Brevet FR2602918A1 — publié le 19880219

SYSTEME D'ANTENNE La présente invention concerne une antenne parabolique pour urne onde polarisée circulaire d'un système de diffusion par satellite dans la bande des hyperfréquences SHF ( 3GHz - 30 GHz) et elle concerne, en particulier, un alimentateur ou feeder principal pour cette antenne. Le présent feeder principal concerne en particulier une antenne hélicoidale à rayonnement arrière. On a défini une antenne d'onde polarisée circulaire classique pour la bande des hyperfréquences SHF dans la publication de brevet japonais 93402/81, dans laquelle on utilise une antenne hélicoidale à rayonnement longitudinal comme feeder principal tel que représenté sur la Figure 1 des dessins annexés, où la référence numérique 1 indique un réflecteur parabolique. Une antenne hélicoldale à rayonnement longitudinal 2 est placée au point focal du réflecteur 1. L'antenne hélicoidale à rayonnement longitudinal 2 est coJplée à un câble coaxial 3 qui fonctionne comme une ligne d'alimentation. Cependant, une antenne hélicoidale à rayonnement longitudinal telle que représentée sur la Figure 1 des dessins annexés a comne inconvénient de structure qu'un câble coaxial 3 doit traverser une surface de réflecteur, car l'antenne 2 est prévue à l'extrémité éloignée de la surface de réflecteur. Par conséquent, le câble coaxial 3 empêche d'avoir le chemin d'onde réfléchie ou bloque l'onde et cette ligne d'alimentation détériore ainsi les caractéristiques de l'antenne proprement dite. En outre, dans cette structure, la longueur du câble coaxial 3 doit être grande, et la longue ligne d'alimentation augmente la perte d'énergie du signal de transmission. En outre, la résistance mécanique pour supporter l'antenne hélicoldale à rayonnement longitudinal ainsi que la ligne d'alimentation implique certains problèmes à résoudre dans l'art antérieur. Par conséquent, un but de la présente invention est de surmonter les inconvénients et limitations d'une antenne antérieure en fournissant une antenne nivelle et perfectionnée. Un autre but de la présente invention est de fournir une antenne nouvelle et perfectionnée qui comporte une antenne hélicoldale à rayonnement arrière comme feeder principal pour réduire la perte d'énergie et le blocage par une ligne d'alimentation, et une résistance mécanique améliorée pour supporter à la fois le feeder principal et la ligne d'alimentation. Ces buts et d'autres sont atteints par un système d'anten- ne comprenant un réflecteur, une antenne hélicoidale principale comportant une bobine ayant deux extrémités placées à un point focal du réflecteur de sorte que l'axe de l'antenne hélicoidale coincide essentiellement avec l'axe du réflecteur, une ligne d'alimentation pour coupler le système d'antenne à un circuit extérieur, dans lequel l'antenne hélicoidale principale est une antenne héli cotidale à rayonnement arrière couplée à la ligne d'alimentation par l'extrémité la plus proche du réflecteur et où l'autre extrémité de l'antenne hélicoldale a une position libre, et la ligne d'alimentation est un câble coaxial. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mis en évidence dans la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la Figure 1 représente la structure d'une antenne parabolique antérieure; la Figure 2 représente une vue en coupe de l'antenne parabolique selon la présente invention; la Figure 3 représente certains exemples de réalisation d'un feeder principal utilisé dans l'antenne de la Figure 2; la Figure 4 représente la modification d'une antenne hélicoidale à rayonnement arrière; la Figure 5 représente l'exemple de réalisation d'une bobine hélicoldale de l'antenne hélicoidale à rayonnement arrière; les Figures 6 à 9 représentent certaines courbes expérimentales de la présente antenne hélicoidale à rayonnement arrière;; la Figure 10 représente la modification de la présente antenne hélicoidale à rayonnement arrière; les Figures lIA et llB représentent d'autres modifications de la présente antenne hélicoidale à rayonnement arrière; les Figures 12A, 12B et 12C représentent encore d'autres modifications de la présente antenne hélicoidale à rayonnement arrière; les Figures 13 et 14 représentent encore d'autres modifications de la présente antenne hélicoïdale à rayonnement arrière; les Figures 15A, 15B et 15C représentent des résultats expérimentaux de la présente antenne hélicoidale à rayonnement arrière, et le système d'antenne mettant en oeuvre cette antenne héli cotidale à rayonnement arrière. La Figure 2 représente la structure du système d'antenne selon la présente invention. Sur la figure, la référence numérique 1 indique un réflecteur parabolique, au point focal duquel est placée une antenne hélicoidale à rayonnement arrière 5. L'antenne hélicoldale à rayonnement arrière 5 a la forme dune bobine allongée, comportant deux extrémités limites 5a et 5b, et cette antenne 5 est placée le long de l'axe du réflecteur 1. Une extrémité 5a qui se trouve près du réflecteur 1 est le point d'alimentation, et elle est couplée à un câble coaxial 6. L'autre extrémité 5b, qui se trouve plus loin du réflecteur 1 que l'extrémité 5a, est en position libre. Dans cette structure, une micro-onde West réfléchie par le réflecteur 1, et elle est concentrée sur le feeder principal (antenne hélicoidale à rayonnement arrière) 5. Les Figures 3A à 3D représentent certains exemples de réalisation de l'antenne à rayonnement arrière selon la présente invention. Sur les Figures 3A à 3D, l'antenne hélicoidale à rayonnement arrière 5 est constituée d'une bèbine conductrice 8, d'un câble coaxial 6, et d'un disque d'adaptation 7 qui est couplé à un conduc teur extérieur 6A du câble coaxial 6. Le conducteur intérieur 6B du câble 6 est couplé à la bobine 8 au point 5a. L'autre extrémité 5b de la bobine 8 est en position libre. Le disque d'adaptation 7 est omis dans l'exemple de réalisation de la Figure 3D. Quand une antenne hélicoidale 5 est couplée à un réflecteur, et que l'antenne hélicoidale reçoit un signal hyperfréquence au point d'alimentation, le courant passe dans la bobine, et l'énergie hyperfréquence est propagée à partir du point de position libre de la bobine. C'est le principe de fonctionnement d'une antenne hélicoidale à rayonnement longitudinal antérieure de la Figure 1. Dans une antenne hélicoidale à rayonnement longitudinal antérieure, quand les dimensions du réflecteur sont faibles en comparaison de la longueur de circonférence de la bobine, le rayonnement est effectué non seulement à partir du point de position libre 5b, mais également à partir du point d'alimentation 5a. C'est-à-dire que, lorsque les dimensions d'un réflecteur sont faibles, le rayonnement de lobe arrière augmente. La présente antenne hélicoidale à rayonnement arrière met en oeuvre le rayonnement de lobe arrière dans une antenne hélicoidale à rayonnement longitudinal antérieure. Le réflecteur est appelé, dans l'explication ci-dessus, un disque d'adaptation dans le présent texte. La Figure 3A est un exemple de réalisation où la bobine 8 est un solénoide ayant un diamètre fixe dans toute la bobine. Sur les Figures 38 et 3C, au moins une partie de la bobine 8 est conique ou évasée.Sur la Figure 3D, la bobine est un solénoide, mais le disque d'adaptation est omis. Sur ces figures, le symbole S indique la longueur de circonférence de la bobine,( ) indique un angle d'inclinaison de la bobine, c indique la longueur de circonférence du disque d'adaptation 7, et ( -) indique l'angle de la partie conique 8T ou de la partie évasée 8F. Quand la bobine est conique ou évasée, on suppose que la longueur S est la longueur de circonférence de la bobine dans la partie qui n'est pas conique ou évasée. Il est évident que le diamètre de la bobine est égal à S/lt, et le diamètre du disque d'adaptation est égal à c/11, où tt est égal à 3,14. On doit noter que,sur les Figures 3A à 3D, la bobine 8 comporte le conducteur linéaire 9 au point d'alimentation 5b. Ce conducteur linéaire 9 est placé parallèlement au disque d'adaptation 7. La distance (a) entre le disque d'adaptation 7 et la ligne linéaire 9 est critique pour l'adaptation préférable entre le câble 6 et la bobine 8 pour réduire le rapport d'amplitudes de tensions d'ondes stationnaires (V.S.W:R.). La valeur de V.S.W.R. est réduite au minimJm en réglant la distance (a). Autrement, on peut également régler la valeur V.S.W.R. en réglant l'angle de partie conique !je). I1 est évident que la combinaison du réglage de la distance (a) et de l'angle de partie conique est possible. De préférence, l'axe central de la bobine, et le conducteur intérieur 6B de la bobine 6 coincide avec l'axe du réflecteur 1. A cet emplacement, le lobe principal du feeder principal 5 est représenté par la ligne en traits interrompus MB sur la Figure 2. En fonctionnement, la micro-onde W de la Figure 2 qui est reçue par le réflecteur 1 est réfléchie, et elle est rendue convergente au point focal, où est placé le feeder principal (antenne hélicoidale à rayonnement arrière). Quand le feeder principal comporte le lobe principal tel que représenté par la ligne en traits interrompus MB sur la Figure 2, l'onde réfléchie est reçue par le feeder principal 5. L'antenne de la Figure 2 est utile en particulier quand l'onde est une onde polarisée circulaire. La présente antenne hélicoidale à rayonnement arrière a l'avantage que le point d'alimentation du feeder principal est le point 5a le plus près du réflecteur 1, et, par conséquent, on peut réduire la longueur du câble coaxial 6. En conséquence, la perte d'énergie dans la ligne d'alimentation est faible et, en outre, puisque la ligne d'alimentation ne traverse pas le réflecteur 1, la ligne d'alimentation ne détériore pas les caractéristiques de l'antenne. En outre, on doit remarquer que le feeder principal 5 peut être supporté par le câble coaxial 6 proprement dit, quand on utilise un câble coaxial rigide ou un câble coaxial semi-rigide comme ligne d'alimentation. Ainsi, la structure du support du feeder principal est simplifiée, et le support a une résistance mécanique suffisante.En outre, comme la structure est simplifiée, la présente antenne convient pour une production en série. Les Figures 4 et 5 représentent certaines modifications du présent feeder principal. Sur la Figure 4, le disque d'adaptation 7 et la bobine 8 sont recouverts de mousse de polystyrène 10 pour rendre l'antenne étanche à l'eau, et pour empêcher une distorsion de l'antenne. La Figure 5 représente l'exemple de réalisation de la bobine 8, dans lequel on prévoit un corps de bobine diélectrique cylindrique 20, et un dessin conducteur 21 qui est déposé sur le corps de bobine 20, de sorte qu'une bobine est obtenue sur le coron de bobine. Le dessin conducteur 21 est déposé sur le corps de bobine par un procédé de dépôt électrolytique, par un procédé d'évaporation, ou par un procédé d'attaque. Certaines courbes expérimentales du présent feeder principal sont représentées sur les Figures 6 à 9. La Figure 6 représente les courbes entre la longueur de circonférence S d'une bobine d'un feeder principal, et le rapport de rayonnement avant/arrière de l'antenne. L'axe vertical représente le rapport avant/arrière, 10 log (F/B), où F est l'intensité du lobe principal, et B est l'intensité du lobe arrière. Sur la Figure 6, l'angle (&alpha;) est égal à 60, (P) est égal à 00, c est égale à 0,9S, et (ss;) est la longueur d'onde. On doit remarquer sur la Figure 6 qu'il est préférable que S soit comprise entre 0,5 (t ) et 1,2 ( ) afin d'obtenir un rapport avant/arrière supérieur à 10 dB. La Figure 7 représente les courbes entre l'angle d'inclinaison ( ) et le rapport avant/arrière de l'antenne hélicoidale à rayonnement arrière, où S est égale à 1,0 (), (ss) est égal à 60, et c est égale à 0,9S. On doit remarquer sur la Figure 7 qu'il est préférable que l'angle d'inclinaison (&alpha;) soit compris entre 30 et 200 afin d'obtenir un rapport avant/arrière supérieur à 10 dB. La Figure 8 représente les courbes entre l'angle de partie conique ( t) ou l'angle de partie évasée, et le rapport de rayonne ment avant/arrière de l'antenne hélicoidale à rayonnement arrière, oùS S est égale à 1,0 (), (0 On doit remarquer sur la Figure 8 qu'il est préférable que (ss) soit compris entre 0 et 450 afin d'obtenir un rapport de rayonnement avant/arrière supérieur à 10 dB. L'antenne hélicoïdale à rayonnement arrière avec une valeur de ( J) = O ne comporte pas de partie conique ou évasée. La Figure 9 représente les courbes entre la longueur de circonférence c d'un disque d'adaptation et le rapport de rayonnement avant/arrière de l'antenne hélicoldale à rayonnement arrière, où s = 1,0 (A), (; ) = 60, ( p) = 00. On doit remarquer sur la Figure 9 qu'il est préférable que c soit compriseentre0 et 1,2 S, c = 0 signifiant qu'on n'utilise pas de disque d'adaptation. En considérant les résultats expérimentaux ci-dessus des Figures 6 à 9, on doit remarquer que les limitations numériques suivantes sont préférables pour une antenne hélicoidale à rayonnement arrière. 0,5 (A) L S # 1,2 (#) 30 () 20C 0 # (#) # 45 0 # c # 1,2 s On va maintenant décrire certaines modifications de la présente invention pour une utilisation pratique. La Figure 10 est la modification qui comporte un radôme 25 recouvrant l'ouverture du réflecteur 1. Dans la modification de la Figure 10, il est préférable que le point focal du réflecteur 1 soit à l'intérieur de la ligne e-e du bord extrême du réflecteur 1. La référence numérique 40 indique un convertisseJr BS servant à convertir la fréquence entre une radio fréquence et une fréquence intermédiaire, et ce convertisseur est fixé à l'arrière du réflecteur 1. Le radôme 25 est constitué d'une feuille de matière plastique qui n'arrête pas l'énergie hyperfréquence. Le radôme 25 est utile pour rendre l'antenne étanche à l'eau et, en particulier, il est utile pour l'antenne qui comporte le feeder principal à rayonnement arrière car aucune ligne d'alimentation ne traverse le radôme. Dans une antenne antérieure, la ligne d'alimentation traverse le radôme, et l'étanchéité à l'eau peut ne pas être suffisante, même si on utilise un radôme. La Figure llA est une autre modification de la présente antenne, dans laquelle le feeder principal (antenne hélicoldale à rayonnement arrière) est recouvert du radôme 26, et le câble coaxial 6 est supporté par un hauban cylindrique creux 27. L'hauban 27 proprement dit est fixé au réflecteur 1 en utilisant une vis. L'hauban 27 comporte un trou allongé, dans lequel une ligne d'alimentation est fixée de telle sorte que la ligne d'alimentation est protégée par l'hauban 27. La modification de la Figure llA est utile quand la distance focale du réflecteur 1 est trop longue pour supporter le câble coaxial 6 par la ligne d'alimentation proprement dite. De préférence, jazz moins au moins la surface de l'hauban est constituée d'un matériau conducteur. Si l'hauban 27 est diélectrique, le champ électromagnétique est perturbé, et les caractéristiques de l'antenne sont détériorées. La Figure 118 est une autre modification de la Figure llA. Sur la Figure 11B, l'hauban 27 est conique de sorte que le diamètre d2 de l'hauban 27 à la jonction avec l'antenne 5 est inférieur au diamètre dl du disque d'adaptation 7 de l'antenne 5. En outre, on doit noter que l'hauban conique améliore la résistance mécanique de l'hauban, puisque l'hauban est couplé au réflecteur dans la partie épaisse de l'hauban. Les Figures 12A, 128 et 12C sont relatives aux modifications pour coupler le câble coaxial 6 à un circuit extérieur tel qu'un convertisseur BS (convertisseur de fréquence). Comme la présente antenne est alimentée en utilisant un câble coaxial, sans utiliser de guide d'ondes, la ligne d'alimentation est couplée directement à une plaquette de circuit imprimé. Sur la Figure 12A,- le conducteur intérieur du câble coaxial 6 est couplé à la broche 33 se trouvant sur la plaquette de circuit imprimé 32A. Le conducteur extérieur du câble coaxial 6 est couplé au dessin de masse de la plaquette de circuit imprimé 32A. La référence 30A indique le logement d'un convertisseur de fréquence qui protège la plaquette de circuit imprimé 32A. La Figure 12B est une autre modification, dans laquelle un connecteur de câble coaxial 34 est fixé au logement 30A. Le câble coaxial 6 est couplé à la plaquette de circuit imprimé 32A en utilisant le connecteur de câble coaxial 34. La Figure 12C est une autre modification de la Figure 12A. Sur la Figure 12C, le convertisseur de fréquence 40 est fixé à l'arrière du réflecteur 1. Le convertisseur de fréquence 40 comporte des plaquettes de circuit imprimé 32A et 328, et le câble coaxial 6 est fixé directement à la plaquette de circuit imprimé 32A. C'està-dire que le conducteur intérieur et le conducteur extérieur du câble coaxial 6 sont tous les deux couplés directement à la plaquette de circuit imprimé. La structure de la Figure 12C est avantageuse pour diminuer les dimensions de l'antenne et du circuit extérieur associé, et également pour réduire la perte dans la ligne d'alimentation. La Figure 13 est la modification de la bobine 8 de l'antenne hélicoidale à rayonnement arrière 5. La caractéristique de la Figure 13 est que la bobine 8 fait partie intégrante du conducteur intérieur 6B du câble coaxial 6. C'est-à-dire que la bobine 8 est réalisée en enroulant le conducteur intérieur du câble coaxial. La structure de la Figure 13 a l'avantage que la résistance mécanique de l'antenne est élevée car la bobine 8 fait partie intégrante du câble coaxial, et que le procédé de fabrication pour coupler la bobine 8 au câble coaxial est supprimé. La Figure 14 est la modification de la structure du disque d'adaptation 7. La caractéristique du disque d'adaptation 7 de la Figure 14 est que le disque d'adaptation 7 n'est pas un disque plat, mais qu'il comporte une surface plate 7a, et une surface arrière conique 7b. La surface plate 7a fait face à la bobine 8. La partie conique 7b du disque 7 facilite le couplage rigide du disque 7 avec le câble coaxial 6. Comme le disque 7 est conique, il est électro magnétiquement mince, mais mécaniquement épais. C'est-à-dire que, si le disque 7 est épais, il perturbe le flux, et détériore les caractéristiques de l'antenne. Comme le disque 7 de la Figure 14 est conique, il ne détériore pas les caractéristiques de l'antenne, et, en même temps, le disque conique est mécaniquement équivalent au disque épais pour améliorer la résistance mécanique. Enfin, les courbes expérimentales sont représentées sur les Figures 15A à 15C. L'échantillon de test de l'antenne hélicoidale à rayonnement arrière comporte une bobine comme partie intégrante sur la Figure 13, et un disque d'adaptation conique de la Figure 14, mais la bobine n'est ni conique ni évasée. Le nombre de spires de la bobine est égal à 7, la fréquence est égale à 12 GHz, et le diamètre de la réflexion est égal à 750 mm. La Figure 15A représente les courbes de gain du feeder principal (sans utiliser un réflecteur). En pratique, le gain du lobe principal est égal à 6,3 dB, le rapport V.S.W.R. est égal à 1,17, le rapport avant/arrière est égal à 17 dB, et le gain dans la direction de + 600 est égal à - 8 dS. La Figure 15B représente les courbes de gain de toute l'antenne qui comporte à la fois le feeder principal et le réflecteur parabolique, et la Figure 15C représente les courbes détaillées près du lobe principal de la Figure 15B. Sur les Figures 158 et 15C, le gain est égal à 37,5 dB, la demi-largeur (3 dB en bas) est égale à environ 2 degrés, le niveau de lobe latéral est inférieur à - 23 dB, et le niveau de lobe arrière est inférieur à - 45 dB. D'après ce qui précède,il apparait maintenant qu'on a trou vé une antenne nouvelle et perfectionnée comportant une antenne principale à rayonnement arrière. On doit remarquer évidemment que les exemples de réalisation définis sont simplement représentatifs et qu'ils ne sont destinés à limiter le cadre de l'invention. Par conséquent, on doit se référer aux revendications annexées,plutôt qu'à la description ,qui indiquent le cadre de l'invention. REVENDICATION5 1. Système d'antenne comprenant un réflecteur, un feeder principal comportant une bobine hélicoidale dont les deux extrémi- tés sont placées au point focal du réflecteur de sorte que l'axe de l'-antenne hélicoidale coincide essentiellement avec l'axe du réflecteur, et une ligne d'alimentation pour coupler l'antenne à un circuit extérieur, caractérisé en ce que son perfectionnement consiste en ce que: le feeder principal (5) est une antenne hélicoidale à rayonnement arrière couplée à la ligne d'alimentation (6) par l'extrémité (5a)laplus près du réflecteur (1) , l'autre extrémité(5b)de l'antenne hélicoidale à rayonnement arrière étant en position libre, et en ce que la ligne d'alimentation est un câble coaxial. 2. Système d'antenne selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'antenne hélicoldale à rayonnement arrière comporte un disque d'adaptation conducteur (7) à un point de jonction de la ligne d'alimentation et de l'antenne hélicoidale, le disque d'adaptation étant couplé à un conducteur extérieur (6A) du câble coaxial (6), et la bobine (8) étant couplée à un conducteur intérieur (68) du câble coaxial. 3. Système d'antenne selon la revendication 2, caractérisé en ce queles conditions numériquessuivantes sont satisfaites: 0,5 (#) # s # 1,2 (#) 30 t ( 0 4 (p) -4 45 O = c ' 1,2 S où 5 est la longueur de circonférence d'une spire de la bobine, ( & ) est l'angle d'inclinaison de la bobine, (B) est l'angle d'éva- sement de la bobine, et c est la longueur de circonférence du disque d'adaptation. 4. Système d'antenne selon la revendication 2, caractérisé en ce que le câble coaxial (6) se trouve le long de l'axe centIal du réflecteur (1), et pénètre dans le réflecteur au centre de celuici. 5. Système d'antenne selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'antenne hélicoidale à rayonnement arrière est recouverte de mousse de polystyrène. 6. Système d'antenne selon la revendication 2, caractérisé en ce que la bobine comporte un corps de bobine (20) diélectrique et cylindrique, et un dessin conducteur (21) déposé sur la surface du corps de bobine pour obtenir une bobine (8). 7. Système d'antenne selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'ouverture du réflecteur (1) est fermée par un radôme (25). 8. Système d'antenne selon la revendication 2, caractérisé en ce que le câble coaxial (6) est supporté par un hauban cylindrique creux (27), et en ce que l'antenne hélicoidale à rayonnement arrière est recouverte d'un feedôme (26). 9. Système d'antenne selon la revendication 2, caractérisé en ce que le câble coaxial est connecté à une plaquette de circuit imprimé (32A) d'un convertisseur de fréquence (40). 10.Système d'antenne selon la revendication 9, caractérisé en ce que le convertisseur de fréquence (40) est fixé à l'arrière du réflecteur (1). 11. Système d'antenne selon la revendication 2, caractérisé en ce que la bobine (8) comporte une partie linéaire(9) au point de jonction entre la bobine et la ligne d'alimentation, et en ce que la bobine est placée de telle sorte que la partie linéaire est parallèle au disque d'adaptation (7). 12. Système d'antenne selon la revendication 2, caractérisé en ce que la bobine fait partie intégrante du conducteur itérieur (68) de la ligne d'alimentation (6). 13. Système d'antenne selon la revendication 2, caractérisé en ce que le disque d'adaptation (7) comporte une surface plate (7a) faisant face à la bobine, et une surface arrière conique (7b). 14. Système d'antenne selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'au moins la surface de l'hauban (27) est diélectrique, et en ce que le diamètre (d2) à l'extrémité qui est en face du disque d'ada d'adapta- tion.