Brevet FR2637130A1 — publié le 19900330

Antenne à optique cassegrain à haut rendement L'invention concerne une antenne a optique cassegrain à haut rendement. Les antennes du type à optique cassegrain à réflecteurs de révolution sont bien connues. Elles comprennent un réflecteur principal de type paraboloidal, un sub-réflecteur de forme soit hyperbololdale soit ellipsoïdale, et une source primaire. Leurs performances sont les suivantes - en co-polarisation : - niveau du premier lobe secondaire de l'ordre de -16dB maximun - rendement de l'ordre de 0,55 - 0,65 - niveau des lobes lointains -5 à - 15dB en dessous du niveau isotropique. - en contra-polarisation : - niveau dans l'axe : de l'ordre de - 35dB - niveau au plus haut : -22 à -30dB maximum. En supposant que la source primaire ait de très bonnes performances (cornet du type corrugué à profit exponentiel par exemple), les performances d'une antenne cassegrain dépendent essentiellement des qualités mécaniques des réflecteurs soient - précision des profils du réflecteur principal et du sub-réflecteur, - précision du positionnement relatif entre les deux réflecteurs, - forme, quantité et précision de positionnement des brins du support du sub-réflecteur. Plus ces performances sont mauvaises, moins sont bonnes les performances rayonnantes de l'antenne : Ainsi, pour une tolérance du profil g comparée à la longueur d'onde h , soit le rapport d'environ | 1/20, les performances d'une antenne cassegrain à réflecteurs de révolution sont telles que citées précédemment. Pendant la période où seuls les faisceaux hertziens analogiques étaient utilisés, ces performances correspondaient aux besoins. Depuis l'emploi des faisceaux hertziens numériques, les performances en contra-polarisation deviennent cruciales. Elles sont fonction en particulier de la qualité de la modulation :4, 16, 64 ou 256 QAM ("quadrature amplitude modulation"). Ainsi pour une modulation donnée on a une valeur de la contra-poiarisation correspondante, comme suit 16 QAM > -22 à -32dB maximum 64 QAM > -28 à -38dB maximum 256 QAM ----±35 à -45dB maximum. Par conséquent, déjà pour les faisceaux hertziens numériques à 64 QAM, il est nécessaire de sélectionner les éléments constituants de l'antenne pour que la contra-polarisation soit plus basse que celle existante. Mais pour les faisceaux hertziens numériques de 256 QAM, les performances contra-polaires des antennes existantes, ou ajustées, sont nettement insuffisantes. De plus, dans le but d'augmenter le rendement d'illumination d'une antenne cassegrain à réflecteurs de révolution, on cherche à rendre la distribution d'amplitude dans l'ouverture uniforme et équiphase, tout en continuant à n'utiliser qu'une source primaire dont l'illumination est dégressive. Pour ce faire, on définit de nouveaux profils de réflecteurs, dit profils "conformés" : pseudo-paraboloidal pour le réflecteur principal et pseudo-hyperboloidal pour le subréflecteur. La "conformation" du profil de ce dernier permet de rendre uniforme l'illumination du réflecteur principal et la "conformation" du réflecteur principal permet de rendre équiphase l'illumination dans l'ouverture de l'antenne.Mais dans le cas d'un subréflecteur pseudo-hyperboloidal, donc a deux foyers, la source, qui doit être placée au foyer situé entre le réflecteur principal et le subréflecteur, constitue un certain masque pour les ondes émises ou reçues par l'antenne. L'invention a donc pour objet de résoudre ces différents problèmes. Elle propose, donc, une antenne à optique cassegrain à haut rendement comprenant deux réflecteurs de révolution, une source primaire, caractérisée en ce que le réflecteur principal est un réflecteur paraboloidal obtenu par centrifugation, le subréflecteur ayant un profil conformé. Avantageusement une lentille est disposée à l'ouverture de la source ; le profil de la lentille peut être alors lui aussi conformé. Dans l'antenne de l'invention, on utilise un réflecteur principal obtenu par centrifugation ce qui permet une très grande précision du profil de ce réflecteur, de l'ordre de dix fois meilleur que celle des antennes cassegrain existantes. On ne peut, en effet, conformer le réflecteur principal du fait de la centrifugation qui ne le permet pas : Du fait de la précision désirée, ce réflecteur doit être "centrifugé" (obtenu par centrifugation) ce qui donne automatiquement un profil parabolique, la focale de la parabole étant fonction de la vitesse de centrifugation. Avantageusement les deux réflecteurs parabololdaux sont "confocaux", c'est-à-dire de même rapport focale/diamètre : ce rapport focale/diamètre des deux réflecteurs étant par exemple d'environ 0,45. Avantageusement le support du sub-réflecteur est constitué de quatre bras placés en croix, fixés sur la circonférence du réflecteur principal, la section de chaque bras étant triangulaire, le sommet du triangle regardant la face concave parabololdale du réflecteur principal. Dans un exemple de réalisation la source est de type cornet corrugué à profil exponentiel. Avantageusement ce cornet corrugué peut etre plié à l'aide d'un plan à 450 de manière à diminuer l'encombrement de la source primaire. L'invention présente les avantages suivants - La technique de centrifugation permet d'obtenir un réflecteur principal de forme paraboloidale très précise, - le dimensionnement des éléments influence au mieux la contra-polarisation de l'antenne, un rapport focale/diamètre de l'ordre de 0,45 donnant une plus longue focale que pour les antennes de l'art connu, dans lesquelles ce rapport se situe entre 0,25 et 0,35 ; ce qui permet d'obtenir un profil moins incurvé et plus plat, et donc une meilleure contra-polarisation, - la section triangulaire des bras supports réduit l'effet de réflexion sur la contra-polarisation. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures anntxées sur lesquelles - la figure 1 illustre une vue en coupe longitudinale partielle de l'antenne selon l'invention, - la figure 2 illustre une vue de face de l'antenne selon l'invention, - les figures 3 et 4 illustrent une variante du duplexeur de polarisation de l'antenne selon l'invention avec, respectivement, une vue de face et une vue de côté, - la figure 5 illustre une variante de la source de l'antenne selon l'invention, - la figure 6 illustre le fonctionnement de l'antenne selon l'invention. L'invention porte sur une antenne à optique cassegrain, telle que représentée sur la figure 1, comprenant - deux réflecteurs parabololdaux confocaux 10 et 11, possédant le meme rapport focale/diamètre : soit - = -. Le réflecteur principal 10 est obtenu par la technique dite d D de "centrifugation" soit par du métal (cuivre ou aluminium) soit par dépôt d'une couche métallique 26 sur du polyester par exemple, et le sub-réflecteur l1 qui est "conformé"par usinage dans la masse.La précision des profils parabololdaux est ainsi excellente : inférieure à + 0,1 mm crête-à-crête. Elle est à comparer à celle des réflecteurs existants fabriqués soit en moulage en statifié polyester soit en redressage métallique ; elle est en général supérieure au millimètre pour des diamètres de réflecteurs de quatre mètres. Ce paramètre contribue pour une grande part à la diminution des valeurs en contra-polarisation. - Une source primaire 12 de type cornet corrugué à profil exponentiel 18. Elle est définie pour avoir un centre de phase O le plus stable possible ce qui permet, dans une large bande de fréquence, de garder ses excellentes performances contra-polaires. Un duplexeur de polarisation 13 est disposé à l'extrémité libre du cornet corrugué 18. Les antennes cassegrain actuelles de grand rendement (environ 0,70/0,75) ont des réflecteurs principal 10 et auxiliaire 11, à profils "conformés", c'est-à-dire, déformés de telle manière que la phase d'illumination réfléchie du réflecteur principal 10 devienne pratiquement très faible (quelques degrés au lieu de plusieurs dizaines de degrés), et que l'amplitude réfléchie par le sub-réflecteur 11 soit uniforme. Or dans l'antenne selon l'invention, le profil du réflecteur principal 10 doit être parabololdal de part la technique de centrifugation. Un profil "déformé" ou conformé ne peut donc être obtenu par cette centrifugation. Par contre, le sub-réflecteur 11 qui, étant usiné dans la masse, peut être conformé par changement du profil. Le rendement de cette antenne se situe à environ 0,65/0,70. Le duplexeur de polarisation 13, fonctionnant suivant deux polarisations orthogonales verticale et horizontale, comporte une partie 14 en guide circulaire et deux accès 15 et 16 en guide rectangulaire, le second accès 16 étant aligné avec le guide circulaire 14, une plaque réflectrice 17 étant disposée entre le niveau du premier accès 15 et le second accès 16. Ce duplexeur sert donc à grouper ces deux polarisations linéaires orthogonales verticale et horizontale :Si une onde bipolaire arrive par l'entrée du guide circulaire 14, l'onde à polarisation horizontale frappe la plaque réflectrice 17 qui lui est parallèle. Elle se réfléchit et passe dans le premier accès 15 tandis que l'onde à polarisation verticale traverse normalement (et perpendiculairement) la plaque réflectrice 17 et arrive au deuxième accès 16.La réciprocité est la suivante : une onde arrivant par le premier accès 15 se réfléchit sur la plaque réflectrice 17 et sort par le guide circulaire 14. Le deuxième accès 16 est en quelque sorte "équilibré" car l'onde venant de cet accès attaque le guide circulaire 14 par le centre. Tandis que le premier accès 15, attaquant le guide circulaire 14 par le bord, est plutôt "dissymétrique" et non équilibré. Une lentille 19 se trouve à l'ouverture du cornet corrugué 18. Elle a pour rôle de transformer l'onde sphérique issue du cornet corrugué en une onde plane. Elle est de forme "parabole-plate", le foyer de cette lentille 19 étant confondu avec le centre de phase O du cornet corrugué 18. Elle est réalisée en matériau diélectrique par exemple en polytétrafluoréthylène ou "téflon". Pour obtenir une antenne avec un rendement meilleur, on conserve les deux réflecteurs 10, 11 tels que décrit précédemment et on utilise de plus une telle lentille 19 "conformée" en profil, en modifiant son diagramme de phase pour permettre une illumination du réflecteur principal 10 aussi proche d'une illumination équiphase que possible. Le rendement dans ce cas augmentera encore un peu, se situant vers 0,67 0,72, c'est-à-dire que pour un réflecteur principal 10 centrifugé, et un sub-réflecteur 11 conformé, la lentille 19 subit une conformation telle que, pour les ondes émises ou reçues par le réflecteur principal 10, elle soit pratiquement équivalente à une conformation de ce réflecteur principal 10. L'antenne selon l'invention peut donc être réalisée de deux façons - la première comprenant un réflecteur principal 10 centrifugé avec un profil nécessairement paraboloidal, un sub-réflecteur 11 usiné dans la masse à profil conformé mais cette solution correspond à une "conformation à moitié". - la seconde comprenant un réflecteur principal 10 centrifugé et donc à profil paraboloidal, un sub-réflecteur 11 usiné dans la masse à profil conformé, . mais en plus une lentille 19 à profil conformé en phase. Comme représenté sur les figures 1 et 2 le support du sub-réflecteur 11 est constitué par quatre brins 20 (ou bras) positionnant et supportant ce sub-réflecteur 11 avec précision. Ils sont avantageusement placés "en croix". Ces quatre bras 20 sont fixés sur la circonférence du réflecteur principal 10. De cette manière le profil de ce dernier garde une parfaite continuité parabololdale et n'est donc pas modifié aux endroits où les quatre bras se fixent, comme dans les antennes de l'art connu. De même, le profil "en croix" et non pas "en X" de ces quatre bras permet de ne pas influencer la contra-polarisation dont le champ se trouve concentré à 450 des axes vertical et horizontal. De plus, la section de chaque bras 20 est de préférence triangulaire (triangle isocèle), le sommet regardant la face paraboloidale du réflecteur principal 10. De cette manière, toute réflexion du champ rayonné sur les quatre bras 20 sera minimisée ; ce qui contribue à la diminution contra-polaire. Dans une autre réalisation du duplexeur, comme représentée aux figures 3 et 4, le premier accès 15 est obtenu par un "T magique" dont les deux bras 22 et 23 rejoignent deux accès rectangulaires 24 et 25 (de dimension du guide d'onde) diamètralement opposés sur la circonférence du guide circulaire 14. Ce dispositif est équilibré. Pour éviter l'encombrement de la source primaire 12, on peut "plier" le cornet corrugué à l'aide d'un plan à 450 comme représenté sur la figure 5, le cornet étant en position verticale. En fonctionnement, tel que schématisé sur la figure 6, si l'on considère l'émission, une onde sphérique 1 se forme à I'ouverture du cornet 18. Elle est transformée en onde plane f 2 après avoir traversé la lentille 19. Cette dernière onde 2 après réflexion sur le sub-réflecteur l1 paraboloidal, devient une onde sphérique 3 qui, se réfléchissant sur le réflecteur principal parabololdal 10, devient une onde plane ; 4 à la sortie de l'antenne. Le principe de réprocité pour la réception est bien entendu valable. Une onde plane t4 venant de l'infini se réfléchit sur le réflecteur principal paraboloidal 10. Elle devient une onde sphérique k3 après réflexion et frappe le sub-réflecteur paraboloidal 11. A la sortie elle devient une onde plane 2 qui frappe la lentille 19. Cette dernière la transforme en une onde sphérique 1 qui se propage dans le cornet corrugué 18 et sort par les accès du duplexeur de polarisation 13. Dans un exemple de réalisation on a les valeurs suivantes - Bande de fréquence : 6,43 - 7,11 0Hz - Diamètre du réflecteur principal 10 : D = 4 m - Diamètre du sub-réflecteur 11 : d =0,60 m - Rapport focale/diamètre : 0,45 - Réflecteur principal 10 fabriqué par centrifugation : ce réflecteur étant, par exemple, obtenu par centrifugation d'un matériau plastique puis par dépôt d'une couche de métal : par exemple par choupage d'une couche de zinc de quelques dizaines de micromètres, - sub-réflecteur Il fabriqué par usinage dans la masse, par exemple dans un métal tel que l'aluminium - Tolérance de profil des réflecteurs : - Source primaire 12 : cornet corrugué à profil exponentiel, d'ouverture 0,60 m de diamètre et de 0,90 m de long - Lentille 19 dans l'ouverture du cornet : 0,60 m de diamètre - Quatre bras 20 supports de section triangulaire, fixés sur la circonférence du réflecteur principal "en croix" - Valeur contra-polaire : mieux que 42 dB - Rendement : meilleur que 0,65. Il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et que l'on pourra remplacer ses éléments constitutifs par des éléments équivalents sans, pour autant, sortir du cadre de l'invention. Ainsi la source primaire 12 peut être de forme carrée, rectangulaire ou circulaire, alimentée respectivement par un guide d'onde de section carrée, rectangulaire ou circulaire. Ainsi le sub-réflecteur ll peut ne pas être confocal avec le réflecteur principal 10, mais peut être hyperbololdal ou ellipsoidal. Dans ces deux cas la source primaire est un cornet non équipé de lentille. Le rendement de l'antenne est, dans ce cas, plus faible mais les caractéristiques demeurent très bonnes grâce au réflecteur principal centrifugé. REVENDICATIONS 1/ Antenne à optique cassegrain à haut rendement comprenant deux réflecteurs de révolution (10, 11), une source primaire (12), caractérisée en ce que le réflecteur principal (10) est un réflecteur paraboloidal obtenu par centrifugation, le sub-réflecteur (11) ayant un profil conformé. 2/ Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une lentille (19) est disposée à l'ouverture de la source (12). 3/ Antenne selon la revendication 2, caractérisée en ce que la lentille (19) a un profil conformé. 4/ Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le sub-réflecteur (11) est un réflecteur parabololdal usiné dans la nasse. 5/ Antenne selon la revendication 4, caractérisée en ce que les deux réflecteurs parabololdaux (10, 11) sont confocaux, c'est-à-dire de même rapport focale/diamètre. 6/ Antenne selon la revendication 5, caractérisée en ce que le rapport focale/diamètre des deux réflecteurs est d'environ 0,45. 7/ Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le sub-réflecteur (11) a un support constitué de quatre bras (20) placés en croix, fixés sur la circonférence du réflecteur principal (10). 8/ Antenne selon la revendication 7, caractérisée en ce que la section de chaque bras (20) est triangulaire, le sommet du triangle regardant la face concave paraboloidale du réflecteur principal (10). 9/ Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que la source est de type cornet corrugué à profil exponentiel (18). 10/ Antenne selon la revendication 9, caractérisée en ce que le cornet corrugué (18) est plié à l'aide d'un plan à 450 11/ Antenne selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce qu'un duplexeur de polarisation est disposé à l'extrémité libre du cornet corrugué (18). 12/ Antenne selon la revendication 11, caractérisée en ce que le duplexeur de polarisation (13) comporte une partie en guide circulaire (14) et deux accès (15 et 16) en guide rectangulaire, le second accès (16) étant aligné avec le guide circulaire (14), une plaque réflectrice 13/ Antenne selon la revendication 12, caractérisée en ce que le premier accès (15) est obtenu par un "T magique" (21) dont les deux bras (22, 23) rejoignent deux accès rectangulaires (24, 25) diamètralement opposés sur la circonférence du guide circulaire (14).