport à une surface de départ 12 parabolordale, de manière à concentrer les rayons réfléchis dans le domaine angulaire souhaité. L'émission des deux signaux polarisés par la source primaire unique 13 est assurée par un coupleur orthomode 14. Afin d'obtenir un niveau de polarisation croisée très faible avec une telle antenne, il existe deux solutions - on peut tout d'abord utiliser un réflecteur bigrille à surfaces formées et à deux sources correspondant chacune à une polarisation. Toutefois, cette solution ramène au système multisources bigrille décrit précédemment, dont il présente la plupart des inconvénients quand bien même la complexité des sources primaires est réduite. - on peut également éloigner de manière importante la source 13 du réflecteur 10, de façon à obtenir un rapport élevé entre cette distance et le diamètre du réflecteur. Cette solution permet en effet de limiter la polarisation croisée induite par le réflecteur, mais jamais de l'annuler complètement. En outre, une telle solution entrasse un encombrement important On connait enfin le dispositif décrit par Xizugutch dans AP-S International Symposium 1976, Amherst, gauss, 11-15 Oct. 1976, p.25. Comme représenté en figure 3, l'antenne est munie d'un réflecteur parabolique principal 20, coopérant avec un deuxième réflecteur asymétrique 21,22, assurant l'élimination de la polarisation croisée. Une des solutions décrites consiste à utiliser une antenne de Gregory à réflecteur secondaire 21 ellipsoidal (figure 3a) ou encore une antenneCassegrain, à réflecteur secondaire hyperboiodal (figure 3b).L'élimination de la dépolarisation croisée est obtenue en choisissant et en disposant les réflecteurs et la source primaire 23 selon des conditions bien précises. Toutefois, cette configuration ne permet pas de conformer le faisceau réfléchi, afin de réaliser la couverture d'une région terrestre bien définie. En conséquence, l'objectif de l'invention est de fournir une antenne à source décalée, qui puisse couvrir depuis un satellite unerégion terrestre bien délimitée, avec deux polarisations orthogonales bien découplées tout en remédiant aux inconvénients mentionnés précédemment: A cet effet, l'antenne selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un réflecteur principal sensiblement paraboloidal, illuminé par une source unique décalée, en ce que ledit réflecteur principal coopère avec au moins un réflecteur auxiliaire d'élimination de la polarisation croisée, et en ce que la surface dudit réflecteur principal est déformée par rapport à son parabdolde de base pour conformer le faisceau rayonné à ladite région terrestre à contours prescrits. Les deux caractéristiques essentielles recherchées sont donc atteintes par ce type d'antenne - la déformation du parabololde de base assure la conformation du faisceau rayonné; - la présence d'un ou plusieurs réflecteurs auxiliaires réalise l'élimination de la polarisation croisée. A cet égard, et selon un mode de réalisation préférentielle, le réflecteur auxiliaire est choisi et positionné par rapport au réflecteur principal de façon à vérifier la condition de Mizugutch. Au total, la conception et la structure de l'antenne selon l'invention permettent d'obtenir une très bonne pureté de polarisation, et une meilleure optimisation du diagramme de rayonnement que les solutions de l'art connu. Elles se présentent en outre, sous forme d'une configuration compacte n'utilisant que des éléments simples. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description suivante et des dessins annexés, dans lesquels - les trois premières figures représentent l'art antérieur déià mentionné: * les figures la et lb représentent une antenne connue multisource bigrille à faisceau conformé, en vue de face et de profil respectivement; * la figure 2 représente une antenne connue à réflecteur et à source unique * les figures 3aet 3b représentent des antennes connues à source décalée, comportant un réflecteur secondaire d'élimination de la polarisation croisée; et - la figure 4 représente un mode de réalisation de l'antenne multiréflecteur à faisceau conformé selon l'invention. Dans une antenne à source décalée, la source primaire se trouve décentrée vis à vis du réflecteur principal, ce qui résulte en une illumination excentrée et donc une polarisation croisée de la radiation à deux polarisations orthogonales réfléchie par ce réflecteur. D'autre part, le fait que la source primaire soit unique, entrain que 3a production d'un faisceau secondaire conformé ne peut résulter que de la manière dont est réalisé le réflecteur; en l'occwnnce, c'est la déformation qu'on lui fait subir, par rapport à sa surface de base, qui permet d'obtenir la couverture sélective d'une région terrestre à contours prescrits. A cet égard, l'antenne selon l'invention diffère notablement du dispositif décrit ci-dessus et représenté en figure 1, dont le diagramme de rayonnement est composé à partir de la multiplicité des sources sélectivement orientées en direction d'un système réflecteur bigrille paraboloidal non déformé. Le mode de réalisation de l'antenne selon l'invention, tel que représenté en figure 4, comprend un réflecteur principal A, associé à un réflecteur auxiliaire B, et une source unique C, Les réflecteurs A, B et la source C sont disposés de façon que la source C illumine directement le réflecteur auxiliaire B; le réflecteur auxiliaire B réfléchit ensuite le faisceau reçu de la source C en direction du réflecteur principal . Le faisceau résultant assure, enfin, la couverture de la zone terrestre souhaitée. La coopération des deux réflecteurs principal A et auxiliaire B, distingue donc clairement l'antenne selon l'invention du système à réflecteur unique décrit ci-dessus et représenté en figure 2. Les deux réflecteurs sont positionnés de façon que leur interaction compense l'effet de décalage du système, et plus particulièrement l'effet de décalage qui apparaîtrait sur le faisceau réfléchi par le réflecteur principal A, s'il était directement illuminé par la source C, ce qui correspondrait au cas défavorable où l'on n'utiliserait pas de réflecteur auxiliaire B.En pratique, on a montré que la polarisation croisée est éliminée lorsque l'on choisit les valeurs:de l'angle {apparaissant entre l'axe 41 de la source C et l'axe 42 du réflecteur auxiliaire B, de l'angle apparaissant entre chacun des axes 43,42 des deux réflecteurs principal A et secondaire B respectivement, et de l'excentricité de la surface de base du réflecteur auxiliaire B, de façon qu'elles vérifient la condition de Mizugutch. Cette relation géométrique s'exprime par l'équation suivante dans laquelle e représente l'excentricité du réflecteur auxiliaire. Cette relation peut s'appliquer aussi bien au cas où le réflecteur auxiliaire est ellipsordal (antenne de Grégo ), qu' au cas où ce réflecteur auxiliaire B est hyperboloidal (antenne Cassegrain). Dans le cas où l'on utilise plusieurs réflecteurs auxiliaires B, la relation fait donc intervenir des paramètres supplémentaires, mais la condition identique est que l'effet de décalage du système doit être compensé par l'interaction des réflexions successives, et que par suite le rayonnement induit en polarisation croisée est annulé ou très fortement affaibli. Si le couplage de deux réflecteurs est nécessaire pour préserver l'indépendance des deux polarisations orthogonales émise par la source C, on a vu à propos du système proposé par Mizugutch que ce montage n'est pas suffisant en tant que tel pour conformer le faisceau réfléchi. Dans le but de couvrir une zone terrestre à contours prescrits, on a donc déformé la surface de base 44 paraboloidale du réflecteur principal A, de façon à obtenir une surface finale 45 concentrant les rayons réfléchis dans le ou les domaines angulaires souhaités, et avec les densités de rayonnements voulues. Une méthode possible, et connue dans l'art antérieur, de formation de la surface du réflecteur, pour adapter le contour du faisceau rayonné à celui de la région à couvrir, consiste à optimiser, par un algorithme de type "minimax",la phase dans l'ouverture du réflecteur, en fonction de l'amplitude d'illumination, et de la loi de phase désirée sur l'ouverture. La forme de la surface 45 du réflecteur A s'obtient par tramage de rayons entre la source, la surface 45 cherchée et l'ouverture. Cette méthode ne conduit pas à une augmentation notable de polarisation croisée. Tout au contraire, alors qu'elle est ici employée sur un système de base multiréflecteur, assurant une compensation de la polarisation croisée induite, cette méthode garantit d'obtenir des performances supérieures pour la forme du faisceau et sa pureté de polarisation. Il est également possible de déformer aussi le ou les réflecteur(s) auxiliaire(s) en plus du réflecteur principal A pour concourir à l'objectif de conformation du faisceau résultant, tout en préservant la pureté de polarisation. Dans ce cas le réflecteur auxiliaire B peut être déformé par rapport à une surface de départ 46, par exemple hyperboloidale ou ellipsoidale. La mise en forme des surfaces des deux réflecteurs principal A et auxiliaire B s'effectue alors de manière interactive et iterative jusclusa l'obtention des perfor:ances rarlises. La forme ajustée de la surface finale 47 du réflecteur B permet notamment d'affiner la pureté de polarisation et donc d'optimiser les performances de l'antenne selon l'invention. Cette faculté constitue donc un degré de liberté supplémentaire pour la mise au point de l'antenne. La source unique C utilisée est typiquement une source circulaire classique, par exemple du type cornet corrugué 48, ayant de bonnes performances de pureté de polarisation. Elle peut être équipée d'un coupleur orthomode 49. Enfin, il est à noter que le réflecteur auxiliaire B présente une surface généralement circulaire ou encore elliptique, en particulier Si aucun autre réflecteur auxiliaire n'est utilisé. Ceci permet d'utiliser un ou des cornets primaires simples (cornet corrugué conique, par exemple). Il est aussi, possible d'envisager un réflecteur auxiliaire elliptique dans le cas d'un système à deux réflecteurs. On remarque donc que la conception de l'antenne multiréflecteur à faisceau conformé selon l'invention permet de couvrir avec deux signaux de polarisation orthogonale, une zone terrestre délimitée, en utilisant un réflecteur principal à source décalée. On bénéficie donc d'une part de l'avantage intrinsèque des systèmes à source décalée, qui permettent d'éviter l'obstruction du rayonnement secondaire par l'ensem ble formé des sources et des réflecteurs auxiliaires, et on compense d'autre part de manière tout à fait satisfaisallte la dépolarisation induite par ce système. A titre d'application préférerrLielle, l'antenne selon l'invention, peut permettre de couvrir l'EurDEe à partir d'un satellite géostationnaire, avec un gain minimum de 28 dB en polarisation linéaire double, avec un niveau de polarisation croisée inférieur à - 34 dB. Le diamètre de l'ouverture de l'antenne ne doit pas dépasser 1,1 mètre. Si l'on compare le dispositif mis en oeuvre selon l'invention avec lesdispositifsconnus,les qualités du premier apparaissent clairement - si lton utilise un système réflecteur bigrille, du type représenté en figure 1, il est nécessaire de monter deux jeux de cinq sources rectangulaires décalées, comportant chacune un répartiteur en guide d'ondes. Se posent alors des problèmes liés à la fabrication des réflecteurs à grilles, leur isolation thermique, ainsi que ceux liés à la complexité des sources primaires non identiques, et de leursrépartiteurs. En outre, la masse totale des deux systèmes des sources primaires est importante. Une autre solution, correspondant au dispositif représenté en figure 2, consiste à utiliser un réflecteur unique éclairé par un cornet corrugué classique à double polarisation muni d'un coupleur orthomode. La surface du réflecteur est formée de manière à concentrer les rayons réflzchis dans le domaine de couverture. Or, afin de limiter le niveau de polarisation croisée à la valeur spécifiée ci-dessus, la distance source-réflecteur doit typiquement être de deux mètres ou plus,c qui conduit à un encombrement important, et risque d'exiger l'emploi d'une tour pour supporter la source primaire. Dans le cas de l'utilisation de l'antenne selon l'invention, le réflecteur principal présente une ouverture comparable à l'ouverture des systèmes précédents. La surface est conformée pour concentrer les rayons réfléchis dans le domaine angulaire et avec l'intensité relative voulus. Le réflecteur auxiliaire B est une portion circulaire d'hyperbo loide dont l'orientation de l'axe et l'excentricité sont telles que la polarisation croisée induite est annulée après réflexion sur le réflecteur principal A. La source primaire C est un cornet corrugué 48 de section circulaire équipé d'un coupleur orthomode 49. REVENDICATIONS 10) Antenne notamment destinée à la couverture depuis un satellite d'une région terrestre à contours prescrits, avec deux polarisations orthogonales bien découplées, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un réflecteur principal (A) sensiblement paraboloSdal, illuminé par une source (C) unique décalée, en ce que ledit réflecteur principal (A) coopère avec au moins un réflecteur auxiliaire (B) d'élimination de la polarisation croisée, et en ce que la surface (45) dudit réflecteur principal (A) est déformée par rapport à son parabololde de base (44), pour conformer le faisceau rayonné à ladite région terrestre à contours prescrits. 20) Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réflecteur auxiliaire (B) présente une surface active (44J' choisie dans la famille des hyperboloides et des ellipsoudes. 30) Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réflecteur auxiliaire (B) est circulaire. 40) Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'on choisit les valeurs:de l'angle Kentre l'axe(41)de la source (C) et l'axe (42) du réflecteur auxiliaire (B), de l'angle entre chacun des axes (A3,42) des deux réflecteurs principal (A) et secondaire (B) respectivement, et de lSexcen- tricité de la surface active du réflecteur secondaire (B), de façon qu'elles vérifient la condition de Mizugutch. 50) Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réflecteur auxiliaire (B) présente une surface active (47) déformée,par rapport à sa surface de base (46), de manière adaptée aux déformations subies par le réflecteur principal (A) 6 ) Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la source 70) Antenne selon la revendication 6, caractérisée en ce que la source (C) est équipée d'un coupleur orthomode. 80) Application de l'antenne selon l'une quelconque des revendications de 1 à 7, pour la couverture de l'Europe à partir d'un satellite géostationnaire avec un gain minimum de 28 dB en polarisation linéaire double, avec un niveau de polarisation croisée inférieur à - 34 dB, dans laquelle le diamètre de l'ouverture du réflecteur principal (A) est inférieur ou égal à 1,1 mètre, sa surface (45) étant conformée, le réflecteur auxiliaire (B) étant une portion circulaire d'hyperbolorde dont l'orientation de l'axe (42) et l'excentricité vérifient la condition de Mizugutch, et la source primaire (C) étant un cornet corrugué (48) de section circulaire équipé d'un coupleur orthomode (49). 90) Procédé de fabrication d'une antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que - on déforme d'abord la surface active du réflecteur principal A en fonction des contours de la-zone terrestre à couvrir; - on déforme ensuite la surface active du réflecteur auxiliaire B en fonction de la surface modifiée du réflecteur principal A, afin d'éliminer la polarisation croisée - on rectifie alors à nouveau la forme de la surface active du réflecteur principal A et du réflecteur auxiliaire B de manière interactive et itérative jusqu'à l'obtention des performances requises.